SUS316L 鋼の表面残留応力に及ぼす機械加工の影響
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カテゴリ: 第2回
1.緒言
オーステナイト系ステンレス鋼で代表され る SUS304 や SUS316 では、溶接の熱影響による Cr 炭化物の形成が粒界の耐食性を著しく低下さ せ、粒界型応力腐食割れ(IGSCC)の原因となっ ている。そこで低炭素のステンレス鋼である SUS304L 鋼や SUS316L 鋼が開発され、沸騰水型 原子炉(BWR)の炉心シュラウドや再循環系配管 などの材料として使用されている。しかし近年、BWR の SUS316L 鋼製シュラウ ドに割れが認められ、これらの割れは応力腐食割 れ(SCC)と結論された。この割れは、粒内割れ を起点としており、その後粒界に沿って進展して
- いる。粒内割れ(TGSCC)が発生している表面 層の硬さは高く Hv300 以上であること、また粒界 割れ(IGSCC)が生じている組織は、非鋭敏化組 織をしている。表面層の高硬度は、シュラウド製 造時の表面機械加工や溶接後の表面研削により 生じたと考えられ、それによって生じる残留応力 が強く影響していると思われる。そこで本研究では、放射光を用いて表面残留 応力およびその分布を測定し、加工組織との関係 を調べた。また、高温高圧純水中で引張応力を付 与しながら in-situ で応力分布測定を行い、割れ 発生との相関について調べた。
2. 実験方法
実験に用いた試料は、低炭素オーステナイト 系ステンレス鋼SUS316L で、溶体化熱処理(1323K、 0.9ks)後、冷間圧延(20%~80%)および平面研 削(#30、100、220) 加工を行い、硬さ測定、集合396組織および表面残留応力について調べた。集合組 織は、後方散乱型電子線回折パターン (EBSP) 法 によって調べた。残留応力測定は、SPring-8 の 放射光を用いて測定した。また、BWR 炉水環境(573K、8.5MP)を模擬した環境で引張応力を付 与しながら in-situ にて表面残留応力を測定する 応力測定装置を試作し、SPring-8 放射光実験セ ル内に設置し測定を行った。図1に試作した装置 の概略図および図2に放射光入射窓から見た試 験片の外観を示す。放射光による応力測定は、側 傾法(20 - sin 小法)を用いた。Sapphire WindowCooling WaterSpecimenx, va図1高温高圧水中 in-situ 応力試験装置の概略図試験片マイがおっくうみん....?* 図2 in-situ 応力試験装置の入射光窓 3.実験結果および検討SUS316L 鋼に#30 砥石により平面研削した 場合、表面近傍に多くのすべり帯が形成された加 工変質層が観察された。図3には SEM による断 面ミクロ組織観察結果を示す。表面近傍の組織は、電子回折の結果より微細な結晶粒帯であること を確認した。またその帯域中には、研削によって 成された微小なクラックが散見される。このよ な微小クラックの存在は TGSCC の起点となる 可能性は大であると考える。図3 #30 砥石研削した SUS316L 鋼の断面ミクロ組織一方、放射光による表面残留応力測定を行っ た結果、表面残留応力は、研削砥石粒度および研 削方向に依存することが分かった。#30 研削の場 合は研削方向に依存せず、大きな引張残留応力が 生じていたが、砥石粒度が細かくなると研削方向 に平行な場合は引張残留応力が、垂直方向では圧 縮残留応力が生じていた。冷間加工材では、圧延 方向依存性は認められず、いずれの方向も圧縮応 力であった。BWR炉水環境を模擬した高温高圧純水中にて #30 研削加工した SUS316L 鋼に SSRT により予き 裂を付与した試験片を高温高圧水中 in-situ 応力測 定装置のオートクレーブ内にセットし、SPring-8 の放射光により引張応力を付与した状態で局所応力 分布測定を in - situ で行った結果、圧縮応力と引張 応力が不均一に混在、分布していることが明らかに なった。このような不均一な残留応力分布が TGSCC 発生起点の重要な要因となっていると考えられる。 また、加工することにより析出物の形成が促進され ることが明らかになった。これらの結果により加工 による析出物形成の促進と表面残留応力の不均一分 布が TGSCC 発生起点の重要な要因となっていると 考えられる。397“ “SUS316L 鋼の表面残留応力に及ぼす機械加工の影響“ “中東 重雄,Shigeo NAKAHIGASHI,山本 厚之,Atsuyukitu YAMAMOTO,山田 孝行,Takayuki YAMADA,劉 莉,Lin LIU,寺澤 倫孝,Mititaka TERASAWA,三田村 徹,Tohru MITAMURA,椿野 晴繁,Harushige TSUBAKINO,菖蒲 敬久,Takahisa SHOBU,秋庭 義明,Yoshiaki AKINIWA
