(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
引張強さが１０００ＭＰａ以上の高硬度鋼からなる部材が使用条件下で遅れ破壊を発生するか否かを評価するための高硬度鋼製部材の評価方法であって、部材として使用する高硬度鋼からｎ本の試験片を用意し、それぞれの試験片について、
【数１】
0004539806.tif 000009
（ここで、σeffは最大主応力、Ｖ0は破壊の基本体積、Ｖfは破壊のプロセスゾーン、ｍ（ｊ）は材料定数、Ｈave.は鋼中の拡散性水素濃度、γ（ｊ）は破壊に対する水素と応力の効果の比、σhは静水圧応力、Ｖは水素のモル体積、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度）におけるｍおよびγの初期値をそれぞれｍ（０）およびγ（０）と仮定し、前記式（I）よりパラメータＸを算出し、これらをＸの値について昇順に整列しｉ番目の大きさの値Ｘ（０，ｉ）における累積破断確率Ｆを
【数２】
0004539806.tif 000010
とし、Ｘ（０）の分布からｍ（１）およびγ（１）を求め、続いて帰納的にｍ（ｋ）およびγ（ｋ）（ｋ＝２，３，…，ｎ）を求めていき、ｍ（ｉ−１）とｍ（ｉ）およびγ（ｉ−１）とγ（ｉ）がともに有為差がなくなった時点でのｍ（ｉ）およびγ（ｉ）を用いて前記式（I）より各試験片についてパラメータＸを求め、Ｘの最小値Ｘ（ｍｉｎ．）を破断限界パラメータとして決定し、評価対象である高硬度鋼からなる部材の使用条件におけるパラメータＸの値Ｘ（ｕｓｅ）が破断限界パラメータ未満であれば遅れ破壊を発生しないと評価することを特徴とする高硬度鋼製部材の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、高硬度鋼製部材の評価方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、引張強さが１０００ＭＰａを超えているにも関わらず、遅れ破壊が発生することのない鋼部材を設計するための高硬度鋼製部材の評価方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明の課題】
各種機械類の軽量化が求められており、このため鋼部材の高硬度化は重大な課題といえる。しかしながら、遅れ破壊が発生する危険性が高いことから、引張強さ１０００ＭＰａを超えるような高硬度鋼は各種の部材として実用されていないのが現状である。
【０００３】
従来は、同一材料で応力集中を減少させるか、または、材料の限界拡散性水素量を上昇させる考案がなされてきた。また、試験片形状が変化すると、同じ負荷荷重でも遅れ破壊発生状況が大きく変化するため、ボルトのような複雑な形状を有する部材には、非常に大きな安全率をとって設計が行なわれる必要があった。
これらを解決することを目的として、特願２０００−２６４７１６の発明が提案されたが、この発明では鋼中水素量が異なる条件において、限界拡散性水素量を実験により求める必要があった。
【０００４】
このように、従来技術では高硬度鋼からなる部材が遅れ破壊を発生する条件を知ることは困難であると考えられており、高硬度からなる部材の設計には多くの手間隙が掛かっていた。このため、高硬度鋼を部材として実用することはほとんどなされておらず、部材が遅れ破壊を発生するような使用条件を限定する手法の開発が求められていた。
【０００５】
そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、引張強さが１０００ＭＰａを超えるような高硬度鋼からなる部材が、利用される条件で遅れ破壊を発生するか否かを調べ、最適な使用条件の設定を行なうための高硬度鋼製部材の評価方法を提供することを課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、引張強さが１０００ＭＰａ以上の高硬度鋼からなる部材が使用条件下で遅れ破壊を発生するか否かを評価するための高硬度鋼製部材の評価方法であって、部材として使用する高硬度鋼からｎ本の試験片を用意し、それぞれの試験片について、
【０００７】
【数５】
0004539806.tif 000002
【０００８】
（ここで、σeffは最大主応力、Ｖ0は破壊の基本体積、Ｖfは破壊のプロセスゾーン、ｍ（ｊ）は材料定数、Ｈave.は鋼中の拡散性水素濃度、γ（ｊ）は破壊に対する水素と応力の効果の比、σhは静水圧応力、Ｖは水素のモル体積、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度）におけるｍおよびγの初期値をそれぞれｍ（０）およびγ（０）と仮定し、前記式（I）よりパラメータＸを算出し、これらをＸの値について昇順に整列しｉ番目の大きさの値Ｘ（０，ｉ）における累積破断確率Ｆを
