2021 Fiscal Year Annual Research Report
フェライト系耐熱鋼溶接部の局所クリープ特性評価と組織改質による強度低減の抑制
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20H02466
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
光原 昌寿 九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (10514218)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 高Crフェライト系耐熱鋼 / 溶接継手 / 溶接熱影響部 / クリープ変形 / デジタル画像相関法 / 電子顕微鏡 / 結晶方位解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
火力発電ボイラの主要構成部材である蒸気配管の使用寿命は、わずか数mmほどの幅しかない溶接熱影響部(Heat Affected Zone: HAZ)のクリープ強度によって支配されている。本研究では、多角的組織解析手法によりHAZの微細組織を明確に捉え、デジタル画像相関法(DIC: Digital Image Correlation)と高温クリープ試験法を組み合わせることによりHAZでの局所クリープ変形挙動を直接的に評価する。それらの結果から、HAZのクリープ変形機構・破壊機構の学理を構築する。
本研究では、発電プラント内での多くの使用実績を持つASME規格Grade 91 (代表組成としてFe-0.1C-9Cr-1Mo-0.2V-0.07Nb-0.05N(全てwt.%)、以下ではGr.91鋼と呼称)の溶接継手を試料とした。
2021年度は、2020年度に確立したGr.91鋼溶接継手の定量区分法を、クリープ変形後の試料に応用し、変形中のマルテンサイト組織変化、析出物の分布とサイズ変化、ボイドの集中的な発生箇所と最終的な破断箇所を明確にしつつ、それら組織変化や破壊が生じる材料組織学的ならびに変形理論的背景の考察を行った。その結果として、ボイドの集中的な発生箇所を特定し、それが炭化物の析出密度と密接な関係性を持つことを明らかにした。また、2020年度に確立した高温DICクリープ試験法を用いて、種々の条件でのクリープ試験を実施し、同クリープ変形条件から得られる溶接金属、HAZ、母材部のそれぞれのクリープ曲線を比較した。その結果として、得られるクリープデータは、試験片に含まれる溶接部位の割合や形状に強く依存し、溶接部位に作用する応力状態を詳しく解析する必要があることがわかった。
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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
当初計画において、2021年度には、[1]として、溶接継手の微細組織解析を実施し、特にHAZにおける組織区分法の提案を行うことを目的とした。また、[2]として、高温DICクリープ試験法によるHAZのクリープ変形・損傷理論の確立を目指し、2021年度にはクリープ試験データの取得を進めることとした。
[1]について、HAZ組織の定量的区分法には、走査型電子顕微鏡観察による炭化物の分散状態の定量評価、後方散乱電子回折法によるマルテンサイト組織解析、旧オーステナイト粒再構築法を利用した旧オーステナイト粒径の評価、ビッカース硬さ試験による硬さ変化を複合的に利用することで、粗粒HAZ・細粒HAZ・部分変態域の位置を明確に決定し、さらには、クリープ損傷としてのボイドの集中的な発生箇所が細粒HAZであることを示し、クリープ破壊がその場所を起点として生じることを実験データとともに明確にした。また、結晶粒界上での炭化物の密度が細粒HA Zにおいて大きく減少することを示し、そのこととボイドの生成との因果関係について考察を行った。
[2]について、アルゴン置換が可能なチャンバー内に、耐熱性塗料を付着させたクリープ試験片を設置し、600℃と650℃で60 MPaから220 MPaまで、最長で2000 h程度の高温DICクリープのデータ取得を実施した。また、[1]で明らかにしたとおり、HAZと母材にはクリープ特性の明確な違いがあるが、それぞれの領域から異なるクリープ曲線を抽出し、比較検討することにも成功した。その結果、HAZと母材の体積比やHAZの形状によって、試料全体もしくはHAZにおけるクリープ曲線が大きく変化し、明らかな試験片形状依存性を示すことがわかった。現在は、複数の断面形状を有する試験片を同一溶接継手から作製し、そのクリープ特性の違いについて議論を深めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度の研究成果から、溶接ままと溶接後熱処理を加えた際のHAZの組織区分法を確立し、2021年度に、溶接継手のクリープ試験（中断試験と破断試験）を行った試験体を作製し、その組織評価を実施して、各HAZ領域におけるクリープ変形中のマルテンサイト組織の変化、炭化物の粗大化、ボイドの発生などを詳細に観察して、HAZにおけるクリープ破壊の発生メカニズムを検討した。加えて、2020年度の研究成果から、高温DICクリープ試験法による溶接継手試験体のクリープ変形データの取得が可能になった。2021年度はこの高温DICクリープ試験法を用いて、溶接継手のクリープデータ取得を進め、600℃または650℃で、計13条件、クリープ試験時間にして総計6500時間のデータを取得した。2022年度は、最終年度として、溶接継手におけるクリープ損傷発生機構の研究成果をまとめる。具体的には、高温DICクリープによって、変形中のひずみを正確に見積もった試験材を準備して、そこに発生するボイドの量との関係性を議論する。また、高温DICクリープ試験のデータを拡充するとともに、得られる溶接継手のクリープデータの解釈について、試験片形状の考慮を加え、さらには、微小引張試験法を確立することで、溶接継手の各領域の力学特性の採取を進める。これらの結果から、Gr.91鋼溶接継手におけるクリープ変形の全容を明らかにする。
以上の研究遂行内容は、本研究開始時の実施計画におおむね沿ったものであり、本研究の進捗状況は極めて順調である。
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