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超音波による二相ステンレス鋼の熱時効の評価
Non-Destructive Evaluation of Thermal Aging of Duplex Stainless SteelUsing Ultrasonic Waves
河口松原

重行

恭寛

(Yasuhiro Kawaguchi)*(Sigeyuki Matsubara)†

今中拓一(Takuichi Imanaka)†

要約 二相ステンレス鋼は優れた材料強度および靱性を持ち耐腐食性にも優れているため，厳しい環境下で使用されることが多い．しかしながら，高温で長時間にわたって供用された場合，熱時効と呼ばれる材料劣化が進行し，靭性が低下することが知られている．
本研究では，二相ステンレス鋼の熱時効に伴う靭性の低下を非破壊的に評価することを目的として，熱時効に係る材料組織，力学的特性及および超音波音速の変化を検討し，その結果に基づいて超音波の音速測定による熱時効の非破壊検査法が実用に耐えることを示した．
キーワード

二相ステンレス鋼, 熱時効，超音波，音速測定

Abstract
Duplex stainless steel is frequently used under severe environment due to its excellent
material strength , toughness and superior corrosion resistance. However, it is known that material
deterioration referred to as thermal aging occurs when this material is exposed to high temperatures
for a long time. As a result, the material toughness is deteriorated and its mechanical properties aredegraded. In this study, to evaluate the degrees of the deteriorated toughness of duplex stainless steel
non-destructively, we investigated relation between material structure, mechanical properties andvelocity of ultrasonic wave in the material. Based on the result, we have verified the practicalapplicability of the non-destructive evaluation of thermal aging of duplex stainless steel by ultrasonicvelocity measurement.
Keywords

duplex stainless steel, thermal aging, ultrasonic wave, ultrasonic velocity measurement

1．はじめに二相ステンレス鋼は，オーステナイト相およびフェライト相の２つの相から構成されており，耐食性

プラント設備の高経年化に対しては，個々の機器に優れ，高い強度と靱性を持ち，溶接性にも優れてについて健全性を評価し，また寿命を予測することいる．そのため厳しい環境下で使用されている．しが必要である．従って，プラントの運転に伴う構造かしながら二相ステンレス鋼は，長時間高温にさら物の各部位および機器材料の経年的な変化を明確にされると靭性が低下する．従って，この材料で構成することによって，それらの健全性を判定し，かつされている設備の維持管理においては，熱時効によ残存する寿命を予測する方法を確立しなければならる力学的特性の変化を非破壊的に検査することが欠ない．

かせない．そこで，本研究においては，二相ステン

本研究の目的は，二相ステンレス鋼の主要な材料レス鋼の熱時効に伴う靭性の低下を非破壊的に評価

劣化モードである熱時効に伴う靭性の低下を超音波することを目的として，先ず超音波の音速に及ぼすを用いて非破壊的に検査する方法の開発である．

（1）
熱時効の影響を検討することとした．

*（株）原子力安全システム研究所 技術システム研究所†非破壊検査（株）安全工学研究所

83

2．研究の構成け，それらの相互関係の理論的解釈に基づいて，力学的特性の経年変化を非破壊的に評価する技術を確

本研究においては，二相ステンレス鋼の熱時効に立することが，この研究の最終目的である．

よる力学的特性の変化と非破壊評価パラメータである超音波の音速の変化の関係を明らかにすることに

3．供試体より，熱時効に伴う靭性の低下の非破壊的診断の根拠を確立することを試みる．

本研究では，二相ステンレス鋼の２種類の供試体

図１は二相ステンレス鋼熱時効の非破壊評価技術（供試体 A, B とする）およびフェライト系ステンレ確立に関する研究の概念図を示したものである．すス鋼の１種類の供試体（供試体 C とする）を用いた．

なわち，熱時効に伴いスピノーダル分解によってフこれらの供試体の化学成分およびフェライト量を表

ェライト相内に鉄原子とクロム原子の濃度の揺らぎ１に示す．

が生じ，変調構造が形成されることが知られている

供試体 A，B は SCS14A と同等の成分を有してい（2）．そこで，この熱時効に伴うミクロ組織の変化をる．また二相ステンレス鋼の熱時効は，そのフェラ電界放射型透過電子顕微鏡（FEG-TEM）により観イト相内でスピノーダル分解に起因すると考えられ察した．更に，メスバウアー分光法によって内部磁ているため，その変化をより明確につかむため場を測定しスピノーダル分解の定量的評価を行っ

