応力腐食割れサンプルの作製方法および非破壊試験用試験片
【課題】 低炭素ステンスレス鋼での応力腐食割れのメカニズムを解明した結果に基づき、実機に発生する応力腐食割れを再現性良く導入したサンプルを容易に作製することができる応力腐食割れサンプルの作製方法および非破壊試験用試験片を提供すること。
【解決手段】 低炭素ステンレス鋼やＮｉ基合金の試験片に熱処理によりＣｒを含む析出物を析出させるようにした後、腐食液による腐食環境下で応力腐食割れを発生させるようにする。
これにより、低炭素ステンレス鋼やＮｉ基合金であってもＣｒを含む析出物を析出させることで、粒界部分の耐食性を局部的に落とすことができ、応力腐食割れを発生させることができるようになる。
【解決手段】 低炭素ステンレス鋼やＮｉ基合金の試験片に熱処理によりＣｒを含む析出物を析出させるようにした後、腐食液による腐食環境下で応力腐食割れを発生させるようにする。
これにより、低炭素ステンレス鋼やＮｉ基合金であってもＣｒを含む析出物を析出させることで、粒界部分の耐食性を局部的に落とすことができ、応力腐食割れを発生させることができるようになる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、応力腐食割れサンプルの作製方法および非破壊試験用試験片に関し、応力腐食割れの割れを非破壊評価するためなどに必要な割れを導入したサンプルを作製するもので、低炭素ステンレス鋼での応力腐食割れのメカニズムを解明し、これに基づき再現性良くサンプルを作製できるようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
ステンレス鋼の中には、使用条件により応力腐食割れを起こすものがあることが知られており、例えば高温高圧高純度水環境中で使用するオーステナイト系ステンレス鋼では、そのメカニズムとして、鋭敏化にともないＣｒ炭化物の析出による粒界近傍のＣｒ濃度の低下により腐食が進行することが知られている。
【０００３】
これを対策するため低炭素ステンレス鋼が開発されているが、この鋭敏化対策材であっても応力腐食割れが起こっており、鋭敏化条件を外した場合の応力腐食割れの発生のメカニズムは明らかになっていないのが現状である。
【０００４】
一方、応力腐食割れが生じる恐れのある環境下で使用する機器の監視技術や非破壊検査技術の向上や高精度化を図ろうとする場合には、実際の応力腐食割れを再現したサンプルが必要となる。
【０００５】
このような応力腐食による割れが入ったサンプルを作製する方法として、例えば特許文献1には、溶接継手の隅肉溶接部に応力腐食割れを導入したサンプルを作製する技術が開示されており、第1の金属材と第２の金属材との接合箇所の隅肉溶接部に、隅肉溶接を跨いだ状態の熱作動部材を一体に固定し、腐食環境における加熱時の熱膨張差により、隅肉溶接部に引っ張り残留応力を付与して応力腐食割れを発生させるようにしている。
【０００６】
また、特許文献２には、インコネルクラッド部に応力腐食割れを形成した試験体を作製する方法（インコネルはインコ社の登録商標）が開示されており、低合金鋼とステンレス鋼とを溶接継手により接続するとともに、低合金鋼の表面に端部が溶接継手の側部と接触するようインコネルクラッドをバタリングして試験体を作製し、この試験体のインコネルクラッドに曲げ応力を生じさせるためインコネルクラッドの表面が凸状の円弧面となるように試験体を曲折させ、かかる状態で試験体を所定の温度および圧力の熱水により煮ることでインコネルクラッドに応力腐食割れを形成するようにしている。
【０００７】
さらに、試験体に応力腐食割れを発生させることに関連する文献として特許文献３，４などがある。
【特許文献１】特開平１１−１７３９５８号公報
【特許文献２】特開平１１−１９２５７９号公報
【特許文献３】特開２０００−３３３３９７号公報
【特許文献４】特開平１０−２２７７８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、従来の応力腐食割れを導入したサンプルを作製する方法では、いずれも低炭素ステンレス鋼については、応力腐食割れの発生メカニズムを解明し、そのメカニズムに基づく条件からサンプルに応力腐食割れを生じさせるようにするものでなく、実機での発生状況とこれまでの高炭素ステンレス鋼の応力腐食割れについての一般的な知見に基づいて条件を定めたり、発生の頻度の高い溶接継手に限ってサンプルを作製するようにしているに過ぎない。
【０００９】
このため、限られた条件や溶接継手に限ってサンプルを作製できるに過ぎないなどの問題がある。
【００１０】
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、低炭素ステンスレス鋼での応力腐食割れのメカニズムを解明した結果に基づき、実機に発生する応力腐食割れを再現性良く導入したサンプルを容易に作製することができる応力腐食割れサンプルの作製方法および非破壊試験用試験片を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記従来技術が有する課題を解決するため、本願発明者らが低炭素ステンレス鋼における応力腐食割れのメカニズムについて鋭意研究を重ねた結果、次のようなメカニズムがあり、熱処理の条件で２つに分類することができることが分かった。
【００１２】
すなわち、通常のステンレス鋼の場合の５００〜８００℃での鋭敏化にともなう粒界近傍のＣｒ濃度の低下により腐食が進行するのと同様に、低炭素ステンレス鋼についても、Ｃｒを含む析出物が析出する場合には、応力腐食割れが発生することが分かった。
【００１３】
特に低炭素ステンレス鋼では、Ｃｒを含む析出物としては、Ｃｒ炭化物は通常のステンレス鋼に比べて非常に少ないが、Ｃｒ炭化物のほか通常のステンレス鋼では問題とならなかったσ相、χ相、ラーベス相の析出によって粒界部分の耐食性が局部的に落ち、応力腐食割れが起こることが分かった。
【００１４】
これにより、低炭素ステンレス鋼では、５００℃以上の温度で熱処理を行い、Ｃｒ炭化物のほかに、σ相、χ相、ラーベス相、Ｇ相といった金属間化合物相のＣｒを含む析出物を析出させるようにすることが応力腐食割れを起こさせるために必要となる。
【００１５】
また、粒界付近でのγ相以外の相（ｂｃｃ系相）とγ相とが共存する場合には、応力腐食割れが誘起されることが分かった。
【００１６】
さらに、加工により導入されたひずみ（溶接による熱ひずみを含む）は短時間の応力腐食割れの発生を可能とすることが分かった。
【００１７】
これにより、２５０℃以上の温度で熱処理を行う場合には、熱処理前に特に変形により母相を双晶変形や粒界付近の母相を局所的に相変態させることや試験片内にひずみを蓄積させることで、粒界付近に熱力学的に不安定な状態を引き起こさせておき、粒界の耐食性を悪くする析出物の析出もしくはγ相以外の相の出現のための活性化エネルギを下げることができ、応力腐食割れを発生させるのに有効となることが分かった。
【００１８】
以上の２つに分類したメカニズムにより、通常耐食性が落ちない粒界付近の耐食性を容易に落とすことができ、このような試験片を腐食環境下におくことで、粒界腐食を起こさせ、応力腐食割れを模擬した割れを導入したサンプルを作製できることが分かり、この発明を完成したもので、その具体的な構成は以下の通りである。
【００１９】
すなわち、この発明の請求項１記載の応力腐食割れサンプルの作製方法は、Ｃ量が０．０２ｗｔ％以下となる低炭素ステンレス鋼およびＮｉ基合金の試験片に応力腐食割れを導入したサンプルを作製するに際し、前記試験片に熱処理によりＣｒを含む析出物を析出させるようにした後、腐食液による腐食環境下で応力腐食割れを発生させるようにしたことを特徴とするものである。
【００２０】
この応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、Ｃ量が０．０２ｗｔ％以下となる低炭素ステンレス鋼およびＮｉ基合金の試験片に応力腐食割れを導入したサンプルを作製するに際し、前記試験片に熱処理によりＣｒを含む析出物を析出させるようにした後、腐食液による腐食環境下で応力腐食割れを発生させるようにしており、低炭素ステンレス鋼やＮｉ基合金であってもＣｒを含む析出物を析出させるようにすることで、粒界部分の耐食性を局部的に落とすことができ、応力腐食割れを発生させることができるようになる。
【００２１】
また、この発明の請求項２記載の応力腐食割れサンプルの作製方法は、請求項1記載の構成に加え、前記熱処理を５００℃以上の温度で行うとともに、Ｃｒを含む析出物として少なくともＣｒ炭化物、σ相、χ相、ラーベス相、Ｇ相といった金属間化合物相のいずれかを析出させるようにしたことを特徴とするものである。
【００２２】
この応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記熱処理を５００℃以上の温度で行うとともに、Ｃｒを含む析出物として少なくともＣｒ炭化物、σ相、χ相、ラーベス相、Ｇ相といった金属間化合物相のいずれかを析出させるようにしており、低炭素ステンレス鋼やＮｉ基合金に対してＣｒを含む析出物として少なくともＣｒ炭化物、σ相、χ相、ラーベス相、Ｇ相といった金属間化合物相のいずれかを析出させることで、粒界部分の耐食性を局部的に落とすことができ、応力腐食割れを発生させることができるようになる。
【００２３】
さらに、この発明の請求項３記載の応力腐食割れサンプルの作製方法は、Ｃ量が０．０２ｗｔ％以下となる低炭素ステンレス鋼およびＮｉ基合金の試験片に応力腐食割れを導入したサンプルを作製するに際し、前記試験片に加工による変形またはひずみを導入するとともに、熱処理により粒界付近にγ相以外の相とγ相とが共存するようにした後、腐食液による腐食環境下で応力腐食割れを発生させるようにしたことを特徴とするものである。
