INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑5106

中性子照射ステンレス鋼の変形挙動−バッフルフォーマボルト材とフラックスシンブルチューブ材の比較−
Deformation Behavior of Neutron-irradiated Stainless Steel‑ Comparison between Baﬄe Former Bolts and Flux Thimble Tubes ‑三浦

照光（Terumitsu Miura）＊1

福谷耕司（Koji Fukuya）＊1

藤井克彦（Katsuhiko Fujii）＊1

橘内裕寿（Yuji Kitsunai）＊2

要約
加圧水型原子力発電所の炉内構造物の技術評価に用いられる照射誘起応力腐食割れ（IASCC）の発生しきい応力は，バッフルフォーマボルト（BFB）材とフラックスシンブルチューブ（FTT）材を用いた定荷重 SCC 試験により評価されているが，BFB 材の発生しきい応力はFTT 材に比べて高い傾向が認められる．この違いを材料特性の面から検討するため，照射量 20
dpa の BFB 材と FTT 材を 320℃の大気中にてゲージ部の伸びで 3% まで引張変形させ，走査型電子顕微鏡による観察と電子後方散乱回折測定により変形挙動の違いを調べた．BFB 材ではゲージ部の半分程度が比較的一様に変形したが，FTT 材ではせん断方向に狭い変形帯が形成された．同一の巨視的な変形が加えられた場合には，FTT 材の方が部分的に変形し，局部的な最大到達ひず
みが大きくなり，IASCC の発生を誘起する粒界での高い局所応力を生じると考えられる．変形挙動の違いは IASCC 発生しきい応力の差の一因と推察された．
キーワード

照射誘起応力腐食割れ，中性子照射，ステンレス鋼，ひずみ，局所方位差

Abstract
Although initiation threshold stress of irradiation assisted stress corrosion
cracking（IASCC）used for technical evaluation of core internals in pressurized water reactors isdetermined using constant load test data of neutron-irradiated stainless steel specimens obtained
from baﬄe former bolts（BFBs）
and ﬂux thimble tubes（FTTs）, the initiation threshold stress of
the BFB specimens tends to be higher than that of the FTT specimens. To clarify the reasonsfor the diﬀerence in initiation threshold stress between the BFB and FTT specimens from theviewpoint of material properties, tensile specimens that were fabricated from BFB and FTTmaterials neutron-irradiated to a dose of 20 dpa were tensioned to 3% elongation of gauge length
at 320℃ in air, and the diﬀerence in deformation behavior between the BFB and FTT specimens
was investigated by scanning electron microscopy observations and electron backscatter
diﬀraction measurements. The BFB specimen almost uniformly deformed at half the gauge
section, whereas a narrow shear deformation band was formed on the FTT specimen. If thesame macroscopic deformation was applied on the BFB and FTT materials, the FTT material
would cause higher local stress at grain boundaries which promotes the initiation of IASCC due
to larger local strain caused by more local deformation than the BFB material. The diﬀerence indeformation behavior between the BFB and FTT materials would be one of the factors causing
the diﬀerence in the IASCC initiation threshold stress between the BFB and FTT specimens.
Keywords

Irradiation assisted stress corrosion cracking, Neutron irradiation, Stainless steel, Strain, Local
misorientation

1. はじめに

corrosion cracking, IASCC） は， 中 性 子 照 射 されたステンレス鋼に生じる粒界型の応力腐食割れ

照射誘起応力腐食割れ（irradiation assisted stress＊ 1 （株）原子力安全システム研究所＊ 2 日本核燃料開発（株）

技術システム研究所（stress corrosion cracking, SCC）であり，加圧水型

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑5107

原子力発電所（pressurized water reactor, PWR）

できれば，FTT 材の IASCC 発生しきい線に基づく

ではバッフルフォーマボルト（baﬄe former bolt,

初期点検時期の設定について，裕度の説明性を向上

BFB）の高経年化課題の一つとして扱われているさせることができる．

（1）．ボルトの損傷は IASCC が発生する応力と照射

IASCC の発生機構に定説はないが，照射と腐食量の関係（IASCC 発生しきい線）とボルト首下部によるミクロ組織と組成の変化に伴って粒界の結（2）．IASCC 発生しき合強度が低下して粒界割れを起こし易くなること

