(57)【要約】【課題】ＨＡＺ粗粒域または欠陥が結晶粒や結晶粒界より小さい場合においても損傷進展を評価することができる金属材料の損傷評価方法を提供すること。【解決手段】金属材料の結晶粒界をモデル化して粗粒結晶粒界モデル２１を作成し、前記結晶粒界上に発生しうる微小欠陥の発生単位ごとに粒界モデル２１を複数の計算単位（セル）２４に分割する。各セル２４に破壊抵抗初期値を与えて損傷の進展を計算する。余寿命は、有効断面積から求めた有効応力とクリープ破断曲線とにより推定することができる。【選択図】      図４
2005003421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料の結晶粒界をモデル化し、該結晶粒界のモデルを、前記金属材料の粒界に発生しうる微小欠陥の大きさの計算単位に分割して、該計算単位ごとに損傷の進展を計算することを特徴とする金属材料の損傷評価方法。
【請求項２】
請求項１に記載の金属材料の損傷評価方法において、
前記微小欠陥の発生単位が有する破壊抵抗初期値の分布を損傷初期における微小欠陥数の試験結果から求め、該分布に基づいて前記各計算単位に破壊抵抗初期値を与えて損傷の進展を計算することを特徴とする金属材料の損傷評価方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の金属材料の損傷評価方法において、
あらかじめ試験体を観察することにより、結晶粒径の分布と、結晶粒界上に発生しうる微小欠陥の径の分布とを求め、これらのデータに基づいて前記結晶粒界モデルの作成と前記計算単位の分割を行うことを特徴とする金属材料の損傷評価方法。
【請求項４】
金属材料の結晶粒界モデルを用いて金属材料の損傷の進展を計算する金属材料の損傷評価方法において、
前記結晶粒界モデル中の微小欠陥の長さの合計から該結晶粒界モデルの有効断面積を算出し、該有効断面積と前記結晶粒界モデルに作用する荷重から該結晶粒界モデルに作用する有効応力を算出することを特徴とする金属材料の損傷評価方法。
【請求項５】
請求項４に記載の金属材料の損傷評価方法において、
前記結晶粒界モデルに作用する有効応力とクリープ破断曲線とによって金属材料の余寿命を推定することを特徴とする金属材料の損傷評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属材料の損傷評価方法に係り、特に、火力発電プラントや原子力発電プラント等の高温耐圧金属部材を用いた各種配管として使用される低合金鋼の溶接部ＨＡＺ粗粒域に発生する脆性的なクリープ損傷等の微視損傷の進展度合いを評価し、該金属材料の寿命を診断する際に用いて好適な金属材料の損傷評価方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、火力発電プラントにおいては、運転時間が長時間に及ぶのに従い長時間使用による設備の劣化、頻繁な起動停止や急速な負荷変動等による熱疲労等を十分に考慮した保守管理が益々重要になってきている。
例えば、高温耐圧金属部材が用いられる大口径厚肉配管では、き裂等の損傷は、多くの場合溶接部の内部で発生しているが、この損傷は外表面の検査だけでは検出することができないために、この損傷の早期検出及び、その寸法の正確な測定によるき裂のモニタリング手法の開発が求められている。
従来、余寿命（破断するまでの時間）を推定するために、表面損傷を直接検査することで余寿命を推定するＭＬＡＳ法と、内部損傷を検査するＴＯＦＤ法（Ｔｉｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）とがとられている。
【０００３】
