マルテンサイト系ステンレス鋼のクリープ損傷に伴う磁気ヒステリシス特性の変化
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カテゴリ: 第5回
1. 緒言
高温高圧下で使用される発電プラントの高温機器の多 くは、1960~1970 年代に建設され、経年劣化(主として腐 食、疲労、クリープ)が進行しているにもかかわらず、当初 計画寿命を延長し運転されている。クリープは高温機器の 健全性を左右する最も重要な経年劣化因子の一つである。 クリープ損傷とは、高温、一定荷重(応力) 下において、 熱活性により材料がゆっくりと連続的に変形し、最終的に は亀裂発生、破壊に至るという現象である。この変形は微 細組織の変化と歪みの累積の相互作用により関連付けら れ、歪みの累積は転位運動や微細組織に支配される。従来、クリープ損傷評価はレプリカ法によって評価され ている。 [1] しかし、レプリカ法は現場の熟練者の経験的 な判断で行われる場合が多く、膨大な時間と労力を要す る。また、限られた範囲の検査にしか適応できないという 問題点がある。クリープ損傷は構成材料全体に広がり、必 ずしも表面から損傷していくとは限らないため、材料内部 の損傷を評価できる技術が必要である。本研究では材料 内部の組織変化に敏感である磁気ヒステリシスループ(特 にマイナーループ)を用いて、タービン翼や蒸気配管材 などの高温高圧プラント材料として広く用いられている SUS403 鋼のクリープ損傷とヒステリシス特性の相関を調 べたので報告する。
2. 実験方法2.1 測定試料と測定条件SUS403 鋼の化学組成を表1に示す。クリープ試験は、 大気中120MPaの引張応力下、873Kの高温下で行い、ク リープ時間(クリープ歪み)が異なる多数の試験片を用意し た(中断試験法)。クリープ歪みは必ずしもクリープ時間と 良い相関を持たないため、クリープ時間は余寿命評価に は不適切である。そのため、クリープ歪みと時間の関係に 基づき、修正月法と破断パラメータ Paから破断寿命を推 定し、試験終了時の余寿命消費率t/trを求めた。[2-4] 余 寿命消費率はクリープ進行度を示す良いパラメータである。 図1に余寿命消費率とクリープ歪みの関係を示す。ここで ステージ I, II, III はそれぞれ遷移クリープ、定常クリープ、 加速クリープ領域に対応する。本研究では、磁気ヒステリ シス特性と余寿命消費率の関係を調べた。また、磁気特 性と機械特性の相関を調べるため、試験片の表裏 5点ず つ、荷重 300g、10 秒の条件で硬度試験を行った。Table 1 Chemical compositions of SUS403. (wt.%)cl si | Mn | P | s | Ni | cr | Fe0.120 | 0.3000.40.033|0.0180,20011.67] Bal273|TTTTTTTTTTTTVickers hardness (HV)0.81. I S II . II 10_0.10. 20. 30.40.5 0.6 0.7 0.8」1200L251873 K, 120MPa O: Crept samples ●: Ruptured sampleTITUTTIKIStrain [%]? ???????????????????????IIIII/00.20.8104 0 .6 Life fraction, UTFig. 1 Creep strain as a function of estimated life fraction in the interrupted test, taken at 120 MPa and 873K. [2]2.2 磁気マイナー・ヒステリシスループ測定磁気測定用に 2.1mm×2.1mm×14mm の角棒型に試 験片を切り出し後、検出コイル 40 回を巻きつけ、磁気ヨー ク(励磁コイル 80 回巻)を用いて磁気測定を行った。 磁場 振幅 H が異なるマイナー・ヒステリシスループ群を 0.05Hz の励磁周波数、約 13kA/m までの磁場範囲で測定した。 比較のため Ha=20kA/m の磁場振幅でメジャーループを 測定した。最近、我々はFe単結晶・多結晶、Ni 単結晶、低炭素鋼 におけるマイナー・ヒステリシスループ解析[5-7)から、マイ ナーループ変数間に以下の関係があることを明らかにし た。DF-1ここで、WE*はマイナーループヒステリシス損失、M*は マイナーループ飽和磁化、Mは飽和磁化である。マイナ ーループ係数 WE は格子欠陥(転位、結晶粒界、析出物 など)に敏感な物理量である。べき指数nsは約1.5 であり、 塑性変形の度合い、温度、格子欠陥の種類に依存しない。 マイナーループ係数は格子欠陥に対しメジャーループの 保磁力 HCと同様の振る舞いを示すが、H。