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＜学術雑誌論文＞
X線マイクロトモグラフィによる改良 9Cr-1Mo 鋼溶接部におけるクリープボイドの定量評価
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| 概要 | High-chromium ferritic heat resisting steels have been used for structural components at elevated temperature, because of their excellent creep properties. However, it is well known that the creep str...ength of welded joints in these steels decreases with long-term use at high temperature. The creep damage in the welded joints tends to develop preferably in fine-grained HAZ. This type of damage, referred to as TYPE IV damage, is typically initiated by the creep voids nucleation at grain boundaries, following the void growth and coalescence. It was conferred that a void exhibits complex 3D shape characteristic spatial distribution under relatively high stress triaxiality. Among the observation methods for creep damage, the X-ray CT technique has attracted much attention recently. Especially, the X-ray CT based on synchrotron radiation offers high resolution, which enables the detection of the voids of approximately 1μm. In the present study, creep rupture and interrupted tests have been conducted using welded joint specimen. Then, the X-ray micro-tomography at SPring-8 has been conducted to observe creep damage process, the distribution of void nucleation and 3D shape of creep void in the fine-grained HAZ. It is revealed that Coalesce behavior due to the interaction between voids occurs in the local region at the latter stage of creep life. The number density of the voids decrease because the void growth coalesce occur significantly at the latter stage of creep life. The volume fraction of voids monotonically increases along with the life time ratio. It is concluded that the parameter of number density of the voids predict the life time by dangerous side at the latter stage of creep life. On the other hand, it is possible to predict the creep lifetime at the latter stage of creep life with high accuracy. It is indicated the effectiveness of the 3D observation approach on the quantitative evaluation of 3D shape, size and spatial distribution of the TYPE IV damage process. 石炭火力発電プラントにおいて，高効率化・省エネルギーを目的として高温・高圧化が求められている．これらの環境に耐える材料として，クリープ強度と熱的特性に優れる改良9Cr-1Mo 鋼が使用されている．しかしながら，同鋼種の溶接継手の熱影響部(以降で，HAZ と称する.)の細粒域において，ボイドの発生ならびに成長・連結によって進行するタイプIV 損傷が問題となっている．ボイドの個数や面積率等がタイプIV 損傷の進行の程度を示す指標となるため，ボイドの観察結果や予測結果に基づいた余寿命評価が行われている1) 2)3)． HAZ 細粒部は，溶接金属と母材からの変形拘束を受けることで，多軸応力状態となる．そのことが要因となり，ボイドの発生や連結が促進され，クリープ強度が低下すると報告されている4)．この中で，有限要素応力解析とボイドの発生や成長挙動を関連付けた損傷評価が行われている5)6)．また，応力状態と観察結果を基にして，ボイドの数密度やサイズを予測するシミュレーションの開発が盛んに行われている7)8)9)． 上述した評価手法ならびにシミュレーションは，主にクリープ損傷材の2 次元断面からの観察結果に基づき構築されている.ボイドは，クリープ損傷度の増加とともに成長・連結し，3 軸的に粗大なボイドに成長し，その後，タイプIV き裂が形成される．そのため，2 次元観察からは，形状やサイズを過大あるいは過小に見積もる可能性がある．したがって，3 次元観察によって損傷プロセスを正確に捉えることで，寿命評価精度の向上に繋がると考えられる． ところで，ボイドの発生挙動は，損傷初期からタイプIV 破断に至るまで連続的に生じているが，発生と成長・連結の割合は損傷レベルにより異なることが予想される．そのため，タイプIV 損傷によるクリープ寿命を評価する上で，ボイドの数，サイズ，体積率等の定量データを指標とした評価パラメータを決定する必要がある． ボイド観察法の一つとして，ボイドの3 次元的な分布を測定することが可能なX 線マイクロトモグラフィ（以降で，X 線μ-CT と称する．）が注目されている．なかでも，高輝度放射光施設SPring-8 のX 線μ-CT 観察技術は高い分解能を有しており，1μm 程度のボイドを識別できる．また，鉄鋼材料のようにX 線吸収係数の高い材料に対しても適用範囲が拡大されている. 10) 11) 12)．そのため，本研究で対象としている改良9Cr-1Mo 鋼中に生じるボイドのサイズ・形状ならびに空間分布を3 次元的かつ定量的に取得できる観察手法として期待される． 本研究では，改良9Cr-1Mo 鋼溶接継手のHAZ に生じるボイドの発生・成長・連結挙動とクリープ損傷度の関係を明らかにし，クリープ寿命評価における最適なパラメータを提案することを目的とする．そのため，溶接継手材を用いた大型クリープの中断・破断試験と，高輝度放射光施設SPring-8 におけるX 線μ-CT によるボイド観察を行い，ボイドサイズ，形態および空間分布の定量評価を行い，クリープ損傷度との関係性について考察した.続きを見る |
詳細
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| 助成情報 | |
| 登録日 | 2020.12.21 |
| 更新日 | 2021.01.15 |