JP2013088262A5 - - Google Patents
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Description
本発明は、液体窒素温度(77K)における疲労試験中の疲労進展挙動を、モニタリングする試験装置に関する。さらに詳しくは、超音波疲労試験時の試験片の振動波形を非接触及び広帯域で検出し、波形解析を行うことで疲労損傷進展及び疲労き裂の発生・進展の評価を行うものである。 The present invention relates to a test apparatus for monitoring fatigue progress behavior during a fatigue test at a liquid nitrogen temperature (77 K). More specifically, the vibration waveform of the test piece at the time of the ultrasonic fatigue test is detected in a non-contact and broadband manner, and the waveform analysis is performed to evaluate the occurrence of fatigue damage and the occurrence / progress of fatigue cracks.
本発明において、極低温とは液体窒素温度(77K)を意味し、超音波疲労試験とは、20kHz前後の加振振動を超音波ホーンにより増幅して試験片を長手方向に共振させることで荷重負荷を与える高速疲労試験法である。 In the present invention, the cryogenic means liquid nitrogen temperature (77K), the ultrasonic fatigue test, by resonating the excitation vibration after pre 20kHz the specimen is amplified by the ultrasonic horn in the longitudinal direction This is a high-speed fatigue test method that applies load.
超音波疲労試験は、短時間で高サイクル疲労試験が可能なため、ギガサイクル疲労や特許文献1では高サイクル疲労破壊時に起点となる介在物の寸法評価等に用いられてきた。また、常温試験では高速振動による発熱の影響が問題となり、その補正方法(特許文献2)では試験時の温度の安定性向上(特許文献3)が行われている。特許文献1の方法は、ギガサイクル負荷における破壊後の破面観察により、内在する最大の介在物の寸法を評価するものであり、疲労進展挙動の評価には用いられていない。また、特許文献2では、超音波疲労試験における発熱の影響を除去できないため、あらかじめ発熱がない機械的な疲労試験のデータを取得しておき、これに基づき補正を行う方法であるが、発熱状態は試験片の材質により異なるため、材質ごとにあらかじめ機械的な疲労試験のデータが必要になる。そのため、多くの試験片と試験時間を必要とし、超音波疲労試験を別途行う利点はほとんどない。さらに、特許文献3においては、試験片の発熱の制御方法として周期的な断続負荷を用いて試験片の冷却を行っているが、より高精度の負荷制御を行うために新たに試験片変位検出プローブを設け、フィードバック制御を行っているが、極低温環境下では試験片の冷却方法を確立できれば必要がない方法である。 Since the ultrasonic fatigue test is capable of a high cycle fatigue test in a short time, it has been used for gigacycle fatigue or the evaluation of the size of inclusions starting from high cycle fatigue failure in Patent Document 1. Further, in the normal temperature test, the effect of heat generation due to high-speed vibration becomes a problem, and in the correction method (Patent Document 2), the temperature stability during the test is improved (Patent Document 3). The method of Patent Document 1 evaluates the size of the largest inclusions by observing the fracture surface after fracture under a gigacycle load, and is not used for evaluating fatigue progress behavior. Further, in Patent Document 2, since the influence of heat generation in the ultrasonic fatigue test cannot be removed, data of a mechanical fatigue test without heat generation is acquired in advance, and correction is performed based on this data. Since this differs depending on the material of the test piece, mechanical fatigue test data is required in advance for each material. Therefore, many test pieces and test time are required, and there is almost no advantage of performing an ultrasonic fatigue test separately. Furthermore, in Patent Document 3, the test piece is cooled using a periodic intermittent load as a method for controlling the heat generation of the test piece. However, in order to perform more accurate load control, a new test piece displacement detection is performed. Although a probe is provided and feedback control is performed, it is not necessary if a cooling method for the test piece can be established in a cryogenic environment.
