耐熱鋼の高温損傷評価法
【課題】 焼戻しマルテンサイト鋼等の耐熱鋼についてのクリープ損傷評価を可能とする耐熱鋼の高温損傷評価法を提供するにある。
【解決手段】 焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷評価法として、電子線後方散乱像のパターンクオリティが高くなるほど寿命が短いと評価することを特徴とする。
【解決手段】 焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷評価法として、電子線後方散乱像のパターンクオリティが高くなるほど寿命が短いと評価することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、耐熱鋼の高温損傷評価法に関する。詳しくは、９〜１２重量％Ｃr鋼すなわち焼戻しマルテンサイト鋼についてのクリープ損傷評価に関する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、高温機器に使用されていた耐熱鋼（低合金鋼、焼戻しマルテンサイト鋼等）のクリープ損傷評価法としては、損傷部にクリープ過程で生成した粒界上のクリープキャビティーを評価するＡパラメータ法、析出物の分布状況及び形態変化からクリープ損傷を推定する金属組織学的手法、使用部位からミニチュアクリープ試験片を採取し、任意の応力及び温度で実際にクリープ試験を実施して余寿命を推定する破壊試験法がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術のうち、Ａパラメータ法は焼戻しマルテンサイト鋼ではクリープキャビティーが発生しないために適用できない。金属組織学的手法は、脆性的に破壊する溶接熱影響部のみでしか行われておらず、延性的に破壊する焼戻しマルテンサイト鋼では適用できない。破壊試験は、試験に長時間を要するうえに、高温機器からの材料採取量が多いために適用できる部位が非常に限られている。特に、蒸気タービンロータでは、クリープ損傷が激しい部位からの破壊試験片の採取は困難である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発明は、焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷を少ない材料採取量で、短時間に精度よく評価することができる手法であることを特徴とする。本発明の請求項１に係る耐熱鋼の高温損傷評価法は、焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷評価法として、電子線後方散乱像のパターンクオリティが高くなるほど寿命が短いと評価することを特徴とする。本発明の請求項２に係る耐熱鋼の高温損傷評価法は、焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷評価法として、結晶粒界におけるサブグレインの方位差が大きくなるほど、寿命が短いと評価することを特徴とする本発明の請求項３に係る耐熱鋼の高温損傷評価法は、焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷評価法として、結晶粒界の数が減少すると、寿命が短いと評価することを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】〔実施例１〕マルテンサイト鋼は高温使用中に軟化が生じ、これは粒内のひずみ（転位密度）の減少によるものである。本発明者は、粒内ひずみを評価する手法として、ＳＥＭ（Scanning ElectronMicroscopy；走査型電子顕微鏡）−ＥＢＳＰ（Electron Back-scattering Pattern；電子線後方散乱像）を利用したＱ値（パターンクオリティ）と寿命比ｔ／ｔrとの間によい相関関係があることを見出した。例えば、Ｑ値の平均値と寿命比ｔ／ｔrとの関係は図１に示すように、Ｑ値の平均値が高くなるほど、つまり、転位密度が低くなるほど、寿命比ｔ／ｔrが１に近づくことが認められる。
【０００６】ここで、ＥＢＳＰとは、図４に示すように、走査型電子顕微鏡の真空チャンバー１０内に試料２０を水平方向に対して７０度で傾けて配置し、垂直上方から電子線ａを試料１０に照射した際に形成されるものであり、得られたＥＢＳＰは高感度カメラ３０で撮影され、図示しないコンピュータで画像処理することにより菊池線を識別し結晶方位の数値付けが行われる。ＳＥＭ−ＥＢＳＰ観察は、３ｍｍ×３ｍｍ×１ｍｍ程度の小さい試験片で観察可能である。また、Ｑ値（ＩＱとも表す）とは、結晶方位を求める際に得られる擬菊池パターンの明瞭さの指標であり、言い換えると、ＥＢＳＰの鮮明度のパラメータである。具体的には、試料の擬菊池パターンから結晶方位を求める際にＣＣＤカメラ上の濃淡をＡ／Ｄ変換し、その後に数式処理により数値化したものである。
