JP2005106486A - 余寿命測定方法、及び、余寿命測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】余寿命推定の高精度化のための代替的技術の提供。
【解決手段】基準寿命計測対象物体の研磨表面を撮影する電子顕微鏡１，２と、計算器６，８とから構成される。計算器６，８は、電子顕微鏡１，２により得られる面方位差に対応するＫＡＭを計算する第１計算器部分６と、第１時間幅で荷重を受けた基準寿命計測対象物体の第１ＫＡＭと第１時間幅の後の第２時間幅で荷重を受けた基準寿命計測対象物体の第２ＫＡＭとに対応する基準寿命計測対象物体の余寿命の関係を表すマスターカーブを作成する第２計算器部分１３，１５と、余寿命予測対象物体のＫＡＭとマスターカーブのＫＡＭとからマスターカーブに表れる余寿命予測対象物体の余寿命を出力する第３計算器部分１７，１８とから構成される。マスターカーブは、基準寿命計測対象物体に荷重を与える間の温度の情報、歪、又は、両方を有する。マスターカーブは、結晶粒中心領域と結晶粒界近傍とについて作成され、高精度寿命予測が代替的に実現される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、余寿命測定方法、及び、余寿命測定装置に関し、特に、高温環境下で荷重を受けるタービン燃焼室、再使用ロケットエンジン燃焼室の構造物体の余寿命を測定する余寿命測定方法、及び、余寿命測定装置に関する。

高温環境でダイナミックに高負荷を受ける物体は、これの余寿命の推定が行われる。そのような構造物体として、タービン車室の隔壁、原子炉壁、蒸気発生器のような高温熱交換器壁、タービンブレードのような高温下で激しく高温高負荷荷重を振動的に受ける金属材料の機械構造物体が知られている。公知の余寿命推定の技術で用いられる自然法則としてしては、下記の現象が知られている。
（１）材料の硬さ変化
（２）析出物質の形態の変化
（３）電気抵抗の変化
（４）超音波探傷により検出されるボイドの発生合体の成長的変化

これらの現象を利用する技術には、それぞれに、既述の（１），（２），（３），（４）に対応して、下記のような技術的限界がある。
（１）硬さ変化が小さい材料に対しては予測精度が低いこと
（２）析出が生じない材料には無力であること
（３）検出センサが抵抗値変化に過剰に敏感でありノイズに反応して予測精度が低いこと
（４）ボイドの発生合体の最終段階の予測に向いているが初期段階の予測が困難であること

それぞれに有利な点を有する複数の公知技術は、寿命予測対象の材料物性に適合する現象が選択的に利用されているが、高度に技術進歩する高温ガスタービンの車室、それの燃焼室、ロケットエンジン燃焼室のような高温環境下で歪を受けダイナミックに高荷重を受ける構造物体の高精度寿命予測には、それぞれに限界が見出されている。公知技術は、疲労を促進する環境のうち温度と歪を考慮して寿命を予測していない。特に、再使用型ロケットのエンジン燃焼室の寿命予測には、温度と歪を考慮することができる代替的予測技術の確立が急がれている。更には、高温で溶融しないために選択される高導電性材料特に銅合金に関して予測精度を高くすることが望まれる。

全期間の寿命予測精度を向上させる技術の確立が求められる。そのためには、物性変化が大きい現象を発見することが重要である。同じ現象により多様な予測を可能にすることにより多角的に予測精度を向上させることが重要である。

本発明の課題は、寿命予測精度を向上させる技術を確立する余寿命測定方法、及び、余寿命測定装置を提供することにある。
本発明の他の課題は全期間で寿命予測精度を向上させる技術を確立する余寿命測定方法、及び、余寿命測定装置を提供することにある。
本発明の更に他の課題は、同じ現象により多角的に寿命を予測することにより予測精度を向上させる技術を確立する余寿命測定方法、及び、余寿命測定装置を提供することにある。
本発明の更に他の課題は、温度と歪を考慮して寿命を予測する代替的技術を確立する余寿命測定方法、及び、余寿命測定装置を提供することにある。

本発明による余寿命測定方法は、第１時間幅で荷重を受ける構造物体の部分領域の第１結晶方位情報を第１時刻に計測する第１ステップと、第１時刻の後に第２時間幅で荷重を受ける部分領域の第２結晶方位情報を第２時刻に計測する第２ステップと、第１結晶方位情報と第２結晶方位情報との間の変化を抽出する第３ステップとから形成されている。

結晶方位は、消費寿命の時間系列上で大きく変化する。結晶方位情報の時間的推移は、余寿命推定のための明確な情報を含んでいる。結晶方位情報の計測は、余寿命推定の代替技術を提供することができる。

前記部分領域の材料は熱伝導性が高い物質である場合に、本発明の効果が顕著である。物質が銅合金である場合にその効果が更に顕著である。銅合金以外の物質が溶融する高温に曝される構造物体は、それが銅合金であれば冷却性が高く、溶融しない。本発明は、銅合金が溶融する温度に近い温度に曝される銅合金性構造体の余寿命を高精度に予測することができる。後述されるように、マスターカーブは温度情報を含み、温度対応の高精度な余寿命算定データを提供することができる。

