141

鋳造２相ステンレス鋼のPWSCC感受性に及ぼす熱時効の影響（第２報）−SSRT後の破面解析からの考察−
Influence of Thermal Aging on Primary Water Stress Corrosion Crackingof Cast Duplex Stainless Steel (Second Report)― Consideration on Fractography after Slow Strain Rate Technique ―山田

卓陽（Takuyo Yamada）＊ 千葉＊吾郎（Goro Chiba）

戸塚信夫（Nobuo Totsuka）＊＊
孝司（Koji Arioka）

有岡

要約 加圧水型軽水炉（pressurized water reactors, PWRs ）の１次冷却材主配管に使用されている鋳造２相ステンレス鋼の１次冷却水中の応力腐食割れ（primary water stress corrosion
cracking, PWSCC）感受性を調べるため，１次冷却材模擬水中で360℃においてその試料の低歪み速度試験（slow strain rate technique, SSRT）と定荷重試験（constant load test, CLT）を実施
した．同材はフェライト相を８〜23％含み，熱時効によりその機械的性質が低下する．そこでフェライト含有量および熱時効時間によるSCC感受性に対する影響に着目し，フェライト量の異なる３種類の試料（８％，15％および23％）を準備し，400℃で30,000時間までの熱時効をさせて試料とした．
SSRT後の破面観察から，未時効材においてはオーステナイト相のみが粒内型（trans granular,
TG）のSCC感受性を持ち，時効材においてはオーステナイト相に加えてフェライト相もTGSCC
感受性を持つようになることが分かった．耐力の1.2〜2.0倍の荷重条件で約10,000時間試験後の定荷重試験片の表面観察結果から，そのき裂発生位置は未時効材ではオーステナイト相粒内，時効材（400℃で10,000時間）では相境界に多く見られ，この傾向はSSRT後の破面観察結果の傾向と類似する．脆性破面率による評価から，23％フェライト相を含む鋳造２相ステンレス鋼は400℃
での熱時効により，時効時間が長くなるに伴いSCC感受性が増大する．また，400℃で30,000時間
時効した供試材で比較すると，15と23％フェライト材は８％フェライト材よりもSCC感受性が高
い．
キーワード

鋳造２相ステンレス鋼，熱時効，低歪み速度試験，定荷重試験，１次冷却水中の応力腐食割れ

Abstract
In order to evaluate the stress corrosion cracking (SCC) susceptibility of cast duplex
stainless steel which is used for the main coolant pipe of pressurized water reactors (PWRs), the slow strain
rate technique (SSRT) and the constant load test (CLT) of the materials were performed in simulated
primary water at 360℃. The cast duplex stainless steel contains ferrite phase with ranging from 8 to 23 %and its mechanical properties are affected by long time thermal aging. Therefore, we paid attention to the
influence of its ferrite content and thermal aging on the SCC susceptibility of this unaged and aged stainlesssteel and prepared three kinds of specimen with different ferrite contents (23%, 15% and 8%).
The brittle fracture of the unaged specimens after SSRT mainly consists of quasi-cleavage fracture inaustenitic phase. After aging, it changes to a mixture of quasi-cleavage fracture in both austenitic andferritic phases. Microcracks were observed on the unaged specimen surfaces and aged ones for 10,000
hours at 400℃ after about 10,000 hours of the CLT under the load condition of 1.2〜2.0 times of yieldstrength. The crack initiation sites of CLT specimens are similar to SSRT fracture surfaces. The SCC
susceptibility of this 23% ferrite material increases with aging time at 400℃. The SCC susceptibility of
15% and 23 % ferrite materials are higher than that of 8% ferrite material with aging condition for 30,000h
at 400℃.
Keywords

cast duplex stainless steel, thermal aging, slow strain rate technique (SSRT), constant load test (CLT),
primary water stress corrosion cracking (PWSCC)＊ （株）原子力安全システム研究所

技術システム研究所

142

1.

