JPH0674951A - フェライト系耐熱鋼のクリープ損傷評価方法 - Google Patents

フェライト系耐熱鋼のクリープ損傷評価方法

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JPH0674951A
JPH0674951A JP4226076A JP22607692A JPH0674951A JP H0674951 A JPH0674951 A JP H0674951A JP 4226076 A JP4226076 A JP 4226076A JP 22607692 A JP22607692 A JP 22607692A JP H0674951 A JPH0674951 A JP H0674951A
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宣彦 西村
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不二光 増山
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、クリープ損傷を評価しようとする
機械部品を切断することなく、しかも精度の良いクリー
プ損傷のできる方法を提供すること。 【構成】 フェライト系耐熱鋼は、クリープ損傷によっ
てその炭化物の分布状況に変化を来たす。即ち、製造し
たときに図1のような炭化物3の分布状況であったもの
が加熱状態で使用されクリープ損傷を生じて来ると炭化
物3は粗大化して粒間距離が増す。従って、供試材にお
ける炭化物の分布状況を観察し、それによってクリープ
曲線の係数を知ることができる。また、クリープ曲線
は、その材料の使用温度と使用応力によって変わるの
で、それらの使用条件と前記係数からクリープ曲線を推
定する。又、このように推定したクリープ曲線からクリ
ープひずみに対応する時間を求めてその材料の余寿命を
評価する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、長時間高温で使用され
ているフェライト系耐熱鋼のクリープ損傷の検査方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】高温、応力下で使用されているフェライ
ト系耐熱鋼のクリープ損傷を評価する従来の方法として
は、使用されている材料を切り出してクリープ破断試験
等の破壊試験を行って、未使用状態からの強度低下度を
評価する方法(以降、破壊試験法と称す)、使用された
温度、応力、時間から未使用材の強度を用いて損傷度を
推定する方法(以降、応力解析法と称す)が多用されて
いた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上述した破壊試験法で
は、機械部品として使用されたフェライト系耐熱鋼を破
壊試験に供するために切断する必要があることから、そ
の後の機械の運転のためには、切断工事に加えて切断し
た部品を修理するのに費用、工期がかかっていた。
【0004】また、長時間機械部品として使用されたフ
ェライト系耐熱鋼のクリープ損傷を精度よく評価するた
めには、なるべくその機械の運転条件に近い状態でクリ
ープ試験を実施する必要があり、評価に時間を要してい
た。
【0005】一方、応力解析法では、機械部品を切断す
る必要はないが、評価に必要なフェライト系耐熱鋼の強
度データとして、実際に使用された材料ではなく、同じ
種類の材料のデータを用いる必要があることから、実際
使用された材料強度データと応力解析の評価に用いた材
料強度データとの差に起因した誤差を持っていた。
【0006】本発明は、上記の従来技術が持つこれらの
問題点を解決し、機械部品を切断する必要がなく、しか
も、誤差の出ないフェライト系耐熱鋼のクリープ損傷評
価方法を提供することを課題としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】従来技術の持つ上記不具
合点を改善するために、本発明では以下の手段を採用す
る。機械部品として実際に使用されているフェライト系
耐熱鋼を切断することなく、その表面を研磨、その研磨
面を化学腐食又は電解腐食法などによって腐食させて、
表面に遊離した炭化物を抽出して得た抽出レプリカ試料
を透過電子顕微鏡で炭化物の分布状況を観察するだけで
損傷の程度を評価する。
【0008】この場合、クリープ変形特性と直接関係す
る析出物の分布状況を定量化して損傷評価する。前記定
量値およびそのフェライト系耐熱鋼の使用温度、応力及
び同フェライト系耐熱鋼のクリープ変形特性から、直接
一定クリープひずみに達するまでの時間を求めて、これ
を残寿命とする。
【0009】
【作用】フェライト系耐熱鋼においては、クリープ損傷
によってその炭化物の分布状況に変化をもたらす。この
