材料試験部の「売りの技術」
1. 新評価技術
材料試験部では、新しい材料評価技術への取り組みを継続的に行っている。昨年度から今年度にかけて、以下の 2 件の新評価装置を導入したのでここで紹介する。
1.1 SEM による結晶方位計測（EBSD）
EBSD（Electron Backscatter Diffraction、電子線後方散乱回折分析装置）は SEM の中で結晶構造、結図1

SEM/EBSD 概観

晶方位を計測できるため微小構造解析に非常に有効な計測手法であり、結晶粒径、ひずみ分析、相の同定・分布等を計測可能である。同様のことができる装置として TEM（Transmission Electron Microscope、透過型電子顕微鏡）があるが、TEM は薄膜試料が必要であり、試料作製に手間がかかる、作製によりひずみの状態が変化してしまう、観察範囲がごく狭い、などの問題点があり、近年、EBSD による計測が多くなってきている。
当部では、株式会社日立ハイテクノロジーズ製
SEM SU-5000 に株式会社 TSL ソリューションズ製図2検出器 HIKARI をインストールし運用している。試EBSD による結晶方位計測例

料上の計測可能範囲は f 32mm の下 2/3 程度、その範囲内の最大 10mm 四方の領域の計測結果が連結・ 光学顕微鏡による組織観察では計測が難しい可能である。また、電子線源はショットキー型電微細結晶の結晶粒サイズの計測子銃であるため、長時間安定した照射電流を維持・ 析出相の量比・サイズの計測可能となっている。図 1 に装置の概観を、図 2 に・ 集合組織観察結晶方位計測例を示す。EBSD の特長を生かした材・ 残留オーステナイト量および分布計測

料分析例としては、以下が考えられる。

・ 溶接部凝固組織や熱影響部の特定・ 塑性ひずみ解析（結晶粒内のひずみ計測、結当部では、これまでに IHI グループでの計測実績晶粒同士の方位差の計測）により培ったノウハウに基づき EBSD による計測・ 表面加工層観察サービスを提供していく。
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1.2 単繊維引張試験
じん樹脂系・セラミックス系複合材料は比強度や靭性が高いため、近年適用範囲が拡大している。複合材は繊維などの強化材と母材（マトリックス）をさまざまに組み合わせたものであり、複合材料の強度には繊維とマトリックスのそれぞれの強度が影響する。このため、繊維の強度測定が重要となるが、繊維は一般的に直径が約 10mm と細いため、極低荷重で精度よく引っ張ることができ、試料のつかみ部での損傷を防ぐためのチャッキング機構

図3

LEX820 の概観の工夫がされた、特殊な試験機が必要となる。
このため、当部では 2018 年 7 月に繊維一本一本の引張特性を取得可能な単繊維引張試験機（イギリス ダイアストロン社製 LEX820（図 3、図 4））を導入した。本試験機では、最大レンジ 2N と極低荷重で繊維一本ずつの引張試験を自動で安定かつ高精度で行うことが可能である。試料のつかみ部には専用のプラスチックタブを採用し、高強度 UV 硬化剤で試料を固定することにより、つかみ部での試料の損傷を防止している。また、レーザー回折直径測定装置を備えているため、試験直前に繊維図4の直径を計測することも可能である。本試験機のLEX820 試験部拡大

仕様を表 1 に示す。
本サービスは、2018 年 10 月頃の開始を予定して2. 大型設備・プラントの余寿命評価技術いる。

材料試験部では、客先の要望に応じて種々の材料
表1

LEX820 仕様

特性試験、材料劣化調査、品質保証試験、損傷品事試料の長さ4, 12, 20, 30mm

引張速度故調査等を主要業務として取り組んでいる。さらにMax. 2mm/sec.

最大荷重2N

材料劣化と損傷品事故調査の経験を生かして、
機器

荷重分解能

5 × 10-5N

位置反復能

0.1 m m

位置精度

± 10 m m

部材の寿命評価、健全性評価も実施している。一般の機器設備は耐久年数・寿命があり、表 2 に示すような設計寿命を想定して製造・運用されている。機器を経済的・安全に運用するにあたって、これらの寿命管理・評価は重要である。耐久年数を超えれば故障が頻発し、修理・部品交換が必要となり、安心・安全に使用できなくなるので、補修か新規交換
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表2

各種機器の寿命

当部では損傷品事故調査、経年劣化評価などによる不具合発生原因の特定化、健全性評価、余寿命評価などを実施している。特にクリープは高温高圧で10 年単位で長期間使用される部材に対する評価であるため、材料特性、設計条件、使用状況などの知識と経験が求められる。図 5 にフェライト鋼で高温機器に多用されている 2.25Cr1Mo 鋼の余寿命評価概念図を示す。劣化状況を示す損傷比は温度による金属組織変化、負荷応力によるクリープ変形、クリープボイドの発生などにより総合的に判定され、それをもとに余寿命、すなわち今後健全に使用可能な最小時間が求められる。この余寿命時間は、信頼か適切な判断が要求される。メーカにとってこの寿性を担保するために十分な安全率を確保した保守命管理は重要であり、機器の性能評価で重要なポイ的な数値になる場合がある。安全率を考慮したントとなる。特に重厚長大な設備やインフラ設備はRBM（Risk Base Maintenance）の手法が推奨されて耐久年数が長く、安心・安全に運用して行くには、いるが、リスクは損傷確率と事故発生費用を掛けた適切な健全性評価、余寿命診断が求められ、中でももので経済的・合理的に評価・運用され、クリープ火力発電プラント、化学プラントなどの高温高圧設寿命評価判定には高度の評価技術が要求される。

備や橋梁、水力発電設備などの大型設備に損傷が2.25Cr1Mo 鋼に関しては評価技術が最も進んでお発生した場合には、設備自体の損害に止まらず周囲に甚大な被害が及ぶ可能性があるため、的確なる健全性評価、余寿命診断技術が要求される。表 3 に代表的な構造部材の経年劣化要因と評価対象、手法を示すが、個々の設備によって損傷形態を想定した寿命評価技術が開発され、運用している。
当社では、これら大型設備の維持管理としての非破壊検査技術、使用中の温度・ひずみ・変形など各種計測、構造部材の経年劣化調査、損傷解析による図5

寿命評価など総合的評価サービスを提供している。
表3

クリープ損傷寿命評価、余寿命評価の概念図

構造部材の経年劣化要因と評価手法—49—

IIC REVIEW/2018/10. No.60

表42.25Cr1Mo 鋼（STBA24）発電用ボイラ伝熱管の余寿命評価基準

り、当社では表 4 に示すような判定基準を作成し、信頼性の高い健全性評価が求められている。特に大運用している。検査項目として組織観察、硬さ計

径管は、小径管のように破壊試験を行うことが難し測、水蒸気酸化スケール厚さ計測、寸法計測、機械いため、その評価には表面のレプリカ組織観察によ試験、クリープ試験などの結果から総合的に判定しるクリープボイド評価と、内部を調べるため超音波ている。これらは、社内データ、および学会推奨方探傷（フェーズドアレイ法）を採用している。当社

法、国立研究開発法人物質・材料研究機構（NIMS）

では、検査事業部と計測事業部が協力して信頼性のの材料データ、資源エネルギー庁指針を基準にして高い寿命評価を実施している。

評価している。一方、蒸気温度 600℃以上の新設
文責超々臨界圧プラント（USC：Ultra Super Critical PowerPlant）については、9 ～ 12Cr 系鋼が採用されてき計測事業部ており、溶接継手部の強度評価や複雑な形状部位で技師長室—

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材料試験部長フェロー

齋藤 吉之
中代 雅士