Effect of grain refinement on dynamic strain aging in SUS304L stainless steel under high temperature pressurized water

高温高圧水中でのSUS304ステンレス鋼における動的ひずみ時効に及ぼす結晶粒微細化の影響

広田 憲亮   ; 近藤 啓悦  ; 中野 寛子  ; 藤田 善貴   ; 武内 伴照   ; 井手 広史  ; 土谷 邦彦 ; 小林 能直*

Hirota, Noriaki; Kondo, Keietsu; Nakano, Hiroko; Fujita, Yoshitaka; Takeuchi, Tomoaki; Ide, Hiroshi; Tsuchiya, Kunihiko; Kobayashi, Yoshinao*

原子力分野では、沸騰水型原子炉のシュラウドや加圧水型原子炉の再循環系配管で動的ひずみ老化(DSA)が確認されている。この現象は、材料の加工硬化速度を増加させ、延性の低下を引き起こす。Rodriguezは、ステンレス鋼を用いると、この加工硬化が結晶粒の微細化に伴って増加し、DSAが発生しやすくなることを報告している。本研究の目的は、超微細粒SUS304L(UFGS)を用いて、原子炉を模擬した高温加圧水(HTPW)環境におけるDSAに及ぼす結晶粒微細化の影響を評価することである。UFGSを熱処理して粒径を0.59mから68.6mに調整し、0.2%耐力に対するホール-ペッチ則の整理を行った。本研究で得られたk値は、これまでSUS304Lで得られていた参考値とほぼ同様であった。破壊ひずみに及ぼす粒径の影響について、大気中の引張試験と溶存酸素1ppb未満の条件下で598K/15MPaのHTPW環境での低歪速度引張試験(SSRT)との比較を行うと、粒径が粗くなるにつれ、大気中よりもHTPW下において破壊ひずみが小さくなることが示された。HTPWの破壊後の顕微鏡写真では、28.4m以下の粒径材で延性破壊面が観察された。しかし、粒径が68.6mまで粗くなると、全破断面の半分以上が脆性破壊となった。HTPW下で粒径0.59mの材料では、試料の破断断面において{111}/3境界の対応粒界が多く観察された。しかし、粒径が68.6mまで粗大化すると、これらの分布はほとんど観察されなくなった。したがって、HTPW下で微細粒ステンレス鋼においてDSAによる亀裂伝播が抑制された原因は、{111}/3境界による転位蓄積の緩和によるものと推察される。

Dynamic strain aging (DSA) has been identified in shrouds of boiling water reactors and recirculation system piping of pressurized water reactors in the nuclear field. This phenomenon increases the work hardening rate of the material and causes a reduction in ductility. Rodriguez reported that using stainless steel, this work hardening increases with grain refinement, making DSA more likely to occur. The objective of this study is to evaluate the effect of grain refinement on DSA in a high temperature pressurized water (HTPW) simulating nuclear reactor environment utilizing ultrafine grained SUS304L (UFGS). UFGS was heat treated to adjust the grain size from 0.59 m to 68.6 m, and Hall-Petch relationship for 0.2 % yield stress was arranged. The k values obtained in this study were almost the same as the reference values previously obtained for SUS304L. Regarding the effect of grain size on fracture strain, a comparison of fracture strain between tensile test under air and slow strain rate test (SSRT) under 598 K / 15 MPa at dissolved oxygen 1 ppb showed that the fracture strain was lower than that under air as the grain size became coarser. The micrograph after fracture in a HTPW showed that ductile fracture surfaces were observed for materials with grain sizes less than 28.4 m. However, when the grain size coarsened to 68.6 m, more than half of all fracture surfaces were brittle fractured. For the material with a grain size of 0.59 m under HTPW, many correspondence grain boundaries of {111}/3 boundaries were observed in the fracture cross-section of the sample. But these distributions were rarely observed when the grain size was coarsened to 68.6 m. Therefore, the suppression of crack propagation by DSA to the fine grains in a HTPW can be attributed to the relaxation of dislocation accumulation by the {111}/3 boundaries.