炭化物の分布状況とクリープ曲線の係数との関係につい
て予じめ線図を作成しておけば、クリープ損傷を評価し
たい材料の炭化物の分布状況を直接観察することによっ
て前記線図からその材料についてのクリープ曲線の係数
を知ることができる。
【0010】また、クリープ曲線は、材料の使用温度と
使用応力によって変わるので、クリープ損傷を評価した
い材料の使用温度と使用応力を求め、これと前記係数を
用いてクリープ曲線を推定することができる。
【0011】また、本発明によれば、このように推定し
て得たクリープ曲線からクリープひずみに対応する時間
を求め、その材料に残された寿命を評価することができ
る。
【0012】
【実施例】以下、本発明によるクリープ損傷評価方法の
実施の態様を図面等を参照して説明する。まず、フェラ
イト系耐熱鋼である21/4Cr−1Mo鋼を550℃〜6
50℃の種々の温度で最長10000hの時効試験を行
った。時効試験後の各供試材について、その表面を研磨
して酸化被膜を除去して母地を現出させるとともに平坦
化して、同供試材の一定面積を電解研磨法によって同一
条件で腐食させ、酢酸メチル液で軟化させたアセチルセ
ルロース製のフィルムをその腐食面に貼り付け、同腐食
面から遊離した炭化物をフィルムに抽出し、透過型電子
顕微鏡で観察できる抽出レプリカ試料とした。
【0013】このようにして得た抽出レプリカ試料を透
過型電子顕微鏡に装着し、写真を撮影した。図1に製造
したままの供試材、図2に600℃、10000h加熱
後の供試材から、それぞれ、採取した抽出レプリカの5
000倍の透過型電子顕微鏡組織の模式図を示す。いず
れの供試材にも炭化物3が析出していたが、図2に示す
加熱材の炭化物は図1の製造したままの材料の炭化物に
比べて個々の炭化物が粗大化するとともに球状化して、
炭化物間の距離が長くなっていた。
【0014】フェライト系耐熱鋼においては、クリープ
損傷はクリープ変形によるクリープひずみの蓄積による
が、炭化物によってクリープ変形の担い手である転位が
ピン止めされて変形の抵抗となっている。従って、炭化
物は製造したままの材料のように互いに密に分布してい
るほうがクリープ変形抵抗が高いと考えられる。
【0015】そこで、時効試験片すべてについて、試験
温度550〜625℃、試験応力4〜6kgf/mm2 でクリ
ープ試験を実施した。図2に製造したままの供試材及び
600℃、10000h加熱後の供試材の600℃、6
kgf/mm2 におけるクリープ曲線の模式図を示す。
【0016】加熱材のクリープ曲線4は製造したままの
材料のクリープ曲線5に比べて勾配が急で、短時間で破
断しており、加熱によるクリープ変形抵抗の減少及びこ
れによる破断時間の減少(即ち、加熱によるクリープ損
傷の蓄積)が認められた。
【0017】金属材料のクリープ曲線は荷重を負荷した
時点で瞬時に生じる瞬間ひずみ、その後の時間とともに
クリープ速度(単位時間あたりのクリープひずみ)が減
少する遷移クリープ段階、その後の時間によらずクリー
プ速度が一定の定常クリープ段階、その後の時間ととも
にクリープ速度が増加する加速クリープ段階を経て破壊
に至るが、フェライト系耐熱鋼の典型的な使用応力であ
る4〜6kgf/mm2 では、図2に示したように瞬間ひず
み、遷移クリープ段階および定常クリープ段階はほとん
ど認められず、寿命のほとんどが加速クリープ状態であ
った。
【0018】そこで、下式を仮定して各試験のクリープ
曲線を数式化することにした。
【0019】ε=C1 { exp(C2 t)−1} ここで、εは時間t後のクリープひずみ、tは負荷時
間、C1 ,C2 は試験温度、試験応力および材料の状態
によって決まる定数である。
【0020】図3に製造したままの供試材及び600
℃、10000h加熱後の供試材の550,600,6
25℃における係数C1 と応力との関係の模式図を示
す。係数C1 は若干の応力依存性はあったが、製造した
ままの材料と600℃、10000h加熱材とではほと
んど差がなく、また、試験温度にもほとんど依存しなか
った。
【0021】また、図4に製造したままの供試材及び6
00℃、10000h加熱後の供試材の600℃におけ
る係数C2 と応力との関係の模式図を示す。係数C2
応力に依存し、製造したままの材料と600℃、100
00h加熱材とで差があった。すなわち、加熱によるク
リープ強度の低下は、係数C2 の変化に対応していた。
そこで、C2 と応力σとの関係を下式で仮定して、係数
3 を求めた。
【0022】log C2 =C3 +C4 σ なお、図4の直接の勾配を示すC4は供試材によらずほ
ぼ一定だったのでC4は全試験片の平均値を用いること
にした。そこで、各試験片の炭化物の分布状況を、各炭
化物とそれと最隣接の炭化物間の距離の平均値を粒間距
離として画像処理装置を用いて求めて、係数C3 と粒間
距離との関係を求めて図5に示す。係数C3 と粒間距離
