JP2001235453A - 超音波スペクトロスコピー転位密度計測による疲労寿命予測法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の技術は疲労損傷により生じた亀裂検出
と亀裂の破壊力学的解析評価に依存しており、この方法
では亀裂が発生する寿命末期まで疲労損傷の程度を把握
できず、しかも微小亀裂の検出漏れや亀裂寸法の計測の
精度により余寿命予測の精度が大きく依存するため、有
効な予測結果を得るには構造部材の全体をくまなく精密
に探傷する必要があり、それに要する費用は高価になる
が、それにしても効果対費用の割合が低いのが課題とな
っている。 【解決手段】 疲労損傷評価を目的とする経年使用の構
造部材に関して、超音波スペクトロスコピー計測を行な
い、その計測結果を用いて経年使用の構造部材中で疲労
損傷により発生している転位に関連する諸量を算定す
る。この算定値とあらかじめ校正した疲労損傷と転位に
関連する諸量との相関関係を用いて経年使用の構造部材
の疲労損傷の程度を定量的に評価し、その余寿命を判定
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、使用する材料の疲労
損傷の程度と転位密度などの転位に関連する量との関係
をあらかじめ計測して校正しておく。次いで、実際に経
年使用中の構造部材に３種類以上の周波数の超音波を伝
搬させ、その際の、例えば伝搬速度等の伝搬特性の計測
値を用いて転位密度などの転位に関連する量を算定す
る。この算定した転位密度などの転位に関連する量で経
年使用の構造部材の疲労損傷の程度を把握することが可
能となり、したがってその構造部材の余寿命の予測に応
用できる。

【０００２】

【従来の技術】従来、材料の疲労余寿命を推定するため
に疲労により材料に発生する微小亀裂を超音波探傷法や
渦流探傷法等を用いてその長さや深さを測定し、その結
果から材料の余寿命を判定したり、あるいはアコーステ
ックエミッション法を用いて塑性変形や亀裂の進展を常
時監視して信号がしきい値を越えた際に危険を知らせる
方法で材料の寿命を判定している。

【０００３】このような従来の方法では、亀裂が発生す
る寿命末期まで疲労損傷の程度を把握できず、しかも微
小亀裂の検出漏れや亀裂寸法の計測の精度により余寿命
予測の正確さが大きく依存するため、有効な予測結果を
得るには構造部材の全体をくまなく精密に探傷する必要
があり、それに要する費用は高価になるが、それにして
も効果対費用の割合が低いのが現状である。

【０００４】したがって、経費にかかわらず安全性が極
めて重要な、例えば航空機や原子力などの特定の分野で
は従来の方法により疲労損傷の評価を行なっているが、
一般的に普及するには検査に要する時間、費用、熟練技
術者の数、亀裂の破壊力学的解析能力の面で大きな課題
を抱えている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術においては
亀裂の探傷に熟練した技術者が必要で、さらに亀裂の破
壊力学的解析には専門的能力を要するが、その精度はい
まだ不十分であるなど多くの課題がある。また、効果対
費用の面で一般的に普及するためにはもっと安価に実施
できる対策が課題として残されている。

【０００６】この発明は従来の技術が有する課題を克服
するために、亀裂検出と亀裂の破壊力学的解析評価によ
らないで疲労損傷の評価を可能にする技術であり、疲労
損傷の初期段階から損傷評価の運用が可能である。さら
に、超音波スペクトロスコピー（複数の周波数の異なる
超音波の伝搬特性、例えば速度、減衰など）を用いて転
位に関連する量、例えば転位密度、転位の全長、転位の
固有振動数、転位の粘性係数等の算定のアルゴリズムは
プログラム化されており、コンピュータを用いてほぼ自
動的に算定できる。したがって、熟練した技術者を必要
とはしておらず、一般的な普及を期待できる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】評価の対象である構造材
料に関して、あらかじめ種々の応力振幅による疲労試験
を実施し、同時に超音波スペクトロスコピー（複数の周
波数の異なる超音波の伝搬特性、例えば速度、減衰な
ど）計測を行なう。

【０００８】この超音波スペクトロスコピーによる計測
結果を用いて転位に関連する量、すなわち転位密度、転
位の全長、転位の固有振動数、転位の粘性係数等を算定
する。この算定した転位に関連する量により疲労実験で
の損傷結果を定量的に整理、校正し、その相関をデータ
ベースとしてまとめる。

【０００９】ついで、疲労損傷評価を目的とする経年使
用の構造部材に関して、超音波スペクトロスコピー計測
を行ない、その計測結果を用いて経年使用の構造部材中
で疲労損傷により発生している転位に関連する諸量を算
定する。

