JPH10206355A - 金属の疲労損傷度の評価法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子線背面反射分析法などで分析される結晶
粒界の詳細な方位変化から金属材料の疲労損傷度を知る
ことができる金属の疲労損傷度の評価法を提供すること
にある。 【解決手段】 被測定部から採取した試料を研磨して電
子線背面反射分析または電子線チャネリングパターン解
析を行って、セル間の方位差を測定し、測定された方位
差を、一定角度ステップごとにマッピング表示するとと
もに、一定角度ステップごとの方位差分布のヒストグラ
ムを作成しておき、同一試料を光学顕微鏡で観察した結
晶粒界と同一若しくは近似したマッピング表示となって
いる角度を臨界角度と定め、この臨界角度以下の方位差
分布のヒストグラムのみを用いてセル間の方位差の角度
平均値を求めるようにする。この臨界角度を定め、詳細
に解析されたセル間の方位差と金属の組織の疲労損傷度
との関係を明確にし、同一手法で既知の疲労損傷度の同
一組成材料についての校正曲線を求めておくことで、高
精度に疲労損傷度の定量的評価を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】この発明は、金属の疲労損傷
度の評価法に関し、原子炉用圧力容器鋼などのベイナイ
ト組織の金属材料の疲労損傷度を簡単に評価することが
出来るようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】金属材料における疲労は腐蝕と並んでプ
ラント材料の劣化の２大原因であり、疲労損傷にともな
うミクロ組織の変化の研究がなされており、疲労損傷に
よる破壊が生じる前に疲労損傷度を評価する手法の研究
が種々行われている。

【０００３】従来から行われている金属の疲労損傷度の
評価法の一つに、疲労損傷の増加にともない、セル間の
方位差が大きくなることに着目し、被測定部から試料を
サンプリングし、この試料から透過型電子顕微鏡で観察
するための薄膜試料を作成し、セル間の方位差を電子線
回折を用いて測定する一方、予め疲労損傷度が既知の同
一組成の材料について同様の測定を行って校正曲線を求
めておくことで、疲労損傷度を評価するものがある。

【０００４】これによれば、金属に疲労損傷による破壊
が生じる前の疲労度を把握することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この評価法
では、セル間の方位差の測定を透過型電子顕微鏡を用い
て行うため、薄膜試料を作製しなければならず、作製に
多大な時間と労力がかかるという問題がある。

【０００６】また、透過型電子顕微鏡では、１度に観察
できる領域が狭く、結晶粒毎に測定せざるを得ず、試料
全体の方位差の平均値を求めるためには、多数の結晶粒
の測定が必要で、これにも多大な時間と労力を要すると
いう問題がある。

【０００７】一方、薄膜試料を必要とせずに、しかも１
００結晶分程度の比較的大きな領域を測定することがで
きる電子線背面反射分析（ＥＢＳＰ）法が開発され、よ
り微細に方位変化が測定可能となるものの、この電子線
背面反射分析で得られた方位差変化と疲労損傷度との関
係が明確でなく、詳細な方位変化が測定できても材料の
組織と１対１に対応する精密な疲労損傷度の評価を行う
ことができないという問題がある。

【０００８】この発明はかかる従来技術の課題に鑑みて
なされたもので、電子線背面反射分析法などで分析され
る結晶粒界の詳細な方位変化から金属材料の疲労損傷度
を知ることができる金属の疲労損傷度の評価法を提供し
ようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、この発明の金属の疲労損傷度の評価法は、被測定部
から電子線背面反射分析用または電子線チャネリングパ
ターン解析用の試料を採取する工程と、この試料につい
て前記電子線背面反射分析または電子線チャネリングパ
ターン解析を一定ステップごとに行って結晶粒界の方位
差を測定する工程と、この解析結果による方位差を一定
角度ステップごとにマッピング表示する工程と、前記解
析結果による方位差から一定角度ステップごとの方位差
分布のヒストグラムを作成する工程と、前記試料に対す
る光学顕微鏡で観察される結晶粒界と前記一定角度ステ
ップごとにマッピング表示された表示結果とを比較して
観察結晶粒界と同一若しくは近似するマッピング表示の
角度を臨界角度と定め、当該臨界角度以下のみの前記ヒ
ストグラムから結晶粒界の方位差の角度平均値を求める
工程と、予め求めておいた同一組成材料の既知の疲労損
傷度と結晶粒界の方位差の前記臨界角度以下のみの角度
平均値との関係から前記試料の角度平均値に対する疲労
損傷度を求める工程とからなることを特徴とするもので
ある。

