CN101093205A - 喷丸硬化处理面的非破坏检查方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种喷丸硬化处理面的非破坏检查方法和装置，可在较短时间内容易地测定包含被处理材料的深度方向的分布状态的喷丸硬化处理面的残余应力分布而不伴有被处理材料的破坏。把设置在上述检查电路内的线圈配置在上述检查对象的喷丸硬化处理面上，并在使频率变化的同时，把交流信号输入到该检查电路，测定上述检查电路中的阻抗的频率响应特性，并将其作为检查对象数据来取得，把该检查对象数据与在残余应力产生状态已知的样品中所取得的阻抗的频率响应特性进行比较。

Description

喷丸硬化处理面的非破坏检查方法和装置

技术领域

本发明涉及使用非破坏法来检查进行了喷丸硬化处理的钢材中的残余应力的产生状态的非破坏检查方法和装置，具体涉及特别适于使用了粒径为数十μm左右的微粒子喷丸的喷丸硬化处理面检查的非破坏检查方法和非破坏检查装置。

背景技术

当把钢材作为被处理材料来通过喷丸硬化进行表面处理时，该被处理材料的表面由于喷丸的碰撞而发生塑性变形，其结果产生残余应力。

该残余应力成为支配被处理材料的强度、特别是弯曲强度、扭转强度、弯曲疲劳强度和扭转疲劳强度以及耐磨损性的要因，进行喷丸硬化的目的之一是通过产生这种残余应力来进行表面改性，因而残余应力的产生状态的确认是重要的质量管理指标之一。

作为这种残余应力的测定方法，以下两种方法一般是公知的，即：在逐次去除喷丸硬化处理后的处理对象的同时，精确地测定由应力释放引起的尺寸变化的破坏方法，以及利用了X线分析的非破坏方法。

其中上述的破坏方法通过使用化学研磨或电解研磨等去除被处理材料的表面，来测定伴随加工层(残余应力产生层)的减少而产生的被加工材料的变形，从而进行残余应力的测定，然而由喷丸硬化产生的残余应力，特别是由使用了微粒子喷丸的喷丸硬化所产生的残余应力仅产生在被处理材料的表面附近的极浅部分，因而使用这种破坏方法有时不能进行测定。

另一方面，在进行上述的利用了X线分析的非破坏检查方法的情况下，可进行残余应力的测定而不伴有被处理材料的破坏，然而X线的有效浸透深度是距表面仅数μm的范围，虽能确认被处理材料的最表面部分的残余应力的状态，但不能确认深度方向的残余应力的分布状态。

要测定这种深度方向的残余应力分布，不得不依靠以下做法，即：使用上述的破坏法，通过化学研磨或切削等使被加工材料的断面积(厚度)变化，根据伴随于此的被加工材料的变形，在材料力学的假定基础上进行残余应力的计算，然而如上所述，由喷丸硬化，特别是使用了微粒子的喷丸硬化所产生的残余应力在距表面较浅的部分产生，因而使用这种破坏方法有时不能进行测定，并且，在上述方法中使用的材料力学的假定不能忠实地再现应测定的被加工材料的应力状态，而且在使残余应力连同被加工材料的厚度一起变化的同时进行测定，在这一点上精度降低。

为了提高这种测定结果的可靠性，作为利用X线分析来测定被处理材料的深度方向的残余应力分布的方法，还提出了被称为“窗口(window)法”的测定方法。

在该窗口法中，在不对检查对象的表面整体进行研磨等，而是通过化学研磨或电解研磨等仅去除被称为“窗口”的圆形或方形的窗状的微小部分的同时，通过X线分析来测定深度方向的残余应力，在使用该方法进行测定的情况下，可进行残余应力分布的测定而不使被处理材料的残余应力分布变化。

作为本发明的现有技术文献信息有以下信息。

【非专利文献1】シヨツトピ一二ング技術協会 編；日刊工業新聞社 発行「シヨツトピ一二ングの方法と効果  金属疲労·

留応力」

(1997年12月24日発行)第48～51頁

根据上述的“窗口法”，可测定被处理材料的深度方向的残余应力分布，而不受X线的有效浸透深度限制，并且测定结果也准确，可靠性提高。

然而，这种使用X线的残余应力分布的检查，虽是微小开孔，但却伴有被处理材料的破坏，因而不能对全部产品进行检查，这种检查必然不得不作为样品检查来进行。

并且，为了使用上述方法来测定被处理材料的深度方向的残余应力分布，将窗口部分准确地研磨到规定深度，并进行使用X线的检查，有必要重复进行该作业多次，因而使用该方法的检查花费很大的劳力和时间。

鉴于这种现有的残余应力检查方法具有的问题，作为具有喷丸硬化处理表面的被处理材料的检查方法，期望开发出可检查深度方向的残余应力的产生状况而不伴有被处理材料的破坏、而且可在短时间内较简单地完成的检查方法和检查装置，只要实现这种检查方法和检查装置，就能对全部产品进行检查。

然而，目前不存在这种检查方法和检查装置，而是通过样品进行检查，因而在该样品检查中产生一定的不良率的情况下，通过将在该作业线上加工等的全部产品废弃等，来进行质量管理。然而，在使用该方法的情况下，由于包含正常加工的产品等在内被废弃等，所以成品率不良，另一方面，即使不良率在容许范围内，在产品中也有可能包含加工不良的产品。

发明内容

因此，本发明是为了消除上述现有技术中的缺点而完成的，本发明的目的是提供一种可在较短时间内容易地测定包含被处理材料的深度方向的分布状态的喷丸硬化处理面的残余应力分布而不伴有被处理材料的破坏的检查方法和装置。

