(57)【要約】【課題】簡易に精度良く金属材料の応力腐食割れ性を評価できる応力腐食割れ試験用試験体を提供することである。【解決手段】応力腐食割れ試験用試験体１０は、筒状に形成された筒体１２と、筒体の筒内に嵌合される軸体１４と、を備え、筒体１２及び軸体１４の少なくとも一方が応力腐食割れ性を評価する金属材料で形成されており、筒体１２と軸体１４とは冷やし嵌めまたは焼き嵌めで嵌合されている。【選択図】図１
2014115243.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料の応力腐食割れ性を評価する応力腐食割れ試験用試験体であって、
筒状に形成される筒体と、
前記筒体の筒内に嵌合される軸体と、
を備え、
前記筒体または前記軸体は、応力腐食割れ性を評価する金属材料で形成されており、
前記筒体と前記軸体とは、冷やし嵌めまたは焼き嵌めで嵌合されていることを特徴とする応力腐食割れ試験用試験体。
【請求項２】
請求項１に記載の応力腐食割れ試験用試験体であって、
前記軸体は、前記筒体における長手方向の少なくとも一端から突出していることを特徴とする応力腐食割れ試験用試験体。
【請求項３】
請求項１または２に記載の応力腐食割れ試験用試験体であって、
前記筒体が応力腐食割れ性を評価する金属材料で形成されており、
前記筒体は、軸受材で形成されていることを特徴とする応力腐食割れ試験用試験体。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１つに記載の応力腐食割れ試験用試験体であって、
前記筒体が応力腐食割れ性を評価する金属材料で形成されており、
前記筒体は、室温の引張破壊強度が１８００ＭＰａ以上の金属材料で形成されていることを特徴とする応力腐食割れ試験用試験体。
【請求項５】
請求項４に記載の応力腐食割れ試験用試験体であって、
前記筒体は、マルテンサイトステンレス鋼で形成されており、
前記筒体の周方向の最大フープ応力が、０ＭＰａより大きく４００ＭＰａ以下であることを特徴とする応力腐食割れ試験用試験体。
【請求項６】
請求項１に記載の応力腐食割れ試験用試験体であって、
前記軸体は、第１の中空金属軸と、第２の中空金属軸と、前記第１の中空金属軸と前記第２の中空金属軸とが軸方向に突き合わされて周方向溶接された溶接部と、を有し、
前記第１の中空金属軸と前記第２の中空金属軸とは、応力腐食割れ性を評価する金属材料で形成されており、
前記筒体は、前記溶接部に嵌合されていることを特徴とする応力腐食割れ試験用試験体。
【請求項７】
金属材料の応力腐食割れ性を評価する応力腐食割れ試験用試験体の製造方法であって、
筒体を形成する筒体形成工程と、
軸体を形成する軸体形成工程と、
前記筒体の筒内に前記軸体を嵌合させる嵌合工程と、
を備え、
前記筒体または前記軸体は、応力腐食割れ性を評価する金属材料で形成されており、
前記嵌合工程は、前記筒体と前記軸体とを冷やし嵌めまたは焼き嵌めで嵌合させることを特徴とする応力腐食割れ試験用試験体の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の応力腐食割れ試験用試験体の製造方法であって、
前記筒体形成工程は、前記筒体を応力腐食割れ性を評価する金属材料で形成し、
前記筒体の内径と前記軸体の外径との差である締め代を変えて、前記筒体の周方向のフープ応力を調整することを特徴とする応力腐食割れ試験用試験体の製造方法。
【請求項９】
請求項７に記載の応力腐食割れ試験用試験体の製造方法であって、
前記軸体形成工程は、前記軸体が、第１の中空金属軸と第２の中空金属軸とを軸方向に突き合わせて周方向溶接して形成されると共に、前記第１の中空金属軸と前記第２の中空金属軸とを応力腐食割れ性を評価する金属材料で形成し、
前記筒体の内径と前記軸体の外径との差である締め代を変えて、前記周方向溶接された溶接部における軸方向の引張応力を調整することを特徴とする応力腐食割れ試験用試験体の製造方法。
【請求項１０】
金属材料の応力腐食割れ性を評価する応力腐食割れ試験装置であって、
腐食液を貯めた試験槽と、
前記試験槽内に配置され、前記腐食液に浸漬させた照合電極と、
前記試験槽内に配置され、前記腐食液に浸漬させた請求項１から６のいずれか１つに記載の応力腐食割れ試験用試験体と、前記照合電極との電位差を計測する電位計測器と、
を備え、
前記電位計測器は、前記応力腐食割れ試験用試験体における応力腐食割れ性を評価する金属材料で形成された筒体または軸体と電気的に接続されていることを特徴とする応力腐食割れ試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、応力腐食割れ試験用試験体及びその製造方法並びに応力腐食割れ試験装置に係り、特に、金属材料の応力腐食割れ性を評価するための応力腐食割れ試験用試験体及びその製造方法並びに応力腐食割れ試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料の応力腐食割れ（ＳＣＣ）は、材料因子、力学的因子及び環境因子の３つの因子の組み合わせで発生することが一般的に知られている。金属材料の応力腐食割れ性を評価する試験法として、定荷重試験法、定ひずみ試験法等が採用されている。
【０００３】
定荷重試験法は、ダンベル型試験片や丸棒試験片を試験機に装着し荷重を負荷することにより、腐食環境に曝露させた状態で試験片に応力もしくはひずみを付与する試験法である。また、定ひずみ試験法は、例えば、短冊状試験片をＵ字型に曲げてボルトで固定することによって、腐食環境に曝露させた状態で試験片に応力もしくはひずみを付与する試験法である。
【０００４】
