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図面 (11)

課題

評価対象物合金材料)の使用温度を高精度に求めることができる合金材料の評価方法を提供する。

解決手段

合金材料の評価対象物の評価方法は、前記評価対象物の金属組織における析出物間の距離を示す距離パラメータ計測するステップと、前記合金材料の使用温度及び使用時間に関する熱履歴パラメータと、前記合金材料の金属組織における析出物間の距離を示す前記距離パラメータとの相関を示すマスターカーブに対して、前記評価対象物について計測した前記距離パラメータを当てはめて、前記評価対象物の使用温度を算出するステップと、を備える。前記マスターカーブは、前記評価対象物と同種の合金材料のサンプルついての、前記熱履歴パラメータと前記距離パラメータとの相関を示す基準マスターカーブを、前記評価対象物の材料初期条件に基づいて補正したものである。

概要

背景

従来から、ボイラ等の高温機器に使用されている鋼材寿命を、クリープ損傷の程度に基づいて評価することが行われている。例えば、鋼材表面レプリカ採取し、レプリカを観察してクリープボイドを数え、クリープボイド個数密度面密度に基づいて寿命消費率を求めること(レプリカ法)が行われている。

また、クリープ損傷推定方法として、特許文献1が開示する銅添加オーステナイト鋼伝熱管材の損傷推定方法では、伝熱管材から採取されたサンプルが透過型電子顕微鏡により観察される。そして、透過型電子顕微鏡により観察されたCu富化相の析出によって生じる歪場の黒点の密度が求められ、クリープ損傷の程度が推定される。

一方、高温機器では、場所によって温度に大きなばらつきがあり、鋼材の寿命が大きく異なる。そこで、高温機器の保守等を目的として、鋼材の使用温度を評価する方法が提案されている。この種の方法として、特許文献2が開示する鋼材の使用温度推定方法では、鋼材中析出物の成分が分析され、析出物の成分に基づいて鋼材の使用温度が推定される。

さらに、特許文献3には、耐熱材組織における析出物間平均距離と、使用温度及び使用時間に関するパラメータとの間の相関関係に基づいて、耐熱部材の使用温度を求める方法が開示されている。

概要

評価対象物合金材料)の使用温度を高精度に求めることができる合金材料の評価方法を提供する。合金材料の評価対象物の評価方法は、前記評価対象物の金属組織における析出物間の距離を示す距離パラメータ計測するステップと、前記合金材料の使用温度及び使用時間に関する熱履歴パラメータと、前記合金材料の金属組織における析出物間の距離を示す前記距離パラメータとの相関を示すマスターカーブに対して、前記評価対象物について計測した前記距離パラメータを当てはめて、前記評価対象物の使用温度を算出するステップと、を備える。前記マスターカーブは、前記評価対象物と同種の合金材料のサンプルついての、前記熱履歴パラメータと前記距離パラメータとの相関を示す基準マスターカーブを、前記評価対象物の材料初期条件に基づいて補正したものである。

目的

本発明の少なくとも幾つかの実施形態の目的は、評価対象物(合金材料)の使用温度を高精度に求めることができる合金材料の評価方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

合金材料評価対象物評価方法であって、前記評価対象物の金属組織における析出物間の距離を示す距離パラメータ計測するステップと、前記合金材料の使用温度及び使用時間に関する熱履歴パラメータと、前記合金材料の金属組織における析出物間の距離を示す前記距離パラメータとの相関を示すマスターカーブに対して、前記評価対象物について計測した前記距離パラメータを当てはめて、前記評価対象物の使用温度を算出するステップと、を備え、前記マスターカーブは、前記評価対象物と同種の合金材料のサンプルついての、前記熱履歴パラメータと前記距離パラメータとの相関を示す基準マスターカーブを、前記評価対象物の材料初期条件に基づいて補正したものであることを特徴とする合金材料の評価方法。

請求項2

前記熱履歴パラメータが互いに異なる複数種の熱履歴条件の下で作製された複数の前記サンプルの各々について前記距離パラメータを計測するステップと、複数の前記サンプルについてそれぞれ計測した前記距離パラメータと、前記サンプルの各々の前記熱履歴パラメータとの相関から前記基準マスターカーブを取得するステップと、前記評価対象物の前記材料初期条件に基づいて前記基準マスターカーブを補正して前記マスターカーブを取得するステップと、をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の合金材料の評価方法。

請求項3

前記サンプルの材料初期条件を入力条件としたシミュレーションにより得られる前記サンプルの前記距離パラメータの計算結果と、前記基準マスターカーブとが整合するような前記シミュレーションの計算条件を決定するステップをさらに備え、前記マスターカーブを取得するステップでは、決定された前記計算条件の下で、前記評価対象物の前記材料初期条件を入力条件として前記シミュレーションを行うことで、前記評価対象物についての前記熱履歴パラメータに対応する前記距離パラメータを計算することで、前記マスターカーブを取得することを特徴とする請求項2に記載の合金材料の評価方法。

