JPS63228062A - Predicting method for remaining life of metallic material - Google Patents

Predicting method for remaining life of metallic material

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JPS63228062A
JPS63228062A JP62258087A JP25808787A JPS63228062A JP S63228062 A JPS63228062 A JP S63228062A JP 62258087 A JP62258087 A JP 62258087A JP 25808787 A JP25808787 A JP 25808787A JP S63228062 A JPS63228062 A JP S63228062A
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crystal grains
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remaining life
creep
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Teruo Koyama
小山 輝夫
Koji Tamura
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Abstract

PURPOSE:To observe the used material of an actual machine and to predict the remaining life of the metallic material directly and easily by measuring the shape of crystal grains of the metallic material quantitatively and arranging statistically the quantity of variation in the shape of the crystal grains with the lapse of time. CONSTITUTION:The shape of the crystal grains of the metallic material is measured quantitatively and the remaining life is predicted from the quantity of variation in the shape of the crystal grains. Namely, when the metallic material has a creep damage, the crystal grains expand and deform in the stress direction, so the variation in the shape of the crystal grains with the lapse of time is measured quantitatively to rearranged the quantity of the variation statistically. The replica film 3 of the actual machine member 2 is sampled by a replica method. Then this replica film 3 is observed through a microscope 4 and the crystal grains shape is measured by an image processor 5. Standard deviation based upon distributions of angles in the axial direction of the maximum diameter of, for example, the crystal grains and in the stress direction is found as the shape variation quantity which is a parameter. Then a personal computer 7 computes and evaluates the remaining life from the relation among the standard deviation, the standard deviation of a previously generated data base 6, and the creep damage quantity.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、金属材料の余寿命の予測に係り、特に、ボイ
ラ等の高温・高圧下で使用され、クリープ損傷を受けた
金属材料の余寿命予測法に関する。
Detailed Description of the Invention [Field of Industrial Application] The present invention relates to predicting the remaining life of metal materials, and in particular, predicting the remaining life of metal materials that have suffered creep damage due to use in boilers and other high temperatures and high pressures. Concerning lifespan prediction methods.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

火力発電プラントや化学プラントなどの高温・高圧下で
長時間使用される機器では、運転中に実機の使用材料が
クリープ損傷を受け、材質が劣化することは良く知られ
ている。このような材質劣化は、メタル温度1作用応力
及び使用時間によって支配されるものであり、火力発電
プラント用ボイラーではこれらの支配因子を考慮し、通
常10万時間(通常運転で約15年)の寿命を持つよう
に使用材料の材質、寸法等を決めている。しかし、この
ようなボイラーにおいて、致方時間で材料が破損する事
故がしばしば発生している。この原因としては燃焼ガス
の偏流などによるメタル温度の予測外の上昇、材料の偏
析などに起因する異常な材質劣化、例えば、シグマ相脆
化などが考えられる。また最近では設計寿命である10
万時間を越えた発電プラントが増加してきており、更に
原子力発電プラントのベースロード運用化に伴い、中間
負荷運用や毎日起動停止など使用条件が苛酷になること
が予測される。このようなことから、材料の余寿命を的
確に予測し、補修、交換時期を提案することによってプ
ラントの寿命を延長することができる技術を開発するこ
とが必要になってきている。
It is well known that in equipment used for long periods of time under high temperature and pressure, such as in thermal power plants and chemical plants, the materials used in the actual equipment suffer creep damage and deteriorate during operation. This kind of material deterioration is controlled by metal temperature, applied stress, and usage time, and in consideration of these controlling factors, boilers for thermal power plants usually have a lifespan of 100,000 hours (approximately 15 years of normal operation). The materials used, dimensions, etc. are determined to ensure a long life. However, in such boilers, accidents often occur in which materials are damaged within a short period of time. Possible causes of this include an unexpected rise in metal temperature due to uneven flow of combustion gas, and abnormal material deterioration due to material segregation, such as sigma phase embrittlement. Recently, the design life is 10
The number of power plants that have exceeded 10,000 hours is increasing, and with the shift to base load operation of nuclear power plants, it is predicted that operating conditions such as intermediate load operation and daily startup and shutdown will become more severe. For this reason, it has become necessary to develop a technology that can extend the life of a plant by accurately predicting the remaining life of materials and suggesting when to repair or replace them.

