4第写昭和30年8月高溫高圧蒸気用構造材料の研究...................第13研究部会Study on Structural Materials for High Temperature and High Pressure Steam, Especially on the Creep and Attack by Steam. ...............The 13th Research Committee The Report of the Shipbuilding  Research  Association of Japan, Tokyo, JAPAN No. 4 August 1955第１ ３研究部会委員名漳
Membership of the 13th Research Committee
Study on Structural Materials for High Temperature and High Pressure Steam, Especially on the Creep and Attack by Steam
Abstracts
&
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Study on Creep
In designing high temperature and high pressure steam engine, it is necessary to pay attention to the creep of the structural material as is well known. In order to obtain the creep strain after the engine has been operated for a long time, it is necessary at the present circums- tances to carry out long time creep test before obtaining the creep strain.  However, it is in fact impossible to carry out such long time creep test for all heat resisting materials because of the situation of testing facilities and time element.  Therefore, at present, there are few satisfactory data for such tests. The most creep tests that are carried out at many laboratories too are nothing but comparison tests for creep strength.  The writer has proposed for a long time in the past that it is necessary to adopt a measure by which fundamental data for designing can be obtained and has devoted himself in the study of measuring the creep strain after long period from short time test result without carrying out long time creep test. As the result of this research, the writer has found the two method of quick creep test and carried out long time creep test and quick creep test on mild steel and Cr-Mo steel (HCM2) as representative materials, making the long time creep testing machines. Comparing the results of these two kinds of tests, it has come clear that hypothe- tical creep theory is very close to the test results, though much is expected to the further study in the future as the quick creep test on above two materials is not satisfactory to 100 per cent.  By carrying out further study by the above method, it will be possible to apply the method to the practical use. The writer has also carried out creep tests for about 200 hours at various temperature on the following materials:- HCM, HCM2, 18-8 Mo Ti as materials for superheater tube. Cr-Mo steel and Cr-Mo-V steel for bolt materials. 13-Cr steel as material for turbine blade. -1- . Ni-Cr-Mo steel and 0.5-Mo steel for rotor material. As the above mentioned quick creep test could not be applied to summerizing up the result of the test above, the writer made a diagram for various constants to obtain creep strain during long period according to the following assumptions:- i) In the initial period of creep, the creep strain is pro- portional to time t powered by m in , t m ii) Accordingly the creep rate decreases with time at initial period, but reaches constant value vc after a certain dur- ation of time tc. ii) tc was temporarily assumed to be 2,000 hours.
so
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Study on Attack by Steam
It seems that most of the cracks which have recently been found at high temperature parts of constructing mate- rials of boiler and turbine are not simply due to insufficient strength or bad qualities of the materials but are affected by strong decarbonizing and embrittling effect of hydrogen that is a reaction product between steam and steel. • Accordingly, to clarify the mechanism of these phenome- non and the effects on the machanical properties, especially on the creep property, of steels by reproducing the actual strte of embrittling experimentally, the writer has first studied the effects of pure hydrogen gas on steels and, secondary, inquired the behavour of penetrating gases and change of gas contents, microscopic structures and mechanical properties when mild steel, common cast steel and Cr-Mo cast steel are affected by steam for a long time. For this ex- periment, the writer has built up a high pressure and high temperature (60 kg/cm², 550°C) steam generator. Results of studies above are as follows: a) When steel is exposed to high pressure and high tempera- ture hydrogen gas, tensile strength, elongation and reduc- tion of area decrease. Additionally, in case where severe decarbonizing takes place, the steel associates with many internal cracks or postular surface which is probably due to sudden escape of hydrogen gas out of steel. b)  High temperature and high pressure steam have a same embrittling effect on steel as hydrogen gas, but its rate of the former is incomparably slower than that of the . later.  That is: i) High temperature tensile test values, especially elongation and reduction of area, of all these steam- treated steels are appreciably decreased. ii) The penetrating gases are consisted of H2, CHL, CO, CO2, showing that internal decarbonization and probably other internal oxidation have taken place. ii) Constitution of included gas in steel is the same as that of penetrating gas and increase in hydrogen con- tent of steam treated steel accounts for the embrittling reaction. iv)  The creep rupture strength is decreased by steam treatment. . . 
——目第一章　「クリーブに関する研究」… .第二章　「禁汽に伏る爵蝕に関する研究」 .然死に伏る腐蝕に関する研究添刊報告「高温高圧水繁に依る鋼材の脱炭脆化式吸」………… 18頁. ... . .
