118

ＰＷＲ１次系におけるオーステナイト系ステンレス鋼のＳＣＣ感受性に及ぼす加工の影響
Influence of Deformation on SCC Susceptibility of Austenitic Stainless Steelin PWR Primary Water
金島 慶在 (Yoshiari Kaneshima)*

戸塚 信夫 (Nobuo Totsuka)* 中島 宣雄 (Nobuo Nakajima)*

要約 ４種類のオーステナイト系ステンレス鋼(SUS304,SUS316,SUS304L,SUS316L)の 1 次冷却材応力腐食割れ感受性を低速度歪み試験により比較した．また，SUS316 については加工度の影響を調べた．その結果，オーステナイト系ステンレス鋼はこの条件の下で SCC 感受性を有することが明らかとなり，鋼種による差異も認められた．また，大気中引張試験と SSRT 結果の絞りの比較により，加工度の増加により SCC 感受性が大きくなることが分かった．また，加工度の違いによる SCC 感受性評価を行うには，従来の粒界破面の評価に加えて，粒内破面の評価も必要であることがわかった．
キーワード

ステンレス鋼，PWSCC，加工度，SSRT，PWR

Abstract
Slow strain rate tests (SSRT) were carried out to evaluate the SCC susceptibility offour types of austenitic stainless steels (SUS304,SUS316,SUS304L and SUS316L) in PWR primarywater. The influence of deformation on SCC susceptibility of SUS316 was studied.All types ofstainless steel were susceptible to SCC, and the SCC susceptibility varied depending on the steel type.
The comparison of the SSRT results and tensile test in air based on the reduction of area measurement
showed that the SCC susceptibility increased with increasing the degree of deformation. For
explaining the influence of deformation on SCC susceptibility, it is necessary to evaluate bothintergranular and transgranular fractures.
Keywords

stainless steel, PWSCC, Deformation, SSRT, PWR

1．はじめに(4)(5)
Smialowska ら の研究により，１次冷却材応力腐食割れ（Primary Water Stress Corrosion Cracking :高温高圧水中でのオーステナイト系ステンレス鋼（ 以 下 ， ス テ ン レ ス 鋼 と 略 称 ）の 応 力 腐 食 割 れ

PWSCC）感受性を有する可能性が示されている例があるだけである．

（Stress Corrosion Cracking : SCC）については，塩しかしながら，加工度と SCC 感受性の関連を検化物イオンや溶存酸素を含む系での研究は多いが，討した研究として，Tsubota ら(6)は BWR 環境下では加圧水型原子炉（Pressurized Water Reactor: PWR）

材料の硬度上昇により SCC 感受性が増大すること１次系環境での研究はきわめて少なく SCC は起こを示しており，また，M.O.Speidel(7)は冷間加工によらないという知見が一般的であった．例えば，る硬さの上昇によりき裂進展速度が速くなることを(1)(2)

Coriou ら は，脱気高温高圧水中ではステンレス鋼示している．さらに，最近の米国の Generalは SCC を起こさないと報告している．さらに，

Electric 社の研究により，より PWR １次系環境にPWR 実機プラントでの発生事例がなかったことも近い条件（脱気水＋水素添加条件）で，ステンレス(3)あり，研究例が非常に少なく，Totsuka ら や*（株）原子力安全システム研究所 技術システム研究所

鋼が SCC 感受性を持つことが示され，その水素添

119

2．実験方法加高温高圧水中での SCC 感受性について十分注意を払う必要があることが指摘されている(8)(9)．

2.1

このように，ステンレス鋼の強加工材についての供試材

SCC 評価に見直しをかける動きはあるものの，PWR １次系環境中でのステンレス鋼の評価を体系試験に用いたステンレス鋼の化学組成および機械的特性を表 1 と表 2 に示す．PWR １次系での使用的に行った研究はまだない．

頻度の多い SUS316 について加工度の異なる供試材

本報告では，PWR １次系水中におけるステンレ
ス鋼の SCC 感受性を評価することを目的とし，スを製作した．

テンレス鋼の加工材を用いて低歪速度引張試験

ステンレス鋼の供試材は真空溶解炉を用いて溶製(Slow Strain Rate Test: SSRT)を実施し，従来の破して鋼塊にした後，熱間圧延により板厚 20

