塩水中におけるフェライト/オーステナイト相比率の異なるステンレス鋼の疲労挙動

Title

塩水中におけるフェライト/オーステナイト相比率の異なる

_{ステンレス鋼の疲労挙動( 本文(Fulltext) )}

Author(s)

秋田, 正之; 中島, 正貴; 戸梶, 惠郎

Citation

[鐵と鋼 : 日本鐡鋼協會々誌] vol.[89] no.[8] p.[863]-[870]

Issue Date

2003-08

Rights

The Iron and Steel Institute of Japan (社団法人日本鉄鋼協会)

Version

出版社版 (publisher version) postprint

URL

http://hdl.handle.net/20.500.12099/28196

論

文

鉄 と 鋼Tetsu-to-Hagane Vol.89(2003) No.8

塩 水 中 に お け る フ エラ イ ト/オ ー ス テ ナ イ ト相 比 率 の

異 な る ス テ ン レス鋼 の 疲 労 挙 動

秋 田 正 之*・ 中 島 正 貴*2・ 戸 梶 恵 郎*

Fatigue Behavior of Stainless Steels with Different Ferrite and Austenite Volume Fraction in 3%NaCl Solution Masayuki AKITA, Masaki NAKAJIMA and Keiro TOKAJI

Synopsis : Fatigue tests in 3%NaCl solution have been performed on stainless steels with different volume fraction of ferritic (ƒ¿)/austenitic (ƒÁ) phases in order to clarify the influence of corrosive environment on crack initiation and growth behavior. Specimens with five different volume frac-tions of ferritic/austenitic phases, i.e. SUS304 (100%ƒÁ), SUS329J4L (50%ƒÁ, 28%ƒÁ, 12%ƒÁ), SUS444 (100%ƒ¿), were prepared. Cracks were generated predominantly from slip band within ƒÁ grains in SUS304 and SUS329J4L and within a grains in SUS444, which was the same be-havior as in laboratory air. Fatigue strengths in 3%NaCl solution slightly decreased for all materials compared to those in laboratory air. In early crack growth region, crack growth rates in 3%NaCl solution were faster than in laboratory air. In SEM observation, the brittle feature was seen on the fracture surfaces near the crack initiation site. Environmental effect was also found in high AK region for long cracks, where crack growth was enhanced in 3%NaCl solution.

Key words : fatigue; crack initiation; early crack growth; phase fraction; ferritic stainless steel; duplex stainless steel; austenitic stainless steel.

1. 緒 言 ス テ ン レス 鋼 の 用 途 に は 苛 酷 環 境 下 に お け る使 用 が 多 く の 割 合 を 占め る。 しか し,ス テ ン レス 鋼 と い え ど も,そ の 鋼 種 に よ っ て 腐 食 環 境 に対 す る耐 性 は 異 な っ て い る1)｡例 え ば,オ ー ス テ ナ イ ト系 ス テ ン レ ス 鋼SUS304は,塩 素 イ オ ン(Cl-)を 含 む 環 境 に お い て 孔 食 や 応 力 腐 食 割 れ(SCC) を生 じ る が,フ ェ ラ イ ト系 ス テ ン レス 鋼SUS444は そ の よ うな環 境 に お い て も優 れ た耐SCC特 性 を有 す る｡ と ころ で,疲 労 寿 命 の 大 部 分 を 占 め る き裂 の 発 生 お よ び 初 期 進 展 は組 織 の 影 響 を受 け る こ とが 知 られ て い る2)。そ こ で筆 者 ら は,前 報 に お い て5種 類 の 異 な るオ ー ス テ ナ イ ト/フ ェ ラ イ ト相 比 率 と,そ れ に伴 って 異 な る力 学 的性 質 を もつ ス テ ン レ ス鋼 に お け る疲 労 特 性 に つ い て比 較 ・検 討 を行 っ た3)。上 記 の よ うに,鋼 種 の み な らず 同 一 鋼 種 に お い て も微 視 組 織 が異 な れ ば,環 境 に対 す る感 受 性 も異 な る こと が予 想 され る が,こ う した 点 につ い て 検 討 し た研 究 は ほ とん ど 見 られ ない 。 本 研 究 で は,前 報 と 同 じオ ー ス テ ナ イ ト(γ)相100%か ら フ ェ ラ イ ト(α)相100%に 至 る5つ の 相 比 率 を持 つ3種 類 の ス テ ン レ ス鋼 に つ い て3%NaCl水 溶 液 中 に お い て 疲 労 試 験 を行 い,き 裂 発 生,初 期 き裂 進 展 お よ び 大 き裂 の 進 展 挙 動 に及 ぼ す腐 食 環 境 の 影 響 に つ い て 微 視 組 織(相 比 率)と の 関 連 の も とに検 討 し た 。