に比べ格子欠 陥に敏感であると共に、測定磁場が Hのそれに比べ約 1/5 程度で済むというメリットある。3. 実験結果 3.1 ビッカース硬さ試験- -- T-- -------------10_0. 10.2 0.3040.5 0.6 0.7 0.8Life fraction t/tr 2 Vickers hardness as a function of life fractionFig. 2図 2 にビッカース硬さの余寿命消費率依存性を示す。遷 移クリープではクリープ損傷と共に硬度は急激に減少し、 定常クリープで一時減少が止まった後、加速クリープで再 び緩やかな減少に転ずる振る舞いが見つかった。3.2 磁気ヒステリシスループ測定図 3 に t/tr=0, 0.7 におけるメジャーループを示す。クリ ープ損傷に伴いループ幅(保磁力)が増加する傾向が見 つかった。同様なループ幅の増加はマイナーループでも 観測された。(LowH*け/tr=0. t/t=0.7LowH_--20-15-10-5 0_ 5_H (KA/m)101520Fig.3 Major loop, taken at t/t, = 0 and 0.7.マイナーループ係数の余寿命消費率依存性を調べる ため、マイナーループ群からマイナーループ変数(図4挿 入図)を決定し、WE* と M.*の関係を調べた。図4に、Wi*と MA*の関係の両対数プロットを示す。第2ステージ(マイナ ーループ磁化 M *が磁場振幅 H.に対し急激に増加する 磁場領域であり、非可逆的磁壁移動が磁化に寄与する領274 二線になり、その傾きは、4. 結言 土 0.02 であった。この今回の実験結果から、マイナーループ係数・保磁力がク 域)において、We*と M.*の関係は直線になり、その傾 クリープ損傷度に依存せず nr=1.53 土 0.02 であった。 値は過去の実験結果[5-7]と一致する。1.53±0.02 des| ttr=0* /tr=0.36 3 | o t/tr=0.710000-0000-90concacinterancerolog(W)HHHH-1.5 1 1 -0.5 0 0.5log(a, M.*) Fig. 4 Relation between Wr* and M.*. The data for thed 0.36 and 0.7 are shown for typical examples.参考文献THHH\6484 2010-04002440 Loo00a[1] B. Raj, V. Moorthy, T. Jayakumar, R.K. Bhanu Sankara, Int. Mater. Rev.48 (2003) 273.[2]T.Ohtani, J.Soc.Mater.Sci.Jpn.56 (2007) 114. 12 -1.5 1 -0. 5 0 _ 0.5[3] K. Maruyama, C. Harada, H. Oikawa, J. Soc. Mater. log( MM *)Sci. Jpn. 34 (1985) 1289. g. 4 Relation between Wi* and M*. The data for t/t, = 0, [4] K. Maruyama, H. Oikawa, Trans. ASME J. Pressure 36 and 0.7 are shown for typical examples.Vessel Tech. 109 (1987) 142.[5] S. Takahashi and L. Zhang, J. Phys. Soc. Jpn. 73 図5に図4の直線部分を式(1)で最小二乗フィットして (2004) 1567.inte 11 1 : ............... Talebachi 図5に図4の直線部分を式(1)で最小二乗フィットして 得られたマイナーループ係数 WE 及び保磁力 H。の余寿 命消費率依存性を示す。遷移クリープ(IDにおいて、両者 が急激に増加する振る舞いが観測された。更にクリープが 進行すると、定常クリープ領域(II)で WE と H。はほぼ一定 となった後、t/tr=0.5 以降の加速クリープ領域(III)で再び 増加に転ずる。両磁気特性の振る舞いは、ビッカース硬さ 進行すると、定常クリープ となった後、t/tr-0.5 以降 増加に転ずる。両磁気特 と逆の振る舞いを示した。Fig. 5 Minor-loop coefficient W. and coercive force H. as a function of life fraction.今回の実験結果から、マイナーループ係数・保磁力がク リープ損傷に伴い敏感に反応し、増加する事がわかった。 これは磁気ヒステリシス法がクリープ材の損傷評価、余寿 命予測に有効であることを示す。