ISSN0913-

The Japan Research and Development Center for Metals

財団法人

金属系材料研究開発センター

2011.1

No.291TODAY

C O P1 6 以 後 の 地 球 温 暖 化 環 境 対 策 の 方 向 ― わ が 国 の 2 5 ％ 削 減 の 幻想

ブラジル

南アフリカ

その他

中国

1.2%

20.7%

2 １ .0%1.2%
サウジアラビア
1.2%
インドネシア

全世界の

1.3%

CO 2 排出量

２９０億トン
オーストラリア
1.4%

アメリカ

メキシコ

19 ． 9%

1.5%
日本
イラン

韓国

1.6%

1.7%

インド
4.6%

東京大学

ロシア
5.5%

カナダ

大学院工学系研究科
マテリアル工学専攻教授

4.3%

EU 旧 15 ヶ国
11.0%
ドイツ
2.8%

2.0%
イギリス
1.8%
ＥＵ その他

足立 芳寛

3.7%

フランス
1.3%

イタリア
1.5%

出典：IEA「KEY WORLD ENERGY STATISTICS」 2009を元に環境省作成

図１. 2007 年の国別温室効果ガス排出量

図3 2007年の国別温室効果ガス排出量
この場での研究データ操作疑惑が持ち上るなど、
１．COP16 に至る道程
温暖化犯人捜しに疑念もあるが、過去 200 年、産昨年末にデンマークで開催された COP15 は、オ業革命以後の人類の排出してきた二酸化炭素を中
バマ米大統領、温家宝中国首相を含む主要各国の心とする温暖化効果ガスは、今後途上国の成長に元首らの会合を経ても、「コペンハーゲン合意」は伴う排出を考えると早急な対策が必要な事には変留意 (take note) に留まった。地球の温暖化対策にわりない。問題は現在の CO2 排出量 290 億トン
は全世界が取り組む事が必要でそのため気候変動が今後急激に増加する事にどう対応するか。その対応策を考える上で留意すべき点を見ると、世界の主要排出国は、中国、米国がともに 20％を占めている事 ( 図 1)。人口当たりの排出量は米国を筆頭に先進国が多く、途上国の 4 ～ 10 倍にもなる事 ( 今後の途上国の成長にともない爆発的な増加を暗示―図２)。また、産業革命後からの累積排出量 ( ある意味で現在までの犯人は ) 図３に示す
様に米国・中国・ロシアに加え欧州各国の寄与が大きい事などが挙げられる。
これらが、今後の世界的な枠組みを討議する上での主要な論点と見られる。これらのデータからも我国のモデルは、単年度排出量、人口当たり排枠組み条約が国連主導で提唱され 1997 年の京都会合 (COP3) で京都議定書が合意されてきた。その後、米国離脱など紆余曲折はあったものの 2005年に発効している。しかしながら、この議定書の目標年次は、2012 年までであり、米国や中国などの主要温排出国も欠けている為、ポスト京都以降の全面的な解決をめざしたのが COP15 会合で、今年の COP16 も同様の会合となった。
２．COP15 の本質
地球気候の変動が人為なるものかどうかを世界の叡智で検討する場として IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) が 設 け ら れ た。

1

1人あたりCO2排出量（t/capita）

図 2. 2005 年における 1 人あたりの CO2 排出出量、累積排出量ともに経済活動規模を勘案すると今後の世界経済活動における温暖化対応低炭素モデルであると言えよう。

我が国は現行の世界最高水準の低炭素モデルを更に発展させるとともに、これらを世界に輸出することにより、世界シェア 4％の排出量をやみく
もに 25％カットし製造業の息の根を止めかねない政策より、はるかに抜本的に貢献する政策への転換が合理的であろう。
今、求められるのは、これからの効果量を定量的に推計する手法の開発とその実例を示すことでもあるが、筆者らの活動もこの点に重点を設けており、今月、東京大学出版会より「マテリアル環境工学」として発刊もしているので、読者の方々の参考になれば幸いである。

