INSS JOURNAL Vol. 20 2013 NT-11149

冷間加工炭素鋼の高温水中応力腐食割れに及ぼすキャビティ生成の役割―その 2：き裂発生試験からの検討―
Role of cavity formation in SCC of cold worked carbon steel in high-temperature water―Part 2: Study of crack initiation behavior―山田宮本

卓陽 (Takuyo Yamada)＊
友樹(Tomoki Miyamoto)＊

青木政徳 (Masanori Aoki)＊

有岡孝司 (Koji Arioka)＊

要約 冷間加工炭素鋼の高温水中応力腐食割れに及ぼすキャビティ生成の役割を検討するため，
その 1 では，脱気高温水中および大気中でき裂進展挙動を調べた．その 2 では，冷間加工炭素鋼
のき裂発生試験（先端部ブラントノッチ型 0.5TCT 試験片）を 360℃の低電位高温水中，360℃〜450℃の高温大気中で実施し，SCC 発生およびクリープき裂発生挙動を調べた．
その結果，360℃の水素添加純水中で，30％ CW 炭素鋼で定荷重条件の SCC 発生が観察された．390〜450˚C の範囲の大気中で，20/30％ CW 炭素鋼の定荷重条件のクリープき裂発生が観察された．その発生時間の温度依存性は，単調なアレニウス型を示し，加圧水型重水炉の 310℃近傍の実機データはその延長線上に位置した．見かけの活性化エネルギーは約 130kJ/mol であった．き裂発生の潜伏期間中に，空孔は応力勾配を駆動力として粒界へ拡散・集積し，キャビティが生成する．その後，このキャビティ生成により粒界の結合力が弱化し，き裂発生に至る．このような過程が，冷間加工を加えた炭素鋼の高温水中，および高温大気中のき裂発生メカニズムとして重要な役割を果たしているものと考えられる．
キーワード

冷間加工炭素鋼，高温水中応力腐食割れ，クリープ，キャビティ生成，き裂発生

Abstract
To consider the role of cavity formation in stress corrosion cracking (SCC) of cold
worked (CW) carbon steel in high-temperature water, SCC and creep growth (part 1) andinitiation (part 2) tests were performed. The part 2 crack initiation tests used blunt notchedcompact tension (CT) type specimens of CW carbon steel exposed under the static load conditionin hydrogenated pure water and in air in the range of temperatures between 360 and 450˚C.
Inter-granular (IG) crack initiation was observed both in water and in air even in static loadcondition when steel specimens had been cold worked. 1/T type temperature dependencies ofinitiation times were observed for CW carbon steel, and the crack initiation times in an operatingpressurized heavy water reactor, PHWR (Pt Lepreau) seemed to lie on the extrapolated line of
the experimental results. Cavities were identified at the grain boundaries near the bottom of anotch (highly stressed location) before cracks initiated both in water and air. The cavities were
probably formed by the condensation of vacancies and they affected the bond strength of thegrain boundaries. To assess the mechanism of IGSCC initiation in high temperature water, thediffusion of vacancies driven by stress gradients was studied using a specially designed CTspecimen. As a model for IGSCC in CW carbon steel in high temperature water, it was concluded
that the formation of cavities from the collapse of vacancies offers the best interpretation of thepresent data.
Keywords

Cold worked carbon steel, stress corrosion cracking in high temperature water, creep,
formation of cavities, crack initiation

1.