また、本研究で用いた磁 気マイナーループ法は 4kA/m 程度の低磁場で測定でき、 高磁場を必要としないためクリープ損傷評価の装置開発 の点で有利である。マイナーループ係数・保磁力がク に反応し、増加する事がわかった。 法がクリープ材の損傷評価、余寿 を示す。また、本研究で用いた磁 4kA/m 程度の低磁場で測定でき、 ためクリープ損傷評価の装置開発T. Jayakumar, R.K. Bhanu Sankara, 03) 273. er.Sci.Jpn.56 (2007) 114. Harada, H. Oikawa, J. Soc. Mater. 9. Wilrouro Trans ASME I Pressure [1] B. Raj, V. Moorthy, T. Jayakumar, R.K. Bhanu Sankara, Int. Mater. Rev.48 (2003) 273. [2]T.Ohtani, J.Soc.Mater.Sci.Jpn. 56 (2007) 114. [3] K. Maruyama, C. Harada, H. Oikawa, J. Soc. Mater. Sci. Jpn. 34 (1985) 1289. [4] K. Maruyama, H. Oikawa, Trans. ASME J. Pressure Vessel Tech. 109 (1987) 142. [5] S. Takahashi and L. Zhang, J. Phys. Soc. Jpn. 73 (2004) 1567. [6] S. Kobayashi, T. Fujiwara, M. Tsunoda, S. Takahashi, H. Kikuchi, Y. Kamada, K. Ara, and T. Shishido, J. Mag. Mag. Mater. 310 (2007) 2638. [7] S. Takahashi, S. Kobayashi, H. Kikuchi, Y. Kamada, J. Appl. Phys. 100 (2006) 113908. H. Kikuchi, Y. Kamada, J. - 275 -
“ “マルテンサイト系ステンレス鋼のクリープ損傷に伴う磁気ヒステリシス特性の変化 “ “木村 敬,Takashi KIMURA,小林 悟,Satoru KOBAYASHI,鎌田 康寬,Yasuhiro KAMADA,菊池 弘昭,Hiroaki KIKUCHI,大谷 俊博,Toshihiro OHTANI
高温高圧下で使用される発電プラントの高温機器の多 くは、1960~1970 年代に建設され、経年劣化(主として腐 食、疲労、クリープ)が進行しているにもかかわらず、当初 計画寿命を延長し運転されている。クリープは高温機器の 健全性を左右する最も重要な経年劣化因子の一つである。 クリープ損傷とは、高温、一定荷重(応力) 下において、 熱活性により材料がゆっくりと連続的に変形し、最終的に は亀裂発生、破壊に至るという現象である。この変形は微 細組織の変化と歪みの累積の相互作用により関連付けら れ、歪みの累積は転位運動や微細組織に支配される。従来、クリープ損傷評価はレプリカ法によって評価され ている。 [1] しかし、レプリカ法は現場の熟練者の経験的 な判断で行われる場合が多く、膨大な時間と労力を要す る。また、限られた範囲の検査にしか適応できないという 問題点がある。クリープ損傷は構成材料全体に広がり、必 ずしも表面から損傷していくとは限らないため、材料内部 の損傷を評価できる技術が必要である。本研究では材料 内部の組織変化に敏感である磁気ヒステリシスループ(特 にマイナーループ)を用いて、タービン翼や蒸気配管材 などの高温高圧プラント材料として広く用いられている SUS403 鋼のクリープ損傷とヒステリシス特性の相関を調 べたので報告する。
2. 実験方法2.1 測定試料と測定条件SUS403 鋼の化学組成を表1に示す。クリープ試験は、 大気中120MPaの引張応力下、873Kの高温下で行い、ク リープ時間(クリープ歪み)が異なる多数の試験片を用意し た(中断試験法)。クリープ歪みは必ずしもクリープ時間と 良い相関を持たないため、クリープ時間は余寿命評価に は不適切である。そのため、クリープ歪みと時間の関係に 基づき、修正月法と破断パラメータ Paから破断寿命を推 定し、試験終了時の余寿命消費率t/trを求めた。[2-4] 余 寿命消費率はクリープ進行度を示す良いパラメータである。 図1に余寿命消費率とクリープ歪みの関係を示す。ここで ステージ I, II, III はそれぞれ遷移クリープ、定常クリープ、 加速クリープ領域に対応する。本研究では、磁気ヒステリ シス特性と余寿命消費率の関係を調べた。