第１結晶方位情報と前記第２結晶方位情報との間の変化は、具体的には結晶方位の乱れの程度に対応している。データに見られるように、結晶方位の乱れの程度の時間的変化とその空間的変化の値は大きい。その値が大きいことは、精度の向上を保証する。

部分領域は結晶粒界近傍であり、又は、部分領域は結晶中心近傍である。結晶粒界近傍と結晶中心近傍の面方位差は、寿命消費初期と寿命消費後期とでそれぞれに固有に大きい値を有し、寿命消費初期と寿命消費後期とでともに高精度予測データを提供する。

第１結晶方位情報と第２結晶方位情報とに対応するＫＡＭと余寿命の関係を示すマスターカーブの作成は、予測寿命の計算を高速化することができる。マスターカーブは、初期には試験用物体で作成されるが、実機からも有用なデータが得られ、実機からマスターカーブを作成することは効果的である。

第１ステップは、第１時間幅と第１温度で構造物体に荷重を与えるステップと、第１時間幅と第２温度で構造物体に荷重を与えるステップとから形成され、更には、第２時間幅と第１温度で構造物体に荷重を与えるステップと、第２時間幅と第２温度で構造物体に荷重を与えるステップとで形成される。

温度環境は、マスターカーブに影響し、温度をパラメータとする寿命予測曲線はより高精度な寿命予測データを与えることが本発明者により確認されている。異なる複数の温度についてマスターカーブを作成することは顕著に重要である。温度とともに歪をパラメータ化することにより、異なる複数の歪についてマスターカーブを作成することは更に顕著に重要である。温度と歪を複合的に（多変数的に）パラメータ化することは、更に効果を増大させる。

本発明では、第１時間幅で荷重を受ける構造物体の第１部分領域の第１結晶方位情報を第１時刻に計測する第１ステップと、第１時刻の後に第２時間幅で荷重を受ける第１部分領域の第２結晶方位情報を第２時刻に計測する第２ステップと、第１時間幅で荷重を受ける構造物体の第２部分領域の第３結晶方位情報を第１時刻に計測する第３ステップと、第１時刻の後に第２時間幅で荷重を受ける第２部分領域の第４結晶方位情報を第２時刻に計測する第４ステップと、第１結晶方位情報と第２結晶方位情報との間の変化を抽出する第５ステップと、第３結晶方位情報と第４結晶方位情報との間の変化を抽出する第６ステップが追加されることは、特に重要である。結晶粒界近傍と結晶中心近傍は、高精度予測データを個別的に提供する。パラメータの複合化と計測部位の複数化の組合せは、寿命予測を更に高精度化する。

第１結晶方位情報と第２結晶方位情報とに対応する第１ＫＡＭと余寿命の関係を示す第１マスターカーブを作成するステップと、第３結晶方位情報と第４結晶方位情報とに対応する第２ＫＡＭと余寿命を示す第２マスターカーブを作成するステップの追加は、予測精度を更に高くする。より具体的には、第１ステップは第１時間幅と第１温度で第１部分領域に荷重を与える第５ステップと、第１時間幅と第２温度で第１部分領域に荷重を与える第６ステップとから形成され、第２ステップは第２時間幅と第１温度で第１部分領域に荷重を与える第７ステップと、第２時間幅と第２温度で第１部分領域に荷重を与える第８ステップとから形成され、第３ステップは第１時間幅と第１温度で第２部分領域に荷重を与える第９ステップと、第１時間幅と第２温度で第２部分領域に荷重を与える第１０ステップとから形成され、第４ステップは第２時間幅と第１温度で第２部分領域に荷重を与える第１１ステップと、第２時間幅と第２温度で第２部分領域に荷重を与える第１２ステップとから形成される。第５ステップ〜第１２ステップについてそれぞれに第１マスターカーブ〜第８マスターカーブが作成され、寿命予測はますます緻密化される。第１マスターカーブ〜第８マスターカーブは、それぞれに、異なる歪に関して作成されることが更に効果的に緻密化される。

本発明による余寿命測定装置は、基準寿命計測対象物体の研磨表面を撮影する電子顕微鏡（１，２）と、計算器（６，８）とから構成される。計算器（６，８）は、電子顕微鏡（１，２）により得られる結晶方位の乱れの程度に対応するＫＡＭを計算する第１計算器部分（６）と、第１時間幅で荷重を受けた基準寿命計測対象物体の第１ＫＡＭと第１時間幅の後の第２時間幅で荷重を受けた基準寿命計測対象物体の第２ＫＡＭとに対応する基準寿命計測対象物体の余寿命の関係を表すマスターカーブを作成する第２計算器部分（１３，１５）と、余寿命予測対象物体のＫＡＭとマスターカーブのＫＡＭとからマスターカーブに表れる余寿命予測対象物体の余寿命を出力する第３計算器部分（１７，１８）とから構成される。