い線は中性子照射ステンレス鋼を高温水中で定荷と，照射材特有の転位チャンネル形成を伴う変形に

重 SCC 試験したデータに基づき策定されており，よって結晶粒界に局所的に高い応力やひずみが生じ

国内では旧原子力安全基盤機構（JNES）の「照るようになることが発生の主要因と考えられる（8）．

射誘起応力腐食割れ（IASCC）評価技術」事業（3）,

粒界の結合強度については，照射量 20 dpa の BFB（4）で取得された試験データがあり，海外でも独自材と FTT 材の粒界を個別に引張試験した結果よの試験データと IASCC 発生しきい線が報告されてり，BFB 材の方が粒界の結合強度が高いことが報の応力を比較して判定される

（5）〜
（7）

．SCC 試験には炉内から取り出された

告されている（9）．しかし，粒界局所での応力やひBFB の他，炉内計装用フラックスシンブルチュー

ずみの集中については，BFB 材と FTT 材で違いがブ（ﬂux thimble tube, FTT）が同じ冷間加工 316

あるのか良く分かっていない．そこで本研究では，

ステンレス鋼として広く使用されている．IASCC

BFB 材と FTT 材の粒界局所における応力やひずみ評価技術事業（3）では，BFB 材を用いた SCC 試験のの集中挙動を明らかにすることを目的として，照射データが FTT 材とともに取得されており，20 年間量20 dpa の BFB 材と FTT 材を320℃で変形試験し，の運転期間に相当する照射量 20 dpa までの BFB 材

走査型電子顕微鏡（scanning electron microscopy,による IASCC 発生しきい線と照射量 70 dpa までのSEM）による観察と電子後方散乱回折（electron

FTT 材による IASCC 発生しきい線が報告されていbackscatter diﬀraction, EBSD）測定により，変形る．BFB 材の IASCC 発生しきい線は FTT 材より挙動の違いを調べた．

いるも発生しきい応力が高い傾向が認められており，初回の点検時期については，保守的な評価となることから FTT 材の発生しきい線を用いることが原子力安全推進協会の PWR 炉内構造物点検評価ガイドラ（2）で推奨されている．

イン

2. 試験方法
2.1 供試材

BFB 材と FTT 材の IASCC 発生しきい線が異な

実機 PWR で使用された BFB と FTT を供試材にる原因については IASCC 評価技術事業（3）で検討さ用いた．BFB 材は IASCC 評価技術事業（3） で使用れており，製造工程の違いによる結晶粒径と冷間加された C リング試験片の残材であり，FTT 材は国工度の違いが影響する可能性があること，表面硬化

内 PWR で 13 年間使用された材料である．供試材の層の有無が違いの一因となること等が報告されてい化学組成を表１に，結晶粒径と冷間加工度を表２に，る． し か し，BFB 材 と FTT 材 の IASCC 発 生 し き

照射条件を表３にそれぞれ示す．BFB 材の機械的い線が異なるメカニズムについては解明されておら性質やミクロ組織および粒界組成等は Takakura

ず，BFB 材の優位性を機構論的に説明することがら（4） により報告されており，FTT 材については

表１

供試材の化学組成（wt %）

C

Si

Mn

P

S

Ni

Cr

Mo

Fe

BFB（3）

0.05

0.55

1.55

0.021

0.025

12.45

17.71

2.26

balance

FTT

0.04

0.62

1.63

0.022

0.006

12.61

16.94

2.22

balance

表２

供試材の結晶粒径と冷間加工度
結晶粒径
（μm）

冷間加工度
（%）

BFB（3）

74

20

FTT

10

15

表３

供試材の照射条件

照射温度
（℃）

照射速度
（dpa × s‑1）

照射量
（dpa）

BFB（3）

302

3.8 × 10‑8

18.8

FTT

323

4.3 × 10‑8

17.3

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑5

108,
Fukuya ら（10）（11）により報告されている．

BFB 材と FTT 材から，ゲージ部寸法がそれぞれ
2.5 × 0.9 × t0.5 mm と 2.5 × 0.9 × t0.2 mm の引張試験
片を放電加工により作製した．試験片表面をコロイ