材質劣化を検出する方法は、破壊的手法と非破壊的手法
に大きく分類される。破壊的手法とは実機部材の一部を
採取し、顕微鏡組織観察、引張試験、クリープ試験及び
衡撃試験等を実施し、応力解析と合わせて余寿命を予測
する方法である。この中で材料の金属組織によって判定
する方法としては、実験室的に種々の条件下での標準的
金属組織を作成しておき、(例えば、日本鋼管技術魔6
2頁531〜558参照)実機部材から採取したサンプ
ルの金属組織との比較で寿命を推定する。
Methods for detecting material deterioration are broadly classified into destructive methods and non-destructive methods. The destructive method is a method in which a part of an actual machine component is sampled, microscopic structure observation, tensile test, creep test, and impact test are conducted, and the remaining life is predicted by combining this with stress analysis. Among these methods, a method for making judgments based on the metallographic structure of a material involves creating standard metallographic structures under various conditions in the laboratory (for example, using Nippon Steel Pipe Engineering Ma6).
(See pages 2, 531-558) The lifespan is estimated by comparing the metal structure of a sample taken from an actual machine member.

その場合、指標となるのは、Cr −M o鋼ではパー
ライトの分解、凝集などであり、ステンレス鋼では粒界
1粒内への炭化物の析出、凝集あるいはシグマ相の析出
状態などである1例えば、ステンレス鋼SUS 321
においてシグマ相の析出量とクリープ損傷の関係から余
寿命を予測する技術もある(特開昭58−201066
号公報、及び火力原子力発電Vo1.33 、気9頁8
99〜912参照)。更にクリープによるボイド(空洞
)の斌によって余寿命を予測する技術もある。(例えば
In that case, the indicators for Cr-Mo steel are the decomposition and agglomeration of pearlite, and for stainless steel, the precipitation and agglomeration of carbides within one grain boundary, or the state of precipitation of the sigma phase. , stainless steel SUS 321
There is also a technique for predicting the remaining life from the relationship between the amount of sigma phase precipitation and creep damage (Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-201066).
No. Publication, and Thermal and Nuclear Power Generation Vol. 1.33, Ki 9 p. 8
99-912). There is also a technology that predicts the remaining life based on the presence of voids due to creep. (for example.

材料Van。28.Na308頁372〜378参照)
Material Van. 28. (See Na308 pages 372-378)
.

シグマ相の定量化による方法は有効であるが、材質がス
テンレス鋼あるいは高Cr鋼に限定され。
Although the method of quantifying the sigma phase is effective, the material is limited to stainless steel or high Cr steel.

同じステンレス鋼でも化学成分の微量な差によりシグマ
相の析出状態が異なるという問題点がある。
Even in the same stainless steel, there is a problem in that the precipitation state of the sigma phase differs due to minute differences in chemical components.

また、クリープキャビティの定量化による方法も有効で
あるが、この手法もステンレス鋼や高Cr鋼(例えばH
K40)などの粒内延性の低い材料に限定され、ボイラ
ー用の低合金鋼のように粒内延性の高い材料はクリープ
キャビティが生成し難く、適用は困難である。
In addition, a method based on quantifying creep cavities is also effective, but this method also applies to stainless steel and high Cr steel (for example, H
It is limited to materials with low intragranular ductility such as K40), and materials with high intragranular ductility such as low alloy steel for boilers are difficult to apply because creep cavities are difficult to form.

非破壊的手法とは、加熱、クリープに起因したパーライ
ト等の分解などの組織変化、及びボイド発生等に伴う物
理的な変化を検出することにより間接的に余寿命を予測
する方法である。
The non-destructive method is a method of indirectly predicting the remaining life by detecting structural changes such as decomposition of pearlite etc. due to heating and creep, and physical changes accompanying void generation.

この場合、物理量として種々のものが考えられるが、既
に実用化あるいは現在研究されているものとしては、例
えば電気抵抗(特開昭58−60248号公報)、超音
波音速(特開昭53−120585号公報)、X線によ
るミスオリエンテーション及び渦電流によるコイルイン
ピーダンス(特開昭53−88781号公報)などがあ
る。
In this case, various physical quantities can be considered, but examples of those that have already been put into practical use or are currently being researched include electrical resistance (Japanese Unexamined Patent Publication No. 58-60248), ultrasonic sound velocity (Japanese Unexamined Patent Publication No. 53-120585), (Japanese Unexamined Patent Publication No. 1988-88781), misorientation due to X-rays and coil impedance due to eddy current (Japanese Patent Laid-Open Publication No. 1988-88781).

非破壊的手法では、まず第1に金属材料のミクロ的な組
織変化による電気抵抗などの物理量の変化を検出するた
め、非常に微小な変化を検出する必要があり、高精度な
装置が必要となる。また、ハンドリング、測定環境等に
より大きな誤差が出る可能性がある。特にボイラーでは
タービンと異なり、測定環境が悪く、正確な測定は困難
である。
Non-destructive methods first detect changes in physical quantities such as electrical resistance due to microstructural changes in metal materials, so it is necessary to detect extremely small changes, which requires highly accurate equipment. Become. Additionally, large errors may occur due to handling, measurement environment, etc. Particularly in boilers, unlike turbines, the measurement environment is poor and accurate measurements are difficult.

