高温耐熱材料の実機使用状態を模擬した特性評価技術
福井大学 学術研究院
工学系部門 機械工学講座
准教授 旭吉 雅健
2021年 9月 7日

1

従来技術とその問題点材料（鉄鋼・非鉄、金属・非金属）の基礎特性評価試験
sq
では、単軸引張がほとんどである。
sz psz
しかし、内圧を受ける圧力配管等の実sq機は、複雑な応力状態（＝多軸）である。
●機器の健全性保障のためには、実機使用状態を模擬した多軸試験が不可欠であるが、市販の多軸装置はほとんど無い。
●単軸データの実機多軸状態への拡張手法も未解明である。
2

新技術の特徴・従来技術との比較◎ミニチュアサイズの試験片による、二軸引張型多軸クリープ試験手法を確立。
◎50×50 mmサイズの試験片で、室温～700℃で任意の応力状態での多軸検証が可能。
◎試験片の電気炉内におけるその場観察が可能で、高温変形特性等も評価が可能。
高温炉中でのその場観察例（ステンレス鋼の650℃での粒界割れ）→5 mm
3想定される用途〇高温機器に用いる構造材料
高温多軸状態での特性や寿命データが取得可能なため、安全設計への貢献が可能。
〇繊維強化材料
異方性が問題となる材料の基礎特性評価試験が可能。
〇FEMなど数値シミュレーションに必要な材料定数取得にも貢献可能。
4

クリープ実験検証の基本
高温で一定荷重（応力）を負荷し、変形挙動や破壊 までの時間を調査する
https://www.nims.go.jp/
国立研究開発法人 物質・材料研究機構
National Institute for Materials Science

Creep Test

StrainTransient creep

Acceleratingcreep

Steady statecreep

Time
レバー
Lever

試験片
Specimen

Deadweight重錘
電気炉
Furnace

標準的な丸棒試験片

5

実機での状態（多軸や熱変動）

sr

sq

sz

sz

psq

srsq

ひずみ

http://www.mhi.co.jp

http://www.wikiwand.com

通常停止温度起動sq
Axial stress & Hoop stress

負荷変動
通常加速

Thermal stress& Centrifugal stressOut-of-phase 多軸やTMF（熱機械疲労）での実験検証が重要 研究報告例が少ない／市販装置が少ない
6

実機状態を考慮した実験手法の例
ABC

Dp

多軸度を表す指標： 主応力比σ2（最小主応力）
λ==（最大主応力）
σ1pl

ー1.00＋1.0

A 単軸
B 多軸
C 多軸
D 多軸

 さまざま実験手法を併用することで、実機応力状態を網羅して評価可能
7

実機状態を模擬できる実験装置（福井大）
単軸（丸棒試験片）

多軸（中空円筒試験片）

多軸（十字型試験片）

疲
労（開発中）ク
リープ
8

試験片サイズ小型化のニーズ

金山英幸，旭吉雅健，伊藤隆基，小川文男，若井隆純“改良9Cr-1Mo鋼のクリープ特性に及ぼす試験片寸法および酸素分圧の影響”「材料」 Vol.66, No.2, pp.86-92, 2017

 評価試料（試験片）の寸法小型化は多くのメリットを有する
準備する素材は小さくできる、任意の局所位置を評価できる
9

多軸評価試験片の数値解析設計

1P = 2kN, l = 1sx

50Stress s, MPa

200sy100sz
00

12Position from center , mm

3

 中央標点部で平面応力状態を達成
 素材寸法： 60×60×10 mm（平面度や直角度を有していれば51×51×7）

10

開発した実験装置（機構図）
レバー
試験片
重錘
1000600側面

平面（上部から）■荷重容量 2 kN
■600×600×H1000 mm
11開発した実験装置（写真）

電気炉周辺
P1P２
P1P1P２装置全体

P２P２P1

 電気炉下面から高温変形中の試料表面をその場観察可能
12結果の一例（SUS304の破断結果）
Type304

CSiMnPS

NiCrCo0.06

0.56

1.48

0.33

0.25

8.16

18.30

0.19923 K, l =0, 180 MPa, tr=1034 h

923 K, l=1, seq=200 MPa, tr=329 h

13高温クリープ特性（ひずみ曲線）
破断直前

Strain , %15SUS304, 923 K, 200MPa
X-axis (GL 5mm)
Y-axisX-axis (GL 10mm)
Y-axis105

00100

200300400Time t, h 非接触手法で変形特性曲線も描画可能
14

SUS304 923 K
300

SUS304 923 K

seq=200 MPa
seq=180 MPa

l=1
l=0l=0 (Bar, 6)

4Time to rupture tr, hMises equivalent stress seq, MPa

相当応力による設計の危険性

200l=0.5

丸棒単軸データ100110210310310210410Time to rupture tr, h■クリープ寿命の相当応力評価
多軸（l=0.5） ＜ l=1 ＜ 丸棒単軸

-1-0.500.5

1Principal stress ratio l 汎用解析ソフトでの標準的指標を用いると、危険側設計の可能性
15評価精度向上を目指して（荷重変動機構）
応力① 頻繁な稼働・停止が予想される火力発電では、負荷変動検証が要求される。

(負荷)② 数値解析の精度向上のために、負荷変動実験が不可欠である。

s2s3s1

 c = As nt mt1

時間硬化則

c = mAs nt m −1

ひずみ硬化則1 n m −1c = mA m s m  c mt2t3

時間

ひずみ(変形)荷重（応力）変動時の変位（ひずみ）挙動を検証する。
荷重を任意に変動させる機構を追加する。

s=s1一定のとき
t1t2t3時間

16

荷重・応力変動機構（ア）力点（エ）部品の締結部
電動モーター等を挿入160mm（イ）作用点
40mm（ウ）支点

現状のレバー比（荷重増幅比）は、40mm：200mm＝1:5 （積載荷重を5倍）。
（ア）（エ）間距離を制御して変更することで、一定の重錘負荷で、試験片荷重を任意に変更させることが可能。

17

実用化に向けた課題• 荷重一定条件での多軸試験技術は開発済みである。今後、特性評価の精度向上を図るた
めに、荷重変動機構を拡張することが課題。
• 光学カメラでの観察画像を用いて（簡易版DIC法によって）、試験中の試験片の変位分布をリアルタイム表示できる機能拡張が課題。

18

企業への期待• 耐熱材料の高温多軸クリープ特性や寿命評価を希望する企業には、本試験装置や技術が有益である。
• 二軸引張試験による材料定数取得を希望する企業には、本試験装置が有益である。
• サンプリングモアレ法等のひずみ分布計測技術を有する企業との共同研究を希望。
• 微細な格子マーキング技術を有する企業との共同研究を希望。
19

本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：クリープ試験機及びクリープ試験方法• 出願番号 ：特願2020-184743
• 出願人
：福井大学
• 発明者：旭吉雅健

20

産学連携の経歴（共同研究以外の技術相談など）• 2017年～現在 “照明ポールのリブ溶接部の健全性保障”• 2018年～現在 “TiAl合金の強度評価”• 2019年～現在 “ミニチュアクリープ試験技術の開発”など 強度評価実験および構造数値シミュレーション（JST事業採択）• 2006年度 実用化検討に係る試験研究（FS）• 2012年度 A-STEP FS探索タイプ• 2016年度 マッチングプランナープログラム21

お問い合わせ先（必須）福井大学 産学官連携本部
コーディネータ 奥野 信男
ＴＥＬ
ＦＡＸ

０７７６ － ２７ － ８９５６
０７７６ － ２７ － ８９５５

e-mail office＠hisac.u-fukui.ac.jp22