【０００９】
【数６】
0004539806.tif 000003
【００１０】
とし、Ｘ（０）の分布からｍ（１）およびγ（１）を求め、続いて帰納的にｍ（ｋ）およびγ（ｋ）（ｋ＝２，３，…，ｎ）を求めていき、ｍ（ｉ−１）とｍ（ｉ）およびγ（ｉ−１）とγ（ｉ）がともに有為差がなくなった時点でのｍ（ｉ）およびγ（ｉ）を用いて前記式（I）より各試験片についてパラメータＸを求め、Ｘの最小値Ｘ（ｍｉｎ．）を破断限界パラメータとして決定し、評価対象である高硬度鋼からなる部材の使用条件におけるパラメータＸの値Ｘ（ｕｓｅ）が破断限界パラメータ未満であれば遅れ破壊を発生しないと評価することを特徴とする高硬度鋼製部材の評価方法を提供する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下に、その実施の形態について説明する。
【００１７】
この出願の発明は、引張強さが１０００ＭＰａ以上の高硬度鋼からなる部材が使用条件下で遅れ破壊を発生するか否かを評価するための高硬度鋼製部材の評価方法である。
【００１８】
この出願の発明者らは、遅れ破壊発生条件が、試験片形状、応力条件、環境、水素条件よらず、次式
【００１９】
【数９】
0004539806.tif 000004
【００２０】
により一義的に決定されることを見出し、この出願の発明をなすに至った。ここで、σeffは最大主応力、Ｖ0は破壊の基本体積、Ｖfは破壊のプロセスゾーン、ｍは材料定数、Ｈave.は鋼中の拡散性水素濃度、γは破壊に対する水素と応力の効果の比、σhは静水圧応力、Ｖは水素のモル体積、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度である。ｍは、一般に１０〜３０の値をとる。
【００２１】
式（I）におけるｍおよびλは鋼材によって異なるものであるから、この出願の発明である高硬度鋼部材の評価方法においては、対象となる鋼材について遅れ破壊試験を実施することによりｍおよびλの決定を行なう。この出願の発明においては、高硬度鋼からｎ本の試験片を作成する。
【００２２】
限界拡散性水素量は、試験片を加熱したときに３５０℃以下で放出される水素量を示す。水素量の測定においては、試験片の温度を１時間に５０℃以上８００℃以下の範囲にある温度条件下で昇温させながら３５０℃までに試験片より放出された水素を四重極質量分析計またはガスクロマトグラフィーを用いて定量される。
【００２３】
まず、ｍおよびγの初期値をそれぞれｍ（０）およびγ（０）と仮定し、前記式（I）よりパラメータＸを算出し、これらをＸの値について昇順に整列しｉ番目の大きさの値Ｘ（０，ｉ）における累積破断確率Ｆを
【００２４】
【数１０】
0004539806.tif 000005
【００２５】
とする。そして、Ｘ（０）の分布からｍ（１）およびγ（１）を求め、続いて帰納的にｍ（ｋ）およびγ（ｋ）（ｋ＝２，３，…，ｎ）を求めていき、ｍ（ｉ−１）とｍ（ｉ）およびγ（ｉ−１）とγ（ｉ）がともに有為差がなくなった時点でのｍ（ｉ）およびγ（ｉ）を固有の値として決定する。そして、前記式（I）より各試験片についてパラメータＸを求め、Ｘの最小値Ｘ（ｍｉｎ．）を破断限界パラメータとして決定する。
【００２６】
この出願の発明者らは、評価対象である高硬度鋼からなる部材の使用条件におけるパラメータＸの値Ｘ（ｕｓｅ）が、破断限界パラメータ未満であれば、遅れ破壊を発生しないことを見出した。この出願の発明である高硬度鋼製部材の評価方法においては、Ｘ（ｕｓｅ）＜（ｍｉｎ.）を高硬度鋼からなる部材の使用可能条件と評価する。この使用可能条件は、試験片形状、応力条件、環境、水素条件等に関わらず成立する。したがって、この出願の発明である高硬度鋼製部材の評価方法は、遅れ破壊試験によりＸ（ｍｉｎ.）を求めるが、一度Ｘ（ｍｉｎ.）を求めさえすれば、遅れ破壊試験を行なった試験片形状以外の形状を持つ部材についても評価が可能である。
【００２７】
また、この出願の発明においては、Ｘ（ｕｓｅ）がＸ（ｍｉｎ.）未満となるように部材を設計することで、一定の使用条件下で遅れ破壊が発生しない部材の作成が実現する。
【００２８】
この出願の発明により、任意の単一の条件下において材料固有のｍおよびγを求めさえすれば、負荷応力および鋼中水素量が変化しても、再度の実験を行なうことなく、遅れ破壊が発生しない条件を予測し、遅れ破壊の生じない高硬度鋼からなる部材を効率よく設計することが可能となる。
【００２９】
この出願の発明は、以上の特徴を持つものであるが、以下に実施例を示し、さらに具体的に説明する。
【００３０】
【実施例】
