Effect of grain refinement on cracks occurring in SUS304L stainless steel under nuclear reactor operating conditions

原子炉運転環境下のSUS304Lステンレス鋼において発生するクラックに及ぼす結晶粒微細化の影響

広田 憲亮   ; 武田 遼真; 井手 広史  ; 土谷 邦彦 ; 小林 能直*

Hirota, Noriaki; Takeda, Ryoma; Ide, Hiroshi; Tsuchiya, Kunihiko; Kobayashi, Yoshinao*

SUS304Lステンレス鋼を使用し、原子炉の構造部材における応力腐食割れに対する結晶粒微細化の影響を調査した。その結果、大気中および原子炉運転環境下での低ひずみ速度引張試験(SSRT)を実施した後、同じ結晶粒径のSUS304Lの引張特性を比較したところ、原子炉運転環境下では結晶粒径が大きくなると伸びが顕著に減少することが明らかになった。大気中で実施したSSRTでは、Hall-Petchの関係から得られた値は従来の値より低かった。ミクロ組織観察では、0.59mおよび1.52mの粒径を持つSUS304Lにクラックがないことが確認されたが、結晶粒径が大きいSUS304Lでは破面が粗く、側面にクラックが見られた。0.59mおよび1.52mの粒径を持つSUS304Lには薄い酸化膜が形成され、28.4m以上の粗大粒を持つSUS304Lには厚さ2mを超える酸化皮膜が形成された。0.59m、1.52mおよび28.4mのSUS304LにはCrO皮膜が形成され、39.5mおよび68.6mのSUS304LにはCrOおよびFe系酸化物が形成された。結晶方位解析では、0.59mおよび1.52mのSUS304Lにおいて、相にクラックがない線状の表層が確認されたが、結晶粒径が大きくなると表面に凹凸が生じ、相にクラックが見られた。細粒SUS304Lでは、格子拡散により相内でOが均一に拡散し、薄いCrO層が形成され、クラックが抑制された。粗大粒SUS304Lでは、粒界拡散により結晶粒界にFe酸化物が形成され、結晶粒界が脆弱化し、過飽和なOがCrOおよびFe系酸化物からなる厚い皮膜を形成し、剥離やクラックを引き起こした。

Using SUS304L stainless steel, which is employed in reactor structural components, the effects of grain refinement on stress corrosion cracking occurring under nuclear reactor operating conditions were investigated. As a result, after conducting slow strain rate testing (SSRT) in air and nuclear reactor operating environments, a comparison of the tensile properties of SUS304L with the same grain size revealed that elongation significantly decreased with increasing grain size under nuclear reactor operating conditions. In SSRT conducted in air, the -value obtained from the Hall-Petch relationship was lower than the conventional values. Observations showed the absence of cracks on SUS304L with 0.59 and 1.52 m grains; however, SUS304L with larger grains exhibited rougher fracture surfaces and side cracks. Thin oxide films were formed on SUS304L with 0.59 m and 1.52 m grains, while SUS304L with coarse grains of 28.4 m or larger enabled the formation of oxide films with over 2 m thickness. CrO films were formed on SUS304L with 0.59 m, 1.52 m, and 28.4 m, while CrO and Fe based oxides were formed on SUS304L with 39.5 m and 68.6 m. Crystal orientation analysis revealed linear surface layers without cracks in the -phase for SUS304L with 0.59 m and 1.52 m. In materials with Larger grain sizes, surface irregularities and cracks were observed in the -phase. In fine-grained SUS304L, lattice diffusion caused uniform O diffusion in the -phase, resulting in the formation of a thin CrO layer that suppressed cracks. In coarse-grained SUS304L, grain boundary diffusion caused Fe oxide formation at the grain boundaries, weakening them, and supersaturated O led to the formation of thick films comprising CrO and Fe-based oxides, resulting in peeling and cracking.