【００１０】この金属の疲労損傷度の評価法によれば、
被測定部から採取した試料を例えば研磨するなどで電子
線背面反射分析または電子線チャネリングパターン解析
用の試料とし、これを例えば１ミクロン１ステップなど
の一定ステップごとに分析または解析することでセル間
の方位差を測定して行き、測定された方位差を、例えば
１度以上５度以下、５度以上１５度以下、１５度以上な
どの一定角度ステップごとにマッピング表示するととも
に、例えば５度ごとなどの一定角度ステップごとの方位
差分布のヒストグラムを作成しておき、同一試料を光学
顕微鏡で観察した結晶粒界と同一若しくは近似したマッ
ピング表示となっている角度、例えば２０度を臨界角度
と定め、この臨界角度以下の方位差分布のヒストグラム
のみを用いてセル間の方位差の角度平均値を求めるよう
にしており、臨界角度を定めることで詳細に解析された
セル間の方位差と金属の組織の疲労損傷度との関係を明
確にでき、同一手法で既知の疲労損傷度の同一組成材料
についての校正曲線を求めておくことで、高精度に疲労
損傷度の定量的評価ができるようにしている。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施の形態を
図面を参照しながら詳細に説明する。この金属の疲労損
傷度の評価法は、原子炉用圧力容器鋼などの焼入れ・焼
戻し材料のように、セル組織を持つ金属材料の疲労損傷
度の評価に用いられ、セル間の方位差が疲労損傷の増加
に伴って大きくなることを利用することによって疲労損
傷度を知るものである。

【００１２】この金属の疲労損傷度の評価法では、セル
間の方位差の測定に、従来から用られているＸ線回折ま
たは透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に替えて電子線背面反
射分析（ＥＢＳＰ）または電子線チャネリング・パター
ン解析（ＥＣＰ）を用いる。

【００１３】従来のＸ線回折では、試料全体の結晶粒の
方位分布状態を知ることができるが、個々の結晶粒同志
の関係は分からない。

【００１４】また、透過型電子顕微鏡では、個々の結晶
粒の情報は分かってもごくわずかな領域しか見られない
ので、試料全体の統計的な情報を得ることが実質的にで
きなかった。

【００１５】これらに対し、電子線背面反射分析（ＥＢ
ＳＰ）法では、透過型電子顕微鏡の菊池線と同じで、試
料内で１度非弾性散乱を受けた電子線の強度分布に角度
依存性があるために、２度目の弾性散乱（ブラッグ反
射）を受けたときに１対の輝度の高い線と低い線（菊池
線）となって現れることを利用して結晶方位を決定する
もので、背面反射波を利用する。

【００１６】また、電子線チャネリング・パターン解析
（ＥＣＰ）法では、照射する電子線を振る（ロッキング
させる）ことで角度を変化させ、ブラッグ反射の起こる
位置でチャネリング・パターン（菊池線と等価）が現れ
ることを利用して結晶方位を決定するものである。

【００１７】これら分析法（ＥＢＳＰ法）または解析法
（ＥＣＰ法）を用いることで、薄膜試料を作成すること
無く結晶方位を測定できるとともに、測定領域も１００
結晶分程度の比較的大きな範囲の測定ができる。

【００１８】さらに、電子線背面反射分析では、現れる
菊池線を自動的に解析する解析用ソフトが開発されてい
る。

【００１９】次に、これら分析法（ＥＢＳＰ法）または
解析法（ＥＣＰ法）を用いて行う金属の疲労損傷度の評
価法を、図１に示すフロー図にしたがって説明する。

【００２０】(1) 被測定部からの試料の採取を行う。 疲労損傷度を測定する必要がある部分から、例えば10×
5 ×1.5 mm程度の試料を採取する。

【００２１】(2) 試料の研磨を行う。 採取した試料を研磨して電子線背面反射分析用の試験片
とする。この試験片は透過型電子顕微鏡用の試験片と異
なり、電界研磨で0.2 〜100nm の厚さまで研磨する必要
がなく、仕上げとして電解研磨が望ましいが、エメリ紙
による仕上げであっても良い。

【００２２】(3) 電子線背面反射分析法（ＥＢＳＰ
法）によるセル間の方位差の測定を行う。 この試験片の電子線背面反射分析は走査型電子顕微鏡
（ＳＥＭ）に検出器と演算処理装置とを組み合わせて構
成され、電子線を試験片に入射し、反射される菊池線を
検出することで行う。

【００２３】この電子線背面反射分析法（ＥＢＳＰ法）
では、例えば１ミクロン１ステップで測定するが、高精
度のデータを必要とする場合には、同一セル内で３〜４
点以上の測定を行うなど、より小さなステップで測定す
るようにすれば良い。

