(57)【要約】【課題】応力腐食割れのき裂が自然に発生したき裂進展を模擬できるように試験片に開口変位を与えることができる応力腐食割れ試験方法を提供することである。【解決手段】試験片の開口部に強制的に一定変位を付与し、一定変位状態の試験片に所定の繰り返し圧縮荷重を与え、その後に一定変位に戻し、応力腐食割れ試験を行う。繰り返し圧縮荷重は、振幅が同じまたは振幅が徐々に小さくなるように与え、き裂の進展長さを測定しながら繰り返し圧縮荷重を負荷する。これにより、き裂先端を再鋭化させることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片の開口部に強制的に一定変位を与えた状態で前記試験片を試験環境に晒して応力腐食割れき裂進展試験を行う応力腐食割れ試験方法において、前記試験片の開口部に強制的に一定変位を付与し、前記一定変位状態の試験片に所定の繰り返し圧縮荷重を与え、その後に前記一定変位に戻し、応力腐食割れ試験を行うことを特徴とする応力腐食割れ試験方法。
【請求項２】
前記繰り返し圧縮荷重は、振幅が徐々に小さくなる繰り返し圧縮荷重であることを特徴とする請求項１記載の応力腐食割れ試験方法。
【請求項３】
前記繰り返し圧縮荷重を負荷する過程において、き裂の進展長さを測定しながら前記繰り返し圧縮荷重を負荷することを特徴とする請求項１または請求項２記載の応力腐食割れ試験方法。
【請求項４】
前記き裂長さの測定は、非導電性材料で形成された治具により前記試験片に一定変位を付与し、前記試験片に電流を流して前記き裂長さを測定することを特徴とする請求項３記載の応力腐食割れ試験方法。
【請求項５】
試験片の開口部に強制的に一定変位を与えた状態で前記試験片を試験環境に晒して応力腐食割れき裂進展試験を行う応力腐食割れ試験方法において、前記試験片の開口部を挟んで前記試験片の一方を固定側治具で保持し、前記試験片の他方を移動側治具で保持し、前記移動側治具を移動させて前記試験片の開口部に強制的に一定荷重を負荷し、前記移動側治具がそれ以上変位しない位置に達したときの前記開口変位を一定変位とし、定変位型の応力腐食割れ試験を行うことを特徴とする応力腐食割れ試験方法。
【請求項６】
試験片の開口部に強制的に一定変位を与えた状態で前記試験片を試験環境に晒して応力腐食割れき裂進展試験を行う応力腐食割れ試験方法において、前記試験片が所定変位以上に変位しないように拘束治具で前記試験片を包囲し、前記試験片の開口部を挟んで前記試験片の一方を固定側治具で保持し、前記試験片の他方を移動側治具で保持し、前記移動側治具を移動させて前記試験片の開口部に強制的に一定荷重を負荷し、前記試験片が前記拘束治具で拘束されそれ以上変位しない位置に達したときの前記開口変位を一定変位とし、定変位型の応力腐食割れ試験を行うことを特徴とする応力腐食割れ試験方法。
【請求項７】
前記拘束治具は、変位の増加と共に前記試験片に負荷される荷重が低下するように形成され、一次応力と二次応力とを合成して応力腐食割れ試験を行うことを特徴とする請求項６記載の応力腐食割れ試験方法。
【請求項８】
前記応力腐食割れ試験中に、き裂の長さを測定することを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれか１項記載の応力腐食割れ試験方法。
【請求項９】
前記き裂長さの測定は、非導電性材料で形成された固定側治具および可動側治具により前記試験片に一定荷重を付与し、前記試験片に電流を流して前記き裂長さを測定する電気ポテンシャルドロップ法で行うことを特徴とする請求項８記載の応力腐食割れ試験方法。
【請求項１０】
前記き裂長さの測定は、加えた一定荷重および前記試験片の変位を拘束する拘束治具に生じるひずみを測定し、その測定値に基づいて、き裂長さを算出することを特徴とする請求項８記載の応力腐食割れ試験方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料の腐食環境中でのき裂進展特性を把握するために実施される応力腐食割れ試験方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、発電プラントにおいては種々の部材に対して超音波探傷試験を行い、被破壊検査により部材の欠陥を検出するようにしているが、部材に発生する応力腐食割れ（以下ＳＣＣという）のき裂に対しては、人為的にき裂を発生させ超音波探傷試験を行うようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。また、材料の腐食環境中におけるき裂進展特性を把握するために実施されるＳＣＣ試験には、試験片に一定荷重を負荷する定荷重型ＳＣＣ試験と、試験片に一定の変位を負荷する定変位型ＳＣＣ試験とがある。
