JPH09133623A

JPH09133623A - 金属製部材の損傷度及び余寿命の評価方法

Info

Publication number: JPH09133623A
Application number: JP7292925A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Inada; 淳稲田; Hiroshi Kakou; 浩家口
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1995-11-10
Filing date: 1995-11-10
Publication date: 1997-05-20
Anticipated expiration: 2015-11-10
Also published as: JP2914254B2

Abstract

(57)【要約】【課題】様々な応力条件において金属製部材の疲労度
を定量的に評価することができる金属製部材の疲労損傷
度及び余寿命評価方法を提供する。【解決手段】疲労により転位セル組織が形成される金
属製部材における転位セル組織における転位セル壁厚さ
を測定し、予め上記金属製材料と同一の素材にて求めら
れている、繰返し数に対する転位セル壁厚さの推移及び
／または使用限界点と比較することにより金属製部材の
損傷度及び余寿命のいずれか一方または両方を評価する
ことを特徴とするものであり、転位セル組織における転
位セル壁厚さは、評価対象から直接的に、または評価の
対象となる部位に対し応力及び／または歪条件が既知の
関係にある別の部位の金属製部材から間接的に測定し、
評価することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、繰返し応力が働く
環境下で使用される金属製部材の損傷度及び余寿命の評
価方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属製部材の損傷度または余寿命
を評価する方法として提唱されているものの多くはＸ線
半価幅を利用するものである（例えば文献１：日本機械
学会論文集( 第１部)28 巻,194号, Ｘ線による金属材料
疲れ破壊に関する研究、文献２：特開昭56−87849 号、
文献３：特開平2 −136737号等）。このような評価方法
の基準となっているＸ線半価幅は、繰返し応力によって
転位密度が大幅に変化するような特定条件の下では、そ
れに伴って大きく変化するため余寿命の評価に利用する
ことができる。しかしながら、不特定の繰返し応力、繰
返し数が作用する環境下で使用されている金属製部材に
対しては適用できない場合が多い。特に、寿命の後半、
即ち破損が迫った金属製部材においては転位密度の変化
が緩慢となるため、十分な精度が得られない。従って、
Ｘ線半価幅を余寿命に適用することができた場合とは、
極めて好条件が重なった場合であるというのが実状であ
る。

【０００３】上記Ｘ線半価幅にこうした傾向が存在する
理由としては、過剰転位の量及び配列を間接的に評価し
ていることが考えられる。即ち、金属疲労の本質である
転位組織変化の一部の段階しかとらえていないことに加
え、結晶粒界などのように疲労損傷以外の要因が測定値
に影響し、それにより評価の精度を低下させていること
が挙げられる。

【０００４】これらの考察からすれば、転位組織の変化
そのものをとらえて疲労損傷度や余寿命を評価する方が
より本質的であり且つ効果的であることが分かる。疲労
により転位組織が変化することは従来から知られており
（例えば文献４：Fatigue ofMetalic Materials, M.Kle
sni & P.Lukas, Elsevier Scientific PublishingCompa
ny (1980), pp.9 - 80）、また、その転位組織の変化を
余寿命の評価方法として適用する試みも報告されている
（例えば文献５：Measurement of FatigueAccumulation
in High-Strength Steels by Microstructual Examina
tion ，METALLURGICAL TRANSACTIONS，VOLUME 21A，JUL
Y(1990), pp.1986 - 1996、文献６：特開平2 −118438
号、文献７：特開平5 −240806号、文献８：特開平1 −
126531号等）。