面率による SCC 感受性評価を実施するとともに，粗圧延し，板厚 5SCC 感受性の指標として絞りを用いて加工度の影加工度は，温間圧延（300 ℃）により加工度 20 ％響の定性評価を試みた．また，４種類の異なったス（板厚 4テンレス鋼を用いて SSRT 試験を実施し，PWSCC率を変えることで変化させた．なお，加工度 0 ％感受性に及ぼす鋼種の影響の定性的評価も行った．

（板厚 5までまで熱間仕上げ圧延を行った．

），50 ％（板厚 2.5）と温間圧延の圧下）は，溶体化処理材のまま（溶体化処理温度 1150 ℃× 10 分後，水冷）とした．
図 1 に SUS316 材の組織観察結果の例を示す．組織中に一部双晶が見られ，加工が加わるとすべり変表1
鋼

ステンレス鋼供試材の化学組成
化 学 成 分（ 重 量 ％ ）種CSiMnPSNiCrMo

SUS304

0.049

0.40

1.480.027

0.005

8.51

18.52

< 0.005

SUS316

0.049

0.45

1.46

0.027

0.005

12.01

17.05

2.09

SUS304L

0.014

0.42

1.46

0.028

0.005

8.4

18.700.042

SUS316L

0.017

0.44

1.51

0.026

0.003

11.92

16.95

2.09

表2
鋼種

ステンレス鋼供試材の機械的特性（室温）

加工度（％）

0.2％耐力（N／mm2） 引張強さ（N／mm2）

伸び（％）

0212

639

65.9

0220

518

70.8

20574

653

39.5

50850

930

15.6

SUS304L

0210

638

56.9

SUS316L

0216

501

71.7

SUS304
SUS316（a）加工度０％

図1（b）加工度 50 ％

供試材 SUS316 の断面ミクロ組織観察結果

1202−φ9＋0.1−0.0形組織が生成している．また，加工度が増加すると2727ともに結晶粒が圧延方向に延ばされているが，加工察された．

4±0.0325±0.1

度 50 ％では顕著となり，すべり変形組織も多く観R1020±0.1
14662.2 低歪速度引張応力腐食割れ試験（SSRT 試験）

142±0.0394

図2ステンレス鋼の SSRT 試験には，板材より圧延SSRT 試験用試験片の寸法(単位 :)方向に切り出した平板試験片を用いた．供試材を図2 の寸法の試験片に加工し，表面をエメリー研磨紙で♯ 1200 まで研磨した後，試験片の中央に図 3 に272710R

10R9φ29φ示す金型を用いてプレス加工を加えた試験片を25720SSRT 試験に供した．試験装置は循環ループ付の 5A連式オートクレーブを用い，PWR の１次系模擬水2質である 500ppmB ＋ 2ppmLi 水溶液で，溶存水素92Aは 2.75 ± 0.3ppm，溶存酸素は 1ppb 以下の条件で試験を行った．歪速度は 5 × 10-7s-1 とした．試験温3535度は 360 ℃とし，繰り返し数は 3 とした．本研究の試験結果に使用した評価指標を表 3 にまとめた．

12.52.5A3R
22.510700.3R
6820

また，一部の供試材については大気中引張試験を実施した．試験には SSRT 試験に使用した試験片

図3

曲げ試験片寸法(単位 :)と同様のものを使用した．試験温度は 360 ℃で，歪速度 8.3 × 10-4s-1 とした．
破断した試験片は，走査電子顕微鏡(SEM)にて，試験片表面観察，破面観察，絞り評価を行った．

表3評 価 指 標

本研究の試験結果に使用した評価指標
定義

本研究における指標の求め方

SCC破面率SCCの面積を比較することによりSCC感受性を評価する指標

SCC破面面積／全破面面積（SCC破面＝粒界型応力腐食割れ（IGSCC）＋粒内型応力腐食割れ（TGSCC））

破 断 時 間試験開始から破断までに要した時間により比較する指標

試験開始〜破断の時間を測定

き裂進展速度（図３の試験片の場合）
SCC破面率と破断時間からSCC破面のSCC破面率×板厚／破断時間
き裂進展率を算定し、その速度を比較（図２の試験片の場合）することにより評価する指標
SCC破面率×板厚／破断時間÷２

