Evaluation of long term creep strength of mod. 9cr heat resistant ferritic steel with the aid of system free energy concept

村田 純教*; 渡辺 直也*; 永江 勇二

Advances in Materials Technology for Fossil Power Plants; Proceedings from the 8th International Conference (EPRI 2016), p.487 - 494, 2016/00

In order to evaluate long term creep strength of modified 9Cr ferritic steels, the system free energy of creep ruptured specimens at both 650 and 700C is evaluated as the sum of chemical free energy, strain energy and surface energy, which are obtained by a series of experiments, i.e., chemical analysis using extracted residues, X-ray diffraction, and scanning transmission electron microscopy. Change ratio of the system free energy and creep stress showed the relationship with one master curve irrespective of creep conditions, indicating that the steel ruptures when the applied stress exceeds a limited stress depending on the microstructural state expressed by the change ratio of system free energy. Furthermore, it was found that dominant factor of the change ratio was the chemical free energy change. On the basis of these results, long term creep strength of the steel was evaluated at 700C, for example, 19 MPa at 700C after 10 h. It is concluded that long term creep strength of modified 9Cr ferritic steels can be predicted by the system free energy concept using the ruptured specimens with various creep conditions.

Precipitation of ferromagnetic phase induced by defect energies during creep deformation in Type 304 austenitic steel

塚田 祐貴*; 白木 厚寛*; 村田 純教*; 高屋 茂; 小山 敏幸*; 森永 正彦*

Journal of Nuclear Materials, 401(1-3), p.13 - 16, 2010/06

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2010.03.013

304オーステナイト鋼に関して、MC炭化物近傍での欠陥エネルギーをマイクロメカニクスに基づいて評価することにより、クリープ試験中の炭化物近傍における強磁性相の析出と欠陥エネルギーの相関について調べた。欠陥エネルギーのひとつである析出エネルギーは、MC炭化物を球状析出物とみなすことにより求めた。もう一方の欠陥エネルギーであるクリープ転位エネルギーについては、クリープ試験片の透過型電子顕微鏡観察によって得られた転位密度データに基づき評価した。強磁性相が析出するクリープの初期過程において、転位エネルギー密度は、析出エネルギー密度に比べ非常に大きく、クリープ転位エネルギーが強磁性相析出の主な駆動力となっていると考えられる。

Nb基およびMo基耐熱合金の材料設計と評価; 動燃-豊橋技科大, 共同研究成果報告書

森永 正彦*; 斉藤 淳一*; 村田 純教*; 加納 茂機; 古井 光明*; 舘 義昭; 井上 聡*

PNC TY9623 95-001, 165 Pages, 1995/03

PNC-TY9623-95-001.pdf:5.61MB

次世代原子力システムの構造材料には、高温強度特性に優れ、しかも比重が他の高融点金属よりも小さいNbおよびMoが有望視されている。最近の高温液体金属技術の進歩に伴い、これら超耐熱合金の開発は、原子力プラントの高性能化のために不可欠であると思われる。これまでの共同研究によって耐熱合金の設計とその特性評価を行い、暫定的第1次選定合金を選択した。本研究では、暫定的第1次選定合金の加工性、液体Li耐食性ならびに溶接性を明らかにし、原子力システムの要求特性を満たす合金系ならびに添加量の最適選定を行うことを目的とする。(1)加工性:暫定的第1次選定合金を含む種々の実験合金を用いて3点曲げ試験を行い、加工性の予測法を検討した。(2)液体Li耐食性:最長500時間の液体Li腐食試験を実施し、変化重量,腐食解析ならびに成分分析を行った。また純金属の試験も併せて行った。(3)溶接性:暫定的第1次選定合金のTIG溶接を初めて行い、溶接の可否を調査した。(1)加工性:Nb基合金の曲げ降伏応力および曲がり角度は、硬さを介してd軌道エネルギーレベル差(Md)によって予測できる。すなわちNb基合金の加工性に対する設計指針は、合金のデルタMdを0.05以下に設定することである。また、Mo基合金の加工性を良好に保つためには、Reの添加が有効であることを明らかにした。(2)液体Li耐食性:Nb基合金では長時間の腐食により深さ40ミューmの亀裂が観察された。Mo基合金はNb基合金に比べて優れた耐食性を示した。両合金の表面には試料カプセルからの元素移行による粒状晶出物が確認された。液体Li耐食性を向上させるためには、変化重量および1200度Cの液体Liに対する高融点金属の溶解度の観点から、酸化物生成自由エネルギーが大きい元素の添加が有効であることを見い出した。(3)溶接性:暫定的第1次合金は十分に溶接が可能であることを明らかにした。また、NbへのW添加は溶接性を向上させることを示した。対象合金中ではMo-15Re-0.5Zr合金が最も優れた溶接性を有することがわかった。得られた設計指針を用いて、トータルバランスに優れるMo基1次選定合金を以下のように決定した。・Mo基合金・・・・・・Mo-15Re-0.1Zr,Mo-15Re-0.5Zr Nb基合金については、液体Li腐食に伴う亀裂の発生の問題がある。今

SUS304鋼のクリープ試験中に蓄積されたひずみと相変態

白木 厚寛*; 和田 巧*; 村田 純教*; 森永 正彦*; 高屋 茂; 小山 敏幸*

no journal, , 

高温構造材料として用いられるオーステナイト系ステンレス鋼SUS304では、500-650Cにおけるクリープ試験材に強磁性相が生じることが知られているが、その変態機構は不明な点が多い。この現象を理解するには、組織自体のエネルギー変化を明らかにすることが有効であると考えられる。そこでまず本研究では、クリープ中に試料内に導入され、室温にもちきたされたひずみエネルギーを転位密度の測定により評価し、強磁性相出現との関連を調べた。その結果、ひずみエネルギーは、寿命比が0.2-0.6の範囲でほぼ一定であるもののクリープ試験時間の進行とともに単調に増加すること,炭化物周辺での局所的な転位密度の増加が認められることなどが明らかになった。また、寿命比0.2程度から強磁性相が出現することが報告されており、本研究の結果はクリープにより蓄積されたひずみと強磁性相の発生が直接的に関連することを示唆している。