ＭＬＡＳ法とは、配管の表面をプラスチック膜に転写して表面のレプリカを採取し、このレプリカを光学顕微鏡を用いて観察することで、クリープ損傷による空孔（クリープボイド）や析出物等の有無及びその分布状態を調べ、これらと寿命との関係の参照データと照らし合わせて寿命を診断する方法である。
【０００４】
また、ＴＯＦＤ法は以下のような内部損傷測定原理である。図２０はＴＯＦＤ法の測定原理を説明するための説明図であり、超音波を発信する送信探触子１と、超音波を受信する受信探触子２とを、金属材料３の表面に、該金属材料３の内部に生じたき裂（欠陥）４を挟んで等距離に載置し、送信探触子１により金属材料３内に超音波５を発信させ、受信探触子２によりき裂４の上端及び下端からの回折波６を検出してその伝搬時間を測定し、き裂４の高さを式（１）により求めるものである。なお、図中、７は表面波、８は底面反射波である。
【０００５】
Ｌ＝Ｚｂ−Ｚｔ
＝√（ｔｂ２・Ｖ２／４−Ｓ２）−√（ｔｔ２・Ｖ２／４−Ｓ２）  …（１）
ただし、Ｌ  ：き裂高さ
Ｚｂ  ：き裂先端の深さ
Ｚｔ  ：き裂底の深さ
Ｄ  ：送信探触子１と受信探触子２との間の距離
Ｓ  ：Ｄ／２
Ｖ  ：回折波の速度
ｔｔ  ：き裂先端からの回折波伝播時間
ｔｂ  ：き裂底からの回折波伝播時間
上述したＴＯＦＤ法は、欠陥からの回折波を利用して探傷するために、従来の超音波探傷法と比べて欠陥の傾きの影響を受け難く、方向性のある欠陥を見落とす可能性が減少し、欠陥の検出性能が向上するという優れた点がある。
【０００６】
従来の評価では、ＭＬＡＳ法から余寿命を求める他に、ＴＯＦＤ法などで検出した内部き裂の伝播を計算し、これを基に余寿命を求める。しかしながら、き裂伝播計算では、単一のき裂が成長、進展することを前提としている。このため、例えば、複数の微視的なき裂が発生と合体を繰り返しながら成長する損傷のような場合においては、上記の方法により推定した余寿命が実際の余寿命と対応しなくなってしまうおそれがある。
経年火力プラント高温大径配管溶接部の余寿命評価においては、ＨＡＺ部（溶接熱影響部；ｗｅｌｄ  ｈｅａｔ  ａｆｆｅｃｔｅｄ  ｚｏｎｅ）の板厚内部から発生および成長するクリープ損傷の定量評価が重要である。
ＨＡＺ中の溶金に近い幅約１ｍｍの領域は粗粒域であり、母材に近い幅約５ｍｍの領域は細粒域である。粗粒域でのクリープ損傷はＴｙｐｅＩＩＩ損傷、細粒域での損傷はＴｙｐｅＩＶ損傷と呼ばれる。ＨＡＺの主応力は板厚方向に分布し、一般に、主として寿命中期以降に、板厚内部の高応力部で多数の微小欠陥が発生する。微小欠陥は合体、成長を繰り返してき裂状欠陥に成長し、その大きさが高応力領域を逸脱すると、他のき裂状欠陥や微小欠陥と合体しながら低応力部を進展する。実機板厚は３０ｍｍ〜１００ｍｍ以上であり、進展に要する時間は数千から数万時間である場合が多い。余寿命評価のためには、微小欠陥の発生と合体、微小欠陥からき裂状欠陥への成長、および、き裂状欠陥の合体を伴う進展、の統一的な評価が必要である。
【０００７】
図２１に、ＴｙｐｅＩＩＩおよびＴｙｐｅＩＶ損傷の損傷進展の模式図を示した。それぞれ符号１０，１１が結晶である。ＴｙｐｅＩＩＩ損傷（粗粒域）の場合、損傷進展に伴い、結晶粒界に微小欠陥１２が発生、複数の微小欠陥１２が合体して一つの結晶粒界全体が一つのき裂状欠陥１３となる。寿命末期にはき裂状欠陥同士の合体が生じる。以下、便宜上粗粒結晶粒界上に微小欠陥発生単位があると考え、これをセルと表記する。
一方、ＴｙｐｅＩＶ損傷（細粒域）では、微小欠陥１４の大きさは結晶粒径にほぼ等しい。損傷進展により複数の微小欠陥１４が発生、合体しき裂状欠陥１５となり、これらがさらに発生と合体を繰り返し、複数のき裂状欠陥となる。
【０００８】
特願２００２−２４８９６０には細粒域のＴｙｐｅＩＶ損傷について損傷の進展を評価する技術が開示されている。
この評価方法では、高温配管の溶接部における結晶粒界モデルを作成し、図２２に基づき粒界破壊抵抗分布モデルの考え方に基づく微視損傷進展シミュレーションを実施している。