【００２４】(4) 測定方位差を一定角度ごとにマッピ
ング表示する。 セル間の方位差を解析ソフトを用いて、例えば５度以
下、５度から１０度、１０度から１５度、１５度から２
０度、２０度以上などにマッピング表示すると、例えば
図２に５度以下、５度から１５度、１５度以上の３つの
場合を示すように、５度以下が細かく薄く高密度の折れ
線で、５度以上１５度以下が薄い網目状の折れ線で、１
５度以上が濃い網目状の折れ線でそれぞれ示される。

【００２５】(5) 結晶粒界の角度の分布を一定角度ご
とにヒストグラムを作成する。 セル間の方位差を、例えば角度５度ごとの方位差を持つ
セルの個数を求め、全体を１００とした割合で示すと図
３のように表わすことができ、同図（ａ）は疲労損傷材
（疲労損傷度１００％）の場合を、同図（ｂ）は受入材
（疲労損傷度０％）の場合をそれぞれ表わしたものであ
る。

【００２６】このようにして電子線背面反射分析法（Ｅ
ＢＳＰ法）によりセル間の方位差を測定し、一定角度ご
とにマッピングすることで図２に示すような表示がで
き、さらに、一定角度ごとのヒストグラムを図３に示す
ように作成することができる。

【００２７】このようなマッピング表示およびヒストグ
ラムを作成しても直ちに疲労損傷度を求めることができ
ない。

【００２８】そこで、この疲労損傷度の評価法では、疲
労損傷度を評価する上で最も特徴的な方位差の角度を臨
界角度として定め、この臨界角度を用いて評価する。

【００２９】(6) 試料を腐蝕する。 電子線背面反射分析法（ＥＢＳＰ法）によりセル間の方
位差を測定した試料と同一の試料を光学顕微鏡で観察す
るため腐蝕して結晶粒界を観察できるようにする。

【００３０】(7) 光学顕微鏡による結晶粒界の観察を
行う。 光学顕微鏡により結晶粒界を観察すると、例えば図４に
顕微鏡写真を示すような結晶粒界を観察することができ
る。

【００３１】(8) マッピングした結果と観察結果の比
較を行う。 電子線背面反射分析法（ＥＢＳＰ法）によるマッピング
結果と光学顕微鏡による観察結果とを比較する。

【００３２】(9) 結晶粒界を表わす方位差から臨界角
度を決定する。 光学顕微鏡による結晶粒界の観察結果と同一若しくはこ
れにほぼ近い結晶粒界を表わすマッピングの方位差の角
度を臨界角度として定め、例えば２０度を臨界角度とし
て定める。なお、図２では１５度以上を１つの濃い網目
状の折れ線で表わしてあるが、同様に方位差が２０度以
上の場合を１つの線で表示したものと光学顕微鏡で観察
される結晶粒界とがほぼ同一であったことに基づき、こ
こでは、臨界角度が２０度に定められた。

【００３３】(10) 臨界角度以下の方位差での角度平均
値を算出する。 こうして臨界角度が定められると、この臨界角度より小
さい角度の結晶粒界の方位差が疲労損傷によって生じる
ものであるとして臨界角度以下の方位差での角度平均値
を図３に示したヒストグラムから次の式：数１により求
める。

【００３４】

【数１】

【００３５】こうして求められる平均粒界角度を用いて
疲労損傷度を評価する。このためには、同一材料につい
て既知の疲労損傷度と平均粒界角度の関係を求めておく
必要がある。

【００３６】そこで、例えば原子炉用圧力容器鋼である
低合金鋼ＳＡ５０８材を用い、疲労試験を行い、既知の
疲労損傷度の試験片を作成した。

【００３７】この疲労試験に用いた低合金鋼ＳＡ５０８
材の化学組成、主な機械的性質及び熱処理履歴は表１に
示す通りである。

【００３８】

【表１】

【００３９】こうして疲労損傷度が既知の試験片につい
て、これまで説明したフロー図の各工程により、電子線
背面反射分析法（ＥＢＳＰ法）による分析を行い、臨界
角度を２０度とした場合の平均粒界角度を求めた。

【００４０】そして、疲労損傷度と平均粒界角度との関
係を図５に示すように作成し、これを校正曲線とした。

【００４１】(11) 被測定部の試験片の平均粒界角度と
校正曲線とを比較する。 試験片の平均粒界角度を校正曲線の縦軸上にプロット
し、水平に延ばした線と校正曲線と交差する点を求め、
この点から垂直に下ろし、横軸上の疲労損傷度を読み取
る。