【０００５】図６は上記文献４に説明されている内部転
位構造概略図である。同図に示されるように、転位組織
は破断までの繰返し数Ｎｆ（横軸）と積層欠陥エネルギ
ー（縦軸）の関数で表されており、図中Ａは線状転位，
転位ループ及び転位双極子のベイン帯、Ｂは転位セル構
造が形成される領域、Ｃは平面的配列をそれぞれ示して
いる。上記領域Ｂについては、材料の積層欠陥エネルギ
ーが高く、作用する応力が比較的高い場合には、転位密
度の高い境界部に囲まれた、いわゆる転位セル構造を呈
することが示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た文献６や文献７では、繰返し回数に応じて変化する転
位組織の標準組織を作成し、この標準組織と評価対象と
なる金属製部材との比較を行うことにより損傷度を評価
していることから、定量性及び客観性に欠け、さらに、
評価する者によって誤差が生じるという致命的な欠点が
ある。

【０００７】さらに、上記文献４にあるように、金属製
部材に形成される転位組織はそれに作用する応力条件等
によっても変化するものであるから、応力条件毎に標準
組織を作成しなければならないという問題があり、上記
文献６や文献７による方法は実用化に至っていない。

【０００８】さらにまた、上記文献５や文献８は、疲労
に伴って形成される複数転位セル間の方位差の測定値を
もって損傷度を判断するものであるため、定量性及び客
観性の点については優れているが、転位組織変化のごく
一部の段階しかとらえていない。従って、初期の段階か
ら転位密度が高く現れるような金属製部材に対しては有
効であるが、焼きなまし材のような部材では、セル間に
測定可能な方位差が生じないうちに破損が生じ測定不可
となることが報告されている（文献９：History Depend
ence in the Cyclic Stress-Strain Response of Wavy
Slip Materials，C.Laird, J.M.Finney, A.Schwartzma
n, R.de la Veaux, JOURNAL OF TESTINGAND EVALUATIO
N，vol 3, (1975), No.6, pp.435 - 441 ）。よって、
限られた条件でしか適用することができない。

【０００９】上述したように、従来から提唱されている
疲労度評価方法では、ごく一部の金属製部材にしか適用
することができないため、実際に稼働している例えばプ
ラント設備に使用されている金属製部材の余寿命を正確
に評価することができない。従って、プラント設備にお
いて予期せぬ事故が発生するリスクを依然として解消す
ることができず、検査及び保全修理に多大な投資をせざ
るを得ないのが実状である。

【００１０】本発明は以上のような従来の疲労度評価方
法における課題を考慮してなされたものであり、様々な
応力条件において金属製部材の疲労度を定量的に評価す
ることができる金属製部材の疲労損傷度及び余寿命評価
方法を提供するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、疲労により転
位セル組織が形成される金属製部材における転位セル組
織における転位セル壁厚さを測定し、予め前記金属製部
材と同一の素材にて求められている、繰返し数に対する
転位セル壁厚さの推移と比較することにより金属製部材
の損傷度及び余寿命のいずれか一方または両方を評価す
る金属製部材の損傷度の評価方法である。なお、本発明
において損傷度とは、当該部材の受けた金属疲労の程度
が使用限界寿命に対してどのくらいの割合に相当するか
を示したものと定義する。

【００１２】本発明においては、上記転位セル壁厚さの
推移及び使用限界点と比較することにより、金属製部材
の損傷度及び余寿命を評価することができる。また、本
発明における疲労とは、機械的な応力が作用する場合に
限らず、熱収縮によって応力が作用する場合等も含まれ
る。

【００１３】本発明においては、評価の対象となる部位
に対し、応力及び／または歪条件が既知の関係にある別
の部位から転位セル組織における転位セル壁厚さを測定
することもできる。

【００１４】金属製部材の損傷度及び余寿命を評価する
に当たり、（繰返し数／使用限界点までの繰返し数）を
繰り返し数と置き換えて転位セル壁厚さの推移をグラフ
化すれば、応力，歪条件が異なるデータを同じ推移曲線
上に乗せることができ、それにより応力及び／または歪
条件が特定できなくとも損傷度及び余寿命を評価するこ
とが可能になる。

