JP2001201432A

JP2001201432A - モニター材、モニター材を用いた疲労損傷度測定方法およびモニター材付き機械部品

Info

Publication number: JP2001201432A
Application number: JP2000008748A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kako; 浩家口; Hiroyuki Mitani; 宏幸三谷; Kiyoyuki Nagano; 清幸永野
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2000-01-18
Filing date: 2000-01-18
Publication date: 2001-07-27

Abstract

(57)【要約】【課題】機械部品の疲労損傷度について信頼性の高い
測定結果を得ることができるようにする。【解決手段】金属材料で調製したモニター材２を機械
部品１に一体に付着して機械部品１と同一の疲労損傷を
与えるようにし、この疲労損傷したモニター材２を取り
外してこのモニター材２に所定の試験を施すことによっ
て機械部品１の疲労損傷度を測定する金属材料の疲労損
傷度測定方法において、上記モニター材２としてアルミ
ニウム、アルミニウム合金または軟鋼からなる母材から
切り出したものを用いるとともに、上記母材としてモニ
ター材２の所定の特性が所定の範囲内に納まる均質なも
のを採用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機械部品の疲労損
傷度を測定するために機械部品に取り付けられるモニタ
ー材、モニター材を用いた疲労損傷度測定方法およびモ
ニター材付き機械部品に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】機械部品は、本来的に塑性変形が起こら
ないように設計段階でその強度が設定されて製造される
が、機械を運転すると各所の構成部品に圧縮力や引っ張
り力が絶え間なく負荷されることから機械部品の内部に
繰返し応力が発生する。かかる繰返し応力は、短期間の
機械の使用では問題が生じることはないが、長期間に亘
って繰返し応力が発生すると、機械部品を構成している
金属材料が劣化する、いわゆる疲労損傷が起こり、つい
には破断して使用不能になる。

【０００３】かかる破断は、発生する応力の繰返し数が
１０⁶〜１０⁷回に達したときに生じるのが一般的である
が、繰返し応力は、その強さや周期が不特定であった
り、複合的に生じる場合がある等、機械の使用状況に応
じたものであるため、疲労損傷の度合い（疲労損傷度）
を的確に把握することは困難である。

【０００４】そこで、従来、機械部品からサンプルを採
取して各種の手法でそのサンプルを検査する破壊試験が
採用されることが多いが、破壊試験の場合は、サンプル
を採取した部分を元に修復しなければならず、また、場
合によっては修復が不可能なこともあるため、全ての機
械部品を対象として適用することができるとは限らな
い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】かかる不都合を解消す
るものとして、機械部品の適所に金属製のモニター材を
一体に貼付してこのモニター材に機械部品と同様の繰返
し応力が生じるようにし、所定の期間が経過した後にこ
のモニター材を剥がし取ってその疲労損傷度を測定する
ようにしたモニター法が採用されることがある。かかる
モニター法によれば、機械部品に破壊検査を施さなくて
もモニター材を調べることで、同じ繰返し応力を得てい
る機械部品の疲労損傷度を推定することが可能であり、
機械部品を傷付けることなく精度のよい結果が得られる
方法であるとして各所で多用されている。

【０００６】ところで、モニター材は、大きなモニター
用の母材から切り取られて形成されるが、母材が材質的
に均一でない場合には、切り取られたモニター材の材質
にばらつきが生じる。従って、ばらつきの大きなモニタ
ー材を用いて機械部品の疲労損傷度を評価した場合に
は、使用したモニター材によって結論が異なってくるこ
とになり、評価結果は信頼性が乏しいものになる。

【０００７】しかしながら、従来、モニター用の母材に
ついてはこのようなことには注目されずに使用されてい
たことが実状であり、従って、モニター法で得られた結
果は、信頼性の点で問題点を有していた。

【０００８】本発明は、上記のような問題点を解消する
ためになされたものであり、機械部品の疲労損傷度につ
いて信頼性の高い測定結果を得ることができるモニター
材、モニター材を用いた疲労損傷度測定方法およびモニ
ター材付き機械部品を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
同一の疲労損傷が与えられるように機械部品に一体的に
取り付けられ、機械部品から回収して機械部品の疲労損
傷度の測定用として供される金属製のモニター材であっ
て、疲労損傷度の指標として採用される特性が所定の範
囲内に納まる母材から切り出したものであることを特徴
とするものである。

【００１０】この発明によれば、モニター材を切り出す
母材は、モニター材の所定の特性が所定の範囲内に納ま
るもの、すなわち均質なものが採用されるため、かかる
母集団としての母材から切り出された複数のモニター材
は、それぞれ非常に高い確率で均等なものであり、従っ
て、同じ母材からモニター材を切り出した場合、その特
性に許容範囲を越えたばらつきが存在することはなく、
モニター材を用いた機械部品の疲労損傷度の測定結果
は、モニター材の特性のばらつきが大きいことにより精
度が悪いという従来の不都合が解消され、高精度にな
る。

【００１１】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、上記母材は、アルミニウム、アルミニウム
合金または軟鋼製のものであることを特徴とするもので
ある。