直径１０ｍｍの試験片中央部にノッチ底半径０．１ｍｍの環状ノッチを有するＴＳ１４００ＭＰａ級ＳＣＭ４４０鋼（Ｆｅ−０．４０％、Ｃ−０．２４％、Ｓｉ−０．８％、Ｍｎ−０．０２％、Ｐ−０．００７％、Ｓ−１．０％、Ｃｒ−０．１５％Ｍｏ）を用いて、図１に示す手順でステップワイズ遅れ破壊試験を実施した。
【００３１】
試験方法は、初期負荷荷重を遅れ破壊試験片の引張強さの０．３３倍とし、１２時間保持した後に、破断しなかったサンプルについて荷重を遅れ破壊試験片の引張強さの０．００７倍に増加し、さらに２時間の保持の間に、試験片が破断した場合には１００℃／ｈｒで水素昇温分析を行い、また、試験片が破断しなかった場合には２時間後に再度荷重を遅れ破壊試験片の引張強さの０．００７倍に増加した。以上の手順を試験片が破断するまで行った。
【００３２】
８個の試験片について調べた結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】
0004539806.tif 000006
【００３４】
この結果から、パラメータＸを求めるために必要となるｍおよびγをＦＥＭコードＡＢＡＱＵＳ−Ｓｔａｎｄａｒｄを用いて算出した。具体的な手順を以下に示す。
【００３５】
まず、ｍおよびγの初期値をそれぞれｍ（０）およびγ（０）と仮定し、パラメータＸ（０，ｉ）（ｉは１〜ｎの自然数）を求め、Ｘ（０，ｉ）を昇順に並べ、ｉ番目のＸ（０，ｉ）のときの累積破断確率を、
【００３６】
【数１１】
0004539806.tif 000007
【００３７】
とする。
Ｘ（０）の分布からｍ（１）およびγ（１）を求める。ｍ（０）≠ｍ（１）またはγ（０）≠γ（１）である場合、ｍ（１）およびγ（１）からそれぞれｍ（２）およびγ（２）を求める。ｍ（ｉ−１）≒ｍ（ｉ）およびγ（ｉ−１）≒γ（ｉ）が成立するまでこれを帰納的に繰り返し、それぞれについて有為差がなくなった時点でのｍ（ｉ）およびγ（ｉ）を試験片の固有の値として決定する。このｍ（ｉ）およびγ（ｉ）を用いて、試験片を部材として利用する場合を想定した条件についてパラメータＸを算出し、Ｘの最小値Ｘ（ｍｉｎ．）を破断限界パラメータとして決定する。この実施例の試験片について、ｍ＝２０、γ＝１／６、Ｘ（ｍｉｎ．）＝２３９９５である。
【００３８】
次いで、上記の遅れ破壊試験で用いた試験片とは形状の異なる試験片を用意し、これらに一定応力を負荷し、１２時間おきに食塩水を噴霧しながらの暴露試験を実施した。表２および図２は暴露試験の結果を示したものである。
【００３９】
【表２】
0004539806.tif 000008
【００４０】
１００本の試験片について暴露試験を実施した結果、パラメータＸがＸ（ｍｉｎ．）未満の場合には、遅れ破壊が全く発生しなかった。一方、Ｘ（ｍｉｎ．）を超えるような場合には、遅れ破壊が発生する確率が急激に上昇した。
【００４１】
以上から、遅れ破壊試験で用いた試験片とは形状が異なる試験片についても、パラメータＸの値がＸ（ｍｉｎ．）未満の条件で設計を行なうことで、遅れ破壊の発生しない部材が実現することが証明された。
【００４２】
以上の実施例で用いた鋼材においては、遅れ破壊の起点として旧γ粒界破壊が観察された。しかしながら、最近開発されている鋼材には、遅れ破壊の起点として旧γ粒界破壊ではなく、擬へき開が観察されるケースが報告されている。破壊起点が旧γ粒界破壊から擬へき開へと変化することで、材料の水素に対する抵抗が向上しているといえる。すなわち、限界拡散性水素量が大きくなっている。この出願の発明に係る高硬度鋼部材の評価方法においては、鋼材の割れに対する応力および水素の寄与を定量評価したものであることから、以上の場合であっても割れ形態に関係なく種々の鋼材に適用可能である。
【００４３】
【発明の効果】
この出願の発明によって、以上詳しく説明したとおり、引張強さが１０００ＭＰａを超えるような高硬度鋼からなる部材が、利用される条件で遅れ破壊を発生するか否かを調べ、最適な使用条件の設定を行なうための高硬度鋼製部材の評価方法を提供される。
【００４４】
この出願の発明により、これまで実用化されていなかった高硬度鋼からなる部材が広く利用されることとなり、様々な製品の高強度化および軽量化が実現することから、その実用化が強く期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明の実施例におけるステップワイズ遅れ破壊試験の手順について示した流れ図である。
【図２】この出願の発明の実施例において実施された一定応力を負荷した状態での食塩水暴露試験の結果について示したグラフである。
【図１】
0004539806.tif 000011
【図２】
0004539806.tif 000012