(57)【要約】【課題】試験コストを低減しつつ極低温環境下における材料の脆性き裂伝播停止特性の評価を可能にする脆性き裂伝播停止特性評価方法を提供する。【解決手段】試験片に引張試験を実施することにより前記試験片にき裂を発生させて材料の脆性き裂伝播停止特性を評価する評価方法であって、前記試験片は、評価対象材料からなる供試材と、前記引張試験における引張方向と直交する方向において前記供試材の一端側に溶接され前記供試材よりも低靭性の脆化材と、前記直交する方向において前記供試材の他端側に溶接される補助材とからなり、前記き裂は、前記脆化材において強制的に発生され、前記引張試験における負荷応力は、前記強制的に発生されたき裂が前記供試材において停止するように設定されることを特徴とする脆性き裂伝播停止特性評価方法。【選択図】 図４
2010236930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片に引張試験を実施することにより前記試験片にき裂を発生させて材料の脆性き裂伝播停止特性を評価する評価方法であって、
前記試験片は、評価対象材料からなる供試材と、前記引張試験における引張方向と直交する方向において前記供試材の一端側に溶接され前記供試材よりも低靭性の脆化材と、前記直交する方向において前記供試材の他端側に溶接される補助材とからなり、
前記き裂は、前記脆化材において強制的に発生され、
前記引張試験における負荷応力は、前記強制的に発生されたき裂が前記供試材において停止するように設定されることを特徴とする脆性き裂伝播停止特性評価方法。
【請求項２】
前記試験片の残留応力および前記負荷応力に基づいて数値計算により前記試験片の任意の位置におけるき裂の伝播駆動力を算出し、その算出結果から前記き裂が停止した位置におけるき裂の伝播駆動力を求め、その求めた伝播駆動力を前記供試材の靭性値とすることを特徴とする請求項１記載の脆性き裂伝播停止特性評価方法。
【請求項３】
前記脆化材および前記補助材は、前記供試材においてき裂の成長とともにき裂の伝播駆動力が低下するように前記供試材に溶接されることを特徴とする請求項１または２記載の脆性き裂伝播停止特性評価方法。
【請求項４】
前記脆化材と前記供試材とは、質量％で１．５％〜９％のＮｉを含有するＮｉ系の溶接材料により溶接されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の脆性き裂伝播停止特性評価方法。
【請求項５】
前記引張試験における負荷応力は、下記式（１）を満たすように設定されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の脆性き裂伝播停止特性評価方法。
σｇ＜（０．２４σｙ−６．１）／（０．００００５３σｙ＋０．２９５）・・・(1)
上記式（１）において、σｇは前記負荷応力を示し、σｙは前記脆化材と前記供試材とを接合する溶接材料の室温における降伏応力を示す。
【請求項６】
前記試験片の幅は４００ｍｍ〜６００ｍｍであり、前記脆化材と前記供試材との接合部は、前記き裂が強制的に発生される位置から１３０ｍｍ〜１７０ｍｍの範囲に位置し、前記供試材と前記補助材との接合部は、前記き裂が強制的に発生される位置から３００ｍｍ〜３５０ｍｍの範囲に位置することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の脆性き裂伝播停止特性評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材等の脆性き裂伝播停止特性を評価するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液化天然ガス（ＬＮＧ）等を貯蔵する極低温貯槽タンクにおいて用いられる鋼材には、安全性確保の面から優れた破壊靱性が要求される。ここで、破壊靭性には、所定の初期欠陥に基づいて発生する脆性破壊に対する耐性と、脆性破壊が発生した場合のき裂伝播に対する耐性とが含まれる。この２つの耐性は、互いに関わりはあるものの、基本的には独立したものである。そのため、一方の耐性が要求される耐性を満足したからといって、必ずしも他方の耐性が要求される耐性を満足するものではなく、各耐性についてそれぞれ評価を行う必要がある。
【０００３】
上記の２つの耐性のうち、き裂伝播に対する耐性（以下、脆性き裂伝播停止特性と記す。）の評価においては、鋼材が所定のき裂伝播を停止できることを数値により示すことが必要である。通常、この脆性き裂伝播停止特性は、応力拡大係数（Ｋ値）をパラメータとしてＫｃａという靭性値によって表される。
【０００４】
靭性値Ｋｃａは、一般に、温度勾配型ＥＳＳＯ試験または温度勾配型二重引張試験等によって評価される（例えば、非特許文献１参照）。以下、評価方法の一例として温度勾配型ＥＳＳＯ試験について簡単に説明する。