【００２４】
この応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、Ｃ量が０．０２ｗｔ％以下となる低炭素ステンレス鋼およびＮｉ基合金の試験片に応力腐食割れを導入したサンプルを作製するに際し、前記試験片に加工による変形またはひずみを導入するとともに、熱処理により粒界付近にγ相以外の相とγ相とが共存するようにした後、腐食液による腐食環境下で応力腐食割れを発生させるようにしており、粒界付近に熱力学的に不安定な状態を引き起こさせておき、粒界の耐食性を悪くする析出物の析出もしくはγ相以外の相の出現のための活性化エネルギを下げることができ、応力腐食割れを発生させることができるようになる。
【００２５】
また、この発明の請求項４記載の応力腐食割れサンプルの作製方法は、請求項３記載の構成に加え、前記加工による変形またはひずみの導入と熱処理とを、前記試験片の応力腐食割れを導入する部分に局所的なひずみを加え、次いでこの試験片に熱処理を施すことで行うようにしたことを特徴とするものである。
【００２６】
この応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記加工による変形またはひずみの導入と熱処理とを、前記試験片の応力腐食割れを導入する部分に局所的なひずみを加え、次いでこの試験片に熱処理を施すことで行うようにしており、局所的なひずみを加えた部分にのみ応力腐食割れを発生させることができるようになり、任意の場所に応力腐食割れを導入できるようになる。
【００２７】
さらに、この発明の請求項５記載の応力腐食割れサンプルの作製方法は、請求項３記載の構成に加え、前記加工による変形またはひずみの導入と熱処理とを、前記試験片にひずみを加え、次いでこの試験片の応力腐食割れを導入する部分に局所的な熱処理を施すことで行うようにしたことを特徴とするものである。
【００２８】
この応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記加工による変形またはひずみの導入と熱処理とを、前記試験片にひずみを加え、次いでこの試験片の応力腐食割れを導入する部分に局所的な熱処理を施すことで行うようにしており、局所的な熱処理を施した部分にのみ応力腐食割れを発生させることができるようになり、任意の場所に応力腐食割れを導入することができるようになる。
【００２９】
また、この発明の請求項６記載の応力腐食割れサンプルの作製方法は、請求項３〜５のいずれかに記載の構成に加え、前記熱処理を２５０℃以上の温度で行うとともに、この熱処理前に予め加工により母相の双晶変形、粒界付近の母相の局所的な相変態、ひずみの蓄積のいずれかを行うようにしたことを特徴とするものである。
【００３０】
この応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記熱処理を２５０℃以上の温度で行うとともに、この熱処理前に予め加工により母相の双晶変形、粒界付近の母相の局所的な相変態、ひずみの蓄積のいずれかを行うようにしており、熱処理前の加工などで粒界付近に熱力学的に不安定な状態を引き起こさせておき、粒界の耐食性を悪くする析出物の析出もしくはγ相以外の相の出現のための活性化エネルギを下げることができ、応力腐食割れを一層容易に発生させることができるようになる。
【００３１】
さらに、この発明の請求項７記載の応力腐食割れサンプルの作製方法は、請求項１〜６のいずれかに記載の構成に加え、前記腐食液による腐食環境下で前記試験片表面に引っ張り力を加えるようにしたことを特徴とするものである。
【００３２】
この応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記腐食液による腐食環境下で前記試験片表面に引っ張り力を加えるようにしており、引っ張り力により、一層応力腐食割れの進行を促進することができるようになる。
【００３３】
また、この発明の請求項８記載の応力腐食割れサンプルの作製方法は、請求項１〜７のいずれかに記載の構成に加え、前記加工による変形またはひずみの導入と熱処理とを、前記試験片を溶接することにより同時に行うようにしたことを特徴とするものである。
【００３４】
この応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記加工による変形またはひずみの導入と熱処理とを、前記試験片を溶接することにより同時に行うようにしており、溶接することで加工と熱処理を同時に行って応力腐食割れを導入したサンプルを作製できるようになる。
【００３５】
さらに、この発明の請求項９記載の応力腐食割れサンプルの作製方法は、請求項１〜８のいずれかに記載の構成に加え、前記腐食液を、ポリチオン酸、シュウ酸、硫酸含有の酸、塩酸含有の少なくともいずれかの溶液とするようにしたことを特徴とするものである。
【００３６】
この応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記腐食液を、ポリチオン酸、シュウ酸、硫酸含有の酸、塩酸含有の少なくともいずれかの溶液とするようにしており、これらの溶液で腐食環境を作り、応力腐食割れを発生させることができるようになる。
【００３７】
また、この発明の請求項１０記載の非破壊試験用試験片は、前記請求項１〜９のいずれかに記載の応力腐食割れサンプルの作製方法により作製されたことを特徴とするものである。
【００３８】
この非破壊試験用試験片によれば、前記請求項１〜９のいずれかに記載の応力腐食割れサンプルの作製方法により試験片を作製することができ、応力腐食割れを模擬した割れを導入した試験片で非破壊試験を行うことができる。
【発明の効果】
【００３９】
この発明の請求項１記載の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、Ｃ量が０．０２ｗｔ％以下となる低炭素ステンレス鋼およびＮｉ基合金の試験片に応力腐食割れを導入したサンプルを作製するに際し、前記試験片に熱処理によりＣｒを含む析出物を析出させるようにした後、腐食液による腐食環境下で応力腐食割れを発生させるようにしたので、低炭素ステンレス鋼やＮｉ基合金であってもＣｒを含む析出物を析出させることで、粒界部分の耐食性を局部的に落とすことができ、応力腐食割れを発生させることができる。
【００４０】
また、この発明の請求項２記載の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記熱処理を５００℃以上の温度で行うとともに、Ｃｒを含む析出物として少なくともＣｒ炭化物、σ相、χ相、ラーベス相、Ｇ相といった金属間化合物相のいずれかを析出させるようにしたので、低炭素ステンレス鋼やＮｉ基合金に対してＣｒを含む析出物として少なくともＣｒ炭化物、σ相、χ相、ラーベス相、Ｇ相といった金属間化合物相のいずれかを析出させることで、粒界部分の耐食性を局部的に落とすことができ、応力腐食割れを発生させることができる。
【００４１】
さらに、この発明の請求項３記載の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、Ｃ量が０．０２ｗｔ％以下となる低炭素ステンレス鋼およびＮｉ基合金の試験片に応力腐食割れを導入したサンプルを作製するに際し、前記試験片に加工による変形またはひずみを導入するとともに、熱処理により粒界付近にγ相以外の相とγ相とが共存するようにした後、腐食液による腐食環境下で応力腐食割れを発生させるようにしたので、粒界付近に熱力学的に不安定な状態を引き起こさせておき、粒界の耐食性を悪くする析出物の析出もしくはγ相以外の相の出現のための活性化エネルギを下げることができ、応力腐食割れを発生させることができる。
【００４２】
また、この発明の請求項４記載の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記加工による変形またはひずみの導入と熱処理とを、前記試験片の応力腐食割れを導入する部分に局所的なひずみを加え、次いでこの試験片に熱処理を施すことで行うようにしたので、局所的なひずみを加えた部分にのみ応力腐食割れを発生させることができ、任意の場所に応力腐食割れを導入することができる。
【００４３】
さらに、この発明の請求項５記載の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記加工による変形またはひずみの導入と熱処理とを、前記試験片にひずみを加え、次いでこの試験片の応力腐食割れを導入する部分に局所的な熱処理を施すことで行うようにしたので、局所的な熱処理を施した部分にのみ応力腐食割れを発生させることができ、任意の場所に応力腐食割れを導入することができる。
【００４４】
また、この発明の請求項６記載の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記熱処理を２５０℃以上の温度で行うとともに、この熱処理前に予め加工により母相の双晶変形、粒界付近の母相の局所的な相変態、ひずみの蓄積のいずれかを行うようにしたので、比較的低温の場合でも、熱処理前の加工などで粒界付近に熱力学的に不安定な状態を引き起こさせておき、粒界の耐食性を悪くする析出物の析出もしくはγ相以外の相の出現のための活性化エネルギを下げることができ、応力腐食割れを一層容易に発生させることができる。
【００４５】