100%フェライト相のフェライト系ステンレス鋼た．これらのミクロ組織の観察を第１頂点「ミクロ（供試体 C）を用いた．

組織」とする．

表1

次に，熱時効による力学的特性の変化を定量的に供試体の化学成分とフェライト量評価するため，硬さ試験およびシャルピー衝撃試験（wt.%）*1

Cを行い，硬さ，上部棚吸収エネルギー および延Si

Mn

PS

NiCr

Mo

N

Fe

性−脆性遷移温度（DBTT）の変化を調べた．これ

供試体A 0.059 0.98 0.72 0.029 0.007 9.83 20.61 2.70 0.026 bal.

らの観察を第２の頂点「力学的特性」とする．

供試体B 0.044 0.79 0.81 0.027 0.006 10.21 19.06 1.85 0.037 bal.

最後に，熱時効による非破壊評価パラメータすな

供試体C 0.023 0.30 0.15 0.009 0.009 4.97 28.39 <0.01 0.002 bal.
（vol.%）

わち超音波の伝播速度の変化を求めるため，水浸法

フェライト量（％）

を用いて縦波垂直超音波の位相速度の測定を行った．これを第３の頂点「非破壊評価パラメータ」と供試体A

14.8

する．

供試体B

6.3

この３つの頂点にあたるデータを相互に結びつ

供試体C

非破壊評価パラメータ
実験および理論による関連づけ

100：超音波音速非破壊検査による材料劣化診断

ミ ク ロ 組 織力 学 的 特 性・スピノーダル分解による変調構造（TEM観察，内部磁場の変化）実験および理論による関連づけ

・硬さ
・靭性（DBTT，破壊靭性値，上部棚吸収エネルギー）
・降伏応力

図１ 二相ステンレス鋼の熱時効の非破壊評価技術に関する研究概念84

これらの供試体は材料組織を均一化し，また結晶粒の影響を少なくするため真空溶解したインゴット測し，また 5g の荷重を用いてフェライト相およびオーステナイト相の各々の硬さを計測した．

を 1050 ℃以上で熱間鍛造および熱間圧延し，30 分間同温度で焼鈍し水冷した後，冷間圧延し，1050 ℃にて 30 分間の溶体化熱処理を行ったものである．
450 ℃の大気中で 0 〜 300 時間熱時効処理を行った．

4.1

シャルピー衝撃試験

熱時効に伴う靭性の低下の程度を評価するためにシャルピー衝撃試験を行った．試験片の大きさは

各供試体は加速的に熱時効を進行させるため，

4.

4.2.2

5 × 10 × 50mm（4 号試験片，幅 5mm）で，上部棚吸収エネルギーと DBTT を求めた．

実験の方法

4.3

熱時効による非破壊評価パラメータの変化の確認

熱時効による材料組織の変化の確認

4.3.1

超音波音速測定

熱時効に伴って二相ステンレス鋼のフェライト相

超音波の音速は縦波垂直超音波を材料中に伝播さ内ではスピノーダル分解が起こり，鉄原子の濃度がせ，その経路と伝播時間から求められる．

高い鉄リッチ相とクロム原子の濃度が高いクロムリ

この伝播時間の計測にはデジタル信号処理を行い，ッチ相が形成される．そこで，材料組織を確認する

特定の周波数成分に注目した計測によって位相速度

ため FEG-TEM にて熱時効により生じる変調構造をを算出した．

観察し，変調構造内の対照的であると考えられる箇

超音波音速測定システムを図２に示す．本研究に所（一方が鉄の多い相で他がクロムの多い相）の微おいては，中心周波数が 10MHz の広帯域の縦波探小領域成分分析を EDS（Energy Dispersive X-ray

触子を用いた．測定は探触子と供試体との接触によSpectroscopy）を用いて行った．この鉄リッチ相のる影響を避けるため水浸法にて行った．このシステ生成による鉄原子−鉄原子結合の割合が高くなればムはパルス発信器，ゲートアンプ，広帯域レシーバ