【０００５】
図１は、温度勾配型ＥＳＳＯ試験の一例を示す図である。図１に示すように、温度勾配型ＥＳＳＯ試験においては、供試材１０（例えば、幅５００ｍｍ程度の大型試験片）の両側に冶具１１が取り付けられ、供試材１０の上端部には切欠１０ａが形成される。また、供試材１０の上部が冷却されるとともに下部が加熱されることにより、供試材１０に所定の温度勾配が付与される。この状態で、冶具１１を引っ張ることにより供試材１０に所定の負荷応力を作用させるとともに、切欠１０ａにくさび１２を打ち込むことにより供試材１０に脆性き裂を強制的に発生させる。
【０００６】
ここで、材料の靭性値Ｋｃａ（き裂伝播停止特性）は温度依存性が大きく、材料の温度が高くなるほど高く、材料の温度が低くなるほど低くなる。温度勾配型ＥＳＳＯ試験は、このような材料の特性を利用した試験である。すなわち、上記の温度勾配型ＥＳＳＯ試験においては、供試材１０の上部側では靭性値Ｋｃａは低くなるが、下部側では靭性値Ｋｃａが高くなる。そのため、供試材１０の上部側では、供試材１０の靭性値Ｋｃａ（き裂伝播停止特性）に対してき裂の伝播駆動力（応力拡大係数）が大きいためき裂は停止しないが、き裂が供試材１０の下部側に伝播することにより、靭性値Ｋｃａとき裂の伝播駆動力との差が徐々に小さくなる。そして、靭性値Ｋｃａとき裂の伝播駆動力とが一致した場合に、き裂が停止する。このような関係を利用して、温度勾配型ＥＳＳＯ試験においては、き裂の停止位置、その位置における供試材１０の温度、および供試材１０の引張応力等に基づいて靭性値Ｋｃａを求めることができる。
【０００７】
ところで、ＬＮＧ貯槽タンクに貯蔵されるＬＮＧの温度は約−１６５℃と極低温であるので、ＬＮＧ貯槽タンクには、９％Ｎｉ鋼等のように、極低温環境下においても高靭性を有する材料が使用されている（以下、特に断らない限り「％」は「質量％」を意味する。）。このような高靭性を有する材料を温度勾配型ＥＳＳＯ試験により評価する場合、脆性き裂を発生させるためには材料の温度を十分に低下させなければならない。しかしながら、９％Ｎｉ鋼等のような高靭性の材料では、約−１９６℃程度（液体窒素を利用して低下させることができる温度）まで温度を低下させても脆性き裂を発生させることは容易ではない。また、材料の温度をさらに低下させるためには、液体水素等を用いなければならず、安全性の点で問題がある。このような問題は、温度勾配型二重引張試験においても同様に生じる。
【０００８】
そこで、このような高靭性材料の靭性値Ｋｃａを評価するための試験として、混成型ＥＳＳＯ試験が提案されている。図２は、混成型ＥＳＳＯ試験の一例を示す図である。
【０００９】
図２に示すように、混成型ＥＳＳＯ試験においては、供試材１０の上側に低靭性の脆化材１３が溶接された混成型ＥＳＳＯ試験用試験片１００（以下、単に試験片１００と略記する。）が用いられる。試験片１００においては、脆化材１３の上端部に切欠１３ａが形成される。供試材１０および脆化材１３の温度は一定に保持されている。この状態で、冶具１１を引っ張ることにより試験片１００に所定の負荷応力を作用させるとともに、切欠１３ａにくさび１２を打ち込むことにより脆化材１３に脆性き裂を強制的に発生させる。
【００１０】
ここで、き裂の伝播駆動力は、き裂長さの増加に従って増加する。上述したように、混成型ＥＳＳＯ試験では、まず、脆化材１３においてき裂が発生するので、そのき裂が供試材１０に到達するまでにき裂の伝播駆動力を十分に大きくすることができる。それにより、供試材１０が高靭性材料である場合でも、脆化材１３において発生したき裂を供試材１０に伝播させることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】「破壊力学と材料強度講座８  脆性破壊２−破壊靭性試験−」、培風館、１９７７、Ｐ３５〜Ｐ４６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記の混成型ＥＳＳＯ試験においても下記のような問題がある。すなわち、混成型ＥＳＳＯ試験においては、供試材１０の温度が一定に保持されるため、供試材１０の靭性値Ｋｃａ（き裂伝播停止特性）は一定になる。ここで、脆化材１３から供試材１０にき裂が伝播するということは、き裂の伝播駆動力が供試材１０の靭性値Ｋｃａよりも大きくなっていることを意味する。この場合、供試材１０の靭性値Ｋｃａが一定であるので、供試材１０においてき裂を停止させることはできない。き裂の伝播駆動力は、供試材１０に作用する負荷応力（引張応力）を調整することにより調整することができるが、き裂の伝播駆動力が供試材１０の靭性値Ｋｃａよりも小さくなると、脆化材１３から供試材１０にき裂が伝播しない。したがって、混成型ＥＳＳＯ試験によって靭性値Ｋｃａを詳細に評価するためには、多数の供試材１０を用意し、それぞれ負荷応力（引張応力）を変化させて試験を行うことにより、き裂が供試材１０に伝播する場合（Ｇｏ）のき裂の伝播駆動力とき裂が供試材１０に伝播しない場合（Ｎｏ‐Ｇｏ）のき裂の伝播駆動力との境界点を見つけなければならない。この場合、試験を多数回行わなければならないので、試験コストが高くなる。