【００１２】この発明によれば、アルミニウム、アルミ
ニウム合金または軟鋼は、繰返し応力による疲労損傷に
おいて結晶組織内に等方性の転位セルが生じ易く、かか
る転位セルの形成状態は疲労損傷度を知るための非常に
適切な指標になるため、モニター材としてアルミニウム
等を採用することにより、他の金属材料をモニター材と
して用いる場合より機械部品の疲労損傷度がより的確に
かつ高精度で推定される。

【００１３】請求項３記載の発明は、請求項１または２
記載の発明において、上記母材の特性は、Ｘ線回折にお
ける回折Ｘ線強度のピークの半価幅であることを特徴と
するものである。

【００１４】この発明におけるＸ線回折の半価幅とは、
Ｘ線をモニター材に照射したときの回折Ｘ線の強度曲線
におけるピーク強度の１／２の強度に対応した回折角の
角度幅である。これら結晶粒径および半価幅は、疲労損
傷度を評価する場合の好適な指標となるものであり、か
かる指標に基づく母材の適否判定を行う請求項３の発明
は理にかなっている。

【００１５】請求項４記載の発明は、請求項３記載の発
明において、上記母材は、略均等に離間した複数の被測
定位置における半価幅の標準偏差を平均半価幅で除した
値が０．２５以下のものであることを特徴とするもので
ある。

【００１６】この発明によれば、母材の半価幅は、十分
に均一であるとみなすことができ、かかる母材から切り
取られたモニター材は、どの部分から切り取られたもの
であっても、機械部品の疲労損傷度を適正にモニターす
ることが可能になる。

【００１７】請求項５記載の発明は、請求項１または２
記載の発明において、上記母材の特性は、結晶粒径であ
り、上記母材は、略均等に離間した複数の被測定位置に
おける結晶粒径の平均値が５〜５００μｍのものであ
り、かつ、上記結晶粒径の標準偏差を平均結晶粒径で除
した値が０．５０以下のものであることを特徴とするも
のである。

【００１８】この発明によれば、結晶粒径の平均値が５
〜５００μｍのものであり、かつ、上記結晶粒径の標準
偏差を平均結晶粒径で除した値が０．５０以下の母材か
ら切り取られたモニター材を機械部品に付着することに
より機械部品の疲労損傷度を適正にモニターすることが
可能になる。

【００１９】請求項６記載の発明は、請求項５記載の発
明において、上記母材は、厚さ寸法が平均結晶粒径の５
倍以上のものであることを特徴とするものである。

【００２０】この発明によれば、母材を所定の大きさに
切断するだけで、変質していない状態のモニター材が容
易に得られる。また、モニター材の厚さ寸法が、結晶粒
径に対して５倍以上であると、疲労損傷により金属結晶
中の転位セル組織が生じ易く、機械部品の疲労損傷度を
測定するための好適なモニター材が得られる。

【００２１】請求項７記載の発明は、請求項１乃至６の
いずれかに記載のモニター材を用いて機械部品の疲労損
傷度を測定する疲労損傷度の測定方法であって、モニタ
ー材を同一の疲労損傷が与えられるように機械部品に一
体的に取り付け、所定期間使用後に機械部品から回収
し、このモニター材に所定の試験を行い、この試験結果
に基づいて機械部品の疲労損傷度を評価することを特徴
とするモニター材を用いた疲労損傷度の測定方法であ
る。

【００２２】この発明によれば、請求項１記載の発明と
同じ作用効果が得られ、機械部品の疲労損傷度に対する
信頼性の高い測定結果を得ることができる。

【００２３】請求項８記載の発明は、請求項７記載の発
明において、上記所定の試験は、モニター材の疲労損傷
による金属組織中の転位によって形成したセルのセル壁
厚さを測定することによって行われるものであることを
特徴とする疲労損傷度の測定方法である。

【００２４】この発明によれば、金属の疲労損傷度とセ
ル壁厚さとの間には、相関関係が存在するため、モニタ
ー材の疲労損傷度が極めて高精度で測定され、これによ
ってモニター材の付着された機械部品の損傷度を高精度
で推定することが可能になる。

【００２５】請求項９記載の発明は、上記請求項１乃至
６のいずれかに記載のモニター材の取り付けられた部品
本体を有する機械部品であって、部品本体と、この部品
本体と同一の疲労損傷が与えられるように部品本体に一
体に付着された金属製のモニター材とからなることを特
徴とするモニター材付き機械部品である。

【００２６】この発明によれば、機械部品は、その疲労
損傷度が適正に評価されるため、この評価結果に基づい
た補修計画や更新計画が適正に立てられる。

【００２７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係るモニター材
が付着された機械部品の一実施形態を示す説明図であ
る。なお、本発明においては、機械とは、外力に抵抗し
得る物体の結合からなり、一定の相対運動をなし、外部
から与えられたエネルギーを有用な仕事に変換する、い
わゆる通常の意味での機械であることはもちろんのこ
と、ビルディングや倉庫等の建造物、反応槽や貯槽さら
には加熱炉や高炉等の化学装置等を含む概念で使用して
いる。また、部品とは、上記のような機械の構成要素に
なるものであり、駆動軸や従動軸さらには支持軸等の各
種の軸類、内部あるいは外部の構造体を支持するフレー
ム類、柱や支柱類、外壁や仕切壁等の壁類等を含む概念
で使用している。従って、機械部品とは、上記のような
機械に用いられる構成要素ということになる。