絞

機械的特性の指標である「絞り」を利用し、環境の中の絞りと空気中の絞りを比較することによりSCC感受性を評価する指標

り率

絞り＝（試験前の断面積−試験後の断面積）
÷（試験前の断面積）
絞り率＝
SSRT後の絞り／大気中試験後の絞り

2

121

3．試験結果時 間 ）の 関 係 を 図 6 に 示 す ． 加 工 度 が 0 ％ よ り50 ％の方がき裂進展速度は小さくなっているが，3.1

SSRT 試験結果

3.1.1

加工度と PWSCC 感受性の関係

加工度 20 ％で進展速度はピークを示した．
さらに，加工度と絞りの関係を図 7 に示す．加工度が大きいほど絞りは直線的に小さくなる傾向が示
され，加工が加わることにより靱性が低下し，加工加工度の異なる供試材 SUS316 を主体に試験を実度 50 ％で絞りがほぼ０になることが示された．)施した．まず，加工度と SCC 破面率（SCC 破面

8.00E–04

す．加工度が大きくなると破面率は直線的に小さくなる傾向が示された．
100

SCC破面率（％）

80

き裂進展速度（mm／s）（IGSCC ＋ TGSCC）／全破面）との関係を図 4 に示
6.00E–04

4.00E–04

2.00E–0460

0.00E+00
400102030405060

加工度（％）

図620

加工度とき裂進展速度の関係(SUS316)

10000102030405060

加工度（％）

加工度と SCC 破面率との関係(SUS316)

次に，SUS316 における加工度と破断時間の関係を図 5 に示す．加工度が大きいほど破断時間が短く絞り（％）

図4806040なる傾向が示された．
20600000
00102030405060

破断時間（秒）

加工度（％）
400000

図7

加工度と絞りの関係(SUS316)

以上により，加工度の違いによる SCC 感受性を評価した場合，従来は破面率が大きくなると SCC200000

感受性は大きくなると評価するのが一般的であり，それを踏まえると，今回の結果では加工を加えるとSCC 感受性は小さくなる結果となるはずである．

00102030405060

加工度（％）

図5

加工度と破断時間との関係(SUS316)

加工度とき裂進展速度（SCC 破面率×板厚／破断

ところが本研究の結果では，①加工度の増大により破断時間が短くなること，②き裂進展速度にピークが見られること，③この傾向が絞りの傾向と合致しないことが確認された．

122

3.1.2

鋼種と PWSCC 感受性の関係

次に，PWSCC 感受性に及ぼす鋼種の影響について，き裂進展速度を評価指標に用いて定性評価を実施した．
加工度 0 ％において各鋼種のき裂進展速度を比較した結果を図 8 に示す．SUS304 でばらつきが大きく，通常材より L グレード材の方がやや小さくなった．この結果より，鋼種による SCC 感受性については，次の事が考えられる．
・通常材に比べて L グレード材の方が SCC 感受性はやや小さい．
・ SUS304L 材が最も SCC 感受性が小さい．

外面

内面

外面

(a)加工度 0 ％8.00E–04

図9

き裂進展速度（mm／s）

加工度０％

6.00E–04

4．考(b)加工度 50 ％SSRT 試験後の破面（SUS316）

察

試験片形状の影響評価

4.1

4.00E–04

内面

これまで，曲げ試験片を用いた試験結果について2.00E–04

述べてきたが，一般に SSRT 試験で用いる曲げなし試験片との相関について検討を行った．

0.00E+00

図8SUS304

SUS316

SUS304L

SUS316L

各鋼種のき裂進展速度の比較（加工度 0 ％）SUS316 材の通常試験片について，曲げ試験片と同じ条件で SSRT 試験を実施した．試験結果を図10 に示す．いずれの試験片も SCC 破面率は直線的な減少傾向を示しており，破面形態も同様に推移し3.2