鉄原子の内部磁場が上昇することが知られており，ー，データ処理用コンピュータで構成され，供試体内部磁場の強さの測定によりスピノーダル分解の程に向けて発信されたバースト波の第一底面反射波と度を定量化することが可能となる．

第２底面反射波の時間差から供試体中での伝播時間

ここでは原子レベルでの構造変化の調査に用いらを計算し，音速を得ることができる．

れるメスバウアー分光法により，その内部磁場測定を行った．試料は供試体を薄膜にし，透過法により測定を行った．

4.2

4.2.1

熱時効による力学的特性の変化の確
認
硬さ試験

10MHz
Oscillator

CW;;;;;;;;; ;;;;;;;; ;;;;;;; ;;;;; ;;;;;;; ;;;;;;;;;;;; ;;;;; ;;;;;

MBS-8000
Gated AMP.
A/D Converter

RF Pulse/
Receiving Signal

二相ステンレス鋼の熱時効に伴う硬さの変化を調べるため，マイクロビッカース硬度計により硬さ測

Broad Band
Transducer

紙およびバフで研磨し，エッチング処理を施しフェSample

ライト相とオーステナイト相が識別できるようにしたうえで 300g の荷重を用いて材料の平均硬さを計;;;;;;;

定を行った．計測においては，供試体表面をエメリ

図２

超音波音速測定システム

CPU855．実験結果（T）

純鉄の内部磁場（3 3 .3T）

熱時効による材料組織の変化

30を FEG-TEM にて観察した写真を示す．フェライト部

相内に約 10nm 周期のまだらになった変調構造が確

内

図３に 450 ℃で 300 時間の熱時効を経た供試体 A

磁場

5.1

25

供試体A
時効温度：4 5 0℃認される．表２に変調構造の白い部分と黒い部分の0

EDS による微小領域成分分析結果を示す．黒い部

時分はクロム原子の濃度が高く，白い部分は鉄原子の濃度が高くなっている．フェライト相内にあるこの

103

図４104
効時

105間106（S）

供試体 A の 450 ℃熱時効における時効時間に伴う内部磁場の変化

変調構造はスピノーダル分解によって生じた鉄リッチ相とクロムリッチ相である．
二相ステンレス鋼のメスバウアースペクトルはオーステナイト相による強いピークとフェライト相にする内部磁場の変化を図４に示す．時効時間の増加

よる磁気的に６つの山に分かれた弱いピークの集まに伴い内部磁場が上昇しており，純鉄の内部磁場にりで構成される．６つのピークの広がりは鉄原子の近づいているのがわかる．

内部磁場の強さに比例することから，純鉄のメスバ

内部磁場の上昇はスピノーダル分解による鉄リッウアースペクトルのピーク幅（内部磁場は 33.3T）とチ相の生成によるものであり，図４から熱時効によ比較することにより供試体の内部磁場が計算される．

る供試体中でのスピノーダル分解は時効時間と共にメスバウアー法で求めた供試体 A の時効時間に対進行していることがわかる．

5.2

熱時効による力学的特性の変化

5.2.1

硬さ試験

供試体 A, B, C の 450 ℃での時効時間に伴う材料全体の硬さの変化を図５に示す．各供試体の硬さは時効時間と共に上昇している．また硬さの上昇傾向
はフェライト量が多い供試体ほど顕著である．供試体 A, B, C の 450 ℃での時効時間に伴うフェライト相の硬さの変化を図６に示す．フェライト相の硬さ

図３

熱時効材の透過型電子顕微鏡写真

は供試体に共通にほぼ同じ値であり，時効時間とと（供試体 A ： 450 ℃× 300h 熱時効）もに同様に上昇する．供試体 A の 450 ℃での時効時間に伴うフェライト相とオーステナイト相の硬さの

表2フェライト相内の微小領域成分分析(wt.%)
素名

測定箇所 Cr Fe Mo Mn Si

元P

変化を図７に示す．フェライト相の硬さは時効時間に伴い上昇するが，オーステナイト相の硬さは熱時効よって変化しない．これらのことから，熱時効にS Cu Ni

伴う二相ステンレス鋼の材料全体の硬さの変化はそ供試体A 黒い部分 29.2 57.1 5.3 0.6 2.1 − − − 5.7
白い部分 26.1 58.4 − 2.4 5.4 0.03 1.9 0.5 5.3の中のフェライト相の硬さの変化に支配されていると言える．

