JPH0142381B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属材料の寿命予知方法に関する。特
に、硬さの測定と電気抵抗法とを併用して、高温
環境下で荷重を受ける金属材料の寿命を予知する
方法に関する。

従来、室温において疲労させた材料の損傷率を
硬さの測定によつて診断する方法は知られてい
る。しかし、高温環境下で使用される蒸気タービ
ンや原子力発電プラントの部材の如き金属材料に
ついては寿命予知方法はない。特に、このような
高温環境下での金属材料は、疲労のみならずクリ
ープも受ける。従来、このようにクリープと疲労
を一緒に受ける場合の寿命予知方法はなかつた。

上記事情に鑑み、本発明者らは金属材料の破壊
過程が結晶変形並びに炭化物の凝集・粗大化に基
くものであり、ビツカース硬さは結晶変形に敏感
であり、一方電気抵抗法は炭化物の凝集・粗大化
並びにマトリクス成分の変化に敏感である事に着
目し、クリープ・疲労相互作用を受けた金属材料
の構造変化を硬さの測定並びに電気抵抗法により
評価する事により高温環境下での金属材料の余寿
命を予知する方法を提供せんとして本発明に到達
したのである。

本発明の目的は、高温環境下で荷重を受ける金
属材料の寿命予知方法を提供するにある。

本発明は、高温環境下で荷重を受ける金属材料
の寿命を予知する方法において、該金属材料のビ
ツカース硬さと電気抵抗とを求める工程、既知の
ビツカース硬さと応力繰返し疲労試験による疲労
破壊回数に対する応力繰返し数の比によつて算出
される疲労寿命消費率との関係に基づいて前記求
められたビツカース硬さに対応する疲労寿命消費
率を推定する工程、既知の電気抵抗値とクリープ
試験によるクリープ変形量との関係に基づいて前
記求められた電気抵抗値に対応するクリープ変形
量を推定する工程、既知の応力とクリープ変形量
及びクリープ時間との関係を示す線図に基づいて
前記推定されたクリープ変形量から前記金属材料
の使用温度及び時間に対応する応力を推定する工
程、既知の電気抵抗値とクリープ試験によるクリ
ープ破断時間に対するクリープ時間の比によつて
算出されるクリープ寿命消費率との関係に基づい
て前記推定された応力と前記使用温度及び時間に
対応するクリープ寿命消費率を推定する工程、既
知の疲労寿命消費率とクリープ寿命消費率との関
係に基づいて表わされる被害曲線図に前記推定さ
れる疲労寿命消費率とクリープ寿命消費率をプロ
ツトし、該プロツトした点と前記被害曲線との関
係に基づいて前記金属材料の余寿命を推定する工
程を含むことを特徴とする金属材料の寿命予知方
法にある。

本発明は、高温環境下で荷重を受ける金属材料
のビツカース硬さと電気抵抗とを測定して得たパ
ラメータを用いて寿命を予知するものである。

この場合、ビツカース硬さを測定して疲労被害
を検出し、電気抵抗を用いてクリープ被害を検出
する事によつて、疲労とクリープとが重畳した場
合の寿命を予知できる。更に、既知のビツカース
硬さと疲労寿命消費率との関係に基いて疲労被害
を検出し、一方既知の電気抵抗とクリープ変形量
との関係に基いてクリープ変形量を推定し、該推
定クリープ変形量から既知の応力とクリープとの
関係を示すクリープ曲線を用いて加えられてい
た。応力を推定すると共に、クリープ寿命消費率
を推定し、前記ビツカース硬さから推定した疲労
寿命消費率と前記電気抵抗から推定したクリープ
寿命消費率とを既知の疲労とクリープとが重畳し
た場合の被害曲線に適合させる事によつて損傷を
検出し、これにより余寿命を推定するものであ
る。

以下、本発明につき具体的に説明する。

初めに疲労被害の検出法について述べる。ビツ
カース硬さは結晶内部の転位密度や微視的格子歪
と関係しており焼なまし状態では極めて小さく、
塑性変形を受けてそれらの格子欠陥が増大すると
増す。疲労変形の場合も同様で、疲労過程中のビ
ツカース硬さは例えば焼なまし材の場合には第１
図の様に増大する。図には応力の大きさに応じて
３段階で示したが、応力振巾が高い順（σ₁＞σ₂＞
σ₃）で増加速度も早くなつている。しかしビツカ
ース硬さを破断繰返し数Nfに対する応力繰返し
数Ｎの比Ｎ／Nfとの相関で見てみると、第２図
の如く斜線を施す程度のばらつきはあるが、ほぼ
１本の線で表わす事ができる。