さらに、この発明の請求項７記載の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記腐食液による腐食環境下で前記試験片表面に引っ張り力を加えるようにしたので、引っ張り力により、一層応力腐食割れの進行を促進することができる。
【００４６】
また、この発明の請求項８記載の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記加工による変形またはひずみの導入と熱処理とを、前記試験片を溶接することにより同時に行うようにしたので、溶接することで加工と熱処理を同時に行って応力腐食割れを導入したサンプルを作製することができる。
【００４７】
さらに、この発明の請求項９記載の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記腐食液を、ポリチオン酸、シュウ酸、硫酸含有の酸、塩酸含有の少なくともいずれかの溶液とするようにしたので、これらの溶液で腐食環境を作り、応力腐食割れを発生させることができる。
【００４８】
また、この発明の請求項１０記載の非破壊試験用試験片によれば、前記請求項１〜９のいずれかに記載の応力腐食割れサンプルの作製方法により試験片を作製することができ、応力腐食割れを模擬した割れを導入した試験片で非破壊試験を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、この発明の一実施の形態について詳細に説明する。
この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法では、試験片として鋭敏化対策材であるＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６などの低炭素ステンレス鋼を用い、この試験片に応力腐食割れを導入して応力腐食割れサンプルとするものである。
【００５０】
このような低炭素ステンレス鋼に応力腐食割れを再現する場合には、大きく２つの工程が必要とされ、まず第１の工程は、試験片の粒界付近の耐食性を悪くして腐食を容易にするための工程であり、第２の工程は、耐食性を悪くした試験片を腐食環境下で腐食させて応力腐食割れを発生させる工程である。
【００５１】
このような２つの工程のうち、第１の工程は、通常のステンレス鋼では、５００〜８００℃での鋭敏化にともなう粒界付近のＣｒ濃度の低下により腐食が進行することが知られているが、ここでの試験片として用いる低炭素ステンレス鋼では、このような応力腐食割れが起こるメカニズムは解明されていなかった。
【００５２】
そこで、低炭素ステンレス鋼について、加工熱処理を組み合わせた種々の組織を有する試験片について、応力腐食割れの感受性評価試験を行った。
【００５３】
この低炭素ステンレス鋼の応力腐食割れの感受性評価試験では、例えば、その一部として、供試材にＳＵＳ３１６を用い、均質化熱処理を行って偏析などの影響を排除した後、１０５０℃で３０分溶体化処理を行い、圧下率を１０％、あるいは２０％で冷間圧延し、この試料に、例えば表１および表２に示すように、時効温度と熱処理時間を変えて熱処理を行い、得られた試験片をポリチオン酸溶液の腐食液で腐食した。
なお、ここでは、腐食時間を２４時間、７２時間、１００時間とした。
【００５４】
各腐食時間で試料の割れを観察し、腐食時間にかかわらず割れの発生の有無の結果を表中に示した。表中の○は割れの発生が観察された場合を、△は３０μｍ以下の微小なき裂が観察された場合を、×はき裂が観察されなかった場合をそれぞれ示す。
【００５５】
また、割れやき裂が発生した試料の代表的なものの顕微鏡写真を図１〜図３に示す。
【００５６】
図１は腐食時間が２４時間の場合で、(ａ)は１０％冷間加工、６５０℃１００時間の熱処理を行ったもの、(ｂ)は２０％冷間加工、４００℃１００時間の熱処理を行ったものであり、図２は腐食時間が７２時間の場合で、２０％冷間加工、４００℃１００時間の熱処理を行ったもの(図１(ｂ)の試料の腐食時間を７２時間としたもの)で、いずれも割れが発生している。
【００５７】
また、図３は、腐食時間が１００時間の場合で、(ａ)は１０％冷間加工、４００℃１００時間の熱処理を行ったもの、(ｂ)は２０％冷間加工、４００℃２４時間の熱処理を行ったものであり、非常に小さい割れ（き裂）が生じている。
【表１】
【００５８】
【表２】
【００５９】
このような低炭素ステンレス鋼の応力腐食割れに対する感受性評価試験の結果の一部について説明したように、これら評価試験から次のことが分かった。
【００６０】
すなわち、低炭素ステンレス鋼についてもＣｒ含有相（Ｃｒ炭化物、σ相、Ｇ相、χ相、ラーベス相）が析出する場合は応力腐食割れが起こること。
【００６１】
また、粒界付近でのγ相以外の相(ｂｃｃ系相)とγ相の共存がする場合に応力腐食割れを誘起すること。
【００６２】
さらに、加工により導入されたひずみ(溶接による熱ひずみを含む)は短時間に応力腐食割れを起させること。
【００６３】
このような低炭素ステンレス鋼の応力腐食割れの発生メカニズムにそった試験片の第１の工程としては、熱処理により２つに分けることができる。
【００６４】
１） ５００℃以上の温度で熱処理を行う場合には、Ｃｒを含む析出物（Ｃｒ炭化物、σ相、Ｇ相、χ相、ラーベス相）を析出させる必要がある。
【００６５】
これにより、粒界付近の耐食性を局部的に落とすことができる。
【００６６】
２） ２５０℃以上の温度で熱処理を行う場合には、熱処理前に、特に変形により母相を双晶変形や粒界付近の母相を局所的に相変態をさせることや試料内にひずみを蓄積させる必要がある。
【００６７】
これにより、粒界付近に熱力学的に不安定な状態を引き起こさせておき、粒界の耐食性を悪くする析出物の析出もしくはγ相以外の相出現のための活性化エネルギを下げることができる。
【００６８】
このような第１工程としての加工および熱処理では、試験片の一部分に局所的なひずみを導入し、試験片全体を熱処理するようにしたり、試験片全体にひずみを導入し、試験片の一部分に局所的な熱処理を加えることで、局所的なひずみを導入した部分のみ、あるいは局所的に熱処理を加えた部分のみの耐食性を落とすことができ、これにより、試験片の任意の場所に応力腐食割れを発生させることができる。
【００６９】
この第1工程の具体的な方法としては、次のような操作を挙げることができる。
１） 圧延を行い、その後熱処理を行う。
２） 溶接を行う（熱ひずみの導入と同時に、溶接時の加熱で熱処理を行う）。
３） 高周波による誘導加熱を加えるなど試験片に局所的な熱を加え、他の部分との温度差から熱ひずみを導入する（熱ひずみの導入と同時に、誘導加熱で熱処理を行う）。
４） 試験片に局所的な断面積を変える応力を付加して局所的な変形を起させた後、熱処理を行う。
５） 変形を加えた試験片に部分的な高周波による誘導加熱を加える。
６） 変形を加えた試験片に、部分的にコイルを用いる方法やバーナを用いる方法で加熱する。
【００７０】
この第１工程は、以上のほか、試験片に変形を加えるとともに、その後、あるいは同時に加熱することができれば、変形を加える方法や加熱の方法はどのようなものであっても良い。
【００７１】
このようにして第1工程で粒界の耐食性を落とした試験片を作製した後、第２工程での処理が行われる。
【００７２】
この第２工程では、試験片を腐食環境下で腐食させて応力腐食割れを発生させる工程であり、腐食液を用いた腐食環境下で応力腐食割れを発生させる。
【００７３】
すなわち、腐食液を接触させたり、腐食液中に浸漬して腐食させるほか、必用に応じてさらに表面に引っ張り力を加えるなどの変形を付与しながら腐食させる。
【００７４】
この第２工程に用いる腐食液としては、例えばポリチオン酸、シュウ酸、硫酸含有の酸、塩酸含有の溶液を調整したものを挙げることができ、これらの腐食液を試験片の表面に立てたロートに入れることで試験片表面に接触させるようにしたり、腐食液中に試験片を入れて浸漬するようにする。
【００７５】
この腐食液による腐食時間は、例えば図４に、２０％冷間加工材、１０％冷間加工材、溶接材をそれぞれ４００℃１００時間熱処理した試験片をポリチオン酸溶液に浸漬した場合の腐食時間と割れ深さの関係を示すように、腐食時間が長くなれば割れ深さが深くなることが分かる。
【００７６】
この結果から、腐食時間は試験片の厚さや導入する割れの深さによって変えれば良く、例えば試験片の厚さが０．１〜５００ｍｍである場合には、浸漬時間を１０分〜１年とすることで、１０μｍのごく浅い割れから３００ｍｍの非常に深い割れまでを導入することが可能となる。
【００７７】
このような腐食液による腐食に加え、試験片の表面に引っ張り力を加えた状態で腐食させるようにしても良く、例えば４点曲げ試験機に試験片をセットすることで曲げ変形を加えるようにする。
【００７８】
また、４点曲げに替え、１軸変形を加えるようにしたり、曲げと１軸変形とを組み合せて引っ張り力と圧縮力の中立面の試験片表面からの位置を変えることで、割れの開口量を調整したり、割れの導入深さを調整するようにする。
【００７９】
さらに、管材のようにもともと曲率を持った試験片では、引き伸ばすように引っ張り、曲率内側表面に割れを導入するようにすることもできる。
【００８０】
以上、詳細に説明したように、この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、低炭素ステンレス鋼やＮｉ基合金の試験片に熱処理によりＣｒを含む析出物を析出させるようにした後、腐食液による腐食環境下で応力腐食割れを発生させるようにすることで、低炭素ステンレス鋼やＮｉ基合金であっても、粒界部分の耐食性を局部的に落とすことができ、応力腐食割れを発生させることができる。
【００８１】