2.供 試材 および実験 方法

2・1 材 料 お よび 熱 処 理 供 試 材 料 は オ ー ス テ ナ イ ト系 ス テ ン レ ス 鋼SUS304,フ ェ ラ イ ト ・オ ー ス テ ナ イ ト系 二 相 ス テ ン レ ス 鋼SUS329J4L, お よ び フ ェ ラ イ ト系 ス テ ン レ ス 鋼SUS444で あ る 。 そ れ ぞ れ の 化 学 成 分 をTable1に 示 す 。 熱 処 理 は 前 報3)と 同 様 で あ り,以 下 の と お り で あ る 。SUS304に は1100℃ ・30分 保 持 後 水 冷 の 溶 体 化 処 理 を 施 し た 。SUS329J4Lに つ い て は 1050℃,1150℃ お よ び1250℃ の 温 度 に お い て15分 間 保 持 後 水 冷 の 溶 体 化 処 理 を 行 っ た 。 そ の 結 果,得 ら れ た γ相 の 体 積 含 有 率 は そ れ ぞ れ50%,28%お よ び12%で あ る 。 ま た, SUS444に つ い て は 納 入 され た 状 態 の ま ま で 試 験 に 供 し た｡ そ れ ぞ れ の 材 料 の 機 械 的 性 質 をTable2に 示 す 。 こ の 機 械 的 性 質 も 前 報3)と 同 様 で あ る 。 2・2  疲 労 試 験 疲 労 強 度 試 験 お よび 微 小 き裂 進 展 試 験 に は 試 験 片 軸 が 圧 延 方 向 と平 行 に な る よ うに(L方 位)採 取 され た 板 状 試 験 片(幅:10mm,板 厚:6∼8mm)を 用 い た 。 試 験 片 中央 部 片 側 ・表面 に き裂 発 生 箇 所 を 限 定 す る 目的 で浅 い 切 欠 き を付 して あ る。 その 応 力 集 中係 数 は約1.06で あ り,ほ ぼ平 滑 材 と み な せ る も の で あ る 。 試 験 片 形 状 に 機 械 加 工 後,エ メ リー 紙 を用 い て2000番 ま で 順 次 研 磨 し,さ ら に パ フ仕 上 げ を行 い 試 験 に 供 した 。 一 方,大 き裂 の 進 展 試 験 に はL-T 方 位 に採 取 され た厚 さ8mmのCT試 験 片 を用 い た。

平 成15年2月6日 受 付 平 成15年5月26日 受 理(Received on Feb.6,2003;Accepted on May 26,2003)

* 岐 阜 大 学 工 学 部(Faculty of Engineering,Gifu University,1-1 Yanagido Gifu 501-1193) *2 豊 田 工 業 高 等 専 門 学 校(Toyeta Cgllege of Technology)