【０００３】
広範な応力拡大係数に対してＳＣＣき裂進展速度データを得るためには、主に定荷重型ＳＣＣ試験が実施されているが、近年、大型溶接構造物の溶接残留応力によるＳＣＣでは、き裂の進展に伴い応力が解放される定変位条件となっていることから定変位型ＳＣＣ試験も採用されるようになった。
【０００４】
図９は、従来の定変位型ＳＣＣ試験の説明図である。図９に示すように、試験片１１に予め予き裂１２および開口部１３を導入しておき、ボルト１４により硬球１５を介して試験片１１に強制的に開口変位を与えるＷＯＬ（Ｗｅｄｇｅ  Ｏｐｅｎｉｎｇ  Ｌｏａｄ）試験が用いられている。
【０００５】
図１０は、試験片１１の開口変位とボルト１４の軸力との相関図である。ボルト１４の締め付けに伴って試験片１１の開口変位が増し、ボルト１４の軸力は圧縮側に増す。ボルト１４の締め付けが終了すると、試験片１１の開口変位は一定となりＳＣＣ試験に供される。つまり、ボルト１４により試験片１１に一定の開口変位を与えた後、試験片１１は試験環境に晒され、ある一定時間の後のき裂進展量が計測される。このように、試験片１１はボルト１４により開口変位を与えられた後、試験環境に晒されるる。なお、ボルト１４の締め付け時と試験温度とが異なる場合には、試験片１１の開口変位およびボルト１４の軸力は締め付け終了時の値から変化するが、図１０ではこの過程は省略してある。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−３２３４３９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の試験片１１による定変位型ＳＣＣ試験では、ボルト１４により試験片１１に開口変位を付与したときに、予き裂１２の先端が鈍化するため、本来の自然な状態で発生したき裂とは進展挙動が異なるという問題がある。実際の構造物に発生したＳＣＣのき裂の進展挙動を試験により再現するためには、試験時のき裂先端の状態を実機と同様な自然の状態とする必要がある。
【０００８】
本発明の目的は、応力腐食割れのき裂が自然に発生したき裂進展を模擬できるように試験片に開口変位を与えることができる応力腐食割れ試験方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の応力腐食割れ試験方法は、試験片の開口部に強制的に一定変位を与えた状態で前記試験片を試験環境に晒して応力腐食割れき裂進展試験を行う応力腐食割れ試験方法において、試験片の開口部に強制的に一定変位を付与し、一定変位状態の試験片に所定の繰り返し圧縮荷重を与え、その後に一定変位に戻し、応力腐食割れ試験を行うことを特徴とする。繰り返し圧縮荷重は、振幅が同じまたは振幅が徐々に小さくなるように与え、き裂の進展長さを測定しながら繰り返し圧縮荷重を負荷する。
【００１０】
また、最初に試験片に一定荷重を負荷し、試験片の開口変位が予め設定した所定変位に達すると、負荷治具または試験片がそれ以上変位しないようにし、それ以降は定変位型の応力腐食割れ試験を行う。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る応力腐食割れ試験方法を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る応力腐食割れ試験方法のフローチャートである。まず、試験片の開口部に開口変位を与えて一定変位状態とし（Ｓ１）、試験片を試験環境に晒す（Ｓ２）。次に、その一定変位状態で試験片に繰り返し圧縮荷重を負荷する（Ｓ３）。すなわち、変動荷重を一定変位状態の試験片に負荷する。これにより、試験片の開口部は疲労機構によりき裂が進展する。そして、圧縮荷重を取り除いて再び一定変位状態とする（Ｓ４）。
【００１２】