【００１５】また、疲労により転位セル組織が形成され
るとは、疲労により評価の対象全体に転位セル組織が形
成されるもの、及び転位セル組織を含み複数種の組織が
形成されることを示す。具体的には、転位セル組織が評
価対象中に一部形成されていればよく、従って転位セル
組織とベイン組織の両方が評価対象中に形成されている
ようなものであっても評価の対象とすることができる。
なお、疲労により生じる転位組織は、その材料の結晶学
的性質，温度条件，応力条件により変化し得るものでは
あるが、従来からアルミニウム，アルミニウム合金，鉄
鋼，ステンレス鋼，銅，銅合金等の多くの金属製部材に
おいて転位セルの形成例が報告されている。従って本発
明は広範囲の金属製部材に適用し得るものである。な
お、上記金属製部材の中でも、アルミニウム，アルミニ
ウム合金は特に転位セルが形成され易く、評価の対象と
して好適である。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面に示した実施例に基づ
いて本発明を詳細に説明する。様々な条件の下で疲労損
傷度及び余寿命の評価を的確に行えるようにする本発明
は、転位組織の変化を定量的に扱える方法を検討した結
果、転位セル壁厚さの推移を評価することが好都合であ
ることを知見したものである。

【００１７】転位セル壁とは、疲労により生じた転位セ
ル組織における各セル同士の境界部分を示し、転位や転
位双極子が高密度に絡みあったか、或いは配列した部分
を指すものである。そしてこの転位セル壁の厚さは、疲
労劣化の進行につれて薄くなることが確認された。

【００１８】この転位セル壁厚さが減少する挙動を調査
したところ、繰返し数に対して大きな幅をもって単調に
減少する傾向が確認された。図１はその概念図を示した
ものである。このことから、使用限界点に至るまでの転
位セル壁厚さ推移のマスターカーブを予め作成しておけ
ば、評価時での金属製部材の疲労損傷度及び余寿命を定
量的に決定できることが分かる。なお、金属製部材に形
成される転位セル自体の大きさが大きくばらつき、転位
セル壁厚さのみからではデータを整理することができな
い場合には、転位セルの大きさ（例えば直径等）を基準
とし転位セル壁厚さを修正した値をパラメータとしても
良い。

【００１９】また、図１の横軸に示す繰返し数Ｎの代わ
りに「繰返し数Ｎ／使用限界点までの全繰返し数Ｎｆ＝
Ｎ／Ｎｆのパラメータを用いることにより、異なる応力
・歪条件からなる複数のデータ系列が同じ推移曲線とし
て扱えることが分かった。その概念図を図２に示す。

【００２０】実際に稼働しているプラントについては、
評価対象に作用している応力・歪条件を正確に把握する
ことができない場合がほとんどであり、このことは余寿
命評価を困難にしている原因の一つとなっている。しか
しながら、図２に示す結果は、応力・歪条件が不明であ
ってもその条件が長期的にみて変動しないものであれば
（或いは変動の傾向が予測できれば）、余寿命を評価す
ることが可能であることを意味している。

【００２１】さらに、図２に基づけば、同じ推移曲線上
に異なる応力条件が含まれているため、マスターカーブ
も各応力毎に作成する必要がなく、よって代表的な一つ
か二つの応力条件で金属製部材の評価を確認しておけ
ば、他の応力条件についても評価することが可能にな
る。

【００２２】また、上述した評価方法は、実験室的に行
われる単純な応力繰返しパターンについてだけでなく、
多重の応力変動パターンについても有効である。即ち、
変動パターンが一定であるとき、その変動パターンを１
サイクルとみなしてプロットすれば、図２に示す単純な
応力繰返しパターンの試験により作成した推移曲線をそ
のまま応力変動パターンについても適用できることが確
認されている。なお、金属製部材の表面状態によっては
使用限界点の転位セル壁厚さ、即ちＮ／Ｎｆ＝１におけ
る転位セル壁厚さが負荷応力のレベルに応じて変動し、
図２に示したような推移曲線上に乗らない場合がある。
このような場合については、図２の縦軸に、それぞれの
応力条件での使用限界点の転位セル壁厚さを基準にして
転位セル壁厚さを修正したパラメータを用いることがで
きる。