3. 試験結果
3.1 変形試験

ダルシリカ（ストルアス社製 OP-S 懸濁液）による変形試験時の応力−変位曲線を図１に示す．試験

研磨で仕上げ，ゲージ部の両端には伸びを確認する

片が降伏した後，ゲージ部の伸びが 3% に到達するために硬さ試験機を用いて圧痕を形成した．なお，まで変形試験を行った．試験後のゲージ部の SEM

試験片の厚みは 10 個程度の結晶粒が厚さ方向に入像を図２に示す．ゲージ部端の圧痕の間隔は，試験るように設定した．

前は BFB 材試験片が 2.58 mm，FTT 材試験片が 2.53
mm であったが，試験後はそれぞれ 2.64 mm と 2.61

2.2 変形試験と EBSD 測定

mm であった．圧痕間距離で評価したゲージ部の伸びは BFB 材試験片が 2.3% であり，FTT 材試験片が精密万能試験機（島津製作所製 AG-X 5kN）を用-4

3.1% であった．

-1

ゲー
いて，
320℃の大気中にて変形速度4×10 s で，ジ部の伸びで 3% まで変形試験を実施した．試験片た後，SEM（日立ハイテクノロジーズ製 SU-70）を用いて試験片表面を観察した．
また，試験前後のゲー
ジ部に観察される介在物等をマーカーにして，引張軸方向の距離の変化から試験片のひずみ分布を評価

応力（MPa）

表面の酸化膜を栗田工業製クリデコンで脱膜処理しした．
粒界近傍における微視的な変形挙動を調べるた
め，EBSD 測定を行い，局所方位差の分布を評価し変位（%）

た．局所方位差とは，周囲との結晶方位のずれを表（a）BFB 材試験片

す尺度であり，材料中の転位欠陥の量と相関することが知られている（12）．局所方位差を評価すること推定することができる．なお，EBSD 測定は，すべりにより生じた試験片表面の段差をコロイダルシリ
カによる研磨で除去した後に行った．EBSD 測定に応力（MPa）

で，粒界近傍等での局所的な応力やひずみの状態をは TSL 社製の OIM Data Collection ver. 5.2 を使用
し，50 個以上の結晶粒が入るように測定範囲を設定した．測定は 0.5 μm 間隔で実施した．測定条件の詳細を表４に示す．

変位（%）（b）FTT 材試験片
図１
表４
項目
測定範囲

応力−変位曲線EBSD 測定の条件

設定値

備考

BFB 材：500 × 625 μm

ひずみ 6% の場所

FTT 材：125 × 125 μm

ひずみ 6, 21% の場所

測定間隔

0.5 μmグリッド

四角

Binning

312 × 234 ピクセル

回折像を測定するカメラの視野サイズ

Binned pattern size

120 × 120 ピクセル測定した回折像を Hough 変換用に圧縮する際の画像サイズ

Theta step size

0.5 度

Hough 変換の際に三角関数を計算する頻度

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑5

5%

6%

109

2%

(a)
ᅽ⑞

ᅽ⑞
(b)
6%

5%

200 Pm（a）BFB 材試験片

21%

ᅽ⑞

(c)

3%

ᅽ⑞

(d)
0%

200 Pm6%（b）FTT 材試験片

図２ 変形試験後の試験片ゲージ部の SEM 像とひずみの分布
図中の数値は，丸印で示した介在物等の引張軸方向の距離の変化で評価したひずみを示す．
また，□は図４に示した SEM 像の撮影箇所を示す．

BFB 材試験片ではゲージ部の半分程度に変形し25た様子が認められたが，FTT 材試験片では幅 0.2
ネッキングの様相が認められた．試験片のひずみ分布を評価した結果も図２に示した．BFB 材試験片
では比較的広い範囲で５〜 6% のひずみが認められたが，FTT 材試験片では変形帯の最大到達ひずみ
は 21% であった．また，変形帯の近傍ではひずみは 6% であり，変形帯から離れるにつれて大きく減᭱኱฿㐩ࡦࡎࡳ㸦%㸧

mm 程度の変形帯がせん断方向に形成しており，

少した．BFB 材試験片と FTT 材試験片の最大到達

達ひずみに違いが生じることが分かった．

15
10
5
0

ひずみの比較を図３に示す．同じ巨視的な変形が加わっても，FTT 材の方が部分的に変形し，最大到20

図３

BFBᮦヨ㦂∦FTTᮦヨ㦂∦BFB 材試験片と FTT 材試験片の最大到達ひずみの比較

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑5110

図４に，図２に示したゲージ部の拡大像を示す．

が小さかったが，これはひずみが小さいために移動

図４（a）に示した BFB 材試験片のひずみ 6% の場所

した転位の数が少ないためである．なお，照射ステ

では，すべり線が明確に認められた．試験片を傾斜

ンレス鋼の場合，運動転位は転位ループ等の一部のさせて観察した SEM 像からすべり線の段差を評価

照射欠陥を相互作用により消失させ，転位チャンネ

した結果，最大 200 nm の段差が認められた．図４

ルと呼ばれる照射欠陥の比較的少ないパスを粒内に（b）に示したひずみ 2% の場所についてもすべり線形成する．転位チャンネル内は転位の移動に対するは認められたが，比較的段差は小さく，すべり線は抵抗が小さくなるため，後続するすべり変形は転位