液体窒素温度のような極低温環境(77K)において、疲労試験を行うためには液槽内の液体窒素の蒸発が激しいため、特許文献4では、この温度を安定して保持するための装置開発や、試験片のひずみを測定するための手法が10Hz程度の機械的疲労試験において開発されている。この方法は試験片とクライオスタットがシールパッキンで接触している。試験片の自由振動による共振を利用した超音波疲労試験では、試験片に機械的な接触があると共振周波数及び共振モードが変化するため、このようなシール構造は用いることができない。 In a cryogenic environment (77K) such as liquid nitrogen temperature, the evaporation of liquid nitrogen in the liquid tank is intense in order to conduct a fatigue test. Therefore, Patent Document 4 describes the development of an apparatus for stably maintaining this temperature. In addition, a technique for measuring the strain of a test piece has been developed in a mechanical fatigue test of about 10 Hz. In this method, the test piece and the cryostat are in contact with each other with a seal packing. In an ultrasonic fatigue test using resonance due to free vibration of a test piece, such a seal structure cannot be used because the resonance frequency and the resonance mode change when the test piece is in mechanical contact.
一方、高温環境における超音波疲労では、特許文献5において雰囲気炉の中に設置した超音波ホーンと曲げ試験ジグを用いることで高温・高速振動負荷試験を可能にし、併せて炉外にアコースティック・エミッション(AE)センサを設置することで、セラミックス試験片の高温疲労状態が微視割れの発生検出によりモニタされている。このように、室温以外の環境下において圧電素子を用いたAE計測では、導波棒を伝搬媒体として用いていることが一般的であるが、超音波疲労試験においては、試験片に機械的な接触は避けなければならないことから、導波棒による計測はできない。 On the other hand, in the ultrasonic fatigue in high temperature environment, and enables high temperature and high speed vibration load test by using a test jig bending the ultrasonic horn was placed in the atmospheric furnace in the patent literature 5, an acoustic-out of the furnace together By installing an emission (AE) sensor, the high-temperature fatigue state of the ceramic specimen is monitored by detecting the occurrence of microcracking. As described above, in AE measurement using a piezoelectric element in an environment other than room temperature, a waveguide rod is generally used as a propagation medium. In an ultrasonic fatigue test, a mechanical test piece is used as a test piece. Since contact must be avoided, measurement with a waveguide rod is not possible.
近年大振幅正弦波による超音波帯域のバースト波を試験片に入射し、そのときに発生する波形ひずみ、高調波等の非線形特性を測定することで、材料組織、介在物、微視き裂を検出評価する手法が開発されている(特許文献6)。特に二次高調波(特許文献7)やそれを基にしたβパラメータ(特許文献8)は、介在物や疲労損傷、残留応力評価に用いられている。 In recent years, burst waves in the ultrasonic band of a large amplitude sine wave are incident on a test piece, and the nonlinear distortion such as waveform distortion and harmonics generated at that time are measured to remove material structures, inclusions, and microcracks. A detection and evaluation method has been developed (Patent Document 6). In particular, the second harmonic (Patent Document 7) and the β parameter (Patent Document 8) based on the second harmonic are used for inclusions, fatigue damage, and residual stress evaluation.
これらの特許文献で用いられている非線形超音波の測定では、大振幅の信号を入射するとともに、高調波を検出するための広帯域トランスデューサが求められ、水浸収束型探触子等の非接触型や広帯域アレイ型探触子が用いられている。これらの素子は高分子圧電膜や複合圧電体であるが、いずれも液体窒素環境下では感度及び耐久性の大幅な低下が報告されており直接適用するには困難がある。 In the measurement of nonlinear ultrasonic waves used in these patent documents, a broadband transducer for detecting a harmonic wave is required while inputting a signal with a large amplitude, and a non-contact type probe such as a water immersion convergence type probe is required. And broadband array type probes are used. These elements are a polymer piezoelectric film and a composite piezoelectric body, but both have been reported to have a significant decrease in sensitivity and durability under a liquid nitrogen environment, and are difficult to apply directly.