为了达到上述目的，本发明的喷丸硬化处理面的非破坏检查方法是把实施了喷丸硬化的钢材用作检查对象的残余应力检查方法，其特征在于，在该方法中：

把设置在检查电路内的线圈配置在与上述检查对象相同材质、且判明了残余应力的产生状态的样品的喷丸硬化处理面上，并在使频率变化的同时，把交流信号输入到该检查电路，测定上述检查电路中的阻抗的频率响应特性，并将其作为样品数据来取得；

把设置在上述检查电路内的线圈配置在上述检查对象的喷丸硬化处理面上，并在使频率变化的同时，把交流信号输入到该检查电路，测定上述检查电路中的阻抗的频率响应特性，并将其作为检查对象数据来取得；

把上述检查对象数据与上述样品数据进行比较，根据在上述样品中所判明的残余应力的产生状态来检查上述检查对象中的残余应力的产生状态(权利要求1)。

在上述检查方法中，可对应于上述输入信号的频率的变化，把在上述检查电路中产生的电压和电流的相位角θ的变化作为上述阻抗的频率响应特性来测定(权利要求2)。

而且，可以构成如下：把设置在上述检查电路内的线圈配置在与上述检查对象相同材质、且未进行喷丸硬化处理的基准材料的表面上，并在使频率变化的同时，把交流信号输入到该检查电路，把上述检查电路中的电压和电流的相位角θ_non-shot的变化作为基准数据来取得；

使用上述基准数据与上述样品数据的差(Δθ)和上述基准数据与检查对象数据的差(Δθ)来把上述样品数据与上述检查对象数据进行比较(权利要求3)。

而且，可以把表示上述相位角差(Δθ)相对于频率的变化而变化的峰值的值(Δθ_p)作为极值来求出，把上述极值(Δθ_p)和/或产生上述极值(Δθ_p)的频率(f_p)用作上述检查对象数据和样品数据的比较点(权利要求4)。

另外，可以根据上述检查对象数据与上述样品数据的比较，检查或测定通过喷丸硬化而产生在检查对象表面上的残余应力产生层的深度b(权利要求5)，而且可以检查或测定残余应力产生层的导磁率μ1和/或电阻率ρ₁(权利要求6)。

并且，本发明的喷丸硬化处理面的非破坏检查装置是把实施了喷丸硬化的钢材作为检查对象的残余应力的检查装置，其特征在于，该装置具有：

检查电路，其具有配置在检查对象上的线圈；

检查信号产生单元，其在使频率变化的同时，把交流信号输出到上述检查电路；

测定单元，其测定上述检查电路中的阻抗的频率响应特性；

存储单元，其将把上述检查电路的上述线圈配置在与上述检查对象相同材质、且判明了残余应力的产生状态的样品上而测定的阻抗的频率响应特性作为样品数据来存储；

比较单元，其将把上述检查电路的上述线圈配置在上述检查对象上而测定的上述检查电路的阻抗的频率响应特性作为检查对象数据，把该检查对象数据与存储在上述存储单元内的上述样品数据进行比较；以及

判定单元，其根据上述比较单元的比较结果，基于在上述样品中所判明的残余应力的产生状态来判定上述检查对象中的残余应力的产生状态(权利要求7)。

在上述结构的检查装置中可构成如下：上述测定单元把对应于上述输入信号的频率f的变化而在上述检查电路中产生的电压和电流的相位角θ的变化作为上述检查对象数据来测定；并且

上述存储单元把对应于输入信号的频率f的变化而在上述样品的上述检查电路中产生的电压和电流的相位角θ的变化作为上述样品数据来存储(权利要求8)。

而且，还能构成如下：上述存储单元把在与上述检查对象相同材质、且未进行喷丸硬化处理的基准材料上的上述检查电路中产生的电压和电流的相位角θ_non-shot的变化作为基准数据来存储；并且

上述比较单元把上述基准数据和上述样品数据的差与上述基准数据和上述检查对象数据的差进行比较(权利要求9)。

并且，可以构成如下：把表示上述相位角差Δθ相对于频率f的变化而变化的峰值的值作为极值Δθ_p，上述比较单元把上述极值Δθ_p和/或产生上述极值Δθ_p的频率f_p用作上述检查对象数据和样品数据的比较点(权利要求10)。

而且，可以构成如下：上述存储单元把残余应力产生层的形成深度b的变化与伴随该残余应力产生层的形成深度b的变化而变化的上述检查电路中的阻抗的频率响应特性的对应关系作为上述样品数据来存储；并且

上述判定单元对应于上述比较单元的比较结果，根据上述对应关系来判定产生在检查对象表面上的残余应力产生层的形成深度b(权利要求11)。

还能构成如下：上述存储单元把残余应力产生层的导磁率μ₁和/或电阻率ρ₁的变化与伴随该导磁率μ₁和/或电阻率ρ₁的变化而变化的上述检查电路中的阻抗的频率响应特性的对应关系作为上述样品数据来存储；并且

上述判定单元对应于上述比较单元的比较结果，根据上述对应关系来判定产生在检查对象表面上的残余应力产生层的导磁率μ₁和/或电阻率ρ₁(权利要求12)。

按照以上说明的本发明的结构，根据本发明的喷丸硬化处理面的非破坏检查方法和装置，可提供一种能在较短时间内容易地检查包含被处理材料的深度方向的分布状态的喷丸硬化处理面的残余应力分布而不伴有被处理材料的破坏的检查方法和装置。