【００２３】本実施例に示す評価方法は、疲労過程の大
部分を占める転位セル組織の発達を定量的にとらえるも
のであるから、適用できる材料，応力，繰返し数等の条
件の範囲が広範囲に亙るものであってもよく、特に、積
層欠陥エネルギーが大きく、転位セルを形成しやすいア
ルミニウム合金製の部品を使用している設備の疲労劣化
診断には極めて効果的である。

【００２４】また、転位セル壁厚さの測定は特に限定し
ないが、薄膜サンプルを採取して透過型電子顕微鏡を用
いて撮影した二次元像を利用すると転位セル壁厚さを簡
便に測定することができる。この方法により測定した転
位セル壁厚さは、三次元的な真の厚さとは異なるもので
はあるが、サンプリング数ｎを十分に増やして測定を行
い、平均値を計算する等の統計処理を行うことにより、
十分な精度が得られる。勿論、真の転位セル壁厚さに近
づけるための補正を行なうこともできる。

【００２５】また、上述した評価方法を、実際に稼働し
ている設備の評価対象に適用しようとする場合、形状や
構造上の制約から、評価したい部位の転位セル壁厚さを
直接測定することができない場合がある。このような場
合には、そのような評価対象部位に対して応力・歪条件
が既知の関係を持つ別の部位の転位セル壁厚さを測定
し、その測定結果に基づいて評価対象部位の損傷度を計
算にて予測することができる。

【００２６】

【実施例】以下、本実施例の評価方法をさらに具体的に
説明する。アルミ３００３合金を用い、表１に示す条件
で疲労試験を実施し、使用限界点（本実施例では破断点
とした）に対するＳＮ曲線を作成した。次に、約１０⁵
回時間強度に当たる６７ＭＰａから１０³ 回時間強度の
７７ＭＰａまでの種々応力にて破断までの適当回数繰返
しを与えて停止させた。

【００２７】

【表１】

【００２８】これらの破断材または未破断材における転
位組織を透過型電子顕微鏡で観察したところ、転位セル
の形成を確認したため、一つのサンプルにつき複数枚の
写真を倍率１５, ０００倍以上で撮影した。次に、写真
上で各セル壁の中央部分の幅を１サンプルにつき８０箇
所測定し（図３参照）、それらの平均を計算した。以上
の結果をグラフにしたものを図４に示す。

【００２９】さらに、図４における横軸の繰返し数Ｎ
を、寿命比Ｎ／Ｎｆとして整理したものを図５に示す。
これらの図から、繰返し数Ｎの対数に対し、転位セル壁
厚さが単調に減少すること、さらにこの減少傾向は破断
に至るまで継続することが分かる。また、応力条件が未
知であっても、評価対象となる実部材の転位セル壁厚さ
測定結果を図５の推移曲線と比較すれば、実部材に関し
てこれまでの使用時間とこれから使用できる時間との比
を知ることができる。即ち、劣化程度や余寿命の評価が
可能になる。

【００３０】これらのデータを基に、アルミ３００３合
金で構成された熱交換装置に使用されている実部材の余
寿命評価を試みた。この熱交換装置においては熱応力に
より特定部位に疲労損傷が起こること、損傷が起こる部
位は全装置中８０箇所存在し、いずれも等価な応力サイ
クルを受けること、その応力サイクルは日毎に一定条件
であることが知られていた。この装置を４年間使用した
後、上記８０箇所中５箇所（測定部位Ａ〜Ｅ）を選び、
それぞれの転位セル壁厚さを本実施例の評価方法に従っ
て測定した。さらに、その結果を図５から回帰した転位
セル壁厚さとＮ／Ｎｆの関係式にあてはめ、現在の寿命
比Ｎ／Ｎｆを評価した。その結果を表２に示す。