特許文献１には、丸棒引張試験片を用いてＮＡＣＥ  ＴＭ−０１７７  Ｍｅｔｈｏｄ−Ａに規定される定荷重タイプの応力腐食割れ試験を実施することが記載されている。また、特許文献２には、Ｕ字型試験片を用いてＪＩＳ  Ｇ  ０５７６の「Ｕ字曲げ試験」に準じて応力腐食割れ性を評価することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１７２７３９号公報
【特許文献２】特開２００４−１２２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、定荷重試験法の場合には、ダンベル型試験片や丸棒試験片に荷重を負荷する荷重負荷機構が必要になるため試験装置が複雑で大掛かりになる可能性がある。一方、定ひずみ試験法の場合には、例えば、短冊状試験片を曲げてボルトで固定することから、試験中にボルトが緩み試験精度が低下する場合がある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、より簡易に精度良く金属材料の応力腐食割れ性を評価できる応力腐食割れ試験用試験体及びその製造方法並びに応力腐食割れ試験装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る応力腐食割れ試験用試験体は、金属材料の応力腐食割れ性を評価する応力腐食割れ試験用試験体であって、筒状に形成される筒体と、前記筒体の筒内に嵌合される軸体と、を備え、前記筒体または前記軸体は、応力腐食割れ性を評価する金属材料で形成されており、前記筒体と前記軸体とは、冷やし嵌めまたは焼き嵌めで嵌合されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る応力腐食割れ試験用試験体において、前記軸体は、前記筒体における長手方向の少なくとも一端から突出していることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る応力腐食割れ試験用試験体は、前記筒体が応力腐食割れ性を評価する金属材料で形成されており、前記筒体は、軸受材で形成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る応力腐食割れ試験用試験体は、前記筒体が応力腐食割れ性を評価する金属材料で形成されており、前記筒体は、室温の引張破壊強度が１８００ＭＰａ以上の金属材料で形成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る応力腐食割れ試験用試験体において、前記筒体は、マルテンサイトステンレス鋼で形成されており、前記筒体の周方向の最大フープ応力が、０ＭＰａより大きく４００ＭＰａ以下であることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る応力腐食割れ試験用試験体において、前記軸体は、第１の中空金属軸と、第２の中空金属軸と、前記第１の中空金属軸と前記第２の中空金属軸とが軸方向に突き合わされて周方向溶接された溶接部と、を有し、前記第１の中空金属軸と前記第２の中空金属軸とは、応力腐食割れ性を評価する金属材料で形成されており、前記筒体は、前記溶接部に嵌合されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る応力腐食割れ試験用試験体の製造方法は、金属材料の応力腐食割れ性を評価する応力腐食割れ試験用試験体の製造方法であって、筒体を形成する筒体形成工程と、軸体を形成する軸体形成工程と、前記筒体の筒内に前記軸体を嵌合させる嵌合工程と、を備え、前記筒体または前記軸体は、応力腐食割れ性を評価する金属材料で形成されており、前記嵌合工程は、前記筒体と前記軸体とを冷やし嵌めまたは焼き嵌めで嵌合させることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る応力腐食割れ試験用試験体の製造方法において、前記筒体形成工程は、前記筒体を応力腐食割れ性を評価する金属材料で形成し、前記筒体の内径と前記軸体の外径との差である締め代を変えて、前記筒体の周方向のフープ応力を調整することを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る応力腐食割れ試験用試験体の製造方法において、前記軸体形成工程は、前記軸体が、第１の中空金属軸と第２の中空金属軸とを軸方向に突き合わせて周方向溶接して形成されると共に、前記第１の中空金属軸と前記第２の中空金属軸とを応力腐食割れ性を評価する金属材料で形成し、前記筒体の内径と前記軸体の外径との差である締め代を変えて、前記周方向溶接された溶接部における軸方向の引張応力を調整することを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る応力腐食割れ試験装置は、金属材料の応力腐食割れ性を評価する応力腐食割れ試験装置であって、腐食液を貯めた試験槽と、前記試験槽内に配置され、前記腐食液に浸漬させた照合電極と、前記試験槽内に配置され、前記腐食液に浸漬させた請求項１から６のいずれか１つに記載の応力腐食割れ試験用試験体と、前記照合電極との電位差を計測する電位計測器と、を備え、前記電位計測器は、前記応力腐食割れ試験用試験体における応力腐食割れ性を評価する金属材料で形成された筒体または軸体と電気的に接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