また、磁気特 性と機械特性の相関を調べるため、試験片の表裏 5点ず つ、荷重 300g、10 秒の条件で硬度試験を行った。Table 1 Chemical compositions of SUS403. (wt.%)cl si | Mn | P | s | Ni | cr | Fe0.120 | 0.3000.40.033|0.0180,20011.67] Bal273|TTTTTTTTTTTTVickers hardness (HV)0.81. I S II . II 10_0.10. 20. 30.40.5 0.6 0.7 0.8」1200L251873 K, 120MPa O: Crept samples ●: Ruptured sampleTITUTTIKIStrain [%]? ???????????????????????IIIII/00.20.8104 0 .6 Life fraction, UTFig. 1 Creep strain as a function of estimated life fraction in the interrupted test, taken at 120 MPa and 873K. [2]2.2 磁気マイナー・ヒステリシスループ測定磁気測定用に 2.1mm×2.1mm×14mm の角棒型に試 験片を切り出し後、検出コイル 40 回を巻きつけ、磁気ヨー ク(励磁コイル 80 回巻)を用いて磁気測定を行った。 磁場 振幅 H が異なるマイナー・ヒステリシスループ群を 0.05Hz の励磁周波数、約 13kA/m までの磁場範囲で測定した。 比較のため Ha=20kA/m の磁場振幅でメジャーループを 測定した。最近、我々はFe単結晶・多結晶、Ni 単結晶、低炭素鋼 におけるマイナー・ヒステリシスループ解析[5-7)から、マイ ナーループ変数間に以下の関係があることを明らかにし た。DF-1ここで、WE*はマイナーループヒステリシス損失、M*は マイナーループ飽和磁化、Mは飽和磁化である。マイナ ーループ係数 WE は格子欠陥(転位、結晶粒界、析出物 など)に敏感な物理量である。べき指数nsは約1.5 であり、 塑性変形の度合い、温度、格子欠陥の種類に依存しない。 マイナーループ係数は格子欠陥に対しメジャーループの 保磁力 HCと同様の振る舞いを示すが、H。に比べ格子欠 陥に敏感であると共に、測定磁場が Hのそれに比べ約 1/5 程度で済むというメリットある。3. 実験結果 3.1 ビッカース硬さ試験- -- T-- -------------10_0. 10.2 0.3040.5 0.6 0.7 0.8Life fraction t/tr 2 Vickers hardness as a function of life fractionFig. 2図 2 にビッカース硬さの余寿命消費率依存性を示す。遷 移クリープではクリープ損傷と共に硬度は急激に減少し、 定常クリープで一時減少が止まった後、加速クリープで再 び緩やかな減少に転ずる振る舞いが見つかった。3.2 磁気ヒステリシスループ測定図 3 に t/tr=0, 0.7 におけるメジャーループを示す。クリ ープ損傷に伴いループ幅(保磁力)が増加する傾向が見 つかった。同様なループ幅の増加はマイナーループでも 観測された。(LowH*け/tr=0. t/t=0.7LowH_--20-15-10-5 0_ 5_H (KA/m)101520Fig.3 Major loop, taken at t/t, = 0 and 0.7.マイナーループ係数の余寿命消費率依存性を調べる ため、マイナーループ群からマイナーループ変数(図4挿 入図)を決定し、WE* と M.*の関係を調べた。図4に、Wi*と MA*の関係の両対数プロットを示す。第2ステージ(マイナ ーループ磁化 M *が磁場振幅 H.に対し急激に増加する 磁場領域であり、非可逆的磁壁移動が磁化に寄与する領274 二線になり、その傾きは、4. 結言 土 0.02 であった。この今回の実験結果から、マイナーループ係数・保磁力がク 域)において、We*と M.*の関係は直線になり、その傾 クリープ損傷度に依存せず nr=1.53 土 0.02 であった。 値は過去の実験結果[5-7]と一致する。1.53±0.02 des| ttr=0* /tr=0.36 3 | o t/tr=0.710000-0000-90concacinterancerolog(W)HHHH-1.5 1 1 -0.5 0 0.5log(a, M.*) Fig. 4 Relation between Wr* and M.*. The data for thed 0.36 and 0.7 are shown for typical examples.