一方、予加工材つまり予め塑性変形を加えて硬
さを増大させておいた材料を疲労させるビツカー
ス硬さは第３図の如く上記Ｎ／Nfに対して単調
に減少する。従つて、種々の熱処理条件や加工条
件によつて第２，３図の如きビツカース硬さ変化
のマスター曲線を作成しておけば応力繰返し数Ｎ
を記録しておいてビツカース硬さを測定する事に
よつて余寿命Nrを推定できる。或いは、測定ま
での繰返し数が不明でもビツカース硬さを２回計
測すればその間の繰返し数もわかるので、これに
よつても余寿命を推定できる。

第４図にはこの様な手法に基く余寿命推定法を
示す。図示の例は焼なまし材でのマスター曲線を
用いたものである。運転開始後繰返し数N₁がわ
かつている時点でのビツカース硬さがHv₁であれ
ば、ビツカース硬さ変化のマスター曲線によりそ
の時の疲労寿命消費率φf₁（＝N₁／Nf）がわかる。
よつて、余寿命Nr＝Nf−N₁は Nr＝Nf１−φf₁／φf₁ …(1) で与えられる。繰返し数N₁が不明な場合でもビ
ツカース硬さを２回計測して余寿命を知る事がで
きる。つまり、ビツカース硬さHv₁の時点の後、
更に繰返し数N₂＝N₁＋Ｎまで疲労させて該時点
のビツカース硬さHv₂を測定すれば、その時の
φf₂が求まり、且つその間の繰返し数はＮである
事がわかつているので、余寿命Nr′は次式で与え
られる。

Nr′＝Ｎ１−φf₂／φf₂−φf₁ …(2) 第２，３図の如きマスター曲線を腐食環境、高
温環境などの実機環境下で作成しておけば該環境
下での構造部材の寿命も上記と全く同様にして予
知できる。

次に、クリープに基づく損傷による寿命の予知
方法について述べる。

クリープ中の電気抵抗は焼なまし材の場合には
第５図の様に低下する。図には応力の大きさに応
じて３段階で示したが、負荷応力が高い順（σ₁＞
σ₂＞σ₃）で減少速度も早くなる。しかし、電気抵
抗をクリープによつて破断に至るまでの時間t_fに
対するクリープ時間ｔの比ｔ／t_fとの相関でみる
と、第６図に示した様に斜線を施して示すばらつ
きの範囲内でほぼ１本の線で表わす事ができる。

上記に示した様に使用温度で測定される抵抗率
変化は炭化物反応に依存している。したがつて電
気抵抗法は炭化物反応及びそれに伴なう機械的性
質を検出するのに有効である。クリープ伸びの小
さい第１〜２次クリープ領域内では炭化物反応は
それほど促進されないが、第３次クリープ域にお
いては十分析出が促進される。それは界面エネル
ギーを減少させるため小さな炭化物がより大きな
炭化物に食われる凝集・粗大化現象やM₃C→
M₂₃C₆の様な炭化物の組成変化現象が起る事を意
味している。

炭化物の分布状態や形状は鋼の強度や靭性を決
める大きな要因であつて、使用中における炭化物
の形状変化に伴なう材料の機械的性質の劣化が電
気抵抗法によつて診断できる。

炭化物の凝集・粗大化とクリープ変形量との間
には第７図に示す様な関係がある。この場合クリ
ープ変形量は加熱温度、時間、負荷応力がそれぞ
れ高く、或いは長くなれば殆んど大きくなるもの
である。従つて、電気抵抗を測定する事によつて
炭化物反応が求められるわけであつて、これに基
き、クリープのマスター曲線を予め作成しておい
た上でクリープ時間ｔを記録し、改めて電気抵抗
を測定する事によつて余寿命t_rを推定できる。ク
リープ時間ｔが不明な場合には２回電気抵抗を測
定し、両測定間の時間を知つておけば余寿命t_rを
推定できる。