上記構成によれば、応力腐食割れ試験用試験体は、筒体と軸体とが冷やし嵌めまたは焼き嵌めで嵌合されていることにより、筒体には周方向にフープ応力（周方向の引張応力）が作用し、軸体には筒体と嵌合する部位の軸方向に引張応力が作用するので、応力腐食割れ試験用試験体に荷重を負荷する荷重負荷機構が不要になり、より簡易に応力腐食割れ性を評価することが可能になる。
【００１９】
また、筒体と軸体とが冷やし嵌めまたは焼き嵌めで嵌合されていることにより、応力腐食割れ試験用試験体をボルトや治具等で固定して引張応力を負荷する必要がないので、応力腐食割れ試験の試験精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態において、応力腐食割れ試験用試験体の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態において、軸体が筒体の長手方向の一端のみから突出した応力腐食割れ試験用試験体の構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態において、軸体が筒体の長手方向の両端から突出していない応力腐食割れ試験用試験体の構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態において、応力腐食割れ試験用試験体の製造方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態において、筒体と軸体との嵌合方法を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態において、他の応力腐食割れ試験用試験体の構成を示す斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態において、他の応力腐食割れ試験用試験体の製造方法を示すフローチャートである。
【図８】本発明の実施の形態において、筒体と軸体との嵌合方法を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態において、応力腐食割れ試験装置の構成を示す模式図である。
【図１０】本発明の実施の形態において、腐食液に浸漬させた応力腐食割れ試験用試験体の電位を測定したグラフである。
【図１１】本発明の実施の形態において、円筒体の最大フープ応力が３３０ＭＰａの応力腐食割れ試験用試験体における応力腐食割れ試験後の外観観察結果を示す写真である。
【図１２】本発明の実施の形態において、ＡＩＳＩ４４０Ｃ製円筒体、ＸＤ１５ＮＷ製円筒体、Ｃｒｏｎｉｄｕｒ３０製円筒体の各円筒体を有する応力腐食割れ試験用試験体の応力割れ試験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、応力腐食割れ試験用試験体１０の構成を示す斜視図である。
【００２２】
応力腐食割れ試験用試験体１０は、筒状に形成された筒体１２と、筒体１２の筒内に嵌合された軸体１４と、を備えている。応力腐食割れ試験用試験体１０では、筒体１２が応力腐食割れ性を評価する金属材料で形成されている。
【００２３】
筒体１２は、円筒状等に形成されており、軸体１４と冷やし嵌めまたは焼き嵌めで嵌合されている。筒体１２の周方向にはフープ応力（周方向の引張応力）が作用するので、応力腐食割れ試験用試験体１０を腐食環境に曝露したとき応力腐食割れ性の評価が可能となる。
【００２４】
筒体１２は、応力腐食割れ性を評価する金属材料で形成されており、例えば、ステンレス鋼（マルテンサイトステンレス鋼、オーステナイトステンレス鋼、フェライトステンレス鋼）、炭素鋼、合金鋼、アルミニウム合金、チタン合金等で形成されている。
【００２５】
筒体１２を軸受材で形成することにより、軸受材の応力腐食割れ性を精度良く評価することができる。転がり軸受等の軸受では、軸受内輪が軸体に焼き嵌め等で締結されている。そのため軸受内輪には、軸受内輪の周方向にフープ応力が作用している。応力腐食割れ試験用試験体１０では、軸受内輪に作用するフープ応力の応力形態を模擬できるので、軸受材の応力腐食割れ性を精度良く評価することができる。軸受材には、例えば、高炭素クロム軸受鋼、モリブデンを含む高速度鋼等の耐熱軸受鋼、ステンレス鋼等の耐食軸受鋼、液体水素ターボポンプ用軸受等の極低温で使用されるマルテンサイトステンレス鋼（ＡＩＳＩ４４０Ｃ）等が用いられる。
【００２６】
また、筒体１２を高強度金属材料で形成することにより、高強度金属材料の応力腐食割れ性を精度良く評価することができる。高強度金属材料とは、例えば、室温の引張破壊強度が１８００ＭＰａ以上の金属材料である。
【００２７】
応力腐食割れは金属材料の引張破壊強度より小さい引張応力（例えば、金属材料の弾性限度内の引張応力）で発生するので、応力腐食割れ試験を行う際には金属材料の引張破壊強度より小さい引張応力が負荷される。高強度金属材料の応力腐食割れ性をダンベル型試験片や丸棒試験片等の単軸（一軸）方向に引張応力を負荷させる試験片で評価する場合には、試験片評定部の断面積が極端に小さくなりすぎるので、応力腐食割れ性を精度良く評価できない場合がある。
【００２８】
応力腐食割れ試験用試験体１０では、単軸（一軸）方向の引張応力ではなく筒体１２の周方向にフープ応力を作用させており、フープ応力の大きさが後述する締め代に基づいて調節されるので、応力腐食割れ試験用試験体１０のサイズをより大きくすることが可能であり、応力腐食割れ試験の信頼性がより向上する。
【００２９】
更に、筒体１２を高強度金属材料からなる軸受材で形成することにより、高強度金属材料からなる軸受材の応力腐食割れ性を精度良く評価することができる。高強度金属材料からなる軸受材には、例えば、ＡＩＳＩ４４０Ｃ、ＸＤ１５ＮＷ、Ｃｒｏｎｉｄｕｒ３０等のマルテンサイトステンレス鋼がある。