SSRT 試験後の破面観察結果ていた．さらに，グラフより曲げ試験の結果は通常試験片の結果を加速させていると見なせることか

SSRT 試験後の破面を SEM により観察した．図9 に SUS316 の破面写真を示す．加工度 0 ％では，ら，SCC 感受性評価を行う上では，曲げ試験片による SSRT 試験は適切であると考えられる．

ほぼ全面に擬へき開型の脆性破面が見られ，破面形

100

態としては粒内割れ(TG)破面が見られるが，局部的SCC 破面は減少した．加工度 50 ％になると，SCC破面はさらに減少し，IG 破面は見られなくなった．
また，SCC 破面ではないと判断したディンプル破面の中にも局所的に TG 破面が見受けられる部分もSUS316（曲げなし）
SUS316（曲げ試験片）

80

SCC破面率（％）に粒界割れ(IG)破面も見られた．加工度 20 ％では，604020存在した．
00102030405060

加工度（％）

図 10

通常試験片と曲げ試験片による加工度とSCC 破面率との関係(SUS316)

123

4.2

100破面形態

SUS316(SSRT)SUS316(大気中引張)80ル等に比べて IGSCC 感受性は低いものの，TG 破面を含めると SCC 破面は多く見られる．従って，
SUS316 には IGSCC と TGSCC の双方の感受性が絞り（％）

破面観察の結果より，IG 破面は少なくインコネ6040あることが分かる．また，加工が加わることにより破面形態が部分的に IG を含む破面から全面 TG 破20面へと変移しており，SCC 破面率は小さくなっているものの，破断時間及び絞りが小さくなっている

00ことを勘案すると SCC の感受性が加工度 0 ％の場合より小さいとは言えないと思われる．つまり，これまで高温高圧水中での SCC 感受性評価は IGSCCが中心であったが，SUS316 については，TGSCC

102030405060

加工度（％）

図 11

大気中引張試験と SSRT による加工度と絞りとの関係の感受性評価および寿命評価も行う必要があり，ささらに，環境の影響による絞りの低下度をより明らには加工による SCC 感受性の変化の評価方法を確にするため，SSRT 試験での絞りと大気中絞りの検討する必要があると考えられる．

比を絞り率として，絞り率での評価を行った．評価

そこで，加工を加えた材料の感受性評価手法等について考察することとした．

結果を図 12 に示す．その結果，加工度が大きいほど絞り率が小さくなる結果となった．これは，加工度が大きいほど，環境の影響が大きく影響している

4.3

大気中引張試験との比較検討

SCC 感受性評価として SSRT 試験を行った結果，鋼種による SCC 感受性の差異は明らかになったも可能性があることを示すものと考えられる．つまり，絞り率の低下が SCC 感受性の増大の指標であると考えた場合，加工度が大きいほど SCC の感受性が大きくなることを示すものであると言える．のの，加工度による SCC 感受性変化については明

これらの結果は，前述の破面率，破断時間，およ確ではない．そこで，加工材の SCC 感受性を定性

び，き裂進展速度による評価とは異なる結果となっ評価する指標として，SSRT の評価指標の 1 つとしているがその理由として以下のことが推測される．て用いられている絞り(10)に着目し，大気中試験とすなわち，各加工度において破面形態の違いがあり，の比較検討を試みた．

特にディンプル破面については，加工度 0 ％では延まず，SUS316 材の曲げ試験片を用いて，大気中性型の破面であり SCC 破面との区別が明確である引張試験を実施した．なお，試験装置の制約上，大が，加工度 50 ％では，脆化型のディンプル（ディ

気中引張試験は SSRT よりも速い引張速度で実施

ンプルの中に TG 破面が存在する）を呈しているもした．試験結果を図 11 に示す．大気中引張およびのと考えられ，そのため SCC 破面との区別が非常SSRT いずれの試験においても加工度が大きくなるに困難になっている．本評価では，SCC 破面をマと絞りが直線的に小さくなった．これは，大気中にクロ的に判断しており，ディンプル破面中の SCC

