Emergence of crack tip plasticity in semi-brittle -Fe

鈴土 知明; 海老原 健一; 都留 智仁; 森 英喜*

Journal of Applied Physics, 135(7), p.075102_1 - 075102_7, 2024/02

https://doi.org/10.1063/5.0178940

体心立方(bcc)金属および合金では延性脆性遷移温度以下において脆性的破壊が起きる。この事象は、脆性破壊を起こすき裂先端の臨界応力拡大係数が塑性変形を起こす臨界応力拡大係数よりも小さく塑性変形よりも脆性破壊が優先的に選択されるという考え方によって理論的に説明されている。この考え方は巨視的には正しいが、このような脆性破壊は常にき裂先端近傍での小規模な塑性変形、すなわちき裂先端塑性変形を伴う。この論文では、最近開発された-Feの機械学習原子間ポテンシャルを用いて原子論的モデリングを行い、この塑性の発現メカニズムを解析した。その結果、高速なき裂進展によってき裂先端位置の原子群が動的に活性化され、それがき裂先端塑性の前駆体になっていることが判明した。

Corrosion fatigue crack growth behavior of a structurally gradient steel for high-speed railway axles

Ao, N.*; Zhang, H.*; Xu, H. H.*; Wu, S. C.*; Liu, D.*; 徐 平光; Su, Y. H.; Kang, Q. H.*; Kang, G. Z.*

Engineering Fracture Mechanics, 281, p.109166_1 - 109166_14, 2023/03

https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2023.109166

Considering the complex service environments that high-speed railway axles are subjected to, the fatigue crack growth (FCG) behavior of a structurally gradient axle steel with different pre-crack depths both in air and corrosive medium was investigated at a frequency of 5 Hz. The results indicated that in the high region, FCG rate was dramatically accelerated by corrosion, but the gap narrows as decreased. The accelerated corrosion FCG rate was a comprehensive result of the acceleration effect of the anodic dissolution, hydrogen-enhanced localized plasticity and the retardation effect of corrosion-induced crack-tip blunting. Despite the fact that the corrosion resistance gradually decreased as the pre-crack depth increased, the FCG rate in the corrosive medium gradually decreased. This was because fatigue loading played a more important role than corrosion in accelerating the corrosion FCG rate.

Effect of local plastic component on crack opening displacement and on J-integral of a circumferential penetrated crack

町田 秀夫*; 荒川 学*; 若井 隆純

Proceedings of 27th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-27) (Internet), 8 Pages, 2019/05

本研究は、Na冷却高速炉(SFR)の破断前漏えい(LBB)評価に適用可能な周方向貫通き裂の開口変位(COD)とJ積分評価に及ぼす局所塑性変形の影響について述べる。J積分とCOD評価法は一般に弾性成分と塑性成分の和として定式化され、これまでにこれら2つの成分に基づく評価式が数多く提案されている。しかしながら、厳密には、塑性成分は、局所塑性成分と大規模塑性成分とからなる。従来の評価方法の多くは、塑性成分として大規模塑性成分のみを考慮することが多い。その理由は、局所塑性成分の影響は、加工硬化の小さい材料を除いて、大規模塑性成分のそれよりはるかに小さいからである。ただ、SFR配管の候補材料の1つである改良9Cr-1Mo鋼のように、降伏応力が大きく加工硬化が小さい材料では、J積分およびCODに対する局所塑性成分の影響は無視できない。そこで、有限要素解析(FEA)結果に基づいて、J積分およびCODに対する局所塑性成分の影響を考慮した式を提案し、亀裂評価に適用しやすいようにした。計算式は、日本機械学会から発行されるSFR機器のLBB評価に関するガイドラインで採用される。

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

直江 崇; Xiong, Z.*; 二川 正敏

Journal of Nuclear Materials, 506, p.12 - 18, 2018/08

BB2016-1012.pdf:0.95MB

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.12.019

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。

負荷履歴の影響を考慮した地震時亀裂進展評価手法の検討

山口 義仁; 勝山 仁哉; Li, Y.

溶接構造シンポジウム2017講演論文集, p.21 - 27, 2017/12

設計上の想定を超える地震動による応答荷重における亀裂進展を評価するためには、荷重条件が小規模降伏条件を超える可能性や、荷重振幅の大きさが不規則に変化することを考慮する必要がある。特に、大きな卓越荷重を受けた後の亀裂進展では、負荷履歴による亀裂前縁応力分布の変化や亀裂鈍化の影響を考慮することが重要である。本研究では、地震動による応答荷重を単純化した卓越荷重を含む繰返し荷重による亀裂進展試験や試験を模擬した有限要素解析を実施し、亀裂進展に及ぼすこれらの影響を評価した。また、これらの評価を踏まえ、亀裂前縁応力分布の変化や亀裂鈍化の影響を考慮した地震時亀裂進展評価手法を提案した。さらに、模擬地震応答荷重負荷による亀裂進展試験を実施し、測定した亀裂進展量と提案した手法によるその予測値を比較することで、提案した手法の妥当性を確認した。