【０００７】このように求めたＱ値は、転位密度が高いほど低くなり、また、転位密度が低いほど高くなることが知られている。そこで、本実施例では、実機でサンプリングした損傷材からＱ値を測定し、図１のマスターカーブを用いて寿命評価を行った。即ち、Ｑ値の平均値が高くなるほど、寿命比ｔ／ｔrが１に近づくことから、寿命が少なくなったと評価するのである。
【０００８】〔実施例２〕マルテンサイト鋼のクリープ損傷評価として、結晶粒界に注目した例はほとんどない。本発明者は、図２に示すように、サブグレインの方位差と寿命比の間にはよい相関があることを見出した。例えば、図２に示すように、サブグレインの方位差が大きくなると、寿命比ｔ／ｔrが１が近づくことから、寿命が少なくなったと評価するのである。
【０００９】そこで、本実施例では、上記ＳＥＭ−ＥＢＳＰ又は細束Ｘ線を用いた結晶方位測定により、寿命評価を行った。即ち、サブグレインの方位差が大きくなると、寿命比ｔ／ｔrが１が近づくことことから、寿命が少なくなったと評価するのである。尚、サブグレインとは、図５に示すように、結晶粒４０の中に存在する細かな粒界粒５０のことを言う。
【００１０】〔実施例３〕マルテンサイト鋼のクリープ損傷評価として、結晶粒界に注目した例はほとんどない。本発明者は、図３に示すように、クリープ損傷の末期に結晶粒界の数、特にΣ３粒界の数が減少することを見出した。そこで、本実施例では、上記ＳＥＭ−ＥＢＳＰを利用して粒界の方位測定を行い、余寿命評価を行った。即ち、結晶粒界の数、特にΣ３粒界の数が減少すると、寿命が少なくなったと評価するのである。
【００１１】尚、上記実施例１〜３は、焼戻しマルテンサイト鋼に適用したものであったが、本発明はこれに限るものではなく、焼戻しマルテンサイト鋼と同じく高温使用中に軟化が生じるベイナイト鋼（ＣrＭoＶ鋼、２．２５Ｃr鋼）に対しても適用可能である。これにより、ＵＳＣタービン、ボイラなどの高温機器の余寿命評価が可能となる。
【００１２】
【発明の効果】以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本発明の請求項１に係る耐熱鋼の高温損傷評価法は、焼戻しマルテンサイト鋼クリープ損傷評価法として、電子線後方散乱像のパターンクオリティが高くなるほど寿命が短いと評価するので、従来では評価することのできなかった焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷評価が可能となる。また、本発明の請求項２に係る耐熱鋼の高温損傷評価法は、焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷評価法として、結晶粒界におけるサブグレインの方位差が大きくなるほど、寿命が短いと評価するので、従来では評価することのできなかった焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷評価が可能となる。また、本発明の請求項３に係る耐熱鋼の高温損傷評価法は、焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷評価法として、結晶粒界の数が減少すると、寿命が短いと評価するので、従来では評価することのできなかった焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷評価が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｑ値の平均値と寿命比との関係を示すグラフである。
【図２】サブグレインの方位差と寿命比との関係を示すグラフである。
【図３】結晶粒界の数及びΣ３粒界の数と寿命との関係を示すグラフである。
【図４】ＳＥＭ−ＥＢＳＰの説明図である。
【図５】焼戻しマルテンサイト組織中のサブグレインの説明図である。
【符号の説明】
１０ 真空チャンバー
２０ 試料
３０ 高感度カメラ
４０ 結晶粒
５０ サブグレイン
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、耐熱鋼の高温損傷評価法に関する。詳しくは、９〜１２重量％Ｃr鋼すなわち焼戻しマルテンサイト鋼についてのクリープ損傷評価に関する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、高温機器に使用されていた耐熱鋼（低合金鋼、焼戻しマルテンサイト鋼等）のクリープ損傷評価法としては、損傷部にクリープ過程で生成した粒界上のクリープキャビティーを評価するＡパラメータ法、析出物の分布状況及び形態変化からクリープ損傷を推定する金属組織学的手法、使用部位からミニチュアクリープ試験片を採取し、任意の応力及び温度で実際にクリープ試験を実施して余寿命を推定する破壊試験法がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術のうち、Ａパラメータ法は焼戻しマルテンサイト鋼ではクリープキャビティーが発生しないために適用できない。