(57)【要約】【課題】部材の初期損傷をより精度良く評価することができる部材の損傷評価方法を提供する。【解決手段】評価対象となる部材から試料を採取し試験片４を作成する試験片加工処理行程（ステップＳ１）と、作成した試験片４について高サイクル疲労特性を求める高サイクル疲労試験実施行程（ステップＳ２）と、試験片４の材料および破損回数を探知する部材破損回数探知行程（ステップＳ３）と、予め破損回数と内部欠陥度との相関および内部欠陥度と部材損傷度との相関を求めておき、予め求めておいたこれらの相関と部材破損回数探知行程で探知した破損回数とから得られる部材損傷度によって部材の損傷の程度を評価する部材損傷評価行程（ステップＳ４）とを備える部材の損傷評価方法を提供する。【選択図】  図２
2005098907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
評価対象となる部材から試料を採取し試験片を作成する試験片加工処理行程と、
作成した試験片について高サイクル疲労試験を行い、高サイクル疲労特性を求める高サイクル疲労試験実施行程と、
試験片の材料および前記疲労試験における破損回数を探知する部材破損回数探知行程と、
予め破損回数と内部欠陥度との相関、内部欠陥度と前記試験片材料のクリープ破断時間との相関および内部欠陥度と部材損傷度との相関を求めておき、予め求めておいたこれらの相関と前記部材破損回数探知行程で探知した破損回数とから得られる部材損傷度によって部材の損傷の程度を評価する部材損傷評価行程とを備えることを特徴とする部材の損傷評価方法。
【請求項２】
前記高サイクル疲労試験実施行程で求める高サイクル疲労特性は、試験時の応力振幅を応力振幅のかけ得る最小値以上前記試験片の材料の耐力以下とすること、応力振幅のかけ得る最小値以上前記試験片の材料の引張強さの２／３以下とすることおよび前記試験片の材料が損傷を受けていない状態において破損回数を１０７回以上１０１０回以下とすることの少なくとも１以上を満たす条件において試験を実施して求められることを特徴とする請求項１記載の部材の損傷評価方法。
【請求項３】
前記部材損傷評価行程において得られる部材損傷度は、部材のクリープ損傷、粒界脆化、鋳造欠陥の少なくともいずれかを評価することを特徴とする請求項１記載の部材の損傷評価方法。
【請求項４】
前記内部欠陥度は、微小内部欠陥の有無、微小内部欠陥の面積、微小内部欠陥の個数、組織欠陥面積率、組織欠陥数量率、破断面における面積欠陥分布、破断面における数量欠陥分布の少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１記載の部材の損傷評価方法。
【請求項５】
前記内部欠陥度は、微小内部欠陥の有無、微小内部欠陥の面積、微小内部欠陥の個数、組織欠陥面積率、組織欠陥数量率、破断面における面積欠陥分布、破断面における数量欠陥分布の少なくともいずれかを材料特性および機械的特性の少なくとも一方で規格化した規格化パラメータであることを特徴とする請求項１記載の部材の損傷評価方法。
【請求項６】
前記材料特性および機械的特性は、化学成分、ヤング率、ポアソン比、硬さ、引張強度、耐力、脆化度、衝撃特性、クリープ特性、疲労特性であることを特徴とする請求項５記載の部材の損傷評価方法。
【請求項７】
部材から試料を採取する試料採取手段と、
作成した試料から加工して試験片を作成する試験片作成手段と、
作成された試験片を用いて高サイクル疲労試験を実施する高サイクル疲労試験実施手段と、
部材の断面を観察し、ミクロ形態の画像を取得するミクロ形態画像取得手段と、
前記試験における破損回数を取得し、予め求めておいた破損回数と内部欠陥度との相関、内部欠陥度と前記試験片材料のクリープ破断時間との相関および内部欠陥度と部材損傷度との相関を用いて部材の損傷程度を評価する部材損傷評価手段とを具備することを特徴とする部材損傷評価システム。
【請求項８】
前記高サイクル疲労試験実施手段は、前記試験片等の部材に応力振幅負荷を加えるべく駆動する駆動部を有する負荷手段を備え、前記駆動部を超磁歪材料を用いて構成することを特徴とする請求項７記載の部材損傷評価システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部材の損傷評価方法に係り、特に、空孔（キャビティ、ボイド）、粒界脆化などの内部欠陥を有する部材の損傷評価をデータの収集が比較的容易な高サイクル疲労特性との相関により損傷を評価する損傷評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、高温機器部品の経年使用による損傷は、クリープを始めとする各特性の変化を把握することにより評価しており、硬さや組織の変化を基にして部材の損傷を評価する損傷評価方法が用いられている。例えば、特性の変化に基づく部材の損傷を評価する損傷評価方法についての公知技術としては、特開平９−７２８９７号公報（組織観察による損傷評価法（特許文献１参照））がある。
【０００３】