不明瞭であった．320℃の温度域で照射ステンレスチャンネルに集中し，未照射のステンレス鋼に比べ鋼を引張変形させた場合，転位チャンネル形成を伴て，段差の大きいすべり線が表面に認められるよう

（13）〜
（15）

．すべり

うすべり変形と双晶変形が生じるになる．

変形は特定の結晶面を転位が移動することによって

FTT 材試験片については，図４（c）に示したひず

起こり，移動した転位の数に応じた段差のすべり線

み 21% の場所では，BFB 材試験片で認められたすが形成される．BFB 材試験片のひずみ 2% の場所でべり線よりも段差の大きいすべり線が観察されておは，ひずみ 6% の場所と比較して，すべり線の段差

り，段差の最大値は 300 nm であった．図４
（d）に

ᘬᙇ᪉ྥ

20 Pm
（a）BFB 材試験片（ひずみ 6%）（b）BFB 材試験片（ひずみ 2%）

20
20 Pm
Pm
（c）FTT 材試験片（ひずみ 21%）
図４（d）FTT 材試験片（ひずみ３〜 6%）

試験片ゲージ部の変形領域の SEM 像

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑5111

示したひずみ３〜 6% の場所については，変形帯のが認められており，BFB 材と FTT 材ではすべり変近傍を観察しており，視野の左端ではひずみが 6%形挙動に違いがある可能性が示唆された．IASCC

であるが，右端では 3% である．視野の左側ではす

評価技術事業（3） では，BFB 材と FTT 材に 320℃

べり線が明確に認められたが，右側ではすべり線はで 1% 相当の引張ひずみを付与してすべり線を観察

不鮮明であった．
視野の左側でのすべり線の段差は，

し，BFB 材ではすべり線が明確に認められたもの

最大 100 nm であった．

の FTT 材では視野の一部にすべり線が確認される

BFB 材試験片ではひずみ 2% の場所でもすべり線のみであったことが報告されている．本試験で認めが認められたが，FTT 材試験片ではひずみ 3% のられた BFB 材と FTT 材のすべり線の形成状況の傾

場所ではすべり線は不明瞭であった．同じひずみ

向は，この傾向と一致する．

でも，すべり線の段差は FTT 材の方が小さい傾向

IQ ീ

㏫ᴟⅬᅗ

20 Pm
（a）BFB 材試験片（ひずみ 6%）

20 Pm（b）FTT 材試験片（ひずみ 6%）

20 Pm（c）FTT 材試験片（ひずみ 21%）
図５

EBSD 測定結果の例

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑5112

3.2 EBSD 測定の平均値である．なお，測定点との間に方位差が５度以上ある場合は間に粒界があるものと（1）局所方位差の評価

し，粒界を挟む測定点は領域平均法と局所方位差の

BFB 材試験片と FTT 材試験片の EBSD 測定結果

計算に含まないものとする．

の例を図５に示す．図中の黒線は大傾角粒界（方図７に，図５で示した方位マップから評価した局

位差 15 度以上の粒界）を，赤線は双晶境界を示す．

所方位差のマップを示す．図中の黒線は方位差５度

イメ ー ジ ク オ リ テ ィ（image quality，IQ）像は，以上の粒界を，赤線は双晶境界を示す．粒界三重点各点で測定された電子後方散乱回折像の輝度を数値の近傍等で白抜きの箇所が認められるが，これらの化しており，明るい箇所ほど鮮明な回折像が得ら場所では前述の蓄積した転位により結晶方位が大きれ，結晶構造が乱れていないことを示す．逆極点図

く乱れている場所である．本解析では，方位差５度（inverse pole ﬁgure）は，試験片表面に対して垂直以内の測定点が 10 個以上隣接する領域を結晶粒と方向の結晶方位を色で表した．FTT 材試験片のひ認識しており，これらの結晶方位が乱れた場所は結ずみ 21% の場所での測定結果については，IQ 像の晶粒と認識されず，解析では取り扱わない．FTT