栽近蒸汽ポイラ並びにタービンが技々商酒高圧化しつ１ある状況に鑑み。過熱器管，タービン類，ターピンローター。綿付ポルト等高温で力を受ける部分の材料として従来使用して来たものより一段高級な材料が要求されるようになつて来た。改組にだける強度として問題となるのはクォープに対する強度であり。これらの材料に対するクリーブ強度の研究は早魚になされねばならない重要なる研究項目の一つである。吾人は過去十数年来クリーブの理論並びにクリーブを考破した上記の機械部分の設計計算法についで研究を行つて来たが、上記の海勢を考え今後使用されると思われる材料についてクリープに関する資料を整備すると同時に、クリーブ試験が通常非常に長時間を要する点について何等かの迅速試験法を確立する事の必要を痛感し、今回新に疫時間クリーつ試験檢を製作し、クリープの迅速試験法の研免を行う一方に於いて過熱器管材としてＨＣＭ, ＨＣＭ, １８ - ８ - Ｍ o- Ｔｉ。ボルト材としてCr – Mo,  Cr – Mo – V, ターピン翼材として１９Ｃｒ、ターピンローター材としてＮｉ – Cr – M o ,   0.5 M oについてクリープの常数を測定した。ただクリープの迅速試験法に関しては現在までに試みた研究の結果では満足すべき方法の確立をみす今後の研究にまたねばならない。 (1)クリーブ問題の考え方従来クリーブが問題となる機械部分の設計に際しては数時間ないし数十時間のクリーブ試験で得られたクリーブ速度を或る限度以下にするような応力を基にして許容応力を定めて行つて来たがとれでは十分でないととは云うまでもない。周知の如くクリープはクリープ速度の薄波する第1期。クリーブ速度が鉴定し一定のまたで持続する第五期及びクリーブ速度が薄増し遂には破断に至る第五期に分けられるか。通常問題となるのは第1期及び第1期のクリープである。しかも第1期に比較すれば第I期は時間的に短かくとの期に生するクリーブ歪も比較的小さいので、蒸汽ポイラ、クービン等の如く少くとも十万時期以上の寿命を要求される装置では第五期のクリー 7歪が重要である従つて吾人は或るｔｃ時間より先ではクリーブ速度は厳定クリーブ速度ｖｃとなりその後は変化しないものと仮定する。 v cは温度一定ならば応力での函数であり次式でその関係が与えられる。 v c = A σ n       (1 . 1 ) A及びnは温度によつて変る材料の常数である。ととで組合せ応力の場合にはR ・C ・ S o d e r b e r g    の仮定を採用する。 t cの大さは材料。狙度並びに応力によつて異るもので想合によつては数千時間にも及ぶものもあるのでとの時間の間のクリーで最も考慮する必要のある場合も生する。そこでとの時間中のクリーブ歪を次のように装わす&  =   C t m v = C m t m - → とのようにすればｔ＝ｔｃではｖ＝ｖｃとなるべきであるからCm t c m - 1 = v c 11
よつてＣとｍとは各々が独立の常数ではなくｍのみが独立の常数である。とのように仮定すれば全体のクリーブ歪は
よつてクリーブの街Ｉ期及び第１期を通じてｖ＝ｖｃととる代りに歪塁を求める際に英際の経過時間tの代りに
ととれば一般の応力状態の場合にも略満足出来るものと考えられる。以上の仮定を基礎にとればとれより一般の心力状態の場合の使用扱定時間中のクリープ量が求められるから、このクリーブ品が評価以下となるように応力を選べばよいことになる。これらの計算を行うにはクリープの常数m，ｔｃ，Ａ，ｎを突破により求めねばならね。ｍは短時間の試験より求められるがｔｃ，Ａ，ｎは少くともｔｃ時間以上の実験を行わねば求められない。ととにかいて何らかの方法で短時間の試験よりｔｃ或はｖｃが求められればクリープ試験を行う上に非落に便利である。 (2)クリーフ訳験授上記のｔｃ或わｖｃを求めるにはかなり長期のクリーク読験を行わねばならないので吾人はクリーブの迅速調破法について考察し一二の方法について頭肢的に確めるためと。今后使用語號の材料についてクリーブの常数を求める目的を以て今回容量２Ｔｏｎのクリーブ認識機を新設した。 1) ・荷取た式試験機の外視を第2 ・ 1及び2 ・ 2図に，組立図を第2 ・ 3図に示す。術量は直組をテコにより約２０倍に拡大して設片に加える。試片の伸びに伴い部整用ヘンドルによりテコを常に水平に保持してテュ比を一定に保つ。試片には純粋に引限力のみが作用し曲げ状他の悪影響の及ぶのを避けるため試片の掘み部に球接手を用いた。 2）・標準試片及び伸び測定概準状片は直径6 ¤¤標鉄距離１００ ¤¤で両端を掴みにネジ込んで取付ける。伸びの測定はマルテンス鏡装器を用い試片に付けたツバによつて取付ける。第２ ・４図に取付状況を示す。道常のツバのない試片に比し伸びの値が約0.2 %小さく出る程度であり支障はない。 3）・炉及び温度調節方式試片加熱用粒気炉は直流２２０Ｖを電源とし停電時には自動的にパツテリーに切換えて試験に支障を来さないようにした。第２ ・５図に配換を示す。炉は上中下三度に分け上下段のみにヒーターを挿2 えしこれの批力を訪問に調節することにより試片の長さ方向の温度分布を一定にする。時間的温度調節は炉内の温度変化を自金線抵抗の変化により検出し市限の抵抗温度認施器により外部抵抗を断続して行う。試験温度６５０での協合試片の長さ方向の温度変化は士1.7 や時間的な温度変動は士1.5  C程度である。なお試験後は専用の試験室に収め他よりの振動を選けると共に室内の通風換気に留意し出来るだけ室内の温度を一定に保つようにしている。 (3)クリーブの迅速試験法1) ・クリーブの理論時純切限クリーブの初期に於いてクリーブ速度が適減する原因は、クリーブ歪の進行につれて次第に結晶のへき開面が歪曲したりに対する抵抗が増加するためであると考えられる。よつてＤをへき開面の歪曲の程度を変わす指標とし、A，α及びβを材料及び温度によつて渋る常数とすればクリープ