更に、タービン材料はCrMo−V鋼のような炭素量の
高い材料であるため、電気抵抗などの物理量の低下が大
きいが、ボイラー材料(例えば2′′八Cr −I M
 o鋼)では炭素量が低く、物理量の低下が小さくなり
、評価が困難である。第2にこれらの方法では、マスタ
ーカーブを実験室的に作成しておき、マスターカーブと
実機測定結果との対比で余寿命を推定する。ところで、
測定する物理量は材料の微小な変化をとらえるものであ
り、材料の初期状態あるいは単なる加熱条件の変化に対
応してその物理量の絶対値は変化する。このため損傷量
は物理量の絶対値ではなく、損傷前の初期状態あるいは
単純加熱状態との相対量で評価せざるを得ない、従って
実験室的にマスターカーブを作成する場合には、寿命を
測定しようとする実機部材と初期状態が同じもの、すな
わち同一チャージの材料が使用される。ところが、現在
運転中のボイラー、特に10年以上も前に作られたボイ
ラーの材料は残っていないのが実情である。
Furthermore, since the turbine material is a material with a high carbon content such as CrMo-V steel, physical quantities such as electrical resistance are greatly reduced.
o steel), the carbon content is low and the decrease in physical quantities is small, making evaluation difficult. Secondly, in these methods, a master curve is created in a laboratory, and the remaining life is estimated by comparing the master curve with the measurement results of the actual machine. by the way,
The physical quantity to be measured captures minute changes in the material, and the absolute value of the physical quantity changes in response to changes in the initial state of the material or simple heating conditions. For this reason, the amount of damage must be evaluated not as an absolute value of a physical quantity, but as a relative amount to the initial state before damage or to the simple heating state. Therefore, when creating a master curve in a laboratory, it is necessary to measure the lifespan. Materials with the same initial state as the actual machine parts to be used, that is, materials with the same charge are used. However, the reality is that there are no materials left for boilers currently in operation, especially those made more than 10 years ago.

しかも、当時の材料のデータとしては1組織、硬さ、短
時間引張などの簡単なものが残っている可能性があるだ
けで、寿命評価に使用される物理量は皆無に等しい。ま
た、当時の材料の製作方法と現在の製作方法は異なって
おり、当時の材料を再製するのは非常に困難である。
Moreover, there is a possibility that only simple data such as one structure, hardness, and short-term tensile strength remain as data on materials from that time, and there are virtually no physical quantities used for life evaluation. Furthermore, the manufacturing methods used at that time and the current manufacturing methods are different, and it is extremely difficult to reproduce the materials used at that time.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

前記の従来技術では次のような問題点がある。 The above-mentioned conventional technology has the following problems.

破壊的手法で実機からサンプルを採取し、クリープ試験
によって余寿命を予測するのは最も確実な方法であるが
、多大な費用と時間がかかり、しかも、調査できる範囲
は限られている。また1組織m察による方法では短時間
で評価できるが、標準写真との比較で行うため定量的評
価は困難である。
The most reliable method is to destructively collect samples from actual equipment and perform creep tests to predict the remaining life, but this is costly and time-consuming, and the scope of investigation is limited. Furthermore, although the method based on single-tissue observation can be evaluated in a short time, quantitative evaluation is difficult because it is performed by comparison with standard photographs.

更に組織変化は主に温度と時間に支配され、応力の効果
は小さい、このため、クリープ損傷と組織変化を直接結
びつけるのは困難である。
Furthermore, structural changes are mainly controlled by temperature and time, and the effect of stress is small, so it is difficult to directly link creep damage and structural changes.

非破的手法では、使用材料の物理量の微小な変化を測定
するため誤差が出る可能性があり、物理量も環境温度な
どで変化するため、実験室的なマスターカーブと厳密に
比較し評価するのが困難である。特に10年前の材料で
はデータが少なく、当時の材料の再製作も困難なため破
壊的、非破壊的手法ともに多くの問題点をかかえている
Non-destructive methods measure minute changes in the physical quantities of the materials used, which can lead to errors, and physical quantities also change due to environmental temperature, etc., so it is difficult to evaluate by strictly comparing with a laboratory master curve. is difficult. In particular, there is little data on materials from 10 years ago, and it is difficult to recreate materials from that time, so both destructive and non-destructive methods have many problems.

本発明の目的は、実機の使用材料を観察することにより
、直接余寿命を予測する簡便な金属材料の余寿命予測法
を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a simple method for predicting the remaining life of metal materials, which directly predicts the remaining life by observing the materials used in actual equipment.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

前記目的を達成するため、本発明は金属材料の結晶粒の
形状を定量測定し、結晶粒の形状変化量により余寿命を
予測するように構成されている。
In order to achieve the above object, the present invention is configured to quantitatively measure the shape of crystal grains of a metal material and predict the remaining life based on the amount of change in the shape of the crystal grains.