はじめに

て，未時効材ではオーステナイト相中に，時効材ではフェライト相とオーステナイト相の相境界におい

脱気水に水素を添加した条件下におけるオーステて多く観察されることを確認し，この鋼材におけるナイト系ステンレス鋼の応力腐食割れ（stress

概略的な時効の影響について明らかにした．しかし，corrosion cracking, SCC）に関する研究では，Ｔ

SSRT後の破面は複雑な形態であったため，脆性破面

（1）

（2-3）

（4）

率の算出等の破面観察による充分な評価が加えられ

により，それらがSCC感受性を持つことが指摘されていなかった．そこで本報では，さらに400℃でている．PWRsの１次冷却材主配管として使用されて30,000時間までの熱時効材を加え，SSRT後の破面をいる鋳造２相ステンレス鋼は，フェライト相を含みさらに詳細に観察した結果を用いてSCC感受性を再鋳造組織であること以外は，その基本組成がオース

評価（16）し，両相の時効の影響について再検証した結テナイト系ステンレス鋼のSUS304あるいはSUS316

果を報告する．また，さらに長時間および荷重条件と同等であることから，この鋼種においてもSCC感を変えた定荷重試験片表面の観察を行い，微小亀裂受性を持つ可能性がある．

発生位置の特定を試みた結果もあわせて報告する．

otsukaら ，Smialowskaら

およびAndresenら

またこの材料は，PWRsの実機使用温度域（290℃〜320℃）における長期間の使用により熱時効し，靭

2.

実験方法

2.1

供試材

（5-9）

性等の機械的性質が低下することが知られており，

このような材質変化がSCC感受性に影響を与える可能性も考えられる．
圧延材や鍛造材も含めると２相ステンレス鋼は化

供試材は，（株）クボタの製造による２相ステンレ

学プラントや油井管など過酷な環境に広く使用されス遠心鋳造管（JIS SCS14A, ASTM CF８M相当としているため，MgCl2，H2S環境中のSCC特性についてた）であり，フェライト目標含有量を８，15およびは多くの報告（10-13）がある．さらにSCC特性の熱時効23％（以降それぞれF８，F15およびF23と呼ぶ）の（12-13）．し３種類とした．これは前報で用いたものと同じもの

かし，PWRの１次冷却材模擬水中での鋳造２相ステである．供試材製作時の化学組成および各相におけンレス鋼のSCCすなわちPWSCCに関する研究は著者

る 化 学 成 分 の エ ネ ル ギ ー 分 散 型 Ｘ 線（ e n e r g yの知る限りこれまで報告されていない．

dispersive X-ray, EDX）分析結果を，それぞれ表１とによる影響を調べた結果も報告されている

（14）

（15）

において，１次冷却

２に再掲する．フェライト相とオーステナイト相中材模擬水中においてSSRT試験およびCLT試験を実施のCrとNiの量は，３試料でほぼ同程度であった．Si

し，SCS14A遠心鋳造材のPWSCC感受性を評価した．

と Mnの量は，フェライト相とオーステナイト相ともその結果，SSRT後の絞り評価から，同材のPWSCCに，初期組成と同様の傾向で，SiはF８＜F15＜F23，

感受性はフェライト含有量が多いほど，また時効時

MnはF８＞F15＞F23の順になっている．このオース間が長いほど高くなる傾向を示した．また，定荷重

テナイト相の組成は，SUS316の組成とほぼ同程度で試験片の表面観察から，微小き裂の発生位置につい

ある．

そこで前報

および既報

化学組成a（mass％）
PS
Ni＜0.040＜0.040
9-12
0.029
0.016
9.57
0.023
0.008
9.28
0.026
0.017
10.67