この損傷進展シミュレーションでは、各粒界モデル１６はそれぞれ破壊抵抗値Ｒを有している。各粒界モデル１６には、応力σによって定められるき裂発生駆動力Ｆが作用しており、き裂が生じていない段階では、粒界破壊駆動力をＤとすると、損傷の進行速度ｄＲ／ｄｔ＝−Ｄ＝−Ｆである。
時間が経過するにつれ損傷が進行し、粒界の破壊抵抗値Ｒが負（Ｒ＜０）になると、粒界が破壊しき裂が発生する。このき裂に隣接する粒界では、粒界破壊駆動力Ｄは、き裂発生駆動力Ｆと、き裂伝播駆動力Ｋと粒界に隣接するき裂長さａとの積との和に等しい（Ｄ＝Ｆ＋ａ・Ｋ）。
時間を進めていくと、徐々にき裂数が増加したり、個々のき裂の長さが長くなったりする。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−１６８８５３号公報
【非特許文献１】
多田直哉、他２名、「材料」第４５巻、第１号、１９９６年１月、ｐｐ．１１０−１１７
【非特許文献２】
多田直哉、他３名、「材料」第４６巻、第１号、１９９７年１月、ｐｐ．３９−４６
【非特許文献３】
川島扶美子、他４名、「微視損傷進展を考慮した低合金鋼溶接部のクリープ寿命評価法の検討」、第３８回高温強度シンポジウム  前刷集、２０００年１２月８日、ｐ．１０９
【非特許文献４】
川島扶美子、他４名、「微視損傷進展を考慮した溶接継手のクリープ寿命評価法の検討」、第３９回高温強度シンポジウム  前刷集、２００１年１２月１３日、ｐ．８０
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、複数の微視損傷が発生、合体、成長を繰り返す損傷形態（多場所発生形損傷）について、図２１（ｂ）のＴｙｐｅＩＶ損傷のように、微小欠陥が粒界上に発生し、かつ粒界とほぼ同サイズの場合には、特開２００２−１６８８５３号の方法などで損傷進展を評価可能である。
しかし、図２１（ａ）ＴｙｐｅＩＩＩ損傷のように、発生する欠陥が粒界より小さい場合については評価することができなかった。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、ＨＡＺ粗粒域または欠陥が結晶粒や結晶粒界より小さい場合においても損傷進展を評価することができる金属材料の損傷評価方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の金属材料の損傷評価方法は、金属材料の結晶粒界をモデル化し、該結晶粒界のモデルを、前記金属材料の粒界に発生しうる微小欠陥の大きさの計算単位に分割して、該計算単位ごとに損傷の進展を計算することを特徴とする。
【００１３】
この発明においては、結晶粒界を微小欠陥の発生単位（セル）に分割することにより、粒界より小さい微小欠陥の発生を計算することができ、粒界上で進展する損傷の評価が可能となる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の金属材料の損傷評価方法において、前記各微小欠陥の発生単位が有する破壊抵抗初期値の分布を損傷初期における微小欠陥数の試験結果から求め、該分布に基づいて前記各計算単位に破壊抵抗初期値を与えて損傷の進展を計算することを特徴とする。
【００１５】
損傷の進展を評価するため、各計算単位に対して破壊抵抗初期値を与える。破壊抵抗初期値の分布形として、例えば正規分布など、ある分布の種類を仮定すると、実際の損傷を観察することにより、分布を推定することができる。例えば、分布の種類として正規分布を仮定した場合を考える。正規分布においては平均と標準偏差が分布形を決定する。粒界破壊抵抗値の平均と試験条件における変数Ｆとの比を、例えば０．５とおく。試験から得られた微小欠陥個数密度の時刻歴をこれに基づき整理することで、標準偏差が求まり、分布を推定することができる。