また、この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、熱処理を５００℃以上の温度で行うとともに、Ｃｒを含む析出物として少なくともＣｒ炭化物、σ相、χ相、ラーベス相、Ｇ相といった金属間化合物相のいずれかを析出させるようにすることで、粒界部分の耐食性を局部的に落とすことができ、応力腐食割れを発生させることができる。
【００８２】
さらに、この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、低炭素ステンレス鋼やＮｉ基合金の試験片に加工による変形またはひずみを導入するとともに、熱処理により粒界付近にγ相以外の相とγ相とが共存するようにした後、腐食液による腐食環境下で応力腐食割れを発生させるようにすることで、粒界付近に熱力学的に不安定な状態を引き起こさせておき、粒界の耐食性を悪くする析出物の析出もしくはγ相以外の相の出現のための活性化エネルギを下げることができ、応力腐食割れを発生させることができる。
【００８３】
また、この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、試験片の応力腐食割れを導入する部分に局所的なひずみを加え、次いでこの試験片に熱処理を施すことで、局所的なひずみを加えた部分にのみ応力腐食割れを発生させることができ、任意の場所に応力腐食割れを導入することができる。
【００８４】
さらに、この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、試験片にひずみを加え、次いでこの試験片の応力腐食割れを導入する部分に局所的な熱処理を施すことで、局所的な熱処理を施した部分にのみ応力腐食割れを発生させることができ、任意の場所に応力腐食割れを導入することができる。
【００８５】
また、この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、熱処理を２５０℃以上の温度で行うとともに、この熱処理前に予め加工により母相の双晶変形、粒界付近の母相の局所的な相変態、ひずみの蓄積のいずれかを行うことで、比較的低温の場合でも、熱処理前の加工などで粒界付近に熱力学的に不安定な状態を引き起こさせておき、粒界の耐食性を悪くする析出物の析出もしくはγ相以外の相の出現のための活性化エネルギを下げることができ、応力腐食割れを一層容易に発生させることができる。
【００８６】
さらに、この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、腐食液による腐食環境下で試験片表面に引っ張り力を加えるようにすることで、引っ張り力により、一層応力腐食割れの進行を促進することができる。
【００８７】
また、この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、試験片を溶接することで、加工と熱処理を同時に行って応力腐食割れを導入したサンプルを作製することができる。
【００８８】
さらに、この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、腐食液としてポリチオン酸、シュウ酸、硫酸含有の酸、塩酸含有の少なくともいずれかの溶液とすることで、これらの溶液で腐食環境を作り、応力腐食割れを発生させることができる。
【００８９】
また、この発明の非破壊試験用試験片によれば、上記のいずれかの応力腐食割れサンプルの作製方法で試験片を作製することができ、応力腐食割れを模擬した割れを導入した試験片で非破壊試験を行うことができる。
【００９０】
なお、上記実施の形態では、低炭素ステンレス鋼を主として説明したが、この低炭素ステンレス鋼はＣ量が０．０２ｗｔ％以下のステンレス鋼であるとともに、Ｎｉ基合金にも同様に適用することができる。
【００９１】
次に、この発明の実施例について説明するが、この発明は、これら実施例になんら限定するものでない。
【実施例１】
【００９２】
供試材としてＳＵＳ３１６を用い、１０５０℃で３０分容体化処理を行い、圧下率２０％で冷間圧延を行った。
この試料に、４００℃、１００時間の熱処理を行い、試験片を作製した。
得られた試験片をテトラチオン酸溶液(ＰＨ ２．０)の腐食液で４８時間腐食した。
その結果、試験片の外面に腐食による割れが発生した(図５の変色部参照)。
【実施例２】
【００９３】
供試材としてＳＵＳ３０４を用いた以外、実施例１と同一の条件で試験片の作製および腐食を実施した。
その結果、試験片の外面に腐食による割れが発生した(図５の変色部参照)。
【実施例３】
【００９４】
実施例１と同一の条件で試験片を作製し、得られた試験片に曲げを加えながら腐食させる以外実施例１と同一の条件で腐食を実施した。
その結果、試験片の外面に腐食による割れが発生した(図６の変色部参照)。
【実施例４】
【００９５】
供試材としてＳＵＳ３１６を用い、１０５０℃で３０分容体化処理を行い、溶接して試料とした。
この試料に、４００℃、１００時間の熱処理を行い、試験片を作製した。
得られた試験片を曲げながら実施例１と同一の腐食を実施した。
その結果、試験片の外面に腐食による割れが発生した(図７の変色部参照)。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法の一実施の形態にかかる腐食時間が２４時間の場合の顕微鏡写真で、 (ａ)は１０％冷間加工、６５０℃１００時間の熱処理を行ったもの、(ｂ)は２０％冷間加工、４００℃１００時間の熱処理を行ったものである。
【図２】この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法の一実施の形態にかかる腐食時間が７２時間の場合の顕微鏡写真で、２０％冷間加工、４００℃１００時間の熱処理を行ったものである。
【図３】この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法の一実施の形態にかかる腐食時間が１００時間の場合の顕微鏡写真で、(ａ)は１０％冷間加工、４００℃１００時間の熱処理を行ったもの、(ｂ)は２０％冷間加工、４００℃２４時間の熱処理を行ったものである。
【図４】この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法の一実施の形態にかかる２０％冷間加工材、１０％冷間加工材、溶接材をそれぞれ４００℃１００時間熱処理した試験片をポリチオン酸溶液に浸漬した場合の腐食時間と割れ深さの関係を示すグラフである。
【図５】この発明の実施例１および２の試料外表面の説明図である。
【図６】この発明の実施例３の試料外表面の説明図である。
【図７】この発明の実施例４の試料外表面の説明図である。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、応力腐食割れサンプルの作製方法および非破壊試験用試験片に関し、応力腐食割れの割れを非破壊評価するためなどに必要な割れを導入したサンプルを作製するもので、低炭素ステンレス鋼での応力腐食割れのメカニズムを解明し、これに基づき再現性良くサンプルを作製できるようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
ステンレス鋼の中には、使用条件により応力腐食割れを起こすものがあることが知られており、例えば高温高圧高純度水環境中で使用するオーステナイト系ステンレス鋼では、そのメカニズムとして、鋭敏化にともないＣｒ炭化物の析出による粒界近傍のＣｒ濃度の低下により腐食が進行することが知られている。
【０００３】
これを対策するため低炭素ステンレス鋼が開発されているが、この鋭敏化対策材であっても応力腐食割れが起こっており、鋭敏化条件を外した場合の応力腐食割れの発生のメカニズムは明らかになっていないのが現状である。
【０００４】
一方、応力腐食割れが生じる恐れのある環境下で使用する機器の監視技術や非破壊検査技術の向上や高精度化を図ろうとする場合には、実際の応力腐食割れを再現したサンプルが必要となる。
【０００５】
このような応力腐食による割れが入ったサンプルを作製する方法として、例えば特許文献1には、溶接継手の隅肉溶接部に応力腐食割れを導入したサンプルを作製する技術が開示されており、第1の金属材と第２の金属材との接合箇所の隅肉溶接部に、隅肉溶接を跨いだ状態の熱作動部材を一体に固定し、腐食環境における加熱時の熱膨張差により、隅肉溶接部に引っ張り残留応力を付与して応力腐食割れを発生させるようにしている。
【０００６】
また、特許文献２には、インコネルクラッド部に応力腐食割れを形成した試験体を作製する方法（インコネルはインコ社の登録商標）が開示されており、低合金鋼とステンレス鋼とを溶接継手により接続するとともに、低合金鋼の表面に端部が溶接継手の側部と接触するようインコネルクラッドをバタリングして試験体を作製し、この試験体のインコネルクラッドに曲げ応力を生じさせるためインコネルクラッドの表面が凸状の円弧面となるように試験体を曲折させ、かかる状態で試験体を所定の温度および圧力の熱水により煮ることでインコネルクラッドに応力腐食割れを形成するようにしている。
【０００７】
さらに、試験体に応力腐食割れを発生させることに関連する文献として特許文献３，４などがある。
【特許文献１】特開平１１−１７３９５８号公報
【特許文献２】特開平１１−１９２５７９号公報
【特許文献３】特開２０００−３３３３９７号公報
