(57)【要約】【課題】  タービンロータなどの低合金鋼の正確な平面ひずみ破壊靭性値を、従来の規格よりも相当小さな試験片により求める方法を提供する。【解決手段】  破壊靭性試験により平面ひずみ破壊靭性値を求める平面ひずみ破壊靭性値の判定方法において、試験片厚をＢ、破壊靭性試験により測定された破壊靭性値をＫC、降伏応力または０.２％耐力をσYとすると、試験結果が、Ｂ≧１．０（ＫC／σY）２を満たすと、測定されたＫCは平面ひずみ破壊靭性値と同等の値である。【選択図】        図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
破壊靭性試験により平面ひずみ破壊靭性値を求める平面ひずみ破壊靭性値の判定方法であって、
前記破壊靭性試験に用いられる試験片の、試験片厚をＢ、破壊靭性試験により測定された破壊靭性値をＫC、降伏応力または０.２％耐力をσYとすると、１．０（ＫC／σY）２≦Ｂの判定条件により、求められた破壊靭性値ＫCは、平面ひずみ破壊靭性値と同様の値が得られる、平面ひずみ破壊靭性値の判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＣｒＭｏＶ鋼などの低合金耐熱鋼により構成されたタービンロータなどの平面ひずみ破壊靭性値の判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
脆性破壊による使用限度を定量的に評価する上で破壊靭性値を求めることが重要であるが、一般に破壊靭性は材料の厚さに依存し、材料の厚さが薄い場合は大きく、材料が厚くなるに従って小さくなり、ある程度以上の厚さになると下限値に収束する。この下限値は平面ひずみ破壊靭性値と呼ばれ、通常ＫICと表記される。発電用タービンロータのような大型設備の破壊に対する評価には、この下限値である平面ひずみ破壊靭性値による評価が必要である。
【０００３】
破壊靭性値は通常ＡＳＴＭ（アメリカ材料試験協会規格）Ｅ３９９−９０に規定される条件にしたがって求められるが、上記のＡＳＴＭ  Ｅ３９９−９０に従ってタービンロータ材のような低合金鋼の破壊靭性値を求めるためには、試験片厚さについて必要とされる条件が非常に厳しく、板厚の大きな巨大な試験片を準備して、大型試験機を用いた大規模な試験が必要となる。このため、同等の結果を得ることが可能な、より簡便な試験条件の検討がなされている。これに関するものとして、非特許文献１がある。
【非特許文献１】池田  一夫、外４名，「タービンロータ材の破壊じん性およびＫＩＣ値の判定条件」，神戸製鋼技報，株式会社神戸製鋼所，１９７９年，Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、タービンロータ材のような低合金鋼に対する平面ひずみ破壊靭性値を求めるために、上記のＡＳＴＭ  Ｅ３９９−９０の規定に従って求められる値と、同等の結果を得ることが可能な、より簡便な条件の確立が求められている。
【０００５】
この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、タービンロータなどの低合金鋼の正確な平面ひずみ破壊靭性値を、従来の規格よりも相当小さな試験片により求める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】
【０００６】
この発明に基づいた平面ひずみ破壊靭性値の判定方法に従えば、破壊靭性試験により平面ひずみ破壊靭性値を求める平面ひずみ破壊靭性値の判定方法において、破壊靭性試験に用いられる試験片が、試験片厚をＢ、破壊靭性試験により測定された破壊靭性値をＫC、降伏応力または０.２％耐力をσYとすると、１．０（ＫC／σY）２≦Ｂを満たす試験片厚Ｂにより平面ひずみ破壊靭性値と同等の値が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
上述のように、脆性破壊靭性は、図１に示すように、薄い試験片では大きく、試験片が厚くなるに従って小さくなり、ある程度以上の厚さになると下限値に収束するという寸法依存性があり、この下限値は平面ひずみ破壊靭性値と呼ばれ、通常ＫICと表記される。
【０００８】
発電用タービンロータのような大型設備の破壊に対する評価には、この下限値である平面ひずみ破壊靭性値による評価が必要であるが、図１に示すように高温域における正確な平面ひずみ破壊靭性を求めるためには、板厚の厚い大きな試験片が必要となる。
【０００９】
そのためタービンロータの強度評価において重要な、図２に示す脆性破壊高温域における平面ひずみ破壊靭性値を正確に求めるためには、ある程度以上の厚みの試験体が必要となる。この平面ひずみ破壊靭性値を求めるための規格として、上述のＡＳＴＭ  Ｅ３９９−９０がある。発明者らは、長期間使用後に取り外された低合金製タービンロータを輪切りにし、この規格に準拠するように、図３に示すような試験片の厚さが２００ｍｍの大型試験体を製作して、脆性破壊高温域での正確な平面ひずみ破壊靭性値を求めることができることを確認している。
【００１０】
一方、ＡＳＴＭ  Ｅ３９９−９０は、元来高強度鋼、高力アルミニウム、チタン合金などの高強度低靭性材を主な対象として開発されたものであった。そのため、これらの延性の低い材料については、簡易に破壊靭性値の下限値である平面ひずみ破壊靭性値が求められる試験方法があるが、タービンロータ材のような強度に比べて靭性の高い低中強度鋼に対して適用し正確な平面ひずみ破壊靭性値を求めようとする場合には、その判定条件を満足するために、非常に板厚の厚い大きな試験片が必要となる。