【００２８】モニター材２は、図１に示すように、機械
部品１の適所に溶接止めその他で一体に付着（貼着ある
いは取り付け）されるものであり、通常、短冊形に形成
されている。そして、機械部品１に加わる繰返しの荷重
（図１に矢印で表示）が機械部品１と一体のモニター材
２に伝達され、これによる機械部品１内に生じるのと同
様の繰返し応力の発生でモニター材２は、疲労損傷が機
械部品１と同様の傾向で進行するようになっている。

【００２９】従って、機械部品１の稼働が所定期間継続
された時点で、モニター材２を機械部品１から剥がし取
り、このモニター材２を所定の疲労損傷度の測定方法で
測定することにより、この測定結果で破壊試験を行うこ
となく機械部品１の疲労損傷度を推し測ることが可能で
ある。かかる機械部品１の疲労損傷度の測定方法が、い
わゆるモニター法である。

【００３０】モニター材２の材料としては、アルミニウ
ム、アルミニウム合金および軟鋼の内のいずれかが採用
されるのが好ましい。このような材料が採用されるの
は、疲労損傷の進行に応じた結晶の転位で金属組織内に
セル壁に囲まれた転位セルが生じ易く、かかる転位セル
は、疲労損傷度に対して高精度の指標になり得るからで
ある。

【００３１】図２は、モニター材の母材を示す斜視図で
ある。母材３とは、モニター材２の元になる材料であ
り、この母材３を、図２に二点鎖線で示すように、所定
の平面形状（図２に示す例では所定の平面寸法の矩形
状）に切り取ることによってモニター材２が得られる。
そして、本発明においては、疲労損傷度の面から見た所
定の特性（後に詳述する結晶粒径および半価幅）が均一
なものが母材３として採用される。

【００３２】そして、本発明では、母材として、略均等
に離間（分散）した５個所以上の位置における特性が測
定される。これらの特性値が、過去の知見に基づいて統
計的に許容される予め設定されたばらつきの範囲内に納
まっているか否かが判断されることによってその母材３
の採否が決定される。５個所以上の位置が設定されるの
は、少なくとも５個所から測定値が得られると、測定値
の統計的な処理が意味のあるものになるとともに、所定
の確率で母集団を推定することができ、これによって母
材３が均質であるか否かを判定し得るからである。

【００３３】図３は、特性測定位置の設定の一例を示す
平面図である。この例は、横長の母材３に１０個所の特
性測定位置を設定する場合のものである。この図に示す
ように、母材３の表面には、縦方向で均等に２分されて
横方向に延びる２分線が引かれるとともに、横方向に５
等分されて縦方向に延びる５本の区分線（いずれも二点
鎖線で表示）が引かれ、これら２分線および５本の区分
線で１０等分されることによって同一面積の第１区画４
０、第２区画４１、…、第ｉ区画４ｉ、…、第１０区画
４９からなる合計１０の区画４が形成される。そして、
各区画４の中央位置に第１測定位置４ａ（点描で表示）
が設定されるとともに、各区画４の縁部（母材３の長尺
側の縁部）に第２測定位置４ｂ（点描で表示）が設定さ
れ、これらの測定位置４ａ，４ｂにおける特性が測定さ
れることになる。

【００３４】そして、本実施形態においては、特性とし
て母材３の結晶粒径およびＸ線回折の半価幅が採用され
る。以下、結晶粒径および半価幅について説明する。

【００３５】結晶粒径は、母材３の金属組織内に形成し
た結晶の粒を球状と見立ててその直径寸法を示すもので
あり、通常、ＪＩＳＨ０５０１によって測定される。Ｊ
ＩＳＨ０５０１には、比較法、切断法および球積法が示
されているが、本実施形態では切断法を採用している。
この切断法は、母材３を切断してその切断面を電解また
は機械的方法によって研磨したあと化学的腐食によって
組織を露にした状態で、倍率を１００倍に設定した光学
顕微鏡によって結晶を目視しながら各結晶の径寸法を測
定していき、最後に算術平均で結晶粒径を求めるもので
ある。径寸法は、顕微鏡の映像上で既知の長さの線分に
よって完全に切られる結晶粒の数を数え、これから逆算
して求める。

【００３６】そして、図３に示す母材３の長手方向の縁
部が各第２測定位置４ｂに掛かるように直線Ｌに沿って
切断され、切断面の第２測定位置４ｂの部分が被検に供
される。本実施形態においては、まず、上記１０個所の
第２測定位置４ｂの結晶粒径を測定することによって得
られた値が下記の式によって平均されて平均値が求めら
れる。ｄ_ave＝（Σ（ｄｉ））／ｎ）（ｉ＝１〜ｎ）（但し、ｄ_ave：結晶粒径の平均値、ｄｉ：第２測定位
置４ｂにおける結晶粒径の測定値、ｎ：データ点数（本
実施形態ではｎ＝１０））。