図２は第１の実施の形態を実現するための装置構成の説明図である。試験片１１には予め開口部１３の先端に予き裂１２が形成され、試験片１１はボルト１４により開口部１３を押し広げるように開口変位が強制的に付与される。硬球１５は、ボルト１４の締め付けの際に、試験片１１にねじり負荷がかからないようにするために挿入されている。
【００１３】
試験片１１はボルト１４により一定の開口変位を与えられた後に、ピン１６を介して負荷治具１７と固定治具１８との間に据え付けられる。この時点では試験片１１は固定治具１８および負荷治具１７に軽く固定されている。この状態で、負荷治具１７を繰り返し押圧し試験片１１に繰り返し圧縮荷重を負荷する。加えられる圧縮荷重はロードセル１９により監視される。
【００１４】
図３は第１の実施の形態における繰り返し圧縮荷重を負荷した場合の開口変位、ボルトの軸力、外力の説明図である。試験片１１への開口変位はボルト１４により一定変位が与えられ、開口変位を一定変位で保持した後に、試験片１１を試験環境に晒し、負荷治具１７により試験片１１に繰り返し圧縮荷重を負荷する。負荷治具１７より圧縮荷重（外力）が負荷されたときは開口変位が減少し、ボルト１４の軸力は圧縮側に増す。一方、負荷治具１７より圧縮荷重（外力）の負荷を除去したときは開口変位が一定変位に戻りボルト１４の軸力は圧縮側に増した分が除去される。
【００１５】
このように、繰り返し圧縮荷重である変動荷重を試験片１１に負荷すると疲労機構により、開口部１３のき裂が進展する。このとき、試験片１１にはボルト１４により予め付与されている引張の荷重と、後から負荷される繰り返しの圧縮荷重とにより、合計では繰り返しの引張荷重を負荷されることになる。繰り返し引張荷重の負荷によるき裂の進展に伴って、一旦鈍化したき裂の先端は再び先鋭化して、自然なき裂に近い状態を作り出すことが可能となる。
【００１６】
図３では繰り返し圧縮荷重の振幅の大きさを一定としたが、図４に示すように、振幅が徐々に小さくなる繰り返し圧縮荷重としても良い。加える圧縮荷重の振幅を徐々に小さくしていくので、き裂の進展中にき裂先端を本来のＳＣＣき裂の先端に近い状態とすることが可能となる。
【００１７】
ここで、繰り返し圧縮荷重を負荷する過程において、き裂の進展長さを測定しながら繰り返し圧縮荷重を負荷し、繰り返し圧縮荷重の付与が終了した時点で即座にき裂長さを測定できるようにすることも可能である。
【００１８】
図５は、繰り返し圧縮荷重を負荷する過程において、き裂の進展長さを測定する場合の装置構成図である。試験片１１には電気ポテンシャルドロップ法によるき裂長さの計測装置２０が結線されている。電気ポテンシャルドロップ法によるき裂長さの計測は、試験片１１に電流を流してき裂長さを測定する方法であるので、この場合には、試験片１１以外の部分に電流が流れないように硬球１５や固定治具１８およびピン１６の材質として、例えばセラミックスなどの非導電性材料が用いられる。電気ポテンシャルドロップ法により、き裂長さを計測することで、繰り返し圧縮荷重を負荷中のき裂進展量および定変位型ＳＣＣ試験に移行した後のき裂進展量を即座に測定することが可能となる。すなわち、試験片１１を試験環境から取り出さなくとも繰り返し圧縮荷重の付与が終了した時点でのき裂長さを測定でき、また、最終的に荷重が一定になってもき裂長さを測定できる。
【００１９】
第１の実施の形態によれば、定変位型ＳＣＣ試験において、ボルト１４により試験片１１に一定の開口変位を与えた後に、繰り返し圧縮荷重を負荷するので、疲労機構によりき裂を僅かに進展させて、き裂先端を再鋭化させることができる。また、き裂の進展長さを測定する計測装置２０を設けた場合には、試験片１１を試験環境から取り出さなくとも繰り返し圧縮荷重の付与が終了した時点でのき裂長さを測定できる。
【００２０】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図６は本発明の第２の実施の形態に係る応力腐食割れ試験方法を実現する装置構成の説明図である。この第２の実施の形態は、最初に試験片１１に一定荷重を負荷し、試験片の開口変位が予め設定した所定変位に達すると、負荷治具がそれ以上変位しないようにし、それ以降は定変位型の応力腐食割れ試験を行えるようにしたものである。
【００２１】