864 鉄 と 鋼 Tetsu-to-HagaR6 Vol.89(2003)No.8 疲 労 試 験 に は 容 量98kNの 電 気 油 圧 式 サ ー ボ 疲 労 試 験 機 を用 い,3%NaC1水 溶 液(以 下,塩 水)中 に お い て 実 験 を 行 っ た 。 塩 水 は 水 素 イ オ ン濃 度pH=6.0,溶 存 酸 素 濃 度 6.8ppmで あ り,30。C-一 定 に 保 た れ た恒 温 槽 か ら試 験 片 を 両 側 か ら挟 み こ む形 式 の ア ク リル 樹 脂 製 腐 食 槽 ヘ ポ ンプ で 循 環 さ せ た 。 応 力 比R=-1,強 度 試 験 で は 繰 返 し速 度 f=10∼20Hz,き 裂 進 展 試 験 で はf=1∼3Hzで 実 験 を行 っ た｡ 微 小 き裂 の 発 生 お よ び 成 長 挙 動 の 観 察 は,所 定 の繰 返 し数 ご と に試 験 機 を一 時 停 止 させ,ア セ チ ル セル ロー ス フ ィル ム を 用 い,試 験 片 表 面 の レ プ リ カ を採 取 す る方 法 に よ っ た 。 大 き裂 の 進 展 特 性 をR=0.05お よ びf=1Hzの 条 件 下 で 求 め た 。 な お,き 裂 寸 法 の 測 定 に は移 動 式 読 取 り顕 微 鏡 を使 用 し,き 裂 開 閉 口 挙 動 の 測 定 に は除 荷 弾 性 コ ンプ ラ イ ア ン ス 法 を用 い た4)｡ 3. 実 験 結 果 3・1 分 極 特 性 各 材 料 の 耐 食 性 に つ い て,電 気 化 学 的 な 面 か ら 検 討 す る た め に,分 極 挙 動(電 極:Pt/SCE,掃 引 速 度:2mV/sec, 3%NaCl水 溶 液 中)を 測 定 し た 。 そ の 結 果 をFig.1に 示 す｡ 孔 食 電 位 と し て100μA/cm2に お け る 電 位 を 比 較 す る と, SUS329J4L,SUS444,SUS304の 順 に 貴 側 に あ る 。 こ れ よ り SUS329J4Lが 最 も 優 れ た 耐 食 性 を 示 す こ と が わ か る｡ SUS329J4Lの3種 類 の 異 な る 相 比 率 に つ い て 比 較 す る と, 孔 食 電 位 に ほ と ん ど 差 異 は 認 め ら れ な い 。 3・2 疲 労 強 度 塩 水 中 に お け る5w曲 線 をFig.2に 示 す 。 比 較 の た め に 実 験 室 大 気 中 に お け る結 果3)も 図 中 に 併 記 した 。 図 よ り3 種 類 の ス テ ン レ ス 鋼 に つ い て 比 較 す る と,SUS329J4Lの 疲 労 強 度 が最 も高 く,次 い でSUS444,SUS304の 順 で あ り, 大 気 中の 結 果 と同 様 で あ る。SUS329J4Lの 塩 水 中の 結 果 は, 有 限 寿 命 部 で は大 気 中 の 結 果 よ りや や 短 寿 命 側 に 位 置 し, 疲 労 限 度 も低 下 して い る 。SUS444で は塩 水 中 と大 気 中 の 結 果 に大 き な 差 は 認 め ら れ な い 。 ま た,SUS304に つ い て は,塩 水 中 に お け る結 果 の ほ うが,大 気 中 と比 べ て長 寿 命

Table 1. Chemical compositions of the materials (mass%).

Table 2. Mechanical properties of the materials.

Fig. 1. Relationship between potential and current density.

Fig. 2. S—N diagram.

塩 水 中 に お け る フ ェ ラ イ ト/オ ー ステ ナ イ ト相 比 率 の 異 な る ステ ン レ ス鋼 の 疲 労 挙 動 865 側 に 位 置 し て い る 。 こ れ は 塩 水 に よ る 冷 却 効 果 に よ る も の と 思 わ れ る51。 次 に,SUS329J4Lに お け る3種 類 の 異 な る 相 比 率 の 材 料 に つ い て 比 較 す る と,大 気 中 で は 有 限 寿 命 部 に お け る 疲 労 強 度 に 及 ぼ す 相 比 率 の 影 響 は ほ と ん ど 見 ら れ な い が,塩 水 中 で は28%γ 材 が や や 高 い 疲 労 強 度 を 示 す. Fig.3に 引 張 強 さ に 対 す る 繰 返 し応 力 の 比 σa/σB(疲 労 比) と 疲 労 寿 命Nfと の 関 係 を 示 す 。 こ こ で 用 い た 各 材 料 の 引 張 強 さ はTable2に 示 し た と お り で あ る 。 図 か ら 明 ら か な よ う に,両 環 境 中 に お い て 有 限 寿 命 部 に お け る σa/σB-Nf 関 係 はSUS444が 最 も上 方 に 位 置 し,次 い でSUS329J4L, SUS304の 順 で あ り,SUS444が 相 対 的 に 優 れ た 疲 労 強 度 を 示 す 。 な お,SUS329J4Lに お け る3種 類 の 材 料 間 の 比 較 で は,Fig.1と 同 様 に28%γ 材 が や や 相 対 的 に 優 れ た 疲 労 強 度 を 示 す 。 3・3 き 裂 発 生 挙 動 塩 水 中 に お い て き 裂 発 生 お よび 初 期 き裂 成 長 挙 動 を観 察 した 。 き裂 は い ず れ の 材 料 の 場 合 も応 力 レベ ル にか か わ ら ず γ相 あ る い は α相 内 に生 じた す べ り帯 か ら 発 生 した 。 二 相 組 織 のSUS329J4Lで は γ相 内 の す べ り帯 か ら発 生 す る場 合 が 多 く認 め られ た が,α 相 の 増 加 に 伴 い α相 内 で 発 生 す る例 もわ ず か に観 察 され た 。 これ らの 挙 動 は 基 本 的 に大 気 中に お け る結 果3)と同 様 で あ り,い ず れ の 材 料 の 場 合 も き 裂 発 生様 相 に 環 境 に よ る顕 著 な 相 違 は認 め られ な か っ た｡ 塩 水 中 にお け る き裂 発 生 点 近 傍 のSEM破 面 写 真 をFig.4 に示 す 。 図 に は 比 較 と して 大 気 中 の 写 真 も併 せ て 示 した｡ なお,SUS329J4Lで は12%γ 材 の 結 果 を 用 い て い る 。 表 面 観 察 よ り各材 料 と も,き 裂 はす べ りに よ っ て 生 じて い た｡ した が っ て 各 材 料 と も,き 裂 発 生 箇 所 に は す べ り変 形 の 結 果 と して の 第 一 段 階 フ ァセ ッ トが認 め られ,い ず れ も類 似 して い る。 一方,き 裂 発 生 点 近 傍 の破 面 は 大 気 中 で 延 性 的 な様 相 を 呈 して い る が,塩 水 中 に お い て は 凹 凸 を伴 っ た比 較 的脆 性 的 な様 相 を示 して い る｡ 3・4 微 小 き裂 の 成 長 挙 動 発 生 直 後 の き 裂 の 進 展 速 度dc/dNと 表 面 き 裂 半 長cの 関 係 をFig.5に 示 す 。 試 験 応 力 レ ベ ル は,SUS304で は σa=