【００３０】
これらのマルテンサイトステンレス鋼は、いずれも室温の引張破壊強度が１８００ＭＰａ以上の高強度金属材料である。後述する実施例のように、筒体１２をこれらのマルテンサイトステンレス鋼で形成し、筒体１２の周方向のフープ応力を０ＭＰａより大きく４００ＭＰａ以下、例えば、２００ＭＰａ以上４００ＭＰａ以下の低い応力レベルとした場合でも、応力腐食割れ性を精度良く評価することができる。
【００３１】
軸体１４は、筒体１２の筒内に嵌合されており、円柱状等の中実軸状または円筒状等の中空軸状で形成されている。筒体１２の内周面と圧接する軸体１４の外周面には圧縮力が負荷されることから、軸体１４は、強度剛性を高めるために中実軸状に形成されていることが好ましい。
【００３２】
軸体１４は、例えば、金属材料やセラミックス等で形成されている。軸体１４を金属材料で形成する場合には、応力腐食割れ試験を行う腐食環境で応力腐食割れを生じ難い金属材料を用いることが好ましい。セラミックスには、例えば、窒化ケイ素等が用いられる。
【００３３】
軸体１４は、筒体１２の長手方向の一端から他端まで嵌合されている。軸体１４は、筒体１２の長手方向の両端から突出して嵌合されていてもよいし、筒体１２における長手方向の一端のみから突出して形成されていてもよいし、筒体１２の長手方向の両端から突出させないで形成されていてもよい。
【００３４】
図２は、軸体１４が筒体１２の長手方向の一端のみから突出した応力腐食割れ試験用試験体１０ａの構成を示す斜視図であり、図３は、軸体１４が筒体１２の長手方向の両端から突出していない応力腐食割れ試験用試験体１０ｂの構成を示す斜視図である。
【００３５】
応力腐食割れ試験用試験体１０、１０ａのように軸体１４を筒体１２の長手方向の両端の少なくとも一方から突出させることにより、例えば、応力腐食割れ試験用試験体１０、１０ａを試験槽等にセットするときに軸体１４を把持すればよいので取扱性が向上する。また、軸体１４における筒体１２から突出した部位に、応力腐食割れ試験用試験体１０、１０ａを識別するためのマーキングを施すことも可能である。
【００３６】
応力腐食割れ試験用試験体１０ｂのように軸体１４を筒体１２の長手方向の両端から突出させないようにすることにより、応力腐食割れ試験用試験体１０ｂのサイズをよりコンパクトにできるので、一度により多くの応力腐食割れ試験用試験体１０ｂを試験槽等に収容して効率よく試験することが可能となる。
【００３７】
次に、応力腐食割れ試験用試験体１０の製造方法について説明する。図４は、応力腐食割れ試験用試験体１０の製造方法を示すフローチャートである。図５は、筒体１２と軸体１４との嵌合方法を示す断面図であり、図５（ａ）は、筒体１２と軸体１４との嵌合前の状態を示す断面図であり、図５（ｂ）は、筒体１２と軸体１４との嵌合後の状態を示す断面図である。
【００３８】
応力腐食割れ試験用試験体１０の製造方法は、筒体１２を形成する筒体形成工程（Ｓ１０）と、軸体１４を形成する軸体形成工程（Ｓ１２）と、筒体１２と軸体１４とを嵌合する嵌合工程（Ｓ１４）と、を備えている。
【００３９】
筒体形成工程（Ｓ１０）は、筒状の筒体１２を形成する工程である。筒体１２は、上述した応力腐食割れ性を評価する金属材料を用いて切削加工や塑性加工等で形成される。筒体１２の外径Ａは、例えば、３０ｍｍから４０ｍｍであり、筒体１２の内径Ｂは、例えば、２０ｍｍから３０ｍｍである。また、筒体１２の長手方向の幅Ｃは、例えば、２０ｍｍから３０ｍｍである。
【００４０】
軸体形成工程（Ｓ１２）は、筒体１２の筒内に嵌合される軸体１４を形成する工程である。軸体１４を金属材料で形成する場合には、軸体１４は、一般的な金属材料の切削加工や塑性加工等で形成される。軸体１４をセラミックスで形成する場合には、軸体１４は、一般的なセラミックスの成形焼結等で形成される。
【００４１】
軸体１４は、軸方向の長さＥが筒体１２の幅Ｃと同じ長さか筒体１２の幅Ｃより長く形成される。軸体１４の軸方向の長さＥは、例えば、２０ｍｍから５０ｍｍである。軸体１４の外径Ｄは、例えば、２０ｍｍから３０ｍｍである。
【００４２】
軸体１４は、軸体１４の外径Ｄが筒体１２の内径Ｂよりも僅かに大きくなるように形成される。軸体１４の外径と筒体１２の内径との差が締め代であり、締め代を調節することにより筒体１２の周方向のフープ応力の大きさを調整することができる。
【００４３】
筒体１２の周方向のフープ応力をより大きくする場合には、締め代をより大きくすればよく、筒体１２の周方向のフープ応力をより小さくする場合には、締め代をより小さくすればよい。応力腐食割れ試験で評価する応力レベルに合わせて締め代が調節される。
【００４４】
筒体１２の周方向のフープ応力の大きさは、締め代等に基づいて基本的な材料力学や構造力学の式から導かれる。例えば、数１と数２の式は、筒体１２として円筒体を使用し、軸体１４として中実の円柱軸体を使用し、円筒体と円柱軸体とを冷やし嵌めまたは焼き嵌めしたときの締め代δと、円筒体の周方向の最大フープ応力σとを求める式である。勿論、筒体１２の周方向のフープ応力を有限要素法等の応力解析や歪みゲージを用いた実験等により求めてもよい。
【数１】
2014115243.tif 000003
【数２】
2014115243.tif 000004
【００４５】
但し、Ｐは円筒体と円柱軸体との接触面に生じる接触応力、Ｅ１は円柱軸体の縦弾性係数、Ｅ２は円筒体の縦弾性係数、ν１は円柱軸体のポアソン比、ν２は円筒体のポアソン比、ｒ１は円筒体と円柱軸体との接触面の半径、ｒ２は円筒体の外半径である。なお、円筒体と円柱軸体との接触面の半径ｒ１は、円柱軸体の外半径として近似してもよい。