〔作用〕[Effect]

本発明によれば、金属材料がクリープ損傷を受けると応
力方向にその結晶粒が伸びて変形するため、結晶粒の形
状変化を経時的に定量的に測定することによってその変
化量を統計的に整理することができる。
According to the present invention, when a metal material undergoes creep damage, its crystal grains stretch and deform in the stress direction, so by quantitatively measuring changes in the shape of crystal grains over time, the amount of change can be statistically evaluated. Can be organized.

結晶粒の測定方法としては実機からサンプルを採取する
か、又はレプリカ法により非破壊的に観察し、形状変化
量として例えば結晶粒の最大長径の軸方向と応力方向と
の角度の分布などをもとにその標準偏差を求めれば形状
変化量がとらえられる。
The method for measuring crystal grains is to take a sample from the actual machine or non-destructively observe it using the replica method, and measure the amount of change in shape, such as the distribution of the angle between the axial direction of the maximum major axis of the crystal grain and the stress direction. The amount of change in shape can be determined by finding the standard deviation.

〔実施例〕〔Example〕

本発明の一実施例として代表的なボイラ材料である21
八c r −I M o鋼へ適用した場合の第1a図〜
第12図を参照しながら説明する。
21 is a typical boiler material as an example of the present invention.
Figure 1a ~ when applied to 8cr-IMo steel
This will be explained with reference to FIG.

第1a図〜第1d図に示されるように、金属材料の結晶
粒1がクリープ損傷を受けると応力方向に伸びるため、
その形状を定量測定し、結晶粒の形状変化量により材質
劣化を検出して余寿命を予測するように構成されている
As shown in FIGS. 1a to 1d, when the crystal grains 1 of the metal material are subjected to creep damage, they elongate in the stress direction.
The structure is configured to quantitatively measure the shape of the crystal grains, detect material deterioration based on the amount of change in the shape of the crystal grains, and predict the remaining life.

金属材料がクリープ損傷を受けるということは結晶粒が
クリープ変形を伴うということであり、これに着目し、
クリープ変形は結晶粒の個々の変形を積み重ねたものと
してとらえられる。従って結晶粒の変形を経時的に定量
測定することによりクリープ損傷を検出できる。結晶粒
のクリープによる変形は応力方向に徐々に伸びるため、
伸びの程度を示すパラメータで整理することによりクリ
ープ損傷を検出できる。また、製造時には圧延などをし
ていても最終熱処理をしていれば、熱処理条件、化学成
分により結晶粒の大きさが異なるものの形状としてはほ
ぼ正多角形で平衡しており、材質、熱処理条件などの影
響を受けない。すなわち、結晶粒の形状変化はクリープ
損傷を直接に対応しており、初期状態、あるいは単純加
熱状態を考慮する必要はない。
When a metal material suffers creep damage, it means that the crystal grains undergo creep deformation.
Creep deformation can be seen as the accumulation of individual deformations of grains. Therefore, creep damage can be detected by quantitatively measuring the deformation of crystal grains over time. Deformation due to creep of grains gradually stretches in the stress direction, so
Creep damage can be detected by sorting by parameters that indicate the degree of elongation. In addition, even if rolling is performed during manufacturing, if the final heat treatment is performed, the grain size will vary depending on the heat treatment conditions and chemical composition, but the shape will be an almost regular polygon in equilibrium, and the material and heat treatment conditions It is not affected by such things. That is, the change in the shape of crystal grains directly corresponds to creep damage, and there is no need to consider the initial state or simple heating state.

第1a図〜第1d図には21八Cr −I M o鋼の
金属組織が示される。第1a図は未使用材、第1b図は
単純加熱材(クリープ損傷率φC=0)、第1c図はク
リープ損傷材(クリープ損傷率φC=0.8)、第1d
図はクリープ損傷材(クリープ損傷率φc = 1 、
0 )ミクロの金属組織である。
The metal structure of 218Cr-I Mo steel is shown in FIGS. 1a to 1d. Figure 1a is unused material, Figure 1b is simply heated material (creep damage rate φC = 0), Figure 1c is creep damaged material (creep damage rate φC = 0.8), Figure 1d is material with creep damage (creep damage rate φC = 0.8).
The figure shows creep-damaged material (creep damage rate φc = 1,
0) Microscopic metal structure.

これらの金属組織から単純加熱材及びクリープ損傷材で
はパーライトがかなり分解しているが、クリープ損傷率
φCによる差異は見られない。しかし、結晶粒の形状は
クリープ損傷材の方が応力方向に伸びて偏平になってい
る。なお、クリープ損4jij率φc = t / t
 rで表わされ、trはクリープ破断時間、tはクリー
プ試験経過時間を示し、試験材料及び温度が一定の条件
ではそれら関係は第12図に示される。
From these metallographic structures, pearlite is considerably decomposed in the simply heated material and the creep-damaged material, but no difference is observed depending on the creep damage rate φC. However, the shape of the crystal grains in the creep-damaged material is elongated in the stress direction and becomes flat. In addition, creep loss 4jij rate φc = t / t
It is represented by r, where tr is the creep rupture time and t is the creep test elapsed time, and their relationship is shown in FIG. 12 when the test material and temperature are constant.