(a)

(b)

(c)

Fig. 4. SEM micrographs of crack initiation site.

Fig. 5. Early crack growth behavior after crack initiation. (a) SUS304, (b) SUS329J4L, (c) SUS444.

866 鉄 と 鋼 Tetsu-to-Hagan6 VoL89 (2003> No.8

210MPa,SUS329J4Lで は σa=350MPa,SUS444で は σa= 220MPaで あ る 。 図 は き 裂 発 生 点 を 原 点 と し て 両 き 裂 先 端 間 の 寸 法 を 横 軸 に 表 し た も の で,2c≦0.4mmの 領 域 に お け る 初 期 成 長 挙 動 を 示 し て い る 。 比 較 と して 大 気 中 の 結 果3) も 併 記 し た 。Fig.5(a)はSUS304,(b)はSUS329J4L,(c)は SUS444の 結 果 で あ る 。 図 よ り,い ず れ の 材 料 も 大 気 中 で はdc/dNが 大 き く 変 動 し て い る の に 対 し て,塩 水 中 で は 大 気 中 に 比 べ て 明 ら か に 変 動 が 小 さ く な っ て い る 。 さ ら に, 塩 水 中 のdc/dNは 大 気 中 よ り高 速 度 側 に 位 置 し て お り,環 境 の 影 響 が 認 め ら れ る 。 な お,Fig.5(b)のSuS329J4Lの3 種 類 の 材 料 に つ い て は,大 気 中 で は50%γ 材 が 最 も低 速 度 側 に 位 置 し,次 い で28%γ 材,12%γ 材 で あ る が,塩 水 中 で は 相 比 率 の 相 違 は 不 明 瞭 と な る 。 Fig.6は 塩 水 中 に お け る 微 小 き 裂 のdo/dN-△K関 係 を 示 し た も の で あ る 。 な お,応 力 拡 大 係 数 の 評 価 に はNewman-Rajuに よ る 表 面 き 裂 の 解 析 結 果6)を 用 い,そ の 評 価 に 必 要 な き 裂 の ア ス ペ ク ト比 α/c(α き 裂 深 さ)を 実 験 的 に 求 め た 。 ま た,微 小 き 裂 の 進 展 試 験 はR=-1で 行 わ れ て い る の で,△K=Kmaxと し て 整 理 し て い る 。 そ れ ぞ れ の 材 料 に つ い て 比 較 す る とSUS304,SUS329J4L の28%γ 材 お よ びSUS444は ほ ぼ 同 様 なdα/dN-△K関 係 を 示 し て い る が,SUS329J4Lの50%γ 材 は 低 速 度 側,12%γ 材 は 高 速 度 側 に あ る 。 さ ら に,環 境 の 影 響 に つ い て 注 目 す る と,す べ て の 材 料 に つ い て,低 △K領 域 に お い て,塩 水 に よ る き 裂 成 長 速 度 の 加 速 が 認 め ら れ る 。 す な わ ち,大 気 中 よ り も 塩 水 中 の ほ う がdα/dN-△K関 係 は 高 速 度 側 に 位 置 し て お り,環 境 の 影 響 が 明 ら か で あ る 。 (a) (b) 3・5 大 き裂 の 進 展 挙 動 Fig.7に 塩 水 中 に お け る 大 き 裂 の 進 展 挙 動 を 示 す 。Fig。 7(a)はdα/dN-△K関 係,(b)はda/dN-△Keff関 係 で あ る 。Fig. 7(a)か ら 明 ら か な よ う にda/dNはSUS444,SUS304, SUS329J4Lの 順 に 高 速 度 側 に 位 置 す る 。 ま た,SUS329J4L の3種 類 の 材 料 に つ い て 比 較 す る と,γ 相 の 割 合 の 減 少 に 伴 っ て 高 い き 裂 進 展 抵 抗 を 示 す 。 し か し,Fig.7(b)に 示 す よ う に,き 裂 開 閉 口 挙 動 を 考 慮 し た △K。仔に よ っ て 整 理 す る と,先 のdα/dN-△K関 係 に 見 ら れ た き 裂 進 展 抵 抗 の 差 異 は 小 さ く な る 。 一 方,い ず れ の 材 料 も 高 △Keff領 域 に お い て 塩 水 中 の 結 果 は 大 気 中 よ り も 高 速 度 側 に あ る 。 す な わ ち, Fig. 6. Crack growth behavior for small cracks.