オーステナイト系ステンレス鋼で代表され る SUS304 や SUS316 では、溶接の熱影響による Cr 炭化物の形成が粒界の耐食性を著しく低下さ せ、粒界型応力腐食割れ(IGSCC)の原因となっ ている。そこで低炭素のステンレス鋼である SUS304L 鋼や SUS316L 鋼が開発され、沸騰水型 原子炉(BWR)の炉心シュラウドや再循環系配管 などの材料として使用されている。しかし近年、BWR の SUS316L 鋼製シュラウ ドに割れが認められ、これらの割れは応力腐食割 れ(SCC)と結論された。この割れは、粒内割れ を起点としており、その後粒界に沿って進展して
- いる。粒内割れ(TGSCC)が発生している表面 層の硬さは高く Hv300 以上であること、また粒界 割れ(IGSCC)が生じている組織は、非鋭敏化組 織をしている。表面層の高硬度は、シュラウド製 造時の表面機械加工や溶接後の表面研削により 生じたと考えられ、それによって生じる残留応力 が強く影響していると思われる。そこで本研究では、放射光を用いて表面残留 応力およびその分布を測定し、加工組織との関係 を調べた。また、高温高圧純水中で引張応力を付 与しながら in-situ で応力分布測定を行い、割れ 発生との相関について調べた。
2. 実験方法
実験に用いた試料は、低炭素オーステナイト 系ステンレス鋼SUS316L で、溶体化熱処理(1323K、 0.9ks)後、冷間圧延(20%~80%)および平面研 削(#30、100、220) 加工を行い、硬さ測定、集合396組織および表面残留応力について調べた。集合組 織は、後方散乱型電子線回折パターン (EBSP) 法 によって調べた。残留応力測定は、SPring-8 の 放射光を用いて測定した。また、BWR 炉水環境(573K、8.5MP)を模擬した環境で引張応力を付 与しながら in-situ にて表面残留応力を測定する 応力測定装置を試作し、SPring-8 放射光実験セ ル内に設置し測定を行った。図1に試作した装置 の概略図および図2に放射光入射窓から見た試 験片の外観を示す。放射光による応力測定は、側 傾法(20 - sin 小法)を用いた。Sapphire WindowCooling WaterSpecimenx, va図1高温高圧水中 in-situ 応力試験装置の概略図試験片マイがおっくうみん....?* 図2 in-situ 応力試験装置の入射光窓 3.実験結果および検討SUS316L 鋼に#30 砥石により平面研削した 場合、表面近傍に多くのすべり帯が形成された加 工変質層が観察された。図3には SEM による断 面ミクロ組織観察結果を示す。表面近傍の組織は、電子回折の結果より微細な結晶粒帯であること を確認した。またその帯域中には、研削によって 成された微小なクラックが散見される。このよ な微小クラックの存在は TGSCC の起点となる 可能性は大であると考える。図3 #30 砥石研削した SUS316L 鋼の断面ミクロ組織一方、放射光による表面残留応力測定を行っ た結果、表面残留応力は、研削砥石粒度および研 削方向に依存することが分かった。#30 研削の場 合は研削方向に依存せず、大きな引張残留応力が 生じていたが、砥石粒度が細かくなると研削方向 に平行な場合は引張残留応力が、垂直方向では圧 縮残留応力が生じていた。冷間加工材では、圧延 方向依存性は認められず、いずれの方向も圧縮応 力であった。BWR炉水環境を模擬した高温高圧純水中にて #30 研削加工した SUS316L 鋼に SSRT により予き 裂を付与した試験片を高温高圧水中 in-situ 応力測 定装置のオートクレーブ内にセットし、SPring-8 の放射光により引張応力を付与した状態で局所応力 分布測定を in - situ で行った結果、圧縮応力と引張 応力が不均一に混在、分布していることが明らかに なった。このような不均一な残留応力分布が TGSCC 発生起点の重要な要因となっていると考えられる。 また、加工することにより析出物の形成が促進され ることが明らかになった。これらの結果により加工 による析出物形成の促進と表面残留応力の不均一分 布が TGSCC 発生起点の重要な要因となっていると 考えられる。397“ “SUS316L 鋼の表面残留応力に及ぼす機械加工の影響“ “中東 重雄,Shigeo NAKAHIGASHI,山本 厚之,Atsuyukitu YAMAMOTO,山田 孝行,Takayuki YAMADA,劉 莉,Lin LIU,寺澤 倫孝,Mititaka TERASAWA,三田村 徹,Tohru MITAMURA,椿野 晴繁,Harushige TSUBAKINO,菖蒲 敬久,Takahisa SHOBU,秋庭 義明,Yoshiaki AKINIWA