このようにして定まった破壊抵抗初期値の分布形に基づき、各計算単位に対してランダムに破壊抵抗初期値を与え、損傷進行の計算に用いる。
なお、微小欠陥個数密度の時刻歴は、実際の試験体から損傷初期での１ｍｍ２中に発生しうる微小欠陥の個数を観察して出す。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の金属材料の損傷評価方法において、あらかじめ試験体を観察することにより、結晶粒径の分布と、結晶粒界上に発生しうる微小欠陥の径の分布とを求め、これらのデータに基づいて前記結晶粒界モデルの作成と前記計算単位の分割を行うことを特徴とする。
【００１７】
この発明では、実際の試験体の粒径分布に基づいて結晶粒界モデルを作成するため、損傷の進展をより正確に推定することができる。
【００１８】
請求項４に記載の金属材料の損傷評価方法は、金属材料の結晶粒界モデルを用いて金属材料の損傷の進展を計算する金属材料の損傷評価方法において、前記結晶粒界モデル中の微小欠陥の長さの合計から該結晶粒界モデルの有効断面積を算出し、該有効断面積と前記結晶粒界モデルに作用する荷重から該結晶粒界モデルに作用する有効応力を算出することを特徴とする。
【００１９】
本発明においては、結晶粒界モデルを用いて損傷の進展を計算する際に有効応力に基づいた計算を行うことができる。すなわち、結晶粒界モデルに微小欠陥が生じると、その部分は応力を支持しなくなり、微小欠陥となっていない他の部位（有効断面積）が応力を支持するようになる。この部位に作用する応力（有効応力）の増加を評価することにより、余寿命を推定することが可能である。
なお、本発明の有効応力に基づく余寿命診断方法は、微小欠陥が粒界より小さい場合（一つの粒界モデルを複数の計算単位に分割する場合）に限らず、既存の細粒域（微小欠陥が粒界モデルとほぼ同程度の場合）や、その他の損傷評価法においても適用することができる。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の金属材料の損傷評価方法において、結晶粒界モデルに作用する有効応力とクリープ破断曲線とによって金属材料の余寿命を推定することを特徴とする。
【００２１】
クリープ破断曲線は、有効応力と余寿命との関係を表す曲線であり、試験体によるクリープ破断試験から推定することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態においては、粗粒結晶について損傷解析を可能にすべく、以下の手順に従い、粒界破壊抵抗分布モデルにより解析を行う。
粒界破壊抵抗分布モデルによる解析に必要なＨＡＺ粗粒域の材料特性は、結晶粒径［Ｌ］、微小欠陥のセル径［ｌ］、粒界破壊抵抗の初期値［Ｒ０］、微小欠陥の発生駆動力Ｆおよび成長駆動力係数Ｋである。これらを以下のようにして決定する。なお、［ｘ］はｘの集合を表す。
【００２３】
（１）［Ｌ］，［ｌ］の推定
まず、ＨＡＺ粗粒域と同じ結晶粒を再現した試験体を用意する。光学顕微鏡により、試験体中の粗粒の実体組織を観察し、結晶粒径［Ｌ］およびセル径［ｌ］を決定する。粗粒の結晶粒径［Ｌ］およびセル径［ｌ］は、光学顕微鏡により実体組織を観察し、これにより［Ｌ］、［ｌ］の分布形を得る。
【００２４】
（２）Ｆ、［Ｒ０］の推定
次に、試験体の微小欠陥個数密度の時刻履歴から［Ｒ０］の分布形およびＦを推定する。Ｆは温度・応力に依存し、これらの条件が一定なクリープ試験においてはＦは一定である。図１に示したように、あるセルに微小欠陥が隣接しない場合、このセルの粒界破壊抵抗Ｒの減少はＦのみに依存する。この微小欠陥に隣接しないセルが微小欠陥になる時刻をｔ１とおくと、このセルのＲ０は次式で表すことができる。
Ｒ０＝Ｆｔ１