附图说明

图1是线圈的电感分析模型的说明图。

图2是检查电路的等效电路。

图3是本发明的非破坏检查装置的概略图。

图4是检查装置主体的功能框图。

图5是示出由中央处理装置所实现的各单元的功能框图。

图6是示出把喷丸硬化后的一般钢材作为测定对象的Δ|Z|和Δθ的频率响应特性的计算结果的曲线图。

图7是示出把喷丸硬化后的奥氏体钢材作为测定对象的Δ|Z|和Δθ的频率响应特性的计算结果的曲线图。

图8是示出在使残余应力产生层的深度变化的情况下的f-Δθ曲线的计算结果的曲线图(μ₁＝100×μ₀：μ₂＝200×μ₀)。

图9是示出在使残余应力产生层的深度变化的情况下的f-Δθ曲线的计算结果的曲线图(μ₁＝50×μ₀：μ₂＝100×μ₀)。

图10是示出在使残余应力产生层的深度变化的情况下的f-Δθ曲线的计算结果的曲线图(μ₁＝200×μ₀：μ₂＝400×μ₀)。

图11是示出在使导磁率变化的情况下的f-Δθ曲线的计算结果的曲线图。

图12是示出在使电阻率变化的情况下的f-Δθ曲线的计算结果的曲线图。

图13是示出在不同的喷丸硬化条件下所处理的SKD61钢的残余应力一深度特性(使用X线的测定结果)的曲线图。

图14是在喷射条件1下加工的SKD61钢的f-Δθ线图。

图15是在喷射条件2下加工的SKD61钢的f-Δθ线图。

图16是在喷射条件3下加工的SKD61钢的f-Δθ线图。

图17是在喷射条件4下加工的SKD61钢的f-Δθ线图。

图18是示出在喷射条件1～4下加工的SKD61钢的残余应力50％深度一峰值频率f_p特性的曲线图。

图19是示出未处理和喷丸硬化处理后的SCr420钢的残余奥氏体体积率的变化相对于距表面的深度的变化的曲线图。

图20是示出喷丸硬化处理后的SCr420钢的f-θ特性的曲线图。

符号说明

E(黑体字)：电场(矢量)

H(黑体字)：磁场(矢量)

D(黑体字)：电通量密度(矢量)

B(黑体字)：磁通量密度(矢量)

J(黑体字)：电流密度(矢量)

A(黑体字)：矢位

A：矢位的周向分量

t：时间

j：虚数单位

f：正弦波交流的频率

ω：正弦波交流的角频率

μ₀：空气的导磁率

μ₁：试样的残余应力产生层的导磁率

μ₂：试样的导磁率

σ₁：试样的残余应力产生层的导电率

σ₂：试样的导电率

ρ₁：试样的残余应力产生层的电阻率(＝1/σ₁)

ρ₂：试样的电阻率(＝1/σ₂)

b：试样的残余应力产生层的深度

L：配置在试样表面上的线圈的电感

a：线圈半径

l：线圈长度

n：线圈匝数

z₁：线圈下端的坐标

z₂：线圈上端的坐标

h：线圈与试样表面的间隙(＝z₁)

I：线圈电流

J₁：第一种贝塞尔函数

R₀：线圈线材的电阻分量

C：电缆的电容分量

Re()：复数的实数部

Im()：复数的虚数部

具体实施方式

以下，对本发明的实施方式进行说明。

成为前提的原理

本发明的概要

在本发明的非破坏检查方法中成为检查对象的喷丸硬化处理面，特别是，在作为喷丸使用了粒径为数十μm左右的微粒子的喷丸硬化处理中，在距被处理材料的表面数十μm左右的较浅部分产生残余应力，因而在喷丸硬化处理面上的残余应力的分布状态检查中，只要能测定在距表面的深度数μm～100μm的范围内的残余应力的产生状态，就能达到目的。

另一方面，本发明的发明人根据实验结果发现，在把作为强磁性体的钢材用作检查对象的情况下，在使频率变化的同时，把交流信号输入到被配置成磁场的产生方向是与检查对象的残余应力产生面正交的方向的线圈(具有该线圈的检查电路)时，该线圈(检查电路)中的阻抗的频率响应特性根据在距检查对象的表面的深度数μm～100μm左右的表面附近的残余应力的产生状态的不同而发生特征变化。

特别是，确认出检查电路中的电压和电流的相位角θ的变化Δθ(喷丸硬化处理后测定的相位角θ_shot与喷丸硬化处理前测定的相位角θ_non-shot的差)的频率响应特性显著变化。

本发明发端于以下情况，即：着眼于这种喷丸硬化处理后的钢材与具有上述线圈的检查电路中的阻抗的频率响应特性的对应关系，以及着眼于可将上述对应关系用于检查通过喷丸硬化进行了表面处理的作为钢材的被处理材料中的残余应力的产生状态这一点。

残余应力与阻抗的频率响应特性的对应关系

钢材中的残余应力的产生状态与具有上述线圈的检查电路中的阻抗的频率响应特性之间的关系如下所述。

通过计算来推导对应关系

计算条件

图1示出配置在被处理材料上的线圈的电感分析模型。

如图1所示，假定喷丸硬化处理前的被处理材料的电磁特性是均匀的，把被处理材料的导磁率设为μ₂，把导电率设为σ₂。

然后，当该被处理材料经受了喷丸硬化时，假定生成了在距表面深度b的范围内产生残余应力的层(残余应力产生层)，简化考虑为，在该残余应力产生层中被处理材料的电磁特性均匀地变化为导磁率μ₁和导电率σ₁。

用于检查的线圈将半径设为a，将长度设为l，将匝数设为n。

并且，把z轴设置成与试样垂直并与线圈的中心轴一致，将其原点设在被处理材料表面上，将线圈下端的坐标设为z₁，将线圈上端的坐标设为z₂。

阻抗Z和相位角θ的计算方法

在图1所示的分析模型中，用于求出阻抗Z和相位角θ的计算式是按以下导出的。

首先，在以下计算中示出成为基础的麦克斯韦(Maxwell)方程式如下。

【算式1】

$\▿\×H=J+\frac{\∂D}{\∂t}......\left(1\right)$

【算式2】

$\▿\×E=-\frac{\∂B}{\∂t}......\left(2\right)$

当流经线圈的正弦波交流的频率小于等于数十MHz时，位移电流可忽略，因而(1)式成为下式。

【算式3】

×H＝J    ·····(3)