超音波疲労を対象とした非線形超音波計測分野においては、本発明者らによる非特許文献1及び2により、常温において広帯域のレーザ振動計と連続波形収録解析装置を用いて、超音波疲労試験時の振動波形を収録し、分調波や高調波及びAE解析が行われている。 In the field of nonlinear ultrasonic measurement for ultrasonic fatigue, according to Non-Patent Documents 1 and 2 by the present inventors, at the time of ultrasonic fatigue test using a broadband laser vibrometer and continuous waveform recording analyzer at room temperature. Vibration waveforms are recorded, and subharmonic, harmonics and AE analysis are performed.
疲労寿命を求める方法として、破断時点での寿命による破断寿命があるが、その中身は、き裂発生寿命とき裂進展寿命に分けられる。原子力や化学プラント等の構造材料における損傷許容設計では、破壊靭性試験を基にしたき裂進展寿命が用いられている。一方、高信頼性を要求される宇宙機器においてはき裂発生寿命が求められている(非特許文献3、4)。従来のき裂発生寿命を求める方法は、疲労試験中に途中止めを行い、試験片の断面を研磨しながら顕微鏡観察を行うことでき裂発生を検出する破壊試験法しかない。そのため、複数の途中止め試験片及び多大な研磨・観察時間を必要としていたため実用的ではなかった。 As a method for obtaining the fatigue life, there is a rupture life depending on a life at the time of rupture, and the contents are divided into a crack generation life and a crack propagation life. In damage tolerance design in structural materials such as nuclear power plants and chemical plants, crack growth life based on fracture toughness tests is used. On the other hand, a crack generation life is required for space equipment that requires high reliability (Non-Patent Documents 3 and 4). The conventional method for determining the crack initiation life is only a destructive test method in which crack generation is detected by stopping during the fatigue test and performing microscopic observation while polishing the cross section of the test piece. Therefore, since a plurality of halfway test pieces and a great amount of polishing / observation time are required, it is not practical.
極低温環境下における疲労き裂発生寿命等の疲労損傷進展過程を非破壊で評価するためには、上述した常温における超音波疲労の非線形超音波測定方法の原理を基に、液体窒素環境下で実施可能にする必要がある。そのためには、試験片温度の安定性、雑音対策を含む液体窒素環境における非接触測定方法、疲労損傷評価方法の問題を解決しなければならない。 For non-destructive evaluation of fatigue damage growth processes such as fatigue crack initiation life in a cryogenic environment, in the liquid nitrogen environment based on the principle of nonlinear ultrasonic measurement method of ultrasonic fatigue at room temperature described above. It needs to be feasible. To that end, it is necessary to solve the problems of the stability of specimen temperature, the non-contact measurement method in the liquid nitrogen environment including noise countermeasures, and the fatigue damage evaluation method.
本発明は、クライオスタット内の液体窒素で冷却された試験片における超音波疲労時の振動を非接触で検出し、疲労損傷を評価することが可能な極低温環境超音波疲労非破壊評価装置を提供することである。 The present invention provides a cryogenic environment ultrasonic fatigue nondestructive evaluation device capable of detecting vibration during ultrasonic fatigue in a test piece cooled with liquid nitrogen in a cryostat in a non-contact manner and evaluating fatigue damage. It is to be.