大部分が暗く，逆極点図に明確な結晶方位を示さな

材試験片のひずみ 21% の場所では，結晶粒としてい領域が広く認められる．これらの領域は結晶粒界扱われない領域が多く，視野の半分程度が白抜きのの近くに認められており，変形に伴って粒界近傍に箇所となっており，以降の解析は BFB 材試験片と多数の転位が蓄積し，結晶方位が大きく乱れている

FTT 材試験片のひずみ 6% の場所について行った．

ことを示す．

局所方位差は粒界近傍で大きい傾向が認められ，次に，得られた方位マップより，局所方位差を評

また，粒内にも筋状に局所方位差の大きい箇所が価した．評価のフローを図６に示す．まず，測定誤認められた．すべり変形は転位が結晶面を移動す差の影響を低減するため，各測定点での結晶方位をることにより起こるが，結晶粒界等で転位の移動

周囲８個の測定点を含めた 3 × 3 点での平均値で再が阻害されると，転位が蓄積され，局所的に結晶（16）定義する領域平均法（domain averaging method）

方位が変化するため，局所方位差が発生する．まを用いた．領域平均後のデータに対して，次式で定義する局所方位差 ML を評価した．

た，粒界近傍では，隣接粒との幾何学的な連続性をଵ‫ܯ‬௅ (ܲ௜ ) = σସ௝ୀଵ ߚ൫ܲ௜ , ܲ௝ ൯
ここで，

ସ

（1）

保つために互いの結晶粒での変形が整合するように局所的な変形が起こるため，幾何学的に必要な転位（geometrically necessary dislocation, GN 転位）

は位置 Pi における局所方位差でが生じ，局所方位差が発生する．粒内に認められあり，隣接する測定点 Pj（j=1 〜４）との方位差た筋状に局所方位差が大きい箇所では，すべり線ձ 㡿ᇦᖹᆒἲ(16)ࡢ㐺⏝ྛ

ղᒁᡤ᪉఩ᕪࡢホ౯ᐃⅬ㸦P0, P1, P2,…㸧ࡢ⤖ᬗ᪉఩ࢆ㸪࿘ᅖ 8 Ⅼࢆྵࡴ

Pi ࡛ࡢᒁᡤ᪉఩ᕪࢆ

3u3 Ⅼࡢᖹᆒ᪉఩࡛෌ᐃ⩏ࡍࡿ㸬ࡓࡔࡋ㸪⢏⏺ࢆࡲࡓࡄ࿘ᅖ 4 Ⅼ㸦Pj㸧࡜ࡢ⤖ᬗ

ᐃⅬࡣྵࡲ࡞࠸㸬᪉఩ᕪࡢᖹᆒ್࡛ᐃ⩏ࡍࡿ㸬ࡓࡔࡋ㸪⢏⏺ࢆࡲࡓࡄ ᐃⅬࡣྵࡲ࡞࠸㸬
3

3M

3

3

3M

3L

3M

3M
⢏⏺

⢏⏺

図６

⢏⏺

局所方位差の評価のフロー⢏⏺

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑5113ᒁᡤ᪉఩ᕪ 0 5 ᗘ

BFB 材試験片（ひずみ 6%）

FTT 材試験片（ひずみ 6%）

FTT 材試験片（ひずみ 21%）

図中の矢印は，すべり線と粒界の交点で局所方位差が大きくなっている箇所を示す．
図７

局所方位差マップの例（転位チャンネル）に転位が蓄積していると推測さと考えられる．転位が粒界を伝播できずに蓄積するれる．また，図７中に矢印で示した箇所は，すべりと，局所的に高い応力が粒界に生じることが知られ線と粒界の交点と推測され，粒界ですべりが阻害さており（17），IASCC の発生を誘発する要因になる．