との間には明確な関係があった。
【0023】そこで、温度600℃、応力4kgf/mm2
クリープ試験を行ない、これを10000hで中断した
試験片の表面を研磨し、上述した試験片と同様の手法で
抽出レプリカを採取し、これを透過型電子顕微鏡によっ
て観察して同様の方法で炭化物の粒間距離を求めた。
【0024】次に、図5に示した係数C3 と炭化物の粒
間距離との関係線図を用いて、該クリープ中断材の炭化
物の粒間距離から係数C3 を求め、log C2 =C3 +C
4 σの式にC3 およびC4 を代入して、応力σ=4kgf/
mm2 の時の係数C2 を求めた。さらに、求めた係数C2
とあらかじめ求めておいた製造したままの材料および加
熱試験片の係数C1 を用いて、ε=C1 { exp(C
2 t)−1}から供試材のその後のクリープ曲線を推定
した。
【0025】図6に、上述した本発明方法によって推定
したクリープ曲線6と中断後そのままクリープ試験を行
なうことによって得たクリープ曲線7とを対比して示す
が、本発明方法によって推定したクリープ曲線は、クリ
ープ試験によって求めたクリープ曲線と精度よく一致し
ており、本発明によってクリープ曲線をクリープ試験に
よらず非破壊的に推定できることがわかった。
【0026】
【発明の効果】上述したように、本発明方法によれば、
高温で運転される機械部品に使用されているフェライト
系耐熱鋼のクリープ損傷の程度を、破壊試験法よりも短
時間で且つ同等の精度で行う損傷評価方法を提供できる
ことから、機械部品の使用中検査の迅速化を図ることが
できる。
【0027】さらに、評価に機械部品の切断、復旧作業
を伴わないこと、および長時間に亘る機械試験を行わな
くても良いことから、破壊試験法よりも簡便で且つ安価
であり、評価工事の効率化、検査範囲の拡大による検査
精度の向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による評価方法で試験した材料からとっ
た抽出レプリカの5000倍の透過型電子顕微鏡組織の
模式図を示し、(a)は製造まゝの材料、(b)は加熱
後のものを示している。
【図2】本発明による評価方法に基いて試験した供試材
のクリープ曲線の模式図を示す。
【図3】本発明による評価方法に基づく試験で用いたク
リープ曲線の数式における係数C1 と応力との関係の模
式図を示す。
【図4】本発明による評価方法に基づく試験で用いたク
リープ曲線の数式における係数C2 と応力との関係の模
式図を示す。
【図5】本発明による評価方法に基づく試験で用いた数
式における係数C3 と粒間距離との関係のグラフを示
す。
【図6】本発明によって推定したクリープ曲線と中断後
そのままクリープ試験を行なうことによって得たクリー
プ曲線を示す。
【符号の説明】
1 21/4Cr−1Mo鋼の製造まま材の抽出レプリカ
の5000倍の透過型電子顕微鏡 2 21/4Cr−1Mo鋼の600℃、10000h加
熱後材の抽出レプリカの5000倍の透過型電子顕微鏡
組織 3 炭化物 4 加熱材のクリープ曲線 5 製造まま材のクリープ曲線 6 本発明方法によって推定したクリープ曲線 7 クリープ試験によって求めたクリープ曲線

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 フェライト系耐熱鋼のクリープ損傷評価
    方法において、 1)同フェライト系耐熱鋼の表面を研磨し、平坦な金属
    表面を得る。 2)同研磨金属表面の一部を腐食する。 3)腐食させた前記金属表面に軟化させたプラスティッ
    クフィルムを貼り付けて、腐食によって母地から遊離し
    た炭化物を抽出する。 4)抽出した前記炭化物を含む前記プラスティックフィ
    ルムから透過型電子顕微鏡用の抽出レプリカ試料を作製
    する。 5)同抽出レプリカ試料を透過型電子顕微鏡で観察し、
    炭化物の分布状況を定量化する。 6)あらかじめ作成した、炭化物の分布状況の定量値と
    フェライト系耐熱鋼のクリープ曲線の数値近似曲線の係
    数との関係を示す線図に前記供試材の炭化物分布状況の
    定量値をあてはめて、同供試材のクリープ曲線の数値近
    似曲線の係数を求める。 7)前記供試材の使用温度、使用応力を、実測または計
    算等によって求め、同温度、応力およびクリープ曲線の
    数値近似曲線の前記係数から、供試材のクリープ曲線を
    推定することを特徴とするフェライト系耐熱鋼のクリー
    プ損傷評価方法。
  2. 【請求項2】 前記推定したクリープ曲線から任意のク
    リープひずみに対応する時間を求め、同時間を該供試材
    の残寿命とすることを特徴とする請求項1記載のフェラ
    イト系耐熱鋼のクリープ損傷評価方法。
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