2018 Fiscal Year Research-status Report
Study on gigacycle fatigue strength of welded metals and crack detection technique
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17K14565
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
直江 崇 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J－PARCセンター, 研究副主幹 (00469826)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 機械材料・材料力学 / ギガサイクル疲労 / 溶接 / 転位 / 繰返し硬化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，パルス核破砕中性子源の標的容器構造材料であるオーステナイト系ステンレス鋼に対して，高ひずみ速度の疲労試験を実施し，実構造物の寿命評価に重要となる溶接部のギガサイクルまでの疲労過程を金属組織の変化に着目し明らかにすると共に，疲労過程で生じる微小き裂が主き裂に移行する過程を非破壊・非接触的に捕らえる手法を開発することを目的としている．研究2年目である平成30年度は，溶接ビードが疲労強度に及ぼす影響について試験片中央部に溶接線を配置したビード付きの板状疲労試験片のギガサイクルまでの疲労データ構築を前年度より継続して実施した．ビード付きの試験片は，疲労き裂の起点となるビードと母材の境界部（止端部）の形状に個体差があるため，ビードを除去した平滑試験片と比較して，疲労強度のばらつきが大きく，疲労限度付近では，応力振幅が同じでも破断回数には3桁程度の開きがあった．
疲労過程で生じる繰返し硬化／軟化について，本研究で対象とする高ひずみ速度，かつ超高サイクルの負荷でも出現することを繰返し負荷後の試験片を用いた硬さ測定や残強度測定により既に確認している．本研究では，繰返し過程で生じる力学特性変化をひずみ速度に着目してその変化を中性子回折法により非破壊的に調査した．その結果，溶体化処理材では，負荷の繰返し数の増加と共に転位密度が上昇するのに対し，冷間圧延材では，圧延により転位が蓄積されているため，初期の転位密度は溶体化処理材と比較して著しく高いが，繰返し負荷により転位密度がわずかに低下した後，再び繰返し数の増加と共に上昇する傾向があることを確認した．これらの転位密度変化は，硬さ等で測定された傾向と一致している．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ギガサイクルまでの疲労強度に及ぼす溶接ビードの影響について調査するために，超音波共振によって短時間で高サイクルの負荷ができる超音波疲労試験法を溶接ビードを有する板状試験片に適用できるように試験片形状を最適化し，順調にギガサイクルまでの疲労データを取得できるようになった．次年度は，母材強度及び溶接方法による疲労強度の違いを比較するための試験を実施する計画である．
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| Strategy for Future Research Activity |
溶接材の疲労強度を測定する過程で，溶接ビードが疲労強度に大きく影響し，またその止端部の形状によるばらつきが大きいことがわかった．TIG溶接材に対する評価を実施したが，近年，入熱量が少なく変形や残留応力の少ない電子ビーム溶接が普及しつつある．当初の計画にはなかったが，溶接方法の違いについても疲労特性の評価を予定している．
金属組織の観点からの評価は，溶接材における繰返し過程における転位密度変化の中性子回折測定を計画しているが，マシンタイムが確保できない可能性もあるので，硬度や残強度などの力学特性測定からの評価も実施していく予定である．
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| Causes of Carryover |
（理由）
試験片の冷却の為に増強する予定であった圧縮空気を生成するコンプレッサーを整備する予定で費用を計上していたが、同等の機能を有する相当品を計上額より安価で入手できたため。
（使用計画）
データのばらつきの大きい溶接疲労試験片の追加製作と金相組織観察用の消耗品の購入を計画している。
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