れて転位が蓄積し，局所方位差が大きくなっている

粒内での筋状の転位蓄積やすべり線と粒界の交点での転位蓄積は BFB 材試験片の方が顕著に認められᒁᡤ᪉఩ᕪࡢᖹᆒ್㸦ᗘ㸧

0.6ており，粒界局所での応力やひずみの集中挙動に

FTT ᮦヨ㦂∦㸦ࡦࡎࡳ 6%㸧

0.5

BFB 材と FTT 材で違いがあることが示唆された．
（2）粒界近傍の局所方位差0.4

粒界近傍における局所方位差を定量的に調べるた

BFB ᮦヨ㦂∦㸦ࡦࡎࡳ 6%㸧

め，粒界からの距離で局所方位差を整理し，その関0.3係を図８に示した．なお，粒界からの距離は，各測
0.2

0

10

20

30

⢏⏺࠿ࡽࡢ㊥㞳㸦Pm㸧

40

定点から最近接の粒界までの最短距離とした．図８（a）については，粒界からの距離を 0.5 μm ごとに区（a）平均値の比較

切り，各区間の局所方位差の平均値を示した．図８（b）BFB 材試験片（ひずみ 6%）（c）FTT 材試験片（ひずみ 6%）

図８

粒界からの距離と局所方位差の関係

114

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑5（b）と８（c）では，粒界からの距離ごとに局所方位0.15

差を個別に示した．粒界近傍では局所方位差が大きくなる傾向が確認された．粒界から 4 μm の範囲に
位差の平均値は類似しており，わずかに FTT 材試
験片の方が大きい傾向が認められた．一方，局所方
位差を個別に見ると，BFB 材試験片では最大６度，FTT 材試験片では最大３度の局所方位差が粒界か
ら 4 μm の範囲に認められた．BFB 材試験片では，

0.05

0.00

すべり線と粒界の交点で局所方位差が大きくなっている箇所が図７で顕著に認められていたが，交点ではない箇所では局所方位差は小さくなっており，平FTT ᮦヨ㦂∦㸦ࡦࡎࡳ 6%㸧

0.10

๭ྜ

ついては，BFB 材試験片と FTT 材試験片で局所方

BFB ᮦヨ㦂∦㸦ࡦࡎࡳ 6%㸧

0

0.5

1

1.5

⢏⏺ࡈ࡜ࡢᒁᡤ᪉఩ᕪ㸦ᗘ㸧

図 10

粒界ごとの局所方位差の頻度分布

均すると局所方位差は同じひずみの FTT 材試験片

ならないことを示唆する．しかし，個別に局所方位と大きく変わらないことが分かった．
次に，粒界から 1 μm 以内の距離にある測定点の差を評価すると，BFB 材試験片の方が粒界近傍で局所方位差を粒界ごとに平均し，粒界ごとの局所方位差 MGB として評価した．評価の概略図を図９に，

所的には粒界に多くの転位を蓄積する傾向にあるこ

粒界ごとの局所方位差の頻度分布を図 10 に示す．

粒界の長さで整理した粒界ごとの局所方位差 MGBを図 11 に示す．長さが短い粒界ほど大きい MGB を

BFB 材試験片と FTT 材試験片で頻度分布は類似しており，わずかに BFB 材試験片の方が大きい MGBを示す頻度が高い傾向が認められた．

大きな局所方位差を示しており，BFB 材の方が局とが分かった．

示す傾向が認められるが，BFB 材試験片と FTT 材
試験片で顕著な違いは認められなかった．粒界の長図 10 に示した粒界ごとの局所方位差 MGB の頻度さに対する局所方位差の傾向は，室温で引張変形し分布や図８（a）に示した粒界からの距離と局所方ながら EBSD 測定された 73 dpa 照射 FTT 材（18） で位差の平均値の関係においては，BFB 材試験片とも確認されている．

FTT 材試験片で大きな違いは認められなかった．
これは，粒界近傍における平均的な転位の蓄積量は，ひずみが同じ場所では BFB 材と FTT 材で大きく異⢏⏺㸦᪉఩ᕪ 5 ᗘ௨ୖ㸧཮ᬗቃ⏺

⢏⏺ࡈ࡜ࡢᒁᡤ᪉఩ᕪࢆホ౯ࡋࡓᐃⅬ㸦Ⰽࡈ࡜࡟ᖹᆒ್ࢆ⟬ฟ㸧
図９ 粒界ごとの局所方位差の評価の概略図
MGB は粒界の両側について個別に評価しており，双晶境界によって隣接する結晶粒の方位が変化すると別の粒界として評価している．

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑5多結晶体では結晶粒ごとに変形の方位依存性が異2.0⢏⏺ࡈ࡜ࡢᒁᡤ᪉఩ᕪ㸦ᗘ㸧

115

FTT ᮦヨ㦂∦㸦ࡦࡎࡳ 6%㸧

なることから，一つの結晶粒の変形は周囲の結晶粒の変形に影響を及ぼし，また，周囲の結晶粒より変1.5形に制限を受ける．変形した結晶粒が周囲の結晶粒
1.0に及ぼす影響と結晶粒径の関係の模式図を図 12 に