そこで、この出願の発明は、上記の課題を解決するため、発明の第1は、液体窒素温度(77K)における材料試験片の超音波疲労非破壊試験装置であって、液体窒素が内部に圧入されるクライオスタット及び該クライオスタット内の液体窒素に浸漬され、前記材料試験片を先端に設置し、超音波振動を付与する超音波ホーンを有するクライオスタット部と、前記クライオスタットに圧入する液体窒素の加圧制御を行う液体窒素加圧制御部と、超音波疲労試験のために前記超音波ホーンの振動制御を行う超音波疲労制御部と、前記材料試験片の振動を検出し、振動データを取得するレーザ振動計を備え、該レーザ振動計により取得した振動データにおける速度波形データと変位波形データを用い、これらの波形データを対象に、非線形超音波解析とアコースエティック(AE)解析を行い、その解析結果に基づいて前記材料試験片の疲労損傷進展挙動を評価する振動検出・解析部により構成されることを特徴とする極低温超音波疲労非破壊試験装置を提供する。 Therefore, in order to solve the above-mentioned problems, the invention of this application is an ultrasonic fatigue nondestructive testing apparatus for material test pieces at a liquid nitrogen temperature (77 K), in which liquid nitrogen is injected into the inside. The cryostat is immersed in liquid nitrogen in the cryostat, the material test piece is placed at the tip, and a cryostat unit having an ultrasonic horn for applying ultrasonic vibration, and pressure control of liquid nitrogen to be press-fitted into the cryostat Liquid nitrogen pressurization control unit for performing ultrasonic vibration test, ultrasonic fatigue control unit for controlling vibration of the ultrasonic horn for ultrasonic fatigue test, laser vibration for detecting vibration of the material specimen and acquiring vibration data Using the velocity waveform data and displacement waveform data in the vibration data acquired by the laser vibrometer, and using these waveform data as targets, nonlinear ultrasonic waves Performs analysis and acoustical Etikku (AE) analysis, cryogenic ultrasonic fatigue nondestructive, characterized in that it is constituted by the vibration detecting and analyzing section for evaluating the fatigue damage propagation behavior of said material specimen based on the analysis results Providing test equipment.
そして第2には、第1の発明の極低温超音波疲労非破壊試験装置による解析・評価方法であって、前記アコースティック・エミッション(AE)解析で得たAE波形の発生位置における応力位相を求めることによりAE事象の応力位相を測定することを特徴とする極低温超音波疲労非破壊の評価・解析方法を提供する。更に、第3には、前記AE事象の応力位相解析と連続FFT解析による分調波及び高調波の強度を測定することを特徴とする極低温超音波疲労非破壊の解析・評価方法を提供する。 Second, the analysis / evaluation method using the cryogenic ultrasonic fatigue nondestructive testing apparatus according to the first aspect of the present invention is to obtain the stress phase at the generation position of the AE waveform obtained by the acoustic emission (AE) analysis. This provides a cryogenic ultrasonic fatigue nondestructive evaluation / analysis method characterized by measuring the stress phase of an AE event. Thirdly, the present invention provides a cryogenic ultrasonic fatigue nondestructive analysis / evaluation method characterized by measuring the intensity of subharmonic waves and harmonics by stress phase analysis and continuous FFT analysis of the AE event. .
本発明の極低温超音波疲労非破壊評価試験機の構成は、図1に示すように、超音波ホーンを組み込んだクライオスタット部、液体窒素加圧制御部、超音波疲労制御部、振動検出・解析部で構成される。ここでは、超音波疲労制御部は市販品(例えば島津製作所製USF−2000など)を用いる。 As shown in FIG. 1, the cryogenic ultrasonic fatigue nondestructive evaluation tester according to the present invention has a cryostat unit incorporating an ultrasonic horn, a liquid nitrogen pressurization control unit, an ultrasonic fatigue control unit, vibration detection / analysis. It consists of parts. Here, a commercially available product (for example, USF-2000 manufactured by Shimadzu Corporation) is used as the ultrasonic fatigue control unit.
図2に超音波ホーンを組み込んだクライオスタット部の構成を示す。クライオスタット部は、クライオスタット(1)内に断熱対策を施した超音波ホーン(4)、レーザ振動計測用のぞき窓(3)、液体窒素(2)、液面制御ぶた(9)、シールパッキン、(10)ミストシールド(11)で構成される。 FIG. 2 shows the configuration of a cryostat unit incorporating an ultrasonic horn. The cryostat unit includes an ultrasonic horn (4) with heat insulation measures in the cryostat (1), an observation window for laser vibration measurement (3), liquid nitrogen (2), a liquid level control lid (9), a seal packing , 10) Consists of a mist shield (11).
