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電力中央研究所報告
Ni基合金Alloy 740HおよびAlloy 617の熱疲労寿命評価
キーワード：先進超々臨界圧，ニッケル基超合金，熱疲労，寿命評価 報告書番号：Ｑ１５００５
背 景 Ni 基合金 Alloy 740H および Alloy 617 は，先進超々臨界圧発電プラント（A-USC）の
有力な候補材料である．しかし，現在の 600℃級 USC プラントに対し A-USC での蒸気
温度は 700℃以上が指向されており，且つ Ni 基合金の熱膨張率も従来のフェライト系耐
熱鋼より大きいことから，厚肉部に適用した場合発生する熱応力が大きくなる可能性が
ある．さらに，負荷調整用にプラントが頻繁に起動停止すると，温度変化に伴う熱疲労
損傷注 1）が大きくなる．したがって，A-USC プラントの実機部材としての健全性を確保
するためには，熱応力による疲労損傷を精緻に評価しなければならない．
目 的
Alloy 740H および Alloy 617 の熱疲労試験条件下での変形および寿命特性を把握する
とともに，高精度な熱疲労寿命評価法を検討する．
主な成果
Alloy 740H および Alloy 617 の薄肉円筒試験片を用い，300℃-700℃の温度範囲，0.01%/s
下での熱疲労試験を実施し、以下の知見を得た。
（1）ひずみ範囲 0.7%（Alloy 740H）および 0.5%（Alloy 617）において，同位相注 2）で
の熱疲労寿命は逆位相注 3）と大きな差はなかったが，ひずみ範囲 1.0%（Alloy 617）では
逆に短くなった．また，両材料ともに逆位相での熱疲労寿命は 700℃での等温疲労寿命
とほぼ同程度であった（図 1）．
（2）Alloy 740H は 300℃では繰返し硬化し，700℃では逆に繰返し軟化した．同位相お
よび逆位相での寿命中期の応力－ひずみ関係は 300℃での結果と一致した．一方，Alloy
617 はいずれの温度でも顕著な繰返し硬化挙動を示したが，寿命中期の応力は 700℃の方
が 300℃より大きかった．また，同位相および逆位相での寿命中期の応力は 700℃での結
果より大きかった（図 2）．
（3）700℃での等温疲労寿命を基準とし，ひずみ範囲およびひずみエネルギーの熱疲労寿
命評価への適用性を検討した．その結果、ひずみ範囲では、高ひずみ範囲の同位相での
疲労寿命を短寿命側に評価する傾向を示したが、ひずみおよび応力を考慮する全ひずみ
エネルギー（WT）では、両材料の熱疲労寿命を良好な精度で推定することができた（図 3）．
今後の展開 今後，クリープと疲労の重畳する負荷条件下での挙動を把握するとともに，高精度な
クリープ疲労寿命評価法を開発する．
火 力 発 電
注 1）熱サイクルと外力が重畳して破損する現象であり、熱機械的疲労とも呼称される． 注 2）温度と機械的負荷の位相が同じである熱疲労試験． 注 3）温度と機械的負荷の位相差が 180°である熱疲労試験．
研究担当者 張 聖徳（材料科学研究所 構造材料領域）
問い合わせ先
電力中央研究所 材料科学研究所 研究管理担当スタッフ Tel. 046-856-2121(代) E-mail : [email protected]
ひずみ振幅 a, %
応力振幅 a
, MP
a Alloy 740H
300℃ 700℃ 同位相 逆位相
第1サイクル
寿命中期
Alloy 617
ひずみ振幅 a, %
応力振幅 a
, MP
a
300℃ 700℃ 同位相 逆位相
第1サイクル
寿命中期
ひずみ範囲
M,
%
○：平滑試験片，700℃ □：薄肉円筒試験片，700℃ △：薄肉円筒試験片，同位相 ▽：薄肉円筒試験片，逆位相 実線：700℃での疲労寿命回帰線
Alloy 617
ファクターオブ 2
疲労寿命 Nf
全ひずみエ
ネルギー W
T, M
Pa
Alloy 617
ファクターオブ 2
○：平滑試験片，700℃ □：薄肉円筒試験片，700℃ △：薄肉円筒試験片，同位相 ▽：薄肉円筒試験片，逆位相 実線：700℃での疲労寿命回帰線
疲労寿命 Nf
ひずみ
応力
全ひずみエネルギー
（WT）
図 2 Ni 基合金の熱疲労変形特性
図 3 ひずみ範囲およびひずみエネルギーによる Ni基合金の熱疲労寿命評価（Alloy 617）
図 1 Ni 基合金の熱疲労寿命と等温疲労寿命との比較
逆位相
温度
機械的ひずみ
時間
同位相
温度
機械的ひずみ
時間
M=0.5% M=1.0% ひずみ範囲
Alloy 617 等温疲労、300℃等温疲労、700℃熱疲労, 同位相
熱疲労, 逆位相
M=0.7% ひずみ範囲
Alloy 740H
疲労寿命 N
f
等温疲労、300℃等温疲労、700℃熱疲労, 同位相
熱疲労, 逆位相
報告書の本冊（PDF 版）は電中研ホームページ http://criepi.denken.or.jp/ よりダウンロード可能です。
［非売品・無断転載を禁じる］ © 2016 CRIEPI 平成２８年４月発行