したがって、時刻ｔ１には、Ｒ０＜Ｆｔ１であるセルが破損している。すなわち、時刻ｔ１における微小欠陥個数密度はＲ０＜Ｆｔ１であるセルの個数をあらわす。つまり、微小欠陥個数密度の時刻歴は、集合［Ｒ０］の累積分布をあらわす。図２にＲ０の分布を示したが、時刻ｔ１において斜線の部分は微小欠陥となっているセルであり、微小欠陥の数Ｎ１は、Ｒ０＜Ｆｔ１であるセルの個数である。時刻がｔ２となると、さらにＲ０が大きなセルも欠損となる。このように微小欠陥個数密度の時刻歴をとっていけば集合［Ｒ０］の累積分布が得られる。
しかしながら、「微小欠陥個数密度の時刻歴は、集合［Ｒ０］の累積分布をあらわす」ということは、上記のように微小欠陥同士が隣接していない状態においてのみ成り立ち、隣接する微小欠陥を有するセルのＲの減少にはＫとＦが影響するため、微小欠陥個数密度の時刻歴のみから直接［Ｒ０］の分布形を出すことは出来ない。そこで、Ｒ０の平均値とＦの比を任意の値（ここでは０．５）に決めてしまう。Ｒ０とＦとは相対的な関係にあるので問題は生じない。また、［Ｒ０］の分布形を、例えば正規分布のように、ある分布形に仮定すると、Ｒ０の平均と標準偏差がわかればＲ０の分布形を得ることができる。単位面積あたりに生じうる微小欠陥の総数が既知であれば、損傷初期における微小欠陥個数密度（単位面積あたりに生じた微小欠陥の個数）の時刻歴から平均値との比として標準偏差を求めることができる。Ｒ０の分布形が分かれば、ある一つの時刻における微小欠陥個数密度からＦを求めることができる。微小欠陥個数密度は、実際の試験体から損傷初期（損傷が大きく進む前の段階）での１ｍｍ２中に発生しうる微小欠陥の個数を観察して出す。
１ｍｍ２中に生じうる微小欠陥の総数は、組織観察から求めることが望ましいが、これが困難な場合には組織を単純化したモデルなどから推定する。
以上のようにして、［Ｒ０］の分布形と、Ｆが決まる。
【００２５】
（３）Ｋの推定
微小欠陥の発生を発生破壊駆動力Ｆで表し、微小欠陥の成長を、微小欠陥成長駆動力Ｋａで与えることとする（ａは微小欠陥の長さ）。
長さａの微小欠陥に隣接したセルが、微小時間ｄｔ後に微小欠陥になった場合、このセルの粒界破壊抵抗Ｒは（２）式で与えられる。
Ｒ＝ｄｔ（Ｆ＋Ｋａ）      …（２）
このセルの長さをｌとすると、ｌは微小時間ｄｔでの微小欠陥成長量であり、成長速度は（３）式で表される。
【００２６】
【数１】
2005003421.tif 000003
【００２７】
（２）式と（３）式とを用いることで、（４）式が得られる。
【００２８】
【数２】
2005003421.tif 000004
【００２９】
ｌ、Ｒ０としては、集合［ｌ］、［Ｒ０］の平均値を用い、また、Ｆとしては上記のように推定した値を用いた。成長速度としては、無限体中の単一き裂に対するＣ＊パラメータ、および成長速度とＣ＊パラメータの線形関係を仮定したき裂進展速度式を用いた。Ｃ＊は応力と材料のクリープ特性に依存する破壊力学パラメータである。
【００３０】
（４）余寿命の予測
以上のように決定されたデータを用いて、余寿命の予測を行う。
実機高温配管の板厚方向応力分布は、内圧による応力、溶金−ＨＡＺ−母材の材料不連続による拘束、および、ビードの凹凸に起因する局所的な応力集中が重畳し決定される。
また、クリープにより微小欠陥が発生すると、有効断面積が減少し、有効応力が増大すると考えられる。
本例におけるクリープ損傷と余寿命予測法は、ＦＥＭ弾性クリープ応力解析、粒界破壊抵抗分布モデルによる損傷解析、有効応力とクリープ破断曲線を用いた余寿命予測とを組み合わせている。予測手順を図３に示した。
【００３１】
○ステップ１
ＦＥＭ弾性クリープ解析を行い、構造的定常状態でのＨＡＺの応力分布を求める。クリープ材料特性の差及びビード形状のため、粗粒域と細粒域の応力分布は異なる。応力分布はベースの応力分布及びビード形状から求められる。ビード形状は損傷分布（実機の非破壊検査）、データベースから得る。