３. 我が国の貢献のあるべき姿と 25％削減の幻想
現 在、 我 が 国 は、2020 年 ま で に 1990 年 比25％削減を明言しているが、現状 290 億トンの世界排出量、米国、中国、インドで 130 億トンに対し、我が国は 13 億トンであり全世界に占める割合は 4％にすぎない。姿勢としては、世界にアピールする事も重要であるが、根本的解決は、我が国の省エネ、省資源技術による低炭素社会モデルを世界に輸出し普及させる事であろう。地球温暖化問題解決に実質的な貢献を果たす事になるこれらの省エネ、省資源技術は、製品の製造段階はもとより、製造されたエネルギー消費効率の優れた製品を世界に輸出して使用する段階での省エネ効果も期待できる事から、世界全体量の削減にわが国内での 25％削減よりはるかに多大に寄与すると考えられる。
4. 環境の見える化技術
COP など国際会議における温暖化対策への取り組みは各国の利害の衝突と世界経済の低迷から迷走を続ける一方、途上国が世界の成長センターである現状からは、CO2 排出量は我が国の血のにじむ 25％カット施策を尻目に爆発的に増加すると思われる。

図 3. 1850 年から 2005 年までの国別 CO2 累積排出量

JRCM NEWS No.291

2

JRCM REPORTNEDO「鉄鋼材料の革新的高強度・高機能化基盤研究開発」
における高温クリープサブグループ（SG）の活動（３）700℃級高効率火力発電に適用される新しい耐熱材料とクリープ強度予測技術の開発
九州工業大学大学院工学研究院

増山 不二光（高温クリープ SG リーダ）件を上昇させた Advanced Ultra Super Critical (A-USC) プラントの開発を開始し、さらなる高効率化によって一層の CO2 削減を進めようとしている。日本でも欧米に遅れながら、最近、図１２）に示すような計画で A-USC プラントの開発に着手した。蒸気条件を 700℃級にすることによって効率は現在の USC 条件の 42%から 46-48% ( 高位
発熱量ベース ) に向上し、約 10%の CO2 排出量削減が可能になる。しかし、700℃級 A-USC プラントを実現させるためには既存材料よりも一段とクリープ強度の高い新材料が不可欠である。これらの材料は、フェライト系鋼、オーステナイト系鋼および Ni 基合金からなるが、既存材料の強度の範囲ではより高価なオーステナイト系鋼や Ni基合金を多用しなければならず、経済性の面からプラントの成立が困難になる。また、既存材料は設計上必要とされる 10 万時間、100MPa の強度を満たす温度が、経済性から要求される目標温度、すなわちフェライト系鋼、オーステナイト系鋼および Ni 基合金に対する、それぞれ650℃、700℃および 750℃に達しない。さらに、プラント建設のためにはいずれの材料も溶接構造物として強度・信頼性を確保しなければならないが、特にフェライト系鋼においては溶接熱影響部（HAZ）の強度が母材に比べて著しく低下する問題がある。このような観点から本研
究は、図に示したように特にボイラ分野に対して材料基盤技術を提供し、A-USC 開発に貢献しようとするものである。
一方で、設計で要求される 10 万時間以上の強度は一般

1. はじめにNEDO「鉄鋼材料の革新的高強度・高機能化基盤研究開発」高温クリープサブグループ（SG）では「溶接継手特性に優れた耐熱鋼の合金設計指針提示と長時間クリープ強度予測法の開発」を目的として、将来の 700℃級高効率超々臨界圧火力発電プラント高温機器に使用できる650℃用フェライト系鋼、700℃用オーステナイト系鋼および 750℃用 Ni 基合金の研究開発と Factor of 1.2 の高精度強度予測技術の研究開発を行っている。プロジェクト研究の４年目に入った現在、すでに所期の目標を達成する新材料開発の目処を得ており、新しい耐熱材料開発のための指導原理を提示した。新材料開発の経緯とその成果の詳細については、すでに本紙 No.279 １）で報告したので、以下にはその概要を述べるにとどめ、主として、もう一方の課題である長時間強度予測技術の開発に関する研究状況と成果を紹介する。
２．700℃級高効率火力発電用耐熱材料と強度予測技術開発の必要性と本研究の目的
省資源・省エネルギーの推進と地球環境温暖化問題の解決のために石炭火力の高効率化は不可欠である。1990年代に入って蒸気温度が引き上げられ、現在では Ultra
Super Critical (USC) プラントとして約 600℃まで上昇している。これは約 630℃まで使用できる高強度 9-12% Crフェライト系鋼が開発されたことによって実現した。しかし、約 10 年前から欧州、米国は約 700℃まで蒸気条