865.2.2

シャルピー衝撃試験

収エネルギーは時効時間に伴い減少していくが，供各供試体の時効時間に伴う上部棚吸収エネルギー

試体 B については時効時間に伴う上部棚吸収エネルの変化を図８に示す．供試体 A および C の上部棚吸ギーの変化は見られない．また時効時間に伴う上部棚吸収エネルギーの減少は供試体のフェライト量が多いほど顕著である．

：供 試 体 A（ α ：14. 8％ ）：供 試 体 B （ α ：6. 3％ ）： 供 試 体 C （ α ：100 ％ ）400

時効 温 度 ： 450℃増加するが，供試体 B については時効時間に伴う

300

DBTT の変化は見られない．また時効時間に伴う

200

100［×102］
1030時

図５

各供試体の時効時間に伴う DBTT の変化を図９に示す．供試体 A および C の DBTT は時効時間に伴い

104
効時

105
間

上部棚吸収エネルギー（J）

マイクロビッカース硬さ

500106（S）

供試体 A,B,C の 450 ℃熱時効における時効時間に伴う全体硬さの変化： 供 試 体A
： 供 試 体B
： 供 試 体C

400

：供試体A （α：1 4 .8％）
：供試体B（α：6 .3 ％）：供試体C（α：1 0 0％）

13104

10時

時 効 温 度 ：450℃

図８

効105時

間106（S）

供試体 A,B,C の 450 ℃熱時効における時効時間に伴う上部棚吸収エネルギーの変化

300

200

時効温度：4 5 0℃
3010時

図６

時効温度：4 5 0℃

0

図10
効

供試体4時

10間

5105006（S）℃熱時効

け
供試体 A,B,C の 450 ℃熱時効における時効時間に伴うフェライト相硬さの変化

DBTT（K ）フェライト相のマイクロビッカース硬さ

500

2：供試体A （α：1 4 .8％）
：供試体B（α：6 .3 ％）：供試体C（α：1 0 0％）

400
300
200

マイ クロ ビッ カー ス硬 さ

500

4000

フェライト相オーステナイト相

103時

図９300

104
効時

105間106（S）

供試体 A,B,C の 450 ℃熱時効における時効時間に伴う DBTT の変化

2000103時

図７100

供試 体 A
時効 温 度 ：450℃

104
効時

105
間

106（S）

DBTT の増加は供試体のフェライト量が多いほど顕著である．

供試体 A の 450 ℃熱時効における時効時間

このように，二相ステンレス鋼の熱時効による上に伴うフェライト相とオーステナイト相の部棚吸収エネルギーと DBTT 変化の程度は供試体の硬さの変化フェライト量に依存する．

875.2.3

熱時効による非破壊評価パラメータ（超音考察6.

波音速）の変化
図 12 に供試体 A のフェライト相のマイクロビッ
450 ℃熱時効における供試体 A および B の熱時効カース硬さと内部磁場の関係を示す．両者の間には時間に伴う音速の変化を図 10 に，供試体 C のそれ明確な相関関係が見られる．内部磁場が高くなればを図 11 に示す．各供試体の音速は時効時間と共にフェライト相の硬度も上昇している．このことはス
ピノーダル分解の進行とフェライト相の硬さの間には強い相関があり，スピノーダル分解が進むにつれ500
供試体A
時効温度：4 5 0℃

5770
57605750

時 効 温 度 ：450 ℃

031010時

図 10てフェライト相が硬くなるものと考えられる．

効4時

10間

5106

フェライト相のマイクロビッカース硬さ

超音波音速（ m / s）

5780

： 供 試 体A（ α ：14. 8％ ）： 供 試 体B（ α ：6. 3％ ）

400

300

（S）

供試体 A,B の 450 ℃熱時効における時効

2324

時間に伴う音速の変化

2526

内

図 12部

磁2728

場

（T）

29

30

供試体A のフェライト相の硬さと内部磁場の関係

6100：供 試 体C （ α ：100％ ）

500
5900

供試体A
時効温度：4 5 0℃

5800
5700
時 効 温 度 ：450℃

5600

0310時

図 1110
効時

4105
間

106（S）フ ェライ ト 相のマ イクロ ビ ッカース硬さ

超音波音速（m/ s）

6000

400300

供試体 C の 450 ℃熱時効における時効時間
5750に伴う音速の変化

5760
超図 13音5770
波音速5780（m/s）

供試体Aのフェライト相の硬さと音速の関係上昇しており，時効時間に伴う音速の上昇は供試体のフェライト量が多いほど顕著である．熱時効に伴う上部棚吸収エネルギーおよび DBTT の変化が見