然るにＤはクリーブ狂をと共に増す反面に焼なまし効果のために減少する筈であるから、簡単のためとこ
と諡く。たどしa， bは適当な常数である。との式に（３・１）式のｖを代入して積分を行い，初期条件としてＤ＝０と仮定して積分常数を決定すれば次式が得られる。
たどし
さて（タ・ 3）式の曲線の形について考えるに，先づt → ∞　と置けばv　→　v cとなりvが一定のｖｃに蔽近するとが分る。次にｔ＜＜　ｔｃとすればｖ〜　ｖｃ（ｔ／ｔｃ） m − 1となりとれに前述の（１・３）式の関係を用いれば（１・２）式が举かれ、クリープの初期に於いてはミ又はvとtとの関係は両対数線図に於いて直線となることが好る。この直線とv = v  cなる水平線との交点はｔ＝ｔｃである。このことよりして（３・１）及び（３・２）の基礎式が一定温度一定応力の単納け張クリープの場合には実験と対比して満足すべきものであることが解る。 3 2) ・迅速試験法  I mは短時間の試験より求めるととが出来るので何らかの方法でもを求めることが出来れは（３・５）式よりｔｃが水められ従つてｖｃも水められる。然るにｂは焼なましの係数であるから，クリーブ試験の途中で一時街車を除去してその温度に於いてヶ時間だけ焼なましを行わせたとすれば焼なまし中はdD == - b Dであるからヶ時間の初めと終りのDの値をそれぞれD。及びD2とすればd t
然るに続たましの直前のクリーブ速度をv1 ・焼なまし後再荷重した直後のクリーブ速度をv2 とすれ
である。（３・４）式を用いてβを除去すれば、
とのもを（８・５）式に用いれば
故にv1 及びv2 を測定すればt cを求めることが出来る。以上の理論に基づきＨＣＭ,材の２本の試片につき６００ ℃で３．５kg／am²の応力で試験を行つた先づ迅速試験法の成否を検するためには反時間クリープ試験によりｖｃを求めておく必要がある。とのため２９ ２０時間のクリーブ試験を行いとれに引続いて迅速試験法を試みた。クリーブ曲線を第３ ・ 1図に示す。第３ ・ ２図はこれを両対数線図にとつたものでとの図よりmの価を求むれば図中に示した如き値となる。次に第３ ・１図より図式により適当な時刻に於けるクリープ速度を求めとれを両対数にとれば第３・３図のようになる。これよりｖｃ並びにｔｃを求むればそれぞれ図中に示した値を得る。 2 9 2 0時間で荷重を取去つた。従つて荷重を取去る直前のクリーブ選度v1 は今の協合v cに等しい此の際の試片の縮みは凡そ８０時間後に整定したがとれは弾性余効果によるものである。次で荷跟休止時間を２４０時間置いて再荷重を行つた。この際にも弾性余効果が現われているので▽2としては一応再負荷后８０時間後のクリーブ速度をとることにする。再負荷後のクリーブ速度と時間の関係を示せば第9 ・ 4図のようになり上述の如くしてv2 を求むれば図中に示した値を得る。これらの値を用いて（ 3 ・ 8 )式よりt cを計算すれば第3 ・ 1表に示す値を得る。
4との結果では迅速試験法で求めたｔｃは反時間クリープ試験により得られた実際のｔｃに比し落るしく小さい。との原因として考えられるととは単に焼なましのみを行つた場合のクリープの回復が応力の作用下に比し非常に大きく従つてv2が大きいという点である。上述のクリープの理論に於いては施なましの係数もを応力には無関係な風と考えて来たが実際には応力によつてもの値が変化するものと考えさるを得ない。従つて応力が変化する場合、例えばリラグゼーションの場合、には上述の理論は今少し修理を受する訳である。 3）・迅速試験法  1結晶のへき隔面の愛曲の程度を示すＤなる並はクリープが進行するにつれて次第に増加し受時間経た先では温度並びに応力によつて決る一定値D ·増加も早くＤ　∞　も大きい。よつて∨ｃを求めんとする応力②　より高い或る応力♂　で短時間t o だけクリーブを行わせてt 。時間後のDを求めんとする v c に相応するDcxに等しくなし得たとすれば、ｔｏ時間後に応力をσ，よりσ，にか久ればｔｏ時間より先ではνはν cに等しくなる筈である。然しなから丁度とのようになる。並びにｔｏは帰らない訳であるから，第３ ・５図に示す如く任意に選んだ相異なる2つの応力で1 ，σ1 ，でクリーブを行わせt o時間後に両者共応力をσ2に変え共の後のクリーブ証よりσ2に対する監定クリーブ速度▼ cを求める事を試みた。今応力σ 1でt σ時間クリーブを行わせた場合t σに於けるDをδとする。然るときは（3 ・ 1 ）及び（3 ・2）式よりt＝0でD＝0なる初期条件のもとにDに対する一路の微分方程式を呼いてるを求じれば
たゞしm₁ , t c₁ , v c₁ ,はσ₁なる応力に対するクリーブの常数である。またａは１とおいても理論の本質に影響はないので以下の計算では１と置く。次にｔ＝ｔｏに於いて応力をσ₁よりσ₂にかえればとれ以後のクリーツ速度は（３ ・１）（３ ・ 2）両式より（3 ・3 ）式を導いたのと全く同じ計算により求めることが出来る。たずしとの場合はtの代りにt － t o ＝ァを用い初期条件としてァ＝ oでD ＝ δと置かねばならない。
この式においてm2 ，v2 0 ，v2 0は延時間の実験により求めることが出来る筈であるからこの式はt c2及びｖｃ2の2つの未知数を含んでいる。よつて今一つの1 ゜なる応力よりｔｏ時間後に応力をσ2にか久れば（３・１４）と類似の次式を得る。