金属組織学的手法は、脆性的に破壊する溶接熱影響部のみでしか行われておらず、延性的に破壊する焼戻しマルテンサイト鋼では適用できない。破壊試験は、試験に長時間を要するうえに、高温機器からの材料採取量が多いために適用できる部位が非常に限られている。特に、蒸気タービンロータでは、クリープ損傷が激しい部位からの破壊試験片の採取は困難である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発明は、焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷を少ない材料採取量で、短時間に精度よく評価することができる手法であることを特徴とする。本発明の請求項１に係る耐熱鋼の高温損傷評価法は、焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷評価法として、電子線後方散乱像のパターンクオリティが高くなるほど寿命が短いと評価することを特徴とする。本発明の請求項２に係る耐熱鋼の高温損傷評価法は、焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷評価法として、結晶粒界におけるサブグレインの方位差が大きくなるほど、寿命が短いと評価することを特徴とする本発明の請求項３に係る耐熱鋼の高温損傷評価法は、焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷評価法として、結晶粒界の数が減少すると、寿命が短いと評価することを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】〔実施例１〕マルテンサイト鋼は高温使用中に軟化が生じ、これは粒内のひずみ（転位密度）の減少によるものである。本発明者は、粒内ひずみを評価する手法として、ＳＥＭ（Scanning ElectronMicroscopy；走査型電子顕微鏡）−ＥＢＳＰ（Electron Back-scattering Pattern；電子線後方散乱像）を利用したＱ値（パターンクオリティ）と寿命比ｔ／ｔrとの間によい相関関係があることを見出した。例えば、Ｑ値の平均値と寿命比ｔ／ｔrとの関係は図１に示すように、Ｑ値の平均値が高くなるほど、つまり、転位密度が低くなるほど、寿命比ｔ／ｔrが１に近づくことが認められる。
【０００６】ここで、ＥＢＳＰとは、図４に示すように、走査型電子顕微鏡の真空チャンバー１０内に試料２０を水平方向に対して７０度で傾けて配置し、垂直上方から電子線ａを試料１０に照射した際に形成されるものであり、得られたＥＢＳＰは高感度カメラ３０で撮影され、図示しないコンピュータで画像処理することにより菊池線を識別し結晶方位の数値付けが行われる。ＳＥＭ−ＥＢＳＰ観察は、３ｍｍ×３ｍｍ×１ｍｍ程度の小さい試験片で観察可能である。また、Ｑ値（ＩＱとも表す）とは、結晶方位を求める際に得られる擬菊池パターンの明瞭さの指標であり、言い換えると、ＥＢＳＰの鮮明度のパラメータである。具体的には、試料の擬菊池パターンから結晶方位を求める際にＣＣＤカメラ上の濃淡をＡ／Ｄ変換し、その後に数式処理により数値化したものである。
【０００７】このように求めたＱ値は、転位密度が高いほど低くなり、また、転位密度が低いほど高くなることが知られている。そこで、本実施例では、実機でサンプリングした損傷材からＱ値を測定し、図１のマスターカーブを用いて寿命評価を行った。即ち、Ｑ値の平均値が高くなるほど、寿命比ｔ／ｔrが１に近づくことから、寿命が少なくなったと評価するのである。
【０００８】〔実施例２〕マルテンサイト鋼のクリープ損傷評価として、結晶粒界に注目した例はほとんどない。本発明者は、図２に示すように、サブグレインの方位差と寿命比の間にはよい相関があることを見出した。例えば、図２に示すように、サブグレインの方位差が大きくなると、寿命比ｔ／ｔrが１が近づくことから、寿命が少なくなったと評価するのである。
【０００９】そこで、本実施例では、上記ＳＥＭ−ＥＢＳＰ又は細束Ｘ線を用いた結晶方位測定により、寿命評価を行った。即ち、サブグレインの方位差が大きくなると、寿命比ｔ／ｔrが１が近づくことことから、寿命が少なくなったと評価するのである。尚、サブグレインとは、図５に示すように、結晶粒４０の中に存在する細かな粒界粒５０のことを言う。
【００１０】〔実施例３〕マルテンサイト鋼のクリープ損傷評価として、結晶粒界に注目した例はほとんどない。本発明者は、図３に示すように、クリープ損傷の末期に結晶粒界の数、特にΣ３粒界の数が減少することを見出した。そこで、本実施例では、上記ＳＥＭ−ＥＢＳＰを利用して粒界の方位測定を行い、余寿命評価を行った。即ち、結晶粒界の数、特にΣ３粒界の数が減少すると、寿命が少なくなったと評価するのである。