【００４２】(12) 疲労損傷度を評価する。 読み取った試験片の疲労損傷度から試験片を採取した部
位の疲労損傷度を知ることができ、メインテナンスなど
に利用することができる。

【００４３】なお、同一材料に対する測定では、１度臨
界角度を定めた後は、セル間の方位差を測定した後（工
程(5) ）、臨界角度以下の方位差の角度平均値の算出
（工程(10)）以降の工程を行うようにすることで、各被
測定部から採取した試験片の疲労損傷度を評価すること
ができる。

【００４４】以上のように、この疲労損傷度の評価法に
よれば、被測定部から採取した試料を透過型電子顕微鏡
用の薄膜試験片に加工する必要がなく、表面の研磨だけ
で簡単に試験片を作ることができ、これを用いて電子線
背面反射分析法や電子線チャネリング・パターン解析で
セル間の方位差の変化を測定することで、多数の結晶粒
についての測定が簡単にできる。

【００４５】そして、疲労損傷度とセル間の方位差の変
化との関係を臨界角度を定めることで校正曲線を作成す
ることができ、従来の透過型電子顕微鏡による測定に比
べ、迅速かつ高精度に疲労損傷度を評価することができ
る。

【００４６】なお、上記実施の形態では、試料としてＳ
Ａ５０８を例に説明したが、これに限らず他のセル組織
を持つ材料にも同様に適用できる。

【００４７】

【発明の効果】以上、一実施の形態とともに具体的に説
明したようにこの発明の金属の疲労損傷度の評価法によ
れば、被測定部から採取した試料を電子線背面反射分析
または電子線チャネリングパターン解析用の試料とし、
これを一定角度ステップごとに分析または解析すること
でセル間の方位差を測定して行き、測定された方位差
を、一定角度ステップごとにマッピング表示するととも
に、一定角度ステップごとの方位差分布のヒストグラム
を作成しておき、同一試料を光学顕微鏡で観察した結晶
粒界と同一若しくは近似したマッピング表示となってい
る角度を臨界角度と定め、この臨界角度以下の方位差分
布のヒストグラムのみを用いてセル間の方位差の角度平
均値を求めるようにしたので、臨界角度を定めることで
詳細に解析されたセル間の方位差と金属の組織の疲労損
傷度との関係を明確にでき、同一手法で既知の疲労損傷
度の同一組成材料についての校正曲線を求めておくこと
で、高精度に疲労損傷度の定量的評価を行うことができ
る。

【００４８】また、測定のために薄膜試料の作成が不要
であり、短時間に試験片が作成できるとともに、１度に
観察できる領域も広く、高精度の疲労損傷度の評価を短
時間に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の金属の疲労損傷度の評価法の一実施
の形態にかかる評価工程のフロー図である。

【図２】この発明の金属の疲労損傷度の評価法の一実施
の形態にかかる電子線背面反射解析法による解析結果を
示すマップである。

【図３】この発明の金属の疲労損傷度の評価法の一実施
の形態にかかる電子線背面反射解析法による解析結果を
示すヒストグラムである。

【図４】この発明の金属の疲労損傷度の評価法の一実施
の形態にかかる光学顕微鏡による観察結果を示す顕微鏡
写真である。

【図５】この発明の金属の疲労損傷度の評価法の一実施
の形態にかかるＳＡ５０８材の疲労損傷度と平均粒界角
度との関係を示す校正曲線である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木原 重光 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社技術研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定部から電子線背面反射分析用また
   は電子線チャネリングパターン解析用の試料を採取する
   工程と、 この試料について前記電子線背面反射分析または電子線
   チャネリングパターン解析を一定ステップごとに行って
   結晶粒界の方位差を測定する工程と、 この解析結果による方位差を一定角度ステップごとにマ
   ッピング表示する工程と、 前記解析結果による方位差から一定角度ステップごとの
   方位差分布のヒストグラムを作成する工程と、 前記試料に対する光学顕微鏡で観察される結晶粒界と前
   記一定角度ステップごとにマッピング表示された表示結
   果とを比較して観察結晶粒界と同一若しくは近似するマ
   ッピング表示の角度を臨界角度と定め、当該臨界角度以
   下のみの前記ヒストグラムから結晶粒界の方位差の角度
   平均値を求める工程と、 予め求めておいた同一組成材料の既知の疲労損傷度と結
   晶粒界の方位差の前記臨界角度以下のみの角度平均値と
   の関係から前記試料の角度平均値に対する疲労損傷度を
   求める工程とからなることを特徴とする金属の疲労損傷
   度の評価法。