マスターカーブは、基準寿命計測対象物体に荷重を与える間の温度の情報、歪、又は、両方を有する。マスターカーブは異なる複数の温度、歪に対応して作成されることは既述の通りに重要である。マスターカーブは、結晶粒中心領域と結晶粒界近傍とについて作成されることは既述の通りに重要である。ＫＡＭの変化は、空間的に、且つ、時間的に抽出される。

本発明による余寿命測定方法、及び、余寿命測定装置は、高精度寿命予測技術を代替的に提供することができる。

本発明による余寿命測定装置の実現態は、図に対応して、詳細に記述される。その実現態は、図１に示されるように、走査型電子顕微鏡として、電子線照射器１と二次電子検出器２とが備えられている。測定対象固体物質Ｍは、固定器３に固定される。測定対象固体物質Ｍの測定対照研磨面４は、研磨されている。電子線照射器１から投射される電子線は、測定対象固体物質Ｍの測定対象研磨面４に投射される。その投射により測定対象研磨面４で生成され飛び出す二次電子は、二次電子検出器２の検出面に入射する。測定対象研磨面４で回折され反射される反射回折電子波の干渉パターンは、二次電子検出器２で検出される。二次電子検出器２から出力される干渉パターン５は、結晶方位計算器６に入力される。結晶方位計算器６は、干渉パターン５に対応する結晶方位を計算して求める。結晶方位は、無次元数の角度として表される。結晶方位計算器６が計算して求める結晶方位関係データ７は、余寿命計算器８に入力される。

図２は、銅合金が材料として用いられている測定対象固体物質Ｍの測定対象研磨面４に現れる銅合金結晶の局所的部分９を示している。局所的部分９は、多数の正六角形分析区画に仮想的に区分けされる。このように区分けされる局所的部分９に、電子線照射器１から電子線が照射される。多数の正六角形分析区画のうちの任意の区画は、方位差分析基準区画９−０として選択的に設定される。方位差分析基準区画９−０に外接する６つの区画は、方位差分析対象区画９−１〜９−６として確定的に設定される。

局所的部分９の全体に対応する干渉パターン５は、方位差分析基準区画９−０と６つの方位差分析対象区画９−１〜ｊとの間のそれぞれの面方位差の物理的情報を含んでいる。結晶方位計算器６は、方位差分析基準区画９−０と６つの方位差分析対象区画９−１〜６の７つの結晶方位を計算し、更に、方位差分析基準区画９−０の結晶方位と６つの方位差分析対象区画９−１〜６の結晶方位との間の差である６つの面方位差を結晶方位関係データ７として計算する。今の場合、方位差分析基準区画９−０と方位差分析対象区画９−１との関係である第１面方位差は２．５゜（角度）として計算され、方位差分析基準区画９−０と方位差分析対象区画９−２との関係である第２面方位差は３８．１゜として計算され、方位差分析基準区画９−０と方位差分析対象区画９−３との関係である第３面方位差は３７．６゜として計算され、方位差分析基準区画９−０と方位差分析対象区画９−４との関係である第４面方位差は１．３゜として計算され、方位差分析基準区画９−０と方位差分析対象区画９−５との関係である第５面方位差は１．８゜として計算され、方位差分析基準区画９−０と方位差分析対象区画９−６との関係である第６面方位差は２．１゜として計算される。

このような６つの面方位差のうちの第２面方位差の３８．１゜とそのうちの第３面方位差の３７．６゜とは、異常値である。結晶方位計算器６には、異常値判定のための閾値が設定されている。適正な閾値として、今の場合は５゜が採択されている。正常値として、４つの値である２．５、１．３、１．８、２．１が結晶方位計算器６により採択される。疲労度合いを示す基本値として、ＫＡＭ（値）が採用される。ＫＡＭ、６つの面方位差のうちから採択される正常値の平均として定義される。今の場合には、
ＫＡＭ＝（２．５＋１．３＋１．８＋２．１）／４＝１．９
今の場合には、方位差分析基準区画９−０を取り囲む６つの方位差分析対象区画９−１〜６がＫＡＭの算定のために採択されているが、精度向上のためには、６つの方位差分析対象区画９−１〜６を更に囲むより多くの分析区画の結晶方位が参酌されて、より高信頼度でＫＡＭが算出され得る。今の場合は、異常値判定のための閾値として５゜が採択されている。対象となる材料特性又は評価対象になる使用環境に応じて、適正な閾値が用いられ得る。

図３は、結晶粒の転位分布を示している。銅合金のような金属結晶物質は、その疲労度に対応してＫＡＭが変化する。ＫＡＭ分布と転位分布の間に明らかな相関が存在することが本発明者により見出されている。より大きい転位密度は、より大きいＫＡＭに相関的に対応している。図３（ａ）は、多数の結晶粒１１−１〜ｎが集合する結晶粒集合の断面を示している。今、隣り合う３つの結晶粒１１−１〜１１−３が考えられる。図３（ｂ）は、その３つの結晶粒１１−１〜３のそれぞれのＫＡＭ分布を示している。図３（ｂ−２）の横軸は、線Ａ−Ａ上の距離座標を示し、その縦軸はＫＡＭを示している。図中の４本の縦線Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、結晶粒１１−１〜３のそれぞれの両側結晶粒界を示している。