一方、金属内部の損傷評価を行う公知技術としては、例えば、特開２００３−１４７０５号公報（特許文献２参照）のようにフェーズドアレイ法による損傷評価方法を応用した技術はある。しかし、直接的に組織の断面を観察しないため、超音波エコーの検出精度や測定環境によっては損傷の検出精度が低下して初期損傷の評価精度が低下することも起こり得る。
【特許文献１】特開平９−７２８９７号公報
【特許文献２】特開２００３−１４７０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
組織の変化に基づく損傷評価法は広く用いられている一般的な方法であるが、補修・交換作業の必要性を判断する根拠とするには、初期損傷の程度をより正確に把握する必要がある。しかしながら、従来の損傷評価方法では、初期損傷評価に対する精度を十分に得ることは困難であり、補修・交換作業の必要性を判断する根拠とするには、初期損傷評価を含めたより高精度な損傷評価方法が必要である。
【０００５】
特に、発電プラント等に用いられる蒸気タービンやガスタービンなどの回転構造部材には、回転に伴う遠心力や作動流体である蒸気流や燃焼ガス流の衝突によるねじりや曲げなどの力による機械的な応力が繰り返し負荷されており、これらの力（応力）による疲労損傷がこの構造部材の寿命に大きく影響を与えている。一方、作動流体そのものである蒸気や燃焼ガスなどは５００℃を超える高温であるため、これらの構造部材の材料にはクリープによる損傷も加わることになる。そして、蒸気タービンやガスタービンの寿命はこのクリープによる損傷が支配的であることが判明している。すなわち、これらの構造部材の損傷評価を行うに際しては、クリープ損傷を正確に評価することが重要であることになる。しかし、前述のようにクリープ損傷を正確に把握することは現状では非常に難しく、その精度もあまり高くない。
【０００６】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたものであり、クリープ損傷と破壊形態がほぼ同一である高サイクル疲労強度に着目し、この高サイクル疲労試験で得られた情報、特に結晶組織を観察することにより得られる情報に基づいてクリープ損傷を正確に予測し、部材の初期損傷をより精度良く評価し得る部材の損傷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】
【０００７】
本発明に係る部材の損傷評価方法は、上述した課題を解決するため、請求項１に記載したように、評価対象となる部材から試料を採取し試験片を作成する試験片加工処理行程と、作成した試験片について高サイクル疲労試験を行い、高サイクル疲労特性を求める高サイクル疲労試験実施行程と、試験片の材料および前記疲労試験における破損回数を探知する部材破損回数探知行程と、予め破損回数と内部欠陥度との相関、内部欠陥度と前記試験片材料のクリープ破断時間との相関、および内部欠陥度と部材損傷度との相関を求めておき、予め求めておいたこれらの相関と前記部材破損回数探知行程で探知した破損回数とから得られる部材損傷度によって部材の損傷の程度を評価する部材損傷評価行程とを備えることを特徴とする。
【０００８】
上述した課題を解決するため、本発明に係る部材の損傷評価方法は、請求項２に記載したように、前記高サイクル疲労試験実施行程で求める高サイクル疲労特性は、試験時の応力振幅を応力振幅のかけ得る最小値以上前記試験片の材料の耐力以下とすること、応力振幅のかけ得る最小値以上前記試験片の材料の引張強さの２／３以下とすることおよび前記試験片の材料が損傷を受けていない状態において破損回数を１０７回以上１０１０回以下とすることの少なくとも１以上を満たす条件において試験を実施して求められることを特徴とする。
【０００９】
また、上述した課題を解決するため、本発明に係る部材の損傷評価方法は、請求項３に記載したように、前記部材損傷評価行程において得られる部材損傷度は、部材のクリープ損傷、粒界脆化、鋳造欠陥の少なくともいずれかを評価することを特徴とする。
【００１０】
さらに、上述した課題を解決するため、本発明に係る部材の損傷評価方法は、請求項４に記載したように、前記内部欠陥度は、微小内部欠陥の有無、微小内部欠陥の面積、微小内部欠陥の個数、組織欠陥面積率、組織欠陥数量率、破断面における面積欠陥分布、破断面における数量欠陥分布の少なくともいずれかであることを特徴とする。
【００１１】
さらにまた、上述した課題を解決するため、本発明に係る部材の損傷評価方法は、請求項５に記載したように、前記内部欠陥度は、微小内部欠陥の有無、微小内部欠陥の面積、微小内部欠陥の個数、組織欠陥面積率、組織欠陥数量率、破断面における面積欠陥分布、破断面における数量欠陥分布の少なくともいずれかを材料特性および機械的特性の少なくとも一方で規格化した規格化パラメータであり、前記材料特性および機械的特性は、請求項６に記載したように化学成分、ヤング率、ポアソン比、硬さ、引張強度、耐力、脆化度、衝撃特性、クリープ特性、疲労特性であることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る部材損傷評価システムは、上述した課題を解決するため、請求項７に記載したように、部材から試料を採取する試料採取手段と、作成した試料から加工して試験片を作成する試験片作成手段と、作成された試験片を用いて高サイクル疲労試験を実施する高サイクル疲労試験実施手段と、部材の断面を観察し、ミクロ形態の画像を取得するミクロ形態画像取得手段と、破損回数を取得し、予め求めておいた破損回数と内部欠陥度との相関、内部欠陥度と前記試験片材料のクリープ破断時間との相関および内部欠陥度と部材損傷度との相関を用いて部材の損傷程度を評価する部材損傷評価手段とを具備することを特徴とする。