おいても，水中においても，加工が加わることによ

破面は評価されておらず，加工度 50 ％でき裂進展り靱性が直線的に低下することを示している．さら速度が過小評価になっている可能性も考えられる．に，大気中引張試験後の破面は全て延性破面であり，このため，材料特性のマクロ的な評価指標である絞

同じ加工度の場合，大気中引張に比べて SSRT 試り（絞り率）による評価は，本破面のように明瞭に験の方が絞りが小さいことから，環境により靱性のSCC 破面を分離することが困難な加工が加わった低下が影響を受けること，つまり，SCC の感受性材料の SCC 感受性を評価する上で有効な手法の一が変わることが示されている．

つであると判断した．

124

加工材の評価については，破面評価手法，評価パラ

文献

メータ，試験手法を含めて，今後さらに検討を進め(1)

ることとする．

H.Coriou, L.Grall, Y.LeGall and S.Vettier :Hightemperature stress corrosion cracking of Inconel

絞り率（SSRT／大気中引張）

1in water, Third Metallurgical Symposium on
SUS316

Corrosion, Saclay, North Holland Publishing

0.8Co.,Amsterdum, (1959) 161.
(2)

0.6

H.Coriou, L.Grall, C.Mahieu and M.Pelras :Sensitivity to stress corrosion and intergranular
0.4

attack of high-nickel austenitic alloys, Corrosion,
22 (1966) 280.

0.2

(3)

N.Totsuka and Z.Szklarska-Smialowska:

Hydrogen induced IGSCC of two unsensitized

00102030405060

austenitic stainless steels in high-temperature

加工度（％）

図 12water, Corrosion, 44 (1988) 124.

加工度と絞り率との関係(4): Comparative studies of SCC in two austenitic

5．まとめ

stainless steels and alloy 600 on exposure tolithiated water at 350 ℃, Corrosion,48(1992)455.

４種類のステンレス鋼を用いて SSRT 試験を実施
し，PWR 一次系水中における SCC 感受性の評価を

Z.Szklarska-Smialowska, Z.Xia and S.W.Sharkawy(5)

S.W.Sharkawy, Z.Xia and Z.Szklarska-Smialowska:

行い，以下のような新しい結果を得た．

Stress corrosion cracking of AISI 304 and 316（1）これらのステンレス鋼については，PWR 一次

stainless steels in lithiated water at 350 ℃,

系水中における SCC 感受性が認められ，鋼種による差異も認められた．
（2）大気中引張試験と SSRT 試験の絞りの比較によJournal of Nuclear Materials, 195 (1992) 184.
(6)

Y.Kanazawa, M.Tubota: Stress Corrosion

Cracking of Cold Worked Stainless Steel in Highり、ステンレス鋼においては、加工度の増大によ

Temperatur Water, Corrosion

り SCC 感受性が大きくなる結果が示された。

Baltimore, 1994, Paper No.237.

（3）これまで用いられてきた破面率、破断時間及びき裂進展速度の評価だけでは、必ずしも加工による SCC 感受性の変化を評価できないこと、および、ステンレス鋼については TGSCC 破面の評価も必要であることがわかった。

(7)94, Nace,

M.O.Speidel, Vortrag 5 VGB Konferenz:

Korrosion und Korrisionsschultz in derKraftwerkstechnik, Essen, 1995.
(8)

P.L.Andresen, T.M.Angeliu, W.R.Catlin,L.M.Young and R.M.Horn: Effect of deformation
on SCC of unsensitized stainless steel,

6．今後の課題

Corrosion/2000, Paper No.203.
(9)

P.L.Andresen, T.M.Angeliu and L.M.Young:

PWR 一次系水中におけるステンレス鋼の SCC 感受

Effect of martensite and hydrogen on SCC of

性評価およびき裂発生〜き裂進展までの総合的寿命

stainless steel and alloy 600, Corrosion/2001,

評価を行うために，定量的評価の手法として定荷重

Paper No.1228.

試験，ＣＴ試験片によるき裂進展試験を実施していく．

(10) 高野道典:SSRT 法による応力腐食割れ,日本金属学会会報,第 18 巻,(1979)566.