この手法に従う余寿命推定法を第８図に示す。
運転開始後t₁時間での電気抵抗がP₁であれば、電
気抵抗とクリープ時間比の関係のマスター曲線ａ
からクリープ時間比が求まる。このクリープ時間
比を予め得ておいて実機と同じ温度下で得られた
種々の応力における電気抵抗を表わすクリープ曲
線ｂに適用し、この電気抵抗P₁とクリープ時間t₁
との交点から応力を推定する。この様にして得ら
れた応力がσ₂であれば、余寿命t_rは、t_r＝t_f−t₁で
与えられる。

運転時間t₁が不明の場合には上記の様な測定の
後ｔ時間使用後に同様な測定を行なう。ｔ時間後
の電気抵抗がP₂で、クリープ時間比がt₂／t_fと求
まつた場合、第８図のグラフｂに破線で示した曲
線の様に電気抵抗の変化傾向が一致するクリープ
曲線を推定して、電気抵抗がP₂の時の運転時間t₂
と、応力σ₁とσ₂の内挿から運転中の応力σ′を推定
し、これによつて余寿命t_r′をt_r′＝t_f−t₂にて求め
る事ができる。

以上、高温疲労とクリープとの場合を各々につ
いて説明したが、次に高温疲労とクリープとが重
畳した場合の余寿命診断について説明する。この
時の手順は第９図に示す。クリープ被害は電気抵
抗により検出し、疲労被害は硬さの測定により検
出するものとする。クリープ被害については前述
した通りまず第９図ａのマスター曲線によりクリ
ープ時間比を求め、このクリープ時間比に基き同
図ｂより余寿命t_rを求め、これによつてクリープ
寿命消費率φc＝ｔ／t_fを求める。一方、ビツカー
ス硬さHvにより同図ｃに示すマスター曲線を用
いて疲労被害に対する余寿命Nrを求める。これ
によつて寿命消費率φf＝Ｎ／Nfを求める双方の
寿命消費率φc，φfを得た段階で予め実験室で求
めておいた疲労とクリープとの重畳下における被
害曲線に両方の値を適用させ、全体の被害を検出
して余寿命を推定する。第９図ｄがその被害曲線
を示すと共に両方の寿命消費率φc，φfの適用を
示す。

この最後の操作つまり被害曲線を用いて寿命を
推定する方法の詳細を第１０図を用いて説明す
る。運転開始後運転時間ｔ及び繰返し数Ｎを記録
しておく。定期点検時にビツカース硬さHvと電
気抵抗Ｐとを測定してこれらの値から各々疲労被
害、クリープ被害に基く被害度φf，φcを推定す
る。ここまでは上記説明した通りである。次に、
各被害度φf，φcを被害曲線上にプロツトする。
即ちφf＝m′，φc＝m″とすれば、第１０図上の点
ｍが被害点となる。原点ｌと被害点ｍとを直線で
結び、更に被害曲線まで延長して被害曲線との交
点をｎとする。ｌからｍに至るに要した時間は
ｔ，繰返し数はＮであるので、余寿命は t_r＝ｔmn／lmまたはNr＝Ｎmn／lm と表わせる。

運転開始からの時間ｔや繰返し数Ｎが不明の場
合には更に運転を継続して次の定期点検時にビツ
カース硬さHvと電気抵抗Ｐとを測定して各々２
つのデータを得ておくと共に両定期点検間の運転
時間ｔ及び繰返し数Ｎを記録する事によつて余寿
命を求める事ができる。第１０図上で２回目の点
検時における被害点を０とし、１回目の被害点ｍ
とを結ぶ直線と被害曲線との交点をｎとするとこ
ろの場合の余寿命は t_r′＝tm₀・on／moまたはN_r′＝N_n0・on／mo t_r′：被害点０からｎまでの時間 tm₀：ｍ点から０点までの時間 N_r′：０点からｎ点までの繰返し数 N_n0：ｍ点から０点までの繰返し数 となる。

ｍ点から運転条件が変わり疲労被害のみが加わ
る様になつた場合にはｍ点からφf軸に平行に直
線を引いた被害曲線との交点Ｐを求め、両点ｍ，
Ｐからφf軸に降した点を各々m′，P′とすれば、
余寿命は Nr＝Ｎ・m′P′／lm′ t_r：ｍからｎまでの時間 ｔ：ｌからｎまでの時間 Nr：ｍからｎまでの繰返し数 Ｎ：ｌからｍまでの繰返し数 で表わされる。