請求項4

前記材料初期条件は、前記評価対象物又は前記サンプルの化学組成固溶化熱処理履歴結晶粒径、または、結晶粒形状の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項3に記載の合金材料の評価方法。

請求項5

前記化学組成は、Cr、Fe、Nb、C、N、Ni又はCuの少なくとも一つの元素含有率であることを特徴とする請求項4に記載の合金材料の評価方法。

請求項6

前記固溶化熱処理履歴は、前記評価対象物又は前記サンプルの材料製造時における熱処理温度および熱処理時間を含むことを特徴とする請求項4又は5に記載の合金材料の評価方法。

請求項7

前記シミュレーションの前記計算条件は、前記金属組織における析出物元素構成比率または析出イトの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項3乃至6の何れか一項に記載の合金材料の評価方法。

請求項8

前記距離パラメータは、前記金属組織における析出物間の平均距離、前記金属組織における析出物の粒径、または、前記金属組織における析出物の数密度の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項1乃至7の何れか一項に記載の合金材料の評価方法。

請求項9

算出された前記評価対象物の前記使用温度に基づいて、前記評価対象物の余寿命を評価するステップをさらに備えることを特徴とする請求項1乃至8の何れか一項に記載の合金材料の評価方法。

請求項10

前記合金材料は、オーステナイト系ステンレス鋼又はNi基合金であることを特徴とする請求項1乃至9の何れか一項に記載の合金材料の評価方法。

請求項11

前記評価対象物は、ボイラ伝熱管であることを特徴とする請求項1乃至10の何れか一項に記載の合金材料の評価方法。

技術分野

0001

本開示は、例えば耐熱部材として用いられる合金材料評価方法に関する。

背景技術

0002

従来から、ボイラ等の高温機器に使用されている鋼材寿命を、クリープ損傷の程度に基づいて評価することが行われている。例えば、鋼材表面レプリカ採取し、レプリカを観察してクリープボイドを数え、クリープボイド個数密度面密度に基づいて寿命消費率を求めること(レプリカ法)が行われている。

0003

また、クリープ損傷推定方法として、特許文献1が開示する銅添加オーステナイト鋼伝熱管材の損傷推定方法では、伝熱管材から採取されたサンプルが透過型電子顕微鏡により観察される。そして、透過型電子顕微鏡により観察されたCu富化相の析出によって生じる歪場の黒点の密度が求められ、クリープ損傷の程度が推定される。

0004

一方、高温機器では、場所によって温度に大きなばらつきがあり、鋼材の寿命が大きく異なる。そこで、高温機器の保守等を目的として、鋼材の使用温度を評価する方法が提案されている。この種の方法として、特許文献2が開示する鋼材の使用温度推定方法では、鋼材中析出物の成分が分析され、析出物の成分に基づいて鋼材の使用温度が推定される。

0005

さらに、特許文献3には、耐熱材組織における析出物間平均距離と、使用温度及び使用時間に関するパラメータとの間の相関関係に基づいて、耐熱部材の使用温度を求める方法が開示されている。

先行技術

0006

特許第3998053号公報
特開2006−300601号公報
特開2015−125116号公報

発明が解決しようとする課題

0007

従来のレプリカ法は、クリープボイドの個数に基づいて寿命消費率を求めており、クリープボイドがある程度成長してその数が増加しないと、鋼材の寿命消費率を評価できないため、精度上の問題がある。

0008

特許文献1に記載された損傷推定方法では、Cu富化相の析出によって生じる歪場の黒点の密度に基づいてクリープ損傷の程度を推定しており、銅添加型オーステナイト鋼以外の鋼材への適用の可否が明らかではない。

0009

一方、特許文献2に記載された使用温度推定方法では、特許文献1に記載の方法とは異なり、銅を含まない材料にも適用可能である。しかしながら、特許文献2に記載の方法では、析出物中の成分の変化に基づいて使用温度を推定するものであるため、析出物の構成元素の析出量が時間変化しない鋼材、或いは、その変化が小さい鋼材の場合、使用温度の推定が困難である。また、平衡析出量に到達した後は、析出量変化がないため、使用温度の推定は難しい。

0010

これに対し、特許文献3のように、析出物間距離に着目して評価対象物の使用温度を求める場合、平衡状態到達後においても析出物の粒成長によって析出物間距離が変化するため、特許文献2の使用温度推定方法よりも幅広い材料に適用可能である。

0011

しかしながら、本発明者らの鋭意検討の結果、使用前の析出状態や使用中の析出物の粒成長挙動は、同一規格材料であっても、例えば使用前の材料の化学組成や材料製造時の熱処理履歴等の材料初期条件の影響を受けて異なることが明らかとなった。このため、特許文献3に記載された使用温度推定方法のように、析出物間距離と、使用温度及び使用時間に関するパラメータとの間の相関関係を利用して評価対象物の使用温度を求める場合、相関関係を得るために用いたサンプルと評価対象物との材料初期条件(材料の製造履歴)のずれが、使用温度の推定精度を低下させる要因となる。