【特許文献４】特開平１０−２２７７８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、従来の応力腐食割れを導入したサンプルを作製する方法では、いずれも低炭素ステンレス鋼については、応力腐食割れの発生メカニズムを解明し、そのメカニズムに基づく条件からサンプルに応力腐食割れを生じさせるようにするものでなく、実機での発生状況とこれまでの高炭素ステンレス鋼の応力腐食割れについての一般的な知見に基づいて条件を定めたり、発生の頻度の高い溶接継手に限ってサンプルを作製するようにしているに過ぎない。
【０００９】
このため、限られた条件や溶接継手に限ってサンプルを作製できるに過ぎないなどの問題がある。
【００１０】
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、低炭素ステンスレス鋼での応力腐食割れのメカニズムを解明した結果に基づき、実機に発生する応力腐食割れを再現性良く導入したサンプルを容易に作製することができる応力腐食割れサンプルの作製方法および非破壊試験用試験片を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記従来技術が有する課題を解決するため、本願発明者らが低炭素ステンレス鋼における応力腐食割れのメカニズムについて鋭意研究を重ねた結果、次のようなメカニズムがあり、熱処理の条件で２つに分類することができることが分かった。
【００１２】
すなわち、通常のステンレス鋼の場合の５００〜８００℃での鋭敏化にともなう粒界近傍のＣｒ濃度の低下により腐食が進行するのと同様に、低炭素ステンレス鋼についても、Ｃｒを含む析出物が析出する場合には、応力腐食割れが発生することが分かった。
【００１３】
特に低炭素ステンレス鋼では、Ｃｒを含む析出物としては、Ｃｒ炭化物は通常のステンレス鋼に比べて非常に少ないが、Ｃｒ炭化物のほか通常のステンレス鋼では問題とならなかったσ相、χ相、ラーベス相の析出によって粒界部分の耐食性が局部的に落ち、応力腐食割れが起こることが分かった。
【００１４】
これにより、低炭素ステンレス鋼では、５００℃以上の温度で熱処理を行い、Ｃｒ炭化物のほかに、σ相、χ相、ラーベス相、Ｇ相といった金属間化合物相のＣｒを含む析出物を析出させるようにすることが応力腐食割れを起こさせるために必要となる。
【００１５】
また、粒界付近でのγ相以外の相（ｂｃｃ系相）とγ相とが共存する場合には、応力腐食割れが誘起されることが分かった。
【００１６】
さらに、加工により導入されたひずみ（溶接による熱ひずみを含む）は短時間の応力腐食割れの発生を可能とすることが分かった。
【００１７】
これにより、２５０℃以上の温度で熱処理を行う場合には、熱処理前に特に変形により母相を双晶変形や粒界付近の母相を局所的に相変態させることや試験片内にひずみを蓄積させることで、粒界付近に熱力学的に不安定な状態を引き起こさせておき、粒界の耐食性を悪くする析出物の析出もしくはγ相以外の相の出現のための活性化エネルギを下げることができ、応力腐食割れを発生させるのに有効となることが分かった。
【００１８】
以上の２つに分類したメカニズムにより、通常耐食性が落ちない粒界付近の耐食性を容易に落とすことができ、このような試験片を腐食環境下におくことで、粒界腐食を起こさせ、応力腐食割れを模擬した割れを導入したサンプルを作製できることが分かり、この発明を完成したもので、その具体的な構成は以下の通りである。
【００１９】
すなわち、この発明の請求項１記載の応力腐食割れサンプルの作製方法は、Ｃ量が０．０２ｗｔ％以下となる低炭素ステンレス鋼およびＮｉ基合金の試験片に応力腐食割れを導入したサンプルを作製するに際し、前記試験片に熱処理によりＣｒを含む析出物を析出させるようにした後、腐食液による腐食環境下で応力腐食割れを発生させるようにしたことを特徴とするものである。
【００２０】
この応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、Ｃ量が０．０２ｗｔ％以下となる低炭素ステンレス鋼およびＮｉ基合金の試験片に応力腐食割れを導入したサンプルを作製するに際し、前記試験片に熱処理によりＣｒを含む析出物を析出させるようにした後、腐食液による腐食環境下で応力腐食割れを発生させるようにしており、低炭素ステンレス鋼やＮｉ基合金であってもＣｒを含む析出物を析出させるようにすることで、粒界部分の耐食性を局部的に落とすことができ、応力腐食割れを発生させることができるようになる。
【００２１】
また、この発明の請求項２記載の応力腐食割れサンプルの作製方法は、請求項1記載の構成に加え、前記熱処理を５００℃以上の温度で行うとともに、Ｃｒを含む析出物として少なくともＣｒ炭化物、σ相、χ相、ラーベス相、Ｇ相といった金属間化合物相のいずれかを析出させるようにしたことを特徴とするものである。
【００２２】
この応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記熱処理を５００℃以上の温度で行うとともに、Ｃｒを含む析出物として少なくともＣｒ炭化物、σ相、χ相、ラーベス相、Ｇ相といった金属間化合物相のいずれかを析出させるようにしており、低炭素ステンレス鋼やＮｉ基合金に対してＣｒを含む析出物として少なくともＣｒ炭化物、σ相、χ相、ラーベス相、Ｇ相といった金属間化合物相のいずれかを析出させることで、粒界部分の耐食性を局部的に落とすことができ、応力腐食割れを発生させることができるようになる。
【００２３】
さらに、この発明の請求項３記載の応力腐食割れサンプルの作製方法は、Ｃ量が０．０２ｗｔ％以下となる低炭素ステンレス鋼およびＮｉ基合金の試験片に応力腐食割れを導入したサンプルを作製するに際し、前記試験片に加工による変形またはひずみを導入するとともに、熱処理により粒界付近にγ相以外の相とγ相とが共存するようにした後、腐食液による腐食環境下で応力腐食割れを発生させるようにしたことを特徴とするものである。
【００２４】
この応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、Ｃ量が０．０２ｗｔ％以下となる低炭素ステンレス鋼およびＮｉ基合金の試験片に応力腐食割れを導入したサンプルを作製するに際し、前記試験片に加工による変形またはひずみを導入するとともに、熱処理により粒界付近にγ相以外の相とγ相とが共存するようにした後、腐食液による腐食環境下で応力腐食割れを発生させるようにしており、粒界付近に熱力学的に不安定な状態を引き起こさせておき、粒界の耐食性を悪くする析出物の析出もしくはγ相以外の相の出現のための活性化エネルギを下げることができ、応力腐食割れを発生させることができるようになる。
【００２５】
また、この発明の請求項４記載の応力腐食割れサンプルの作製方法は、請求項３記載の構成に加え、前記加工による変形またはひずみの導入と熱処理とを、前記試験片の応力腐食割れを導入する部分に局所的なひずみを加え、次いでこの試験片に熱処理を施すことで行うようにしたことを特徴とするものである。
【００２６】
この応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記加工による変形またはひずみの導入と熱処理とを、前記試験片の応力腐食割れを導入する部分に局所的なひずみを加え、次いでこの試験片に熱処理を施すことで行うようにしており、局所的なひずみを加えた部分にのみ応力腐食割れを発生させることができるようになり、任意の場所に応力腐食割れを導入できるようになる。
【００２７】
さらに、この発明の請求項５記載の応力腐食割れサンプルの作製方法は、請求項３記載の構成に加え、前記加工による変形またはひずみの導入と熱処理とを、前記試験片にひずみを加え、次いでこの試験片の応力腐食割れを導入する部分に局所的な熱処理を施すことで行うようにしたことを特徴とするものである。
【００２８】
この応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記加工による変形またはひずみの導入と熱処理とを、前記試験片にひずみを加え、次いでこの試験片の応力腐食割れを導入する部分に局所的な熱処理を施すことで行うようにしており、局所的な熱処理を施した部分にのみ応力腐食割れを発生させることができるようになり、任意の場所に応力腐食割れを導入することができるようになる。
【００２９】
また、この発明の請求項６記載の応力腐食割れサンプルの作製方法は、請求項３〜５のいずれかに記載の構成に加え、前記熱処理を２５０℃以上の温度で行うとともに、この熱処理前に予め加工により母相の双晶変形、粒界付近の母相の局所的な相変態、ひずみの蓄積のいずれかを行うようにしたことを特徴とするものである。
【００３０】
この応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記熱処理を２５０℃以上の温度で行うとともに、この熱処理前に予め加工により母相の双晶変形、粒界付近の母相の局所的な相変態、ひずみの蓄積のいずれかを行うようにしており、熱処理前の加工などで粒界付近に熱力学的に不安定な状態を引き起こさせておき、粒界の耐食性を悪くする析出物の析出もしくはγ相以外の相の出現のための活性化エネルギを下げることができ、応力腐食割れを一層容易に発生させることができるようになる。
【００３１】
さらに、この発明の請求項７記載の応力腐食割れサンプルの作製方法は、請求項１〜６のいずれかに記載の構成に加え、前記腐食液による腐食環境下で前記試験片表面に引っ張り力を加えるようにしたことを特徴とするものである。
【００３２】
この応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記腐食液による腐食環境下で前記試験片表面に引っ張り力を加えるようにしており、引っ張り力により、一層応力腐食割れの進行を促進することができるようになる。
【００３３】