Fig. 7. Crack growth behavior for long cracks.

(a) Relationship between da/dN and \K. (b) Rela-tionship between da/dN and AKeff.

塩 水 中 に お け る フ ェ ラ イ ト/オ ー ステ ナ イ ト相 比 率 の 異 な る ス テ ン レ ス鋼 の 疲 労 挙 動 867 △Keffによ って 整 理 して も,塩 水 中 に お け るda/dNの 加 速 は 消 失 しな い 。 この こ と は塩 水 中 に お け る き裂 進 展 の 加 速 が 環 境 に起 因 した効 果 で あ る こ と を示 唆 して い る。 4. 考 察 4・1 微小 き裂 および大 き裂 の成 長挙動 に及 ぼす環境の影 響 4・1・1 き裂 進 展 の 模 式 図 3・4節 の 微 小 き 裂 お よ び3・5節 の 大 き 裂 に お け る 結 果 を 模 式 的 に 表 し た も の がFig.8で あ る 。 大 き 裂 のda/dN-△Keff 関 係 に 対 し て 発 生 直 後 の 微 小 き 裂 は,大 き 裂 の △Keff.th以 下 に お い て も成 長 す る こ とが,微 視 組 織 的 微 小 き裂 と して 知 られ て い る10)[図 中(1)]。 ま た,こ の 領 域 に お い て は 上 に述 べ た よ う に環 境 に よ る加 速 が見 られ る 。 この 微 視 組 織 的微 小 き裂 領 域 に お け る き裂 進 展 の 加 速 は本 研 究 で 用 い た い ず れ の ス テ ン レ ス鋼 で も認 め られ る。 一 方,大 き裂 に お い て も高 △K領 域 で 環 境 に よ る き裂 進 展 が現 れ る[図 中 (3)]。 本 研 究 で 用 い た ス テ ン レ ス鋼 に お け る腐 食 環 境 の 効 果 は 図 中(2)お よ び(3)で 認 め られ,い ず れ も共 通 した 傾 向 で あ る。 4・4・2 微 小 き 裂 塩 水 中 に お け る微 小 き裂 と大 き裂 の 進 展 挙 動 を比 較 した 結 果 をFig.9に 示 す 。 な お 図 中 に は大 気 中 の 結 果 も併 記 し た 。Fig.9(a),(b)お よ び(c)は そ れ ぞ れsus304,sus329J4L お よびSUS444の 結 果 を示 す 。da/dN-△K関 係 に お い て,い ず れ の 材 料 も低 △K領 域,す な わ ち き 裂 寸 法 の 小 さい 領 域 で 塩 水 中 のda/dNは 大 気 中 よ り高 速 度 側 に 位 置 して お り, 環 境 の 影 響 が 明 瞭 に認 め られ る。 また,塩 水 中 のda/dNは (a) (b) (c)

Fig. 8. Schematic illustration of crack growth behavior be-tween small and long cracks.

Fig. 9. Comparison of crack growth behavior between small and long cracks.