【００１３】
上述した課題を解決するため、本発明に係る部材の損傷評価方法は、請求項８に記載したように、前記高サイクル疲労試験実施手段は、前記試験片等の部材に応力振幅負荷を加えるべく駆動する駆動部を有する負荷手段を備え、前記駆動部を超磁歪材料を用いて構成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る部材の損傷評価方法によれば、従来の損傷評価方法に比べて、十分な精度を得ることが困難であった部材の損傷初期においても、高精度に評価できる。従って、内部損傷を精度良く検出し評価することが可能となり、内部損傷、すなわち微小なクラック等が伸展して破損に至るような部品に対して適切な補修・交換時期を把握して適切な補修・交換を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に本発明に係る部材の損傷評価システムおよび損傷評価方法の実施の形態について、添付の図面を用いて説明する。
【００１６】
本発明の部材の損傷評価方法は、高サイクル疲労寿命が評価対象物内に存する空孔、キャビティ、ボイド、粒界の欠陥（以下、内部欠陥とする）に影響する特性を利用して部材の評価を行うものであり、高サイクル疲労寿命と内部欠陥の程度を示す内部欠陥度との相関および高サイクル疲労寿命と部材の損傷の程度を示す部材損傷度との相関を予め実験により求めておき、求めた相関を用いて部材の損傷を評価するものである。
【００１７】
ここで、疲労とは、周期的に変動する繰り返し応力を受けたとき、それが静的な引張り強さや降伏点（金属材料において、弾性域と塑性域とり境界点）よりも小さくても破壊に至る現象で、各種材料はもちろん、構造物にとっても極めて重要な特性である。そして、降伏点以下の応力を繰り返し負荷し、寿命を調査する試験を高サイクル疲労試験と呼び、一方、降伏点以上の大きな応力や塑性ひずみを繰り返し負荷して、１０万回以下の低い繰り返し数で破壊させる場合を低サイクル疲労試験という。
【００１８】
これらの２つの疲労試験においては材料の破壊状況が異なる。すなわち、高サイクル疲労試験では、内部の欠陥が起点となり最終的に破壊に至るものであるが、低サイクル疲労試験では、材料表面から亀裂が生じてそれが内部に伸展して最終的に破壊に至るものである。
【００１９】
これらの試験データは、主にＳ−Ｎ線図（ここではＳは応力を、Ｎは繰り返し回数をそれぞれ表す）が用いられるのが一般的である。
【００２０】
図１に本発明に係る部材の損傷評価方法を実施するシステム（以下、部材損傷評価システムとする）の一実施例について構成概略を表した構成概略図を示す。
【００２１】
図１に示す部材損傷評価システム１は、部材から試料を採取する試料採取手段としての試料採取装置３と、作成した試料から加工して試験片４を作成する試験片作成手段としての試験片作成装置５と、作成された試験片４を用いて高サイクル疲労試験を実施する高サイクル疲労試験実施手段としての高サイクル疲労試験実施装置６と、部材の断面を観察し、ミクロ形態の画像を取得するミクロ形態画像取得手段としてのミクロ形態画像取得装置７と、部材の損傷程度を評価する部材損傷評価手段としての部材損傷評価装置８とを具備する。
【００２２】
部材損傷評価システム１の試料採取装置３は、実機構造部材に与える影響を最小限に抑えるべく、試料の採取の際には必要最小限の試料のみを採取できるように構成されている。また、試料採取装置３が採取する試験片４は必要最小限の微小な試料であることから、試料採取装置３、試験片作成装置５および高サイクル疲労試験実施装置６は、小型化されており、人力または人力により駆動する運搬道具を用いて運搬することができる。
【００２３】
高サイクル疲労試験実施装置６は、疲労試験において試験片４に応力振幅負荷を加えるべく駆動する駆動部９を有する負荷手段１０と、試験を実施した際の実験パラメータや実験結果等の試験に関わる各種情報（以下、試験情報とする）を電子情報として部材損傷評価装置８に出力する試験情報出力手段１１とを備える。
【００２４】
高サイクル疲労試験実施装置６における負荷手段１０の駆動部９は、試験時間を短縮しつつ高サイクル疲労試験データを得る目的から、材料として微小変位・荷重の検出精度に優れており、かつ、高周波数での繰返し負荷を加えられるように例えば超磁歪材料を用いた駆動機構で構成される。また、試験情報出力手段１１は、入力された材料の種類や試験実施時の温度等の実験パラメータおよび試験を実施して取得した試験結果を含む試験情報を電子情報として部材損傷評価装置８に出力することができる。
【００２５】