这是导体试样外部的支配方程式。并且，从(2)式、(3)式和欧姆定律导出下式。

【算式4】

××H＝-μσjωH    ·····(4)

这里，ω是正弦波交流的角频率，j是虚数单位。该式是导体试样内部的支配方程式。

这里，导入圆柱坐标(r，，z)来定义满足H＝×A的矢位A。A由于系统是旋转对称的，因而仅具有Φ方向的分量A_φ。因此，如果省略A_φ的下标而标记为A，则根据(3)式，导体试样外部的支配方程式由下式给出。

【算式5 】

$\frac{\∂}{\∂r}\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left(\mathrm{rA}\right)+\frac{{\∂}^{2}A}{\∂z^2}=-J.....\left(5\right)$

并且，根据(4)式，导体试样内部的支配方程式由下式给出。

【算式6】

$(r\frac{\∂}{\∂r}\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}+\frac{{\∂}^2}{\∂z^2}-\mathrm{j\ω\μ\σ})\left(\mathrm{rA}\right)=0.....\left(6\right)$

按照满足图2的边界条件求解上述(5)式和(6)式以求出A，由此求出线圈的电感。这种分析已由“尾上”解决(尾上守夫：導体仁近接レた有限長ソレノイドコイルの解析，電気学会誌，vol.88，pp.1894-1902，(1968))。当使用该解时，线圈的电感L由下式给出。

【算式7】

$L=\frac{2\mathrm{\πn}{\mathrm{\μ}}_{0}a}{\mathrm{lI}}{\∫}_{z_1}^{z_2}{\left(A\right)}_{r=a}\mathrm{dz}=L_0(v-\mathrm{\λ}).....\left(7\right)$

这里，

【算式8】

$L_0=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\π}{a}^2{n}^2}{l}$

$v=2{\∫}_0^{\∞}{J}_1^2\left(\mathrm{\ζa}\right)(\frac{1}{\mathrm{\ζ}}-\frac{1}{{\mathrm{\ζ}}^{2}l}+\frac{1}{{\mathrm{\ζ}}^{2}l}{e}^{-\mathrm{\ζl}})\mathrm{d\ζ}$

$\mathrm{\λ}=\frac{1}{l}{\∫}_0^{\∞}\frac{1}{{\mathrm{\ζ}}^2}{J}_1^2\left(\mathrm{\ζa}\right){(e^{-\mathrm{\ζ}{z}_2}-e^{-\mathrm{\ζ}{z}_1})}^2$

$\frac{(-\frac{{\mathrm{\μ}}_1}{{\mathrm{\μ}}_0}+\frac{{\mathrm{\η}}_1\left(\mathrm{\ζ}\right)}{\mathrm{\ζ}})(\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{{\mathrm{\μ}}_1}+\frac{{\mathrm{\η}}_2\left(\mathrm{\ζ}\right)}{{\mathrm{\η}}_1\left(\mathrm{\ζ}\right)})+(\frac{{\mathrm{\μ}}_1}{{\mathrm{\μ}}_0}+\frac{{\mathrm{\η}}_1\left(\mathrm{\ζ}\right)}{\mathrm{\ζ}})(-\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{{\mathrm{\μ}}_1}+\frac{{\mathrm{\η}}_2\left(\mathrm{\ζ}\right)}{{\mathrm{\η}}_1\left(\mathrm{\ζ}\right)})e^{2{\mathrm{\η}}_1\left(\mathrm{\ζ}\right)b_1}}{(\frac{{\mathrm{\μ}}_1}{{\mathrm{\μ}}_0}+\frac{{\mathrm{\η}}_1\left(\mathrm{\ζ}\right)}{\mathrm{\ζ}})(\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{{\mathrm{\μ}}_1}+\frac{{\mathrm{\η}}_2\left(\mathrm{\ζ}\right)}{{\mathrm{\η}}_1\left(\mathrm{\ζ}\right)})+(-\frac{{\mathrm{\μ}}_1}{{\mathrm{\μ}}_0}+\frac{{\mathrm{\η}}_1\left(\mathrm{\ζ}\right)}{\mathrm{\ζ}})(-\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{{\mathrm{\μ}}_1}+\frac{{\mathrm{\η}}_2\left(\mathrm{\ζ}\right)}{{\mathrm{\η}}_1\left(\mathrm{\ζ}\right)})e^{2{\mathrm{\η}}_1\left(\mathrm{\ζ}\right)b_1}}$

${\mathrm{\η}}_1\left(\mathrm{\ζ}\right)=\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2+\mathrm{j\ω}{\mathrm{\μ}}_1{\mathrm{\σ}}_1},$ ${\mathrm{\η}}_2\left(\mathrm{\ζ}\right)=\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2+\mathrm{j\ω}{\mathrm{\μ}}_2{\mathrm{\σ}}_2}$

在使电流流经配置在试样表面上的线圈而测定的阻抗Z内，除了线圈的电感L以外，还包含线圈线材的电阻分量R₀以及使线圈和检查装置连接的电缆的电容分量C的影响。当把阻抗Z模型化成图2所示的等效电路来计算时，阻抗Z由下式给出。