図 13 に供試体 A のマイクロビッカース硬さと音られなかった供試体 B（フェライト量 6.3%）にお速の関係を示す．両者の間には線形の相関関係が見いても音速は上昇している．これらのことから二相られ，音速が高くなればフェライト相の硬度も高くステンレス鋼の熱時効に伴う音速の上昇の程度もフなっている．図 12，図 13 の比較から内部磁場の上ェライト量に依存し，また低フェライト量の二相ス昇に伴い音速も上昇することがわかる．このことは，テンレス鋼でも熱時効の進行を音速の変化として検スピノーダル分解が進むにつれて音速が上昇するこ出することができる．とを意味している．

88

図 14 に音速に対する DBTT の変化を示す．音速（Hv : 約 360）を越えたところから上部棚吸収エネと DBTT の間には相関関係が認められる．音速のルギーが低下している．このことは，二相ステンレ上昇に伴い DBTT は増加している．

ス鋼の熱時効による破壊靱性の低下は，フェライト以上のことから二相ステンレス鋼の熱時効については音速を測定することによりスピノーダル分解の程度相の硬さの変化だけに関係するのではなく，フェライト量にも依存することを意味している．

および靭性の低下の程度を推定することが可能である．

7.

結論

図 15 に上部棚吸収エネルギーとフェライト相のマイクロビッカース硬さの関係を示す．供試体 C

二相ステンレス鋼の熱時効に伴う靭性の低下を超（フェライト量 100%）においては，上部棚吸収エ音波の位相速度の測定によって非破壊的に評価する

ネルギーはフェライト相の硬さの上昇と同時に低下方法について検討した結果，それが実用可能であるし始める．供試体 B（フェライト量 6.3%）においことが立証された．ては，フェライト相の硬さが上昇しても上部棚エネ

熱時効に伴う靭性の低下と音速との関連を調べる

ルギーは変化しないが，供試体 A（フェライト量に当たり，フェライト量の異なる供試体について熱14.8%）においては，フェライト相の硬さがある値

時効による音速の変化，熱時効による力学的特性の変化，熱時効による材料組織の変化をそれぞれ調べ

D B T T（K ）相互の関係を求めた．以下に主な結果を列挙する．

： 供 試 体A（ α ：14. 8％ ）： 供 試 体B（ α ：6. 3％ ）： 供 試 体C（ α ：100％ ）500（１）熱時効に伴う力学的特性（硬さ，上部棚吸収エ400

ネルギーおよび DBTT）の変化はフェライト量が多いほど顕著である．

300（２）熱時効が進むにつれて，二相ステンレス鋼を伝200播する超音波音速は上昇する．

100（３）熱時効に伴う音速の上昇は，フェライト量が多時 効 温 度 ：450℃

05700
超図 145800
音

波音

5900

6000

速（m/S）

いほど大きい．
（４）熱時効に伴う内部磁場の変化から，二相ステンレス鋼はスピノーダル分解により力学的特性がDBTT と音速の関係変化すると考えられる．
（５）熱時効による音速の変化は力学的特性の変化と300
上 部棚 吸収 エネル ギ ー（J ）強い相関があることから，超音波の音速を測定することにより熱時効に伴う靭性の低下を推定することが可能である．
200

参考文献
100：供 試 体A（ α：14. 8 ％ ）：供 試 体B（ α：6. 3％ ）：供 試 体C（ α：100 ％ ）

200

300

（1）Y.Kawaguchi et al., 14th International Conference
400500フェライト相のマクロビッカース硬さ

図 15

上部棚吸収エネルギーと硬さの関係

on NDE in the Nuclear and Pressure Vessel
Industries, 1996
（2）桑野寿， まてりあ 第 35 巻 第 7 号，1996