はじめに間加工受けた部位（70 度冷間曲げ部）で内面と外面からき裂が確認されている 1-3)．通常運転温度は約カナダの加圧水型重水炉（Pressurized Heavy Wa-310℃で，水質は脱気環境であり，き裂の原因は応力

ter Reactor, PHWR）の炭素鋼製の給水配管の強い冷腐食割れ（SCC）と低温クリープとであるとされてい＊(株)原子力安全システム研究所

技術システム研究所

150

INSS JOURNAL Vol. 20 2013 NT-112.2

る．炭素鋼のクリープは，火力発電所などを想定したき裂発生試験

400℃以上でのデータが多く，このような低温でのデータはほとんどない．また，炭素鋼および低合金鋼のき裂発生試験は，図 1 に示したように compact ten-

高温水中での SCC 発生および進展に関しては，ＢＷsion, CT 試験片のノッチ先端形状を R ＝ 0.5mm とＲ環境での電位依存性および不純物（SO4 ，Cl）の影した試験片を用いて実施した．また，試験片ノッチ先

 m のような極めて高い K

端の詳細応力分布については，同素材の真応力-真ひ値以外においては，動的荷重が発生・進展の重要因子ずみを用いて，有限要素法（MSC. Marc 2005r2）にであると考えられており，また 288℃の 150mVSHE以より計算した．図 2 に詳細応力分布の代表例を示す．

下の低電位条件では SCC 感受性が無いものと結論付

図のように，ブラントノッチ型 CT 試験片のノッチ先

けられている 5)．このような背景もあり，脱気環境下端近傍に比較的高応力が負荷され，ノッチ先端から離での冷間加工炭素鋼材での十分な検討例はない．

れるにつれて次第に応力が低下する．図中赤矢印の方

響の報告例 4)から，55MPa

向で応力勾配が最も急峻であった．

そこで，有岡らは冷間加工炭素鋼を用い，高温大気中（270℃〜380℃）および高温水中（280℃〜360℃）

SCC 発生試験時間は 360℃の水素添加（30ccDH2）で，き裂進展挙動を調べ，これらのき裂進展がキャビ

純水中，クリープき裂発生試験は 360℃〜450℃の大ティ生成により引き起こされることを報告した 6,7)．

気 中 で 実 施 し た．荷 重 条 件 は，SCC 発 生 試 験 で は

本報告では，冷間加工炭素鋼のき裂発生挙動に及ぼす8.06kN（K ＝ 35MPa m 相当），クリープき裂発生試

キャビティ生成の役割を検討 8)するために，き裂発生

験では 9.12kN（K ＝ 40MPa  m 相当）の定荷重条件試験（先端部ブラントノッチ型 0.5TCT 試験片）をとした．括弧内には，ノッチ先端でのき裂発生を仮定

高温大気中および高温水中で実施し，き裂発生挙動をした場合の各々条件の応力拡大係数を示した．以降試調べた．その結果から，き裂発生に及ぼすキャビティ

験条件にはこの数値を示す．

生成の役割を考察した．

SCC 発生試験は，最長約 12,000 時間とした．クリープき裂発生試験においては，試験中荷重負荷機構の

2.

実験方法

変位をモニタリングし，クリープ変形の目安とした．
クリープ変形が十分であると判定した場合には試験を2.1

供試材停止し，直接観察によりき裂の有無を判定した．クリープ変形が明確でない場合の試験時間は最長約 8,000

供試材は炭素鋼（STPT42）で，実機相当の熱間鍛時間とした．

造，熱間圧延加工後，900℃で 0.5h の熱処理後，大き裂発生状況やキャビティ生成状況は，試験片の断気放冷とした．供試材の化学組成を表 1 に示す．この面を SEM により拡大観察することにより評価した．

素材に 20 および 30％の冷間圧延加工を施したものをさらにき裂発生におけるキャビティ生成の役割を定量基本材料とした．冷間加工前および加工後の機械的性化する目的でキャビティの分布密度を測定した．以下

質を表 2 に示す．

その手順を示す．
表1C0.19

Si0.19Mn0.62

STPT42 炭素鋼の化学組成（wt%)
P0.011

表2
試験温度(℃)
RT
320

CW(%)
020302030

S0.005

Cr0.04

Mo0.01

Cu0.01FeBal.