ミクロ形態画像取得装置７は、試験片４等の観察対象物の組織構造を結晶レベルで観察でき、観察できる組織構造をミクロ形態画像（図６および図７に一例を図示）として取得することができる。
【００２６】
高サイクル疲労試験実施装置６と部材損傷評価装置８とは、有線または無線で電気的に接続されており、部材損傷評価装置８は、高サイクル疲労試験実施装置６から出力される電子情報を受信して、受信した電子情報を保存して利用することができる。また、部材損傷評価装置８には、電子データを記録し保存する電子情報記録手段１２と、損傷評価結果等の情報を表示する表示手段１３と備え、電子情報記録手段１２には、部材の損傷を評価するために予め作成された部材の破損回数（高サイクル疲労寿命）と内部欠陥の程度を示す内部欠陥度との相関情報を有する損傷評価データベース（以下、データベースをＤＢとする）１４が格納されている。
【００２７】
このように構成される部材損傷評価システム１によれば、試料採取装置３、試験片作成装置５および高サイクル疲労試験実施装置６を小型化し、人力または人力により駆動する運搬道具を用いて運搬することができるように構成しているので、大型部材等の運搬することが困難な評価対象物に対しても部材損傷評価システム１を用いて損傷評価を行うことができる。
【００２８】
また、高サイクル疲労試験実施装置６が備える負荷手段１０の駆動部９は、その駆動機構に超磁歪材料を用いて構成されるため、微小変位・荷重の検出精度に優れ、かつ、高周波数での繰返し負荷をかけることができる。従って、従来方法と比べ、破壊試験による方法と同程度の損傷評価精度を得ることができ、かつ、非破壊試験による方法と匹敵する試験時間、すなわち、従来破壊試験の１／５〜３／５程度の短い試験時間で高サイクル疲労試験データを得ることができる。
【００２９】
次に、本発明に係る部材の損傷評価方法を図２を用いて処理行程を追って説明する。
【００３０】
図２は本発明に係る部材の損傷評価方法を実施する部材損傷評価手順について処理行程を追って説明した処理フロー図である。
【００３１】
図２に示される部材損傷評価手順は、図１に示す部材損傷評価システム１を用いて実施される。図２に示す処理フロー図によれば、本発明に係る部材の損傷評価方法を実施する部材損傷評価手順では、評価対象となる部材から試料を採取し試験片４を作成する試験片加工処理行程（ステップＳ１）と、作成した試験片４について高サイクル疲労特性を求める高サイクル疲労試験実施行程（ステップＳ２）と、試験片４の材料および破損する回数（以下、破損回数とする）を探知する部材破損回数探知行程（ステップＳ３）と、予め破損回数と内部欠陥度との相関および内部欠陥度と部材損傷度との相関を求めておき、予め求めておいたこれらの相関と部材破損回数探知行程で探知した破損回数とから得られる部材損傷度によって部材の損傷の程度を評価する部材損傷評価行程（ステップＳ４）とを備える。
【００３２】
部材損傷評価手順として最初に実施する試験片加工処理行程（ステップＳ１）では、評価対象となる部材から試料を採取し試験片４を作成する。本実施形態においては、部材からの試料の採取は、図１に示す試料採取装置３が実施し、採取した試料を加工して試験片４を作成するのは、試験片作成装置５が実施する。つまり、試料採取手段としての試料採取装置３および試験片作成手段としての試験片作成装置５が試験片加工処理行程を実施する。
【００３３】
試料採取装置３は、実機構造部材における損傷評価を行うことを前提に考え、実機構造部材に与える影響を最小限に抑えるべく、試料の採取の際には必要最小限の試料のみを採取する。そして、試験片作成装置５が採取した試料を加工して試験片４を作成する。試験片４の作成が完了すると、ステップＳ１を完了して次のステップＳ２に進む。そして、ステップＳ２で高サイクル疲労試験実施行程を行う。
【００３４】
ステップＳ２で高サイクル疲労試験実施行程では、作成した試験片４に対して、高サイクル疲労試験を実施して試験片４の採取元である部材の高サイクル領域における疲労特性（以下、高サイクル疲労特性とする）を求める。本実施形態においては、図１に示す高サイクル疲労試験実施手段６が高サイクル疲労試験実施行程を実施する。
【００３５】
高サイクル疲労試験実施時には、材料名や試験片４に加える応力振幅（振幅の中央値）σａ等の必要な情報を高サイクル疲労試験実施装置６に入力し設定する。
【００３６】
本実施行程では、内部欠陥が伸展して破断に至る高サイクル疲労試験となるようにσａを設定することを前提としているが、様々な材料の試験片４に対して試験を実施した結果を考慮して以下に示す条件（１）〜（３）でσａを設定すれば、ほとんどの材料で高サイクル疲労試験となるようなσａを設定できる。従って、本実施行程では、以下に示す条件（１）〜（３）でσａを設定し、高サイクル疲労試験とならない場合については、高サイクル疲労試験となるようにσａを再設定した後、試験を実施する。
【００３７】
３つのσａの設定条件について説明すると、図３に示す引張特性によって得られる物理量を用いて定義した設定条件が２つ、図４に示す疲労特性によって得られる特徴から破損回数を用いて定義した設定条件が１つある。