また、この発明の請求項８記載の応力腐食割れサンプルの作製方法は、請求項１〜７のいずれかに記載の構成に加え、前記加工による変形またはひずみの導入と熱処理とを、前記試験片を溶接することにより同時に行うようにしたことを特徴とするものである。
【００３４】
この応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記加工による変形またはひずみの導入と熱処理とを、前記試験片を溶接することにより同時に行うようにしており、溶接することで加工と熱処理を同時に行って応力腐食割れを導入したサンプルを作製できるようになる。
【００３５】
さらに、この発明の請求項９記載の応力腐食割れサンプルの作製方法は、請求項１〜８のいずれかに記載の構成に加え、前記腐食液を、ポリチオン酸、シュウ酸、硫酸含有の酸、塩酸含有の少なくともいずれかの溶液とするようにしたことを特徴とするものである。
【００３６】
この応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記腐食液を、ポリチオン酸、シュウ酸、硫酸含有の酸、塩酸含有の少なくともいずれかの溶液とするようにしており、これらの溶液で腐食環境を作り、応力腐食割れを発生させることができるようになる。
【００３７】
また、この発明の請求項１０記載の非破壊試験用試験片は、前記請求項１〜９のいずれかに記載の応力腐食割れサンプルの作製方法により作製されたことを特徴とするものである。
【００３８】
この非破壊試験用試験片によれば、前記請求項１〜９のいずれかに記載の応力腐食割れサンプルの作製方法により試験片を作製することができ、応力腐食割れを模擬した割れを導入した試験片で非破壊試験を行うことができる。
【発明の効果】
【００３９】
この発明の請求項１記載の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、Ｃ量が０．０２ｗｔ％以下となる低炭素ステンレス鋼およびＮｉ基合金の試験片に応力腐食割れを導入したサンプルを作製するに際し、前記試験片に熱処理によりＣｒを含む析出物を析出させるようにした後、腐食液による腐食環境下で応力腐食割れを発生させるようにしたので、低炭素ステンレス鋼やＮｉ基合金であってもＣｒを含む析出物を析出させることで、粒界部分の耐食性を局部的に落とすことができ、応力腐食割れを発生させることができる。
【００４０】
また、この発明の請求項２記載の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記熱処理を５００℃以上の温度で行うとともに、Ｃｒを含む析出物として少なくともＣｒ炭化物、σ相、χ相、ラーベス相、Ｇ相といった金属間化合物相のいずれかを析出させるようにしたので、低炭素ステンレス鋼やＮｉ基合金に対してＣｒを含む析出物として少なくともＣｒ炭化物、σ相、χ相、ラーベス相、Ｇ相といった金属間化合物相のいずれかを析出させることで、粒界部分の耐食性を局部的に落とすことができ、応力腐食割れを発生させることができる。
【００４１】
さらに、この発明の請求項３記載の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、Ｃ量が０．０２ｗｔ％以下となる低炭素ステンレス鋼およびＮｉ基合金の試験片に応力腐食割れを導入したサンプルを作製するに際し、前記試験片に加工による変形またはひずみを導入するとともに、熱処理により粒界付近にγ相以外の相とγ相とが共存するようにした後、腐食液による腐食環境下で応力腐食割れを発生させるようにしたので、粒界付近に熱力学的に不安定な状態を引き起こさせておき、粒界の耐食性を悪くする析出物の析出もしくはγ相以外の相の出現のための活性化エネルギを下げることができ、応力腐食割れを発生させることができる。
【００４２】
また、この発明の請求項４記載の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記加工による変形またはひずみの導入と熱処理とを、前記試験片の応力腐食割れを導入する部分に局所的なひずみを加え、次いでこの試験片に熱処理を施すことで行うようにしたので、局所的なひずみを加えた部分にのみ応力腐食割れを発生させることができ、任意の場所に応力腐食割れを導入することができる。
【００４３】
さらに、この発明の請求項５記載の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記加工による変形またはひずみの導入と熱処理とを、前記試験片にひずみを加え、次いでこの試験片の応力腐食割れを導入する部分に局所的な熱処理を施すことで行うようにしたので、局所的な熱処理を施した部分にのみ応力腐食割れを発生させることができ、任意の場所に応力腐食割れを導入することができる。
【００４４】
また、この発明の請求項６記載の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記熱処理を２５０℃以上の温度で行うとともに、この熱処理前に予め加工により母相の双晶変形、粒界付近の母相の局所的な相変態、ひずみの蓄積のいずれかを行うようにしたので、比較的低温の場合でも、熱処理前の加工などで粒界付近に熱力学的に不安定な状態を引き起こさせておき、粒界の耐食性を悪くする析出物の析出もしくはγ相以外の相の出現のための活性化エネルギを下げることができ、応力腐食割れを一層容易に発生させることができる。
【００４５】
さらに、この発明の請求項７記載の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記腐食液による腐食環境下で前記試験片表面に引っ張り力を加えるようにしたので、引っ張り力により、一層応力腐食割れの進行を促進することができる。
【００４６】
また、この発明の請求項８記載の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記加工による変形またはひずみの導入と熱処理とを、前記試験片を溶接することにより同時に行うようにしたので、溶接することで加工と熱処理を同時に行って応力腐食割れを導入したサンプルを作製することができる。
【００４７】
さらに、この発明の請求項９記載の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、前記腐食液を、ポリチオン酸、シュウ酸、硫酸含有の酸、塩酸含有の少なくともいずれかの溶液とするようにしたので、これらの溶液で腐食環境を作り、応力腐食割れを発生させることができる。
【００４８】
また、この発明の請求項１０記載の非破壊試験用試験片によれば、前記請求項１〜９のいずれかに記載の応力腐食割れサンプルの作製方法により試験片を作製することができ、応力腐食割れを模擬した割れを導入した試験片で非破壊試験を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、この発明の一実施の形態について詳細に説明する。
この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法では、試験片として鋭敏化対策材であるＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６などの低炭素ステンレス鋼を用い、この試験片に応力腐食割れを導入して応力腐食割れサンプルとするものである。
【００５０】
このような低炭素ステンレス鋼に応力腐食割れを再現する場合には、大きく２つの工程が必要とされ、まず第１の工程は、試験片の粒界付近の耐食性を悪くして腐食を容易にするための工程であり、第２の工程は、耐食性を悪くした試験片を腐食環境下で腐食させて応力腐食割れを発生させる工程である。
【００５１】
このような２つの工程のうち、第１の工程は、通常のステンレス鋼では、５００〜８００℃での鋭敏化にともなう粒界付近のＣｒ濃度の低下により腐食が進行することが知られているが、ここでの試験片として用いる低炭素ステンレス鋼では、このような応力腐食割れが起こるメカニズムは解明されていなかった。
【００５２】
そこで、低炭素ステンレス鋼について、加工熱処理を組み合わせた種々の組織を有する試験片について、応力腐食割れの感受性評価試験を行った。
【００５３】
この低炭素ステンレス鋼の応力腐食割れの感受性評価試験では、例えば、その一部として、供試材にＳＵＳ３１６を用い、均質化熱処理を行って偏析などの影響を排除した後、１０５０℃で３０分溶体化処理を行い、圧下率を１０％、あるいは２０％で冷間圧延し、この試料に、例えば表１および表２に示すように、時効温度と熱処理時間を変えて熱処理を行い、得られた試験片をポリチオン酸溶液の腐食液で腐食した。
なお、ここでは、腐食時間を２４時間、７２時間、１００時間とした。
【００５４】
各腐食時間で試料の割れを観察し、腐食時間にかかわらず割れの発生の有無の結果を表中に示した。表中の○は割れの発生が観察された場合を、△は３０μｍ以下の微小なき裂が観察された場合を、×はき裂が観察されなかった場合をそれぞれ示す。
【００５５】
また、割れやき裂が発生した試料の代表的なものの顕微鏡写真を図１〜図３に示す。
【００５６】
図１は腐食時間が２４時間の場合で、(ａ)は１０％冷間加工、６５０℃１００時間の熱処理を行ったもの、(ｂ)は２０％冷間加工、４００℃１００時間の熱処理を行ったものであり、図２は腐食時間が７２時間の場合で、２０％冷間加工、４００℃１００時間の熱処理を行ったもの(図１(ｂ)の試料の腐食時間を７２時間としたもの)で、いずれも割れが発生している。
【００５７】
また、図３は、腐食時間が１００時間の場合で、(ａ)は１０％冷間加工、４００℃１００時間の熱処理を行ったもの、(ｂ)は２０％冷間加工、４００℃２４時間の熱処理を行ったものであり、非常に小さい割れ（き裂）が生じている。