即ち相異なる2つの応力σ1及びσ1 ′のもとにt o 時間クリーブを行わせた後に応力をσ2にかえその直後のクリーブ速度▼20及びｖ*20並びにクリープ加速度▼20及び∨'20を測定すればとの式よりv c 2 を算出できる訳である。との方法の成否を確めるために歌鍋村（０・１９Ｃ，０・５５Ｍｎ，０・０１９Ｐ，０・０３４Ｓ, 0 . 2 5 S i ,  0  . 0 2 C r )を用いて4 5  0 ℃に於いて実験を行つた。先づ長時間制設によりo= 6 ・5 kg/mm²  RU8 ・0 kg/mm² の場合のvc並びにt cを求めた。第3 ・ 6図にクリーブ曲線を,第3 ・ 7図にとれを両対数で示した。図中にmの値を示す。更に第3 ・ 8図にクリープ速度と時間を両対数で示す。図中にｔｃ及びｖｃを示した。これより求めたｖｃ－ σ線図を第９・９図に，又ｍ－σ線図を第９・１０図に示す。次に迅速試験であるが、先づる= 6 ・5 kg/￼の場合の∨ｃを求めるためにσ1 = 7 ・5 kg/mm σ ′ 1 = 8 . 5kg/mstを選び１１２時間後に両者とも応力を６ . 5kg/mstに降した。この場合のクリーブ曲線を第３・１１図に示す。との図に見られる如くとの場合は応力降下後のクリープ歪は非常に変化が小さくとれよりクリープ速は及び加速度を図式的に求めることは困難である。よつて次に扱初の応力を６・５Kg/ma より低く選ぶこととして1 = 4 ・5Kg/ma  ,  σι kg/msとし1 2 0時間後に両者共６・5 kg/msに応力を上げた。との場合のクリーブ曲線を第3・12図に示す。応力を６ ・５kg／mnに上げた後のクリーブ曲線を拡大して指けば第３ ・１３図のようであるとの場合は最初の場合に比してクリーブ歪の変化は大きいのでこの点は都合が好いか。第3 ・1 2図にふられる如く応力を高めた際に当然弾性伸びを生じこれに伴う余効果があるのでv2 0 ・ ¥2 0等を求めるのにとれをどのように扱うかが問題でありそのとり方により得られる結果も変るととになり面白くなく。依つて以下に於いては吾人が仮定したクリープの理論がとのようなクリープの途中で応力を変える場合に対して現象を十分説明しうるものであるや否やを後の実験の場合について検討してみたい。 σ1 = 6 4  .  5 Kg/az*   RU*   σ₁ 1 ２０時間のクリープ曲線を両対数にとれば第３・１４図のようになる。これよりmの値を求むれば図中に示した値を得る。第３ ・１０図にはとの値をも示した。検討の方法としては以上の実験により求めたクリーブの常数を用いてｔｏ時間后のクリーブ歪を算出し実際と対比することにする。そのためにはσ」＝ 4  · 5 kg/ess  · σ 1   ′ = 5  · 5 kg/m² の場合のｔｃ及びｖｃが狭られねばならないが今は実週していないのでｖｃは第３ ・９図より求めｔｃは4 . 5 kg/mgの場合は６００Ｈｒ，５ kg/mg .の場合は５５０Ｈｒと仮定する。との仮定は6 、5 kg/exp RU 8 、0 kg/expのクリーブの結果より見て凡ぞ妥当なものと思われる。 t o時間後のクリーブ歪は次のように計算する。 ( $ 、1  $ )式に次いて　ｧ＜＜ t  c 2 とすれば´t c2 ~ 1 - - 7—と置けるからv2は次のようになる。 e t c 2
1 9図に示す曲線を得る。図に於いて実測と計算とを比較すれば，応力を上げた後の弾性余効果の術分を除けば実測と計算の曲線は略平行になつでおる。このことより吾人の仮定した理論が今のような場合にはかなり実際と合致するものであらうと推測される。以上要するに現在までに試みた実験の結果では苦人の提唱したクリープの迅速試験法は，第1法はクリーナ理論に多少の修整を要し、第五法は最初加えるべき応力の大さ並びに時間について今少し研究究の餘地はあるが、実験の精度を上げかつ余効果の影響の消滅した処で計算を行うように考えねばならないのでとれらの点について研究する必要があり。迅速試験法は成功の域に造しなかつた訳である(4)各種商温高圧が汽用標造材料のクリーフ試験結果7長時間后のクリーブ量を抽選する迅速まりープ調節にとして現在道当なものが抑られていないのでさし当り簡便法として次の如き方法なとることにした。 1）クリーブ延をと時間もとの関係は前出の（１・２）式で変わされるものとする。取ら.
ε =  c t m
2 ）鉴定クリーブ速度ｖｃを正確に知ることは現状では簡単にできないので2 ００時間程度の短時間クリーブ詩映を行い。上式のｃ，ｍを求めると同時に２０００時間后のクリーブ誌度を外挿して求めたれを認定クリーブ速度とした。以上の仮定により計算されたクリーブ径は実際よりも大きくなり設計上安全側になる。 3）とのようにして求めたv cとそのときの試験応力でとの関係を前述の（1・1）式v c = A σ nで与え浩数A及びnを求めた。以上の諸仮定により実験から求めたm，c，v c，n，Aを表示しておけば任意の時間后のクリーツ猛独は（１）のクリーブ問題の考え方の項で述べた方法に従い計算出来るので設計上極めて便利である。第4 ・ 1談は実験に供した諮材料の種類及び諮性質を，第4 ・ 2求はこれらの材料のクリーブに関する上述の諸常数を示すものである。またこれら諸常数と諸境応力又は温度との関係を図示したものが第４・１図ないし第４・１９図である。な去第４・１４図ないし第４・１７図にとれら材料の組織写真を，また第４・１８図ないし第４・３４図にクリープ出線を両対数で示した。以上得られた詳酸結果につき発結むすべき点を挙げれば次の通りである。 1）避熱器管材第4 ・1図によるとぶ汽温度5 2 0 ℃～ 5 3 0 ℃以上の過熱器管材として廃近襲澄されているHCM2のクリーブ強度が、従来の主としてそれより低温に使用されていた材料であるH C Mのそれより必ずしも高いと云えない結果が出ている。とれは主としてH C M 2 の熱処理によるもののようで、第4 ・1妻に示した桃な熱処理ではとの材料としてクリーブに対し好結果が得られないことがその后毀选帯により明らかにされている。