0012

本発明の少なくとも幾つかの実施形態の目的は、評価対象物(合金材料)の使用温度を高精度に求めることができる合金材料の評価方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0013

(1)本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る合金材料の評価方法は、
合金材料の評価対象物の評価方法であって、
前記評価対象物の金属組織における析出物間の距離を示す距離パラメータ計測するステップと、
前記合金材料の使用温度及び使用時間に関する熱履歴パラメータと、前記合金材料の金属組織における析出物間の距離を示す前記距離パラメータとの相関を示すマスターカーブに対して、前記評価対象物について計測した前記距離パラメータを当てはめて、前記評価対象物の使用温度を算出するステップと、を備え、
前記マスターカーブは、前記評価対象物と同種の合金材料のサンプルついての、前記熱履歴パラメータと前記距離パラメータとの相関を示す基準マスターカーブを、前記評価対象物の材料初期条件に基づいて補正したものである
ことを特徴とする。

0014

上記(1)の方法によれば、評価対象物の材料初期条件に基づいて、評価対象物と同種の合金材料のサンプルについての基準マスターカーブを補正してマスターカーブを得るようにしたので、サンプルと評価対象物との材料初期条件(材料の製造履歴)のずれに起因した使用温度の推定精度の低下を抑制することができる。

0015

(2)幾つかの実施形態では、上記(1)の方法において、
前記合金材料の評価方法は、
前記熱履歴パラメータが互いに異なる複数種の熱履歴条件の下で作製された複数の前記サンプルの各々について前記距離パラメータを計測するステップと、
複数の前記サンプルについてそれぞれ計測した前記距離パラメータと、前記サンプルの各々の前記熱履歴パラメータとの相関から前記基準マスターカーブを取得するステップと、
前記評価対象物の前記材料初期条件に基づいて前記基準マスターカーブを補正して前記マスターカーブを取得するステップと、
をさらに備える。

0016

上記(2)の方法によれば、熱履歴パラメータが互いに異なる複数種の熱履歴条件の下で作製された複数のサンプルの距離パラメータの計測結果を用いて基準マスターカーブを作成するようにしたので、基準マスターカーブを高精度に求めることができる。また、評価対象物の材料初期条件に基づいて基準マスターカーブを補正するようにしたので、上記(1)で述べたように、サンプルと評価対象物との材料初期条件のずれに起因した使用温度の推定精度の低下を抑制することができる。

0017

(3)幾つかの実施形態では、上記(2)の方法において、
前記合金材料の評価方法は、前記サンプルの材料初期条件を入力条件としたシミュレーションにより得られる前記サンプルの前記距離パラメータの計算結果と、前記基準マスターカーブとが整合するような前記シミュレーションの計算条件を決定するステップをさらに備え、
前記マスターカーブを取得するステップでは、決定された前記計算条件の下で、前記評価対象物の前記材料初期条件を入力条件として前記シミュレーションを行うことで、前記評価対象物についての前記熱履歴パラメータに対応する前記距離パラメータを計算することで、前記マスターカーブを取得する。

0018

上記(3)の方法では、サンプルの材料初期条件を入力条件としたシミュレーションにより得られるサンプルの距離パラメータの計算結果と、基準マスターカーブとが整合するようなシミュレーションの計算条件を決定するようになっている。こうして得られた計算条件の下でシミュレーションを行えば、サンプルの材料初期条件を入力条件とした場合には基準マスターカーブを再現可能である。この計算条件の下で、上記(3)のように、サンプルの材料初期条件に替えて、評価対象物の材料初期条件を入力条件とし、評価対象物についての熱履歴パラメータに対応する距離パラメータを計算すれば、サンプルと評価対象物との材料初期条件のずれが考慮されたマスターカーブが得られる。これにより、サンプルと評価対象物との材料初期条件のずれに起因した使用温度の推定精度の低下を効果的に抑制することができる。

0019

(4)幾つかの実施形態では、上記(3)の方法において、
前記材料初期条件(材料の製造履歴)は、前記評価対象物又は前記サンプルの化学組成、固溶化熱処理履歴、結晶粒径、または、結晶粒形状の少なくとも一つを含む。

0020

上記(4)の方法によれば、析出物の粒成長挙動に影響を与える可能性がある化学組成、固溶化熱処理履歴、結晶粒径、または、結晶粒形状等の因子を材料初期条件として考慮し、基準マスターカーブを補正することで、使用温度をより高精度に推定することができる。

0021

(5)幾つかの実施形態では、上記(4)の方法において、
前記化学組成は、Cr、Fe、Nb、C、N、Ni又はCuの少なくとも一つの元素含有率である。

0022

本発明者らの知見によれば、析出物の粒成長挙動に影響を与える元素には、Cr、Fe、Nb、C、N、Ni、Cu等がある。そこで、上記(5)で述べたように、材料初期条件としての化学組成として、これらの元素の少なくとも一つの含有率を含めることで、析出物の粒成長挙動を適切に表現可能なマスターカーブを得ることができる。