この点に着目し1種々の損傷を与えた材料の結晶粒形状
を画像処理装置を用いて検討した。第2図に結晶粒形状
パラメータの測定方法が示されているが1図に示される
ように結晶粒の最大長径の軸方向と応力方向とのなす角
度θ醜を求める。第3a図及び第3b図は第1b図及び
第1C図に対応するθ醜の分布を求めたものであるが、
結晶粒の測定個数は100個としている。第3a図に示
されるクリープ損傷率φc=0の場合は、結晶粒が正多
角形に近いために0mがいずれの角度にもなる可能性が
あり、θIの分布は平担になっている。これに対し、第
3b図に示されるクリープ損傷率φc=0.8の場合に
は結晶粒が応力方向に伸びているため、応力方向(θ国
=0°)にピークがある正規分布になっている。これら
の分布の差異を表すためにθ腫の分布の標準偏差S@を
計算し、クリープ損傷率φCとの関係を示したのが第4
図である。この図から明らかなように、クリープ損傷率
φCの増加と共にSllの低下が見られる。特にクリー
プ損傷率φCが0.5以上ではSmの顕著な低下が見ら
れ、このパラメータによる余寿命予測が容易になる。こ
の図を利用することにより、実機部材のクリープ損傷量
が評価できる。なお、種々の未使用材及び単純加熱材を
用いて、クリープ損傷率φCがOの場合のSsを求めた
が、いずれも50度前後でバラツキも小さく、化学成分
や熱処理の影響は見られなかった。すなわち本手法によ
れば未使用材あるいは単純加熱材のデータは不必要であ
り、クリープ損傷を直接評価できる。
Focusing on this point, we examined the crystal grain shapes of materials with various types of damage using an image processing device. FIG. 2 shows a method for measuring crystal grain shape parameters, and as shown in FIG. 1, the angle θ between the axial direction of the maximum major axis of the crystal grain and the stress direction is determined. Figures 3a and 3b are the distributions of θ ugliness corresponding to Figures 1b and 1C.
The number of crystal grains measured was 100. In the case of the creep damage rate φc=0 shown in FIG. 3a, since the crystal grains are close to regular polygons, 0 m can be any angle, and the distribution of θI is flat. On the other hand, in the case of the creep damage rate φc = 0.8 shown in Figure 3b, the crystal grains are elongated in the stress direction, so the distribution becomes a normal distribution with a peak in the stress direction (θ country = 0°). ing. In order to express the difference in these distributions, the standard deviation S@ of the theta tumor distribution was calculated, and the relationship with the creep damage rate φC was shown in the fourth section.
It is a diagram. As is clear from this figure, as the creep damage rate φC increases, Sll decreases. In particular, when the creep damage rate φC is 0.5 or more, a remarkable decrease in Sm is observed, and it becomes easy to predict the remaining life using this parameter. By using this diagram, the amount of creep damage to actual machine parts can be evaluated. In addition, Ss was determined when the creep damage rate φC was O using various unused materials and simply heated materials, and the variation was small around 50 degrees in all cases, and no influence of chemical components or heat treatment was observed. Ta. In other words, according to this method, data on unused materials or simply heated materials is unnecessary, and creep damage can be directly evaluated.

θ型側定時に結晶粒の測定個数を100個としたが、時
間と共に結晶粒形状が変ることは概念的に考えられるが
、第1. a図及び第1b図でも明らかなように、−個
一個の結晶粒を見ても判然としない。そこで個人差がな
い機械による測定の測定個数を多くして統計的手法を用
いることが必要となる。結晶粒の測定個数について種々
検討の結果。
The number of crystal grains measured at one time on the θ-type side was 100, but it is conceptually possible that the shape of the crystal grains changes over time. As is clear from Figures 1a and 1b, it is not clear even when looking at individual crystal grains. Therefore, it is necessary to increase the number of measurements made by a machine that eliminates individual differences and to use statistical methods. Results of various studies regarding the number of crystal grains measured.

80個以上ではSinのバラツキが小さくなり、結晶粒
の測定個数の影響がなくなることを明らかにし、余裕を
見て100個とした。
It was revealed that when the number of crystal grains is 80 or more, the variation in Sin becomes small and the influence of the number of measured crystal grains disappears, so the number was set at 100 to give a margin.