【００３８】
部材の引張特性によって得られる物理量を用いて定義したσａの設定条件としては、引張強さσｂを用いて定義する第１の設定条件と、耐力σｙとを用いて定義する第２の設定条件とがあり、第１のσａ設定条件は、下記の式（１）、第２のσａ設定条件は、下記の式（２）を満足することである。
【００３９】
［数１］
０＜σａ≦２／３σｂ  ……（１）
０＜σａ≦σｙ        ……（２）
【００４０】
次に、第３のσａ設定条件は、図４に示す疲労特性において、図中左方の低サイクル領域（破損回数が少ない）側の直線Ａと図中右方の高サイクル領域（破損回数が多い）側の直線Ｂとの交点における破損回数が１０７回程度になることを考慮し破損回数Ｎを１０７以上となるようにσａを設定することである。
【００４１】
また、破損回数Ｎは、材料によりばらつきがあるため、確実に高サイクル疲労試験となるσａを設定するためにはできるだけ多くすることが望ましい。過去の実験データや経験則から破損回数Ｎを１０１０回とすれば、確実性を十分担保できる。しかし、むやみに破損回数Ｎを多くすることは試験時間の長期化につながり、試験時間短縮化の観点からすると好ましくない。そこで、本実施例では、確実性および時間短縮化の要請を両立するべく破損回数Ｎを１０９回以下としている。従って、第３のσａ設定条件は、下記の式（３）に示す関係式を満足することである。
【００４２】
尚、前述したように、通常、低サイクル疲労特性とは破損回数が１０５回程度までを、また高サイクル疲労とは破損回数が１０８回程度までを言うが、本発明では、より材料の疲労特性を正確に把握するために、最大１０１０回までを高サイクル疲労としている。
【００４３】
［数２］
１０７≦Ｎ≦１０１０      ……（３）
【００４４】
尚、本来から言えば、σａをＮの関係式で示すべきであるが、そのようにすると、関係式の記載が複雑になるので、ここでは、記載を簡略化するためにＮのみを用いた関係式で第３のσａ設定条件を示している。
【００４５】
上記に示した式（１）〜（３）の少なくとも１つを満足する範囲においては、空孔（キャビティ、ボイド）、粒界脆化を始めとする内部欠陥の影響を受けるため、これらの相関を利用した損傷評価が可能である。従って、上記に示した式（１）〜（３）の少なくとも１つを満足するようにσａの設定条件をとれば、ほとんどの場合で、高サイクル疲労試験を実施することができσａを設定する時間を短縮できる。σａを設定して高サイクル疲労試験を開始し試験が終了すると、ステップＳ２の高サイクル疲労試験実施行程は完了し、続いてステップＳ３で部材破損回数探知行程がなされる。
【００４６】
部材破損回数探知行程（ステップＳ３）では、高サイクル疲労試験終了結果から試験片４の材料種類および破損回数を探知する。本実施形態において材料種類および破損回数の探知は、図１に示す部材損傷評価装置８が高サイクル疲労試験実施装置６から出力される試験情報を取得することで、試験片４の材質が何か、そして、破損回数が何回であったかを探知する。部材損傷評価装置８が試験片４の材料種類および破損回数を探知すると、部材破損回数探知行程は完了し、続いてステップＳ４で部材損傷評価行程を行う。
【００４７】
部材損傷評価行程（ステップＳ４）では、予め求めた部材の破損回数（高サイクル疲労寿命）と内部欠陥度との相関および内部欠陥度と損傷の程度を示す部材損傷度との相関を用いることによって、探知した破損回数および部材の種類から部材の損傷の程度を評価する。本実施形態では、図１に示す部材損傷評価装置８が部材損傷評価行程を実施する。
【００４８】
本実施形態における部材損傷評価行程を具体的に説明すると、まず、部材損傷評価装置８が損傷評価ＤＢ１４を参照し、入力された試験片４の材料種類および破損回数から内部欠陥度を求める。そして、求めた内部欠陥度から損傷の程度を示す部材損傷度を計算して出力する。
【００４９】
尚、損傷評価ＤＢ１４に格納される部材の破損回数（高サイクル疲労寿命）と内部欠陥度との相関情報および内部欠陥度と部材損傷度との相関情報は、ステップＳ２の高サイクル疲労試験実施行程とは関係ない疲労試験を実施して部材の破損回数（高サイクル疲労寿命）の情報を取得したり、疲労試験前後の部材の組織を観察して内部欠陥度の情報を取得したりすることでなされる。
【００５０】
部材の破損回数（高サイクル疲労寿命）と内部欠陥度との相関情報は、まず、事前に高サイクル疲労試験を実施する前に部材の組織を観察し、内部欠陥度情報を取得する。続いて、高サイクル疲労試験を実施して破損回数（高サイクル疲労寿命）情報を取得する。その後、高サイクル疲労試験実施後の部材の組織を観察し、高サイクル疲労試験実施前の観察で取得できなかった内部欠陥度情報を取得する。
【００５１】
また、内部欠陥度と部材損傷度との相関情報についても、部材の破損回数（高サイクル疲労寿命）と内部欠陥度との相関情報を取得する場合と同様にして得ることができる。破損回数は、言わば、残り寿命であるから、例えば、内部欠陥がない場合の部材損傷度を０％、破損に至った場合を１００％とした部材損傷度を規定することにより部材損傷度を得ることができ、観察結果と対応付けることにより内部欠陥度と部材損傷度との相関情報を取得できる。
