(57)【要約】【課題】中性子照射を受けた材料の材料特性を、小さな試料で精度よく測定する。【解決手段】中性子照射部材診断において、中性子照射を受けた部材の評価対象部位から試料を採取する試料採取工程Ｓ１と、試料を測定可能な形状に加工する試料加工工程Ｓ２と、押込み荷重を増加させながら、硬さ測定用押込み圧子を試料の被測定表面に押し込み、押込み深さおよび押込み荷重を測定し、押込み深さと押込み荷重との関係を求める硬さ測定工程Ｓ３と、硬さ測定工程で求めた押込み深さと押込み荷重との関係に基づいて、硬さと押込み荷重との関係を求める硬さ解析工程Ｓ４と、試料と同等の材料の硬さと機械特性との関係を求めるマスターカーブ作成工程Ｓ５と、硬さ解析工程で求めた硬さと押込み荷重との関係に基づいて、評価対象部位の機械特性を評価する機械特性評価工程Ｓ６と、を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性子照射を受けた部材の評価対象部位から試料を採取する試料採取工程と、
前記試料を測定可能な形状に加工する試料加工工程と、
押込み荷重を増加させながら、硬さ測定用押込み圧子を前記試料の被測定表面に押し込み、押込み深さおよび押込み荷重を測定し、押込み深さと押込み荷重との関係を求める硬さ測定工程と、
前記硬さ測定工程で求めた押込み深さと押込み荷重との関係に基づいて、硬さと押込み荷重との関係を求める硬さ解析工程と、
前記試料と同等の材料の硬さと機械特性との関係を求めるマスターカーブ作成工程と、
前記硬さ解析工程で求めた硬さと押込み荷重との関係に基づいて、前記評価対象部位の機械特性を評価する機械特性評価工程と、
を有することを特徴とする中性子照射部材診断方法。
【請求項２】
前記硬さ測定工程は、所定の荷重増加速度で押込み荷重を増加させるものであることを特徴とする請求項１記載の中性子照射部材診断方法。
【請求項３】
前記硬さ測定工程は、所定の荷重増加速度で押込み荷重を増加させて所定の荷重に到達した後、所定の時間前記硬さ測定用押込み圧子を一定の荷重に保持するものであることを特徴とする請求項１記載の中性子照射部材診断方法。
【請求項４】
前記硬さ測定工程を複数回繰り返すことを特徴とする請求項３記載の中性子照射部材診断方法。
【請求項５】
前記硬さ解析工程は、前記測定工程で測定された押込み深さと押込み荷重との関係に基づいて、複数の押込み荷重に対する硬さを求めるものであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の中性子照射部材診断方法。
【請求項６】
中性子照射を受けた部材の評価対象部位から採取された試料を置く試料台と、
硬さ測定用押込み圧子と、
前記硬さ測定用押込み圧子の前記試料への押込み荷重を制御して前記試料の被測定表面に押し込み、前記押込み荷重を測定する押込み荷重制御測定手段と、
前記硬さ測定用押込み圧子の前記試料への押込み深さを測定する押込み深さ測定手段と、
前記押込み荷重および前記押込み深さに基づいて、前記試料の硬さと前記押込み荷重との関係を求める硬さ解析手段と、
前記試料の硬さと前記押込み荷重との関係に基づいて、前記試料の機械特性を求める機械特性評価手段と、
を有することを特徴とする中性子照射部材診断装置。
【請求項７】
前記機械特性評価手段は、さらに前記試料と同等の材料の硬さと機械特性との関係を記憶し、前記試料の硬さと前記押込み荷重との関係、および、前記試料と同等の材料の硬さと機械特性との関係に基づいて、前記試料の機械特性を求めるものであることを特徴とする請求項６記載の中性子照射部材診断装置。
【請求項８】
前記押込み荷重制御測定手段は、押込み荷重を増加させながら硬さ測定用押込み圧子を前記試料の被測定表面に押し込むものであることを特徴とする請求項６または請求項７記載の中性子照射部材診断装置。
