JPS5981552A - 金属材料の機械的性質の変化を電気化学的に測定する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は全極材料の組織変化を電気化学的性質の変化と
して評価する手法に係り、特に該金属材料の分極曲線上
の特性値から組織変化乃至機械的性質の変化を示針的に
測定しうる方法に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 鉄鋼材料をはじめとする金属材料は、その使用目的に応
じて必要な機械的性質を得るべく、種々の熱処理を施し
たうえで使用に供せられる。しかしながら数百度程度の
比較的高温雰囲気で使用される材料にあっては、その温
度Ｓ歴により経時的に当初の機械的性質が劣化していく
という現象が認められる。このような機械的性質の劣化
は、過大な熱応力のくり返しによる熱疲労や、定常応力
によるクリープ変形等に起因する場合が多いが、他方、
長期間にわたって高温に保持されるために生ずる種々の
組織変化に基づく場合もある。この組織変化とけ物理的
現象としての原子拡散による結果であり、具体的には例
えば含有するクロム炭化物の粗大化とそれに伴うクロム
欠乏部分の形成、七メイタイトの析出などである。この
ような組織変化は金属材料の温度ａ歴に応じて比較的遅
い速度で進行するが、数年も経過すると当初の熱処理を
施した状態の組織とは大きく異なるほど顕著に認められ
る場合もある。この組織変化により、金属材料の機械的
性質、例えばクリープ強度や引張強さＦｉ当初に較べて
大きく低下してしまう。

、ところで、このように比較的高温で用いられる場合以
外であっても、上記した温度積属による組織変化が顕著
に見られる場合がある。すなわち、既に熱処理を終えた
金属部材に溶接やロー付けなどを施工Ｌ７た場合、それ
に伴って部材の該画部分は急加熱および急冷されちょう
ど焼入れしたのと同様な組織を呈する。このようなとき
通常は、ひき続き焼戻しすることによって不安定な焼入
れ組織を調整するとともに残留応力を軽減しているが、
例えば、蒸気タービン部品等の大形部材にあっては、運
転中に生じた欠陥部分を溶接補修した場合などに該部材
を工場に搬入Ｉ７て焼戻しを行うことは少なく、現地で
溶接するだけで済ませることが多い。

また、同じく蒸気タービンの低圧段落で用いられる動翼
にロー付けされた硬質金属からなるエロージョン・シー
ルド板が損傷したときには、これを張り替える必要があ
るが、ロー付は後に焼戻し温度まで加熱するとロー材が
軟化するなどの問題もあり、やはりこの場合にも生じた
熱影響に対して何らの手当ても施されない−ことが多い
のである。

かくして上記熱影響を受けた金７１ｊｉ拐料が例えば１
２クロム鋼からなるタービン羽根材の場合、急冷組織は
焼入れマルテンサイト組織を呈する。通常、１２クロム
鋼は靭性が良好な焼戻しマルテンサイト細紐にして使用
ざノ１．るが、上記焼入れマルテンサイトの場合には靭
性が極端に低下して応力腐食割ねを起こしやすくなると
いう問題がある。

以上のとおり、金属材料はそれが用いられる環境あるい
は溶接等により受けた温度籾層によって、その機械的諸
件儒が熱処理施工直後に比して低下するけノ１．ども、
それは金属組織のり化に呼応したものであると云うこと
ができる。かかる金属組織の変化を調べる最も直接的な
手法は顕微欽幇１察や硬さ測定である。これらはいずれ
も簡単でドｊりの少々い方法ではあるが、ハＺ面、測定
用の試験片を採取しなければならないという大きな欠点
がある。

一般に用酔１変化が問題と々るのは埃に使用している部
材についてであるから、試験片の採取は極めて困歎であ
り、したがってこｎｔで上記方法によって実機部材の組
織変化を調べることに殆どなかったのが実１青である。

このようが事情から、試験片を採取せずに据付けられた
部材をそのまま試験片とし、これを用いて電気化学的に
金属組織の変化を測定し金属材料の劣化程度を評価しよ
うとする試みが最近進められている。この電気化学的手
法によれば、他の機械的性質を調べる場合のように大が
かりな試験装置が必要でなく、また上記したように実機
部材をそのま捷試験片として用いることができるので、
機動性に富んだ測定を行うことができる。