【００１３】
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、試験コストを低減しつつ極低温環境下における材料の脆性き裂伝播停止特性の評価を可能にする脆性き裂伝播停止特性評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、極低温環境下であっても、高靭性材料の脆性き裂伝播停止特性の評価を可能にする評価方法を提供すべく、種々の検討を重ねた。その結果、次の（ａ）〜（ｄ）の知見を得た。
【００１５】
（ａ）極低温において高靭性材料からなる供試材にき裂を発生させるためには、供試材よりも低靭性の脆化材を供試材に溶接し、その脆化材においてき裂を強制的に発生させればよい。
【００１６】
（ｂ）供試材の脆性き裂伝播停止特性の評価において試験コストを低下させるため、すなわち、少ない試験回数で脆性き裂伝播停止特性の評価を行うためには、供試材においてき裂伝播を停止させることができればよい。そのためには、供試材においてき裂の伝播駆動力を低下させる必要がある。供試材においてき裂の伝播駆動力を低下させるためには、供試材に圧縮方向の残留応力（圧縮応力）を発生させる必要がある。供試材に十分な圧縮応力を発生させるためには、供試材を挟むように脆化材および補助材を溶接する必要がある。
【００１７】
（ｃ）供試材の靭性値は、き裂が停止した位置におけるき裂の伝播駆動力に等しいと考えることができる。したがって、供試材の残留応力および引張試験の負荷応力に基づいて数値計算により供試材の任意の位置におけるき裂の伝播駆動力を算出し、その算出結果からき裂が停止した位置におけるき裂の伝播駆動力を求め、その求めた伝播駆動力を供試材の靭性値とすることができる。
【００１８】
（ｄ）供試材においてき裂を確実に低下させるためには、引張試験における負荷応力を適切に調整する必要がある。また、脆化材から供試材にき裂を確実に伝播させるためには、脆化材と供試材とを接合する溶接材を適切に選択する必要がある。また、供試材に適切な圧縮応力を発生させるためには、脆化材と供試材との溶接位置および供試材と補助材との溶接位置を適切に調整する必要がある。
【００１９】
本発明は、上記の知見に基づきなされたものであり、その要旨は、下記の（１）〜（６）の脆性き裂伝播停止特性評価方法にある。
【００２０】
（１）試験片に引張試験を実施することにより前記試験片にき裂を発生させて材料の脆性き裂伝播停止特性を評価する評価方法であって、前記試験片は、評価対象材料からなる供試材と、前記引張試験における引張方向と直交する方向において前記供試材の一端側に溶接され前記供試材よりも低靭性の脆化材と、前記直交する方向において前記供試材の他端側に溶接される補助材とからなり、前記き裂は、前記脆化材において強制的に発生され、前記引張試験における負荷応力は、前記強制的に発生されたき裂が前記供試材において停止するように設定されることを特徴とする脆性き裂伝播停止特性評価方法。
【００２１】
（２）前記試験片の残留応力および前記負荷応力に基づいて数値計算により前記試験片の任意の位置におけるき裂の伝播駆動力を算出し、その算出結果から前記き裂が停止した位置におけるき裂の伝播駆動力を求め、その求めた伝播駆動力を前記供試材の靭性値とすることを特徴とする上記（１）に記載の脆性き裂伝播停止特性評価方法。
【００２２】
（３）前記脆化材および前記補助材は、前記供試材においてき裂の成長とともにき裂の伝播駆動力が低下するように前記供試材に溶接されることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の脆性き裂伝播停止特性評価方法。
【００２３】
（４）前記脆化材と前記供試材とは、質量％で１．５％〜９％のＮｉを含有するＮｉ系の溶接材料により溶接されることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の脆性き裂伝播停止特性評価方法。
【００２４】
（５）前記引張試験における負荷応力は、下記式（１）を満たすように設定されることを特徴とする上記（１）〜（４）に記載の脆性き裂伝播停止特性評価方法。
【００２５】
σｇ＜（０．２４σｙ−６．１）／（０．００００５３σｙ＋０．２９５）・・・(1)
上記式（１）において、σｇは前記負荷応力を示し、σｙは前記脆化材と前記供試材とを接合する溶接材料の室温における降伏応力を示す。
【００２６】