【００３７】ついで、上記１０点の結晶粒径ｄｉについ
て以下の式により標準偏差（σｄ）が求められる。 σｄ＝（Σ（ｄｉ−ｄ_ave）²）／ｎこの標準偏差σｄがさらに上記平均値ｄ_aveで除されて
単位粒径当りの標準偏差（σｄｕ）が計算される。 σｄｕ＝σｄ／ｄ_ave。

【００３８】そして、本実施形態においては、平均結晶
粒径ｄ_aveの値が、５〜５００μｍの範囲内に納まって
いることが、母材３として採用される第１の条件とされ
る。このような範囲が設定されるのは、５００μｍを越
えると金属結晶のセル組織に異方性が現出し、多滑り系
による転位セルが形成され難くなることにより後述する
転位セルの壁厚さの測定が困難になるとともに、サンプ
リング場所によって粒径のばらつきが大きくなるが、か
かる不都合を回避するためである。また、５μｍ未満の
場合は、結晶粒径がセル組織と同等の大きさになり、こ
れによって転位セルの発達が抑制されるばかりか、転位
セルとの区別がつき難くなり、これによってセル壁厚さ
の測定が困難になるが、かかる不都合を回避するために
５μｍ以上の結晶粒径のものが採用される。

【００３９】なお、本発明は、平均結晶粒径ｄ_aveの値
が５〜５００μｍの範囲内でも特に１０〜１００μｍが
より好適である。

【００４０】ついで、母材３は、その厚さ寸法ｔが平均
結晶粒径ｄ_aveの５倍以上、好ましくは７倍以上に設定
される。これが母材３の第２の条件である。母材３の厚
さ寸法ｔが平均結晶粒径ｄ_aveの５倍以上に設定される
のは、５倍未満であると金属組織内にセル組織が生じ難
く、セル組織が形成されても異方性のものになる場合が
多く、等方性のセル組織が好適な疲労損傷のモニター用
としては不向きだからである。

【００４１】実際には母材３の厚み寸法は、対象となる
機械部品１の種類によって異なるが、概ね０．５ｍｍ〜
５０ｍｍ（好ましくは０．８ｍｍ〜１０ｍｍ）の範囲内
のものが採用される。因みに、０．５ｍｍ未満である
と、薄すぎることによってハンドリングが困難になり、
ハンドリング中に変形してしまうような不都合が生じる
一方、５０ｍｍを越えると厚すぎることによってそのま
ま使用すると機械部品１の繰返し応力に確実に追随し得
なくなる。

【００４２】上記の実施形態においては、モニター材２
の厚み寸法と、母材３の厚み寸法とが同一である場合に
ついて説明したが、本発明は、モニター材２および母材
３の厚み寸法が同一であることに限定されるものではな
く、母材３としてその厚み寸法がモニター材２の厚み寸
法に比べて格段に厚い塊状のものを採用してもよい。

【００４３】但し、かかる塊状の母材３を採用する場合
には、モニター材２を切り取るときに幅方向に向かう切
断だけではなく、所定の厚みになるようにスライスしな
ければならない。

【００４４】つぎに上記半価幅に関連してＸ線回折法に
ついて図４を基に説明する。図４は、Ｘ線回折法を説明
するための図であり、（イ）は、結晶にＸ線が照射され
た状態を示す説明図、（ロ）は、回折Ｘ線の強度を示す
グラフである。Ｘ線回折法とは、Ｘ線源５１からのＸ線
を、入射角θで結晶６の結晶面に照射することにより得
られる反射Ｘ線（回折Ｘ線）の強度を検出器５２で検出
し、この検出結果を解析することにより結晶構造を解明
するために本来用いられるものである。

【００４５】そして、種々入射角θを変えてＸ線源５１
から照射されたＸ線は、結晶表面６１および表面から２
番目の結晶面６２でそれぞれ反射して回折Ｘ線なり、互
いに干渉し合いながら所定のＸ線強度になって検出器５
２で検出され、この検出結果に基づいて入射角θとの関
連で結晶構造が解明されるのであるが、本発明において
は、かかる回折Ｘ線の強度と回折角２θ（入射角θ×２
の角度）との間の所定の関係から定義される半価幅を、
母材３の適否を判定するための指標として用いるのであ
る。因みに、半価幅を金属材料の疲労損傷度を評価する
ための指標として用いることについては、特開昭５６−
８７８４９号公報に開示されている。

【００４６】以下この半価幅について図４の（ロ）のグ
ラフに基いて説明する。このグラフにおいては、縦軸に
回折Ｘ線強度Ｈの値を目盛り、横軸に回折角２θの値を
目盛っている。そして、回折角２θが「０°」から順次
大きくなるようにＸ線源５１を、図４の（イ）に示すＸ
線の結晶表面６１上の照射点回りに時計方向に回動させ
ていくとともに、検出器５２を同照射点回り反時計方向
に回動させることにより、回折角２θに対応した回折Ｘ
線強度を検出器５２で検出し、回折角２θの値に対応し
た回折Ｘ線強度Ｈの値をプロットしたのが図４の（ロ）
のグラフである。

【００４７】このようなグラフにおいて、回折Ｘ線強度
Ｈのピーク値Ｈｐの１／２の値をＨｍとしたとき、この
１／２値Ｈｍと強度曲線との交点ＰおよびＱに対応する
回折角２θの値２θｐと２θｑとの間の角度幅が半価幅
Ｂである（すなわち、Ｂ＝２θｑ−２θｐ）。