【算式9】

$Z=\frac{\frac{R_0+\mathrm{Re}\left(\mathrm{j\ωL}\right)}{\mathrm{\ωC}}-j\left\{{(R_0+\mathrm{Re}\left(\mathrm{j\ωL}\right))}^2\mathrm{Im}\left(\mathrm{j\ωL}\right)(\mathrm{Im}\left(\mathrm{j\ωL}\right)-\frac{1}{\mathrm{\ωC}})\right\}}{\mathrm{\ωC}\{{(R_0+\mathrm{Re}\left(\mathrm{j\ωL}\right))}^2+{(\mathrm{Im}\left(\mathrm{j\ωL}\right)-\frac{1}{\mathrm{\ωC}})}^2\}}.....\left(8\right)$

当把阻抗的绝对值和相位分别设为|Z|和θ时，|Z|和θ分别由下式给出。

【算式10】

$\left|Z\right|=\frac{\sqrt{(\frac{R_0+\mathrm{Re}\left(\mathrm{j\ωL}\right)}{\mathrm{\ωC}}{)}^2+\{{(R_0+\mathrm{Re}\left(\mathrm{j\ωL}\right))}^2\mathrm{Im}\left(\mathrm{j\ωL}\right)(\mathrm{Im}\left(\mathrm{j\ωL}\right)-\frac{1}{\mathrm{\ωC}}){\}}^2}}{\mathrm{\ωC}\{{(R_0+\mathrm{Re}\left(\mathrm{j\ωL}\right))}^2+{(\mathrm{Im}\left(\mathrm{j\ωL}\right)-\frac{1}{\mathrm{\ωC}})}^2\}}.....\left(9\right)$

【算式11】

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left(\frac{-\mathrm{\ωC}\{{(R_0+\mathrm{Re}\left(\mathrm{j\ωL}\right))}^2+\mathrm{Im}\left(\mathrm{j\ωL}\right)(\mathrm{Im}\left(\mathrm{j\ωL}\right)-\frac{1}{\mathrm{\ωC}})\}}{R_0+\mathrm{Re}\left(\mathrm{j\ωL}\right)}\right)..\left(10\right)$

当使用按以上求出的(9)式和(10)式时，可指定被处理材料表面的电磁特性与由具有配置在该被处理材料表面上的线圈的检查电路所测定的阻抗的频率响应特性的关系。

根据上述计算式而求出的对应关系

通过使用以上说明的分析模型和计算式，可确认在形成于被处理材料表面上的残余应力产生层与阻抗的频率响应特性之间存在以下的对应关系。

计算的前提

另外，当通过计算导出对应关系时，将喷丸硬化前后的阻抗的绝对值的变化Δ|Z|和相位角的变化Δθ按下式来定义。

Δ|Z|＝|Z|_shot-|Z|_non-shot    ......(11)

Δθ＝θ_shot-θ_non-shot       .......(12)

这里，|Z|_non-shot和θ_non-shot表示针对喷丸硬化处理前的被处理材料所测定的检查电路中的阻抗的绝对值和相位角。

在喷丸硬化处理前，被处理材料不存在发生塑性变形的残余应力产生层，而处于以下状态，即：被处理材料表面附近的导磁率(μ₁)与内部的导磁率(μ₂)相等(μ₁＝μ₂)，并且被处理材料表面附近的导电率(σ₁)与内部的导电率(σ₂)相等(σ₁＝σ₂)。

另一方面，|Z|_shot和θ_shot表示针对喷丸硬化处理后的被处理材料所测定的检查电路中的阻抗的绝对值和相位角。

作以下假定来计算，即：通过喷丸硬化而使被处理材料的表面产生塑性变形，被处理材料的表面附近的导磁率(μ₁)与内部的导磁率(μ₂)之间产生差异(μ₁≠μ₂)，并且被处理材料表面附近的导电率(σ₁)与内部的导电率(σ₂)产生差异(σ₁≠σ₂)，这种残余应力产生层是以距表面深度b(b≠0)来形成的。

所求出的对应关系

一般的对应关系：

(a)一般钢材中的Δ|Z|和Δθ的频率响应特性

在许多钢材中发现，当进行塑性变形时，导磁率大幅减少，导电率稍微减少。

因此，图6是以这一点为前提，假定在喷丸硬化后形成深度20μm的残余应力产生层，在该残余应力产生层中，导磁率从200×μ₀减少到100×μ₀，导电率从4.0×10⁶(1/Ωm)减少到3.08×10⁶(1/Ωm)，从而通过计算求出频率f与Δ|Z|和Δθ的关系的结果。

如该图所示，Δ|Z|在高频区域内急剧减少。并且发现，Δθ在减少后转为增加，并具有Δθ的减少的峰值即极小值(极值)。

(b)奥氏体钢中的Δ|Z|和Δθ的频率响应特性

在不锈钢或者淬火后包含残余奥氏体的钢材中，当进行塑性变形时奥氏体转变为马氏体，因而其导磁率增加。

图7是以这一点为前提，假定在喷丸硬化后在深度20μm的残余应力产生层，导磁率从200×μ₀增大到400×μ₀，导电率从4.0×10⁶(1/Ωm)减少到3.08×10⁶(1/Ωm)，从而通过计算求出频率f与Δ|Z|和Δθ的关系的结果。

如该图所示，与先前的一般钢材中的结果相反，发现Δ|Z|在高频区域内急剧增加，Δθ在增加后转而减少，并具有增加的峰值即极大值(极值)。

特别是，f与Δθ的关系(以下称为f-Δθ线图)对应于试样表面的电磁特性的特征而显著变化。

残余应力的产生深度与Δθ的频率响应特性

图8是假定残余应力产生层的导磁率从200×μ₀减少到100×μ₀、导电率从4.0×10⁶(1/Ωm)减少到3.08×10⁶(1/Ωm)，从而计算当残余应力产生层的深度b变化时的f-Δθ线图的结果。