実施例に示される材料はクリープ試験により種々の損傷
を与えた材料であるため、応力方向は明確であるが、実
機部材では応力方向が明確でない場合がある。そのため
、クリープ損傷が大きい場合でも第5a図に示されるよ
うなθ醜の分布になることがある。これは任意の角度を
応力方向と仮定するためである。この分布の標準偏差は
非常に大きくなるが、角度の連続性(90°と−90゜
とは同一方向)を考慮すると第5a図及び第5b図は同
一分布である。そこで角度を1°ずつ変換していき(す
なわち、第5a図を第5b図に変換していく)、最小の
標準偏差になる0層の分布を求め、その標準偏差をその
材料のS醜とした。この手法を用いることにより、逆に
実機部材の最大応力方向が分かるという利点がある。ま
た、実施例ではサンプルを直接観察することにより結晶
粒形状を測定したが、第6図に示されるように実物の凹
凸を薄膜に転写するレプリカ法でも結晶粒が明確に出て
おり全く同一の評価ができる。
Since the materials shown in the examples are materials that have been subjected to various types of damage in creep tests, the stress direction is clear, but in actual machine members, the stress direction may not be clear. Therefore, even if the creep damage is large, the θ distribution may be as shown in FIG. 5a. This is because an arbitrary angle is assumed to be the stress direction. Although the standard deviation of this distribution is very large, considering the continuity of angles (90° and -90° are in the same direction), Figures 5a and 5b are the same distribution. Therefore, by converting the angle by 1 degree (that is, converting Figure 5a to Figure 5b), find the distribution of the 0 layer with the minimum standard deviation, and calculate the standard deviation as the Sugliness of the material. did. By using this method, there is the advantage that the maximum stress direction of the actual machine member can be determined. In addition, in the example, the crystal grain shape was measured by directly observing the sample, but as shown in Figure 6, even with the replica method, which transfers the irregularities of the actual product onto a thin film, the crystal grains are clearly visible and identical. Can be evaluated.

第7図は本手法を実機部材に適用する場合の手順を示し
ている。実機部材2では非破壊的手法が原則であるため
、ここではレプリカ法により薄膜を採取しているが、サ
ンプル採取が可能であれば、サンプルを採取した方が精
度が良くなる。レプリカ法は評価箇所をグラインダー等
で鏡面仕上げして材質にあったエツチング液でエツチン
グする。
FIG. 7 shows the procedure when applying this method to an actual machine member. Since the non-destructive method is the principle for the actual machine member 2, the thin film is collected here by the replica method, but if it is possible to collect a sample, the accuracy will be better if the sample is collected. In the replica method, the evaluation area is polished to a mirror finish using a grinder, etc., and then etched using an etching solution suitable for the material.

この場合、結晶粒を明確に出すため、やや長くエツチン
グした方が良い。エツチングした箇所に溶剤で溶かした
レプリカ膜をはりつけ、乾燥後、はがすことによって表
面組織を転写できる。このレプリカ膜3を顕微鏡4でm
祭し、その結晶粒形状を画像処理装置5によって測定す
ることによって、損傷パラメータとなる標準偏差SIl
を算出する。
In this case, it is better to make the etching a little longer in order to clearly show the crystal grains. The surface texture can be transferred by applying a replica film dissolved in a solvent to the etched area and peeling it off after drying. This replica film 3 is examined using a microscope 4.
By measuring the crystal grain shape using the image processing device 5, the standard deviation SIl, which is a damage parameter, is determined.
Calculate.

このSmとあらかじめ作成されたデータベース6のS+
mとクリープ損傷量との関係からパソコン7によって余
寿命を演算し評価する。
This Sm and S+ of database 6 created in advance
The remaining life is calculated and evaluated using the computer 7 from the relationship between m and the amount of creep damage.

同じ思想であるが結晶粒の形状変化を定量化するパラメ
ータとして以下に示すものも有効であることを確認した
Although the idea is the same, it was confirmed that the following parameters are also effective for quantifying changes in the shape of crystal grains.

(a)  結晶粒の長径と巾径との関係第8図に示され
るように応力方向の軸へ投影した長径Qxと応力方向と
直角な軸へ投影した巾径Qyとを測定し、その比率Qx
/Qyの平均とクリープ損傷率φCの関係を求めると第
9図のように示されプロット点は任意に抽出した100
個の結晶粒の平均値を示している。この図から明らかな
ように、クリープ損傷率φCがOでQx/Q’/が1の
ときは結晶粒の縦、横の長さが同じであり、そして、ク
リープ損傷率φCが0.5以下ではQx/Qyの平均値
はほぼ1であり、クリープ損傷率φCが0.5以上に大
きくなるとΩXがQyに比べて大きくなるため、Qx/
myの値が増加してゆく、従って、Qx/Qyをパラメ
ータにして余寿命を予測することができる。また、第1
0図に示されるように単に結晶粒の長軸の最大長径QL
と直交軸上の最大巾径Qsとの比率Q【、/ΩSをパラ
メータにしても第9図と同様な傾向の図が得られる。
(a) Relationship between major axis and width of crystal grains As shown in Figure 8, measure the major axis Qx projected onto the axis in the stress direction and the width Qy projected onto the axis perpendicular to the stress direction, and calculate the ratio. Qx
The relationship between the average of
The average value of individual crystal grains is shown. As is clear from this figure, when the creep damage rate φC is O and Qx/Q'/ is 1, the vertical and horizontal lengths of the grains are the same, and the creep damage rate φC is 0.5 or less. Then, the average value of Qx/Qy is approximately 1, and when the creep damage rate φC increases to 0.5 or more, ΩX becomes larger than Qy, so Qx/
The value of my increases, so the remaining life can be predicted using Qx/Qy as a parameter. Also, the first
As shown in Figure 0, simply the maximum major axis QL of the major axis of the crystal grain
Even if the ratio Q[,/ΩS of the maximum width Qs on the orthogonal axis is used as a parameter, a diagram similar to that shown in FIG. 9 can be obtained.