【００４８】そして、本発明においては、このような半
価幅Ｂが母材３の評価に適用されるのである。このよう
な半価幅Ｂが母材３の評価に用いられるのは、半価幅Ｂ
と金属材料の疲労損傷度との間には高度な相関関係が存
在し、半価幅が疲労損傷度を知る上で重要な指標になり
得るからである。すなわち、半価幅Ｂの値が均一な金属
材料は、モニター材２を切り出す母材３として適用し得
るのである。

【００４９】かかる半価幅Ｂは、図３に示す母材３の各
区画４における第１測定位置４ａにＸ線源５１からのＸ
線を照射することによって測定される。本実施形態にお
いては、第１区画４０、第２区画４１、…、第ｉ区画４
ｉ、…、第１０区画４９の各第１測定位置４ａに順次Ｘ
線が照射されてその回折Ｘ線強度が検出器５２によって
検出されるとともに、検出器５２に接続された図略のマ
イクロコンピュータによって半価幅Ｂｉ（ｉ＝１〜１
０）が演算される。なお、１個所の第１測定位置４ａに
おいて、半価幅Ｂの測定は、１点であってもよいし、複
数点の測定結果の平均値であってもよい。

【００５０】ついで、各半価幅Ｂｉの平均値Ｂ_aveおよ
び標準偏差σｂが以下の式によって演算される。Ｂ_ave＝（ΣＢｉ）／ｎ、（但しｉ＝１〜ｎ、ｎ＝１
０） σｂ＝（Σ（Ｂｉ−Ｂ_ave））／ｎ、（但しｉ＝１〜
ｎ、ｎ＝１０）引き続き、半価幅の標準偏差σｂを、同平均値Ｂ_aveで
除すことにより単位半価幅当りの標準偏差σｂｕが演算
される。σｂｕ＝σｂ／Ｂ_aveそして、このようにして
得られた単位半価幅当りの標準偏差σｂｕが０．２５以
下のものが、モニター材２を切り出すための母材３とし
て合格品とされる。すなわち、単位半価幅当りの標準偏
差σｂｕが０．２５以下であることが、母材３の第３の
条件である。

【００５１】以上をまとめると、本発明の母材３は、均
等に分散された複数個所（少なくとも５個所またはそれ
以上）の被検位置からサンプリングすることを前提と
し、母材３の平均結晶粒径ｄ_aveの値が、５〜５００μ
ｍの範囲内に納まっていることが第１の条件とされ、母
材３の厚さ寸法ｔが平均結晶粒径ｄ_aveの５倍以上であ
ることが第２の条件とされ、母材３の半価幅Ｂについて
単位半価幅当りの標準偏差σｂｕが０．２５以下である
ことが第３の条件される。

【００５２】そして、このような３つの条件の全てにつ
いて満足するものがモニター材２を切り出すための母材
３として採用されるのである。このような母材３は、通
常母材３の原料に均一化処理を施すことによって得るこ
とができる。均一化処理としては、所定の高温環境内に
所定時間原料を置いた後に放冷する熱処理（いわゆる焼
きなまし）や、付与方法および付与量を一定にした歪み
付与、あるいはそれらの組み合わせを挙げることができ
る。

【００５３】つぎに、このような母材３から切り出され
たモニター材２を用いて行う転位組織の転位セル壁厚さ
法について説明する。この方法は、機械部品１に付着さ
れたモニター材２を剥がして切断し、この切断面を高倍
率（１万倍以上）の顕微鏡で観察して行うものである。

【００５４】まず転位組織とは、金属結晶に転位が導入
されたことにより形成される結晶組織のことである。転
位は、結晶格子の構造上の乱れである格子欠陥の一種で
あり、本発明が対象としている機械部品１にはその稼働
によって生じる各種の繰り返しの内部応力が発生し、機
械部品１を構成している金属結晶に格子欠陥が起こり、
転位組織が形成されると考えられる。この転位組織を観
察することにより、疲労損傷の度合いを推し測ることが
可能であるが、本発明においては、単に定性的に転位組
織を観察するのではなく、後に詳述するように、転位組
織の観察から疲労損傷の度合い（疲労損傷度）を定量的
にとらえるための指標（パラメータ）の値を得るように
している。

【００５５】ついで疲労損傷度とは、対象物（機械部品
１）に対して所定の周期で繰り返し加えられる負荷によ
り対象物内部に生じる応力に起因して対象物が破断して
しまう繰返し数を「Ｎｆ」（破断繰返し数）とした場
合、この「Ｎｆ」に対する実際に行われた繰返し数（実
繰返し数）「Ｎ」の割合「Ｎ／Ｎｆ（実繰返し比）」の
ことである。従って、疲労損傷度が１のとき（すなわち
実繰返し数Ｎが破断繰返し数Ｎｆと等しくなったとき）
は、破断が起こって対象物の寿命は「０」ということに
なる。