0023

(6)幾つかの実施形態では、上記(4)又は(5)の方法において、
前記固溶化熱処理履歴は、前記評価対象物又は前記サンプルの材料製造時における熱処理温度および熱処理時間を含む。

0024

本発明者らの知見によれば、材料製造時における熱処理温度および熱処理時間は、析出物の粒成長挙動に影響を与える。そこで、上記(6)のように、材料初期条件としての雇用加熱処理履歴として、評価対象物又はサンプルの製造時における熱処理温度および熱処理時間を含めることで、析出物の粒成長挙動を適切に表現可能なマスターカーブを得ることができる。

0025

(7)幾つかの実施形態では、上記(3)乃至(6)の何れかの方法において、
前記シミュレーションの前記計算条件は、前記金属組織における析出物の元素構成比率または析出サイトの少なくとも一方を含む。

0026

上記(7)の方法によれば、シミュレーションの計算条件として、析出物の元素構成比率または析出サイトの少なくとも一方を用いるようにしたので、非平衡過程である析出過程を適切にシミュレートすることができる。

0027

(8)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(7)の何れかの方法において、
前記距離パラメータは、前記金属組織における析出物間の平均距離、前記金属組織における析出物の粒径、または、前記金属組織における析出物の数密度の少なくとも一つを含む。

0028

本発明者らの知見によれば、金属組織における析出物間の平均距離、析出物の粒径および析出物の数密度は、合金材料の使用温度及び使用時間に関する熱履歴パラメータと相関がある。
そこで、上記(8)のように、これらのうち少なくとも一つを熱履歴パラメータとして用いることで、合金材料の使用温度を適切に求めることができる。

0029

(9)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(8)の何れかの方法において、
前記合金材料の評価方法は、算出された前記評価対象物の前記使用温度に基づいて、前記評価対象物の余寿命を評価するステップをさらに備える。

0030

上記(1)で述べたように、本発明の幾つかの実施形態に係る合金材料の評価方法によれば、サンプルと評価対象物との材料初期条件のずれに起因した使用温度の推定精度の低下を抑制することができる。こうして得られた評価対象物の使用温度を上記(9)の方法のように評価対象物の余寿命評価に用いれば、余寿命を高精度に評価することができる。

0031

(10)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(9)の何れかの方法において、
前記合金材料は、オーステナイト系ステンレス鋼又はNi基合金である。

0032

例えばオーステナイト系ステンレス鋼やNi基合金は、高温環境下で使用するにつれて析出物の粒成長が起きる。このため、オーステナイト系ステンレス鋼やNi基合金に上記(1)〜(9)の評価方法を適用することで、評価対象物(合金材料)の使用温度を高精度に求めることができる。

0033

(11)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(10)の方法において、
前記評価対象物は、ボイラの伝熱管である。

0034

ボイラ炉内はガス偏流により炉幅方向の温度アンバランスが生じるため、ボイラの保守管理の観点から伝熱管の使用温度を把握することが望ましい。しかし、ボイラ炉内は過酷な環境であるため、例えば熱電対などの温度センサを用いた計測は困難である。
この点、上記(1)〜(10)で述べた方法は、過酷な環境であるボイラの炉内に温度センサを設置することなしに、ボイラ伝熱管(評価対象物)の使用温度を高精度に推定することができる。

発明の効果

0035

本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、評価対象物の材料初期条件に基づいて、評価対象物と同種の合金材料のサンプルについての基準マスターカーブを補正してマスターカーブを得るようにしたので、サンプルと評価対象物との材料初期条件のずれに起因した使用温度の推定精度の低下を抑制することができる。

図面の簡単な説明

0036

一実施形態に係る合金材料の評価方法を示すフローチャートである。
距離パラメータ計測工程の概略的な手順の一例を示すフローチャートである。
距離パラメータ計測工程の一部を説明するための図であり、(a)は評価対象物の概略的な部分断面を示し、(b)は研磨工程後の評価対象物の概略的な部分断面を示し、(c)は母材エッチング工程後の評価対象物の概略的な部分断面を示し、(d)はレプリカ取得工程の様子を示し、(e)はレプリカ取得工程によって得られたレプリカの概略的な部分断面を示している。
距離パラメータ計測工程の測距工程を説明するための図である。
合金材料が経験する熱履歴に応じて距離パラメータXが変化する様子を例示した図であり、(a)、(b)、(c)、(d)、(e)の順に熱履歴パラメータが大きくなっている。
熱履歴パラメータλと距離パラメータXとの相関を示す基準マスターカーブの一例を示すグラフである。
材料初期条件としての化学組成が異なる同一規格材料の2種類の合金材料A,Bに対して使用後の平均粒子間距離の計測結果を示す表である。
析出シミュレーションの一例の具体的内容を示す図である。
マスターカーブを例示したグラフであり、(a)は評価対象物の合金材料中における析出物の構成元素の含有量が比較的少ない場合のマスターカーブの例を示しており、(b)は評価対象物の合金材料中における析出物の構成元素の含有量が比較的多い場合のマスターカーブの例を示している。
評価対象物の余寿命評価に用いられる、クリープ試験片破断時間と応力と温度との関係を概略的に示すグラフである。