BFB ᮦヨ㦂∦㸦ࡦࡎࡳ 6%㸧

示す．結晶粒径が大きいと，変形した結晶粒の影響

0.5を隣接粒の粒界近傍が局所的に変形することで緩和できるため，多くの結晶粒が独自に変形することが

0.0

0

20

40

60

80

100

⢏⏺ࡢ㛗ࡉ㸦Pm㸧

図 11

粒界ごとの局所方位差と粒界の長さの関係

でき，
巨視的には比較的一様に変形することになる．
一方，結晶粒径が小さいと，変形した結晶粒の影響を隣接粒の粒界近傍のみで緩和することができず，隣接粒全体が変形し，その隣の結晶粒へとせん断方
向に変形が伝播していく可能性が考えられる．照射4. 考察

ステンレス鋼の場合，転位チャンネル形成を伴うす
べり変形が生じるため，未照射材での比較的均一に

BFB 材と FTT 材を 320℃でゲージ部伸び 3% まで起こるすべり変形と比べて多数の転位が転位チャン

変形試験した結果，BFB 材試験片ではゲージ部のネルに集中し，隣接粒の変形影響の緩和はより難し

半分程度が比較的一様に変形したが，FTT 材試験

くなると推測される．この様な結晶粒径が変形挙動

片ではせん断方向に狭い変形帯が形成され，ネッキに影響を及ぼす例としては，リューダース変形帯のングが確認された．BFB 材と FTT 材では製造工程

形成と伝播過程における結晶粒径の影響（19）がある．

の違いにより，結晶粒径と冷間加工度に違いがある

FTT 材試験片では，リューダース変形に類似した（3），冷間加工度の違いに結晶粒間を伝播するような局部的な変形が起こり，

ついては，十分に照射された場合は，初期の転位

試験片断面積の局部的な減少によってネッキングが組織は照射により回復するとともに照射欠陥が導誘発され，狭い変形帯が形成されることになった可入されるため，ミクロ組織や硬さにおける違いは能性が推測される．

ことが報告されているが小さくなることが知られている．照射量 20 dpa の試験片表面でのすべり線の形成状況と局所方位差

BFB 材と FTT 材では，硬さはビッカース硬さで共の分布を調べた結果，ひずみが同じであれば，BFBに 380HV であり，冷間加工度による違いは認めら材の方がすべり線の段差が大きく，粒界とすべり線

（3）

れない

．本考察では，結晶粒径の違いから変形挙動が異なる原因を検討した．

図 12の交点で転位の蓄積による局所方位差が顕著に認められる傾向にあることが分かった．結晶粒径の大き変形した結晶粒が周囲の結晶粒に及ぼす影響と結晶粒径の関係
青色：変形した結晶粒
赤色：幾何学的連続性を保つために変形する隣接の結晶粒／領域
緑色：赤色の領域の影響を受けて，次に変形を開始する結晶粒
無色：未変形の結晶粒／領域

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑5

116

いと，すべり線の間隔が広く，段差が大きくなる傾が大きくなり，IASCC の発生を誘起する粒界で向にあることが，プロトン照射したステンレス鋼のの高い局所応力を生じると考えられる．変形挙（20）

変形試験より報告されている．粒界をすべりの動の違いは IASCC 発生しきい応力の差の一因

発生サイトと考えると，結晶粒径が大きい場合は単位体積当たりの発生サイトが少なくなるため，すべり線の数は少なくなり，個々のすべり線が担う運動転位の数が多くなるため，すべり線の間隔は広と推察された．

文

献く，段差は大きくなる．BFB 材試験片と FTT 材試（1） 実用発電用原子炉施設における高経年化対策

験片に認められたすべり線の形成状況と局所方位差

実施ガイド，原子力規制委員会，平成 25 年の分布の違いは，結晶粒径の違いによるものと推察される．

６月（2013）．
（2） PWR 炉内構造物点検評価ガイドライン［バッ

IASCC の発生には，粒界での局所的な応力やひフルフォーマボルト］（第 3 版）, 一般社団法

ずみの集中と粒界の結合強度の低下が関係している

人原子力安全推進協会 炉内構造物等点検評価と考えられており，本研究の結果は粒界での局所ガイドライン検討会 , 平成 30 年３月（2018）．

的な応力やひずみの集中が BFB 材と FTT 材で異な

（3） 平成 20 年度照射誘起応力腐食割れ（IASCC）ることを示唆する．ひずみが同じであれば，BFB

評価技術に関する報告書，独立行政法人原子材の方が FTT 材よりも粒界でより高い局所応力を力安全基盤機構，平成 21 年９月（2009）．

生じる可能性が考えられるが，同一の巨視的な変（4） K. Takakura, K. Nakata, K. Fujimoto, K.