超音波疲労試験においては、試験片は超音波ホーンの先端に設置され、試験片はねじを用いてこのホーンに取り付けられる。このとき、クライオスタットの外側にある超音波振動子を含む超音波ホーン部は断熱構造とする。試験中は、超音波振動子(5)が侵入熱源となって熱が超音波ホーン(4)を伝わってクライオスタット(1)内の液体窒素(2)を沸騰させる。この沸騰現象により大規模な対流がクライオスタット内に生じて液面高さが安定しなくなる。そこで、厚さ数mmのガラスペーパー製の液面制御ぶた(9)を液体窒素排出管(7)開口部に設け、濡れたガラスペーパー層が設定した液面にあることで沸騰による液面高さの変化を安定させる。 In the ultrasonic fatigue test, a test piece is installed at the tip of an ultrasonic horn, and the test piece is attached to the horn using a screw. At this time, the ultrasonic horn part including the ultrasonic transducer outside the cryostat has a heat insulating structure. During the test, the ultrasonic vibrator (5) serves as an intrusion heat source, and heat is transmitted through the ultrasonic horn (4) to boil the liquid nitrogen (2) in the cryostat (1). Due to this boiling phenomenon, a large-scale convection is generated in the cryostat and the liquid level becomes unstable. Therefore, the liquid level control lid (9) made of glass paper with a thickness of several mm is provided in the opening of the liquid nitrogen discharge pipe (7), and the liquid level is increased by boiling because the wet glass paper layer is at the set liquid level. To stabilize the change.
超音波疲労は、共振現象を利用して試験片(8)に応力負荷を与えることから試験片中央部近傍が応力負荷域となり、この領域を試験中において液体窒素温度に保つ必要がある。そのため、試験片長さの2/3以上を液体窒素に浸すことが望まれる。超音波疲労試験中は、試験材の内部摩擦による発熱及び高周波振動の影響により、試験片周りでミストが発生しレーザ光を散乱させることでレーザ振動計において計測雑音が発生する。そこで、発生するミストをレーザ光路(12)に入れない方法として、ミストシールド(11)を設けさらに試験片とミストシールドの隙間に、ガラスペーパー製の厚さ数mmシールパッキン(10)を挿入する。このパッキンは、試験中に液体窒素に濡れるように設置することで、ミストをシールドするとともに、機械的なフリクションノイズの発生を低減することができる。 Since ultrasonic fatigue applies a stress load to the test piece (8) using a resonance phenomenon, the vicinity of the center of the test piece becomes a stress load area, and this area needs to be maintained at the liquid nitrogen temperature during the test. Therefore, it is desirable to immerse 2/3 or more of the test piece length in liquid nitrogen. During the ultrasonic fatigue test, mist is generated around the test piece due to the influence of heat generated by internal friction of the test material and high-frequency vibration, and the laser light is scattered to cause measurement noise in the laser vibrometer. Therefore, as a method for preventing the generated mist from entering the laser beam path (12), a mist shield (11) is provided, and a glass paper thickness seal packing (10) made of glass paper is inserted into the gap between the test piece and the mist shield. . By installing this packing so as to get wet with liquid nitrogen during the test, it is possible to shield mist and reduce the occurrence of mechanical friction noise.
液体窒素は、窒素ガスで加圧することで液体窒素流入管(6)よりクライオスタット(1)に圧入され、液体窒素排出管(7)から排出される。超音波疲労試験中は、クライオスタット内の液体窒素の沸騰を低減させるため、液体窒素流入管(6)より常時液体窒素は外部から圧入される。圧入される液体窒素の流量は、液体窒素加圧制御部で制御される。 Liquid nitrogen is pressed into the cryostat (1) from the liquid nitrogen inflow pipe (6) by being pressurized with nitrogen gas, and is discharged from the liquid nitrogen discharge pipe (7). During the ultrasonic fatigue test, in order to reduce the boiling of liquid nitrogen in the cryostat, liquid nitrogen is always injected from the outside through the liquid nitrogen inflow pipe (6). The flow rate of the liquid nitrogen to be press-fitted is controlled by the liquid nitrogen pressurization control unit.