実施例

0037

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状及びその相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

0038

図1は、一実施形態に係る合金材料の評価方法を示すフローチャートである。

0039

図1に示すように、幾つかの実施形態では、温度及び時間に関する熱履歴パラメータが互いに異なる複数種の熱履歴条件の下で、評価対象物と同種の合金材料を熱処理することで、複数のサンプルを作製する(ステップS1)。なお、サンプルは、評価対象物と同一規格材料であってもよい。
ここで、熱履歴パラメータとして、標準試料が加熱されたときの温度(メタル温度)をT(単位:K)とし、加熱されていた時間をt(単位:h)としたときに、次式(1):
λ=T(20+logt)・・・(1)
で表されるパラメータを用いてもよい。

0040

なお、幾つかの実施形態では、ステップS1で用いる複数のサンプルは、材料初期条件(材料の製造履歴)が共通したものを用いる。これにより、ステップS3で求める基準マスターカーブ100の精度を高めることができる。

0041

なお、ステップS1で採用する複数種の熱履歴条件は任意に設定可能であるが、例えば、600℃以上750℃以下の温度範囲内から選択された複数の温度条件と、10万時間以下の範囲内から選択された複数の時間条件と、の種々の組み合わせを用いてもよい。

0042

続いて、ステップS1にて得た複数のサンプルについて、それぞれ、距離パラメータXを計測する(ステップS2)。以下、図2図4を参照して、距離パラメータXの算出方法について説明する。

0043

図2は、距離パラメータ計測工程の概略的な手順の一例を示すフローチャートである。
図2に示すように、距離パラメータ計測工程(ステップS2)は、研磨工程S20と、母材エッチング工程S22と、レプリカ取得工程S24と、レプリカ画像取得工程S26と、測距工程S28と、距離パラメータ演算工程S30とを有する。

0044

図3は、距離パラメータ計測工程(ステップS2)の一部を説明するための図であり、図3(a)は、評価対象物30の概略的な部分断面を示し、図3(b)は、研磨工程S20後の評価対象物30の概略的な部分断面を示し、図3(c)は、母材エッチング工程S22後の評価対象物30の概略的な部分断面を示し、図3(d)は、レプリカ取得工程S24の様子を示し、図3(e)は、レプリカ取得工程S24によって得られたレプリカ32の概略的な部分断面を示している。図4は、距離パラメータ計測工程の測距工程S28を説明するための図である。

0045

距離パラメータ計測工程(ステップS2)では、まず研磨工程S20にて、図3(b)に示すように検査対象の評価対象物30の表面が鏡面研磨される。
それから、母材エッチング工程S22にて、図3(c)に示すように、析出物34を溶かさずに、母材36がエッチングにより除去される。なお、母材36の粒界38では、エッチングが早く進行する。

0046

この後、レプリカ取得工程S24にて、図3(d)に示すように、レプリカフィルム40がエッチングされた評価対象物30の表面に貼られる。それから、析出物34がレプリカフィルム40に貼り付いた状態でレプリカフィルム40を剥がすと、図3(e)に示すように、析出物34が転写されたレプリカ32が得られる。この場合、レプリカ32は、レプリカフィルム40と、レプリカフィルム40に付着した析出物34とからなる。

0047

図4は、距離パラメータ計測工程の測距工程S28を説明するための図である。
図4は、走査型電子顕微鏡によってレプリカ32の表面を観察して得られる画像の一部を概略的に示す図である。この画像中において、合金材料の金属組織中における様々な形状の複数の析出物34を確認することができる。

0048

幾つかの実施形態では、距離パラメータXは、合金材料の金属組織における析出物34間の平均距離、析出物34の粒径、または、析出物34の数密度の少なくとも一つである。距離パラメータXとしての複数の析出物34間の平均距離(析出物の平均粒子間距離)Lmは、以下のようにして求められる。

0049

まず、画像中において仮想的な直線42を引き、直線42と各析出物34の表面との交点P1、P2、P3、・・・、Pi(ただし、iは整数である)の座標を求める。
そして、析出物34間の距離L1、L2、L3、・・・、Lk(ただし、kは整数である)が測定される。距離L1、L2、L3、・・・、Lkは、それぞれ交点P1と交点P2、交点P3と交点P4、交点P5と交点P6、交点P2k−1と交点P2kの間の直線距離である。