【００４６】
嵌合工程（Ｓ１４）は、筒体１２と軸体１４とを冷やし嵌めまたは焼き嵌めで嵌合する工程である。筒体１２と軸体１４とを冷やし嵌めで嵌合する場合には、軸体１４を液体窒素等に浸漬して冷却することにより縮径させた後、縮径した軸体１４を筒体１２の筒内に挿入し、位置決めして嵌め込む。そして、軸体１４の温度を常温に戻すことにより、筒体１２と軸体１４とが強固に嵌合される。冷やし嵌めによれば、軸体１４を液体窒素等に浸漬して冷却するのでより簡易に嵌合作業を行うことができる。また、筒体１２を加熱する必要がないので、筒体１２への熱影響（酸化、金属組織変化等）が抑制される。
【００４７】
筒体１２と軸体１４とを焼き嵌めで嵌合する場合には、筒体１２を加熱炉等で加熱して拡径させた後、拡径した筒体１２の筒内に軸体１４を挿入し、位置決めして嵌め込む。そして、筒体１２を冷却して常温に戻すことにより、筒体１２と軸体１４とが強固に嵌合される。
【００４８】
なお、筒体１２と軸体１４とを冷やし嵌めまたは焼き嵌めで嵌合する場合には、筒体１２を加熱炉等で加熱して拡径させると共に、軸体１４を液体窒素等に浸漬して冷却して縮径させて、拡径した筒体１２の筒内に縮径した軸体１４を挿入して嵌め込み、筒体１２と軸体１４の温度を室温に戻すことにより、筒体１２と軸体１４とを強固に嵌合させる場合も含まれる。以上により応力腐食割れ試験用試験体１０の製造が完了する。
【００４９】
上記構成によれば、応力腐食割れ試験用試験体は、筒体と軸体とが冷やし嵌めまたは焼き嵌めで嵌合されていることにより、応力腐食割れを評価する金属材料で形成された筒体には周方向にフープ応力が作用するので荷重負荷機構が不要になる。
【００５０】
また、筒体と軸体とが冷やし嵌めまたは焼き嵌めで嵌合されていることにより、応力腐食割れ試験用試験体をボルトや治具等で固定して引張応力を負荷する必要がないので、ボルトの緩み等による応力腐食割れ試験中の応力緩和が抑制され試験精度が向上する。
【００５１】
上記構成によれば、筒体の周方向のフープ応力の大きさは、一般的な材料力学や構造力学の式（例えば、上述した数１及び数２に示す式）から求めることができるので、フープ応力の定量を容易に行うことができる。
【００５２】
上記構成によれば、筒体と軸体とを各々加工し、筒体と軸体とを冷やし嵌めまたは焼き嵌めで嵌合するので、複雑な機械加工等が必要なく、応力腐食割れ試験用試験体を容易に製造することが可能となり、製造コストを抑えることができる。
【００５３】
次に、他の応力腐食割れ試験用試験体について説明する。図６は、応力腐食割れ試験用試験体２０の構成を示す斜視図である。応力腐食割れ試験用試験体２０は、筒状に形成された筒体２２と、筒体２２に嵌合された軸体２４と、を備えている。応力腐食割れ試験用試験体２０では、軸体２４が応力腐食割れ性を評価する金属材料で形成されている。
【００５４】
軸体２４は、第１の中空金属軸２５ａと、第２の中空金属軸２５ｂとが軸方向に突き合わされて形成されており、第１の中空金属軸２５ａと第２の中空金属軸２５ｂとが周方向溶接された溶接部２６を有している。
【００５５】
第１及び第２の中空金属軸２５ａ、２５ｂは、応力腐食割れ性を評価する金属材料で形成されており、例えば、ステンレス鋼（マルテンサイトステンレス鋼、オーステナイトステンレス鋼、フェライトステンレス鋼）、炭素鋼、合金鋼、アルミニウム合金、チタン合金等で形成されている。
【００５６】
第１及び第２の中空金属軸２５ａ、２５ｂは、同じ内径、同じ外径で形成されている。第１及び第２の中空金属軸２５ａ、２５ｂの軸方向の長さは、同じ長さでもよく、異なる長さでもよい。溶接部２６の外径は、第１及び第２の中空金属軸２５ａ、２５ｂの外径と同じでもよく、第１及び第２の中空金属軸２５ａ、２５ｂの外径より大きくてもよい。
【００５７】
筒体２２は、円筒状等の筒状に形成されており、軸体２４の溶接部２６を含む位置に嵌合されている。筒体２２は、金属材料やセラミックス等で形成されている。筒体２２を金属材料で形成する場合には、筒体２２は、応力腐食割れ試験の試験環境で耐応力腐食割れ性を有する金属材料で形成されることが好ましい。セラミックスには、例えば、窒化ケイ素等が用いられる。筒体２２は、筒体２２の長手方向の幅が、軸体２４の溶接部２６の幅と同じ長さかまたは軸体２４の溶接部２６の幅よりも長くなるように形成されている。
【００５８】
筒体２２と、軸体２４の溶接部２６とは、冷やし嵌めまたは焼き嵌めで嵌合されている。軸体２４の溶接部２６の外周面には圧縮力が負荷されることから、軸体２４の溶接部２６の軸方向には引張応力が作用するので、軸穴に腐食液等の腐食媒体を流すことにより、軸体２４の溶接部２６の応力腐食割れ性の評価が可能となる。応力腐食割れ試験用試験体２０によれば配管溶接継手部の構造を模擬できるので、配管溶接継手部の残留応力による応力腐食割れ性を精度良く評価することができる。
【００５９】
次に、応力腐食割れ試験用試験体２０の製造方法について説明する。図７は、応力腐食割れ試験用試験体２０の製造方法を示すフローチャートである。図８は、筒体２２と軸体２４との嵌合方法を示す断面図であり、図８（ａ）は、筒体２２と軸体２４との嵌合前の状態を示す断面図であり、図８（ｂ）は、筒体２２と軸体２４との嵌合後の状態を示す断面図である。
【００６０】
応力腐食割れ試験用試験体２０の製造方法は、軸体形成工程（Ｓ２０）と、筒体形成工程（Ｓ２２）と、嵌合工程（Ｓ２４）と、を備えている。
【００６１】
軸体形成工程（Ｓ２０）は、軸体２４を形成する工程である。軸体２４は、第１の中空金属軸２５ａと、第２の中空金属軸２５ｂとを軸方向に突き合わさせて周方向溶接して形成される。溶接には、例えば、アーク溶接やＴＩＧ溶接等が用いられる。