【請求項９】
前記押込み荷重制御測定手段は、所定の荷重増加速度で押込み荷重を増加させるものであることを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか１項記載の中性子照射部材診断装置。
【請求項１０】
前記押込み荷重制御測定手段は、所定の荷重増加速度で押込み荷重を増加させて所定の荷重に到達した後、所定の時間前記硬さ測定用押込み圧子を一定の荷重に保持するものであることを特徴とする請求項６ないし請求項９のいずれか１項記載の中性子照射部材診断装置。
【請求項１１】
前記押込み荷重制御測定手段は、所定の荷重増加速度で押込み荷重を増加させて所定の荷重に到達した後、所定の時間前記硬さ測定用押込み圧子を一定の荷重に保持するサイクルを複数回繰り返すことを特徴とする請求項１０記載の中性子照射部材診断装置。
【請求項１２】
前記押込み深さ測定手段は、複数の押込み荷重に対する複数の押込み深さを測定するものであることを特徴とする請求項６ないし請求項１１のいずれか１項記載の中性子照射部材診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中性子照射部材診断方法および中性子照射部材診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力プラントで運転中に中性子照射を受ける材料には、照射脆化などの材料特性の変化が生じる。このため、プラントの健全性に影響を与えないように、材料特性の変化を見越して設計し、また、必要であれば定期的に材料特性の変化を確認する。照射による具体的な材料物性値への影響としては、材料の硬さ及び降伏応力の増加、延性および靭性の低下、さらには応力ひずみ関係として記述される塑性変形抵抗、破壊靭性のようなき裂進展抵抗等の変化として現れる。
【０００３】
プラント機器の健全性を精度良く評価するには、上記の材料特性値を正確に知ることが望ましい。例えば、硬さの変化のみで照射損傷を簡易的に推定することはできるが、それに加えて定量的な機械特性の変化が得られれば、機器の構造健全性を精度よく評価でき、機器信頼性の診断が可能になる。
【０００４】
材料特性値を知るためには、それぞれの材料特性値に適した試験片の形状、寸法がＪＩＳ等の基準に定められており、評価対象部位から知りたい材料特性値に対応した形状、寸法の様々な試験片を採取する必要がある。採取により機器表面部を著しく破壊する場合は、プラント再運転開始前に採取跡を溶接埋め戻し等の補修が必要となる。埋め戻し作業をしない、あるいはできない場合は、試験片採取跡が機器の健全性に及ぼす影響を最小限に抑えるために、採取体積を最小限に抑える必要がある。そのため、特許文献１には、１つの微小な試料に対して複数の測定を行うことが提案されている。
【０００５】
また、特許文献２および特許文献３には、中性子照射損傷を硬さ試験により診断する方法が開示されている。これは、原子力プラントの機器の中性子照射損傷を硬さ試験により求める方法である。測定用押込み圧子の被測定表面への押し込み深さと押込み荷重を用いて計算される硬さ値と当該損傷部位を構成する材料の照射損傷の相関関係を予め定量化しておく。この相関関係（マスターカーブ）に、前記損傷部位で測定された硬さ値を当てはめ照射損傷を評価する。
【特許文献１】特開平６−１１５００号公報
【特許文献２】特開２００３−２９４８８０号公報
【特許文献３】特開２００５−３３７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