0050

それから、距離L1、L2、L3、・・・、Lkの算術平均を計算することにより、平均距離Lmが求められる。
Lm=(L1+L2+L3+・・・+Lk)/k

0051

平均距離Lmを求めるとき、析出物34を成分によって取捨選択あるいは区別するようなことはせず、成分とは無関係に、析出物34間の平均距離Lmが求められる。距離Lkの測定に用いることができる析出物34は、例えば、数μm程度以上の大きさを有する。
なお、複数の仮想的な直線42を引き、直線42毎に距離Lkを求め、それらの距離Lkの算術平均を平均距離Lmとして求めてもよい。

0052

こうして得られた距離パラメータXは、各サンプルの熱履歴パラメータλと相関を有する。ステップS3では、ステップS1で作製した複数のサンプルの熱履歴パラメータλと、ステップS2で得た各々のサンプルの距離パラメータXとの相関を求め、この相関を基準マスターカーブとして取得する。

0053

図5は、合金材料が経験する熱履歴に応じて距離パラメータXが変化する様子を例示した図であり、図5(a)、図5(b)、図5(c)、図5(d)、図5(e)の順に熱履歴パラメータが大きくなっている。図6は、熱履歴パラメータλと距離パラメータXとの相関を示す基準マスターカーブの一例を示すグラフである。
なお、図5及び図6は、合金材料がオーステナイト系ステンレス鋼である場合を例示している。

0054

図5(a)に示すように、未加熱の合金材料では、粒界38(オーステナイト粒界)は見られるが、母材36及び粒界38には析出物34は無い。加熱を始めると、図5(b)に示すように、炭化物(M23C6)からなる析出物34cが析出し始める。
加熱を続けると、図5(c)に示すように、析出物34cが成長するとともに、複合窒化物(MX)からなる析出物34nが、母材36中、すなわちオーステナイト粒子の内部に析出する。
更に加熱を続けると、図5(d)に示すように、析出物34c及び析出物34nの粗大化、及び、σ相からなる析出物34sの粒界38での析出が始まり、粒界38が不鮮明になる。そして更に加熱を続けると、図5(e)に示すように、析出物34c及び析出物34nの粗大化及び凝集、及び、析出物34sの粗大化が進み、粒界38が更に不鮮明になる。
図5(a)〜図5(e)に示すように、熱履歴パラメータλが増加するにつれて、析出物34(34c,34n,34s)の粒成長挙動に伴って距離パラメータXが変化するのである。

0055

図6に示すように、複数のサンプルについて、熱履歴パラメータλと距離パラメータXとの相関を整理することにより、基準マスターカーブ100が取得される。なお、基準マスターカーブ100は、熱履歴パラメータλに対応する各サンプルの距離パラメータXの計測結果(図6中の黒丸)を補間して得られた関数であってもよい。

0056

ここで、材料初期条件が距離パラメータX(マスターカーブ)に与える影響について、図7を参照して説明する。

0057

図7は、材料初期条件としての化学組成が異なる同一規格材料の2種類の合金材料A,Bに対して使用後の平均粒子間距離の計測結果を示す表である。
図7に示すように、合金材料Aは、合金材料Bに比べて、析出物構成元素であるC、Ni、Nb、Nの含有量が若干多い。このため、合金材料Aにおいて析出物の数密度が比較的多くなるために、合金材料Aの平均粒子間距離は合金材料Bに比べて小さくなる。
このように、同一規格材料の合金材料間であっても、析出物構成元素の含有量の違いが距離パラメータXに影響を及ぼし得る。よって、サンプルについて求めた基準マスターカーブ100をそのまま評価対象物に適用するのではなく、基準マスターカーブ100を補正する必要がある。

0058

そこで、以下で述べるステップS4〜S6において、シミュレーションを活用して、基準マスターカーブ100を補正する。

0059

ステップS4では、まず、基準マスターカーブ100が再現されるシミュレーションの計算条件を決定する。なお、ここでいう「シミュレーション」は、非平衡状態である析出過程を計算可能な析出シミュレーションであってもよい。また、「計算条件」は、合金材料の金属組織中における析出物の元素構成比率または析出サイトの少なくとも一方を含む。

0060

図8は、析出シミュレーションの一例の具体的内容を示す図である。
幾つかの実施形態では、図8に示すように、析出シミュレーションは、合金材料の材料初期条件(材料の製造履歴)を入力条件として、析出物の経年変化を出力するようになっている。
材料初期条件は、合金材料の化学組成、固溶化熱処理履歴、結晶粒径、または、結晶粒形状の少なくとも一つを含む。
図8に示す例示的な実施形態では、析出シミュレーションでは、最初に、合金材料の化学組成を入力条件として平衡計算を行って、各温度における析出物の種類と体積を求める(ステップS100)。この際、合金材料の化学組成として、例えば、Cr、Fe、Nb、C、N、Ni、Cu等の析出物構成元素の含有量を入力条件としてもよい。そして、合金材料の固溶化熱処理履歴(例えば、合金材料が配管である場合には配管加工時の熱処理履歴(熱処理温度及び時間))を入力条件としてScheil計算を行い、凝固時における析出相の有無を確認する(ステップS102)。続いて、合金材料の金属組織を観察することで得られた結晶粒の粒径および/または粒形状を入力条件とし、析出物の計算を行う(ステップS104)。ここでいう「結晶粒」とは、オーステナイト(γ)粒子である。こうして、析出物の種類、粒径、体積分率および粒子間距離等について、析出物の経年変化についての計算結果が得られる(ステップS106)。