図１

700℃超々臨界圧発電プラント開発と材料・強度予測技術開発

3

JRCM NEWS No.291

４．長時間強度予測技術の開発に温度時間パラメータ (TTP) 法などによって外挿して求めるが、長時間データが取得されるたびに外挿強度が低下す （１）フェライト系鋼の長時間強度に及ぼす組成因子と溶接熱影響部強度の評価るという、クリープ強度の予測精度の問題がある。この問開発材料を実用する場合には仕様を決め、規格化する必
題は従来の単純な外挿では予測強度が不正確であり、開発要があるが、規格では要求されるクリープ強度を発現させ材料の強度と運転供用中の材料の寿命評価に対する信頼るために化学成分範囲や熱処理条件が厳しく制限される。
性を保証できないことを意味する。ナノレベルで組織制御
一方，クリープ強度は材料に含まれる化学成分、熱処理条され、高強度化された最近の開発材料は、クリープの過程件および構成相、つまり材料のミクロ組織の影響を受けで生じる材料学的な変化、すなわち劣化・損傷が従来の標準材料では経験されていないか、知見がない場合が多く、 るために、規格に規定された化学成分範囲内の材料であってもヒート毎に異なり、特に高強度フェライト系鋼では強拠りどころとするデータが少なく、系統的に取得されてい度にばらつきがみられることがある。したがって、クリーない。
プ破断強度に及ぼす化学成分、構成相、熱処理条件などの以上のことから、本研究では目標の材料開発を確実な影響に関する詳細な知見が得られれば、この種材料の最適も の と す る た め 10 万 時 間 100MPa を 有 す る 650 ℃ 用材料仕様の確立および精度の高いクリープ強度予測に寄フェライト系鋼、700℃用オーステナイト鋼および 750℃
用 Ni 基合金に対する合金設計指針を提示するとともに、 与できる。そこで本研究では、既存の規格鋼である Gr.91
クリープ過程のナノレベルでの組織変化や実環境下での （9Cr-1Mo-V-Nb） 鋼 や Gr.92(9Cr-0.5Mo-1.8W-V-Nb） 鋼を対象とし、組成（化学成分）、熱処理（プロセス）、組織強度評価とデータ整備を行って、基盤的な強度・組織診断データベースを確立し、プラットフォームを構築して （相の種類、量、組成）、機械的性質等の材料構成条件（ナノ組織因子）とクリープ破断強度との関係について、こFactor of 1.2 の高精度長時間強度予測技術を開発することれまでに得られたデータベースおよび最新の文献データを目的とする。に加えて、熱力学計算システムを用いた相平衡計算結果に基づいて解析し、因果関係を明らかにした。一例とし３．700℃級高効率火力発電用耐熱材料の開発て、Gr.91 鋼における Cr 量、MX 量、VX/NbX 比、Mo の開発の経緯と成果は既報１） で詳述したが、それぞれの
M23C6 と bcc（マトリックス）への分配比とクリープ破断
目標温度で３万時間あるいは 10 万時間で 100MPa のクリープ破断強度を有する溶接熱影響部強度低下抑制型の強度との関係を図３に示す。Mo についてみると、Mo がフェライト系鋼、オーステナイト系鋼および Ni 基合金をマトリックスよりも M23C6 中へ固溶した方がクリープ破断
世界で初めて見出し、これらの合金設計指針を提示した。 強度は高くなることを示している。高強度フェライト系鋼
開発した材料の既存材料の中での位置付けを図２に示す。 においては、粒界に析出した M23C6 がクリープ進行に伴っいずれも新しく見出した強化機構や実験結果によって開て粗大化することによりマルテンサイトラス組織のサブ発されたもので、既存合金より約 30℃高い温度で使用すグレイン化が起こるが、拡散の遅い Mo がマトリックスよることが可能になると考えられる。
りも M23C6 に多く固溶することで粗大化が抑制される結