図６に示すように、試験片１１は、保持具２１ａ、２１ｂを介して一方が固定側治具（固定側チャック）２２に、他方が移動側治具（移動側チャック）２３に連結されている。なお、固定側治具２２は剛な構造であり変位しないものとする。移動側治具２３は剛体壁２４との間に予め定められたギャップ２５の間隔をもっている。
【００２２】
最初に試験片１１には移動側治具２３により一定荷重が負荷される。これにより、試験片１１のき裂１２は一定荷重の下で進展する。き裂１２の進展に伴って、試験片１１は開口変位を生じ、その結果、いずれ移動側治具２３は剛体壁２４に接触しこれ以上変位を生じないようになる。ギャップ２５がゼロとなって以降は継続して定変位型のＳＣＣ試験が実施可能となる。
【００２３】
図７は、第２の実施の形態に係る応力腐食割れ試験方法によりＳＣＣ試験を実施した場合の試験片１１の開口変位とき裂長さとの関係、および試験片１１の応力拡大係数とき裂長さとの関係を示したものである。図７に示すように、移動側治具２３が剛体壁２４に接触するまでは定荷重型のＳＣＣ試験であるため、き裂１２の進展と共に開口変位は増し、また応力拡大係数も増加する。移動側治具２３が剛体壁２４に接触し、ギャップ２５がゼロとなった以降は試験片１１の開口変位はそれ以上増加せず一定値を保たれる。一方、ギャップ２５がゼロとなった以降の応力拡大係数は、き裂１２の進展と共に徐々に低下することになる。
【００２４】
第２の実施の形態によれば、一定荷重下でＳＣＣき裂を進展させた後に、移動側治具２３が予め設定した所定変位量だけ変位した後に変位を拘束されるので、スムースに定変位型の応力腐食割れ試験に切り替えることができ、き裂先端の状態を自然なＳＣＣき裂と同様な状態に保ったまま定変位型の応力腐食割れ試験を実施できる。
【００２５】
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。図８は本発明の第３の実施の形態に係る応力腐食割れ試験方法を実現する装置構成の説明図であり、図８（ａ）は正面図、図８（ｂ）は側面図である。この第３の実施の形態は、
最初に試験片１１に一定荷重を負荷し、試験片１１の開口変位が予め設定した所定変位に達すると、試験片１１がそれ以上変位しないようにし、それ以降は定変位型の応力腐食割れ試験を行えるようにしたものである。
【００２６】
図８（ａ）に示すように、試験片１１の周囲には、ギャップ２５ａ、２５ｂをおいて拘束治具２６が試験片１１を取り囲むように配置されている。拘束治具２６は試験片１１に比べて材質的あるいは構造的に充分剛なものであり、試験片１１がギャップ２５ａ、２５ｂで定まる所定変位以上に変位しないように試験片１１を拘束するものである。図８（ｂ）に示すように、拘束治具２６の側面部には窓２７が設けられ、試験片１１は窓２７を貫通する保持具２１ａ、２１ｂにより固定側治具（固定側チャック）２２および移動側治具（移動側チャック）２３に連結されている。
【００２７】
まず、試験片１１には移動側治具２３を介して一定荷重が負荷されており、き裂１２の進展に伴って開口変位を生じる。そして、開口変位量が増してギャップ２５ｂがゼロとなると試験片１１は拘束治具２６に接触し、それ以上の開口変位を生じなくなる。従って、図６に示した第２の実施の形態の場合と同様に、最初は定荷重型ＳＣＣ試験となり、き裂１２が進展して自然なＳＣＣき裂となった状態で定変位型のＳＣＣ試験となる。
【００２８】
以上の説明では、拘束治具２６は剛体である場合について説明したが、剛性を低下させた拘束治具２６を使用しても良い。この場合、拘束治具２６は変位の増加と共に試験片１１に負荷される荷重を低下させるので、一次応力と二次応力とを合成した応力腐食割れ試験が可能となる。
【００２９】
まず、試験片１１には移動側治具２３ｂを介して一定荷重が負荷され、き裂１２の進展に伴って開口変位を生じるが、開口変位量が増してギャップ２５ｂがゼロとなると試験片１１は拘束治具２６に接触する。その後、この試験片１１に負荷される荷重の一部を試験片１１が受け持ち、残りの荷重を拘束治具２６が受け持つことになる。拘束治具２６は剛性を低下させたものであり充分剛ではないため、試験片１１のき裂１２が進展すると僅かではあるが試験片１１の開口変位は増加することになる。
【００３０】