各材料の機械的性質一覧

耐力(MPa)295
514545458463

Ni0.02

引張強さ
(MPa)
453
561594520532伸び(%)
3617141618

ビッカース硬さ，HV(1kg)
141
196
220−−

INSS JOURNAL Vol. 20 2013 NT-11151

まずキャビティの生成を試験片のき裂断面の SEM

31.2

観察により確認した．さらに様々な観察位置における12.52-䃥6.413.75

よって計測した．すなわち，試験片の様々な場所で，式(1)のようにキャビティ密度を面積率として算出し，R=0.560°30（S0）中のキャビティ領域面積（Sc）を，画像処理に4.5キャビティ密度を定量化するため，ある観察視野面積25キャビティ密度の分布を検討した．

13.5

キャビティ密度＝ Sc/S0(1)Sc：キャビティ領域面積11.5mm

S0：観察視野面積（40μm × 57μm）

図1

ブラントノッチ型 CT 試験片形状

ᵫᵮᵿᴾᣑ኱ほᐹ఩⨨1 mm
㻔㼍㻕 䝤䝷䞁䝖䝜䝑䝏ᆺ㻔㼎㻕 䝜䝑䝏ඛ➃㏆ഐ䛾ᛂຊศᕸゎᯒ⤖ᯝ౛㻯㼀 ヨ㦂∦እほ図2

3.

ブラントノッチ型 CT 試験片の応力分布解析例

実験結果および考察

において，微小ながら SCC の発生が確認された．
クリープき裂および SCC 発生の温度依存性を検討

3.1 き裂発生の温度依存性するために，両発生時間を温度（T）の逆数に対してプロットし，図 6 に示す．また，比較のため Pt Lep-

図 3 に 420℃および 410℃のクリープき裂発生試験reau3)の PHWR における実機の SCC およびクリープ後の断面観察結果を示す．写真はノッチ先端近傍を拡発生時間を同時にプロットした．なお，実機での発見

大観察したものである．写真のようにクリープき裂が時にはき裂は数 mm のものもあるが，単純に発見し発生していた．き裂発生箇所は，ノッチ先端直下ではた時間を発生時間とした．図から，クリープき裂発生なく，0.5mm 程度内部に入った位置であった．

時間は，390℃〜450℃の範囲でアレニウス型の温度依

図 4 に 360℃のクリープき裂発生試験後の断面観察存性を示し，その見かけの活性化エネルギーはおよそ結果を示す．この試験片においては，約 8,000 時間試130kJ/mol であった．また，Pt Leprea の SCC および験後もクリープき裂の発生は確認されなかったが，粒クリープ発生時間は，概ねこの外挿線上に位置した．

界にキャビティの生成が確認された．このことは，クこのことは，実機のクリープおよび SCC 発生においリープき裂発生の前駆段階としてキャビティの生成がても，本発生試験と共通の機構が働いていることを示

起こっていることを示唆する．

唆する．

図 5 に 360℃の SCC 発生試験後の断面観察結果代表例を示す．写真のように，約 8,000 時間後の試験片152

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図 3 クリープき裂発生試験後の断面観察結果（その１)(20%CW 炭素鋼，40MPa m1/2，大気中，(左)：420℃× 1,000h，(右)：410℃× 1,433h)

㓟໬ᒙ

㻝 䃛㼙
図 4 クリープき裂発生試験後の断面観察結果（その２)(20%CW 炭素鋼，40MPa.m1/2，大気中，360℃× 8,033h)

INSS JOURNAL Vol. 20 2013 NT-11

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図 5 SCC 発生試験後の断面観察結果代表例(30%CW 炭素鋼，35MPa.m1/2，水中，360℃× 8,082h)䛝⿣Ⓨ⏕᫬㛫 㻔 㼔 㻕+61.0×10
1.E+06+5
1.E+05
1.0×10450400310( 䉝)

20%CW Steel ( Air )
30%CW Steel ( Water )20%CW Steel ( Water )Pt Lepreau ( SCC )Pt Lepreau ( Creep )Ỉ୰