【００５２】
これらの取得された相関情報に基づき、予め損傷評価ＤＢ１４を作成しておき、予め作成した損傷評価ＤＢ１４を部材損傷評価装置８が参照し得るように部材損傷評価システム１を構成することによって、高サイクル疲労試験での破損回数がわかれば、部材の損傷度を求めることができ、部材の損傷を評価することができる。
【００５３】
図５に損傷評価ＤＢ１４が保有するデータより導出される破損回数（高サイクル疲労寿命）と内部欠陥度との相関を表す説明図を示す。
【００５４】
内部欠陥度とは、具体的には、（Ｉ）微小内部欠陥の有無、（II）微小内部欠陥の面積、（III）微小内部欠陥の個数、（IV）組織欠陥面積率、（Ｖ）組織欠陥数量率、（VI）試験片４の破断面における面積欠陥分布、（VII）試験片４の破断面における数量欠陥分布、（VIII）上記（Ｉ）〜（VII）を材料特性または機械的特性で規格化した値（以下、規格化パラメータとする）の８つうちのいずれかのパラメータである。
【００５５】
また、図６に部材内部の組織の一部を拡大したミクロ形態画像１６を概略的に表した概略図、図７に高サイクル疲労試験において破損した試験片４の破損箇所における断面（以下、破面とする）１７におけるミクロ形態画像（以下、破面ミクロ形態画像とする）１８を概略的に表した概略図を示し、図６および図７を参照して内部欠陥度の具体的な各種パラメータについて説明する。
【００５６】
上記（Ｉ）〜（Ｖ）のパラメータは、高サイクル疲労試験実施前に試験片４のミクロ形態画像１６を取得して観察することで取得でき、（VI）〜（VII）のパラメータは、高サイクル疲労試験後に破面ミクロ形態画像１８を取得し観察することで取得できる。
【００５７】
内部欠陥度の各パラメータについて説明すると、（Ｉ）微小内部欠陥の有無とは、図６に示すように結晶２０と結晶２０との境界、すなわち、粒界に生じる微小な内部欠陥（以下、微小内部欠陥とする）２１が存在するか否かを示すものである。この微小内部欠陥２１は、鋳造時による初期欠陥や、経年使用による劣化により生じるものであり、微小内部欠陥２１の有無は、破損回数（高サイクル疲労寿命）に影響する。
【００５８】
（II）微小内部欠陥の面積とは、微小内部欠陥２１の面積である。面積の算出は、取得したミクロ形態画像１６における微小内部欠陥２１の面積（複数あれば全ての合計面積）に基づいて算出される。さらに、（III）微小内部欠陥の個数とは、取得したミクロ形態画像１６において観察した際の微小内部欠陥２１を有する粒界の個数（以下、微小内部欠陥粒界数とする）を数えたものである。
【００５９】
尚、（Ｉ）微小内部欠陥の有無、（II）微小内部欠陥の面積、（III）微小内部欠陥の個数については、観察する際の視野、ミクロ形態画像の倍率、観察する画像の数を常に一定としておかなければならない。さもなくば、基準となるものが変化してしまい有効なＤＢの作成ができないからである。
【００６０】
（IV）組織欠陥面積率とは、観察を行った総面積に対する微小内部欠陥２１の面積の割合を示すパラメータであり、
［数３］
微小内部欠陥の面積／総面積  ……（４）
で求められる。また、（Ｖ）組織欠陥数量率とは、観察を行った総面積において、観察された総粒界数に対する微小内部欠陥数の割合を示すパラメータであり、
［数４］
微小内部欠陥粒界数／観察された総粒界数  ……（５）
で求められる。
【００６１】
このように（IV）組織欠陥面積率および（Ｖ）組織欠陥数量率については、単位面積当たりの微小内部欠陥面積または単位個数当たりの微小内部欠陥粒界数とすることによって、観察する面積を任意の一定値とする必要がないので、（IV）組織欠陥面積率および（Ｖ）組織欠陥数量率については、先に述べた（Ｉ）〜（III）のパラメータよりも利便性が高い。
【００６２】
（VI）試験片４の破面１７における面積欠陥分布とは、観察を行った破面１７の総面積に対して、破壊された結晶粒部分（以下、粒界破壊部とする）２３の面積の割合を示すパラメータである。
【００６３】
図７に示されるように高サイクル疲労による破面１７の疲労破壊起点部２４は材料の肉厚内部で生じる特性を持っている。疲労破壊起点部２４を詳細に見ると、粒界破壊部２３と粒界破壊が見られない非粒界破壊部２５とからなっており、疲労破壊起点部２４における粒界破壊部２３および非粒界破壊部２５の観察を行うことにより面積欠陥分布を求める。面積欠陥分布は、高サイクル疲労試験後の破面１７における粒界破壊部２３の面積と非粒界破壊部２５の面積とを合わせた総面積に対する粒界破壊部２３の面積の割合を示すパラメータであり、
［数５］
粒界破壊部の面積／観察した総面積  ……（６）
によって得られる。
【００６４】
また、（VII）試験片４の破面１７における数量欠陥分布とは、（VI）試験片４の破面１７における面積欠陥分布における面積を数量に置換したものであり、破面１７において観察を行った総粒界数（＝粒界破壊部２３の個数＋非粒界破壊部２５の個数）に対する粒界破壊部２３の個数の割合を示すパラメータであり、
［数６］
粒界破壊部の個数／観察した総粒界数  ……（７）
で求められる。