【００６２】
軸体２４の外径Ｆは、例えば、２０ｍｍから３０ｍｍであり、軸体２４の軸方向の長さＧは、例えば、５０ｍｍから１００ｍｍである。軸体２４の肉厚は、例えば、２ｍｍから３ｍｍである。また、溶接部２６は、溶接部２６の外径が軸体２４の外径Ｆと同じであるか、軸体２４の外径Ｆより、例えば１ｍｍから５ｍｍ大きくなるように形成されている。溶接部２６の幅は、例えば、１０ｍｍから２０ｍｍである。
【００６３】
筒体形成工程（Ｓ２２）は、筒状の筒体２２を形成する工程である。筒体２２を金属材料で形成する場合には、筒体２２は、一般的な金属材料の切削加工や塑性加工等で形成される。筒体２２をセラミックスで形成する場合には、筒体２２は、一般的なセラミックスの成形焼結等で形成される。
【００６４】
筒体２２の外径Ｈは、例えば、３０ｍｍから４０ｍｍであり、筒体２２の内径Ｊは、例えば、２０ｍｍから３０ｍｍである。また、筒体２２の長手方向の幅Ｋは、例えば、１０ｍｍから３０ｍｍである。
【００６５】
筒体２２は、筒体２２の内径が軸体２４の溶接部２６の外径より僅かに小さくなるように形成されている。筒体２２の内径と、軸体２４の溶接部２６の外径との差が締め代であり、締め代を調節することにより軸体２４の溶接部２６の軸方向に作用させる引張応力の大きさを調整することができる。
【００６６】
軸体２４の溶接部２６の軸方向に作用させる引張応力をより大きくする場合には、締め代をより大きくすればよく、軸体２４の溶接部２６の軸方向に作用させる引張応力をより小さくする場合には、締め代をより小さくすればよい。応力腐食割れ試験で評価する応力レベルに合わせて締め代が規定される。軸体２４の溶接部２６の軸方向に作用する引張応力は、例えば、有限要素法等の応力解析や歪みゲージを用いた実験等により求められる。
【００６７】
嵌合工程（Ｓ２４）は、筒体２２と軸体２４とを冷やし嵌めまたは焼き嵌めで嵌合する工程である。筒体２２と軸体２４とを冷やし嵌めで嵌合する場合には、軸体２４を液体窒素等に浸漬して冷却することにより縮径させた後、縮径した軸体２４を筒体２２の筒内に挿入し、軸体２４の溶接部２６を筒体２２内に位置決めして嵌め込む。なお、軸体２４の溶接部２６は、筒体２２の長手方向の中央部に位置するように位置決めされることが好ましい。そして、軸体２４を常温に戻すことにより、筒体２２と軸体２４とが強固に嵌合される。冷やし嵌めによれば、軸体２４を液体窒素等に浸漬して冷却するのでより簡易に嵌合作業を行うことができる。
【００６８】
筒体２２と軸体２４とを焼き嵌めで嵌合する場合には、筒体２２を加熱炉等で加熱して拡径させた後、拡径した筒体２２の筒内に軸体２４を挿入し、軸体２４の溶接部２６を筒体２２内に位置決めして嵌め込む。そして、筒体２２を冷却して常温に戻すことにより、筒体２２と軸体２４とが強固に嵌合される。焼き嵌めによれば、軸体２４の溶接部２６に液体窒素に浸漬することによる急冷等の熱衝撃を負荷することなく筒体２２と軸体２４との嵌合作業を行うことができる。
【００６９】
なお、冷やし嵌めまたは焼き嵌めには、筒体２２を加熱炉等で加熱して拡径させると共に、軸体２４を液体窒素等に浸漬して冷却して縮径させて、拡径した筒体２２の筒内に縮径した軸体２４を挿入して嵌め込み、筒体２２と軸体２４を常温に戻すことにより、筒体２２と軸体２４とを強固に嵌合させる場合も含まれる。以上により応力腐食割れ試験用試験体２０の製造が完了する。
【００７０】
上記構成によれば、応力腐食割れ試験用試験体は、筒体と軸体の溶接部とが冷やし嵌めまたは焼き嵌めで嵌合されていることにより、応力腐食割れを評価する金属材料で形成された軸体の溶接部には軸方向に引張応力が作用するので荷重負荷機構が不要になる。
【００７１】
また、筒体と軸体の溶接部とが冷やし嵌めまたは焼き嵌めで嵌合されていることにより、応力腐食割れ試験用試験体をボルトや治具等で固定して引張応力を負荷する必要がないので、ボルトの緩み等による応力腐食割れ試験中の応力緩和が抑制され試験精度が向上する。
【００７２】
上記構成によれば、筒体と軸体とを各々加工し、筒体と軸体の溶接部とを冷やし嵌めまたは焼き嵌めで嵌合するので、複雑な機械加工等が必要なく、応力腐食割れ試験用試験体を容易に製造することが可能となり、製造コストを抑えることができる。
【００７３】
次に、応力腐食割れ試験用試験体１０、２０を応力腐食割れ試験するための応力腐食割れ試験装置について説明する。
【００７４】
図９は、応力腐食割れ試験装置３０の構成を示す模式図である。応力腐食割れ試験装置３０は、試験槽３２と、照合電極３４と、電位計測器３６と、を備えている。なお、図９に示す応力腐食割れ試験装置３０では、応力腐食割れ試験用試験体１０について試験する場合を示している。
【００７５】
試験槽３２には、応力腐食割れ試験用試験体１０の応力腐食割れ性を評価するための腐食液３８が入れられている。試験槽３２は、例えば、金属材料や合成樹脂等で形成されている。腐食液３８には、例えば、ＮａＣl等の塩化物を含む塩化物溶液等が用いられる。
【００７６】
照合電極３４は、電極先端部を腐食液３８に浸漬させた状態で試験槽３２内に配置されている。照合電極３４には、飽和カロメル電極（Ｈｇ／Ｈｇ２Ｃｌ２）や銀／塩化銀電極（Ａｇ／ＡｇＣｌ）等が用いられる。
【００７７】
電位計測器３６は、照合電極３４を基準とした応力腐食割れ試験用試験体１０、２０の電位を測定する機能を有している。電位計測器３６は、応力腐食割れ試験用試験体１０及び照合電極３４と各々リード線４０等で接続されている。電位計測器３６には、一般的なエレクトロメータ（電位計）を用いることができる。
【００７８】