図２

ボイラ材料の強度と開発材料の位置付け

JRCM NEWS No.2914

転位密度と組織自由エネルギーの溶接熱影響部内の分布を、また、図５に Smallpunch(SP) クリープ試験法と 3mm 直径、0.25mm 厚さの試験片を用いた溶接熱影響部内のクリープ破断試験結果を標準試験片による母材のデータと比較して示す。
これらの結果から従来の高強度フェライト系鋼の溶接熱影響部の微小部分のクリープ強度の低下を知ることができ、開発材の溶接熱影響部のクリープ強度低下の可能性の有無を評価することができる。
（２）クリープによるナノ組織劣化の測定開発されたフェライト系鋼、オーステナイト系鋼および Ni 基合金はそれぞれの最高使用限界温度で使用される場合、長時間強度予測の不確かさがあれば現在使用されている高強度フェライト系鋼と同じように実機使用中に早期破断が発生する可能性がある。したがって、これからの材料開発ではこのような問題の有無を事前に明らかにしておく必要がある。そ
図３ Gr.91 鋼の 10 万時間クリープ破断強度と化学成分、構成相組成の関係のためには、クリープ中の材料の組織変果、高いクリープ破断強度を示すと考えられる。
化を解明して理解しておかなければならない。このような高強度フェライト系鋼における溶接熱影響部のクリー知識は材料を使用したときの保守、メンテナンスにも不可
プ強度の低下については微小部分の材料特性の変化であ欠であり、寿命評価のツールとしても開発が必要である。
るために、その材料学的な評価や強度の測定が極めて難し
以下には、このプロジェクトで研究している方法についてい。したがって化学成分や析出現象に関わる熱力学的組述べる。
織安定性を、組織自由エネルギーとして評価することにフェライト系鋼の溶接熱影響部の微小部分のクリープよって微小部分のクリープ抵抗を予測し、Type IV 破壊のによる組織劣化の評価には熱力学に基づいた組織自由エ可能性の有無を評価することが有効である。また、Small
ネルギーの計算が有効であり、また、微小部分のクリープ
punch クリープ試験法を高度化し、従来の 10x10mm、厚強度の測定には先進的な Small punch クリープ試験法が有さ 1mm の試験片より、一段と小さくした 3mm 直径、厚効であることをすでに述べた。これらの手法はフェライさ 0.25mm の試験片で微小部分のクリープ抵抗を測定しト系鋼以外にもオーステナイト系鋼や Ni 基合金の組織安て特性が連続的に変化した溶接熱影響部のクリープ強度定性評価および小さい試料をサンプリングしたときのクを評価することができる。図４に Gr.91 鋼と Gr.92 鋼のリープ強度測定にも有効である。しかし、マルテンサイト

図４

Gr.91 鋼および Gr.92 鋼の転位密度組織自由エネルギーの溶接熱影響部内の分布

5JRCM NEWS No.291

図５SP クリープ破断試験法と 8Cr-2W-VTa 鋼溶接熱影響部内のクリープ破断強度れるスペクトルを専用ソフトで解析することによって、クリープによって生じた材料内部の欠陥の種類と量を知ることができる。本プロジェクトにおいては高温クリープ試
験機とエネルギー選別型高速陽電子ビーム発生装置とを一体化し、陽電子線クリープ損傷高温その場測定装置を世界で初めて開発した。この装置は、陽電子ビーム導入部、陽電子消滅γ線検出器、電子衝撃加熱装置、光学式クリープ変位測定器等を備えており、クリープ変形に伴う材料の組織劣化を、高温でその場観察できる。図７は Gr.91 鋼を650℃でクリープ試験したときの、クリープ速度と陽電子

Mean positron lifetime [ps]ᐔဋ㓁㔚ሶᶖṌኼ๮䋨ps䋩䉪䊥䊷䊒ㅦᐲ䋨hCreep rate [h-1-1䋩]