【００５６】従って、モニター材２の破断繰返し数Ｎｆ
を試験により予め把握しておくことにより、モニター材
２に加えられた負荷の実繰返し数Ｎが判ると、「Ｎ／Ｎ
ｆ」を計算することによってモニター材２が破断するま
でのどの時点に位置しているかを知ることができる。し
かしながら、実際には機械部品１の稼働開始後の任意の
時点で実繰返し数Ｎの値を知ることができないのが通常
であるが、発明者らは先に転位組織の観察を行って上記
パラメータの値を知ることにより「Ｎ／Ｎｆ」の値を得
ることができることを見出した。このことは、特許第２
９１４２５４号公報に記載されている。

【００５７】以下、転位組織の観察から疲労損傷の度合
い（疲労損傷度）を定量的にとらえるための上記パラメ
ータについて説明する。図５は、機械部品１から剥がし
たモニター材２の切断面を１５０００倍の顕微鏡で見た
状態の説明図であるが、この図に示すように、セルが形
成された転位組織１０は、多数の転位セル１１と、各転
位セル１１の内部組織を取り囲むように形成されたセル
壁１２とからなっている。セル壁１２は、繰返しの応力
によって生じたモニター材２を構成する金属組織の転位
により原始変位が集中した部分である。そして、セル壁
１２の壁厚さは、疲労損傷の本質に係るものであるた
め、この壁厚さをパラメータとして採用することにした
のである。

【００５８】このような転位組織１０のセル壁１２の壁
厚さをパラメータとして疲労損傷度を評価する方法につ
いて以下説明する。

【００５９】この評価方法により疲労損傷度を評価する
ためには、セル壁１２の壁厚さを測定することから始め
なければならない。そのために顕微鏡下におけるセル壁
１２の壁厚さｓｉ（略０．１０μｍ〜０．３５μｍ）を
多数実測して下記式でその平均値ｓを計算することによ
りパラメータである壁厚さの値を得ることにした。

【００６０】ｓ＝（ｓ１＋ｓ２＋…＋ｓｎ）／ｎ… なお、ｎはデータ点数である。本実施形態においては８
０点の壁厚さのデータを採用し、その平均値でパラメー
タの値としているが、データの採取点数については特に
限定はない。

【００６１】このようにして得られた多くのセル壁厚さ
ｓの値のデータと、実繰返し比（Ｎ／Ｎｆ）とを半対数
グラフにプロットしたグラフが図６である。なお、この
グラフでは、横軸に対数目盛を採用して実繰返し比（Ｎ
／Ｎｆ）を設定しているとともに、縦軸に通常の１０進
数目盛を採用して壁厚さｓｉを設定している。また、実
繰返し数Ｎにおける繰返し応力の応力振幅値（１回の応
力負荷の値）σについては、６７ＭＰａ〜７７ＭＰａの
範囲内で種々値を変えて試験している。図６のグラフに
示すように、セル壁厚さｓと実繰返し比（Ｎ／Ｎｆ）と
の間には以下の式に示す高度な相関関係の存在すること
が判る。

【００６２】ｓ＝ａｌｏｇ（Ｎ／Ｎｆ）＋ｂ… なお、ａは比例常数であり、ｂはＹ切片（常数）であ
る。

【００６３】そして、本実施形態においては、モニター
材２の切断面を顕微鏡下で観察してそれぞれについて上
記式によりセル壁厚さｓを算出し、ついで得られたセ
ル壁厚さｓの平均値ｓ０と、予め試験して既知である破
断繰返し数Ｎｆの値とを式を変形した式に代入する
ことにより、実繰返し数Ｎを算出するのである。

【００６４】Ｎ＝Ｎｆ×（１０^(s0-b)・^(1/a)）… このようにして算出された実繰返し数Ｎの値は、機械部
品１の稼働開始からモニター材２を剥がしたときまでの
期間（Ｙ年）に対応したものである。すなわち評価時点
でのモニター材２の疲労損傷度は、ＮおよびＮｆに数値
が代入されて計算された実繰返し比（Ｎ／Ｎｆ）という
ことになる。因みに、比例計算で下記式により残りの耐
用年数（余寿命）（Ｘ年）を計算することができる。

【００６５】Ｘ＝Ｙ×（Ｎｆ／Ｎ−１）… なお、実際にこの方法で余寿命を推定するに際しては、
式のばらつきを考慮して式のＮの値を、１より大き
い安全係数を乗じた値にするのが好ましい。安全係数と
してどのような値を採用するかについては、機械部品１
の稼働条件を総合的に勘案して決められるが、通常、１
〜２０が安全係数として採用される。

【００６６】そして、モニター材２の疲労損傷度を基
に、機械部品１の疲労損傷度が推定される。そのために
は、モニター材２の疲労損傷度と機械部品１の疲労損傷
度との関係を予め求めておく必要がある。

【００６７】このようなモニター材２を、据え付けが完
了して稼働する直前の機械部品１の各所に一体に付着し
ておくことにより、所定の期間が経過する毎に剥がして
Ｘ線回折法や転位セル壁厚さ法等の測定方法によってモ
ニター材２の疲労損傷度を測定し、この測定結果に基づ
いて機械部品１の疲労損傷度を推定し、この推定結果に
基いて疲労損傷が著しい部分を補修する等のメンテナン
スを施すことにより、機械部品１は適正に保守管理され
るとともに、更新時期を適正に予測することが可能にな
る。本発明は、このような疲労損傷度の測定方法によっ
て保守管理される機械部品１を含むものである。