参考文献THHH\6484 2010-04002440 Loo00a[1] B. Raj, V. Moorthy, T. Jayakumar, R.K. Bhanu Sankara, Int. Mater. Rev.48 (2003) 273.[2]T.Ohtani, J.Soc.Mater.Sci.Jpn.56 (2007) 114. 12 -1.5 1 -0. 5 0 _ 0.5[3] K. Maruyama, C. Harada, H. Oikawa, J. Soc. Mater. log( MM *)Sci. Jpn. 34 (1985) 1289. g. 4 Relation between Wi* and M*. The data for t/t, = 0, [4] K. Maruyama, H. Oikawa, Trans. ASME J. Pressure 36 and 0.7 are shown for typical examples.Vessel Tech. 109 (1987) 142.[5] S. Takahashi and L. Zhang, J. Phys. Soc. Jpn. 73 図5に図4の直線部分を式(1)で最小二乗フィットして (2004) 1567.inte 11 1 : ............... Talebachi 図5に図4の直線部分を式(1)で最小二乗フィットして 得られたマイナーループ係数 WE 及び保磁力 H。の余寿 命消費率依存性を示す。遷移クリープ(IDにおいて、両者 が急激に増加する振る舞いが観測された。更にクリープが 進行すると、定常クリープ領域(II)で WE と H。はほぼ一定 となった後、t/tr=0.5 以降の加速クリープ領域(III)で再び 増加に転ずる。両磁気特性の振る舞いは、ビッカース硬さ 進行すると、定常クリープ となった後、t/tr-0.5 以降 増加に転ずる。両磁気特 と逆の振る舞いを示した。Fig. 5 Minor-loop coefficient W. and coercive force H. as a function of life fraction.今回の実験結果から、マイナーループ係数・保磁力がク リープ損傷に伴い敏感に反応し、増加する事がわかった。 これは磁気ヒステリシス法がクリープ材の損傷評価、余寿 命予測に有効であることを示す。また、本研究で用いた磁 気マイナーループ法は 4kA/m 程度の低磁場で測定でき、 高磁場を必要としないためクリープ損傷評価の装置開発 の点で有利である。マイナーループ係数・保磁力がク に反応し、増加する事がわかった。 法がクリープ材の損傷評価、余寿 を示す。また、本研究で用いた磁 4kA/m 程度の低磁場で測定でき、 ためクリープ損傷評価の装置開発T. Jayakumar, R.K. Bhanu Sankara, 03) 273. er.Sci.Jpn.56 (2007) 114. Harada, H. Oikawa, J. Soc. Mater. 9. Wilrouro Trans ASME I Pressure [1] B. Raj, V. Moorthy, T. Jayakumar, R.K. Bhanu Sankara, Int. Mater. Rev.48 (2003) 273. [2]T.Ohtani, J.Soc.Mater.Sci.Jpn. 56 (2007) 114. [3] K. Maruyama, C. Harada, H. Oikawa, J. Soc. Mater. Sci. Jpn. 34 (1985) 1289. [4] K. Maruyama, H. Oikawa, Trans. ASME J. Pressure Vessel Tech. 109 (1987) 142. [5] S. Takahashi and L. Zhang, J. Phys. Soc. Jpn. 73 (2004) 1567. [6] S. Kobayashi, T. Fujiwara, M. Tsunoda, S. Takahashi, H. Kikuchi, Y. Kamada, K. Ara, and T. Shishido, J. Mag. Mag. Mater. 310 (2007) 2638. [7] S. Takahashi, S. Kobayashi, H. Kikuchi, Y. Kamada, J. Appl. Phys. 100 (2006) 113908. H. Kikuchi, Y. Kamada, J. - 275 -
“ “マルテンサイト系ステンレス鋼のクリープ損傷に伴う磁気ヒステリシス特性の変化 “ “木村 敬,Takashi KIMURA,小林 悟,Satoru KOBAYASHI,鎌田 康寬,Yasuhiro KAMADA,菊池 弘昭,Hiroaki KIKUCHI,大谷 俊博,Toshihiro OHTANI