組織からなる 9-12% Cr フェライト系鋼のクリープ劣化過程はより複雑であり、劣化の素過程はマルテンサイトラス組織の崩壊であると考えられる。マルテンサイト組織は結晶学的に評価することが可能であるので、走査電子顕微鏡 (SEM: Scanning Electron Microscopy) で試料表面に電子線を照射したときに得られる回折図形、すなわちEBSP(Electron Backscattering Diffraction Pattern) によって結晶方位に関する情報を得ることができる｡ たとえば、図６に示すようにクリープ途中の種々の寿命比で中断したクリープ試験片の結晶方位分布を測定するとミスオリエンテーションの分布が試験片の寿命比、すなわちクリープ損傷量によって変化することが分かる。
金属材料中に打ち込まれた陽電子は、原子空孔、ボイド、転位、析出物、粒界等の欠陥に捕獲され、その位置で電子と対消滅してガンマ線を放出する。欠陥があると陽電子が材料に入射してからガンマ線が発生するまでの時間（陽電子寿命）が長くなる。陽電子寿命は欠陥の種類によって定まっているため、陽電子をクリープ試験材に打ち込み、試験材からガンマ線が放出されるまでの時間を計測し、得ら

10-110-210-310-410-510-6140130120110 010
図６Gr.91 鋼のクリープ寿命比とミスオリエンテーション分布の関係

図７JRCM NEWS No.291

6101102103
Creep ᤨ㑆 [h]䉪䊥䊷䊒ᤨ㑆䋨h䋩

陽電子消滅寿命のクリープにともなう変化

104フィッティングをみると長時間、低応力域では合わなくなっている。これは、短時間、高応力域と長時間、低応力域に異なったクリープの活性化エネルギー (Q) と異なった応力指数が存在するためであり、これを考慮しなければ、長時間における正確な強度および寿命予測は正確に行うことができないことを意味する。図に示した短時間側と長時間側のマルテンサイトラス組織の違いがクリープ機構（活性化エネルギー）の違いを決定していると言える。ここではこの問題を解決するためにクリープ破断データの解析をクリープ機構（活性化エネルギー）の変化に対応してデータを複数に区分する領域区分法（Multiregion analysis）によって行うことを提案している。この問題は、オーステナイト系鋼や Ni 基合金にも共通の問題であり、高温の極限状態では、長時間側で特異な領域が出現する可能性がある。
図９に Gr.91 のクリープ中断、破断および熱時効材の硬さを Larson-Miller パラメータを変数として示すとともに、クリープひずみと硬さ低下量との関係を示す。これをみると加熱時効材（550℃から 675℃の温度範囲で 25℃毎の温度で最長 30000h）の場合、硬さの低下量は最大でも10%未満であり、軟化曲線の勾配は緩やかである。また、クリープ試験片の掴み部の硬さも加熱時効材の軟化曲線上にある。これに対して、クリープ試験片の平行部の軟寿命のクリープ時間変化を示すが、陽電子寿命はクリープひずみに対応して変化することがわかる。
（３）長時間強度 / 寿命予測技術
設計で必要とされる 10 万時間以上のクリープ破断強度を短時間のデータから正確に予測するために温度時間パラメータ（TTP）法が一般に用いられており、破断時間の推定精度は Factor of ２程度である。特に高強度フェライト系鋼の場合は、応力―破断時間線図の高温、長時間において折れ曲がりが生じるために、それを考慮しなければ高精度の強度 / 寿命予測は不可能である。本プロジェ
クトでは応力―破断時間線図の折れ曲がりを種々の組織パラメータを単独に、または組み合わせながら予測し、クリープ機構に立脚した新解析法（領域区分法）を提案して、推定破断時間が Factor of 1.2 の高精度予測技術を開発している。また、非破壊的劣化度測定値、たとえば硬さ測定結果による寿命評価法の開発も行っている。
図８に Gr.122(11Cr-0.4Mo-2W-V-Nb) 鋼のクリープ破断データと短時間および長時間におけるマルテンサイトラス組織を示す。応力―破断時間線図には TTP 法の OrrSherby-Dorn(OSD) 法 と Manson-Haferd(MH) 法 に よ る回帰曲線が示されている。これらはある一つのクリープ活性化エネルギーを想定しているが、データポイントの

図８

Gr.122 鋼のクリープ破断データの長時間回帰とマルテンサイトラス組織

図９Gr.91 鋼のクリープにともなう硬さ変化とクリープひずみとの関係

7JRCM NEWS No.291

化量は極めて大きく、クリープの過程で著しい軟化が生じる。そして、軟化の過程は Larson-Miller パラメータに対して２つのグループに分けられ、98 MPa 以上での試験材はパラメータ値が低く、71 MPa 以下の試験材はパラメータ値が高くなっており、破断材の硬さは負荷応力が小さいほど低い値を示す。また、このように軟化挙動が低応力と高応力に二分されることは、ひずみに対する硬さ低下量の変化も同様である。これらの知見をもとに硬さによって寿命を予測することが可能であり、寿命予測のための硬さモデルを提案している。