在残余应力产生层的深度是1～100μm的范围内，残余应力产生层的深度增加时，与此对应，f-Δθ线图中的表示极小值的频率f_p偏移到低频侧。

并且，在残余应力产生层的深度是1～20μm的范围内，残余应力产生层的深度增加时，极小值的绝对值|Δθ_p|也增加。

图9和图10示出通过同样的计算，针对残余应力产生层的导磁率为如下情况的2个图形所计算的结果：

(1)从100×μ₀减少到50×μ₀的情况，以及

(2)从400×μ₀减少到200×μ₀的情况。

如该图所示，在图9(导磁率从100×μ₀减少到50×μ₀的情况)中，在残余应力产生层的深度是1～150μm的范围内，以及在图10(导磁率从400×μ₀减少到200×μ₀的情况)中，在残余应力产生层的深度是1～70μm的范围内，表示极小值的频率f_p对应于残余应力产生层的深度增加而明显地偏移到低频侧。

并且，在图9(导磁率从100×μ₀减少到50×μ₀的情况)中，在残余应力产生层的深度是1～40μm的范围内，以及在图10(导磁率从400×μ₀减少到200×μ₀的情况)中，在残余应力产生层的深度是1～10μm的范围内，极小值的绝对值|Δθ_p|对应于残余应力产生层的深度增加而增加。

导磁率的变化与Δθ的频率响应特性

图11是计算出导磁率的变化给f-Δθ线图带来的影响的结果。

在残余应力产生层的深度是20μm、电阻率从4.0×10⁶(1/Ωm)减少到3.08×10⁶(1/Ωm)的情况下，将导电率的变化为如下情况的3个图形进行比较：

(1)从200×μ₀减少到50×μ₀的情况，

(2)从200×μ₀减少到100×μ₀的情况，以及

(3)从200×μ₀减少到150×μ₀的情况。

当导磁率的减少量增大时，Δθ的极小值Δθ_p明显减小。并且，Δθ的极小值Δθ_p根据导磁率的变化量大小而显著变化，另一方面，表示极小值Δθ_p的频率f_p的变化少许。

电阻率的变化与Δθ的频率响应特性

图12是计算出电阻率(导电率的倒数)的变化给f-Δθ线图带来的影响的结果。

在残余应力产生层的深度是20μm、导磁率从200×μ₀减少到50×μ₀的情况下，将导磁率的变化为下述的情况的3个图形进行比较：

(1)从ρ₂(＝25×10^-8Ωm)增加到1.1×ρ₂的情况，

(2)从ρ₂(＝25×10^-8Ωm)增加到1.3×ρ₂的情况，以及

(3)从ρ₂(＝25×10^-8Ωm)增加到1.5×ρ₂的情况。

当电阻率的增加量增大时，Δθ的极小值Δθ_p增大。并且，Δθ的极小值根据导磁率的变化量大小而显著变化，另一方面，表示极小值的频率的变化少许。

通过实测确认对应关系

按以上通过计算所求出的对应关系的存在也能使用以下所示的实验结果来证实。

把SKD61钢作为试样的实测

作为实施例1，以下示出针对进行了微粒子喷丸硬化处理的SKD61钢确认出残余应力的产生状态与Δθ和f_p的对应关系的结果。

对SKD61钢(硬度：HRC48)实施分4级改变喷丸的喷射速度的微粒子喷丸硬化，制成残余应力的产生状态不同的4种试样(样品)。

图13示出用X线检查出所准备的样品的距表面的深度和残余应力分布的结果。

当对由喷射条件的不同而引起的残余应力的产生状态进行比较时，喷射条件1的喷射速度最快，产生大的残余应力直到最深。

喷射速度仅次于喷射条件1快的是喷射条件2，其次是喷射条件3，喷射速度最低的是喷射条件4，从图13中发现，残余应力随着喷射速度的减少而减小，并且残余应力的产生深度变浅。

图14～图17示出在用X线进行残余应力测定之前，把本发明的方法应用于上述喷射条件1～4的各试样而获得的f-Δθ线图。

f-Δθ线图的形状根据喷射条件而明显不同。从该结果可以看出，当残余应力产生层变深时，出现Δθ的极值Δθ_p的频率f_p偏移到低频侧。并且，极小值的绝对值|Δθ_p |对应于残余应力的大小和深度也变化，因而通过上述的计算所求出的对应关系也能通过实测得到证实。

因此，针对想要进行非破坏检查的试样测定f-Δθ线图，并将其与图14～图17的结果进行比较，从而可判定其残余应力的产生状态。

另外，在该情况下，利用表示极值的频率f_p或者极小值的绝对值|Δθ_p|是便利的。

并且，作为例如产生残余应力的残余应力产生层的深度的代表值，取残余应力最大值的50％的深度，当从图13～图17求出该深度与f_p的关系时，得到图18。图18是对产生残余应力的深度进行非破坏检查的良好的校正曲线。

把SCr420钢作为试样的实测例

作为实施例2，示出把对渗碳淬火后的SCr420钢实施了微粒子喷丸硬化处理的钢用作试样，对残余应力的产生状态与Δθ和f_p的对应关系作了实测的结果。

图19是用X线测定出对SCr420钢进行微粒子喷丸硬化处理前后的残余奥氏体量的深度分布的结果。渗碳淬火后的SCr420钢包含残余奥氏体，对其进行微粒子喷丸硬化处理，残余奥氏体转变为马氏体，残余奥氏体的含有量减少。

图20是在X线测定前应用本发明的方法而获得的f-Δθ线图。当残余奥氏体转变为马氏体时导磁率增大，因而可确认出，对应于此，f-Δθ线图具有极大值，从而证实了存在与从上述的计算结果求出的相同关系。

另外，如上所述，当残余奥氏体转变为马氏体时导磁率增大，以及该导磁率的变化表现为f-Δθ线图的变化，因而根据f-Δθ线图还能对试样表面上的残余奥氏体含有量的变化进行非破坏检查。