水素脆化モデル構築のための原子及び連続体手法による粒界面上微小き裂近傍の応力分布の考察

海老原 健一; 蕪木 英雄; 板倉 充洋

「鋼の機械的特性に及ぼす水素の効果とその評価」シンポジウム予稿集(USB Flash Drive), 6 Pages, 2014/09

水素脆化は鉄鋼材料の強度低下や破壊をもたらす要因の1つであり、その機構の解明が求められている。高強度鋼の遅れ破壊や溶接部の低温割れは、偏析水素による粒界強度低下が主な原因と考えており、その機構は応力腐食割れと同様と考えられる。粒界強度低下に基づく水素脆化モデルでは、水素による粒界強度低下を原子レベルスケールの計算で評価し、その情報を用い巨視的スケールの強度やき裂進展の評価がなされているが、両スケール間におけるスケールのモデル化についてはあまり明確でない。特に、微視き裂先端での応力集中について、き裂周囲を弾性体とするモデルがあるが、その妥当性も明確でない。本研究では、微視き裂を含みその周囲に転位がない系の引張によるき裂周囲の応力を分子動力学(MD)と連続体計算(FEM)の計算手法で評価し、その差異について考察した。その結果、1%以下の低いひずみでは、両手法による応力分布は同様の結果となったが、それ以上になるとき裂先端の応力集中部から両者の差が大きくなった。また、応力集中のモデル化については、き裂周辺を単なる弾性体とするだけではMDの結果を再現できなかった。

SCCき裂先端における変形挙動のマルチスケール解析(受託研究)

加治 芳行; 三輪 幸夫; 塚田 隆; 早川 正夫*; 長島 伸夫*; 松岡 三郎*

JAERI-Research 2005-029, 156 Pages, 2005/09

JAERI-Research-2005-029.pdf:57.24MB

本報告書は、原子力安全基盤機構(JNES)のIGSCCプロジェクトにおいて得られるSCCき裂進展特性の妥当性をSCCメカニズムの観点から評価するために、CT試験片き裂先端の変形解析や組織観察をナノレベルまで踏み込んで詳細に調べ、ナノ,メゾ,マクロ領域での硬さを統一強度指標として採用し、必要な基礎データ(主として、マクロな塑性域の大きさとその中での粒内・粒界における結晶方位,歪み,転位等の組織データ)を取得することを目的として、実施したSCCき裂先端における変形挙動のマルチスケール解析に関する研究結果をまとめたものである。

炉心シュラウドにおけるき裂進展解析による健全性評価に関する調査(受託研究)

鬼沢 邦雄; 堤 英明*; 鈴木 雅秀; 柴田 勝之; 上野 文義; 加治 芳行; 塚田 隆; 中島 甫*

JAERI-Tech 2003-073, 125 Pages, 2003/08

JAERI-Tech-2003-073.pdf:11.62MB

沸騰水型原子力発電所炉心シュラウドのひび割れに関し、原子力安全委員会による事業者による健全性評価報告書の妥当性確認に資するため、SCC進展評価線図の妥当性,き裂進展量の評価、及び健全性評価に関する調査を実施した。調査は、東京電力(株)柏崎刈羽原子力発電所3号機のシュラウド下部リング部及びサポートリング部、並びに福島第一原子力発電所4号機のシュラウド中間胴部の溶接部近傍に確認された応力腐食割れを対象とした。SCC進展評価線図に関しては、リング部の材料・環境条件に対するSCC進展評価線図のデータを分析し、日本機械学会維持規格の線図の保守性を確認した。き裂進展量の評価に関しては、き裂形状のモデル化を行い、最適な応力拡大係数算出式を採用してき裂進展解析を行った結果、リング部及び中間胴部ともに、事業者の評価結果が保守的であることを確認した。シュラウドにき裂が存在する場合について、剛性の低下に関する構造解析を実施した結果、剛性低下はわずかであり、地震荷重に対するき裂の影響は小さいことを確認した。シュラウドの健全性に関して、運転時及び地震時の荷重条件から必要残存面積及び許容き裂長さを算定し、き裂進展解析結果と比較を行った。この結果、リング部及び中間胴部ともに、実運転4年間後も健全性は確保されることを確認した。

Fatigue behavior on weldment of austenitic stainless steel for ITER vacuum vessel

西 宏; 衛藤 基邦; 橘 勝美; 小泉 興一; 中平 昌隆; 高橋 弘行*

Fusion Engineering and Design, 58-59, p.869 - 873, 2001/11

https://doi.org/10.1016/S0920-3796(01)00490-2

ITERの真空容器は2重壁構造を採用して2重壁内側からの溶接ができないため、不溶着部を有する構造となる。本研究では、ITERに採用予定の部分溶込み溶接継手について、継手や溶接金属の疲労試験より疲労特性を明らかにするとともに、有限要素法による継手部の弾塑性応力解析を行い、破壊力学的手法を用いた疲労寿命の予測を行った。得られた結論は以下の通りである。(1)不溶着部はき裂と同様な挙動を示し、溶接継手の疲労寿命の大部分はき裂伝播寿命であった。(2)継手の疲労き裂伝播速度はき裂発生時に加速する。これは不溶着部を切欠きと考えたときの切欠き効果と考えられる。(3)溶金のき裂伝播速度から破壊力学的手法を用いて継手の疲労寿命を予測できる。(4)不溶着部の長さが短くても不溶着部は継手の疲労強度を大きく低下させる。

延性き裂進展解析法を導入したPFMコード開発,2; 延性き裂進展を考慮した圧力容器破損解析例

加藤 大輔*; Li, Y.*; 柴田 勝之; 鬼沢 邦雄

日本機械学会2001年度年次大会講演論文集, p.391 - 392, 2001/00

確率論的破壊力学(PFM)コードPASCALでは、破損確率の精度及び信頼性向上を図るため、R6法カテゴリ3解析法に基づく延性き裂進展による破壊抵抗の増大を考慮できる機能を導入している。本報では、この延性き裂解析機能を用いた種々の解析により、圧力容器の破損確率に及ぼす材料の破壊抵抗曲線の影響,半楕円初期き裂の影響,入力時間刻みの影響などを検討した。延性き裂の進展を考慮した場合圧力容器破損確率は大幅に低下し、正確な破壊確率を求めるには延性き裂の進展を考慮することが必須であるとの結果を得た。