868 鉄 と 鋼 Tetsu-to-Hagane VoL89 (2003) No8 き 裂寸 法 の 増 加 に 伴 って 大 気 中 の 結 果 に 漸 近 し,一 致 す る｡ そ の と き の △K値 と き裂 寸法(26)をTable3に 示 す 。 これ ら は環 境 に よ っ て き裂 進 展 が 加 速 され る き裂 寸 法 を表 して い る 。 各 材 料 に つ い て 比 較 す る と,両 環 境 下 のdα/dNが 一 致 す る △K値 と相 比 率 の 関 係 は 明 瞭 で な い が,SUS329J4Lの 3種 類 の 異 な る相 比 率 に つ い て 比 較 す る と,γ 相 の 割 合 が 多 くな る に つ れ,高 い △K値 で 一 致 す る傾 向 を示 す 。 相 境 界の 出 現 頻 度 に よ っ て 大 気 中 の き 裂 進 展 速 度 が50%γ 材 に お い て 大 き く低 下 した こ と が そ の 原 因 と推 定 され る｡一 方, そ の と きの き裂 寸 法 に つ い て は,SUS329J4Lの 値 が 全 体 的 に 小 さ く,SUS304に お い て は 比 較 的 大 きい 値 が得 られ た｡ 塩 水 中 に お け る 発 生 直 後 の き裂 進 展 の 加 速 は次 の よ うに 考 え られ る。 本 研 究 に 用 い た ス テ ン レ ス鋼 の き 裂 進 展 の 加 速 に は 水 素 が 関 与 して い る こ と が 指 摘 され て い る7,8)｡ス テ ン レ ス鋼 で は 腐 食 溶 解 に よ っ て 生 じ る金 属 イ オ ンの 加 水 分 解 反 応 に よ る 水 素 生 成 は そ の 耐 食 性 か ら考 え られ な い｡ し たが っ て,水 素 は 試験 片 表 面 や き 裂 新 生 面 に お け る水 分 子の 吸 着 と解 離 に よ っ て 生 成 され る と考 え られ る9}。 こ の 表 面 反 応 に よ っ て生 じ る水 素 量 は,き 裂 の 成 長 に 伴 っ て増 大 す る き裂 前 縁 をぜ い 化 す る に は足 りず,発 生 直 後 の き裂 が 短 い領 域 にお い て の み き裂 進 展 を加 速 す る こ と を 可能 に して い る。 発 生 直後 の 微 小 き裂 領 域 に お いて の み 環 境 効 果 を生 じる の は こ う した理 由 か ら と推 定 され る。 4・1・3 大 き 裂 大 き 裂 のdα/dN-△K関 係 で は,高 △K領 域 に お い て 環 境 の 影 響 が 現 れ る 。 き 裂 進 展 が 加 速 を 開 始 す る △Kお よ び △Keff値 をTable4に 示 す 。 △K,仔に よ る 比 較 で は 全 体 と し て 加 速 開 始 点 は △Keff=11∼19MPa√mの 範 囲 に あ り 鋼 種 に 依 存 し な い よ う で あ る が,SUS329J4Lに お い て は,γ 相 の 増 加 に 伴 っ て 低 い △Keff値 か ら加 速 を 生 じ る 傾 向 を 示 す. 大 き 裂 のdα/dNが 加 速 を 生 じ た 領 域 に お け る 塩 水 中 の 破 面 様 相 の 例 をFig.10に 示 す 。(a)はsus304,(b)∼(d)は SUS329J4Lの50%γ 材,28%γ 材 お よ び12%γ 材,(e)は SUS444で あ る 。SUS304お よ びSUS329J4Lの 破 面 は い ず れ の 材 料 も 擬 へ き 開 の 占 め る 割 合 が 大 気 中 と 比 べ て 高 い｡ SUS444の 破 面 に お い て は 粒 界 破 壊 や 三 次 割 れ が 認 め ら れ, 脆 性 的 な 様 相 を 呈 し て い る 。 図 示 は して い な い が,各 材 料

と も 大 気 中 で は こ の よ う な 様 相 は 認 め ら れ な い の で,環 境 の 影 響 が 明 ら か で あ る 。 こ の 環 境 効 果 の 要 因 と し て は,

(a) SUS304 (100%γ) _{(b) SUS329J4L (50%γ) (c) SUS329J4L (28%γ)}

(d) SUS329J4L(12%γ) (e) SUS444 (100%α) Table 3. AK values and crack lengths at which crack

growth rates in 3%NaC1 solution correspond with those in L.A.

Table 4. AK and AKeff values for long cracks at which crack growth began to accelerate.