試験片の検出対象振動周波数帯域は数Hzから数MHzであり、変位及び速度が検出できるレーザ振動計を用いて検出される。レーザ光は、クライオスタット上部に設けられたのぞき窓を介して試験片上端部に入射され、これがレーザ光路(12)となる。このとき液体窒素及びそのミストが試験片上端面にかかり、レーザ光を散乱させないように、試験片とミストシールドの隙間にシールパッキン(10)を挿入しておく。 The vibration frequency band to be detected of the test piece is several Hz to several MHz and is detected using a laser vibrometer that can detect displacement and velocity. The laser beam is incident on the upper end of the test piece through a viewing window provided in the upper part of the cryostat, and this becomes a laser beam path (12). At this time, seal packing (10) is inserted in the gap between the test piece and the mist shield so that the liquid nitrogen and its mist are applied to the upper end surface of the test piece and the laser beam is not scattered.
レーザ振動計で検出された変位及び速度信号は、各々数MHz以上のサンプリング速度で12bit以上の分解能を有する連続波形収録装置で同時収録される。 The displacement and velocity signals detected by the laser vibrometer are simultaneously recorded by a continuous waveform recording device having a resolution of 12 bits or more at a sampling speed of several MHz or more.
図3に解析フロー図を示す。レーザ振動計で検出された速度波形と変位波形を対象に非線形超音波解析とAE解析が行われる。連続波形収録装置で同時収録された速度波形は、基本波(加振周波数)、高調波(2次〜5次)及び分調波(基本波周波数の1/2)が連続FFTやウェーブレット解析により各周波数の強度が抽出される。また、加振周波数の5倍以上周波数のハイパスフィルター(HPF)を用いて、アコースティック・エミッション(AE)信号を抽出し、しきい値を設定することで、AE事象を抽出する。 FIG. 3 shows an analysis flow diagram. Nonlinear ultrasonic analysis and AE analysis are performed on the velocity waveform and displacement waveform detected by the laser vibrometer. The velocity waveform simultaneously recorded by the continuous waveform recording device is fundamental wave (excitation frequency), harmonic (second to fifth) and subharmonic (1/2 of the fundamental wave frequency) by continuous FFT or wavelet analysis. The intensity of each frequency is extracted. Further, an acoustic emission (AE) signal is extracted using a high-pass filter (HPF) having a frequency five times or more the excitation frequency, and an AE event is extracted by setting a threshold value.
一方、連続波形収録装置で収録された変位波形は、試験片の振動変位量の測定及び応力位相の解析に用いられる。速度波形から抽出されたAE事象には、ノイズと微視割れやき裂進展などの疲労損傷の発生に伴うものに分けられる。図4に、ノイズ信号における応力位相とハイパスフィルター波形の例を示す。
ノイズ波形では、応力位相に無関係にAE波形(バースト信号)が発生している。
On the other hand, the displacement waveform recorded by the continuous waveform recording device is used for the measurement of the vibration displacement amount of the test piece and the analysis of the stress phase. The AE events extracted from the velocity waveform are classified into those accompanying the occurrence of noise and fatigue damage such as microcracking and crack propagation. FIG. 4 shows an example of the stress phase and high-pass filter waveform in the noise signal.
In the noise waveform, an AE waveform (burst signal) is generated regardless of the stress phase.
図5に微視割れに伴うAE波形(ハイパスフィルター波形)を、図6にAE波形と応力位相(変位)の関係を示す。割れのAEは最大引張り応力(=最大変位)近傍で検出される。そこで、割れに伴うAE波形は、応力位相と相関をもって検出される。AE発生時の応力位相との対応は、AE波の到達時間差補正を行わなければならない。
微視割れに伴うAEは、試験片中央から発生するため、試験片端部で検出する場合には時間遅れが生じる。時間遅れΔTは以下の式で求める。
[式1]
ΔT=L/vLN
ただし、Lは試験片中央から端部までの長さ、vLNは液体窒素温度におけるAE波の速度である。
微視割れに伴う波形では、応力位相がAE到達時間補正後の正の最大値近傍即ち最大引張り応力で発生している。これは非特許文献5に示す通常の疲労試験時のき裂生成のAE(peak load AE)に対応し、超音波疲労試験においても同様の現象が見られた。これより、検出されたAE事象の応力位相を対応させることでき裂生成に加え、き裂閉鎖、き裂開口といった巨視的な破面の情報も得ることができる。
FIG. 5 shows an AE waveform (high-pass filter waveform) associated with microcracking, and FIG. 6 shows a relationship between the AE waveform and the stress phase (displacement). Crack AE is detected in the vicinity of the maximum tensile stress (= maximum displacement). Therefore, the AE waveform accompanying the crack is detected with a correlation with the stress phase. Correspondence with the stress phase at the time of AE generation requires correction of the arrival time difference of the AE wave.