（６）前記試験片の幅は４００ｍｍ〜６００ｍｍであり、前記脆化材と前記供試材との接合部は、前記き裂が強制的に発生される位置から１３０ｍｍ〜１７０ｍｍの範囲に位置し、前記供試材と前記補助材との接合部は、前記き裂が強制的に発生される位置から３００ｍｍ〜３５０ｍｍの範囲に位置することを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の脆性き裂伝播停止特性評価方法。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る脆性き裂伝播停止特性評価方法によれば、試験コストを低減しつつ極低温環境下における材料の脆性き裂伝播停止特性の評価を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】温度勾配型ＥＳＳＯ試験の一例を示す図である。
【図２】混成型ＥＳＳＯ試験の一例を示す図である。
【図３】脆性き裂伝播停止特性評価方法において用いられる試験片を示す図である。
【図４】脆性き裂伝播停止特性評価方法における引張試験を示す図である。
【図５】図３に示す試験片の残留応力の一例を示すグラフである。
【図６】ＦＥＭ解析により算出したき裂の伝播駆動力を示す図である。
【図７】図２に示す試験片の残留応力の一例を示すグラフである。
【図８】ＦＥＭ解析によって算出したき裂の伝播駆動力を示す図である。
【図９】引張試験における負荷応力と供試材におけるき裂の伝播駆動力との関係を示したグラフである。
【図１０】引張試験における負荷応力と供試材におけるき裂の伝播駆動力との関係を示したグラフである。
【図１１】二重引張試験を実施する際に使用される試験片の一例を示す図である。
【図１２】実施例１の試験片におけるき裂の伝播駆動力を示すグラフである。
【図１３】実施例２の試験片におけるき裂の伝播駆動力を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態に係る脆性き裂伝播停止特性評価方法について図面を用いて説明する。
【００３０】
１．脆性き裂伝播停止特性評価方法の概要
まず、脆性き裂伝播停止特性評価方法の概要について説明する。図３は、本実施の形態に係る脆性き裂伝播停止特性評価方法において用いられる試験片を示す図である。また、図４は、本実施の形態に係る脆性き裂伝播停止特性評価方法における引張試験を示す図である。
【００３１】
図３に示すように、本実施の形態において用いられる試験片２０は、供試材１０の上側に脆化材１３が溶接され、供試材１０の下側に補助材１４が溶接された構成を有する。脆化材１３の上端部の中央部には、切欠１３ａが形成されている。
【００３２】
脆化材１３としては、供試材１０よりも低靭性の材料が用いられる。脆化材１３としては、例えば、９％Ｎｉ鋼を７００℃に再加熱したあと炉冷した材料等を用いることができる。補助材１４としては、任意の材料を用いることができ、供試材１０と同一の材料を用いてもよい。供試材１０と脆化材１３とを接合する溶接材料１５としては、降伏応力の高い材料を用いることが好ましく、例えば、３．５％Ｎｉ系の溶接材料を用いることができる。溶接材料１５としてＮｉ系の溶接材料を用いる場合には、Ｎｉ含有量は、１．５％〜９％程度であることが好ましい。供試材１０と補助材１４とを接合する溶接材料１６としては、任意の溶接材料を用いることができ、溶接材料１５と同一の溶接材料を用いてもよい。なお、溶接材料１５，１６としては、脆化材１３、供試材１０および補助材１４よりも熱膨張係数の大きい材料が用いられる。
【００３３】
試験片２０の溶接方法としては任意の溶接方法を用いることができ、例えば、被覆アーク溶接法（ＳＭＡＷ）またはサブマージアーク溶接法（ＳＡＷ）等を用いることができる。溶接時の入熱量は、溶接材料１５，１６の靭性に応じて決定することが好ましいが、入熱量が大きくなり過ぎると靭性の劣化が大きくなるので、通常は０．６〜３．０ｋＪ／ｍｍの範囲で溶接を行うことが好ましい。
【００３４】
試験片２０の幅Ｗは、例えば、４００ｍｍ〜６００ｍｍに設定される。また、試験片２０の幅Ｗが４００ｍｍ〜６００ｍｍに設定され、引張方向における長さＤが５００ｍｍに設定される場合には、脆化材１３の上端と溶接材料１５との間の長さｄ１は、例えば、１３０ｍｍ〜１７０ｍｍに設定され、脆化材１３の上端と溶接材料１６との間の長さｄ２は、例えば、３００ｍｍ〜３５０ｍｍに設定される。
【００３５】
図４に示すように、本実施の形態に係る脆性き裂伝播停止特性評価方法においては、上記の試験片２０を用いて混成型ＥＳＳＯ試験が行われる。具体的には、試験片２０の両側に冶具１１を取り付け、冶具１１を引っ張ることにより試験片２０に所定の負荷応力（引張応力）を作用させるとともに、切欠１３ａにくさび１２を打ち込むことにより脆化材１３に脆性き裂を強制的に発生させる。なお、試験片２０の温度は、一定の値（例えば、−１９６℃）に保持されている。