【００１１】
しかし、これまでの実験結果から、タービンロータ材のような低合金鋼においては、ＡＳＴＭ  Ｅ３９９−９０で要求される試験片厚さを厳密には満たさない薄い試験片厚で実施した試験でも、破壊靭性値の下限値である平面ひずみ破壊靭性値に相当する結果の得られることが経験的に知られている。
【００１２】
破壊靭性試験実施時の負荷荷重の変化と、その際の亀裂の開口変位の関係、すなわち、荷重−開口変位曲線の試験時に現れる代表的な形態を模式図として図４に示す。図４において、Ｐmaxは荷重の極大値、Ｐ5は原点における、荷重−開口変位曲線の傾きより、５％少ない傾きを有する直線（５％ Secant Line）を、原点を通るように引いたときのその直線と荷重−開口変位曲線との交点である。ＡＳＴＭ  Ｅ３９９−９０においては、ＰQは、図４のタイプ（ａ）のように、Ｐ5より先に荷重の極大値Ｐmaxが現れる場合には、Ｐmax＝ＰQ、タイプ（ｂ）および（ｃ）のように、ＰmaxがＰ5より後に生じる場合には、Ｐ5＝ＰQと表される。
【００１３】
上述のタービンロータ材のような低合金鋼についてＡＳＴＭ  Ｅ３９９−９０の要求を厳密に満たさない薄い試験片厚さで平面ひずみ破壊靭性値に相当する結果の得られる例として、非特許文献１においては、2.8Ni-Cr-Mo-Vロータ材を用いた実験結果をもとに、破壊靭性試験時の荷重−開口変位曲線が原点を通る５％ Secant Lineと荷重−開口変位曲線との交点（Ｐ5）と交わる以前に不安定破壊すれば、すなわち図４のタイプ（ａ）での破壊形態の場合なら、ＡＳＴＭ  Ｅ３９９−９０の試験片厚さの要求である、Ｂ≧２.５（ＫC／σY）２（ここで、σYは降伏応力または０．２％耐力）の条件を満足していなくても試験により得られた破壊靭性値ＫQは平面ひずみ破壊靭性値ＫICとみなせると報告している。
【００１４】
このため、破壊靭性値の試験片厚依存性を評価するため、上述の規格に基づいて平面ひずみ破壊靭性値の得られた試験後の大型試験体から、試験片厚さを変えた小型の試験片を採取し、破壊靭性試験を実施して試験片厚さと破壊靭性値との関係を検討した。評価のために用いた小型の試験片の形状は、図５に示すＣＴ試験片（Compact Tension試験片）で試験片厚をＢ、亀裂長さをａ、試験片幅をＷとすると、Ｂ＝ａ＝Ｗ−ａである標準ＣＴ試験片とした。また、図６に示すように、２５ｍｍ厚試験片（１ＣＴ）、５０ｍｍ厚試験片（２ＣＴ）を各試験片の亀裂先端部が、大型試験体の亀裂先端を通る同心円に一致するように採取して加工し、これらの試験片により大型試験体と同一温度にて破壊靭性試験を実施し、破壊靭性値を求めた。
【００１５】
併せて、破壊靭性値の試験片厚依存性について、ＡＳＴＭ  Ｅ３９９−９０の標準ＣＴ試験片を対象として３次元弾塑性有限要素法解析による解析検討も行なった。解析的検討においては、３次元ソリッド要素を用い、境界条件は、図７に示すとおりとした。
【００１６】
この結果、標準ＣＴ試験片の試験片厚さを変えて実施した試験結果と、上述の解析結果を併記した図８に示すような破壊靭性Ｋｃ（ＭＰａ・ｍ１／２）と試験片厚Ｂ（ｍｍ）との関係を求めることができた。図８において黒丸印（●）は、ＡＳＴＭ  Ｅ３９９−９０の平面ひずみ破壊靭性値の条件を満たした試験結果、白丸印（○）は、平面ひずみ破壊靭性値の条件は満たさなかったが、図４のタイプ（ａ）の破壊形態を示した試験結果、ばつ印（×）は、図４のタイプ（ｂ）または（ｃ）の破壊形態を示した試験結果、黒三角印は、解析結果である。図８によると、試験片厚Ｂが小さくなるに従い、破壊靭性Ｋcは大きくなるが、ＡＳＴＭ  Ｅ３９９−９０に準拠する試験片厚より相当小さくなっても、それと同等の破壊靭性値ＫCが得られることがわかる。ＡＳＴＭ  Ｅ３９９と同等の結果が得られる限界は、降伏応力または０.２％耐力をσY（ＭＰａ）とすると、次のように表すことができる。
【００１７】
Ｂ≧１.０（ＫC／σY）２
ＡＳＴＭ  Ｅ３９９においては、試験により得られた破壊靭性値ＫQが、平面ひずみ破壊靭性値ＫICであるための、試験片厚に対する判定条件は、Ｂ≧２.５（ＫC／σY）２であるので、上記の判定条件は、ＡＳＴＭ  Ｅ３９９で要求される試験片厚の４０％程度の厚さの試験片により、平面ひずみ破壊靭性値と同等の値が得られることとなり、供試材の確保、試験実施に際しての費用および試験の手間の面での制約が格段に小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】破壊靭性と材料の厚さの関係を示すグラフである。
【図２】破壊靭性と試験温度の関係を示すグラフである。
【図３】破壊靭性試験の試験体の形状を示す、（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図である。
【図４】荷重−開口変位曲線の試験時に現れる代表的な形態を示す模式図である。
【図５】ＣＴ試験片の形状を示す斜視図である。
【図６】ＣＴ試験片の採取位置を示す、（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図である。
【図７】３次元弾塑性解析における境界条件を示す図である。
【図８】標準ＣＴ試験片による試験結果と３次元弾塑性解析の解析結果を示すグラフである。
【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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