して構築した、データベースと解析ツールからなるプラッ
トフォームは、図１に示した、別途進行中の A-USC プロジェクトを支援することができるとともに、A-USC のみではなく我が国火力発電用材料の信頼性評価に関する基盤技術を提供するものである。
５．おわりに
高温クリープ SG のプロジェクトでは、700℃級高効率火力発電に適用可能な目標強度を有する新しい耐熱材料を開発してその指導原理を提示するとともに、損傷データベースと強度予測プラットフォームの構築を行っている。残された期間内に組織・特性変化を確実に予測できるデータとツールの拡充を行って、破断時間予測精度Factor of 1.2 の高精度強度予測技術を確立できる見通しであり、A-USC 発電技術開発と高温用鉄鋼基盤技術への顕著な貢献が期待される。

（４）強度予測プラットフォームの構築
損傷あるいはそれに関連するパラメータとして次が挙げられる。すなわち、長時間強度に影響する化学成分と熱処理条件（構成相およびその化学組成や元素分配比などを含む）の他、ＴＴＰ線図、析出相、クリープひずみ・破断データ、組織（光学、電子顕微鏡、格子欠陥、転位、粒界、結晶方位、粒径、析出物、ボイド等機械的損傷）、硬さ、電気・磁気的性質等である。本プロジェクトで取得しているデータ（微小・超低ひずみクリープ試験、組織自由エネルギー、転位密度、陽電子消滅、局所結晶方位、硬さ、電気抵抗等）はこれらを代表するもので、既存のデータ群（強度/ 組織 / 成分）も含めてこれらの相互関係を明らかにしたデータベースをもとに、図 10 に示すようなクリープ強度予測プラットフォームの構築を図っている。上記のうち、各種構造材料のクリープひずみ（一部）・破断データとして（独）物質・材料研究機構（NIMS）のクリープデータシート（CDS）が化学成分、機械的性質、組織他の情報とともに利用でき、関連文献・資料で硬さやボイドに関するデータを参考にできる。また、文献等でもすでにクリープ損傷と微視組織・転位密度、硬さ等の関係が明らかになっているので、これらを損傷データベースとして登録する。このように

参考文献
１）五十嵐正晃：JRCM NEWS, No.279, (2010)２）火力原子力発電技術協会：火力原子力発電、Vol.61,No.10, (2010), p.164, 図 9 に加筆

図 10活動報告■鉄鋼技術研究部
・鉄鋼技術の革新的高強度・高機能化基礎研究開発の NEDO 第３回技術推進委
員会（委員長：野本敏治東京大学名誉教授）
11 月 30 日、12 月１日に開催された。
同プロジェクトの PL および各 SL、実クリープ強度予測プラットフォームの構築

施者からの進捗報告に対し、委員より活発な意見がだされました。
・「水素用材料基礎物性の研究」(H17 ～H21FY)」の NEDO 事後評価分科会
12 月３日に開催された。JRCM グループからの同研究の成果報告に基づき、活発な議論が交わされました。

■産学官連携グループ

The Japan Research and Development Center for Metals

JRCM NEWS ／第 291 号

発 行
発行人
発行所

・「微生物培養による窒素安定同位体元素で標識した有用化学物質の製造技術の開発」
第２回推進委員会が 12 月 16 日に開催されました。本プロジェクトは、経済産業省「戦略的基盤技術高度化支援事業」として H22FY ～ H24FY の間、実施するものです。

2011 年 1 月 1 日
小紫 正樹
財団法人 金属系材料研究開発センター〒 105-0003 東京都港区西新橋一丁目 5 番 11 号 第 11 東洋海事ビル 6 階

内容に関するご意見、ご質問は JRCM 総務企画部までお寄せください。
本書の内容を無断で複写・複製・転載することを禁じます。

T E L (03)3592-1282（代）／ FAX (03)3592-1285
ホームページ URL http://www.jrcm.or.jp/E-mail jrcm@oak.ocn.ne.jp8