【００３６】
ここで、本実施の形態においては、図３で説明したように供試材１０の上側および下側に脆化材１３および補助材１４が溶接されているので、脆化材１３において発生したき裂の伝播を供試材１０において停止させることができる。以下、その理由を詳細に説明する。
【００３７】
図５は、試験片２０（図３）の残留応力の一例を示すグラフである。なお、図５には、図３に矢印Ｘで示す方向の応力が示されており、引張応力が正の値で示され、圧縮応力が負の値で示されている。また、図５に示す値は、幅Ｗ（図３参照）および長さＤ（図３参照）が５００ｍｍ、長さｄ１（図３参照）が１５０ｍｍ、長さｄ２（図３参照）が３３０ｍｍである試験片２０の残留応力の実測値である。
【００３８】
図５に示すように、試験片２０の残留応力は、試験片２０の上端からの距離が約１５０ｍｍ前後の部分および約３３０ｍｍ前後の部分において引張応力となり、それ以外の部分では圧縮応力となっている。この結果は、溶接材料１５（図３）および溶接材料１６（図３）では引張応力が発生し、脆化材１３（図３）、供試材１０（図３）および補助材１４（図３）においては圧縮応力が発生していることを示している。
【００３９】
試験片２０の残留応力が図５に示すような値になる理由は、以下の通りである。すなわち、溶接材料１５，１６の熱膨張係数は、脆化材１３、供試材１０および補助材１４の熱膨張係数よりも大きいので、脆化材１３、供試材１０および補助材１４を溶接する際には、溶接時の高熱により溶接材料１５，１６が大きく膨張する。しかし、溶接完了後に試験片２０が冷却されることにより、溶接材料１５，１６は、脆化材１３、供試材１０および補助材１４よりも大きく収縮する。それにより、溶接材料１５，１６により脆化材１３、供試材１０および補助材１４が引っ張られ、脆化材１３、供試材１０および補助材１４に圧縮応力が発生する。一方、溶接材料１５，１６は、脆化材１３、供試材１０および補助材１４により引っ張られるので、溶接材料１５，１６には引張応力が発生する。なお、供試材１０は、溶接材料１５および溶接材料１６により引っ張られるので、供試材１０において発生する圧縮応力は、脆化材１３および補助材１４において発生する圧縮応力よりも大きくなる。
【００４０】
図６は、図５に示した試験片２０の残留応力を考慮してＦＥＭ解析（有限要素法）により算出したき裂の伝播駆動力を示す図である。なお、図６に示す伝播駆動力は、混成型ＥＳＳＯ試験における負荷応力（公称応力）を１００ＭＰａとしたものである。また、図６には、比較のために、通常の供試材に１００ＭＰａの引張応力を発生させた場合（通常のＥＳＳＯ試験）のき裂の伝播駆動力が実線で示されている。この場合のき裂の伝播駆動力は下式（２）に基づいて算出している。
2010236930.tif 000003
なお、上記式（２）において、σは引張応力を示し、ａはき裂長さを示し、Ｗは試験片の幅を示す。
【００４１】
図６に示すように、通常の供試材のＥＳＳＯ試験においては、供試材に残留応力が発生していないため、き裂の伝播駆動力は、き裂長さの平方根に比例して増加する。そのため、供試材の靭性値Ｋｃａが一定である場合には、供試材においてき裂は停止しない。
【００４２】
一方、本実施の形態に係る試験片２０（図３）においては、溶接に基づく残留応力が試験片２０に発生しているため、き裂の伝播駆動力はその残留応力の影響を大きく受ける。具体的には、溶接材料１５，１６においては、引張応力が発生しているのでき裂長さが長くなるのに従ってき裂の伝播駆動力が大きく増加する。しかし、脆化材１３および供試材１０においては圧縮応力が発生しているので、き裂長さが長くなってもき裂の伝播駆動力は大きく増加しない。特に、供試材１０には脆化材１３よりも大きな圧縮応力が発生しているので、供試材１０の所定の領域（図６においては、試験片２０の上端部から約１５０ｍｍ〜２８０ｍｍの領域）では、き裂の伝播駆動力は、き裂長さが長くなるのに従って低下している。したがって、本実施の形態に係る混成型ＥＳＳＯ試験では、供試材１０の上記所定の領域において、き裂の伝播駆動力が供試材１０の靭性値Ｋｃａよりも小さい値まで低下したときに、き裂伝播が停止する。例えば、図６の例において供試材１０の靭性値Ｋｃａが８０ＭＰａ・ｍ１／２である場合には、き裂が試験片２０の上端から約２００ｍｍの位置まで伝播したとき（伝播駆動力が約８０ＭＰａ・ｍ１／２まで低下したとき）に、き裂伝播が停止する。
【００４３】