【表１】
【００５８】
【表２】
【００５９】
このような低炭素ステンレス鋼の応力腐食割れに対する感受性評価試験の結果の一部について説明したように、これら評価試験から次のことが分かった。
【００６０】
すなわち、低炭素ステンレス鋼についてもＣｒ含有相（Ｃｒ炭化物、σ相、Ｇ相、χ相、ラーベス相）が析出する場合は応力腐食割れが起こること。
【００６１】
また、粒界付近でのγ相以外の相(ｂｃｃ系相)とγ相の共存がする場合に応力腐食割れを誘起すること。
【００６２】
さらに、加工により導入されたひずみ(溶接による熱ひずみを含む)は短時間に応力腐食割れを起させること。
【００６３】
このような低炭素ステンレス鋼の応力腐食割れの発生メカニズムにそった試験片の第１の工程としては、熱処理により２つに分けることができる。
【００６４】
１） ５００℃以上の温度で熱処理を行う場合には、Ｃｒを含む析出物（Ｃｒ炭化物、σ相、Ｇ相、χ相、ラーベス相）を析出させる必要がある。
【００６５】
これにより、粒界付近の耐食性を局部的に落とすことができる。
【００６６】
２） ２５０℃以上の温度で熱処理を行う場合には、熱処理前に、特に変形により母相を双晶変形や粒界付近の母相を局所的に相変態をさせることや試料内にひずみを蓄積させる必要がある。
【００６７】
これにより、粒界付近に熱力学的に不安定な状態を引き起こさせておき、粒界の耐食性を悪くする析出物の析出もしくはγ相以外の相出現のための活性化エネルギを下げることができる。
【００６８】
このような第１工程としての加工および熱処理では、試験片の一部分に局所的なひずみを導入し、試験片全体を熱処理するようにしたり、試験片全体にひずみを導入し、試験片の一部分に局所的な熱処理を加えることで、局所的なひずみを導入した部分のみ、あるいは局所的に熱処理を加えた部分のみの耐食性を落とすことができ、これにより、試験片の任意の場所に応力腐食割れを発生させることができる。
【００６９】
この第1工程の具体的な方法としては、次のような操作を挙げることができる。
１） 圧延を行い、その後熱処理を行う。
２） 溶接を行う（熱ひずみの導入と同時に、溶接時の加熱で熱処理を行う）。
３） 高周波による誘導加熱を加えるなど試験片に局所的な熱を加え、他の部分との温度差から熱ひずみを導入する（熱ひずみの導入と同時に、誘導加熱で熱処理を行う）。
４） 試験片に局所的な断面積を変える応力を付加して局所的な変形を起させた後、熱処理を行う。
５） 変形を加えた試験片に部分的な高周波による誘導加熱を加える。
６） 変形を加えた試験片に、部分的にコイルを用いる方法やバーナを用いる方法で加熱する。
【００７０】
この第１工程は、以上のほか、試験片に変形を加えるとともに、その後、あるいは同時に加熱することができれば、変形を加える方法や加熱の方法はどのようなものであっても良い。
【００７１】
このようにして第1工程で粒界の耐食性を落とした試験片を作製した後、第２工程での処理が行われる。
【００７２】
この第２工程では、試験片を腐食環境下で腐食させて応力腐食割れを発生させる工程であり、腐食液を用いた腐食環境下で応力腐食割れを発生させる。
【００７３】
すなわち、腐食液を接触させたり、腐食液中に浸漬して腐食させるほか、必用に応じてさらに表面に引っ張り力を加えるなどの変形を付与しながら腐食させる。
【００７４】
この第２工程に用いる腐食液としては、例えばポリチオン酸、シュウ酸、硫酸含有の酸、塩酸含有の溶液を調整したものを挙げることができ、これらの腐食液を試験片の表面に立てたロートに入れることで試験片表面に接触させるようにしたり、腐食液中に試験片を入れて浸漬するようにする。
【００７５】
この腐食液による腐食時間は、例えば図４に、２０％冷間加工材、１０％冷間加工材、溶接材をそれぞれ４００℃１００時間熱処理した試験片をポリチオン酸溶液に浸漬した場合の腐食時間と割れ深さの関係を示すように、腐食時間が長くなれば割れ深さが深くなることが分かる。
【００７６】
この結果から、腐食時間は試験片の厚さや導入する割れの深さによって変えれば良く、例えば試験片の厚さが０．１〜５００ｍｍである場合には、浸漬時間を１０分〜１年とすることで、１０μｍのごく浅い割れから３００ｍｍの非常に深い割れまでを導入することが可能となる。
【００７７】
このような腐食液による腐食に加え、試験片の表面に引っ張り力を加えた状態で腐食させるようにしても良く、例えば４点曲げ試験機に試験片をセットすることで曲げ変形を加えるようにする。
【００７８】
また、４点曲げに替え、１軸変形を加えるようにしたり、曲げと１軸変形とを組み合せて引っ張り力と圧縮力の中立面の試験片表面からの位置を変えることで、割れの開口量を調整したり、割れの導入深さを調整するようにする。
【００７９】
さらに、管材のようにもともと曲率を持った試験片では、引き伸ばすように引っ張り、曲率内側表面に割れを導入するようにすることもできる。
【００８０】
以上、詳細に説明したように、この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、低炭素ステンレス鋼やＮｉ基合金の試験片に熱処理によりＣｒを含む析出物を析出させるようにした後、腐食液による腐食環境下で応力腐食割れを発生させるようにすることで、低炭素ステンレス鋼やＮｉ基合金であっても、粒界部分の耐食性を局部的に落とすことができ、応力腐食割れを発生させることができる。
【００８１】
また、この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、熱処理を５００℃以上の温度で行うとともに、Ｃｒを含む析出物として少なくともＣｒ炭化物、σ相、χ相、ラーベス相、Ｇ相といった金属間化合物相のいずれかを析出させるようにすることで、粒界部分の耐食性を局部的に落とすことができ、応力腐食割れを発生させることができる。
【００８２】
さらに、この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、低炭素ステンレス鋼やＮｉ基合金の試験片に加工による変形またはひずみを導入するとともに、熱処理により粒界付近にγ相以外の相とγ相とが共存するようにした後、腐食液による腐食環境下で応力腐食割れを発生させるようにすることで、粒界付近に熱力学的に不安定な状態を引き起こさせておき、粒界の耐食性を悪くする析出物の析出もしくはγ相以外の相の出現のための活性化エネルギを下げることができ、応力腐食割れを発生させることができる。
【００８３】
また、この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、試験片の応力腐食割れを導入する部分に局所的なひずみを加え、次いでこの試験片に熱処理を施すことで、局所的なひずみを加えた部分にのみ応力腐食割れを発生させることができ、任意の場所に応力腐食割れを導入することができる。
【００８４】
さらに、この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、試験片にひずみを加え、次いでこの試験片の応力腐食割れを導入する部分に局所的な熱処理を施すことで、局所的な熱処理を施した部分にのみ応力腐食割れを発生させることができ、任意の場所に応力腐食割れを導入することができる。
【００８５】
また、この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、熱処理を２５０℃以上の温度で行うとともに、この熱処理前に予め加工により母相の双晶変形、粒界付近の母相の局所的な相変態、ひずみの蓄積のいずれかを行うことで、比較的低温の場合でも、熱処理前の加工などで粒界付近に熱力学的に不安定な状態を引き起こさせておき、粒界の耐食性を悪くする析出物の析出もしくはγ相以外の相の出現のための活性化エネルギを下げることができ、応力腐食割れを一層容易に発生させることができる。
【００８６】
さらに、この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、腐食液による腐食環境下で試験片表面に引っ張り力を加えるようにすることで、引っ張り力により、一層応力腐食割れの進行を促進することができる。
【００８７】
また、この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、試験片を溶接することで、加工と熱処理を同時に行って応力腐食割れを導入したサンプルを作製することができる。
【００８８】
さらに、この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法によれば、腐食液としてポリチオン酸、シュウ酸、硫酸含有の酸、塩酸含有の少なくともいずれかの溶液とすることで、これらの溶液で腐食環境を作り、応力腐食割れを発生させることができる。
【００８９】
また、この発明の非破壊試験用試験片によれば、上記のいずれかの応力腐食割れサンプルの作製方法で試験片を作製することができ、応力腐食割れを模擬した割れを導入した試験片で非破壊試験を行うことができる。
【００９０】
なお、上記実施の形態では、低炭素ステンレス鋼を主として説明したが、この低炭素ステンレス鋼はＣ量が０．０２ｗｔ％以下のステンレス鋼であるとともに、Ｎｉ基合金にも同様に適用することができる。
【００９１】
次に、この発明の実施例について説明するが、この発明は、これら実施例になんら限定するものでない。
【実施例１】
【００９２】
供試材としてＳＵＳ３１６を用い、１０５０℃で３０分容体化処理を行い、圧下率２０％で冷間圧延を行った。
この試料に、４００℃、１００時間の熱処理を行い、試験片を作製した。