表１
規格値
F23
F15
F8

C
＜0.08
0.044
0.039
0.047

Si
＜1.50
1.46
1.07
0.79

Mn
＜1.50
0.68
0.84
0.90

a ミルシートデータ

Cr
18-21
20.02
18.80
18.85

Mo
2-3
2.23
2.14
2.22

N
0.05010.05580.0562143

表２ 試料（F23, F15, F8）の各相の化学組成b（mass％）

光学顕微鏡による供試材のミクロ組織を図１〜３

Fe

Ni

Cr

Si

Mo

Mn

に示す．F23，F15，F８はともに典型的な鋳造２相

F23α

63.78

5.57

25.52

1.67

2.91

0.55

ステンレス鋼の組織を呈している．

F15α

64.67

5.17

24.62

1.35

3.39

0.80

F8α

63.55

5.54

25.32

1.05

3.65

0.89

F23γ

66.28

9.46

20.13

1.40

1.84

0.89

F15γ

66.98

9.15

19.64

1.24

2.02

0.97

F8γ

65.82

10.0

20.03

0.94

2.20

1.01

b 各相６点測定の平均値、加速電圧20kV、スタンダードレス法により定量

図１

F23の光学顕微鏡組織

図２

F15の光学顕微鏡組織

図３

F８の光学顕微鏡組織

144

2.2

時効処理

前述のSCS14A遠心鋳造材について，熱時効反応を

3.

実験方法

3.1

SSRT後の破面観察結果早めるため，実際の使用温度よりも高い400℃で最長
F23未時効材におけるSSRT後の破面の典型例を図30,000時間までの加速時効熱処理を施した．

５に示す．図中の写真は脆性破面部の一部を拡大し

2.3

試験条件

て示した．左の写真で示すように破線より上部が脆性破面，同下部が延性破面を呈している．左の写真

SSRT試験とCLT試験および大気中引張試験には，中の四角で囲った部分の拡大写真を右上に示す．こ

同一形状の試験片を用いた．その試験片形状を図４の写真からオーステナイト相は典型的なTGSCC破面に示す．試験片は，配管の軸方向が引張方向となるを呈していることが分かる．従って，オーステナイ

ように採取した．

ト相はPWR環境中でSCC感受性を持つといえる．一27

27

2---φ94

方フェライト相では，写真の中で白く見える部分の
両側に隙間が形成されているのが観察される．この隙間は，フェライト相が延性的に断面収縮して引きR10ちぎられたために形成されたものと解釈される．こ25のことから，未時効材におけるフェライト相はSCC
感受性を持たず，延性的に破壊するものと考えられ
る．

20
14

66

14

次にF23材を400℃で10,000時間の熱時効を施した

2

94

図４

材料におけるSSRT後の脆性破面部分の典型例を図６に示す．図中の写真は脆性部分の一部を拡大したも試験片の寸法（mm）

試験片を上記寸法のように採取後，表面をエメリ
ー研磨紙＃1200まで研磨し，各試験に用いた．
SSRT試験およびCLT試験は，国内のPWR１次冷却材を模擬した水質（500 ppm B +２ppm Li水溶液）中で，溶存水素濃度2.75±0.3ppmの条件で行い，繰り返し数は２あるいは３とした．引張試験は温度360℃の大気中で行い，繰り返し数は１とした．CLT試験
荷重は，360℃の大気中引張試験により求めた0.2%耐力（σ0.2 ）の1.2〜2.0倍とした．各試験条件を表３に示す．
SSRT後の破面は，走査型電子顕微鏡（scanningelectron microscope, SEM）により詳細観察を行った．
定荷重試験片の表面についてもSEM観察を行い，その微小き裂の発生位置の特定を行った．

のである．左の写真に示すように，その破線より上部が脆性破面，同下部が延性破面である．オーステ
ナイト相は，未時効材の場合と同様に，典型的なTGSCC破面を呈している．一方，フェライト相は未時効材では延性破壊であったものが，時効材では脆性破面を呈している．400℃で10,000時間の時効では，シャルピー衝撃値の低下はほぼ飽和し，またフェラ
イト相の硬さは HV =690に達し（13），脆化している．
しかし，図６中右上に参考として示したように，同一時効条件の大気中の引張試験後破面は，完全に延性破面を示しているので，これは単に熱時効による脆化現象ではなく，環境の影響を受けた結果生じたものである．また，一般にSCC感受性は硬さが硬くなると高くなることが知られている（18）．従って，時効材においては，このフェライト相が硬化すること