原子力プラントの機器などで、中性子照射を受けた材料の材料特性を把握するためには、そのような材料を実際に採取して測定することが望ましく、実際に供用中の機器から採取する試料はできるだけ小さくする必要がある。特許文献１に開示された方法では、１つの微小な試料に対して、複数の測定を行うことが提案されているが、破壊検査を複数行う方法は開示されていない。また、特許文献２および特許文献３では、１回の硬さ測定から、複数の材料特性を把握する方法が開示されているが、測定精度を高めるためには、複数の試料を用いる必要がある。
【０００７】
そこで、本発明は、中性子照射を受けた材料の材料特性を、小さな試料で精度よく測定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の中性子照射部材診断方法は、中性子照射を受けた部材の評価対象部位から試料を採取する試料採取工程と、前記試料を測定可能な形状に加工する試料加工工程と、押込み荷重を増加させながら、硬さ測定用押込み圧子を前記試料の被測定表面に押し込み、押込み深さおよび押込み荷重を測定し、押込み深さと押込み荷重との関係を求める硬さ測定工程と、前記硬さ測定工程で求めた押込み深さと押込み荷重との関係に基づいて、硬さと押込み荷重との関係を求める硬さ解析工程と、前記試料と同等の材料の硬さと機械特性との関係を求めるマスターカーブ作成工程と、前記硬さ解析工程で求めた硬さと押込み荷重との関係に基づいて、前記評価対象部位の機械特性を評価する機械特性評価工程と、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の中性子照射部材診断装置は、中性子照射を受けた部材の評価対象部位から採取された試料を置く試料台と、硬さ測定用押込み圧子と、前記硬さ測定用押込み圧子の前記試料への押込み荷重を制御して前記試料の被測定表面に押し込み、前記押込み荷重を測定する押込み荷重制御測定手段と、前記硬さ測定用押込み圧子の前記試料への押込み深さを測定する押込み深さ測定手段と、前記押込み荷重および前記押込み深さに基づいて、前記試料の硬さと前記押込み荷重との関係を求める硬さ解析手段と、前記試料の硬さと前記押込み荷重との関係に基づいて、前記試料の機械特性を求める機械特性評価手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、中性子照射を受けた材料の材料特性を、小さな試料で精度よく測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係る中性子照射部材の診断方法の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
［実施形態１］
図２は、本発明の実施形態１の中性子照射部材診断装置の構成図である。中性子照射部材診断装置１は、試料３を置く試料台２２、および、試料３に押込まれる硬さ測定用押込み圧子２１を有している。硬さ測定用押込み圧子２１に負荷される荷重は荷重制御測定器２５で制御されるとともに、測定される。硬さ測定用押込み圧子２１としては、三角錐型の圧子を用いることにより、高感度の機械特性評価を行うことができる。また、硬さ測定用押込み圧子２１の押込み深さは押込み深さ測定器２４において測定される。荷重制御測定器２５および押込み深さ測定器２４の測定結果は解析手段２６に送られ、解析手段２６の出力は評価手段２７に送られる。
【００１３】
図１は、本発明に係る実施形態１の中性子照射部材の検査方法の流れ図である。
【００１４】
まず試料採取工程Ｓ１において、原子炉内機器などの中性子照射を受けた部材の評価対象部位から試料採取を行い、評価する試料３を取得する。試料採取方法としては、切断刃または放電加工を用いた切削による方法を用いる。また採取する試料形状としては、硬さ測定時に最小限必要な大きさとし、評価対象の機能に影響しない範囲の形状とする。
【００１５】