得られた試験片をテトラチオン酸溶液(ＰＨ ２．０)の腐食液で４８時間腐食した。
その結果、試験片の外面に腐食による割れが発生した(図５の変色部参照)。
【実施例２】
【００９３】
供試材としてＳＵＳ３０４を用いた以外、実施例１と同一の条件で試験片の作製および腐食を実施した。
その結果、試験片の外面に腐食による割れが発生した(図５の変色部参照)。
【実施例３】
【００９４】
実施例１と同一の条件で試験片を作製し、得られた試験片に曲げを加えながら腐食させる以外実施例１と同一の条件で腐食を実施した。
その結果、試験片の外面に腐食による割れが発生した(図６の変色部参照)。
【実施例４】
【００９５】
供試材としてＳＵＳ３１６を用い、１０５０℃で３０分容体化処理を行い、溶接して試料とした。
この試料に、４００℃、１００時間の熱処理を行い、試験片を作製した。
得られた試験片を曲げながら実施例１と同一の腐食を実施した。
その結果、試験片の外面に腐食による割れが発生した(図７の変色部参照)。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法の一実施の形態にかかる腐食時間が２４時間の場合の顕微鏡写真で、 (ａ)は１０％冷間加工、６５０℃１００時間の熱処理を行ったもの、(ｂ)は２０％冷間加工、４００℃１００時間の熱処理を行ったものである。
【図２】この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法の一実施の形態にかかる腐食時間が７２時間の場合の顕微鏡写真で、２０％冷間加工、４００℃１００時間の熱処理を行ったものである。
【図３】この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法の一実施の形態にかかる腐食時間が１００時間の場合の顕微鏡写真で、(ａ)は１０％冷間加工、４００℃１００時間の熱処理を行ったもの、(ｂ)は２０％冷間加工、４００℃２４時間の熱処理を行ったものである。
【図４】この発明の応力腐食割れサンプルの作製方法の一実施の形態にかかる２０％冷間加工材、１０％冷間加工材、溶接材をそれぞれ４００℃１００時間熱処理した試験片をポリチオン酸溶液に浸漬した場合の腐食時間と割れ深さの関係を示すグラフである。
【図５】この発明の実施例１および２の試料外表面の説明図である。
【図６】この発明の実施例３の試料外表面の説明図である。
【図７】この発明の実施例４の試料外表面の説明図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ量が０．０２ｗｔ％以下となる低炭素ステンレス鋼およびＮｉ基合金の試験片に応力腐食割れを導入したサンプルを作製するに際し、
前記試験片に熱処理によりＣｒを含む析出物を析出させるようにした後、
腐食液による腐食環境下で応力腐食割れを発生させるようにしたことを特徴とする応力腐食割れサンプルの作製方法。
【請求項２】
前記熱処理を５００℃以上の温度で行うとともに、Ｃｒを含む析出物として少なくともＣｒ炭化物の他に、σ相、χ相、ラーベス相、Ｇ相といった金属間化合物相のいずれかを析出させるようにしたことを特徴とする請求項1記載の応力腐食割れサンプルの作製方法。
【請求項３】
Ｃ量が０．０２ｗｔ％以下となる低炭素ステンレス鋼およびＮｉ基合金の試験片に応力腐食割れを導入したサンプルを作製するに際し、
前記試験片に加工による変形またはひずみを導入するとともに、熱処理により粒界付近にγ相以外の相とγ相とが共存するようにした後、
腐食液による腐食環境下で応力腐食割れを発生させるようにしたことを特徴とする応力腐食割れサンプルの作製方法。
【請求項４】
前記加工による変形またはひずみの導入と熱処理とを、前記試験片の応力腐食割れを導入する部分に局所的なひずみを加え、次いでこの試験片に熱処理を施すことで行うようにしたことを特徴とする請求項３記載の応力腐食割れサンプルの作製方法。
【請求項５】
前記加工による変形またはひずみの導入と熱処理とを、前記試験片にひずみを加え、次いでこの試験片の応力腐食割れを導入する部分に局所的な熱処理を施すことで行うようにしたことを特徴とする請求項３記載の応力腐食割れサンプルの作製方法。
【請求項６】
前記熱処理を２５０℃以上の温度で行うとともに、この熱処理前に予め加工により母相の双晶変形、粒界付近の母相の局所的な相変態、ひずみの蓄積のいずれかを行うようにしたことを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の応力腐食割れサンプルの作製方法。
【請求項７】
前記腐食液による腐食環境下で前記試験片表面に引っ張り力を加えるようにしたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の応力腐食割れサンプルの作製方法。
【請求項８】
前記加工による変形またはひずみの導入と熱処理とを、前記試験片を溶接することにより同時に行うようにしたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の応力腐食割れサンプルの作製方法。
【請求項９】
前記腐食液を、ポリチオン酸、シュウ酸、硫酸含有の酸、塩酸含有の少なくともいずれかの溶液とするようにしたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の応力腐食割れサンプルの作製方法。
【請求項１０】
前記請求項１〜９のいずれかに記載の応力腐食割れサンプルの作製方法により作製されたことを特徴とする非破壊試験用試験片。
【請求項１】
Ｃ量が０．０２ｗｔ％以下となる低炭素ステンレス鋼およびＮｉ基合金の試験片に応力腐食割れを導入したサンプルを作製するに際し、
前記試験片に熱処理によりＣｒを含む析出物を析出させるようにした後、
腐食液による腐食環境下で応力腐食割れを発生させるようにしたことを特徴とする応力腐食割れサンプルの作製方法。
【請求項２】
前記熱処理を５００℃以上の温度で行うとともに、Ｃｒを含む析出物として少なくともＣｒ炭化物の他に、σ相、χ相、ラーベス相、Ｇ相といった金属間化合物相のいずれかを析出させるようにしたことを特徴とする請求項1記載の応力腐食割れサンプルの作製方法。
【請求項３】
Ｃ量が０．０２ｗｔ％以下となる低炭素ステンレス鋼およびＮｉ基合金の試験片に応力腐食割れを導入したサンプルを作製するに際し、
前記試験片に加工による変形またはひずみを導入するとともに、熱処理により粒界付近にγ相以外の相とγ相とが共存するようにした後、
腐食液による腐食環境下で応力腐食割れを発生させるようにしたことを特徴とする応力腐食割れサンプルの作製方法。
【請求項４】
前記加工による変形またはひずみの導入と熱処理とを、前記試験片の応力腐食割れを導入する部分に局所的なひずみを加え、次いでこの試験片に熱処理を施すことで行うようにしたことを特徴とする請求項３記載の応力腐食割れサンプルの作製方法。
【請求項５】
前記加工による変形またはひずみの導入と熱処理とを、前記試験片にひずみを加え、次いでこの試験片の応力腐食割れを導入する部分に局所的な熱処理を施すことで行うようにしたことを特徴とする請求項３記載の応力腐食割れサンプルの作製方法。
【請求項６】
前記熱処理を２５０℃以上の温度で行うとともに、この熱処理前に予め加工により母相の双晶変形、粒界付近の母相の局所的な相変態、ひずみの蓄積のいずれかを行うようにしたことを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の応力腐食割れサンプルの作製方法。
【請求項７】
前記腐食液による腐食環境下で前記試験片表面に引っ張り力を加えるようにしたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の応力腐食割れサンプルの作製方法。
【請求項８】
前記加工による変形またはひずみの導入と熱処理とを、前記試験片を溶接することにより同時に行うようにしたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の応力腐食割れサンプルの作製方法。
【請求項９】
前記腐食液を、ポリチオン酸、シュウ酸、硫酸含有の酸、塩酸含有の少なくともいずれかの溶液とするようにしたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の応力腐食割れサンプルの作製方法。
【請求項１０】
前記請求項１〜９のいずれかに記載の応力腐食割れサンプルの作製方法により作製されたことを特徴とする非破壊試験用試験片。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−１１８８６２（Ｐ２００６−１１８８６２Ａ）
【公開日】平成１８年５月１１日（２００６．５．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３０３７９８（Ｐ２００４−３０３７９８）
【出願日】平成１６年１０月１９日（２００４．１０．１９）
【出願人】（０００００００９９）石川島播磨重工業株式会社 (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月１１日（２００６．５．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月１９日（２００４．１０．１９）
【出願人】（０００００００９９）石川島播磨重工業株式会社 (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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