成良の際処理としては９００で加熱店１００℃／ H rの冷却速度で炉冷することが排奨されているが、本体酸疾施前には入手出来なかつたので、あらためてとのような熱処理の試生につき試験を行う必要がある訳である。しかしながら熱処理によつては耐熱材料と伝えども十分なクリーブ強度を示され場合があるととは注目すべき点である。 1 8 – 8 – M o – T iは然然温度約５５０で以上に対しアメリカで使用されているのであるが前二辞に比し非常に高いクリープ強度を示している。 2）ボルト材　第４・2図に於いてＡＳＭＦ規格Ｂ７ａとＢ１４とのクリーブ強度を比較するに,追求Ｂ１４がＢ７ａよりクリーブ強度が高いとされていたにもかかわらず殆んど迷惑がない結果になっている。これはB １４かVを含有しているにかかわらずM oがB ７ａより若干少量であるととに帰はするものと思われる。アメリカで行われた実験結果を検討してみると何れもＢ１４のＭｏ並が規格はよりも多くＢ７ａのそれと大差ないものが多いのでこのためクリープ強度も高く出ていると考えらしこの点注意を要する。 9 ）タービン翼材　従来主として扱材として使用されていた１３Ｃｒ不野鋼についてのみ説録を行つたが特記すべき点はない。 4）クーピンロークー材 実験に供した材料はすべて実物大の試作ロークーより採取したととが従の試験と異る点である。
( 5 ) 結び
吾人は過去十数年来クリープの問題に関してその設計々第に於ける扱い方並びにクリープの理論について研究を進めて来た。その結果設計々算には香人の提唱するクリーブの常数m，ｔｃ，Ａ，ｎが与えられれば十分突然に忠実な計算が過熱器管，クーピンローター等高温で使用される機械部分に対して行はれ得ることを明らかにして来た。よつてさらに進んで苦人の等いたクリープの理論を応用してとれら詣常欲の迅速試験法について考え。ここにその２つの方法について実験による後計を行つた訳であるが、その結果論論に多少の修識を要する点のあること並びに迅速試験を行うには今少しクリープ試験装置の構度を良くすることの必要であるととか分り満足ずべき物件を得ることが出来ず読に残念であるかなお今后の研究に俟つ他はないととが隋つた。一方現在及び今後使用されると考えられる通熱器管材，タービン類材。タービンローター材及びポルト材に対してクリープの常数を求めたが。これは今後のとれらの機械部分の設計装料として十分活用されるものと考える。 F i g . 2. 1 F/i g . 2.2 . Fig . 2.4 . . . . 1. 200Wを勉強を共承官r F ③東相交流党党統, 110Y, 60 ～ 200W,金共選休.
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. 9・5・199 . . . . . . . one切り#L . .
*** 3 Fig.3 12
petset 2/0 |・や
Vc = Creep rote after 2,000Hr νε = A 6 * Fig. 4.5
Super heater   Tube
Fig-4.8 Turbine Rotor -過数器管材× 3  0  0 H C M 2 18-8-Mo-Ti (NAS - 8 4 E) × 3  0  0第４・１５回ボ 材× 3  0  .数４・１６図ケービン殿材1 3 C r × 5 0 0 .第4・17図ターピンローター材st . . . . . . . . . . . .

(1)研究の目的並びに経過
近年ポイラー・タービン等に於ける使用蒸汽の高温高圧化に伴ひ、発電用アラント材料の事故も薄増する傾向にある。特に大型頻網品に短裂が発生し易いので、各電力会社より譲渡された蒸汽分離器の勝却品に就いて，顕微鏡検査，引張，匈案，屈曲，疲労等の試験を行い。又タービン車室，弁類，管類，リベツト等の破損品についても組織の変化を調べた結果大凡次の革柄が明かとなつた。対称となつた材料の使用条件は、系流温度３２０～４８０℃，系流圧力２０～５０%。で，延使用時間２０, ００～１００,０００時間であつた。大部分は蒸汽温度４５０℃，蒸汽圧力４０%。使用時間６５, 0  0  0時間である。 (i)大型鉄鋼品の場合、戦裂の発生位置並びに形状は類似してある。 (ii) 鉄鋼品に限らず蛇腹管,ヘッダー, 际、然汽管等の鍛造品でも,破損品は例外なく脱炭又は異常組織を呈してみた。 (ii)  砲裂の通路は鋳物上の欠陥と無関係であつた。 (iv)  蒸汽と接触する内側は外側に比べて，衝撃値，周曲値，疲労試験値が低い。 (v)　９００ひで焼鈍すれば，衝撃値は殆んど快須するが。屈曲値は位かに，又按労試験値は全く変化しない。   .  .以上の事実から，直接の原因は熱応力であらうとも，蒸汽に依る材料の脱脱，変質が趣裂発生の根本原因となつてゐると推定され。然流と鋼材の反応の結果生成した水菜の影響が大きいと見做された
3 F e + 4 H 2  O  =  F c3  O 4 + 4 H 2
水蒸が鋼材中に侵入し、鉄格子と介入型の固溶体を作つて鋼を硬化せしめ。更に鋼材内部でモメンタイト或は他の非金属化合物と反応し、ＣＨ 4やＨ 2 Ｓの如き大分子のガス状化合物を生成し、これが外部への逃散困難で，粒界内に寄筏して大きな内圧を呈し、鏡を脆化せしめるととは，アンモ＝ヤ合成に於ける触媒塔の材料の破損の原因として、古くから取上げられ、相当詳細な研究が行はれてゐるが、然汽の分解によつて生じた水薬の作用に関しては，上記の秘水紫の場合から類推されてゐるに過きず，同時に出来る酸化物皮膜の保酸作用の程度，他のガス反応の可能性，発生した水菜の中鋼材内に侵入する部分の割合等に就いては，殆んど知られてゐない。そこで，然斉に伎る綱材の変質の原因を明かにし、首題の材料還定の基礎資料を得ることを目的として本研究に落手した。尙然斉による単純な酸化現象に関してはＨ．Ｌ．Ｓｏｌｂｅｒｇ等（1）の詳しい研究があるので計画から除外した。此の問題には可成り複雑な因子が含まれてふるので、適当な調節条件及び方法を先つ決定する必要があり，既に実施した常圧高温蒸汽による突駿結果，水紫脆性に関する交欲，Ｃ．Ａ．Ｚａｐｆｆｅの論文151等を参照して、次の様な測定項目を定め先つ歌鋼に就いて基礎的な実験を行ひ，その結果に基Trans.of A.S.M.E (i)  Potter, Solberg, Hawkins P 3 0 3 (1 9 4 2 ) P . 7 2 5 (1 9 3 7 ) 1 1 0