【００６８】

【実施例】アルミニウム３００３系の合金製の板材を試
験材料として採用し、所定寸法の直方体状に切断したも
の８種類を母材とした。これら８種類の母材の内の６種
類には焼鈍処理を施す一方、２種類には焼鈍処理を施さ
なかった。ついで、各母材の平均結晶粒径、単位結晶粒
径当りの粒径のばらつき（標準偏差）、Ｘ線半価幅およ
び単位半価幅当りの半価幅のばらつき（標準偏差）を測
定した。結晶粒径の測定においては、アルミニウム合金
が対象の場合に一般的に行われる方法を採用し、表面研
磨を行ったあとエッチングを施してから１００倍の顕微
鏡で観察を行い結晶粒径を測定した。また、Ｘ線半価幅
の測定におけるＸ線回折は、モノクロメータにより単色
化されたＭｏＫα線を照射し、（３３３）面反射の回折
を中心に半価幅を測定した。但し、（３３３）面反射に
限定されるものではない。それぞれの母材の特性値は表
１の前提条件の欄のとおりである。

【００６９】このような母材の特性値測定の後、各母材
からそれぞれ所定寸法のモニター材を１０枚ずつ切り出
し、それぞれを所定の繰返し応力負荷装置の試験位置に
付着してからセル組織が形成されるに充分な低サイクル
の疲労領域の応力を負荷した。その後、試験位置から各
モニター材を剥ぎ取り、転位セル壁厚さ法によって疲労
損傷度を測定するとともに、単位損傷度当りのばらつき
（標準偏差）を算出した。それぞれの単位損傷度当りの
ばらつきは、表１の試験結果の欄のとおりである。な
お、表１の試験結果の欄の円印は、試験結果が良好であ
ったことを示し、三角印は、試験結果がやや良好であっ
たことを示し、掛ける印は、試験結果が不良であったこ
とを示している。

【００７０】

【表１】

【００７１】表１から判るとおり、モニターの厚さ、平
均結晶粒径、モニター厚さと平均結晶粒径との比、単位
結晶粒径当りの粒径のばらつき、Ｘ線半価幅および単位
半価幅当りの半価幅のばらつきのいずれもが本発明で規
定した範囲内に納まっているもの（円印のもの）は、単
位損傷度当りの転位セルの壁厚さのばらつきが小さく、
モニター材として優れたものであることが判る。

【００７２】これに対し、上記各特性のいずれかが本発
明の範囲内から外れているもの（掛ける印のもの）は、
単位損傷度当りの転位セルの壁厚さのばらつきが範囲内
のものに比べて非常に大きくなっており、モニター材と
して不適である。

【００７３】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、モニター
材を切り出す母材は、モニター材の所定の特性が所定の
範囲内に納まるもの、すなわち均質なものが採用される
ため、かかる母集団としての母材から切り出された複数
のモニター材は、それぞれ非常に高い確率で均等なもの
であり、従って、同じ母材からモニター材を切り出した
場合、その材質に許容範囲を越えたばらつきが存在する
ことはなく、モニター材を用いた機械部品の疲労損傷度
を高精度で測定することができる。

【００７４】請求項２記載の発明によれば、母材として
アルミニウム、アルミニウム合金または軟鋼製のものを
採用しているため、アルミニウム、アルミニウム合金ま
たは軟鋼は、繰返し応力による疲労損傷において結晶組
織内に等方性の転位セルが生じ易く、かかる転位セルの
形成状態は疲労損傷度を知るための非常に適切な指標に
なるため、モニター材としてアルミニウム等を採用する
ことにより、他の金属材料をモニター材として用いる場
合より機械部品の疲労損傷度をより的確にかつ高精度で
推定することができる。

【００７５】請求項３記載の発明によれば、母材の特性
としてＸ線回折における回折Ｘ線強度のピークの半価幅
を採用したため、上記半価幅は、疲労損傷度を評価する
場合の好適な指標となるものであり、かかる指標に基づ
くことによって母材の適否判定を適正に行うことができ
る。

【００７６】請求項４記載の発明によれば、母材として
略均等に離間した複数の被測定位置における半価幅の標
準偏差を平均半価幅で除した値が０．２５以下のものを
採用するようにしているため、母材の半価幅は、十分に
均一であるとみなすことができ、かかる母材から切り取
られたモニター材は、どの部分から切り取られたもので
あっても、機械部品の疲労損傷度を適正にモニターする
ことができる。

【００７７】請求項５記載の発明によれば、母材として
略均等に離間した複数の被測定位置における結晶粒径の
平均値が５〜５００μｍのものであり、かつ、結晶粒径
の標準偏差を平均結晶粒径で除した値が０．５０以下の
ものを採用するようにしているため、かかる母材から切
り取られたモニター材を機械部品に付着することにより
機械部品の疲労損傷度を適正にモニターすることができ
る。