1.E+04+4
1.0×10䊺䊺䛝⿣Ⓨ⏕䛺䛧㻌

1.E+03+3
1.0×10኱Ẽ୰
+2
1.0×10
1.E+020.0013 0.0014 0.0015 0.0016 0.0017 0.0018

1 / T ( K-1 )図6

クリープおよび SCC き裂発生時間の温度依存性

3.2 き裂発生に及ぼすキャビティ生成の役割た位置であった．き裂発生が，キャビティ生成による粒界弱化によるものだとすれば，キャビティ密度もこの位置で高くなると期待される．そこで，360℃のク

前述のようにクリープき裂発生位置は，最大応力のリープおよび SCC 発生試験片のキャビティ密度をノノッチ先端部直下ではなく，0.5mm 程度内部に入っッチ先端からの距離に応じてプロットして図 7 に示し

154

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た．図 か ら，キ ャ ビ テ ィ 密 度 は ノ ッ チ 先 端 か ら

8,082 時間では，ノッチ先端から 0.5mm の位置で最0.5mm の位置で最も高密度で，その傾向は大気中，も密度が上昇している．また，実線で示した応力計算水中で共通であった．

値は，ノッチ先端から 0.5mm の位置で応力勾配が最次にキャビティ密度の時間依存性を検討するためも急峻であった．以上の結果から，冷間加工を加えたに，同 様 の プ ロ ッ ト を 360℃ × 5,912 時 間 お よ び

炭素鋼中の空孔は，応力勾配を駆動力として拡散・集360℃× 8082 時間の条件で比較したものを図 8 に示積し，粒界においてキャビティを生成するものと考えす．360℃× 5,912 時間では明確でないが，360℃×られる．

AreaỿἵἥἘỵ݅ࡇίᵱ
fraction of cavities( S C / S0 )ᵡᵍᵱᵎὸ

0.003-3
3x10
20%CW Steel, 360C in air ( 8,033h )30%CW Steel, 360C in water ( 8,082h )-32x100.002-3
1x100.001

‫ٻ‬ൢɶ
൦ɶ
000.5

1

234
ἠἕἓέᇢẦỤỉុᩉ
Distancefrom the bottom of notch ίmmὸ5

図 7 キャビティ密度のノッチ先端からの距離に対する依存性

600
30% CW Steel, 360C in water ( 5,912h )30% CW Steel, 360C in water ( 8,082h )ࣖщ (MPa)
Stress

0.003500
400
3000.002

2000.001
1000001

234DistanceἠἕἓέᇢẦỤỉុᩉfrom the bottom of notch 䠄mm䠅
図 8 SCC 発生試験片のキャビティ密度の時間変化

5Stressᵆ(MPa)ࣖщᵫᵮᵿ ᵇS0 )ỿἵἥἘỵ݅ࡇ ίᵱᵡᵍᵱᵎὸ

0.004

INSS JOURNAL Vol. 20 2013 NT-11

155(a)

10μm
(a)
(b)

(b)

100μm10μm
図 9 SCC 発生試験後の大気中疲労開放破面（SCC 発生なし)(20%CW 炭素鋼，35MPa.m1/2，水中，360℃× 12,293h)ᛂຊ㞟୰․›” ” ․⁗‟ ℉ ․›‸⁗ ℉ ‸⁗․” ” ․⁗‟ᆰ‫܉‬ỉᨼᆢ∝Ϭ᧓ь߻ሁϋ‫↺ↈנ‬ᆰ‫↝܉‬ቩမ≋ࣖщᨼɶᢿ≌↧↝ᨼᆢ∝⇓∉⇹⇬⇉ဃ঺↚↷↺ቩမ↝ࢊ҄
図 10粒界き裂発生に及ぼすキャビティ生成機構のモデル図

156

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図 9 に 360℃で 12,293 時間の SCC 発生試験後の大Proceedings-2007 AECL/COG/EPRI Workshop

気中疲労開放破面の断面観察結果を示す．この試験片

on Cold Work in Iron- and Nickel-Based Alloys

は SCC 発生が無い状態で，大気中疲労により破面開Exposed to High Temperature Water Environ-放したものである．図のように，その破面は疲労破面

ments, Toronto, Canada, (2007).