このような電気化学的手法には、大きく分けて次の２つ
の方法がある。

（１）分極曲線中の極大値あるいは極小値の電流＠度、
もしくは臨界孔食電位を利用する方法。

（２）　　分極曲線を測定する際に一定電位で掃引方向
を反転し、この逆掃引時の分極曲線と通常の掃引時の分
極曲線を比較する電気化学的再活性化（ＥＰＲ）法。

しかしながら、これらの方法には次のような問題がある
。すなわち上記（１）の方法においては、分極曲線の極
大値および極小値はいずれも測定ごとにバラツキが多い
ためにこれらの値がどの程度試験片の組織を反映してい
るか不明瞭であり、金属材料の劣化程度を判断するパラ
メータとして上記極太値および極小値は不適当である。

また臨界孔食電位を用いる場合も、臨界孔食電位が過不
働態域における電位であるために電解溶液中の溶存酸素
量の影響を受けやすく、試験片が設置された現地での簡
易な測だには適当ではない。

捷た（２）のＢ　Ｉ）　Ｒ法は簡便で優れた方法であり
、ステンレス鋼の鋭敏化度を推定するのにもっばら利用
されているが、それ以外の湯度覆歴にもとづく一般的な
金属組織変化を測定するには適当でない。捷たＥＰ　Ｒ
法では試験片の組成によって、それに応じた電解質浴液
を′ｆＡＭしないと良好な結果が得られないという欠点
がある。

［発明の目的］ 本発明は斜上の点に鑑みなされたもので、供試体が設置
された現地においても十分に容易に供試体の劣化程度を
知ることができる金属材料の組織変化を電気化学的に測
定する方法を提供するものである。

［発明の概要］ 本発明は、分極曲線を得ようとする金属材料を陽極とす
るとともに対極となる陰極を設けて、これら夫々の椿を
電解質溶液中に浸漬し、前記陽極の電位を卑から負方向
へ掃引して前記金属材料のアノード分極曲線を得る方法
により、供試体である金属材料の分極曲線と、供試体と
同一化学組成を有する参照材の分極曲線とを夫々測定し
、これらを比較すること（巳よって金属材料の組織変化
を電気化学的に測定する方法である。上記比較を行うに
あたって使用に供せられる参照材は少なくとも組織か、
あるいは硬さ等の機械的性質が既知でおることを要する
。これは本発明が分極曲線から組縫あるいは機械的性質
としての材質を評価するものだからである。もつとも、
供試体が経年材であって参照材として新月を用い、この
両者のみを比較するのであれば新材である参照材の組織
について格別の知見がなくとも、経年材の組織が新材に
比して変化しているか否かという点については知ること
ができる。さらに、組織変化の程度が異なる複数の参照
材につき分極曲線を得ておけば、供試体の分極曲線がい
ずれのものに最も近いかによって、より定μ的に供試体
の紹わ（について知見をイｕることかできる。このとき
参照材の機械的性質をあらかじめ測定しておけば、供試
体の組織変化のみならず材質劣化についても評価するこ
とができる。

しかしてこのような評価を分４ヶ曲線のいずれの部分に
おいて行うかということにつき、本発明の発明者らはか
ねてより各種熱影響部材の分極曲線を測定して研究を続
けてきたところ、極太値を含む活性態域乃至不働態化域
がこの比較を行うに望ましいという知見を得た。さらに
、合わせて、金属材料中の炭化物の固溶・析出に対応し
て分極曲線に顕著な変化が見られることも判明した。す
なわち、分極曲線中の活性態域における幌犬値とけ別に
さらにもう一つの極太値（２次ピーク）が現れる場合が
あることである。この２次ピークを位における電流密度
値でもって各参照材と供試体の比較を行えば、一層正確
な組織あるいは材質変化についての評価を得ることがで
きる。また、この２次ピークは組織変化が進行すると消
失するという性質があるため、この性質を利用して２次
ピークが存在するか否かで組織変化の程度を簡便に知る
ことも可能である。