第１ＫＡＭ分布関数線１２−１は、寿命初期（寿命消費が僅かである期間）のＫＡＭ分布を示している。第２ＫＡＭ分布関数線１２−２は、寿命中期のＫＡＭ分布を示している。第３ＫＡＭ分布関数線１２−３は、寿命終期（破断直前）のＫＡＭ分布を示している。寿命初期で分布関数の振幅は最も小さく、寿命終期で分布関数の振幅は最も大きい。３態様の分布関数線で共通する現象は、粒界近傍でＫＡＭが相対的に大きく、結晶粒中心でＫＡＭが相対的に小さいことである。疲労が進めば、転位は結晶粒中心から結晶粒界に移動し、その結果として、結晶粒中心で転位は減少してＫＡＭが減少し、結晶粒界で転位は増大してＫＡＭが増大する。結晶構造体の破壊は、結晶粒界で開始する。このことに基づいて、本発明者は、下記の知見を得ることができている。
（１）結晶構造物質の疲労絶対値は結晶粒内のＫＡＭの値に対応し、結晶構造物質の疲労進行値は結晶粒内のＫＡＭの減少（時間的微分値又は時間的差分値）に対応する。
（２）結晶構造物質の疲労絶対度は結晶粒界近傍のＫＡＭの値に対応し、結晶構造物質の疲労進行度は結晶粒内のＫＡＭの増大（時間的微分値又は時間的差分値）に対応する。
（３）結晶構造物質の疲労絶対度は結晶粒中心のＫＡＭと結晶粒界のＫＡＭの大小関係（空間的微分又は空間的差分）に対応し、結晶構造物質の疲労進行度はその大小関係の変化（大小関係の空間的微分又はその空間的差分）に対応する。

図４は、ＫＡＭとＫＡＭの変化率を計算することにより余寿命を推定的に計算する余寿命計算器８の詳細を示している。余寿命計算器８は、第１ＫＡＭ計算器１３と、第２ＫＡＭ計算器１４と、第１ＫＡＭ差分計算器１５と、第２ＫＡＭ差分計算器１６とから構成されている。第１ＫＡＭ計算器１３の計算結果と第２ＫＡＭ計算器１４の計算結果とは、疲労絶対値比較計算器１７で比較される。第１ＫＡＭ差分計算器１５の計算結果と第２ＫＡＭ差分計算器１６計算結果とは、疲労進行値比較器１８で比較される。第１ＫＡＭ計算器１３と第１ＫＡＭ差分計算器１５は、基準結晶構造物質Ｍ１のＫＡＭ関係計算系に属し、第２ＫＡＭ計算器１４と第２ＫＡＭ差分計算器１６は余寿命推定計算対象物質Ｍ２のＫＡＭ関係計算系に属する。後述されることから理解されるように、第１ＫＡＭ計算器１３と第２ＫＡＭ計算器１４と疲労絶対値比較計算器１７は同一計算器であり得、且つ、第１ＫＡＭ差分計算器１５と第２ＫＡＭ差分計算器１６は同一計算器であり得るが、記述の便宜のために比較上、異なる計算器として図示されている。

基準結晶構造物質Ｍ１が固定器３に固定され、それの結晶方位関係データ７が結晶方位計算器６で計算され、面方位差７が余寿命計算器８の第１ＫＡＭ計算器１３に入力される。第１ＫＡＭ計算器１３は、基準結晶構造物質Ｍ１のＫＡＭを計算する。図５と図６は、基準結晶構造物質Ｍ１に関するＫＡＭを示している。図５は、結晶粒中心のＫＡＭと粒界近傍のＫＡＭの時間的分布を示している。図５の横軸は、時間特に時系列点座標を示している。ここで時間ｔは、基準結晶構造物質Ｍ１に外力として作用させる一定荷重の負荷回数である。荷重の負荷は、一定周期で周期的に実行される。その荷重負荷回数ｊは、時間ｔｊに対応している。基準結晶構造物質Ｍ１に関して、粒中心時間的ＫＡＭ分布関数Ｆ１（ｔｊ）と、粒界近傍時間的ＫＡＭ分布関数Ｆ２（ｔｊ）とが計算により第１ＫＡＭ計算器１３で求められる。
Ｆ１＝Ｆ１（ｔｊ）・・・（１）
Ｆ２＝Ｆ２（ｔｊ）・・・（２）
２様のこのような時間的分布関数Ｆ１，Ｆ２は、第１ＫＡＭ計算器１３で作成されて第１ＫＡＭ計算器１３で記録され保持される。