以上の理論に基づいて、本実施の形態においては、試験片２０の作製時に発生する残留応力を考慮したＦＥＭ解析に基づいてき裂の伝播駆動力を算出し、その算出結果からき裂が停止した位置におけるき裂の伝播駆動力を求め、その求めた伝播駆動力を供試材１０の靭性値Ｋｃａとする。この場合、従来の混成型ＥＳＳＯ試験のように、き裂が供試材１０に伝播する場合（Ｇｏ）のき裂の伝播駆動力とき裂が供試材１０に伝播しない場合（Ｎｏ‐Ｇｏ）のき裂の伝播駆動力との境界点を見つける必要がないので、多数の試験片を用いて試験を行う必要がない。それにより、試験コストを低減することができる。また、供試材１０においてき裂を停止させることができるので、より正確に供試材１０の脆性き裂伝播停止特性を評価することができる。また、低靭性の脆化材１３が設けられているので、極低温環境下においても脆化材１３においてき裂を容易に発生させることができる。
【００４４】
なお、従来の混成型ＥＳＳＯ試験において用いられている試験片１００（図２参照）においても、溶接に基づく残留応力が発生しているが、従来の試験片１００では、供試材１０においてき裂を停止させることはできない。その理由を以下に説明する。
【００４５】
図７は、従来の試験片１００（図２）の残留応力の一例を示すグラフである。また、図８は、図７に示した試験片１００の残留応力に基づいてＦＥＭ解析によって算出したき裂の伝播駆動力を示す図である。なお、試験片１００の寸法は、５００ｍｍ×５００ｍｍとし、脆化材１３（図２）と供試材１０（図２）とは、試験片１００の上端から１５０ｍｍの位置で溶接されているものとした。また、図８に示す伝播駆動力は、図６と同様に、混成型ＥＳＳＯ試験における負荷応力（公称応力）を１００ＭＰａとして計算したものである。
【００４６】
図７に示すように、従来の試験片１００においても、脆化材１３および供試材１０において残留応力（圧縮応力）が発生している。しかし、図５に示した本発明例に比べて、特に試験片１００の上端から１５０ｍｍを超えた領域（すなわち、供試材１０）における残留応力の値が小さい。これは、試験片１００では、供試材１０の下側が溶接材料によって拘束されていないため、供試材１０に十分な残留応力を発生させることができないからである。この場合、図８に示すように、供試材１０において、き裂の伝播駆動力は低下しないので、供試材１０においてき裂伝播を停止させることはできない。
【００４７】
２．引張試験（ＥＳＳＯ試験）における適切な負荷応力の決定方法
上述したように、本発明は、供試材１０（図３）においてき裂の伝播駆動力が低下することを利用したものである。そして、本発明においては、供試材１０の脆性き裂伝播停止特性の評価可能範囲は、き裂の伝播駆動力の低下量に従って決定される。図６の例では、供試材１０においてき裂の伝播駆動力が約１２０ＭＰａ・ｍ１／２から約６０ＭＰａ・ｍ１／２まで低下しているので、供試材１０の靭性値Ｋｃａが約１２０ＭＰａ・ｍ１／２から約６０ＭＰａ・ｍ１／２の間の値である場合に、本発明に係る脆性き裂伝播停止特性評価方法を適用できる。すなわち、図６の例では、脆性き裂伝播停止特性の評価可能範囲が１２０ＭＰａ・ｍ１／２から約６０ＭＰａ・ｍ１／２の間の範囲になる。
【００４８】
ここで、供試材１０におけるき裂の伝播駆動力の低下量は、引張試験（ＥＳＳＯ試験）における負荷応力および溶接材料１５の降伏応力によって決定される。以下、図面を用いて説明する。
【００４９】
図９および図１０は、引張試験における負荷応力と供試材１０におけるき裂の伝播駆動力との関係を示したグラフである。図９および図１０には、供試材１０におけるき裂の伝播駆動力の最大値が評価可能上限値として示され、供試材１０におけるき裂の伝播駆動力の最小値が評価可能下限値として示されている。脆性き裂伝播停止特性の評価可能範囲は、評価可能上限値と評価可能下限値との間の範囲となる。なお、図９は、試験片２０（図３）において５０キロ級鋼（常温での降伏応力：３００ＭＰａ）を溶接材料１５（図３）として用いた場合の関係を示し、図１０は、８０キロ級鋼（常温での降伏応力：６００ＭＰａ）を溶接材料１５として用いた場合の関係を示している。また、図９は、ＦＥＭ解析により求めた値である。
【００５０】
図９および図１０に示すように、脆性き裂伝播停止特性の評価可能範囲は、負荷応力の上昇に従って減少している。これは、負荷応力の上昇に従って、残留応力の駆動力に与える影響が小さくなるからである。そして、負荷応力の値が所定の値（図９では、約２００ＭＰａ）になることにより、評価可能上限値と評価可能下限値とが等しくなり、脆性き裂伝播停止特性の評価可能範囲が０になる。評価可能範囲が０になった場合には、供試材１０においてき裂の伝播駆動力が低下しないので、供試材１０においてき裂伝播を停止することができない。したがって、本発明を有効に利用するためには、評価可能範囲が０よりも大きくなる負荷応力で引張試験を行う必要がある。
【００５１】