ｍ点からクリープ被害のみが加わる様になる場
合は同様にし縦軸に関してm″，q′点を求め、こ
の時余寿命t_rを次式で得る。

t_r＝ｔ・m″q′／lm″ 疲労とクリープとが継続して加わるが、ｍ点か
ら運転モードが変わるなどして条件が変つた場合
には次の様にして求める。運転時間ｔと繰返し数
Ｎを記録して、ビツカース硬さと電気抵抗とを測
定し、既に説明した手順と同様にして被害度を求
める。この時被害点が図のｒ点にきたとすれば、
直線mrの延長線と被害曲線の交点をＳとして、
余寿命は Nr＝Ｎrs／mrまたはTr＝Ｔrs／mr と求まるのである。

以上の寿命予知法の手順をフロ−図で示したの
が第１１図である。この図を用いて手順を略述す
る。運転を開始すると運転条件である温度、時
間、繰返し数を記録する。定期点検時に破損の恐
れのある部分のビツカース硬さを測定して疲労寿
命消費率φfを求める。φfの求め方は第１０図に
説明した通りである。同時に電気抵抗Ｐを測定し
てクリープ時間比を推定し、クリープ寿命消費率
φcを求める。寿命消費率φf，φcを被害曲線に適
用して余寿命を評価し、余寿命t_r，Nrが共に十
分大きい場合には運転を継続し、余寿命t_rまたは
Nrが小さいと判断された場合には運転を停止し、
補習または部品の取替を行なう。

上記詳述した様に、本発明の方法は高温環境下
で荷重を受ける金属材料のビツカース硬さや電気
抵抗などのパラメータを得、これに基いて疲労被
害やクリープ被害が重畳した場合等の余寿命を推
定する事ができるものであり、破損等による事故
を未然に防ぐ事ができるなど実際上誠に有利な効
果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は焼なまし材の疲労過程中のビツカース
硬さ変化を示す図、第２図はビツカース硬さを応
力繰返し数比で整理した図、第３図は予加工材の
ビツカース硬さを応力繰返し数比で整理した図、
第４図はビツカース硬さで疲労寿命を推定する方
法の一例を示す図、第５図は焼なまし材のクリー
プ過程中の電気抵抗変化を示す図、第６図は電気
抵抗をクリープ時間比で整理した図、第７図な焼
なまし材のクリープ過程中の炭化物の凝集・粗大
化を示す図、第８図はクリープ被害を検出する方
法の一例を示す図、第９図ａ，ｂ，ｃ，ｄ第１０
図及び第１１図は各々疲労とクリープとが重畳し
た場合の被害を検出する手順を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 高温環境下で荷重を受ける金属材料の寿命を
   予知する方法において、該金属材料のビツカース
   硬さと電気抵抗とを求める工程、既知のビツカー
   ス硬さと応力繰返し疲労試験による疲労破壊回数
   に対する応力繰返し数の比によつて算出される疲
   労寿命消費率との関係に基づいて前記求められた
   ビツカース硬さに対応する疲労寿命消費率を推定
   する工程、既知の電気抵抗値とクリープ試験によ
   るクリープ変形量との関係に基づいて前記求めら
   れた電気抵抗値に対応するクリープ変形量を推定
   する工程、既知の応力とクリープ変形量及びクリ
   ープ時間との関係を示す線図に基づいて前記推定
   されたクリープ変形量から前記金属材料の使用温
   度及び時間に対応する応力を推定する工程、既知
   の電気抵抗値とクリープ試験によるクリープ破断
   時間に対するクリープ時間の比によつて算出され
   るクリープ寿命消費率との関係に基づいて前記推
   定された応力と前記使用温度及び時間に対応する
   クリープ寿命消費率を推定する工程、既知の疲労
   寿命消費率とクリープ寿命消費率との関係に基づ
   いて表わされる被害曲線図に前記推定された疲労
   寿命消費率とクリープ寿命消費率をプロツトし、
   該プロツトした点と前記被害曲線との関係に基づ
   いて前記金属材料の余寿命を推定する工程を含む
   ことを特徴とする金属材料の寿命予知方法。