図６は、時間的初期と時間的中期と時間的終期の空間的分布を示している。図６の横軸は、結晶粒内粒界直交方向距離Ｌを示し、その原点は結晶粒の中心を示している。ここで、時間ｔ１は時間的初期の代表的時刻を示し、時間ｔ２は時間的中期の代表的時刻を示し、時間ｔ３は時間的終期の代表的時刻を示している。基準結晶構造物質Ｍ１に関して、時間的初期空間的ＫＡＭ分布関数Ｆ３（Ｌ）と、時間的中期空間的ＫＡＭ分布関数Ｆ４（Ｌ）と、時間的終期空間的ＫＡＭ分布関数Ｆ５（Ｌ）とが計算により第１ＫＡＭ計算器１３で求められる。
Ｆ３＝Ｆ３（Ｌ）・・・（３）
Ｆ４＝Ｆ４（Ｌ）・・・（４）
Ｆ５＝Ｆ５（Ｌ）・・・（５）

多種多様の時間的空間的ＫＡＭ分布関数は、第１ＫＡＭ計算器１３から出力され第１ＫＡＭ差分計算器１５に入力される。第１ＫＡＭ差分計算器１５は、時間的分布関数の時間的微分又は時間的差分を計算し、その時間的微分関数又は時間的差分関数（以下、時間的微分関数といわれる）を記録して保持する。第１ＫＡＭ差分計算器１５は、更に、空間的分布関数の空間的微分又は空間的差分を計算し、その空間的微分関数又は空間的差分関数（以下、空間的微分関数といわれる）を記録して保持する。

このような時間的分布関数、時間的微分関数、空間的分布関数、空間的微分関数は、本発明者により、疲労度マスターカーブと呼ばれて既述の通りに定義されている。既述の関数は、多変数関数表現が可能である。

タービン車室の隔壁、原子炉壁、蒸気発生器のような高温熱交換器壁、タービンブレードのような高温下で激しく振動する高温高負荷荷重を受ける金属材料の機械構造物体の余寿命推定計算対象物質Ｍ２は、初期的に、中期的に、周期的にその一部分がサンプルとして採取されて、固定器３に固定され、それの結晶方位関係データ７が結晶方位計算器６で求められる。そのようなサンプルの採取と計測は、時系列的に複数回に実行される。第２ＫＡＭ計算器１４と第２ＫＡＭ差分計算器１６は、余寿命推定計算対象物質Ｍ２について、図５，６のマスターカーブに対応する分布関数を計算する。後述されるように、余寿命推定計算対象物質Ｍ２については関数表現は不要である。現実には、余寿命推定時期に、測定対象固体物質Ｍについて、ＫＡＭとそのＫＡＭのその時点の変化率が計算される。

第１ＫＡＭ計算器１３に保存されている分布関数は、疲労絶対値比較計算器１７に転送され、余寿命推定計算対象物質Ｍ２について、ＫＡＭがＫＡＭ１であれば、疲労絶対値比較計算器１７に記述されているその分布関数の座標系のＫＡＭ軸にそのＫＡＭ１が図５に示されるように記入され（変数ＫＡＭにＫＡＭ１が代入され）、そのＫＡＭ１に対応して、式（１）と式（２）は、下記のように表される。
ＫＡＭ１＝Ｆ１（ｔｊ）・・・（１’）
Ｆ２＝Ｆ２（ｔｊ）・・・（２’）
そのＫＡＭ１が粒中心の分布関数Ｆ１に属していれば、その余寿命推定計算対象物質Ｍ２の消費寿命はＴ１であると推定され、そのＫＡＭ１が粒界近傍の分布関数Ｆ２に属していれば、その余寿命推定計算対象物質Ｍ２の消費寿命はＴ２であると推定される。ここで、破断点がＴｅｎｄで表され、余寿命は、（Ｔｅｎｄ−Ｔ１）、（Ｔｅｎｄ−Ｔ２）で表される。図６に関しては、計測距離がＬ１であり計測ＫＡＭがＫＡＭ１であれば、その座標点（Ｌ１，ＫＡＭ１）にもっとも近い曲線の余寿命はｔ２であることが推定される。

図７は、基準結晶構造物質Ｍ１の製作方法を示している。基準結晶構造物質Ｍ１は、余寿命推定計算対象物質Ｍ２の材料と同じ材料で製作される。供試体として、銅合金燃焼室壁が例示される。その供試体は、５５０゜Ｃの環境で、１％の歪範囲で、引張と圧縮の繰り返し荷重を受ける。図７（ａ）に示されるように、１サイクル中の５分間の圧縮は、歪が０．５％に保持される。１サイクル中の引張の期間は、５分に対して十分に短い。引張は、歪が０．５％に保持される。図７（ｂ）は、サイクル数と寿命の関係を示している。試験開始前の供試体の余寿命は１００％であると定義される。この供試体は、４２０サイクルの荷重負荷で破断する。寿命の９０％消費は３７８（４２０×０．９）サイクルに対応し、寿命の７０％消費は２９４（４２０×０．７）サイクルに対応している。図５のｔｊは、このようなサイクル数に対応し、今の場合、図５のｔｊのｊは４２０に一致している。