で見られるような平滑な脆性破面ではなく，粒界破面（２）M. Wright, “Crack Initiation and Early Stagesのような凹凸を示した．また，破面近傍では粒界にキof Crack Growth in CANDU Feeder Pipes,” Theャビティの集積が観察された．以上の結果を総合し，SCC Initiation Workshop, Beaune, France,図 10 に示したように，粒界割れの発生は粒界のキャビティが生成することにより粒界結合力が弱化する機構が主因と考えられる．

(2008).
（３）J.P. Slade and T.S. Gendron, “Flow Accelerated Corrosion and Cracking of Carbon Steel
Piping in Primary Water-Operating Experience

4.

まとめ

at the Point Lepreau Generating Station,”
Proceedings of 12th International Symposium on(1) 360℃の水素添加純水中で，30％ CW 炭素鋼の定荷重条件の SCC 発生が観察された．
(2) 390〜450˚C の範囲の大気中で，20/30％ CW 炭素鋼の定荷重条件のクリープき裂発生が観察されEnvironmental Degradation of Materials inNuclear Power Systems - Water Reactors, L.
Nelson, P. King and T. Allen editors, TMS,
Salt Lake, UT, (2005).

た．その発生時間の温度依存性は，単調なアレニ（４）J. Kuniya, I. Masaoka, R. Sasaki, H. Itoh,

ウス型を示し，Pt Lepreau の実機データはそのand T .Okazaki, “ Stress Corrosion Cracking

延長線上に位置した．見かけの活性化エネルギー

Susceptibility of Low Alloy Steels Used forは約 130kJ/mol であった．

Reactor Pressure Vessel in High Temperature(3) 大気中，水中共にキャビティはき裂発生の前に高応力の負荷された領域の粒界で観察された．これ

OxygenatedWater,”TransactionsoftheASME, 107(1985):p.430.

らのキャビティは複数の空孔が拡散・集積するこ（５）S. Ritter and H.P. Seifert, “Stress Corrosionとにより生成したものと考えられる．即ち，き裂Cracking Behavior of Low Alloy Reactor Press-発生の潜伏期間に，空孔は応力勾配を駆動力とし

ure Vessel Steels and of a Weld Material underて拡散・集積し，粒界にキャビティが生成する．

Simulated BWR Environment,” Corrosion 2003,

その後，粒界の結合力を弱くさせるに十分な量のPaper No.03664, NACE (2003).

キャビティ生成により，き裂発生に至る．このよ（６）K. Arioka, T. Moyamoto, T. Yamada, T.

うな過程が，冷間加工を加えた炭素鋼の高温水

Terachi, “Formation of cavities prior to crack

中，および高温大気中のき裂発生メカニズムとし

initiation and growth on cold worked carbonて重要な役割を果たしているものと考えられる．

steel in high temperature water,” Corrosion,66, no.1, (2010). p.015008.

5.

謝辞（７）青 木 政 徳，山 田 卓 陽，宮 本 友 樹，有 岡 孝 司，INSS Journal 2013, 20(2013). 投稿中

本研究を遂行するにあたり，各種実験準備や腐食試（８）K. Arioka, T. Moyamoto, T. Yamada, M.

験等の実施にあたっては，㈱原子力安全システム研究

Aoki, “Role of Cavity Formation in Crack所

村上公治氏，平尾充司氏，高瀬亮

Initiation of Cold-Worked Carbon Steel in

人氏の多大な協力があった．この場を借りて謝意を表High-Temperature Water” , Corrosion, 69,します．

no.5, pp.487-496(2013).

6.

材料グループ

参考文献（１）M. Wright, P. Poruks, and S. Liu, “Role ofCold Work in CANDU Feeder Cracking,”