つぎに試料加工工程Ｓ２において、試料３を硬さ測定可能な形状とすべく試料加工を行い、試料３の測定表面をアルミナ粉またはダイヤモンドペーストによる研磨、あるいは電解研磨とにより平滑に研磨する。
【００１６】
その後、硬さ測定工程Ｓ３において、試料台２２に置かれた試料３の被測定表面に、一定の荷重負荷速度で硬さ測定用押込み圧子２１を押込み、押込み荷重と押込み深さの関係を求める。このときの、押込み荷重および押込み深さの時間変化は、それぞれ荷重制御測定器２５および押込み深さ測定器２４で測定され、解析手段２６に送られ、押込み荷重（Ｐｉ）と押込み深さ（ｈｉ）の関係に変換される。
【００１７】
図３は、実施形態１での押込み荷重の時間変化と、そのとき得られる測定結果の例を示したもので、（ａ）は時間と押込み荷重の関係、（ｂ）は時間と押込み深さの関係、（ｃ）は押込み荷重と押込み深さの関係、（ｄ）は押込み荷重と硬さの関係をそれぞれ示す。図３における、Ｐ１、Ｐ２、…、Ｐｎは時刻ｔ１、ｔ２、…、ｔｎにおける押込み荷重であり、ｈ１、ｈ２、…ｈｎはそのときの押込み深さである。押込み荷重の増加に従い押込み深さも増加し、押込み深さを連続的に計測することにより、測定時間に対する押込み荷重および押込み深さの関係から、図３（ｃ）に示す押込み深さと押込み荷重との関係が得られる。
【００１８】
つぎに硬さ解析工程Ｓ４において、硬さ測定工程Ｓ３で得られた押込み深さと押込み荷重との関係に基づいて硬さ解析を行い、硬さと押込み荷重との関係を求める。硬さＨは、たとえばＨｉ＝ｋ×Ｐｉ／ｈｉ２により算出する。ここで、ｋは硬さ測定用押込み圧子２１の形状に依存する比例係数である。硬さＨｉと押込み深さの関係は、たとえば図３（ｄ）のようになる。
【００１９】
また、試料採取工程Ｓ１、試料加工工程Ｓ２、硬さ測定工程Ｓ３および硬さ解析工程Ｓ４に並行して、マスターカーブ作成工程Ｓ５においてマスターカーブを作成しておく。マスターカーブとは、物性値と硬さの関係を定式化したものである。マスターカーブを作成しておく物性値としては、降伏応力、引張強さ、加工硬化指数、一様伸び、破断伸びなどがある。図４は、マスターカーブの例を示したもので、（ａ）は硬さと降伏応力の関係、（ｂ）は硬さと引張強さの関係、（ｃ）は硬さ荷重曲線の傾きと加工硬化指数の関係、（ｄ）は硬さ荷重曲線の傾きと一様伸びの関係、（ｅ）は硬さ荷重曲線の傾きと破断伸びの関係をそれぞれ示す。なお、マスターカーブ作成工程Ｓ５は、試料採取工程Ｓ１より前に行っておいてもよい。
【００２０】
つぎに機械特性評価工程Ｓ６において、硬さと押込み荷重との関係から機械特性評価を行い、マスターカーブを用いて、降伏応力と引張強さの両方もしくは何れか、または加工硬化指数、一様伸び、破断伸びの全てもしくはいずれかの機械特性値を得る。
【００２１】
なお、当然ながら、同様の試料を複数測定する場合には、マスターカーブ作成工程Ｓ５を複数回行う必要はなく、試料採取工程Ｓ１、試料加工工程Ｓ２、硬さ測定工程Ｓ３、硬さ解析工程Ｓ４および機械特性評価工程Ｓ６を繰り返し行えばよい。
【００２２】
本実施形態によれば、中性子照射を受けた原子炉内機器などの部材の機械特性を、部材の機能に影響しない程度の大きさの試料を用いて、正確に評価することができる。採取する試料の大きさは、降伏応力、引張強さ、加工硬化指数、一様伸び、破断伸びなどを個別に求める場合に必要とする試験片に比べて小さくすることができる。特に1ヶ所の硬さ測定から複数の押込み荷重と硬さとの関係を測定することができるため、微小な試料から多くの硬さ情報が得られる。したがって、中性子照射を受けた原子炉内機器などの部材に対して安価で高精度の診断を行うことができる。
【００２３】
［実施形態２］
実施形態２は、硬さ測定工程Ｓ３における押込み荷重の負荷のかけ方が実施形態１と異なっている。
【００２４】