塩 水 中 に お け る フ ェ ラ イ ト/オ ース テ ナ イ ト相 比 率 の 異 な る ス テ ン レ ス鋼 の 疲 労 挙 動 869 オ ー ス テ ナ イ ト相 な らば 加 工 誘 起 マル テ ンサ イ トの 水 素 ぜ い化7),ま た フ ェ ラ イ ト相 な らば 水 素 割 れ8)や水 素 ぜ い 化7) とい っ た環 境 に よ るぜ い 化 機 構 が 指 摘 され て い る｡ 4・2 環 境 効 果 と相 比 率 の 関係 Fig.5お よ びFig.6の 結 果 か ら,各 材 料 間 の 比 較 を容 易 に す る た め に 相 比 率 と き裂 進 展 速 度 の 関 係 を き 裂 寸 法26に つ い て 求 め た。 そ の 結 果 をFig.11に 示 す 。 な お 図 に は 比 較 の た め に 大 気 中 の 結 果 も併 記 した 。 い ず れ の 材 料 も2cの 増 加 に伴 っ て,そ れ ぞれ の寸 法 区 間 に お け る平 均 き裂 進 展 速 度 は増 加 す る傾 向 を示 す 。 この 傾 向 は 塩 水 申 で も変 わ ら な い 。加 えて,そ れ ぞれ の き裂 寸 法 の 区 間 に お い て,塩 水 中 の き裂 進 展 速 度 は 大 気 中 に 比 べ て 高 速 度 側 に あ る｡ SUS304の 結 果 に お い て の み,2c=0.1∼0.2mmに お け る 大 気 中 の き裂 進 展 速 度 が塩 水 中の そ れ を上 回 っ て い る が,こ れ は 発熱 に対 す る冷 却 効 果 に起 因 して い る と考 え られ る5)｡ なお,SUS304の 塩 水 中 に お け る26=0.2∼0.3mmの 結 果 は 測 定 の都 合 上 得 られ て い な い 。 各 材 料 につ い て比 較 す る と SUS329J4Lの 平 均 き裂 進 展 速 度 が他 の 材 料 に 比 べ て 高 い｡ ま た,SUS329J4Lの3種 類 の 材 料 につ い て は,50%γ 材 が 最 も低 速 度 側 に位 置 し,28%γ 材 と12%γ 材 は γ相 の 減 少 に 伴 い 高 速 度 側 に位 置 し た3)。な お,大 気 中 の 結 果 と比 較 し て,い ず れ の 材 料 も各寸 法 区 間 に お け る平 均 速 度 の 差 が 小 さ くな っ て い る。 これ はFig.5に 見 られ る よ う に,き 裂 寸 法 の 短 い領 域 で の 塩 水 中 に お け るdc/dNの 変 動 が大 気 中 と 比 べ て 少 ない こ とに起 因 して い る 。 次 に,き 裂 進 展 の 加 速 に与 え る環 境 の 影 響 を明 らか に す るた め,相 比 率 と塩 水 中 お よ び 大 気 中 に お け る き裂 進 展 速 度 の比(加 速 比:(dc/dN3%NaCl)/(dc/dNL.A))を,き 裂 寸 法2c につ い て 求 め た。 結 果 をFig.12に 示 す 。 図 よ りい ず れ の 材 料 に お い て も,き 裂 寸 法2cの 増 加 に 伴 っ て,加 速 比 は 小 さ くな る こ とが わ か る。 こ れ は,微 小 き裂 の 領 域 に お い て 認 め られ た塩 水 中 にお け る加 速 が,き 裂 寸 法 の 増 加 に 伴 い 小 さ くな る こ と を意 味 して い る 。 また,各 材 料 につ い て 比 較 す る とSUS329J4Lの50%γ 材 とSUS444の 加 速 比 が 高 い｡ SUS329J4Lの3種 類 の 材 料 に つ い て 注 目す る と,50%γ 材 の 加 速 比 が 最 も高 く,γ 相 の 減 少 に 伴 い加 速 比 は低 下 す る 傾 向 を示 し た 。 こ れ は,50%γ 材 の 大 気 中 に お け る速 度 が 低 か っ た こ と に起 因 す る結 果 と考 え られ る11)｡ 5. 結 言 本 研 究 で はSUS304(100%γ),SUS329J4L(50%γ,28%γ, 12%γ)お よ びSUS444(100%α)の3種 類 の ス テ ン レ ス 鋼 を 用 い て,3%NaCl水 溶 液 中 に お い て 疲 労 試 験 を行 い,き 裂 発 生,初 期 進 展 お よび 大 き裂 の 進 展 挙 動 に 及 ぼ す 相 比 率 の 影 響 に つ い て 検 討 し た。 主 な 結 論 は 以 下 の とお りで あ る｡ (1) 異 な る相 比 率 を持 つ ス テ ン レス 鋼 の5W曲 線 を比 較 す る と,SUS329J4Lの 疲 労 限 度 が 最 も高 く,次 い で SUS444,SUS304の 順 で あ る 。 有 限 寿 命 部 で もSUS329J4L の 疲 労 強 度 が 最 も 高 く,次 い でSUS444,SUS304の 順 と な っ た 。 (2) き 裂 発 生 は い ず れ の 材 料 に お い て も γ相 あ る い は α相 内 に生 じ たす べ り帯 か ら発 生 した 。 この 挙 動 は大 気 中 に お け る結 果 と同様 で あ っ た 。 (3) 初 期 き裂 成 長 挙 動 に お い て,い ず れ の 材 料 も塩 水 中 の き裂 進 展 速 度 は 大 気 中 と比 べ て 高 速 度 側 に 位 置 し た｡ ま た,き 裂 進 展 速 度 の 変 動 は 大 気 中 と比 べ 小 さ い もの と な っ た 。 こ の 初 期 進 展 の 加 速 はdα/dN-△K関 係 に よ る整 理 で も低 △K領 域 で 認 め られ た 。 (4) 大 き 裂 のdα/dN-△K関 係 で は,い ず れ の 材 料 も塩 水 中 のdα/dNは 高 △K領 域 に お い て,大 気 中 の それ よ り も 高 速 度 側 に あ り,環 境 の影 響 が認 め られ た｡ (5)発 生 直 後 の 各 寸 法 区 間 に お け る平 均 き 裂 進 展 速 度 に つ い て,各 材 料 の 比 較 を行 う と,SUS329J4Lの 平 均 き裂