非破坏检查方法

以上，如参照图6～图20所说明的那样，确认出，在以检查电路中的阻抗的频率响应特性为一例而表示该频率响应特性的f-Δθ线图中，明确表现出由于由喷丸硬化产生的残余应力的影响而变化的被处理材料表面的电磁特性的特征，并对应于残余应力的产生状态而示出特征变化。

特别是，确认出，Δθ的极值Δθ_p和表现该极值Δθ_p的频率f_p对应于残余应力产生层的深度、残余应力产生层的导磁率、电阻率(导电率)等的电磁特性而表现出特征变化。

本发明的非破坏检查方法着眼于这种对应关系，预先把配置在判明了残余应力分布的试样(样品)上的线圈(具有该线圈的检查电路)中的阻抗的频率响应特性作为例如f-Δθ线图来取得，并把配置在成为检查对象的试样上的同样的线圈(具有该线圈的检查电路)中的阻抗的频率响应特性作为同样的方法(例如f-Δθ线图)来取得，使用f-Δθ线图来将两者中的阻抗的频率响应特性进行比较，从而对检查对象中的残余应力产生状态进行检查而不伴有检查对象的破坏。

这种根据本发明的方法的检查可以构成为对例如样品与检查对象的f-Δθ线图在容许误差的范围内是否一致的检查，可将例如经过喷丸硬化处理作业线的喷丸硬化后的产品用作检查对象，用来检查所检查的产品的残余应力与样品相比较是否在容许误差的范围内(是否是加工不良)。

并且，可以构成如下：预先取得残余应力的产生状态不同的多个样品，并求出残余应力的产生状态的变化，例如残余应力的产生深度、残余应力产生层的导磁率、电阻率(或导电率)的变化与f-Δθ线图的变化的对应关系，从而针对残余应力的产生状态未知的检查对象，进行残余应力产生层的深度、残余应力产生层的导磁率、电阻率(导电率)的检查或测定。

并且，通过测定各样品中的残余应力值(例如表面上的残余应力值)，并取得与上述的各f-Δθ曲线的对应关系，可用于残余应力值的测定，而且，在检查对象是奥氏体系的钢材的情况下，存储奥氏体量的变化与f-Δθ线图的变化的对应关系，可以用于残余奥氏体量的检查或测定。

在样品的f-Δθ线图与检查对象的f-Δθ线图的比较中，如上所述Δθ的表示极值的Δθ_p及其绝对值|Δθ_p |以及产生上述极值的频率f_p针对残余应力的产生状态的变化而表现出显著变化，因而在本发明的方法中，在样品数据与检查对象数据的比较中，可使用Δθ_p、|Δθ_p |以及f_p中的任意一个或者使多个组合来用作比较时的点。

非破坏检查装置

图3示出用于实施以上说明的非破坏检查方法的本发明的非破坏检查装置作为一例。

如图3所示，本发明的非破坏检查装置具有检查电路和与该检查电路连接的检查装置主体。

检查电路设置有作为检查对象的配置在喷丸硬化后的被处理材料上的线圈，在将线圈以规定间隔配置在检查对象的喷丸硬化处理面上以使磁场产生方向成为与上述处理面正交的方向的状态下，测定上述线圈，更详细地说是测定具有上述线圈的检查电路中的阻抗的频率响应特性，从而检查在检查对象中产生的残余应力。

在图示的实施方式中，上述检查电路仅由线圈和将该线圈与检查装置主体间连接的电缆构成，然而只要不背离本发明的目的，也可以在检查电路中包含其他要素。

与该检查电路连接的检查装置主体如图4所示具有：检查信号产生单元，其由振荡电路等构成，把交流检查信号输出到上述的检查电路；存储单元，其用于存储上述的样品数据；测定单元，其用于测定检查电路中的阻抗的频率响应特性；以及CRT、液晶画面、扬声器等的显示单元，其以视觉和/或听觉方式显示检查结果，并且还具有中央处理装置，其对上述各单元的动作进行总体控制。

并且，该检查装置主体还设置有用于把各种指令等输入到该中央处理装置的键盘、触摸面板等的输入单元。

上述中央处理装置根据由预先设定的程序等所规定的动作来控制上述各单元的动作，通过执行该中央处理装置中的程序来执行控制上述各单元的动作所需要的各种控制。

图5示出表示由上述中央处理装置所实现的各单元的功能框图。

在图5中，检查信号控制单元使针对作为振荡电路等的上述的检查信号产生单元的输入信号变化，控制由检查信号产生单元输出到检查电路的检查信号的频率。

并且，计算单元根据由上述的测定单元所测定的检查电路的例如阻抗来计算例如上述的Δθ，并求出所算出的Δθ的极值Δθ_p，以及根据需要求出其绝对值|Δθ_p |，而且指定产生该极值Δθ_p的检查信号的频率f_p。

比较单元把上述计算单元的计算结果，例如检查对象的Δθ_p、|Δθ_p |、f_p等与预先存储在上述的存储单元内的样品数据进行比较。

判定单元根据该比较单元的比较结果，判定样品数据与检查对象数据的一致/不一致，或者在存储单元内作为样品数据存储有Δθ_p、|Δθ_p|、f_p的变化与残余应力产生层的深度、残余应力产生层的导磁率和电阻率(导电率)等的对应关系的情况下，根据该对应关系来判定残余应力产生层的深度、导磁率和电阻率(导电率)。

判定单元的判定结果被输出到上述的显示单元，以视觉方式和听觉方式来显示。例如在判定单元的判定是判定样品数据与检查对象数据是否在容许误差的范围内，例如是判定检查对象的加工不良等的情况下，可以将判定结果通过扬声器产生警告音、或者使警告灯亮灯等来进行显示，并且，在对残余应力产生层的深度、导磁率、电阻率(导电率)等进行判定的情况下，可以将判定结果作为数值等显示在CRT或液晶画面等上。