【００３１】

【表２】

【００３２】表２に示されるように、測定部位Ａ〜Ｅの
５箇所ともＮ／Ｎｆは１／１００前後であり、平均的に
は１．５／１００であった。実部材における転位セル壁
厚さのばらつき状態や装置の疲労損傷度のばらつきを考
慮して別に設定した安全係数を考慮（使用可能余寿命＝
１／２５×測定された余寿命）すると、あと１０．５年
まで使用可能という診断結果が得られた。以上のように
して実部材における疲労損傷を評価することができる。

【００３３】なお、比較例として上記と同じ試験片を用
い、Ｘ線半価幅の変化を測定した結果、比較的初期に半
価幅が急増し、その後飽和或いは減少する傾向がみら
れ、余寿命評価には適さないことが確認された。また、
転位セル間の方位差測定も試みたが、破断材においても
方位差は測定可能なレベルに達しておらず、この評価方
法も採用できないことが判明した。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明によれば、様々な応力条件において金属製部材の
損傷度及び余寿命のいずれか一方または両方を定量的に
評価することができるという長所を有する。また、測定
した転位セル壁厚さを、転位セル壁厚さの推移及び使用
限界点と比較すれば、損傷度とともに余寿命を評価する
ことができる。

【００３５】本発明によれば、評価の対象となる部位か
らサンプルを採取することができなくとも、応力条件ま
たは歪条件、或いは応力条件及び歪条件がその評価の対
象となる部位と既知の関係にある別の部位からサンプル
を採取し、転位セル壁厚さを測定することにより、評価
の対象となる部位の損傷度及び余寿命を評価することが
できる。

【００３６】本発明によれば、疲労において転位セルを
形成し得るものであれば、アルミニウム，アルミニウム
合金，鉄鋼，ステンレス鋼，銅，銅合金等の多種類の金
属製部材について損傷度及び余寿命を評価することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る繰返し数Ｎと転位セル壁厚さの関
係を示すグラフである。

【図２】本発明に係る繰返し数Ｎ／使用限界点までの繰
返し数Ｎｆと転位セル壁厚さの関係を示すグラフであ
る。

【図３】本発明に係る転位セル壁厚さを示す模式図であ
る。

【図４】本発明の実施例に係る繰返し数Ｎに対する転位
セル壁厚さの推移を示すグラフである。

【図５】同実施例に係るＮ／Ｎｆに対する転位セル壁厚
さの推移を示すグラフである。

【図６】転位構造概略図を示すグラフである。

【符号の説明】

ｄ１〜ｄ１４：転位セル壁厚さ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】疲労により転位セル組織が形成される金
属製部材における前記転位セル組織における転位セル壁
厚さを測定し、予め前記金属製部材と同一の素材にて求
められている、繰返し数に対する転位セル壁厚さの推移
と比較することにより、前記金属製部材の損傷度及び余
寿命のいずれか一方または両方を評価することを特徴と
する金属製部材の損傷度及び余寿命の評価方法。
【請求項２】前記転位セル壁厚さの推移及び使用限界
点と比較することにより、前記金属製部材の損傷度及び
余寿命を評価する請求項１記載の評価方法。
【請求項３】評価の対象となる部位に対し、応力及び
／または歪条件が既知の関係にある別の部位における前
記転位セル組織における転位セル壁厚さを測定する請求
項１または２に記載の評価方法。
【請求項４】（繰返し数／使用限界点までの繰返し
数）を前記繰り返し数と置き換えて前記転位セル壁厚さ
の推移をグラフ化し、前記金属製部材の損傷度及び余寿
命を評価する請求項１〜３のいずれかに記載の評価方
法。
【請求項５】前記金属製部材がアルミニウムまたはア
ルミニウム合金である請求項１〜４のいずれかに記載の
評価方法。