0061

ステップS4において、析出シミュレーションの計算条件を決定するためには、複数のサンプルの材料初期条件(例えば、サンプルの合金材料の化学組成、固溶化熱処理履歴、結晶粒径、結晶粒形状等)を入力条件として析出シミュレーションを行ってみて、析出シミュレーションによる距離パラメータXの計算結果が基準マスターカーブ100に整合するまで、計算条件を変更してもよい。析出シミュレーションの実行および計算条件の変更を繰り返すことにより、析出シミュレーションによる距離パラメータXの計算結果と基準マスターカーブ100とのずれが許容範囲内に収まったら、そのときの計算条件をそれ以降使用するようにしてもよい。

0062

続いて、ステップS4にて決定された計算条件の下で、評価対象物の材料初期条件(例えば、評価対象物の合金材料の化学組成、固溶化熱処理履歴、結晶粒径、結晶粒形状等)を入力条件として析出シミュレーションを行う(ステップS5)。この際、析出シミュレーションは、ステップS4にてサンプルについて行った析出シミュレーションと同じ手順(図8参照)で行う。

0063

析出シミュレーションにより、評価対象物についての熱履歴パラメータλに対応する距離パラメータXの計算結果が得られる。評価対象物について行った析出シミュレーションの結果を、熱履歴パラメータλと距離パラメータXとの相関として整理することで、評価対象物についてのマスターカーブ200が得られる(ステップS6)。
こうして得られたマスターカーブ200は、基準マスターカーブ100を再現可能である析出シミュレーションに対して、サンプルの材料初期条件に替えて、評価対象物の材料初期条件を入力することで得られたものであるから、評価対象物の材料初期条件に基づいて基準マスターカーブ100を補正したものであると捉えることができる。

0064

図9はマスターカーブ200を例示したグラフであり、図9(a)は評価対象物の合金材料中における析出物の構成元素の含有量が比較的少ない場合のマスターカーブ200の例を示しており、図9(b)は評価対象物の合金材料中における析出物の構成元素の含有量が比較的多い場合のマスターカーブ200の例を示している。
評価対象物の合金材料中の析出物構成元素(例えば、Cr、Fe、Nb、C、N、Ni、Cu等)の含有量が、サンプルの合金材料に比べて少ない場合、評価対象物の高温環境下での使用し伴い生成される析出物(CrNbNやσ相等)の析出量が少なくなる。この場合、図9(a)に示すように、サンプルについての基準マスターカーブ100に対して、評価対象物のマスターカーブ200Aは上方にずれる(即ち、距離パラメータXが大きくなる)。
逆に、評価対象物の合金材料中の析出物構成元素(例えば、Cr、Fe、Nb、C、N、Ni、Cu等)の含有量が、サンプルの合金材料に比べて多い場合、評価対象物の高温環境下での使用し伴い生成される析出物(CrNbNやσ相等)の析出量が多くなる。この場合、図9(b)に示すように、サンプルについての基準マスターカーブ100に対して、評価対象物のマスターカーブ200Bは下方にずれる(即ち、距離パラメータXが小さくなる)。

0065

続いて、ステップS7において、評価対象物について距離パラメータXを計測する。この際、ステップS2にてサンプルについて行った距離パラメータXの計測方法と同様にして、評価対象物について距離パラメータXを計測してもよい。
すなわち、評価対象物について、研磨工程S20と、母材エッチング工程S22と、レプリカ取得工程S24と、レプリカ画像取得工程S26と、測距工程S28と、距離パラメータ演算工程S30と、を順に行うことで、距離パラメータXを計測してもよい。

0066

そして、ステップS8において、ステップS6で求めた評価対象物についてのマスターカーブ200に対して、ステップS7にて評価対象物について計測した距離パラメータXを当てはめて、評価対象物の評価時点における熱履歴パラメータλを求める。そして、熱履歴パラメータλと、既知である使用時間tとを上記式(1)に代入することで、評価対象物の使用温度Tを算出することができる。

0067

幾つかの実施形態では、図1のステップS9に示すように、算出された評価対象物の使用温度Tに基づいて、評価対象物の余寿命を評価する。この際、評価対象物と同種の合金材料のクリープ試験片の破断時間と応力と温度との関係を予め求めておき、この既知に関係に評価対象物の使用温度T及び評価対象物に作用する応力を当てはめることで、評価対象物の余寿命を算出してもよい。