また、応力を管外面から管内面まで積分し、溶接線方向単位板厚あたりの荷重を求める。
【００３２】
○ステップ２
結晶粒を図４のように長方形でモデル化し、１次元結晶粒モデルを作成する。細粒域については各結晶粒を損傷進展の計算単位とするが、粗粒域については結晶粒界を分割してセルを損傷進展の計算単位とする。各結晶粒、各セルの大きさは、［Ｌ］、［ｌ］の平均と標準偏差を考慮して設定する。図４において、符号２０は細粒結晶粒界モデル、２１は粗粒結晶粒界モデル、２２は細粒の粒界、２３は粗粒の粒界、２４はセルである。一列の結晶粒界モデルを、厚さ方向外面から内面に渡って、複数の有限要素にまたがって設定する。さらに、図５に示した方向に３０列の並行な粒界モデルを作成し、溶接線方向（図４の紙面垂直方向）に存在する複数の粒界の列を再現する。図５において、符号２６は溶金、２７は母材、２８はＨＡＺである。列間の間隔は、結晶粒径［Ｌ］の平均と標準偏差に従って定める。粗粒域の各セル２４、及び、細粒域の各粒界２２には、それぞれ異なる粒界破壊抵抗Ｒの初期値Ｒ０を与える。［Ｒ０］の分布形は前記したように決定されているから、正規乱数を用いて各セル（粒界）にＲ０を与える。
【００３３】
○ステップ３
微小時間ｄｔにおける損傷進展を、粗粒各セル２４および細粒各粒界２２の破壊抵抗ＲをｄＲ／ｄｔ＝−（Ｆ＋Ｋａ）ずつ減少させることでシミュレーションする。微小欠陥発生駆動力Ｆおよび微小欠陥成長駆動力係数Ｋは温度と応力に依存し、ステップ１で求めた各ＦＥＭ要素の応力に基づいて定める。クリープ損傷の温度応力依存性は、ＦおよびＫの温度応力依存性により表現される。ａは、セル２４または粒界２２に隣接する欠陥の長さである。図６に時間とともに粒界破壊抵抗Ｒが減少する状態を示した。粒界破壊抵抗Ｒがゼロになったセル２４または粒界２２（図では細粒結晶粒界モデル２０の粒界２２）は微小欠陥３０になると考える。単位面積あたりの微小欠陥の数（微小欠陥個数密度）を、その時刻でのクリープ損傷の指標とする。この方法により、ステップ１の応力分布の下での微小欠陥個数密度の時間変化、すなわち損傷の時間変化が得られる。
【００３４】
○ステップ４
所定時間経過後は図７のように微小欠陥３０が複数生ずる。一列の結晶粒界において微小欠陥３０の長さを合計し、これを溶接幅方向３０列で平均したものを合計欠陥長さの平均値と定義する。合計欠陥長さの平均値を板厚ｔから引くことで、微小欠陥を除いた単位板厚あたりの有効断面積が求まる。単位板厚あたりの荷重と有効断面積から有効応力を求め、有効応力とクリープ破断曲線から、その時点での余寿命を求める。クリープ破断曲線を図８に示した。このクリープ破断曲線は別途実施した試験体によるクリープ破断試験から推定した。
【００３５】
以下、上記の損傷評価方法を用いた実施例について説明する。
図９〜図１３は本実施形態の評価法により、大型溶接継手について粗粒域、細粒域の損傷進展と余寿命を評価したものである。まず、ＦＥＭ弾性クリープ解析により、ＨＡＺの最大主応力分布を求めた。図９のように、ＨＡＺを粗粒域２層、細粒域５層にモデル化し、溶金に近い層から、Ｃｏａｒｓｅ１，Ｃｏａｒｓｅ２，Ｆｉｎｅ１〜５と番号をつけた。図１０にＣｏａｒｓｅ１とＦｉｎｅ５の応力分布を示す。
各層の応力分布を用いて、クリープ損傷および余寿命を評価した。合計欠陥長さを図１１に、有効応力を図１２に示す。さらに、有効応力とクリープ破断曲線から判断した余寿命を図１３に示す。ＨＡＺ細粒域の余寿命は６４００時間以後では粗粒より短く、約８４００時間でほぼゼロとなり破断すると予測され、試験結果（８３４５時間）とほぼ一致している。
【００３６】