表３により，SCC感受性を持つように変化したものと考試験条件の一覧

試験
温度

水

360°
C

大気中

歪み速度

荷重条件

8.3×10 - 5 S - 1−

SSRT
C PWR1次系模擬水 5.0×10 - 7 S - 1
試験 360°

−

引張
試験

CLT
試験

質

360°
C PWR1次系模擬水−

耐力の1.2〜2.0倍

えられる（14-16）．

145

図５

未時効材におけるSSRT後の破面の脆性破面部分の典型例

図６

時効材におけるSSRT後の破面の脆性破面部分の典型例

146

以上PWR環境中のSSRT後の破面詳細観察から，鋳造２相ステンレス鋼は未時効材においては，オース

ここで，Tsは試験片の板厚，Asccは脆性破面率，tfailure

テナイト相のみがTGSCC感受性を持ち，フェライト

は破断時間を示す．

相はSCC感受性を持たない．熱時効を加えると，オーステナイト相だけでなくフェライト相もSCC感受性を持つようになることが明らかとなった．
ここで，未時効材と時効材でその脆性破面を比較し，その割れの特徴をさらに検討する．脆性破面において，フェライト相に着目して未時効材と時効材を比較すると，そのフェライト相の存在面積が異なり，時効材の方が脆性破面中のフェライト面積率が多い．また時効材におけるフェライト相の面積率は，典型的な２相組織から比べても多い．図６における
SSRT後の破面を再度確認すると，フェライト相の周りに存在するオーステナイト相の破面は，フェライト相の周りから放射状に進展した特徴を示している．
鋳造２相ステンレス鋼中のフェライト含有量は，局部的に見れば数％程度のばらつきがある．熱時効材ではオーステナイト相だけでなくフェライト相もSCC感受性を有するようになり，かつフェライト相図７

SSRT後の脆性破面率評価の代表例のSCC感受性がオーステナイト相よりも高いため，フェライト相の多い断面が割れの経路になったものと考えられる．一方，未時効材では，フェライト相

このCGRSSRTを時効時間に対してプロットしたもの

はSCC感受性を有さないので，フェライト相の少なを図９に示す．両図は各条件２あるいは３点のデーい断面が割れの経路となったものと考えられる．こタをそのままプロットし，破線はその平均値を示す．

れが未時効材と時効材の脆性破面で，フェライト相

これらの図において，脆性破面率が増加，あるいはの面積率が異なる理由と考えられる．

き裂進展速度が速くなればSCC感受性が増加したと判断できる．図８と図９から，F23材の脆性破面率お3.2

SCC感受性の熱時効による影響評価

よびき裂進展速度は，熱時効時間が長くなるに伴い増加していることが分かる．

鋳造２相ステンレス鋼のSSRT後の破面は，その形

ここで，オーステナイト相とフェライト相が，脆態が複雑であるため低倍率観察だけではその破面率

性破面率の増加にどのように寄与するか検討する．

（14）．そこで，SSRT後

SSRT後の破面観察結果から，熱時効によりフェライ

破面を100倍で観察した後，必要に応じてさらに高倍ト相がSCC感受性を有するようになると，フェライ率（×500〜2,000）で観察することにより，詳細な破ト相の多い断面が優先割れ経路となり，脆性破面中面の特定を行い，脆性破面率を評価した．

