報告書番号

EX21005

タイトル（和文）

各種構造材料への適用のための真応力－真ひずみ関係式の開発

タイトル（英文）

Development of true stress-true strain relations for application to various structural materials

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背　　景
金属材料は通常、塑性、クリープなどの非弾性変形を経た後に破壊に至るため、金属材料で製造された各種の構造物や機械の構造健全性や安全性を評価するうえで、非弾性変形挙動を適切に評価することが重要になる場合が多い。そのための手段として材料レベルで変形特性をモデル化したものを使用して構造物や機械の非弾性解析を実施することが有効であるが、その精度を確保するうえで、変形特性の高精度なモデル化が必須である。これらのことを考慮し、米国機械学会（ASME）の圧力容器設計用の規格では、近年、応力―ひずみ関係式が提示され、我が国では過酷事故時の原子炉格納容器の健全性を評価するためのガイドラインにも取り込まれている。しかし、その精度について幅広く検討した例はなく、より詳細な検討が望まれている。
目　　的
軽水炉プラントで使用されている多種の構造材料を対象に、ASME規格に示されている応力―ひずみ関係式を適用し、その精度を評価するとともに、必要に応じてより精度の高い応力―ひずみ関係式を提案する。
主な成果
1. ASME規格式の適用性評価
かなり大きく特性の異なる4種の材料の各種温度下での引張試験を対象に、ASME規格式を組み込んだ有限要素解析を実施したところ、一部の条件を除いて変形を大きく予測する方向で試験結果と大きく乖離した結果が得られた。本式では最大荷重時の真塑性ひずみ（一様伸び相当）を降伏応力／引張強さ比の関数として簡単に決めているが、この関係式が実挙動にそぐわないことが多いためと判断された。
2. 高精度応力―ひずみ関係式の提案
ASME規格式では塑性ひずみが応力のべき乗関数2項の和で与えられ、不自然な挙動を示すことがあるため、ひとつのべき乗関数しか用いない簡単な式から出発し、必要な改良を加える方向で応力―ひずみ関係式の開発を進めた。検討した温度範囲内で動的ひずみ時効の効果が顕著となるフェライト鋼においてはやや複雑な修正を必要としたが、いずれのモデルでも一様伸びの推定精度を重視し、幅広い材料の引張試験データを基に、降伏応力や引張強さではなく、破断時の伸びと絞りからこれを推定する手法を検討し、多数データの回帰によって得られた評価式を採用した。
開発した応力―ひずみ関係式を用いた引張試験の解析を実施し、規格式に比較してはるかに高い精度で各種材料の塑性変形特性を表現できることが確認された。(図1：オーステナイト系ステンレス鋼、図2：高ニッケル合金、図3～4：フェライト鋼)。

概要 （英文）

Inelastic analysis considering individual material behavior is expected to play a more and more important role in design and fitness-for-service assessment of various pressure-retaining components. Constitutive model is a fundamental element of such an analysis and modeling of stress-strain relations under uniaxial loading constitutes its basis. Some formulae for describing stress-strain relations under monotonically increasing loading have been developed and incorporated in some codes to provide a guidance for elastic-plastic analysis. The authors have been trying to find alternative formulae to improve the accuracy and widen the applicability. A simple formula based on the Swift-type equation was derived as a result of systematic analysis of the test data on a number of materials used in nuclear power plants. A new equation for estimating uniform elongation as a function of rupture elongation and reduction of area was derived. An alternative expression was also developed in order to circumvent the deficiency observed in ferritic steels. Formulae were found to be applicable to various materials such as austenitic stainless steels, high- and medium-strength ferritic steels and some of Nickel based alloys.

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