図８は、図７の既述の余寿命推定計算対象物質Ｍ２に関するＫＡＭを表す第１マスターカーブを示している。図８（ｂ）は、結晶粒界近傍の１０×２０μｍの領域のＫＡＭの変化を示し、その横軸は寿命消費％を示している。余寿命１００％（消費０％）は結晶粒界近傍のＫＡＭの３．１２に対応し、余寿命３０％（消費７０％）は結晶粒界近傍のＫＡＭの３．４３に対応し、余寿命０％（消費１００％）は結晶粒界近傍のＫＡＭの４．３６に対応している。

図９は、既述の余寿命推定計算対象物質Ｍ２のＫＡＭ変化率と余寿命の関係を表す第２マスターカーブを示している。ここで変化率は、増加率として、下記のように定義されている。
ＫＡＭ変化率＝（現在時点のＫＡＭ−初期ＫＡＭ）／ＫＡＭ
図９（ａ）に示されるように、７０％消費はＫＡＭ増加率の０．１０に対応し、９０％消費はＫＡＭ増加率の０．２９に対応し、１００％消費はＫＡＭ増加率の０．４０に対応している。このように変化率が大きい変化率指標は、寿命予測の高精度化を実現する。関数Ｆ１は、破断点近傍でその微分係数が大きい。関数Ｆ１の微分は、寿命予測の高精度化の実現のために適正に活用され得る。

図１０（ａ），（ｂ）は、結晶粒の中心部分の２０×４０μｍの領域の第３マスターカーブを示している。第３マスタカーブは、その領域のＫＡＭと余寿命の関係を示している。図１１（ａ），（ｂ）は、その第３マスターカーブの変化率を表す第４マスターカーブを示している。図１０のマスタ−カーブと図１１のマスターカーブとを併用して、変化率が大きい領域を選択的に用いることにより、予測精度を向上させることができる。

図１２（ａ），（ｂ）は、空間的分布関数Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５に対応する余寿命を表す第５マスターカーブを示している。図１２（ｂ）は、座標Ｌの連続関数による推定の替わりとして、粒界近傍のＫＡＭと粒中心領域のＫＡＭとの差と余寿命の関係を示している。図１３に示されるように、粒界近傍のＫＡＭは、粒界から６μｍの内部に向かう直線上の多数点のＫＡＭの平均として定義されている。粒界中心のＫＡＭは、粒中心から放射方向に６μｍの外部に向かう直線上の多数点のＫＡＭの平均として定義されている。このような５種のマスターカーブの併用は、余寿命予測精度を更に向上させることができる。

このような多様なマスターカーブは、疲労態様の変化が加味されて更に高精度予測のマスターカードに改善され得る。図１４は、その改善のための荷重多様性を示している。図１４（ａ）は単純疲労を示し、図１４（ｂ）は引張保持クリープ疲労を示し、図１４（ｃ）は圧縮保持クリープ疲労を示している。

図１５は、既述の３様の疲労に対応するＫＡＭカーブ（マスターカーブ）を示している。３様のＫＡＭは、粒中心のＫＡＭとして共通化されている。カーブＡは単純疲労マスターカーブを示し、カーブＢは引張保持クリープ疲労を示し、カーブＣは圧縮保持クリープ疲労を示している。

図１６は、歪範囲をパラメータとし温度と材料寿命を２変数とするＫＡＭ値の２次マスターカーブ、又は、歪範囲と温度と材料寿命を３変数とするＫＡＭ値の３次マスターカーブの存在を実証的に示している。ＫＡＭの増大は粒界では消費寿命の増大に対応することは既述の通りであるが、温度の増大は粒界のＫＡＭの増大に対応する現象が本発明者により更に知られている。歪範囲の大小は、同じＫＡＭで異なる余寿命に対応する。３次元的に分布するＫＡＭ−温度−余寿命２次元曲面は、同一ではない。１％歪範囲のＫＡＭ−温度−余寿命曲面Ｓ１は、２％歪範囲のＫＡＭ−温度−余寿命曲面Ｓ２にＫＡＭ−温度−余寿命の空間曲線Ｋで交叉する。

図１７は、歪範囲をパラメータとする温度−破断時ＫＡＭ値の関係線を示している。破断時ＫＡＭ値は、概ね、温度に対して線形関係を有し、温度の増大は粒内ではＫＡＭ値の減少に対応している。１％歪範囲の温度−破断時ＫＡＭ関係線と２％歪範囲の温度−破断時ＫＡＭ関係線との間には、ＫＡＭ位相差が存在している。その位相差は、温度に依存しないで概ね一定である。より大きい歪を受ける物体のＫＡＭは、５５０゜Ｃと７００゜Ｃの間の全温度領域で、ΔＫＡＭの共通の位相差を有している。

図１８は、歪範囲をパラメータとするＫＡＭ−余寿命関係線を示している。そのＫＡＭ−余寿命関係線は、粒中心領域の変化を示している。１％歪範囲のＫＡＭ−余寿命関係線と２％歪範囲のＫＡＭ−余寿命関係線は、８０％の消費寿命で交叉している。１％歪範囲の材料のＫＡＭは、寿命後期で、２％歪範囲の材料のＫＡＭに比べて急速に低下する。