【００６５】
例えば、図５において、横軸に部材の破損回数（高サイクル疲労寿命）、縦軸に（III）微小内部欠陥数を設定した関係を用いる場合、破損回数（高サイクル疲労寿命）が短くなると微小内部欠陥の個数は増加していることとなり、損傷が大きいと判断できる。もちろん、上記（Ｉ）〜（VIII）のパラメータについて（III）のパラメータ以外でも同様の結果を得ることができる。
【００６６】
（VIII）上記（Ｉ）〜（VII）を材料特性または機械的特性で規格化した値、すなわち、規格化パラメータは、上記（Ｉ）〜（VII）のパラメータを、例えば、部材に含有される化学成分、ヤング率、ポアソン比等の材料特性または、硬さ、引張強度、耐力、脆化度、衝撃特性、クリープ特性、疲労特性等の機械的特性を用いて規格化することによって得られる。このような規格化したパラメータを用いる利点は、損傷評価ＤＢ１４に部材の破損回数（高サイクル疲労寿命）と内部欠陥度として上記（Ｉ）〜（VII）のパラメータとの相関情報が格納されていない材料についても損傷評価ができる点にある。
【００６７】
例えば、（VIII）規格化パラメータとして、縦軸に微小内部欠陥面積を硬さで規格化した値を設定して用いる場合、高サイクル疲労寿命が短くなると、規格化パラメータは増加していることとなり、損傷が大きいと判断できる。
【００６８】
図８は、内部欠陥度とクリープ破断時間との関係を示した説明図である。
【００６９】
損傷評価ＤＢ１４には、予め各材料毎にクリープ試験から得られたクリープ破断時間とその時の内部欠陥度の相関関係を示すデータが格納されている。すなわち、予め行なわれるクリープ試験においても、前記高サイクル疲労試験と同様に、内部欠陥度を示す指標である前記（Ｉ）微小内部欠陥の有無、（II）微小内部欠陥の面積、（III）微小内部欠陥の個数、（IV）組織欠陥面積率、（Ｖ）組織欠陥数量率、（VI）試験片４の破断面における面積欠陥分布、（VII）試験片４の破断面における数量欠陥分布、（VIII）（Ｉ）〜（VII）を材料特性または機械的特性で規格化した値、を求めデータベース化する。但しこのデータは、前記部材損傷評価システム１内で行う試験ではなく、評価システム１を稼動させる際に予め損傷評価ＤＢ内に格納準備しておくデータである。
【００７０】
すなわち、損傷評価を行う材料から採取した試験片４を用いた高サイクル疲労試験の結果得られた破損回数および組織観察から図５のような内部欠陥度が求められる。一方、同様にこの疲労試験の結果得られた内部欠陥度を用いて前述した図８からクリープ破断時間が求められるのである。
【００７１】
これは、高サイクル疲労試験における破断のメカニズムとクリープ破断試験での破断のメカニズムが、ともにその起点となるのが材料内部における結晶粒界での微小欠陥である点が共通するという点に基づいている。これは、前記内部欠陥度を共通のパラメータとして、高サイクル疲労強度とクリープ破断時間とを整理すると、ほぼ相関関係にあることが発明者等の実験で判明している。
【００７２】
図９は、クリープ損傷度と内部欠陥度との関係を示した説明図である。
【００７３】
ここでいうクリープ損傷とは、言わば材料の寿命消費率であり、全クリープ寿命（微小内部欠陥２１の全くない材料においてクリープ試験を実施した際に破損に至る迄の時間）に対する微小内部欠陥２１の全くない材料から使用した場合の使用時間（＝全クリープ寿命−残寿命）で算出される。
【００７４】
すなわち、クリープ損傷度はクリープ破断試験の結果から求められるデータであり、視点を変えて図８を書き換えたものが図９ということになる。すなわち、図９も損傷評価ＤＢ１４に予め格納されている。そして、前述したように主に高温機器においては、その機器の寿命に大きな影響を与えるのは機械的な負荷による応力よりもむしろクリープによる損傷であるため、本実施の形態では図９で得られたクリープ損傷度を部材損傷度とみなして評価する。
【００７５】
部材損傷度を部材の損傷評価に導入することによって得られるメリットは、部材の使用時間の長短に関わらず、部材の疲労の度合を考慮した客観的でより信頼性のある補修・交換時期の判断材料を提供することができる点にある。
【００７６】
使用時間の長短で部材の補修・交換時期を判断した場合、材料の初期状態あるいは運転環境等の相違により、同じ使用時間でも図６に示すような微小内部欠陥２１の個数または面積に差異が生じているため、安全と思われている使用時間でも部材損傷度としては高い場合も起こり得るし、逆に、規定の使用時間に達している場合でも部材損傷度としては低い場合も起こり得る。
【００７７】
使用時間は短いが部材損傷度が高い場合には、部材の損傷の伸展になかなか気付かずに補修・交換への対応が遅れたり、予定外の機器停止等の事態を招き好ましくない。また、使用時間が長くてもクリープ損傷が低い場合においては、本来行わなくても済むはずの補修・交換作業を行うこととなり、余計な費用が発生していることとなる。
【００７８】
