Analysis of the effect of pre-crack curvature in Mini-C(T) specimen on fracture toughness evaluation

Mini-C(T)試験片の予亀裂湾曲が破壊靭性評価に及ぼす影響の解析

下平 昌樹 ; 河 侑成  ; 高見澤 悠 ; 勝山 仁哉  ; 鬼沢 邦雄 

Shimodaira, Masaki; Ha, Yoosung; Takamizawa, Hisashi; Katsuyama, Jinya; Onizawa, Kunio

最新の原子炉圧力容器の構造健全性評価においては、マスターカーブ法に基づく正確な破壊靭性参照温度Tの取得が必要である。破壊靭性参照温度TはMini-C(T)破壊靭性試験片によって取得可能であり、この試験片の寸法や初期亀裂形状に関しては、ASTM規格のE1921や日本電気協会電気技術規程JEAC4216に規定されている。最近、ASTM E1921では評価の正確性や試験を行う上での利便性を向上させるために、何度か予亀裂形状に関する規定の変更が行われてきた。このような規格の改定に伴うMini-C(T)試験片の許容予亀裂形状の変化は、予亀裂先端の塑性拘束状態を変化させ、T評価に影響を及ぼす可能性がある。本研究では、ASTM E1921やJEAC4216に規定される予亀裂形状に関する要求の妥当性について議論するため、Mini-C(T)試験片の予亀裂湾曲が破壊靭性評価に及ぼす影響について、ワイブル応力解析を含む有限要素解析によって定量的に評価した。その結果、ASTM E1921-21で定められた最大湾曲を有する亀裂形状の場合、亀裂先端の塑性拘束が弱められ、理想的な直線状亀裂を有するMini-C(T)試験片で得られる破壊靭性値に比べて高めの破壊靭性値が得られる可能性を示した。また、上述の最大湾曲を許容した場合、非保守的なTが取得されることをワイブル応力解析によって示した。一方、JEAC4216で許容される最大湾曲を有する亀裂形状の場合は、理想的な直線状亀裂の場合と比べてTの有意な差は見られなかった。

In the current structural integrity assessment of the reactor pressure vessel, the accurate reference temperature (T) based on the Master Curve method is necessary. The T can be estimated by using the Mini-C(T) fracture toughness specimen in accordance with ASTM E1921 and JEAC4216, which prescribe the pre-crack straightness criteria. A requirement in ASTM E1921 has been revised in a decade to increase the accuracy and reasonability, and the applicable crack curvature has been varied by applied codes. The pre-crack curvature of the Mini-C(T) specimen might have an impact on the T because of the variation of the plastic constraint. In this work, the effect of the crack curvature on the fracture toughness (K) evaluation using the Mini-C(T) specimen was quantitatively evaluated by using the finite element analysis (FEA) including the Weibull stress analysis, to discuss the difference in a requirement of the crack straightness in ASTM E1921 and JEAC4216. FEAs showed a possibility that the upper limit curvature would decrease the plastic constraint, and consequently obtain higher K in the Mini-C(T) specimen. Furthermore, if the upper limit curvature according to the ASTM E1921-21 was allowed, the T would be estimated as non-conservative based on the Weibull stress analysis. In contrast, the difference in (T) between the crack with upper limit curvature according to JEAC4216 and the ideal straight crack was not significant.