水藻による疾酸：
ボンベを水菜調とし。 ９００～３５００に加熱したPd  アスベスト及びシリカゲルを通して.02以H 2  Oを除去，耐圧１００ 災害，最高温度６０００で_土５０内に部館できた。
(3)研究結果
(i)  純水票による宾験添附の報告に許述した後に，院長，比休積の増加，機械的性質の低下，内部倒れ，水菜及びメクシガスの包数等何れも内，外国の文献を認定さする結果が得られた。
(i) 宗代による試験
蒸汽も鋼材と反応すれば水菜を発生するかその水菜は(1)で得た様な純水菜のａｔｍｏｓｐｈｅｒｅの場合と同じ様な挙動をするか否かか。研究に於ける我大の関心事であつたが、試験の結果傾向としては，これを肯定する客を得た。然しこの核なメカーズムによる酸化の進行速度は遥かに遅いこと，又與つたガス反応も同時に起るらしいことが判明した。供試材質並びに試験条件は第1変に示した。鋳鋼は加工前に９００℃で５ｈｒ加磁後２４ｈｒ炉冷して焼焼し，１２本の試片は，硬度，組織，成分の上から均一性を確認した後試験に供した。腐蝕試験は同時に6本の試片を処理できる。測定項目並びに試験条件は，破損についての基礎試酸の結果，読み時間を約2倍とした他は他の材質に就でも，これを踏襲した。成分分析及顕微鏡検査の結果 診察した何れの材質も禁汽処理後に脱脱。異常組微等認められなかつた。実際の場合，事故が起るのは警通６０,０００時間程度使用した後であるから，との实欧での統計温度５５０℃は，通常の歌詞の使用温度限界４００℃よりや１高いとはいへ。３００ ～６００時間程度では組織の変化が起らぬのが当然であらう。機械的性質の変化及び包蔵ガス分析値を第２表に示した。常温可能較較値は長時間加熱の影響で、拡張力の低かの低下と。伸び及絞りの多少の増加を示す程度であつた。以上は，水茶に依る英酸結果と比較して，腐炎の差がある。高温の調整機では，何れの材質も相当の性質の低下がみられるが，未だ合金鍋と普通鋼，敢網と殺到の差はこの程度の時間では，明確でない。常温引張と高温引張との結果の差準は，水紫の祈世の為めと思はれるが、何れにせよ失踪の使用湿度に於ける機械的性質が低下する事実は注目すべきである。透過ガス分析価は時鋼の場合を第4装及び第4図に，ガス透過速度と時間との関係を鍛鋼と銃網について比較して郊５図に失々示した。向Ｃｒ－Ｍｏ鋼の場合は５００時間目に位か２ ccの水察を得たのみであつた。普通列は何れも透過ガス中にH2 , CH4 , CO, CO2を含み,水菜による内部脱が起ることを示したが，その速度は純火茶　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ　の物合の５ 8cm³/１０ 0 cm³・ｈｒに比す1 2   - iれば問題にならぬ程小さい。常温機械的住質や組織の変化に於ける燃流と水菜との差違が著しいのも許ける。水薬の場合と異る点は，ＣＯ，ＣＯ，等が透過することであるが，ＣＯに関してはNa uman nの報告があるが，ＣＯ₂に関しては，文獻が見当らない。その生成過程は今後の研究課題であるが、恐らく内部酸化反応によるものと指定される。包蔵ガス成分も送過ガスの場合と同じで，水茶舎盘が増加して居り，内部に於ける脱炭反応を爽付けるメタンも含まれてみる。前四破断試験結果（第９図）は実験点お少いので参考程度にとすまるが、蒸汽処理でや１性質が低下してみる様に思はれる。大宮跡領品に酸裂が起り易い原因として，均一組織が得られないことや，完全焼焼を行い菓い点が挙げられるが，然汽の作用に対して本質的に絡網より弱いか否かは判定し難い。第５図に示した両者の水禁とメクンの透過速度の相違は，との点を明かにする手掛りとなるであらう
(4)結 論
短時間で現象を完全に明かにするととは困難であるが、孫汽に使る鋼材能化のメカニズムは水薬に依る脆化の場合と略詞ーと見做されること。だがその進行速度は前者の方が極めて運いことが明確となつた。ガス透過速度と時間との関係が緩調と鋳鋼で落しく相違する事実から両者の禁許に対する性質に根本的な相違があると思はれる。低クロム・モリブデン鍋も６００時期程度では，敬鍋に比べて機械的性質の上にそれ程相違が表はれないが，然斉処理後の水茶舎景やガス透過量が極めて少いととは，実際に事故が起る様な長時間の後には可成りの差が出来ると考へられる。本研究が純度の高い禁汽に就いて行はれたのに鑑み，今後は孫汽中に不純物を投入し，或は熱応力を彷かせる等して、酸化保酸皮膜を破壊し、脆化を促進させる必要が認められる。
. L a b l c    1.
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..
. u ə j u o o  s e g so i i i i i q o i q    l e o i u e y o w   u i    a su e y ; pu e o l d e T ? Table 3, Creep rupture value of original and steam t r e a t e d  s t e e l s .