このような負荷形態の下では、ちょうど荷重制御型の一次応力と変位制御型の二次応力とが重畳した応力状態になっている。実際の構造物において局部的な残留応力と圧力荷重など一次応力とが重畳する場合や、溶接部が大きいあるいは溶接時に構造的な変形拘束を受け、広い範囲にわたって残留応力を生じている場合に一次応力と二次応力とが重畳した応力状態となっていることが多くあり、この状態を模擬することが可能となる。
【００３１】
第３の実施の形態によれば、試験片１１が予め設定した所定変位量だけ変位した後に直接変位を拘束されることによりスムースに定変位型の応力腐食割れ試験に切り替えることができ、より正確に試験片１１の開口変位量を規定して定変位型のＳＣＣ試験への切り替えを実施できる。また、一定荷重下でＳＣＣき裂を進展させ、所定変位量だけ変位した後に試験片１１の荷重分担を軽減し、かつ試験片１１の開口変位を拘束することで、一次応力と二次応力ｔｐの両方が負荷された、より実機の応力状態に近い負荷条件で応力腐食割れ試験を実施できる。
【００３２】
ここで、第２の実施の形態および第３の実施の形態において、応力腐食割れ試験中において、図５に示した電気ポテンシャルドロップ法で、き裂の進展長さを測定するようにしても良い。また、拘束治具２６にひずみゲージを貼付するなどして拘束治具２６に加わる荷重を計測することにより、解析的あるいは予備較正試験あるいは有限要素法等の数値計算により、試験片１１と拘束治具２６との荷重分担からき裂長さを求めるようにしても良い。この場合、き裂長さの測定方法が拘束治具２６のひずみを測定することによる一種のコンプライアンス法によるものであるので、特別な計測装置の追加なくしてき裂長さを測定できる。
【００３３】
応力腐食割れ試験中において、き裂の長さを計測できるので、一定荷重下のＳＣＣ試験から定変位型のＳＣＣ試験あるいは一次応力と二次応力とのＳＣＣ試験へ切り替わる際に、試験片１１の負荷状態とき裂長さとの関係を明確に把握できる。
【００３４】
【発明の効果】
以上の述べたように、本発明によれば、より実機の応力状態に近い応力状態の下での試験を実施することが可能となり、構造物の健全性を評価する上で応力腐食割れによるき裂進展評価の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る応力腐食割れ試験方法のフローチャート。
【図２】本発明の第１の実施の形態を実現するための装置構成の説明図。
【図３】本発明の第１の実施の形態における繰り返し圧縮荷重を負荷した場合の開口変位、ボルトの軸力、外力の説明図。
【図４】本発明の第１の実施の形態における繰り返し圧縮荷重として振幅が徐々に小さくなる繰り返し荷重を負荷した場合の開口変位、ボルトの軸力、外力の説明図。
【図５】本発明の第１の実施の形態における繰り返し圧縮荷重を負荷する過程において、き裂の進展長さを測定する場合の装置構成図。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る応力腐食割れ試験方法を実現する装置構成の説明図。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る応力腐食割れ試験方法によりＳＣＣ試験を実施した場合の試験片１１の開口変位とき裂長さとの関係、および試験片１１の応力拡大係数とき裂長さとの関係を示した相関図。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る応力腐食割れ試験方法を実現する装置構成の説明図。
【図９】従来の定変位型ＳＣＣ試験の説明図。
【図１０】従来の定変位型ＳＣＣ試験での試験片の開口変位とボルトの軸力との相関図。
【符号の説明】
１１…試験片、１２…予き裂、１３…開口部、１４…ボルト、１５…硬球、１６…ピン、１７…負荷治具、１８…固定治具、１９…ロードセル、２０…計測装置、２１…保持具、２２…固定側治具、２３…移動側治具、２４…剛体壁、２５…ギャップ、２６…拘束治具、２７…窓
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図９】
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【図１０】
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