ここで、図９および図１０に示すように、評価可能範囲が０になるときの負荷応力（以下、評価可能最大負荷応力と称する。）は、溶接材料１５の降伏応力によって異なる。具体的には、溶接材料１５の降伏応力が大きい場合には、評価可能最大負荷応力も大きくなる。そこで、本発明者らは、溶接材料１５の降伏応力に基づいて引張試験における適切な負荷応力を決定するために、図９および図１０の関係から下記式（１）を導出した。なお、下記式（１）において、σｇは引張試験における負荷応力を示し、σｙは溶接材料１５の室温における降伏応力を示す。
【００５２】
σｇ＜（０．２４σｙ−６．１）／（０．００００５３σｙ＋０．２９５）・・・(1)
上記式（１）を用いることにより、試験実施者は、引張試験における適切な負荷応力を容易に決定することができる。具体的には、試験実施者は、上記式（１）を満たすように溶接材料１５の降伏応力に従って引張試験の負荷応力を決定すればよい。
【００５３】
なお、上記式（１）は、試験実施者の便宜を考慮して本発明者らが導出したものであり、供試材１０においてき裂の伝播駆動力が低下するのであれば、引張試験における負荷応力が上記式（１）を満足していなくてもよい。また、試験環境に応じた溶接材料の降伏応力を考慮して、適切な負荷応力を決定してもよい。
【００５４】
なお、脆性き裂伝播停止特性の評価可能範囲は降伏応力の高い溶接材料１５を用いることにより広くすることができるが、溶接材料１５は、引張試験の実施環境等に応じて適切に決定することが好ましい。すなわち、引張試験の実施環境（例えば、極低温環境）において溶接材料１５が極めて脆性破壊を生じやすい状態にある場合には、き裂が溶接材料１５に進入したときに、溶接材料１５の長手方向（図３に矢印Ｘで示す方向）にき裂が分裂する場合がある。この場合、き裂を供試材１０に伝播させることができなくなり、脆性き裂伝播停止特性の評価を行うことができなくなる。一方、溶接材料１５の靭性が高すぎる場合には、き裂が溶接材料１５において停止する場合がある。この場合にも、き裂を供試材１０に伝播させることができなくなり、脆性き裂伝播停止特性の評価を行うことができなくなる。したがって、溶接材料１５としては、引張試験の実施環境に応じて適切な靭性を有する材料を選択することが好ましい。例えば、供試材１０が９％Ｎｉ鋼である場合には、３．５％Ｎｉ系の溶接材料１５を用いることが好ましい。
【００５５】
３．試験片の適切な寸法
上記のように、本発明は、供試材１０（図３）に適切な残留応力（圧縮応力）を発生させて、供試材１０においてき裂の伝播駆動力を低下させることを特徴とする。したがって、試験片２０（図３）の各寸法は、供試材１０に適切な残留応力が発生するように決定することが好ましい。例えば、試験片２０の幅Ｗ（図３）が４００ｍｍ〜６００ｍｍの場合には、長さｄ１（図３）を１３０ｍｍ〜１７０ｍｍに設定し、長さｄ２（図３）を３００ｍｍ〜３５０ｍｍに設定することが好しい。また、試験片２０の幅Ｗ（図３）が４００ｍｍ〜６００ｍｍの場合には、溶接材料１５と溶接材料１６との間の距離は、１３０ｍｍ〜２２０ｍｍに設定することが好ましい。
【００５６】
なお、試験片２０の寸法は上記の例に限定されず、試験目的等に応じて適宜変更することが可能である。
【００５７】
４．他の実施の形態
上記実施の形態においては、ＦＥＭ解析に基づいてき裂の伝播駆動力を算出しているが、他の数値計算（例えば、境界要素法等）によりき裂の伝播駆動力を算出してもよい。
【００５８】
また、上記実施の形態においては、試験片２０の残留応力を実測しているが、試験片２０の残留応力を数値計算（例えば、有限要素法または境界要素法等）により算出してもよい。
【００５９】
また、上記実施の形態においては、引張試験として混成型ＥＳＳＯ試験を実施する場合について説明したが、引張試験は混成型ＥＳＳＯ試験に限定されず、他の引張試験を実施してもよい。以下、他の引張試験の一例として二重引張試験を実施する場合について簡単に説明する。
【００６０】
図１１は、二重引張試験を実施する際に使用される試験片の一例を示す図である。二重引張試験において使用される試験片２１が、図３の供試材１０と異なるのは以下の点である。すなわち、試験片２１においては、脆化材１３の上部に、被引張部１７が脆化材１３と一体に形成されている。被引張部１７には、切欠孔１７ａが形成されている。
【００６１】
二重引張試験においては、図４と同様に、脆化材１３、供試材１０および補助材１４に冶具１１が取り付けられるとともに、被引張部１７にも他の引張冶具が取り付けられる。そして、その引張冶具により被引張部１７が引っ張られることにより、切欠１７ａからき裂が発生し、冶具１１（図４）により試験片２１が引っ張られることにより、き裂が成長する。この場合にも、上述した試験片２０と同様に、供試材１０においてき裂伝播を停止させることができる。
【実施例】
【００６２】
以下、実施例に基づいて本発明の効果を説明する。
【００６３】