応力腐食割れ試験用試験体１０とリード線４０とは、例えば、半田４２で接続されている。応力腐食割れ試験用試験体１０の場合には、リード線４０は筒体１２に接続される。なお、応力腐食割れ試験用試験体２０の場合には、リード線４０は軸体２４に接続される。
【００７９】
応力腐食割れ試験装置３０には、応力腐食割れ試験用試験体１０や腐食液３８の温度を測定するために、熱電対や測温抵抗体等の温度計測手段（図示せず）を設けることが好ましい。
【００８０】
制御手段４４は、電位計測器３６等とケーブル等で接続されており、これらの機器を制御する機能を有している。制御手段４４は、一般的なパーソナルコンピュータ等で構成されている。制御手段４４は、データが入力される入力部と、データを計算処理する演算部と、応力腐食割れの有無を判定する判定部と、データを記憶する記憶部と、データを出力する出力部と、を備えている。
【００８１】
入力部には、電位計測器３６等から送られたデータが入力される。また、入力部には、筒体１２及び軸体１４の縦弾性係数、筒体１２及び軸体１４のポアソン比、筒体１２の外半径及び内半径、軸体１４の外半径、締め代等の各データが入力される。
【００８２】
演算部では、電位計測器３６等から送られたデータが計算処理される。演算部では、電位計測器３６から送られたデータを、例えば、標準水素電極（ＳＨＥ）を基準として換算する等の計算処理が行われる。また、演算部では、締め代等のデータに基づいて、筒体１２の周方向のフープ応力等が計算処理される。
【００８３】
判定部では、応力腐食割れの有無が判定される。応力腐食割れ発生の有無は次のようにして判定される。応力腐食割れ試験用試験体１０が腐食液３８に浸漬されると、浸漬開始から電位が上昇し、浸漬時間の経過とともに電位が略一定になって安定する。応力腐食割れ試験用試験体１０に応力腐食割れが発生すると、応力腐食割れ試験用試験体１０の電位が大きく低下するので、応力腐食割れ試験用試験体１０の電位の変化に基づいて応力腐食割れを検知できる。
【００８４】
また、応力腐食割れ試験用試験体１０の電位に閾値を設けることにより、応力腐食割れ試験用試験体１０の電位が閾値より低くなったときに応力腐食割れが発生したとすることも可能である。閾値は、例えば、予め実験等により求められる。判定部で応力腐食割れ試験用試験体１０の応力腐食割れが発生したと判定された場合には、アラーム等が鳴るように構成してもよい。
【００８５】
記憶部では、電位計測器３６等から送られたデータが記憶される。また、記憶部では、筒体１２及び軸体１４の縦弾性係数やポアソン比、筒体１２の外半径及び内半径、軸体１４の外半径、締め代、筒体１２の周方向のフープ応力等の各データが記憶される。出力部では、筒体１２の周方向のフープ応力、浸漬経過時間に対する応力腐食割れ試験用試験体１０の電位データ等が出力される。
【００８６】
次に、応力腐食割れ試験装置３０を用いた応力腐食割れ試験方法について説明する。
【００８７】
電位計測器３６に接続されたリード線４０を応力腐食割れ試験用試験体１０の筒体１２に半田４２で接続する。そして、リード線４０を取り付けた応力腐食割れ試験用試験体１０を試験槽３２内に配置する。次に、試験槽３２内に腐食液３８を注入して、照合電極３４の電極先端部と応力腐食割れ試験用試験体１０とを腐食液３８に浸漬させる。電位計測器３６により照合電極３４を基準とした応力腐食割れ試験用試験体１０の電位を計測する。
【００８８】
応力腐食割れ試験用試験体１０が腐食液３８に浸漬されると、浸漬開始から電位が上昇し、浸漬時間の経過とともに電位が略一定になって安定する。応力腐食割れ試験用試験体１０に応力腐食割れが発生した場合には、応力腐食割れ試験用試験体１０の電位が大きく低下するので、判定部で応力腐食割れ試験用試験体１０に応力腐食割れが発生したと判定する。
【実施例】
【００８９】
応力腐食割れ試験用試験体を用いて応力腐食割れ試験を行った。
【００９０】
（応力腐食割れ試験用試験体の作製）
応力腐食割れ試験用試験体の作製方法について説明する。応力腐食割れ試験に使用する応力腐食割れ試験用試験体は、上述した応力腐食割れ試験用試験体１０ａと同じ構成とした。まず、円筒体と円柱軸体（丸棒）とを機械加工により形成した。
【００９１】
円筒体には、マルテンサイトステンレス鋼であるＡＩＳＩ４４０Ｃ（１７Ｃｒ−０．７Ｍｏ−１Ｃ、単位ｗｔ％）を使用した。円筒体の熱処理として、焼入れ処理した後、サブゼロ処理と焼き戻し処理とを行った。なお、ＡＩＳＩ４４０Ｃの室温の引張破壊強度は１８９３ＭＰａであり、ＰＩ値（孔食指数）は１９である。円筒体の外径を３０ｍｍ、円筒体の長手方向の幅を３０ｍｍとした。円柱軸体には、ニッケル基合金であるＡｌｌｏｙ７１８を使用した。円柱軸体の軸方向の長さを５０ｍｍとした。
【００９２】
円筒体の周方向に作用させる最大フープ応力の大きさを変えるために、円筒体の内径と円柱軸体の外径との差である締め代を変えて円筒体と円柱軸体とを嵌合した。円筒体の周方向に作用させる最大フープ応力については、２０２ＭＰａ、２６２ＭＰａ、３３０ＭＰａとした。締め代は、円筒体の周方向に作用させる最大フープ応力に基づいて上述した数１及び数２の式により計算で求めた。
【００９３】
また、円筒体の内径と円柱軸体の外径とを約２５ｍｍとし、各最大フープ応力に対応する締め代に基づいて円筒体の内径と円柱軸体の外径とを各々規定した。最大フープ応力が２６２ＭＰａの場合の締め代を０．０３８ｍｍ（円筒体の内径２５．０１０ｍｍ、円柱軸体の外径２５．０４８ｍｍ）とし、最大フープ応力が２０２ＭＰａの場合には締め代を０．０３８ｍｍより小さくして調整し、最大フープ応力が３３０ＭＰａの場合には締め代を０．０３８ｍｍより大きくして調整した。
