Temperature measurement for in-situ crack monitoring under high-frequency loading

高周波数の繰返し負荷におけるき裂モニタリングのための温度計測

直江 崇   ; Xiong, Z.*; 二川 正敏  

Naoe, Takashi; Xiong, Z.*; Futakawa, Masatoshi

J-PARCの核破砕中性子源では、SUS316L製の水銀ターゲット容器は陽子及び中性子による損傷を受けると同時に、水銀中の陽子線励起圧力波により繰返し応力が負荷される。ターゲット容器は、1MW条件で2500時間という設計寿命中にひずみ速度約50sで2億回を越える繰返し負荷を受ける。これまでに、SUS316L材のギガサイクルの疲労強度を調べるために超音波疲労試験を実施し、疲労き裂が発生し、試験片の共振周波数が変化する直前に表面温度が急激に300度程度増加する現象を観測した。本研究では、この温度上昇現象のメカニズムを知るために、サーモグラフィを用いた試験片表面の温度分布を計測した。その結果、温度上昇はき裂先端周囲の局所的な領域で生じ、最高温度点がき裂の進展と共に移動することを確認した。さらにLS-DYNAにより非線形構造解析を実施し、要素のひずみエネルギーから温度上昇を導出した結果、き裂の摩擦による温度上昇よりもき裂先端の塑性変形による温度上昇が支配的であることを明らかにした。

A mercury target for neutron source (made of 316L SS) suffers not only proton and neutron radiation damage, but also cyclic impact stress caused by pressure waves. In the previous study, we carried out an ultrasonic fatigue test to investigate the gigacycle fatigue strength of 316L SS, concluding that specimen surface temperature rose abruptly more than 300C just before failure. In this study, to clarify the mechanism of the temperature rise, we measured temperature distribution with a thermography during the fatigue test. The experimental results showed that the temperature rose locally only at the crack tip and the peak position moved with the crack propagation. We also carried out a nonlinear structural analysis by LS-DYNA to estimate the temperature rise with strain energy of elements. The analytical result showed that the heat due to plastic deformation at the crack tip is dominant for the temperature rise rather than the friction between crack surface.