SUS304鋼におけるクリープ歪と強磁性相の生成

白木 厚寛*; 塚田 祐貴*; 村田 純教*; 森永 正彦*; 高屋 茂; 小山 敏幸*

no journal, , 

本研究は、組織自由エネルギーに基づき、クリープ試験中に生ずる変態の機構について検討する。実験結果は、周辺の蓄積エネルギーが、クリープ試験中に蓄えられる転位により非常に高くなることを示している。このことから、クリープ試験時間とともに、炭化物周辺で局所的に組織自由エネルギーが増加することになるが、そのエネルギーは、強磁性体である相の形成により低下する。

組織自由エネルギーに基づく耐熱鋼微細組織の解析と予測

村田 純教*; 白木 厚寛*; 竹田 広太朗*; 塚田 祐貴*; 斎藤 良裕*; 森永 正彦*; 小山 敏幸*; 高屋 茂

no journal, , 

組織自由エネルギーにより鋼、特に炭窒化物や金属間化合物を析出相として含むマルテンサイト系耐熱鋼やオーステナイト系耐熱鋼の組織変化をエネルギーの観点から評価してきた例について述べる。

SUS304鋼のクリープ変形における強磁性相生成のPhase-fieldシミュレーション

塚田 祐貴*; 白木 厚寛*; 村田 純教*; 森永 正彦*; 高屋 茂; 小山 敏幸*

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SUS304鋼のクリープ変形中における強磁性相の生成をPhase-field法を用いてシミュレーションした。相の析出と成長を同時に取り扱うために、実験結果に基づいたモデルを構築した。このモデルでは、クリープ変形中に炭化物近傍に蓄えられたひずみエネルギーが、相析出の駆動力を増加させると考える。ひずみエネルギーは、炭化物周辺の転位密度の分布関数に基づき評価し、相の核形成エネルギーの計算に用いた。シミュレーション結果は、炭化物と相のモル分率の変化とよく一致していた。さらに、クリープ変形中の転位密度の増加率が、相のモル分率の変化挙動に影響を与えることが明らかになった。

SUS304鋼におけるクリープひずみに起因する強磁性相生成のPhase-fieldシミュレーション

塚田 祐貴*; 白木 厚寛*; 村田 純教*; 小山 敏幸*; 高屋 茂; 森永 正彦*

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SUS304鋼における炭化物と強磁性相の生成の関連を明らかにするために、熱力学データベースと炭化物近傍の転位密度に関する実験データをもとに、Phase-field計算を実施した。その結果、高温での損傷を強磁性相析出量と定量的に関連付けるには、炭化物近傍の転位密度の変化及び強磁性相析出のしきい応力の存在を考慮することが重要であることがわかった。

改良9Cr鋼の模擬溶接熱処理材における組織自由エネルギー

杉山 雄一*; 岩田 満直*; 村田 純教*; 高屋 茂

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高速増殖炉用構造材料では、信頼性の高い寿命評価により、溶接部を含めてその健全性を保証することが大変重要な課題となっている。本研究では、改良9Cr鋼の溶接模擬熱処理材を用いて、クリープ損傷の進行に伴う組織変化を組織自由エネルギーに基づいて定量的に評価した。応力負荷による歪エネルギーの変化を緩和時間を導入して回帰し、組織回復に及ぼす応力の効果を、緩和時間の大小として定量的に表せるようにした。

高速炉用9Crフェライト系耐熱鋼における溶接HAZ部の組織解析

岩田 満直*; 杉山 雄一*; 村田 純教*; 高屋 茂

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組織自由エネルギーを用いて金属材料の微細組織の状態を表せることから、損傷評価のために組織自由エネルギーを評価することは有効である。本研究では、クリープによる9Crフェライト系耐熱鋼の細粒HAZ部での組織自由エネルギーの時間変化を、抽出残差分析やX線回折,走査型電子顕微鏡観察等の実験結果に基づき評価した。組織自由エネルギーの変化は、負荷応力に依存する係数を用いて定量的に評価した。その結果、負荷応力が、組織自由エネルギーに基づき定まる限界応力を越えた場合に破断に至ることが示された。組織自由エネルギーと限界応力の関係は、長時間の破断時間の予測に利用できると考えられる。

原子力用高Crフェライト系耐熱鋼の溶接模擬熱処理材のクリープ強度評価

藤井 翔平*; 岩田 満直*; 村田 純教*; 高屋 茂

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高速増殖炉では、溶接部を含め長期にわたり材料の健全性を維持することが要求されている。特に、9Crフェライト系耐熱鋼では溶接熱影響部(HAZ)のミクロ組織変化に起因する長時間クリープ破断強度の低下が知られており、短時間側のクリープ試験情報から長時間側の強度を予測することが重要な課題である。本研究では、模擬HAZ材のクリープ試験片についてミクロ組織の自由エネルギーを評価し、組織自由エネルギーが時間とともに減少すること、また、減少速度が応力依存性を有することを明らかにした。さらに、組織自由エネルギーの減少割合を示す組織劣化パラメータPを新たに提案し、負荷応力とパラメータPの関係から、長時間側のクリープ強度を評価可能であることを明らかにした。