実施例においては、下記の表１に示す化学組成を有する鋼を板厚３５ｍｍに圧延し、その後、焼入れ焼戻し処理を行うことにより鋼板を作製した。その鋼板から、ＪＩＳＺ２２０１に規定される４号試験片およびＪＩＳＺ２２０２に規定されるＶノッチ試験片を採取し、常温での引張試験と−１９６℃におけるシャルピー衝撃試験とを行い、引張強さ（ＴＳ：ＭＰａ）、降伏強さ（ＹＳ：ＭＰａ）および吸収エネルギー（ｖＥ−１９６：Ｊ，３本の平均値）を調べた。その結果を表１に示す。なお、４号試験片は、鋼板の板厚１／４の位置において圧延方向に採取し、Ｖノッチ試験片は、鋼板の板厚１／４の位置において圧延直角方向に採取した。
【００６４】
【表１】
2010236930.tif 000004
【００６５】
上記の鋼板を供試材１０（図３）として、鋼板の圧延方向と引張試験における引張方向とが一致するように、実施例１および実施例２の試験片を作製した。なお、実施例１，２の試験片は、それぞれ図３で説明した供試材１０と同様の構成を有し、幅Ｗ（図３）および引張方向における長さＤ（図３）は５００ｍｍであり、長さｄ１（図３）は１５０ｍｍであり、長さｄ２（図３）は３３０ｍｍである。また、脆化材１３（図３）としては、９％Ｎｉ鋼を７００℃に再加熱し炉冷した材料を用い、補助材１４としては上記の鋼板を用い、溶接材料１５，１６としては、３．５％Ｎｉ系の溶接材料を用いた。
【００６６】
上記の構成を有する実施例１，２の試験片を用いて−１６５℃の環境下で図４で説明した混成型ＥＳＳＯ試験を実施した。なお、実施例１の混成型ＥＳＳＯ試験においては、負荷応力を１３０ＭＰａとし、実施例２の混成型ＥＳＳＯ試験においては、負荷応力を１６０ＭＰａとした。その結果、実施例１においては、試験片の上端から２０５．６ｍｍの位置でき裂伝播が停止し、実施例２においては、試験片の上端から２４９．２ｍｍの位置でき裂伝播が停止した。すなわち、どちらの試験片においても、き裂伝播が供試材１０において停止した。
【００６７】
また、本実施例においては、混成型ＥＳＳＯ試験前の実施例１，２の試験片の残留応力を実測し、その残留応力に基づくＦＥＭ解析によりき裂の伝播駆動力を算出した。算出したき裂の伝播駆動力を図１２および図１３に示す。なお、図１２は、実施例１の試験片の伝播駆動力を示し、図１３は、実施例２の試験片の伝播駆動力を示す。
【００６８】
上述したように、実施例１の混成型ＥＳＳＯ試験においては、試験片の上端位置から２０５．６ｍｍの位置でき裂伝播が停止したので、図１２の結果から、き裂伝播停止位置におけるき裂の伝播駆動力は１０７ＭＰａ・ｍ１／２であったことが分かる。したがって、実施例１の試験片の靭性値Ｋｃａは、１０７ＭＰａ・ｍ１／２であると推定することができる。
【００６９】
また、実施例２の混成型ＥＳＳＯ試験においては、試験片の上端位置から２４９．２ｍｍの位置でき裂伝播が停止したので、図１３の結果から、き裂伝播停止位置におけるき裂の伝播駆動力は１２６ＭＰａ・ｍ１／２であったことが分かる。したがって、実施例２の試験片の靭性値Ｋｃａは、１２６ＭＰａ・ｍ１／２であると推定することができる。
【００７０】
実験結果を下記の表２に示す。以上のことから、本発明によれば、き裂伝播を供試材１０において停止させることが可能であるとともに、き裂伝播停止時のき裂の伝播駆動力をＦＥＭ解析に基づいて算出することにより、供試材１０の靭性値Ｋｃａを評価することができることが分かった。
【００７１】
【表２】
2010236930.tif 000005
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明に係る脆性き裂伝播停止特性評価方法によれば、試験コストを低減しつつ極低温環境下における材料の脆性き裂伝播停止特性の評価を可能にすることができる。
【符号の説明】
【００７３】
１０  供試材
１１  冶具
１２  くさび
１３  脆化材
１３ａ  切欠
１４  補助材
１５，１６  溶接材料
１７  被引張部
１７ａ  切欠孔
２０，２１  試験片
１００  試験片
【図１】
2010236930.tif 000006
【図２】
2010236930.tif 000007
【図３】
2010236930.tif 000008
【図４】
2010236930.tif 000009
【図５】
2010236930.tif 000010
【図６】
2010236930.tif 000011
【図７】
2010236930.tif 000012
【図８】
2010236930.tif 000013
【図９】
2010236930.tif 000014
【図１０】
2010236930.tif 000015
【図１１】
2010236930.tif 000016
【図１２】
2010236930.tif 000017
【図１３】
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