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クリープ・疲労損傷度の定量評価技術

目的

当社では、実機のクリープや疲労による損傷度評価や余寿命推定を目的として、各種物理解析的手法による損傷度評価技術の開発を行っている。特に「非破壊的」方法としては現地計測を含めたX線回折法を、「破壊的」方法としては実物から切り出した微小サンプルを用いた電子後方散乱回折像法(EBSD法)に着目している。

方法

 種々の耐熱合金(オーステナイト系耐熱鋳鋼、Ni基超合金、フェライト系ステンレス鋼等)について、実験室で試験片に付与したクリープ損傷や低サイクル疲労損傷と物理解析パラメータの変化を計測して余寿命推定用のマスター線図を構築したり、実機から抜き取った部材についてそのパラメータを計測し損傷度の定量的評価を行っている。
 そのための物理解析パラメータとしては、主に X線回折による半価幅や電子後方散乱回折像法(EBSD法)による結晶方位差変化に着目している。また、これに加えて透過電子顕微鏡による転位組織変化の観察なども行って、これらのパラメータ変化の物理的意味も明らかにしている。

試験装置・ソフト

X線回折装置(XRD)
SEM-EBSD
透過電子顕微鏡(TEM)

結果

(1)オーステナイト系ステンレス鋼において、クリープ損傷の増大とともにX線半価幅が単調増加し(図1)、抜管改質管のクリープ損傷度の非破壊評価に半価幅法が適用できる。
(2)オーステナイト系ステンレス鋼において、クリープ損傷の増大とともにEBSDによる方位差が単調増加し(図2)、微小サンプリング法による損傷度評価にEBSD法が適用できる。
(3)クリープだけでなく、熱疲労においても方位差によって損傷度評価が可能である(図3)。
(4)超合金製ガスタービン動翼)においても、使用時間とともに方位差が増加する(図4)。また、クリープ損傷に伴う方位差と時間の関係(マスター曲線)を構築できた(図5)。

お客様の成果

本方法は、石油化学用改質管、ガスタービンや蒸気タービンの動静翼、自動車排気系部材の余寿命評価方法として適用できるとともに、これまでお客様のもとで実施されている他の方法の検証や信頼性向上に活用できる。

イメージ ※クリックすると拡大します。

  • 図1 オーステナイト系耐熱ステンレス鋳鋼(25Cr-35Ni)におけるクリープ変形に伴うX線半価幅の変化
  • 図2 オーステナイト系ステンレス鋼(SUS316)におけるクリープ変形に伴う結晶方位差(GAM)の変化
  • 図3 超合金(U520)における熱疲労損傷にともなう結晶方位幅(GOS)の変化
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