のフェライト面積率の増大が観察される．材料中のを評価することは困難であった

脆性破面率評価を行った代表例を図７に示す．脆

フェライト含有量は，局部的に見れば数％のばらつ

性破面は，まず破面全体の領域を特定した後，各部きがあるので，これが脆性破面率の増加の原因となの脆性破面を随時高倍率観察で確認後マーキングしる．一方，オーステナイト相は熱時効による影響をた．その後，脆性破面部の面積率を画像解析によりほとんど受けない（17）ので，SCC感受性にも大きな変算出し脆性破面率とした．このようにして求めた脆化は無いものと考えられる．しかし，フェライト相性破面率の熱時効時間による変化を図８に示す．一の周りに存在するオーステナイト相の破面は，フェ般に，SCC感受性の１つの指標として平均的なき裂

ライト相の周りから放射状に進展した特徴が見られ進展速度（CGRSSRT）は，次式のように求められる．

る．従って，フェライト相が先に割れることにより，＝（Ts×1/2×Ascc）÷tfailure
CGRSSRT（m/s）

オーステナイト相の脆性破壊が切り欠き効果により･･･（1）

147

促進され，これも脆性破面率増加に寄与したものと結果をそれぞれ図10と図11に示す．図のようにF８材考えられる．

は，F15材とF23材に比べてSCC感受性が低い．これは，SCC感受性を増大させる原因のフェライト相が，50

F８材では充分な量存在しないため，熱時効の影響を

F23材

ほとんど受けないためと考えられる．このことは，F８材のシャルピー衝撃値の熱時効時間による変化が

40

TGSCC（%）

少ない（17）こととも矛盾しない．
30

γa：フェライト相は延性破面
50

時効条件：400°
Cで30,000時間

20

γa

40

α+γ→
0
0

10000

20000

30000

40000

400°
Cの熱時効時間（h）

図８

TGSCC（%）

10
30

20

脆性破面率の熱時効時間による変化
10

10

-9

0

F23材

0

10

20

30

図10

γa

10

-10

γa：フェライト相は延性破面

10

-11

0

10000

20000

30000

40000

400°
Cの熱時効時間（h）

図９

3.3

脆性破面率のフェライト量による変化

10

α+γ→

CGRSSRT（m/s）

CGRSSRT（m/s）

フェライト量（%）

10

-9

-10

CGRSSRTの熱時効時間（h）

SCC感受性のフェライト含有量による影響評価

時効条件：400°
Cで30,000時間

10

-11

0

10

20

30

フェライト量（%）

ここまで，鋳造２相ステンレス鋼のSCC感受性は
熱時効に伴い増加し，その原因は熱時効によりフェライト相がSCC感受性を持つようになるためである
ことを明らかにした．このことからフェライト含有量の異なる材料では，特に長時間時効材でSCC感受性が異なるものと推定される．そこで400℃で30,000
時間の熱時効をした供試材について，脆性破面率とき裂進展速度をフェライト量に対してプロットした

図11

CGRSSRTのフェライト量による変化

148

3.4

CLT試験片表面の観察察された．全ての領域の観察は困難であったため定
量的評価は困難であるが，フェライト相中の割れよ

ここでは，鋳造２相ステンレス鋼のSCC感受性をりも相境界割れの方がき裂発生位置として頻度が多き裂発生の有無およびき裂発生応力条件の観点からかった．これらのき裂発生位置は，SSRT後の破面観検討する．

察結果と類似しているが，完全には一致しない．こ未時効材および時効材の360℃大気中の引張試験結の点に関してはさらに検討が必要である．

果を図12に示す．400℃で10,000時間の時効により，0.2%耐力（σ 0.2 ）および引張強さは増加する．この70
F23 aged for 10kh at 400C

それぞれの耐力に対して1.2〜2.0倍の負荷応力条件でσ0.2 = 24.9 kg/mm

定荷重試験を実施し，適当な試験時間経過後，適宜

260

F23 unaged
σ0.2 = 21.1 kg/mm

試験片表面を観察し，き裂発生の有無およびき裂発面の代表例を図13に示す．この図から未時効材においては，1.6〜2.0倍の負荷応力条件で約10,000時間経過後の定荷重試験片の表面にき裂発生が確認された．
この微小き裂は主にオーステナイト相中（粒内）に50