第9図ではQx/Qyの平均値を用いて整理したが、観
察した結晶粒の全体に対するQx/Qy〈1あるいはQ
 x / Q y > 1になる結晶粒の個数の比率、
換言すれば、全結晶粒に対する縦長あるいは横長の結晶
粒の個数の比率によってもクリープ損傷率と良い対応が
あり、余寿命予測のパラメータとして利用できる。
In Fig. 9, the average value of Qx/Qy is used for organizing, but Qx/Qy<1 or Q
The ratio of the number of crystal grains such that x / Q y > 1,
In other words, the ratio of the number of vertically elongated or laterally elongated crystal grains to all crystal grains also has a good correlation with the creep damage rate, and can be used as a parameter for predicting remaining life.

第13図は5US321  HTBについて同様にQx
/Qyと損傷率φCとの関係を求めたものである。2’
/+Cr  IMo鋼とはやや曲線が異なるが、やはり
損傷率φCが0.5以上でQL/Q丁が徐々に増加して
おり、余寿命評価が可能である。
Figure 13 shows Qx for 5US321 HTB.
The relationship between /Qy and damage rate φC is obtained. 2'
/+Cr Although the curve is slightly different from that of IMo steel, the damage ratio φC is 0.5 or more and QL/Q-d gradually increases, making it possible to evaluate the remaining life.

(b)  円形度 結晶粒の円形度はクリープ損傷を推定できるパラメータ
である0円形度は種々の方法で示されるが、その−例と
して輪郭比がある0輪郭比は(等価円の周長)/(結晶
粒の周長)で示される。この輪郭比とクリープ損傷率φ
Cとの関係を示したのが、第11図である。この図から
明らかなように輪郭比からもクリープ損傷を予測できる
。この他に円形度を表すパラメータとして、例えば1周
囲長)2/(面積)などがある、このように円形度がパ
ラメータとなる理由は、損傷が小さい場合には結晶粒が
円に近く、損傷が大きくなるにつれて応力方向に伸びて
円形度が大きくなるからである。
(b) Circularity The circularity of a crystal grain is a parameter that can estimate creep damage. The 0 circularity can be expressed in various ways, an example of which is the contour ratio. The 0 contour ratio is (the circumference of an equivalent circle) /(peripheral length of crystal grain). This contour ratio and creep damage rate φ
FIG. 11 shows the relationship with C. As is clear from this figure, creep damage can also be predicted from the contour ratio. Other parameters that represent circularity include, for example, 1perimeter)2/(area).The reason why circularity is used as a parameter is that when the damage is small, the crystal grains are close to a circle, and the damage This is because as the curve increases, it stretches in the stress direction and the circularity increases.