形が加えられた場合には，最大到達ひずみが大き

Sakima, N. Kubo, “IASCC Properties of Cold

くなる FTT 材の方が粒界でより高い局所応力を生Worked 316 Stainless Steel in PWR Primary

じると考えられる．粒界の結合強度についても，

Water,” 14th Int. Conf. on Environmental

BFB 材の方が FTT 材より高い可能性が報告されてDegradation of Materials in Nuclear Powerおり（9），本研究で分かった変形挙動の違いを含め，

Systems, Virginia Beach, VA, August 23-27,

IASCC の発生については BFB 材に優位性があると2009.

推測される．変形挙動の違いは，BFB 材の FTT 材（5） S. Fyfitch, S. Davidsaver, K. Amberge,の IASCC 発生しきい応力の差の一因と推察された．

“Irradiation-Assisted Stress Corrosion

5. まとめCracking Initiation Screening Criteria for
Stainless Steels in PWR Systems,” 18th Int.
Conf. on Environmental Degradation of

照射量 20 dpa の BFB 材と FTT 材を 320℃の大気

Materials in Nuclear Power Systems - Water

中にてゲージ部伸びで 3% まで変形試験し，SEM 観

Reactors, Portland, OR, August 13-17, 2017.

察と EBSD 測定により変形挙動の違いを調べた．

（6） R . P a t h a n i a , R . C a r t e r , A . D e m m a ,“Contribution of Materials Investigations

・BFB 材では試験片ゲージ部の半分程度が比較

to Improve the Safety and Performance的一様に変形したが，FTT 材ではせん断方向

of LWRs,” Int. Symp. FONTEVRAUD 7,に狭い変形帯が形成された．ゲージ部の伸びがAvignon, France, September 26-30, 2010.

同じでも試験片のひずみ分布は異なっており，（7） V. Fedorova, B. Margolin, “Method for

BFB 材では 6%，FTT 材では 21% の最大到達ひEstimation of Pressure Vessel Internals

ずみが認められた．

Lifetime on IASCC Criterion,” the ASME・同一のひずみに対しては，BFB 材の方がすべり
線の段差が大きく，粒界とすべり線の交点で転位の蓄積による局所方位差が顕著に認められる傾向にあることが分かった．
・同一の変形が加えられた場合には，FTT 材の方が部分的に変形し，局部的な最大到達ひずみ

2013 Pressure Vessels and Piping Conf.
PVP2013, PVP2013-97949.
（8） 福谷耕司 , 西岡弘雅 , 藤井克彦 , “ ステンレス
鋼の軽水炉照射挙動 ,” INSS MONOGRAPHS
No.4, 株 式 会 社 原 子 力 安 全 シ ス テ ム 研 究 所（2009）．

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑5

117（9） T. Miura, K. Fujii, K. Fukuya, “A micro-

Y. Kitsunai, “Local strain distribution nearmechanical study of grain boundary fracture

grain boundaries under tensile stresses inin neutron-irradiated stainless steels,” 2017highly irradiated SUS316 stainless steel,” J.

Int. Cong. on Advances in Nuclear Power

Nucl. Mater., Vol.432, P.67（2013）．

Plants（ICAPP2017）, Fukui & Kyoto, April（19） 講座・現代の金属学 材料編 3 材料強度の原子24-28, 2017.

論 , 日本金属学会 .

（10） K. Fukuya, M. Nakano, K. Fujii, T. Torimaru,（20） Z. Jiao, G. Was, T. Miura, K. Fukuya, “Aspects“IASCC susceptibility and slow tensileof ion irradiations to study localized

properties of highly-irradiated 316 stainlessdeformation in austenitic stainless steels,” J.

steels,” J. Nucl. Sci. Technol., Vol.41, P.673

Nucl. Mater., Vol.452, P.328（2014）．

（2004）．
（11） K. Fukuya, K. Fujii, H. Nishioka, Y. Kitsunai,“Evolution of microstructure and microchemistry in cold-worked 316 stainlesssteels under PWR irradiation,” J. Nucl. Sci.
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