［発明の実施例］ 以下に本発明の一実施例を説明する。

なお、本実施例においては試験片として１２クロム鋼か
らなるタービン羽根を用いたが、その化学組成および鍛
造成形後に施した熱処理をそれぞれ第１表、第２表に示
す。

第　１　表 第２表 第１図は本発明を実施するために必要な分極曲線を測定
する装置を示したもので、符号１は試験片となるタービ
ン羽根でおり、このタービン羽根１にガラス電解槽２が
パツキン３を介して固定されている。そして電解槽２に
は分４夕曲線を得るに適した電解質溶液４が漏れないよ
うに満たされており、白金電極５および飽和カロメル電
極６がこの電解質溶液４に浸漬された状態で電解槽２に
ゴム栓７を介して各々取着されている。そうして、これ
ら各電極は電源８に結線されており、これら結線回路中
の陽極であるタービン羽根１と飽和カロメル電極６間に
電圧計９．陰極である白金対極５には電流計１０が接続
されている。なお、ここでは電解質溶液４として０．５
％ＨＢ８０４−１　％ＮａＣ１−０，０１％Ｃ２Ｈ５０
Ｈの混合水溶液を用いた。

次にかかる装置を用いた分極曲線の求め方について述べ
る。分極曲線を測定するにあたり、試験片の被測定表面
な゛　　　　　−エメリー紙Ｎｏ、　１２０　、６００
　、１０００の順に研摩するとともにアセトンで脱脂洗
浄し、第１図に示したように測定系を設置する。これで
測定準備は完了し測定を開始する。

分極曲線の測定は自然電位より行うが、自然電位は溶液
中にＮ極を浸漬しｆｃ直後変動するので、しばらく時間
をおき、自然電位が安定してから分極曲線の測定を開始
する。測定する際の掃引速度は、分極曲線に影響を与え
ないよう５０ｍＶ／ｍｉｎに設定する。なお、本実施例
においては、あらかじめ電解質溶液の脱ガス処理をして
おく必要はなく、また測定温度も常温でよい。

以上の手＋＋ｉで第３表に示す種々の熱影響を与えた試
験片につき分極曲線を測定した。なお、これら試験片の
化学組成は全て菓１表に示したものと同一であり、また
熱影響を与える前に第２表の熱処理を施しであるのも同
じである。

以下余白 第３表 得られた分極曲線を第２′図に示した。同図において１
は試験片の全面が腐食される領域で％１２クロム鋼など
の旨クロム鋼ではマトリックス中の有効クロム量（耐食
性に寄与するクロムの童をいう、以下同じ）が多いほど
、また炭化物の析出が少ないほどこの領域に現れる極大
値の電流密度は低くなる。■は試験片の腐食が不働態皮
膜の形成により抑制される領域、ｌｔｌはクロム炭化物
が腐食し始める領域、■は酸素発生によって電流値が増
加する領域である。

第３図にｉｔ上記分極曲線を測定した試験片Ａ。

メ、Ｃ，Ｅの金属組織を示した。拡大倍率は４０００倍
である。同図中（ａ）は試験片Ａの組織を示しており、
図から明らか外ように焼戻しによる微細な炭化物が多量
に析出している。この炭化物はクロム炭化物として存在
しており、この微細なりロム炭化物の生成によりマトリ
クス中の有効クロム量も少なくなっている。一方、第３
図（ｂ）　（ｃ）Ｖ：ｃそれぞれ試験片Ｃ，Ｅの金属組
織を示すものであるが、これら熱影響を受けた試験片に
おいては、図中黒く点在して見えるように炭化物がマト
リクス中に固溶した状態であることが認められる。そう
して、この炭化物は（ｂ）（Ｃ）を比較して明らかなよ
うに、加熱温度の高い（Ｃ）すなわち試験片Ｅにおいて
より微量となっている。加えてこれら（ｂ）（Ｃ）中に
はクロム炭化物の存在は認められず、したがってマトリ
クス中の有効クロム濃度も試１辣片Ａに較べて高くなっ
ているということができる０ しかるに上記第３図の金ＰＡ絹織と第２図の分極曲線を
対比してみると、第２図中特に領域■における各分極曲
線の電流密度値の相異は、上記炭化物の分布状態とマト
リクス中の有効クロム皺度の違い、およびクロム炭化物
の存在の有無などに基づくものでｐノるということがで
きる。特に、第２図領域Ｉ１１に現れるピーク（領域Ｉ
における極太値に対する童味で、このピークを２次ピー
クという。