なお、他の実施例に示したパラメータはクリープ損傷率
φCによるパラメータの変化が小さく、精度は低くなる
が、材質が変った場合には有力なパラメータとなる可能
性がある。
Note that the parameters shown in the other embodiments have small changes in parameters due to the creep damage rate φC and have low accuracy, but may become effective parameters when the material changes.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、金属材料の結晶粒の形状を定量測定し
変化量を比較することにより、その余寿命を簡単にしか
も非破壊的手法で定量的に予測できるため費用と時間が
大幅に軽減され、高精度の装置も不必要で、かつ使用材
料の初期データ及び単純加熱材データも不必要であり、
多くの多結晶体の金属材料に適用できるため工業的利用
価値が大である。
According to the present invention, by quantitatively measuring the shape of the crystal grains of a metal material and comparing the amount of change, the remaining life of the metal material can be easily and quantitatively predicted using a non-destructive method, thereby significantly reducing cost and time. It does not require high-precision equipment, nor does it require initial data on the materials used or simple heating material data.
It has great industrial utility value because it can be applied to many polycrystalline metal materials.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1a図は21八Cr  IMo鋼の未使用材の金属組
織を示す写真、第1b図は単純加熱材(クリープ損傷率
φc=0)の金属組織を示す写真。 第1c図はクリープ損傷材(クリープ損傷率φC=O,
S)の金属組織を示す写真、第1d図はクリープ損傷材
(クリープ損傷率φe=1.0)の金属組織を示す写真
、第2図は本発明の結晶粒形状変化のパラメータθ−の
測定方法を説明する図、第3a図及び第3b図は第1b
図及び第1c図に対応するθ閣の分布を示すグラフ、第
4図はθ■の分布の標準偏差S醜とクリープ損傷率との
関係を示すグラフ、第5a図及び第5b図は応力方向が
未知の場合と既知の場合とのθ醜の分布の一例を示すグ
ラフ、第6図はレプリカ法による顕微鏡の金属組織を示
す写真、第7図は実機部材で結晶粒形状により余寿命を
予測する手順を示す回路図。 第8図は結晶粒形状変化のパラメータQx、Qyの測定
方法を説明する図、第9図はQx/Qyとクリープ損傷
率との関係を示すグラフ、第10図は結晶粒形状変化の
パラメータQL+I29の測定方法を説明する図、第1
1図は結晶粒状変化のパラメータ輪郭比とクリープ損傷
率との関係を示すグラフ、第12図はクリープ破断及び
試験経過時間の関係を示すグラフ、第13図は5US3
21HTB鋼のQx/Qyとクリープ損傷率との関係を
示すグラフである。 1・・・結晶粒。
Figure 1a is a photograph showing the metallographic structure of an unused 218Cr IMo steel, and Figure 1b is a photograph showing the metallographic structure of a simply heated material (creep damage rate φc = 0). Figure 1c shows the creep damaged material (creep damage rate φC=O,
Figure 1d is a photograph showing the metallographic structure of the creep damaged material (creep damage rate φe = 1.0), Figure 2 is the measurement of the parameter θ- of grain shape change of the present invention. Figures explaining the method, Figures 3a and 3b are Figures 1b and 3b.
Figure 4 is a graph showing the relationship between the standard deviation S of the distribution of θ■ and the creep damage rate, and Figures 5a and 5b are stress directions. A graph showing an example of the distribution of θ ugliness when it is unknown and when it is known. Figure 6 is a photograph showing the metal structure under a microscope using the replica method. Figure 7 is a prediction of the remaining life based on the crystal grain shape of an actual machine part. A circuit diagram showing the procedure. Figure 8 is a diagram explaining the method for measuring the parameters Qx and Qy of grain shape changes, Figure 9 is a graph showing the relationship between Qx/Qy and creep damage rate, and Figure 10 is the parameter QL + I29 of grain shape changes. Figure 1 explaining the measurement method of
Figure 1 is a graph showing the relationship between parameter contour ratio of grain shape change and creep damage rate, Figure 12 is a graph showing the relationship between creep rupture and test elapsed time, and Figure 13 is 5US3.
It is a graph showing the relationship between Qx/Qy and creep damage rate of 21HTB steel. 1...Crystal grain.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)金属材料の結晶粒の形状を定量測定し、該結晶粒
の形状変化量により余寿命を予測することを特徴とする
金属材料の余寿命予測法。
(1) A method for predicting the remaining life of a metal material, which comprises quantitatively measuring the shape of crystal grains of the metal material and predicting the remaining life based on the amount of change in the shape of the crystal grains.
(2)形状変化量が結晶粒の最大長径の長軸方向と応力
方向とのなす角度の分布に対する標準偏差で表わされる
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の金属材料
の余寿命予測法。
(2) The remaining life of the metal material according to claim 1, wherein the amount of shape change is expressed by the standard deviation with respect to the distribution of the angle between the long axis direction of the maximum major axis of the crystal grain and the stress direction. Prediction method.
(3)形状変化量が結晶粒の最大長径と、その長軸と直
交する軸上の最大巾径との比により表わされることを特
徴とする特許請求の範囲第1項記載の金属材料の余寿命
予測法。
(3) The amount of shape change is expressed by the ratio of the maximum major axis of the crystal grains to the maximum width diameter on an axis perpendicular to the major axis thereof. Lifespan prediction method.
(4)形状変形量が結晶粒の応力方向の長径と、その応
力方向に直交する方向の巾径により表わされることを特
徴とする特許請求の範囲第1項記載の金属材料の余寿命
予測法。
(4) The method for predicting the remaining life of a metal material according to claim 1, wherein the amount of shape deformation is expressed by the major axis of the crystal grain in the stress direction and the width in the direction perpendicular to the stress direction. .
(5)形状変化量が結晶粒の円形度により表わされるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の金属材料の
余寿命予測法。
(5) The method for predicting the remaining life of a metal material according to claim 1, wherein the amount of shape change is expressed by the circularity of crystal grains.
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