Temperature and time dependent mechanism of fatigue crack propagation in Ni-base superalloy

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本研究は，先進ガスタービンの高温・高圧部材として用いられるNi基超合金を対象に，起動・停止に伴う疲労負荷と定格運転時の高温環境での負荷保持が加わる場合の，クリープ疲労き裂進展特性を明らかにすることを目的とした．前年度では，負荷保持がき裂進展に与える影響を抽出するため，純粋な疲労負荷中に単発の負荷保持を導入した特徴的なクリープ疲労き裂進展試験を実施した．その結果，負荷保持後に疲労負荷を再開すると，疲労き裂進展速度が一定の距離の間低下し，その後純粋な疲労き裂進展試験で得られた値に回復することが明らかになった．本年度では，デジタル画像相関法（DIC）と有限要素解析（FEA）によりき裂先端力学場を精査し，負荷保持後の疲労き裂の遅延を定量化することを試みた．具体的には，DICにより，負荷保持中のき裂先端近傍のクリープひずみ場の時間変化を計測した．また，DICで得られたひずみ場を参照値とし，単結晶超合金の強い結晶異方性を考慮した弾塑性クリープFEAを行い，き裂先端近傍の応力場を評価した．その結果，負荷保持中のクリープ変形に伴いき裂先端近傍で応力が緩和し，疲労負荷再開後に緩和した応力が圧縮応力として残留することが明らかになった．この残留圧縮応力による応力拡大係数Kと外負荷によるKと重ね合わせることで有効応力拡大係数範囲ΔKeffを求め，負荷保持後の疲労き裂の遅延挙動を定量化することに成功した．以上は単結晶超合金を用いて得られた結果であるが，さらに多結晶超合金を用いて同様のクリープ疲労き裂進展試験を実施した．負荷応力が小さい場合は，単結晶材と同様に負荷保持後にき裂の遅延が生じた一方，負荷応力が大きくなると，粒界の酸化・脆化によりき裂の加速が生じた．負荷保持中にき裂前方に生じる応力緩和の領域と，粒界が酸化する領域の相対的な寸法に基づき，き裂進展が遅延から加速へと遷移する条件の定量化を試みた．