Claims (12)

1.一种喷丸硬化处理面的非破坏检查方法，该方法是把实施了喷丸硬化的钢材作为检查对象的残余应力检查方法，其特征在于，

在该方法中：

把设置在检查电路内的线圈配置在与上述检查对象相同材质、且判明了残余应力的产生状态的样品的喷丸硬化处理面上，并在使频率变化的同时，把交流信号输入到该检查电路，测定上述检查电路中的阻抗的频率响应特性，并将其作为样品数据来取得；

把设置在上述检查电路内的线圈配置在上述检查对象的喷丸硬化处理面上，并在使频率变化的同时，把交流信号输入到该检查电路，测定上述检查电路中的阻抗的频率响应特性，并将其作为检查对象数据来取得；

把上述检查对象数据与上述样品数据进行比较，根据在上述样品中所判明的残余应力的产生状态来检查上述检查对象中的残余应力的产生状态。

2.根据权利要求1所述的喷丸硬化处理面的非破坏检查方法，其特征在于，

对应于上述输入信号的频率的变化，把在上述检查电路中产生的电压和电流的相位角的变化作为上述阻抗的频率响应特性来测定。

3.根据权利要求2所述的喷丸硬化处理面的非破坏检查方法，其特征在于，

把设置在上述检查电路内的线圈配置在与上述检查对象相同材质、且未进行喷丸硬化处理的基准材料的表面上，并在使频率变化的同时，把交流信号输入到该检查电路，把上述检查电路中的电压和电流的相位角的变化作为基准数据来取得；

使用上述基准数据与上述样品数据的差和上述基准数据与检查对象数据的差来把上述样品数据与上述检查对象数据进行比较。

4.根据权利要求3所述的喷丸硬化处理面的非破坏检查方法，其特征在于，

将表示上述相位角差相对于频率的变化而变化的峰值的值作为极值来求出，把上述极值和/或产生上述极值的频率用作上述检查对象数据和样品数据的比较点。

5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的喷丸硬化处理面的非破坏检查方法，其特征在于，

根据上述检查对象数据与上述样品数据的比较，检查或测定通过喷丸硬化而产生在检查对象表面上的残余应力产生层的深度。

6.根据权利要求1～5中的任意一项所述的喷丸硬化处理面的非破坏检查方法，其特征在于，

根据上述检查对象数据与上述样品数据的比较，检查或测定通过赋予由喷丸硬化引起的残余应力而产生的残余应力产生层的导磁率和/或电阻率。

7.一种喷丸硬化处理面的非破坏检查装置，该装置是把实施了喷丸硬化的钢材作为检查对象的残余应力检查装置，其特征在于，

该装置具有：

检查电路，其具有配置在检查对象上的线圈；

检查信号产生单元，其在使频率变化的同时，把交流信号输出到上述检查电路；

测定单元，其测定上述检查电路中的阻抗的频率响应特性；

存储单元，其将把上述检查电路的上述线圈配置在与上述检查对象相同材质、且判明了残余应力的产生状态的样品上而测定的阻抗的频率响应特性作为样品数据来存储；

比较单元，其将把上述检查电路的上述线圈配置在上述检查对象上而测定的上述检查电路的阻抗的频率响应特性作为检查对象数据，把该检查对象数据与存储在上述存储单元内的上述样品数据进行比较；以及

判定单元，其根据上述比较单元的比较结果，基于在上述样品中所判明的残余应力的产生状态来判定上述检查对象中的残余应力的产生状态。

8.根据权利要求7所述的喷丸硬化处理面的非破坏检查装置，其特征在于，

上述测定单元把对应于上述输入信号的频率的变化而在上述检查电路中产生的电压和电流的相位角的变化作为上述检查对象数据来测定；并且

上述存储单元把对应于输入信号的频率的变化而在上述样品上的上述检查电路中产生的电压和电流的相位角的变化作为上述样品数据来存储。

9.根据权利要求8所述的喷丸硬化处理面的非破坏检查装置，其特征在于，

上述存储单元把在与上述检查对象相同材质、且未进行喷丸硬化处理的基准材料上的上述检查电路中产生的电压和电流的相位角的变化作为基准数据来存储；并且

上述比较单元把上述基准数据和上述样品数据的差与上述基准数据和上述检查对象数据的差进行比较。

10.根据权利要求9所述的喷丸硬化处理面的非破坏检查装置，其特征在于，

把表示上述相位角差相对于频率的变化而变化的峰值的值作为极值，上述比较单元把上述极值和/或产生上述极值的频率作为上述检查对象数据和样品数据的比较点。

11.根据权利要求7～10中的任意一项所述的喷丸硬化处理面的非破坏检查装置，其特征在于，

上述存储单元把残余应力产生层的形成深度的变化与伴随该残余应力产生层的形成深度的变化而变化的上述检查电路中的阻抗的频率响应特性的对应关系作为上述样品数据来存储；并且

上述判定单元对应于上述比较单元的比较结果，根据上述对应关系来判定产生在检查对象表面上的残余应力产生层的形成深度。

12.根据权利要求7～11中的任意一项所述的喷丸硬化处理面的非破坏检查装置，其特征在于，

上述存储单元把残余应力产生层的导磁率和/或电阻率的变化与伴随该导磁率和/或电阻率的变化而变化的上述检查电路中的阻抗的频率响应特性的对应关系作为上述样品数据来存储；并且

上述判定单元对应于上述比较单元的比较结果，根据上述对应关系来判定产生在检查对象表面上的残余应力产生层的导磁率和/或电阻率。

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