【００１０】この算定値とあらかじめ校正した疲労損傷
と転位に関連する諸量との相関関係を用いて経年使用の
構造部材の疲労損傷の程度を定量的に評価し、その余寿
命を判定する。

【００１１】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態を実施例にもと
づき図面を参照して説明する。損傷評価を目的とする材
料について疲労試験を行ない、疲労過程における超音波
スペクトロスコピー計測を同時に実施する。図２にはそ
の一例として、アルミ合金での疲労試験中の周波数５Ｍ
ｚ、１０ＭＨｚおよび１５ＭＨｚの表面波の伝搬速度と
疲労回数との関係を示しており、それぞれの周波数とも
に表面波の伝搬速度は疲労回数とともに複雑に変化して
いる。

【００１２】この超音波スペクトロスコピー計測による
表面波の伝搬速度を転位弦理論を用いて導出した数１に
代入することにより転位密度が算定でき、図１に示す転
位密度と疲労回数に関する規則的な関係が得られる。

【００１３】

【数１】

【００１４】図１において、材料の疲労損傷の開始直後
と疲労破断直前の転位密度の急増はアコーステックエミ
ッション法におけると同様に疲労開始直後に発生する塑
性変形の進展と疲労破断直前の亀裂の発達、伝搬に対応
している。

【００１５】したがって、使用する材料の疲労損傷の程
度と転位密度との関係をあらかじめ図１に示す様に計測
し、校正しておくことにより疲労損傷を受けた構造部材
に３種類以上の周波数の超音波を伝搬させ、その際の伝
搬速度の計測値を用いて数１により転位密度を算定する
ことで図１を用いて目的とする構造部材の疲労損傷評価
と余寿命の判定が可能となる。

【００１６】

【発明の効果】この発明は基本的にはアコーステックエ
ミッション法と同様に疲労開始直後に材料に発生する塑
性変形の進展と疲労破断直前の亀裂の発達、伝搬に対応
して増加する転位の挙動を利用しているが、アコーステ
ックエミッション法では構造部材の多数の位置に計測装
置を設置して、常時測定する必要がある。また、アコー
ステックエミッション法は外部からのノイズにより測定
結果が乱され易い欠陥がつきまとう。

【００１７】一方、この発明においては、構造部材の疲
労損傷の評価を必要とする時に超音波スペクトロスコピ
ー計測を実施することで、疲労損傷により生じた転位密
度を算定でき、この算定した転位密度を用いて構造部材
の疲労損傷の程度を判定でき常時の測定を必要としな
い。また、超音波スペクトロスコピー計測は一組の測定
装置を移動させることで構造部材の多数位置における計
測が可能で、費用の面から見ても安価で有効な方法であ
る。

【００１８】さらに、個々の材料について事前に転位に
関連する量により疲労実験での損傷結果を定量的に整
理、校正し、その相関をデータベースとしてまとめてお
くことにより超音波スペクトロスコピー計測値からコン
ピュータを用いて自動的に疲労損傷評価を実施でき、探
傷法のように熟練した技術を必要としない点で普及の容
易な発明である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は図２で示したそれぞれ周波数の異なる表
面波の伝搬速度を基に数１を用いて算定した転位密度と
疲労繰り返し数との関係を示している。横軸は疲労繰り
返し数を疲労破断繰り返し数で除して、無次元化して示
しており、縦軸には転位密度を示している。転位密度は
疲労繰り返しの初期段階において、塑性変形の進展とと
もに一度増加し、その後にほぼ一定の中間段階を経て、
疲労破断の直前に亀裂の発達、進展とともに再び増加し
て破断への最終段階に到る過程が図１からわかる。

【図２】図２はアルミ合金の疲労試験において、周波数
がそれぞれ５ＭＨｚ，１０ＭＨｚおよび１５ＭＨｚの表
面波の伝搬速度の変化と疲労損傷の関係を示している。
横軸は疲労繰り返し数を疲労破断繰り返し数で除して、
無次元化している。縦軸は疲労過程におけるそれぞれの
周波数の伝搬速度の変化を初期伝搬速度で除して無次元
化して表している。伝搬速度の変化と疲労繰り返し数に
伴う疲労損傷との間には明瞭な相関は見られない。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 疲労損傷や疲労寿命を転位に関連する
   量、すなわち転位密度、転位の全長、転位の固有振動
   数、転位の粘性係数等を用いて定量的に評価する方法
2. 【請求項２】 超音波スペクトロスコピー（複数の周波
   数の異なる超音波の伝搬特性、例えば速度、減衰など）
   を用いて請求項１に記載した転位に関連する量を算定す
   る方法
3. 【請求項３】 超音波の伝搬モード（表面波、縦波、横
   波等）に依存しない転位密度算定方式