【００９４】
次に、円筒体と円柱軸体とを冷やし嵌めで嵌合した。円柱軸体を液体窒素に浸漬させて冷却することにより縮径させた後、縮径した円柱軸体を円筒体の円筒内に挿入し、位置決めして嵌め込んだ。そして、円柱軸体の温度を常温に戻すことにより円筒体と円柱軸体とを嵌合させた。
【００９５】
また、マルテンサイトステンレス鋼であるＸＤ１５ＮＷ（１６Ｃｒ−１．９Ｍｏ−０．３Ｖ−０．４Ｃ−０．２Ｎ、単位ｗｔ％）、Ｃｒｏｎｉｄｕｒ３０（１５．５Ｃｒ−１Ｍｏ−０．３Ｃ−０．３Ｎ、単位ｗｔ％）についても円筒体を作製し、ニッケル基合金Ａｌｌｏｙ７１８で形成した円柱軸体に冷やし嵌めで嵌合して応力腐食割れ試験用試験体を作製した。
【００９６】
ＸＤ１５ＮＷの室温引張破壊強度は２６０５ＭＰａであり、ＰＩ値は２４である。Ｃｒｏｎｉｄｕｒ３０の室温引張破壊強度は２１７０ＭＰａであり、ＰＩ値は２２である。また、円筒体に作用させる最大フープ応力については、ＸＤ１５ＮＷ製円筒体では３６０ＭＰａとし、Ｃｒｏｎｉｄｕｒ３０製円筒体では３５０ＭＰａとした。これらの最大フープ応力については、締め代を調節することにより調整した。
【００９７】
（応力腐食割れ試験方法）
応力腐食割れ試験用試験体の応力腐食割れ試験方法について説明する。エレクトロメータに接続されたリード線の一端を応力腐食割れ試験用試験体の円筒体に半田付けして、応力腐食割れ試験用試験体を試験槽内の腐食液に浸漬させた。腐食液には、３．５％〔ＮａＣｌ〕（海水相当濃度）を使用した。腐食液の温度は、６０℃とした。照合電極には、飽和カロメル電極（Ｈｇ／Ｈｇ２Ｃｌ２）を使用した。そして、エレクトロメータにより、照合電極を基準とした応力腐食割れ試験用試験体の電位（ＳＣＥ）を計測した。
【００９８】
（応力腐食割れ試験結果）
各応力腐食割れ試験用試験体について応力腐食割れ試験を行った結果、最大フープ応力が３３０ＭＰａのＡＩＳＩ４４０Ｃ製円筒体の場合には約６時間で応力腐食割れが発生し、最大フープ応力が２６２ＭＰａのＡＩＳＩ４４０Ｃ製円筒体の場合には約２０時間で応力腐食割れが発生した。これに対して、最大フープ応力が２０２ＭＰａのＡＩＳＩ４４０Ｃ製円筒体の場合には約２００時間経過後も応力腐食割れが発生しなかった。
【００９９】
図１０は、腐食液に浸漬させた応力腐食割れ試験用試験体の電位を測定したグラフであり、図１０（ａ）は、ＡＩＳＩ４４０Ｃ製円筒体の最大フープ応力が２０２ＭＰａの応力腐食割れ試験用試験体のグラフであり、図１０（ｂ）は、ＡＩＳＩ４４０Ｃ製円筒体の最大フープ応力が３３０ＭＰａの応力腐食割れ試験用試験体のグラフである。なお、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）のグラフでは、横軸に腐食液の浸漬経過時間を取り、縦軸に応力腐食割れ試験用試験体の電位を取り、腐食液の浸漬経過時間に対する応力腐食割れ試験用試験体の電位の変化を実線で示している。
【０１００】
ＡＩＳＩ４４０Ｃ製円筒体の最大フープ応力が２０２ＭＰａの応力腐食割れ試験用試験体では、図１０（ａ）に示すように、腐食液に浸漬した直後に電位が上昇し、その後、電位は略一定であった。ＡＩＳＩ４４０Ｃ製円筒体のフープ応力が３３０ＭＰａの応力腐食割れ試験用試験体では、図１０（ｂ）に示すように、腐食液に浸漬した直後に電位が上昇し、電位が略一定となった後に、浸漬開始から約６時間経過後に応力腐食割れが発生したことによる電位の大きな低下がみられた。
【０１０１】
図１１は、ＡＩＳＩ４４０Ｃ製円筒体の最大フープ応力が３３０ＭＰａの応力腐食割れ試験用試験体における応力腐食割れ試験後の外観観察結果を示す写真である。応力腐食割れ試験後の外観観察では、ＡＩＳＩ４４０Ｃ製円筒体の周方向に対して略直交方向に応力腐食割れにより発生したクラックが認められた。
【０１０２】
図１２は、ＡＩＳＩ４４０Ｃ製円筒体、ＸＤ１５ＮＷ製円筒体、Ｃｒｏｎｉｄｕｒ３０製円筒体の各円筒体を有する応力腐食割れ試験用試験体の応力割れ試験結果を示すグラフである。図１２に示すグラフでは、縦軸に各応力腐食割れ試験用試験体における円筒体の最大フープ応力を取り、横軸に応力腐食割れ発生時間（腐食液への浸漬経過時間）を取り、ＡＩＳＩ４４０Ｃ製円筒体を有する応力腐食割れ試験用試験体の結果を黒丸、ＸＤ１５ＮＷ製円筒体を有する応力腐食割れ試験用試験体の結果を白丸、Ｃｒｏｎｉｄｕｒ３０製円筒体を有する応力腐食割れ試験用試験体の結果を黒四角形で示した。
【０１０３】
ＸＤ１５ＮＷ製円筒体及びＣｒｏｎｉｄｕｒ３０製円筒体を有する応力腐食割れ試験用試験体では、腐食液への浸漬から４８時間経過後も応力腐食割れが発生しなかった。
【０１０４】
以上の応力腐食割れ試験結果から、上述した応力腐食割れ試験用試験体によれば金属材料の応力腐食割れ性を精度よく簡易に評価できることがわかった。
【符号の説明】
【０１０５】
１０、１０ａ、１０ｂ、２０  応力腐食割れ試験用試験体、１２、２２  筒体、１４、２４  軸体、２５ａ、２５ｂ  中空金属軸、２６  溶接部、３０  応力腐食割れ試験装置、３２  試験槽、３４  照合電極、３６  電位計測器、３８  腐食液、４０  リード線、４２  半田、４４  制御手段。
【図１】
2014115243.tif 000005
【図２】
2014115243.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2014115243.tif 000012
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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