0068

図10は、評価対象物の余寿命評価に用いられる、クリープ試験片の破断時間と応力と温度との関係を概略的に示すグラフである。同図に示される関係は、複数のクリープ試験片について、異なる温度(図10に示す例では、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃)でクリープ強度試験を行うことにより取得することができる。
ステップS9では、図10のような既知の関係から、評価対象物の使用温度Tおよび評価対象物に作用する応力に対応する破断時間を読取って、評価時点までの累積使用時間を破断時間から差し引くことで評価対象物の余寿命を求めることが可能である。図10に示す例において、評価対象物の使用温度Tが650℃であり、評価対象物に作用する応力が110MPaであれば、評価対象物の破断時間は100000時間である。評価対象物の使用時間tが10000時間であれば、評価対象物の寿命消費率は、10000×100/100000=10(%)となる。
なお、評価対象物に作用する応力は、評価対象物がボイラの伝熱管である場合、ボイラの運転圧力及び評価対象物の形状に基づいて求めることができる。

0069

上述の実施形態では、評価対象物の材料初期条件に基づいて、評価対象物と同種の合金材料のサンプルについての基準マスターカーブ100を補正してマスターカーブ200を得るようにしたので(ステップS6)、サンプルと評価対象物との材料初期条件(材料の製造履歴)のずれに起因した使用温度Tの推定精度の低下を抑制することができる。

0070

また、熱履歴パラメータλが互いに異なる複数種の熱履歴条件の下で作製された複数のサンプルの距離パラメータXの計測結果を用いて基準マスターカーブ100を作成するようにしたので(ステップS1〜S3)、基準マスターカーブ100を高精度に求めることができる。また、評価対象物の材料初期条件に基づいて基準マスターカーブ100を補正するようにしたので、上述のように、サンプルと評価対象物との材料初期条件のずれに起因した使用温度Tの推定精度の低下を抑制することができる。

0071

また、ステップS4では、サンプルの材料初期条件を入力条件としたシミュレーションにより得られるサンプルの距離パラメータXの計算結果と、基準マスターカーブ100とが整合するようなシミュレーションの計算条件を決定するようになっている。こうして得られた計算条件の下でシミュレーションを行えば、サンプルの材料初期条件を入力条件とした場合には基準マスターカーブ100を再現可能である。この計算条件の下で、サンプルの材料初期条件に替えて、評価対象物の材料初期条件を入力条件とし、評価対象物についての熱履歴パラメータに対応する距離パラメータXを計算すれば、サンプルと評価対象物との材料初期条件のずれが考慮されたマスターカーブ200が得られる。これにより、サンプルと評価対象物との材料初期条件のずれに起因した使用温度Tの推定精度の低下を効果的に抑制することができる。

0072

さらに、サンプルと評価対象物との材料初期条件のずれの影響を低減して、使用温度Tを高精度に推定可能であるから、ステップS9において、使用温度Tの推定結果に基づいて評価対象物の余寿命を高精度に評価することができる。

0073

幾つかの実施形態では、評価対象物は、オーステナイト系ステンレス鋼又はNi基合金である。ここで、オーステナイト系ステンレス鋼は、例えば、18Cr−8Ni系ステンレスや20—25Cr系ステンレスであってもよい。
オーステナイト系ステンレス鋼やNi基合金は、高温環境下で使用するにつれて析出物の粒成長が起きる。このため、オーステナイト系ステンレス鋼やNi基合金に上述の評価方法を適用することで、評価対象物(合金材料)の使用温度を高精度に求めることができる。

0074

幾つかの実施形態では、評価対象物は、火炉壁を構成する伝熱管(蒸発管)や、過熱器再熱器の伝熱管を含む、ボイラの伝熱管であってもよい。

0075

ボイラ炉内はガスの偏流により炉幅方向の温度アンバランスが生じるため、ボイラの保守管理の観点から伝熱管の使用温度を把握することが望ましい。しかし、ボイラ炉内は過酷な環境であるため、例えば熱電対などの温度センサを用いた計測は困難である。
この点、上述の評価方法は、過酷な環境であるボイラの炉内に温度センサを設置することなしに、ボイラ伝熱管(評価対象物)の使用温度を高精度に推定することができるので有用である。

0076

本発明は上述した幾つかの実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

0077

例えば、上述の実施形態では、基準マスターカーブ100を補正してマスターカーブ200を取得するために、ステップS4〜ステップS6においてシミュレーションを活用するようになっていたが、シミュレーションを用いずに基準マスターカーブ100を補正してもよい。
具体的には、材料初期条件(例えば、合金材料の化学組成、固溶化熱処理履歴、結晶粒径、結晶粒形状など)が互いに異なる複数のサンプル群のそれぞれについて複数の基準マスターカーブ100を求めることで、材料初期条件とマスターカーブの相間を予め取得する。そして、この相関に、評価対象物の材料初期条件を当てはめることで、評価対象物のマスターカーブ200を求めてもよい。

0078

30評価対象物
32レプリカ
34,34c,34n,34s析出物
36母材
38粒界
40レプリカフィルム
42 直線
100基準マスターカーブ
200,200A,200Bマスターカーブ
A,B合金材料
X距離パラメータ
T使用温度
t 使用時間

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