【００７８】請求項６記載の発明によれば、母材として
厚さ寸法が平均結晶粒径の５倍以上のものを採用するよ
うにしたため、母材を所定の大きさに切断するだけで容
易に、かつ、変質していない状態のモニター材を得るこ
とができる。また、モニター材の厚さ寸法が、結晶粒径
に対して５倍以上であると、疲労損傷による金属結晶の
転位によってセル組織が生じ易く、良好なモニター材を
得ることができる。

【００７９】請求項７記載の発明によれば、モニター材
を同一の疲労損傷が与えられるように機械部品に一体的
に取り付け、所定期間使用後に機械部品から回収し、こ
のモニター材に所定の試験を行い、この試験結果に基づ
いて機械部品の疲労損傷度を評価するようにしているた
め、機械部品の疲労損傷度に対する信頼性の高い測定結
果を得ることができる。

【００８０】請求項８記載の発明によれば、モニター材
の疲労損傷による金属組織の転位によって形成したセル
のセル壁厚さを測定するようにしたため、金属の疲労損
傷度とセルのセル壁厚さとの間には、高度な相関関係が
存在することによってモニター材の疲労損傷度が極めて
高精度で測定され、これによってモニター材の付着され
た機械部品の損傷度を高精度で推定することができる。

【００８１】請求項９記載の発明によれば、部品本体
と、この部品本体と同一の疲労損傷が与えられるように
部品本体に一体に付着された金属製のモニター材とから
機械部品を構成したため、機械部品は、その疲労損傷度
が適正に評価され、この評価結果に基づいた補修計画や
更新計画を適正に立案することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るモニター材が付着された機械部品
の一実施形態を示す説明図である。

【図２】モニター材の母材を示す斜視図である。

【図３】特性測定位置の設定の一例を示す平面図であ
る。

【図４】Ｘ線回折法を説明するための図であり、（イ）
は、結晶にＸ線が照射された状態を示す説明図、（ロ）
は、回折Ｘ線の強度を示すグラフである。

【図５】機械部品１から剥がしたモニター材の切断面を
１５０００倍の顕微鏡で見た状態の説明図である。

【図６】セル壁厚さの値のデータと、実繰返し比とを半
対数グラフにプロットしたグラフである。

【符号の説明】１機械部品１０転位組織１１転位セル１２セル壁２モニター材３母材４区画４０，…，４ｎ−１第１〜ｎ区画５１Ｘ線源５２検出器６結晶６１結晶表面６２表面から２番目の結晶面２θ 回折角Ｈ回折Ｘ線強度Ｈｐ回折Ｘ線強度のピーク値Ｈｍ回折Ｘ線強度のピーク値の１／２の値

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者永野清幸兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目３番１号株式会社神戸製鋼所高砂製作所内Ｆターム(参考） 2G024 AA06 BA12 BA21 CA30 EA06 2G050 AA01 AA07 BA12 DA03 EB07 EB10 EC06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同一の疲労損傷が与えられるように機械
部品に一体的に取り付けられ、機械部品から回収して機
械部品の疲労損傷度の測定用として供される金属製のモ
ニター材であって、疲労損傷度の指標として採用される
特性が所定の範囲内に納まる母材から切り出したもので
あることを特徴とするモニター材。
【請求項２】上記母材は、アルミニウム、アルミニウ
ム合金または軟鋼製のものであることを特徴とする請求
項１記載のモニター材。
【請求項３】上記母材の特性は、Ｘ線回折における回
折Ｘ線強度のピークの半価幅であることを特徴とする請
求項１または２記載のモニター材。
【請求項４】上記母材は、略均等に離間した複数の被
測定位置における半価幅の標準偏差を平均半価幅で除し
た値が０．２５以下のものであることを特徴とする請求
項３記載のモニター材。
【請求項５】上記母材の特性は、結晶粒径であり、上
記母材は、略均等に離間した複数の被測定位置における
結晶粒径の平均値が５〜５００μｍのものであり、か
つ、上記結晶粒径の標準偏差を平均結晶粒径で除した値
が０．５０以下のものであることを特徴とする請求項１
または２記載のモニター材。
【請求項６】上記母材は、厚さ寸法が平均結晶粒径の
５倍以上のものであることを特徴とする請求項５記載の
モニター材。
【請求項７】請求項１乃至６のいずれかに記載のモニ
ター材を用いて機械部品の疲労損傷度を測定する疲労損
傷度の測定方法であって、モニター材を同一の疲労損傷
が与えられるように機械部品に一体的に取り付け、所定
期間使用後に機械部品から回収し、このモニター材に所
定の試験を行い、この試験結果に基づいて機械部品の疲
労損傷度を評価することを特徴とするモニター材を用い
た疲労損傷度の測定方法。
【請求項８】上記所定の試験は、モニター材の疲労損
傷による金属組織中の転位によって形成したセルのセル
壁厚さを測定することによって行われるものであること
を特徴とする請求項７記載のモニター材を用いた疲労損
傷度の測定方法。
【請求項９】上記請求項１乃至６のいずれかに記載の
モニター材の取り付けられた部品本体を有する機械部品
であって、部品本体と、この部品本体と同一の疲労損傷
が与えられるように部品本体に一体に付着された金属製
のモニター材とからなることを特徴とするモニター材付
き機械部品。