図１は、本発明による余寿命測定方法の実現態を示す機器配置図である。 図２は、局所的結晶部分を示す断面図である。 図３（ａ）は結晶部分を示す断面図であり、同図（ｂ−１）結晶部分の選択区画を示す断面図であり、同図（ｂ−２）はＫＡＭ分布を示すグラフである。 図４は、計算器部分の詳細を示す回路ブロック図である。 図５は、ＫＡＭ分布を示すグラフである。 図６は、他のＫＡＭ分布を示すグラフである。 図７（ａ）は荷重サイクルを示すグラフであり、同図（ｂ）はサイクル数を示す表である。 図８（ａ）消費とＫＡＭを示す表であり、同図（ｂ）はＫＡＭと余寿命の関係を示すグラフである。 図９（ａ）消費とＫＡＭを示す表であり、同図（ｂ）はＫＡＭと余寿命の他の関係を示すグラフである。 図１０（ａ）消費とＫＡＭを示す表であり、同図（ｂ）はＫＡＭと余寿命の更に他の関係を示すグラフである。 図１１（ａ）消費とＫＡＭを示す表であり、同図（ｂ）はＫＡＭと余寿命の更に他の関係を示すグラフである。 図１２（ａ）消費とＫＡＭを示す表であり、同図（ｂ）はＫＡＭと余寿命の更に他の関係を示すグラフである。 定義域を示す断面図である。 図１４（ａ）は第１荷重様式を示し、同図（ｂ）は第２荷重様式を示し、同図（ｃ）は第３荷重様式を示す。 図１５は、ＫＡＭと余寿命の関係を示すグラフである。 図１６は、ＫＡＭと余寿命と温度と歪範囲の関係を示す立体グラフである。 図１７は、ＫＡＭと温度の関係を示すグラフである。 図１８は、ＫＡＭと余寿命の関係を示すグラフである。

符号の説明

１，２…電子顕微鏡
６，８…計算器
６…第１計算器部分
１３，１５…第２計算器部分

Claims (25)