【００１１】尚、上記実施例１〜３は、焼戻しマルテンサイト鋼に適用したものであったが、本発明はこれに限るものではなく、焼戻しマルテンサイト鋼と同じく高温使用中に軟化が生じるベイナイト鋼（ＣrＭoＶ鋼、２．２５Ｃr鋼）に対しても適用可能である。これにより、ＵＳＣタービン、ボイラなどの高温機器の余寿命評価が可能となる。
【００１２】
【発明の効果】以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本発明の請求項１に係る耐熱鋼の高温損傷評価法は、焼戻しマルテンサイト鋼クリープ損傷評価法として、電子線後方散乱像のパターンクオリティが高くなるほど寿命が短いと評価するので、従来では評価することのできなかった焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷評価が可能となる。また、本発明の請求項２に係る耐熱鋼の高温損傷評価法は、焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷評価法として、結晶粒界におけるサブグレインの方位差が大きくなるほど、寿命が短いと評価するので、従来では評価することのできなかった焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷評価が可能となる。また、本発明の請求項３に係る耐熱鋼の高温損傷評価法は、焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷評価法として、結晶粒界の数が減少すると、寿命が短いと評価するので、従来では評価することのできなかった焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷評価が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｑ値の平均値と寿命比との関係を示すグラフである。
【図２】サブグレインの方位差と寿命比との関係を示すグラフである。
【図３】結晶粒界の数及びΣ３粒界の数と寿命との関係を示すグラフである。
【図４】ＳＥＭ−ＥＢＳＰの説明図である。
【図５】焼戻しマルテンサイト組織中のサブグレインの説明図である。
【符号の説明】
１０ 真空チャンバー
２０ 試料
３０ 高感度カメラ
４０ 結晶粒
５０ サブグレイン
【特許請求の範囲】
【請求項１】 焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷評価法として、電子線後方散乱像のパターンクオリティが高くなるほど寿命が短いと評価することを特徴とする耐熱鋼の高温損傷評価法。
【請求項２】 焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷評価法として、結晶粒界におけるサブグレインの方位差が大きくなるほど、寿命が短いと評価することを特徴とする耐熱鋼の高温損傷評価法
【請求項３】 焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷評価法として、結晶粒界の数が減少すると、寿命が短いと評価することを特徴とする耐熱鋼の高温損傷評価法。
【請求項１】 焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷評価法として、電子線後方散乱像のパターンクオリティが高くなるほど寿命が短いと評価することを特徴とする耐熱鋼の高温損傷評価法。
【請求項２】 焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷評価法として、結晶粒界におけるサブグレインの方位差が大きくなるほど、寿命が短いと評価することを特徴とする耐熱鋼の高温損傷評価法
【請求項３】 焼戻しマルテンサイト鋼のクリープ損傷評価法として、結晶粒界の数が減少すると、寿命が短いと評価することを特徴とする耐熱鋼の高温損傷評価法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００３−１８５６０３（Ｐ２００３−１８５６０３Ａ）
【公開日】平成１５年７月３日（２００３．７．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００１−３８２７５９（Ｐ２００１−３８２７５９）
【出願日】平成１３年１２月１７日（２００１．１２．１７）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１５年７月３日（２００３．７．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１３年１２月１７日（２００１．１２．１７）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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