1
notes :  1. cross section of penetration   Thickncss of wall. Condition of  steam 2 0.7 2 cm² 2 m/m 550 ℃, 50 H 3 2. Besides above mentioned constituents of occluded gas we found .02 and N2:.. These may be due to leakage of air from atmosphere since the volume ratio of O2 and N2 is the same as that of air. 2 . - Fig. 2.
Apparotus for sompling and analysis of penetroted gas. Fig. 3 Results of Creep supture test on original and steam treated stuls. 2 50

1.試験装置
第１図に示した様に，水茶はボンベから取り，これを約３００℃に加熱したＰｄアスベスト及びシリカゲルを通して、酸菜及び水分を除去した後、所期の温度に加酸した丸枠試片に作用せしめた流速は約５０CC／ｍｉｎであつた。
2.天殿結果
結果は第１表に総括した。長さの変化はｄｉａｌｉｎｄｉｃａｔｏｒに依り，莱材と処理材とを比較測定した。加工歪に基く誤差を避ける為めに，試料は，次の条件で焼飽したものを使用した。級鋼： 9 0 0 ℃ 2 h r加熱後7 0 ℃迄炉冷(2 4 h r )鉄 網：約９００℃５ｈｒ加熱後２４ｈｒ妊治直径の変化はm i c r o g a u g e で測定した。装面脱映の起つた場合は，妥さ，径共に増加したが，鋳鋼は装面脱脱が認められないにも不拘。長さ及び径の増加が起り，抗派力特に伸び，絞りは悲しく低下した。惑初，精製しない水茶について發備実験を行つた際，試料に薄い酸化皮膜が出来たので、其の後荷製した水茶を用いて実験したが水茶処理後の試料は白銀色の美麗な表面を持ち、重量減は略々脱炭液盤に比例してゐるので，表面皮膜は皆無と考へられる。
not es Anncaling condition: (A) Heat at 900℃.2hr.furnace coolbis (B) Heat at about 900 ℃ 2 h r . f u r n a c c Purification of hydrogen .. 02 gas was removed through removed through o H 2 was ' ' ' ' ' . . . . t rea tment .
70 ℃ (24 hr) cool for 24hr. As be s t o s  (a t   300℃ ) Silica gel顕微鏡写真でM」，M4以外は，何等変化が認められなかつた。M2はM1に比し，温度は略等しく圧力及び試験時間は却つて大きいにも不拘，全然脱跌しなかつた。理由は明かでない。辨網は，鍛鋼に比し脱炭し難い様に思はれるが、実験回数が少いので結論は出来ない。脱炭した試料は、写真に示した様に内部割れ、泡出等が起り激しい脆化を物語つている。 A) sample M1 Photo I. P h o t o    2. cross section of control microst ructure of original si P ho t o crack at the edge P h o t o 4.写真から明かな様に、大きな内部割れと共に、結晶粒間の苦しい弛殺が起つてゐる。手造いから、引張試験を行へなかつたが、他の脳嵌しなかつた資料の場合から推して極めて・ b r i t t l e なことは想像に難くない。不脱炭層を飛び越えて、中心部に、脱炭及び割れが見られるがPhoto 4.ic in clusionらしきものが認められるので，此の影響と考えられる。表面脱炎層の厚さ3.5 m m（試料直径１０mm）向，試料は試験後ポンペの栓を締めた後。約４ h r，姉中に放置した後，取出した。この時，姉は未だ相当熱かつた。周辺龜裂部分は，膨れた外親をしてゐたか，とれは折から取出して数十分後に認められた。恐らく外圧が除かれて，急に冷却するときに，鋼材中のガスが一時に折出した為めに種裂が生じたものと考えられる。 B) s ample  M, P hoto. 5. foam! ike state of surface此の場合は完全脱於し、炭茶含量は殆んど等に等しい。金面的に泡出し、アバタ状になつたのは次の理由に依ると考へる。 Relation between Fig 3. carbon untent ・(註) ９３０ Ｃに３０分間加熱後妖冷したもの此の試料はh e a t e rを切つた後、少量の水素を通じつつ約3 6 h r姉した後取出した。此の間徐々に水茶ガスが鋼材内部で析出し表面に向つて拡散し、脱脱によつて弱くなつてゐる表面の抵抗の少ないところを押し上げ、泡状になつたものであろう。試料M4の場合は冷却が急務であつた以外に，鋼材内に欠陥が多かつた為に，砲裂を生じたものと推測される。抗張力及び絞りは，素材に比し夫々4  2.5 %及び4  6.5 %低下した。包蔵ガスはM4の場合,水菜8.8 4 CC/1 0 0 8に及びメクンも0.7 6 CC/1 0 0 8含まれ網材内？部に侵入した水茶による脱炭も起つたととを示してある。第１表に示したM1のガス分析の結果は,低い値を持つか。とれは試験後約２日間デシケーター中に放置した後。分析したので、その間に逃出した為であらう。鋳鋼の場合、水裝含量も高く，機械的性質の相当の低下が起つているにも不拘脱炭していないのは然汽に依る試験で，透過ガスの挙動が，報損と剝剥で可成り異つた事と考へ合結果のある物な相達を示すものと思ふ。 3. (1)脱皮と体斑変化本研究を行う動機となつたＦ・Ｋ・Ｎａｕｍａｎｄ¹）の実験による水装で脱脱した炭寒鏡の脱蒸鏡の，脱放演さと，直径増加との関係を第２図に示した。