これに対し、部材損傷度を部材の損傷評価に導入すると、部材の寿命と最も密接に関連する部材のクリープ損傷の度合を考慮して部材の補修・交換時期を判断できるので、部材の使用時間の長短に関わらず、従来の方法よりも適切なタイミングでの部材の補修・交換を行うことができる。尚、部材損傷度については、クリープ損傷と同様に内部欠陥が伸展して破損に至る粒界脆化や鋳造欠陥評価についても用いることができる。
【００７９】
部材損傷評価装置８は、これらの保有する情報を参照し、組み合わせて演算することによって図５、図８および図９に示す特性を導出し、最終的には、ステップＳ３で探知した破損回数から部材損傷度を得る。部材損傷評価装置８は、部材損傷度を得ると、得られた部材損傷度を部材損傷評価装置８の表示手段１３に表示する。
【００８０】
部材損傷評価システム１のユーザは、この部材損傷度がどの程度かによって部材の損傷を評価することができる。部材損傷評価装置８が部材損傷度を表示手段１３に表示すると、ステップＳ４の部材損傷評価行程は完了し、部材損傷評価行程の完了をもって部材の損傷評価方法の全処理行程が完了する。
【００８１】
尚、ステップＳ３の部材破損回数探知行程では、部材損傷評価装置８が高サイクル疲労試験実施装置６から出力される試験情報を取得することで、破損回数が何回であったかを探知しているが、損傷試験実施者が高サイクル疲労試験結果を認識して、破損回数を部材損傷評価装置８に入力して探知させても良い。
【００８２】
また、ステップＳ４の部材損傷評価行程では、得られた部材損傷度を部材損傷評価装置８の表示手段１３に表示しているが、部材損傷評価装置８が最終的な部材の損傷の評価まで行い、評価結果を表示手段１３に表示しても良いし、損傷評価結果と併せて部材損傷度も表示しても構わない。さらに、損傷評価ＤＢ１４は、部材損傷評価装置８の電子情報記録手段１２に必ずしも格納されていることを要せず、例えば、部材損傷評価装置８の外部機器に格納されていても参照することができるのであれば差し支えない。
【００８３】
以上、本発明に係る部材の損傷評価方法を使用すれば、部材損傷度を損傷評価に導入することにより、部材の寿命と最も密接に関連する部材のクリープ損傷の度合を考慮した部材の損傷評価ができるので、十分な精度を得ることが困難であった部材の損傷初期においても、高精度に評価できる。従って、従来の損傷評価方法に比べて、内部損傷を精度良く検出し評価することが可能となり、内部損傷が伸展して破損に至るような部品に対して適切な補修・交換時期を把握して適切な補修・交換を行うことができる。
【００８４】
また、高サイクル疲労試験を行い、その結果を入力するのみでクリープ損傷、粒界脆化、鋳造欠陥評価を行い得るので、部材の初期損傷を評価するまでに要する時間の短縮化を図ることができる。
【００８５】
一方、本発明に係る部材の損傷評価方法を使用した部材損傷評価システム１によれば、大型部材等の運搬することが困難な評価対象物に対しても損傷評価を行うことができる。
【００８６】
尚、図１に示す部材損傷評価システム１では、複数の装置を具備した構成となっているが、部材損傷評価システム１を１つの装置として構成しても良い。すなわち、部材損傷評価システム１を試料採取手段と、試験片作成手段と、高サイクル疲労試験実施手段と、ミクロ形態画像取得手段と、部材損傷評価手段とを具備する部材損傷評価装置として構成していても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明に係る部材の損傷評価方法を実施する部材損傷評価システムの一実施例について構成概略を表した構成概略図。
【図２】本発明に係る部材の損傷評価方法を実施する部材損傷評価手順について処理行程を追って説明した処理フロー図。
【図３】材料の引張特性の一例を示す説明図。
【図４】材料の疲労特性の一例を示す説明図。
【図５】破損回数（高サイクル疲労寿命）と内部欠陥度との相関を表す説明図。
【図６】部材内部の組織の一部を拡大したミクロ形態画像を概略的に示す概略図。
【図７】高サイクル疲労試験を実施し、破損した試験片の破面におけるミクロ形態画像を概略的に示す概略図。
【図８】内部欠陥度とクリープ破断時間との相関を表す説明図。
【図９】内部欠陥度とクリープ損傷度との相関を表す説明図。
【符号の説明】
【００８８】
１  部材損傷評価システム
３  試料採取装置
４  試験片
５  試験片作成装置
６  高サイクル疲労試験実施装置
７  ミクロ形態画像取得装置
８  部材損傷評価装置
９  駆動部
１０  負荷手段
１１  試験情報出力手段
１２  電子情報記録手段
１３  表示手段
１４  損傷評価ＤＢ
１６  ミクロ形態画像
１７  破面
１８  破面ミクロ形態画像
２０  結晶
２１  微小内部欠陥
２３  粒界破壊部
２４  疲労破壊起点部
２５  非粒界破壊部
【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】
2005098907.tif 000008
【図７】
2005098907.tif 000009
【図８】
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【図９】
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