Fig. 11. Relationship between crack growth rate and vol-ume fraction of aly phases.

Fig. 12. Relationship between acceleration ratio and vol-ume flaction of a/y phases.

870 鉄 と 鋼 Tetsu-to-Hagane Vol.89(2003)No.8 進 展 速 度 が 他 の 材 料 に 比 べ て 高 く な っ た 。 ま た, SUS329J4Lの3種 類 の 材 料 に つ い て は,50%γ 材 が 低 速 度 側 に,12%γ 材 が 高 速 度 側 に位 置 した｡ (6) 3%NaCl水 溶 液 中 に お け る 発 生 直 後 の き 裂 成 長 速 度 の 加 速 の 割 合(加 速 比)に 注 目 す る と,SUS329J4Lの 50%γ 材 とSUS444の 加 速 比 が高 く,SUS329J4Lの3種 類 の 材 料 で は γ相 の 減 少 に 伴 い 加 速 比 は低 下 す る傾 向 を示 し た 。 文 献 1) 小 若 正 倫:金 属 の 腐 食 損 傷 と 防 食 技 術,ア グ ネ,東 京, (1983),324,421.

2 ) K.Tanaka: J Soc. Mater Sci., Jpn., 33 (1984), 961.

3 ) M.Akita, M.Nakajima and K.Tokaji: Tetsu-to-Hagane, 88 (2002), 865.

4 ) M.Kikukawa, M.Jono, K.Tanaka and M.Takatani: J Soc. Mater Sci., Jpn., 25 (1976), 899.

5 ) E.Takeuchi, S.Mathuoka, S.Nishijima and M.Kimura: Trans. Jpn. Soc. Mech. Eng., A-51 (1985), 967.

6 ) J.C.Newman, Jr.: ASTM STP, 687 (1979), 16.

7 ) Y.Endo, K.Komai and S.Murayama: Trans. Jpn. Soc. Mech. Eng., 48 (1982), 1489.

8 ) K.Komai and K.Irifune: J. Soc. Mater Sci., Jpn., 36 (1987), 1104. 9 ) D.P.Williams, P.S.Pao, and R.P.Wei: Environment-Sensitive Fracture

of Engineering Materials, ed. by Z.A.Foroulis, AIME, Warrendale,

PA, (1979), 3.

10) K.Tokaji, Z.Ando and H.Mizutani: J.Soc. Mater Sci., Jpn., 35 (1986), 394.

11) M.Nakajima, K.Tokaji and Y.Okamoto: Trans. Jpn. Soc. Mech. Eng., A-67 (2001), 1024.