1. 第１時間幅で荷重を受ける構造物体の部分領域の第１結晶方位情報を第１時刻に計測する第１ステップと、
   前記第１時刻の後に第２時間幅で前記荷重を受ける前記部分領域の第２結晶方位情報を第２時刻に計測する第２ステップと、
   前記第１結晶方位情報と前記第２結晶方位情報との間の変化を抽出する第３ステップ
   とを構成する余寿命測定方法。
2. 前記部分領域の材料は熱伝導性が高い物質である
   請求項１の余寿命測定方法。
3. 前記物質は銅合金である
   請求項２の余寿命測定方法。
4. 前記第１結晶方位情報と前記第２結晶方位情報との間の変化は結晶方位の乱れの程度に対応する
   請求項１の余寿命測定方法。
5. 前記部分領域は結晶粒界近傍である
   請求項１〜４から選択される１請求項の余寿命測定方法。
6. 前記部分領域は結晶中心近傍である
   請求項１〜４から選択される１請求項の余寿命測定方法。
7. 前記第１結晶方位情報と前記第２結晶方位情報とに対応するＫＡＭと余寿命の関係を示すマスターカーブを作成するステップ
   を更に構成する請求項１〜６から選択される１請求項の余寿命測定方法。
8. 前記第１ステップは、
   前記第１時間幅と第１温度で前記構造物体に前記荷重を与えるステップと、
   前記第１時間幅と第２温度で前記構造物体に前記荷重を与えるステップとを形成し、
   前記第２ステップは、
   前記第２時間幅と前記第１温度で前記構造物体に前記荷重を与えるステップと、
   前記第２時間幅と前記第２温度で前記構造物体に前記荷重を与えるステップとを形成する
   請求項１〜７から選択される１請求項の余寿命測定方法。
9. 前記第１ステップは、
   前記第１時間幅と第１歪で前記構造物体に前記荷重を与えるステップと、
   前記第１時間幅と第２歪で前記構造物体に前記荷重を与えるステップとを形成し、
   前記第２ステップは、
   前記第２時間幅と前記第１歪で前記構造物体に前記荷重を与えるステップと、
   前記第２時間幅と前記第２歪で前記構造物体に前記荷重を与えるステップとを形成する
   請求項１〜７から選択される１請求項の余寿命測定方法。
10. 前記第１ステップは、
    前記第１時間幅と第１温度と第１歪で前記構造物体に前記荷重を与えるステップと、
    前記第１時間幅と第２温度と第２歪で前記構造物体に前記荷重を与えるステップとを形成し、
    前記第２ステップは、
    前記第２時間幅と前記第１温度と前記第２歪で前記構造物体に前記荷重を与えるステップと、
    前記第２時間幅と前記第２温度と前記第２歪で前記構造物体に前記荷重を与えるステップとを形成する
    請求項１〜７から選択される１請求項の余寿命測定方法。
11. 第１時間幅で荷重を受ける構造物体の第１部分領域の第１結晶方位情報を第１時刻に計測する第１ステップと、
    前記第１時刻の後に第２時間幅で前記荷重を受ける前記第１部分領域の第２結晶方位情報を第２時刻に計測する第２ステップと、
    前記第１時間幅で前記荷重を受ける前記構造物体の第２部分領域の第３結晶方位情報を前記第１時刻に計測する第３ステップと、
    前記第１時刻の後に第２時間幅で前記荷重を受ける前記第２部分領域の第４結晶方位情報を前記第２時刻に計測する第４ステップと、
    前記第１結晶方位情報と前記第２結晶方位情報との間の変化を抽出する第５ステップと、
    前記第３結晶方位情報と前記第４結晶方位情報との間の変化を抽出する第６ステップ
    とを構成する余寿命測定方法。
12. 前記第１部分領域は結晶粒界近傍であり、且つ、前記第２部分領域は結晶中心近傍である
    請求項１１の余寿命測定方法。
13. 前記第１部分領域は結晶中心近傍であり、且つ、前記第２部分領域は結晶粒界近傍である
    請求項１１の余寿命測定方法。
14. 前記第１結晶方位情報と前記第２結晶方位情報とに対応する第１ＫＡＭと余寿命の関係を示す第１マスターカーブを作成するステップと、
    前記第３結晶方位情報と前記第４結晶方位情報とに対応する第２ＫＡＭと余寿命を示す第２マスターカーブを作成するステップ
    とを更に構成する請求項１１〜１３から選択される１請求項の余寿命測定方法。
15. 前記第１ステップは、
    前記第１時間幅と第１温度で前記第１部分領域に前記荷重を与える第５ステップと、
    前記第１時間幅と第２温度で前記第１部分領域に前記荷重を与える第６ステップとを形成し、
    前記第２ステップは、
    前記第２時間幅と前記第１温度で前記第１部分領域に前記荷重を与える第７ステップと、
    前記第２時間幅と前記第２温度で前記第１部分領域に前記荷重を与える第８ステップとを形成し、
    前記第３ステップは、
    前記第１時間幅と前記第１温度で前記第２部分領域に前記荷重を与える第９ステップと、
    前記第１時間幅と前記第２温度で前記第２部分領域に前記荷重を与える第１０ステップとを形成し、
    前記第４ステップは、
    前記第２時間幅と前記第１温度で前記第２部分領域に前記荷重を与える第１１ステップと、
    前記第２時間幅と前記第２温度で前記第２部分領域に前記荷重を与える第１２ステップとを形成する
    請求項１１〜１３から選択される１請求項の余寿命測定方法。
16. 前記第５ステップ〜前記第１２ステップについてそれぞれに第１マスターカーブ〜第８マスターカーブを作成するステップを更に構成する
    請求項１５の余寿命測定方法。
17. 前記第１マスターカーブ〜前記第８マスターカーブは、それぞれに、異なる歪に関して作成される
    請求項１６の余寿命測定方法。
18. 基準寿命計測対象物体の研磨表面を撮影する電子顕微鏡と、
    計算器とを構成し、
    前記計算器は、
    前記電子顕微鏡により得られる結晶方位の乱れの程度に対応するＫＡＭを計算する第１計算器部分と、
    第１時間幅で荷重を受けた前記基準寿命計測対象物体の第１ＫＡＭと前記第１時間幅の後の第２時間幅で荷重を受けた前記基準寿命計測対象物体の第２ＫＡＭとに対応する前記基準寿命計測対象物体の余寿命の関係を表すマスターカーブを作成する第２計算器部分と、
    前記余寿命予測対象物体のＫＡＭと前記マスターカーブのＫＡＭとから前記マスターカーブに表れる前記余寿命予測対象物体の余寿命を出力する第３計算器部分
    とを構成する余寿命測定装置。
19. 前記マスターカーブは、前記基準寿命計測対象物体に前記荷重を与える間の温度の情報を有する
    請求項１８の余寿命測定装置。
20. 前記マスターカーブは異なる複数の温度に対応して作成される
    請求項１９の余寿命測定装置。
21. 前記マスターカーブは、前記基準寿命計測対象物体に前記荷重を与える間の歪の情報を有する
22. 前記マスターカーブは異なる複数の歪に対応して作成される
    請求項２１の余寿命測定装置。
23. 前記マスターカーブは、結晶粒中心領域と結晶粒界近傍とについて作成される
    請求項１８〜２２から選択される１請求項の余寿命測定装置。
24. 前記マスターカーブは、前記結晶粒中心領域のＫＡＭの時間的変化と前記結晶粒界近傍のＫＡＭの時間的変化について作成される
    請求項２３の余寿命測定装置。
25. 前記マスターカーブは、前記ＫＡＭが前記結晶粒中心領域と前記結晶粒界近傍の間の空間的変化として作成される
    請求項２３又は２４の余寿命測定装置。

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