これから，脱炭深さ3.5 ‰のときの直径増加は0.2 2 5 ‰となり，増加率は1.1 3 %となる。我冬の実験で，例へばＭ，の場合同じ脱炭深さで直径増加率0.7 3 %となり，や１低い。然しNa uman nの実験値のバラツキを考へると大差ないと芸へよう。彼は此の現象を脱炭による結晶粒間の結合の違弛緩に因るものと説明したが最近の文献と考へ合せると，これも一因には違いないか，もつと，根本的な原因が存在する懐に思はれる。先づ鋼材中に使入した水藻の影響を無視し合炭量の変化のみによる体積の変化を考へる。 Gme 1 i n(2)のハンドブツクから引用した第3図より明かな様に，含改集が減少すれば体積は却つて減少する。従つてとれは理由とならない。 C . R  Cupp(3)の最近の論文 " Gases in Metals "中に紹介された文献中に" Lattice Expansi on":c関するものが多数あり、原本が当地で手に入らぬので詳細は不明であるが、それに依ればC r，M n，N i等の電桁金属は水素ガスを溶解してをり格子常数の増大とX緑散乱像の拡散を起す事実がある。 格子常数の増大はＣｒの場合0.3 ～ 0.4 %,  M nでは水茶溶浮量１００ｇ当り１CCに付き０００３％，又Ｎｉでは格子欠陥の発生により局部的には１３ — 23 — %にも達すると報告されている。此の際，硬度の増加，伸びの減少，電気伝導度の低下等を伴い時には　"micro fissure"か生成される。此の変化を恢復させるには，ｃｏｌｄ　ｂｏｍｂｏｒｄｍｅｎｔ　による脱ガスでは不充分で，Ｃｒの場で合５００～１０００℃，Ｍｎでは３００～５００℃に加熱する必要があるという。即も，変化を起した金属は，ガスを除去したとけでは歪んだ状態から恢復せず，あたかも冷間加工による結果に似ている。 Armc o  Fe及びA Iについても同様の事柄が報告されてゐる。以上の現象に関し、Snavel y(4)はC rについて次の様に説明した。C rは水茶と介入型のC r  hydrideを生成折出し。これは常温では不安定なので急速に分解して原子状の水蒸と休心立方Ｃｒを生成する。此の反応に伴う大きな体積変化（約１５％）は此の型の電析物の硬度跪性及び割れ特性に関係する。体積変化の間に，micro fissure が生成され，水葉はC r格子に対し小さな浴婿度しか持たぬ為め, fissure中にocclude される。このfissureがX線散防後のbroad- ingの原因である。 VozouizhenskyはNiの場合ｓyt ematicな格子欠陥が起り,これが原因であると説明した。之等のメカニズムについての説明の当否は別として兎に角，脱脱を伴はない単なる水茶の補評に依つても金属の結晶組織に相当の変化を与えることは事実であり、Ｆｅも水蒸と介入型固溶体を作ることは知られてゐるから，鋼材の場合も脱脱を伴はない水蒸の単純溶解によって比体積の増加を来すととは，競み餘地がない。我々の実験で包蔵ガス中にメクンが含まれてゐる事実は鋼材に沿際した水茶が更に内部で脱炭反応を起したととを示すものであるが、メタンは水聚より強かに大きな分子であるから表面に拡散逃出することは極めて困難でとれが粒界に落抜して大きな内圧を呈し、遂には粒界を押し開いてmicro fis sureを残して逃出すると考へられ上述の水茶のみによる作用と相俟つて比体嶺の増加を起したと結論づけられよう。従つて委面脱峡は必ずしも必要ではない。との比体積の増加は試料M1の場合で1.8 %であつた。
(2)
第１妻に示した如く脱於の生起は極めて　ａｔ :r ａｎｄｏｍで水禁の圧力温度及び誤惑時間と直接の関係がないものの様である。例へばM2はM2に比し、条件はs e v e r eと考えられるのに，全然脱炎せず，後者には激しい脱脱が起つている。両者とも同一の丸棒から製作したもので、焼鈍も同時に行はれた。水茶の漏洩が止まらなかつた為めに，Ｃ₃以外は一定圧に保てなかつた事と(1) F .K .Naumann ,  S t a h l  n d  E i s e n  P 8 8 9 ～  8 9 (1 9 3 7 ) (2) Gmelin, Handbuch der anorganischen Chemic, Eisen-TeilA- Liefcrung 8 P16 37 (1936) (9) C .R .C upp, Progress in metal physics 5 (Volumed) P 12 6～199 (1953) (4) Snavely, Trans.Electro chemical Society 92 (1947)  P537実験回数が少べことから結論はし疑いがNaumann（1）の報告に依れば第4.5図に示した様に、我々の行つた試験条件は脱炭の生起に対し、極めてcriticalなところにあり，従つて材料及び試験条件に於ける微妙な差異がその成否を支配したものと思はれる。 Na uma n n は，鋳鋼に就いては実験しなかつたが我々の実験で鋳鋼は鍛鋼に比し脱炭し難かつためで、とれについても第４図の様な限界値を求めたなら面白い結果が得られるであろう。
4.
結論
高温高圧燃費の作用を受けた鋼材の脆化に熔気の分解で生成した水茶が大きな役割を果すと考えらるので，純水薬で試験を行つた結果(1)  （水茶に困された鋼材は）体積が膨誤する。これは水茶の溶卵による結晶格子の歪みと鋼材内部に於ける脱炭反応の生成したメタンによる結晶粒界の弛級によつて起ると推定される。 (2)体積の膨膜は表面脱炭が行はれなくても起り，膨膜したものは何れも機械的性質が損当低下していTo (3)　脱炭の激しい場合は内部割れ。表面の泡出等を起すがとの現象の現れ方は水紫処理後の試料に於けるガスの析出速度に依存するらしい。等が明かとなり，水泳乾性の激しさを再確認した。日本造船研究協会報告時役和３０年８月１日漂編輯兼発行人鉄.発行所   社団法人 日本造船研究協会東京都中央区京橋一丁目二番地（セントラルビル）電話(28) 1409番. .印制所信和工業株式会社東京都中央区日本橋小網町二丁目十二番地電話(67) 3 6 3 7番