以下同じ）のイ（無は、炭化物の析出・分布状況に密接
に関係している。いま、試験片Ａにおいて２次ピーク中
の１を流、密度値が最大となる点の電位なｐとし、この
ｐ点における各試験片の電流密度値と第３表に示した加
熱温度との関係を示したのが第４図である。この図から
も明らかなように、金属組織の性状に多大な影響を与え
る加熱温度と２次ピーク中位における電流密度値には、
一定の相関関係が認められる。

さらに、金属糾綽１の変化に伴う機械的性質の変化すな
わち材質変化を反映するパラメータとして各試験片の硬
さ測定を行ったが、その測定結果と上記２次ピーク中位
における電流密度値の関係を示したのが第５図である。

この第５図においても、第４図の場合と同様に一定の相
関関係が認められる。したがって、この関係にもとづい
て２次ピーク′ば位における電流密度値から、金属材料
の組織変化を定量的に評価することが可能であると云う
ことができる。つ甘り、市、流密変額と組織の状態を表
すバラメークとしての硬さの関係から、組織の状態を間
接的に定量化して知ることができるのである。このよう
に、化学組成が同一の金属材料につき組織を種々変化さ
せた参照材であらかじめ第２図のような複数の分極曲線
からなる〜図を作成しておけば、金属組織が不明の供試
体の組織がどのような状態であるか上記分極曲紳図から
判断することができるのである。そうして、より重量的
に組織変化を把握するには、第５図のような２イ立 次ピーク電灰における電流密度値と硬さの関係を示す曲
線を作成しておい−（、これを利用して供試体の硬さを
求めるようにすればよい。つ捷り、電流密度値から直接
に硬さ等の機械的性質の劣化程度を知ることも可能なわ
けである。このとき、その供試体に要求される限界の硬
さ等が既知であれば、供試体の安全性を判定することも
できる。

また第２図から明らかなように、２次ピークが明瞭に現
れるのは新材である試験片Ａのみである０このような場
合には、簡便に、かかる２次ピークの有鰐によって組織
変化が生じているか否か判定することができる。

なお、上記の説明においては組織変化を示す〕くラメー
タとして硬さを用いたが、この他りリープ強度、引張強
さ等も供試体の用途によってけノくラメータとして適す
る場合がある。

［発明の効果］ 以上のとおり、本発明は供試体と参照材の夫々の分極曲
線を求ぬこれらを比較することによって金属材料の和式
イ１（変化あるいはそねに基づく４７Ｉ賀男化を測定す
る方法であるから、火磯部材から試験片を採取する８璧
がなく据付けたままの状態で部材の組織および材質の変
化を評価することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施する装置の一例を示した図、第２
図は本発明で用いる分極曲線の一例を示す図、第３図は
試験片の組織を４０００倍に拡大して示す顕微鏡絹織写
真図、第４図は２次ピーク中位における電流密度と加熱
温度の関係を示す図、第５図は同じく２次ピーク中位に
おける電流密度と硬さの関係を示す図である。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 第１図 Ｆｉ　　２　　図 ／Ｉ−１ ＠　　イｍ　　Ｅ　　（Ｖｏｔｒ　　ｖｓ　　ｓｃｅ　
）・第３圓 第４図 第５図　−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）被測定用金属材料を陽柘とするとともに対極とな
   る陰極を設けて、これら夫々の極を電解質溶液中に浸漬
   し、前記陽極の電位を卑から貴方向へ掃引して、前記金
   属材料のアノード分極曲線を得る方法により、供試体で
   ある金属材料の分極曲線と、供試体と同一化学組成を肩
   する参照材の分極曲線とを夫々測定し、これらの相異を
   比較することによって金属材料の組織変化を電気化学的
   に測定する方法。 （２）前記比較をするに際し、あらかじめ組織変化の程
   度が既知であってその程度が異なる複数の参照材の分極
   曲線をそれぞれ測定しておき、これらの分極曲線と前記
   供試体の分極曲線を比較することを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の金属材料の組織変化を電気化学的に
   測定する方法。 （８）前記比較は分極曲線の２次ピーク電位における電
   流密度値を用いて行うことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項または第２項記載の金属材料の組織変化を電気化
   学的に測定する方法。 （４）前記比Ｖは分極曲線の２次ピークの有無により行
   うことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の金属材
   料の組織変化を電気化学的に測定する方法。