応力（Of/mm2）

生位置の特定を行った．未時効材の定荷重試験片表

240σ0.2 × 2
σ0.2 × 1.630
σ0.2 × 1.2

20

発生し，このき裂発生位置は，SSRT後の破面観察結果と一致する．

10

一方，時効材においては，図14にその代表例を示
0

すように，オーステナイト相中以外にフェライト相02

中，フェライト相／オーステナイト相の相境界にも微小き裂が確認された．また，比較的低応力条件の場合には，相境界割れの方が粒内割れよりも多く観

図13

4

6

8

10

変位（mm）

図12

23％フェライト未時効材および時効材の360℃
大気中の引張試験結果

未時効材の定荷重試験片表面の代表例（F23）

149

図14

4.

時効材の定荷重試験片表面の代表例（F23，400℃で10,000時間）

まとめ

である．
（3）SSRT試験による破面形態は，未時効材ではオ

PWRsの１次冷却材主配管でよく用いられるーステナイト相のTGSCC破面，フェライト相SCS14A遠心鋳造２相ステンレス鋼について，フェラの延性破面であるが，時効するとフェライト

イト量8，15，23％の供試材を製作し，未時効材と相もTGSCC破面となり，オーステナイト相と400℃ 30,000時間までの時効材に対し，１次冷却材模フェライト相両相がTGSCC感受性を有するよ擬水中360℃においてSSRT試験とCLT試験を行い，うになる．

PWSCCに関し以下の結果を得た．

（4）CLT試験により，23％フェライト材は未時効（1）SCS14A遠心鋳造材は，360℃のPWR一次系模材では0.2％耐力の1.6〜２倍，時効材（400℃

擬水中でSCC感受性を有し，このPWSCC感受で10,000時間）では1.2〜２倍の応力条件で試性は23％フェライト材において，熱時効験片表面に微小き裂が観察された．その微小（400℃）時間が長いほど増加する．

き裂は，未時効材では主としてオーステナイ（2）ま た ， こ の P W S C C 感 受 性 は 長 時 間 時 効 材

ト相粒内に，時効材ではフェライト相/オース（400℃で30,000時間）で比較すると，15％とテナイト相の相境界に多く観察され，このき

23％フェライト材は８％フェライト材よりも裂発生位置はSSRT後の破面観察結果と類似し

PWSCC感受性が高い．従って，熱時効材におている．

いてフェライト相は，SCC感受性の増大因子

以上の結果から，鋳造２相ステンレス鋼における

150

PWSCC感受性が熱時効とフェライト含有量の影響を

鉄と鋼，69 [7], pp.829-836 (1983).

受け，応力条件によってはSCC感受性を有すること（14）山 田 卓 陽 ， 根 岸 和 生 ， 戸 塚 信 夫 ， 中 島 宣 雄,が明らかとなったので，今後はき裂進展試験などを

Journal of the Institute of Nuclear Safety

含め，低応力側の定量的なデータの蓄積を行う必要がある．

System 2001, 8, pp.125-133 (2001).
（15）T. Yamada, K. Negishi, N. Totsuka and N.
Nakajima, Corrosion/2002, Paper No.02524

謝辞(2002).
（16）T. Yamada, K. Negishi, N. Totsuka, N.

本研究の遂行に当たり，破面解析に関わる多くの有効な助言を頂いた（株）神戸工業試験場の藤原昌晴

Nakajima and K. Arioka, Fontevraud 5, Paper
011 (2002).

氏に深く謝意を表します．また，本研究の試験実施（17）山 田 卓 陽 ， 根 岸 和 生 ， 工 藤 大 介 ， 桑 野 壽 ,につきましては，関電興業（株）の村上公治氏，辻井Journal of the Institute of Nuclear Safety

克実氏，平尾充司氏に，多大なご協力頂きましたの

System 2000, 7, pp.145-158 (2000).

でここに感謝します．

（18）下平三郎, 腐食・防食の材料科学 , アグネ技術センター(1995).

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