図５は、実施形態２での押込み荷重の時間変化と、そのとき得られる測定結果の例を示したもので、（ａ）は時間と押込み荷重の関係、（ｂ）は時間と押込み深さの関係、（ｃ）は押込み荷重と押込み深さの関係、（ｄ）は押込み荷重と硬さの関係をそれぞれ示している。
【００２５】
実施形態２の硬さ測定工程Ｓ３（図１）では、まず、硬さ測定用押込み圧子を一定の荷重負荷速度で試料の被測定表面に押込み、荷重Ｐ１に到達した測定時間ｔ１から測定時間ｔ１’まで押込み荷重をＰ１に保持する。その後、再び硬さ測定用押込み圧子を一定の荷重負荷速度で試料の被測定表面に押し込んで押込み荷重を増加させ、押込み荷重Ｐ２に到達した測定時間ｔ２から測定時間ｔ２’まで押込み荷重をＰ２に保持する。このようなステップ状の荷重負荷をＰｎまで繰り返す。この押込み荷重および押込み深さの時間変化は、それぞれ荷重制御測定器２５および押込み深さ測定器２４で測定され、解析装置２６に送られ、押込み荷重（Ｐｉ）と押込み深さ（ｈｉ）の関係に変換される。
【００２６】
図５（ｂ）は計測される押込み深さの時間変化を示しており、押込み荷重の増加とともに押込み深さが増加する。測定時間ｔ１’、ｔ２’、…、ｔｎ’に対応する押込み深さがｈ１、ｈ２、…、ｈｎであるとすると、測定時間ｔ１’、ｔ２’、…、ｔｎ’に対応する押込み荷重（Ｐｉ）と押込み深さ（ｈｉ）の関係は、図５（ｃ）で示される。
【００２７】
解析工程Ｓ４では、実施形態１と同様に（式１）によって、それぞれの押込み荷重に対する硬さＨ１、Ｈ２、…、Ｈｎを算出し、図５（ｄ）に示すような硬さ（Ｈｉ）と押込み荷重（Ｐｉ）との関係を求める。機械特性評価工程Ｓ６においても、実施形態１と同様に、硬さ（Ｈｉ）と押込み荷重（Ｐｉ）との関係、および、マスターカーブ作成工程Ｓ５で作成しておいたマスターカーブに基づいて、試料３の機械特性を評価する。この機械特性としては、実施形態１と同様に、降伏応力、引張強さ、加工硬化指数、一様伸び、破断伸びなどが挙げられる。
【００２８】
本実施形態では、極めて微小な測定荷重に対する硬さを比較的早い荷重負荷速度で測定する場合、試料の機械特性に起因する硬さの変化を、実施形態１に比較してより正確に測定することができる。
【００２９】
なお、以上の説明は単なる例示であり、本発明は上述の各実施形態に限定されず、様々な形態で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態１の中性子照射部材診断方法を示す流れ図。
【図２】本発明の実施形態１の中性子照射部材診断装置を示す概略図。
【図３】本発明の実施形態１で得られる測定結果の例を示したもので、（ａ）は時間と押込み荷重の関係、（ｂ）は時間と押込み深さの関係、（ｃ）は押込み荷重と押込み深さの関係、（ｄ）は押込み荷重と硬さの関係をそれぞれ示す特性図。
【図４】本発明の実施形態１のマスターカーブの例を示したもので、（ａ）は硬さと降伏応力の関係、（ｂ）は硬さと引張強さの関係、（ｃ）は硬さ荷重曲線の傾きと加工硬化指数の関係、（ｄ）は硬さ荷重曲線の傾きと一様伸びの関係、（ｅ）は硬さ荷重曲線の傾きと破断伸びの関係をそれぞれ示す特性図。
【図５】本発明の実施形態２で得られる測定結果の例を示したもので、（ａ）は時間と押込み荷重の関係、（ｂ）は時間と押込み深さの関係、（ｃ）は押込み荷重と押込み深さの関係、（ｄ）は押込み荷重と硬さの関係をそれぞれ示す特性図。
【符号の説明】
【００３１】
１…中性子照射部材診断装置、３…試料、２１…硬さ測定用押込み圧子、２２…試料台、２４…押込み深さ測定器、２５…押込み荷重制御測定器、２６…解析手段、２７…評価手段
【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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