図１４〜図１９は他の試験体として再熱蒸気管エルボにおける評価結果である。まず、上記の実施例と同様に、ＦＥＭ弾性クリープ解析により、ＨＡＺの最大主応力分布を求めた。ＦＥＭではＨＡＺを粗粒域２層、細粒域５層にモデル化した。図１５にＣｏａｒｓｅ１とＦｉｎｅ５の応力分布を示す。また図１６は推定された外表面の微小欠陥個数密度と試験結果との比較である。また、図１７、図１８、図１９は合計欠陥長さの平均値、有効応力、および余寿命評価結果である。余寿命評価の結果、２５００時間〜３０００時間でＨＡＺ粗粒域から破断すると予測され、試験結果（２９４７．５時間）とほぼ一致している。
【００３７】
以上のように、本実施形態の金属材料の損傷評価方法によれば、粗粒をセル単位に分割してモデル化することにより、粗粒の損傷進展を評価することができる。また、粗粒域に限らず、複数の欠陥が発生、合体、成長を繰り返す損傷形態の評価が可能であり、粒界モデルに作用する有効応力とクリープ破断曲線とにより、多場所発生型の損傷形態において余寿命を評価することができる。
なお、上記の実施形態においては粒界モデルをセルに分割した例としてＨＡＺ粗粒域に本発明を適用したものを示したが、ＨＡＺ粗粒域以外に欠陥が結晶粒や結晶粒界より小さい場合にも適用することができるのはいうまでもない。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の金属材料の損傷評価方法によれば、結晶粒界を微小欠陥の発生単位毎に分割してモデル化することにより、結晶の損傷進展を評価することができる。（請求項１〜３）
また、本発明によれば、粒界モデルに作用する有効応力を計算することにより、複数の欠陥が発生、合体、成長を繰り返す損傷形態の評価が可能である。（請求項４）
さらに、有効応力とクリープ破断曲線とを用いることにより、金属材料の余寿命を推定することができる。（請求項５）
【図面の簡単な説明】
【図１】粒界破壊抵抗の時間変化を示した図である。
【図２】粒界破壊抵抗初期値Ｒ０の分布を示した図である。
【図３】本実施形態における余寿命評価の手順である。
【図４】結晶粒をモデル化した粒界モデルである。
【図５】粒界モデルを複数列作成する方向について説明した図である。
【図６】時間経過による微小欠陥の発生について説明した図である。
【図７】微小欠陥を有する結晶粒界における有効断面積を求める方法について説明した図である。
【図８】有効応力により破断を判定するクリープ破断曲線について示した図である。
【図９】ＦＥＭ解析によるＨＡＺの状態を示した図である。
【図１０】本実施形態の評価法により得られた粗粒と細粒の応力分布である。
【図１１】合計欠陥長さの時間変化を示した図である。
【図１２】有効応力の時間変化を示した図である。
【図１３】有効応力とクリープ破断曲線から判断した余寿命を示した図である。
【図１４】ＦＥＭ解析によるＨＡＺの状態を示した図である。
【図１５】本実施形態の評価法により得られた粗粒と細粒の応力分布である。
【図１６】外表面の微小欠陥個数密度と試験結果とを比較した図である。
【図１７】合計欠陥長さの時間変化を示した図である。
【図１８】有効応力の時間変化を示した図である。
【図１９】有効応力とクリープ破断曲線から判断した余寿命を示した図である。
【図２０】ＴＯＦＤ法の測定原理を説明するための説明図である。
【図２１】（ａ）ＴｙｐｅＩＩＩおよび（ｂ）ＴｙｐｅＩＶ損傷の損傷進展の模式図である。
【図２２】微視損傷進展シミュレーションに使用される解析モデルについて時間変化を示した図である。
【符号の説明】
２０  細粒結晶粒界モデル
２１  粗粒結晶粒界モデル
２２  粒界（計算単位）
２３  粒界
２４  セル（計算単位）
２５  ＦＥＭ要素
２６  溶金
２７  母材
２８  ＨＡＺ
３０  微小欠陥
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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