Since AE accompanying microcracking occurs from the center of the test piece, a time delay occurs when detecting at the end of the test piece. The time delay ΔT is obtained by the following formula.
[Formula 1]
ΔT = L / v LN
However, L is the length from the center of the test piece to the end, and v LN is the speed of the AE wave at the liquid nitrogen temperature.
In the waveform associated with microcracking, the stress phase is generated near the positive maximum value after the AE arrival time correction, that is, the maximum tensile stress. This corresponds to the AE (peak load AE) of crack generation during a normal fatigue test shown in Non-Patent Document 5, and the same phenomenon was also observed in the ultrasonic fatigue test. As a result, the stress phase of the detected AE event can be matched, and in addition to crack generation, information on macroscopic fracture surfaces such as crack closure and crack opening can be obtained.
高調波及び分調波の情報は、非線形超音波として特許文献6から8、並びに非特許文献1及び2に述べられており、塑性変形や微視き裂との対応が見られる。これらの非線形超音波のパラメータとAE情報を合わせた疲労損傷進展評価により、材料の損傷及びき裂発生寿命等の評価が非破壊で可能となる。 Information on harmonics and subharmonics is described as non-linear ultrasonic waves in Patent Documents 6 to 8 and Non-Patent Documents 1 and 2, and correspondence with plastic deformation and microcracks can be seen. Fatigue damage progress evaluation combining these nonlinear ultrasonic parameters and AE information enables non-destructive evaluation of material damage and crack generation life.
本発明装置により、液体窒素温度(77K)において、高サイクル疲労試験時の疲労損傷進展挙動が非破壊で評価でき、破断寿命に加えて、疲労損傷及びき裂発生寿命の評価が可能となる。 With the apparatus of the present invention, fatigue damage progress behavior during a high cycle fatigue test can be evaluated nondestructively at a liquid nitrogen temperature (77 K), and fatigue damage and crack generation life can be evaluated in addition to fracture life.
超音波疲労試験時に検出された振動波形と解析例を説明する。
図4は、試験中に検出されたミストによるノイズの例である。破線は速度波形、実線は100kHzハイパスフィルターによって抽出されたAE波形である。このAE波形は、ミストがレーザ光を散乱させることで発生したノイズであり、応力位相に相関がない。
図5は、疲労試験の後期に検出された微視割れの発生に伴うAE信号の例である。破線は速度波形、実線は100kHzハイパスフィルターによって抽出されたAE波形(速度)である。速度波形では、負位相の最低振幅時にAE波形が見られる。
図6は、図5と同じ時間軸における変位波形と100kHzハイパスフィルターによって抽出されたAE波形(速度)の検出時間を1式によりΔT補正を行ったものである。このAE波形の初動は、変位(=応力)が最大時に検出されており、Peak Load AEとしてき裂生成のAEに対応する。このように、応力位相とAE波形の対応を行う場合、変位における位相とAE源の位置(試験片中央)から検出端位置までの到達時間を補正したときの発生時の時間との対応を行わなければならない。
図7は、最終破断近傍におけるサイクル数と分調波、第二次高調波、第三次高調波、AE事象数をまとめて示したものである。お互いのパラメータの相関から疲労損傷進展評価ができる。分調波、第二次高調波、第三次高調波、AE事象数とも最終破断直前である4.36x105サイクルで急上昇し4.38x105サイクルで破断したことから、4.36x105サイクルから4.38x105サイクルにき裂が連続して進展したと考えられる(き裂成長期)。一方、4.27x105サイクルにAE事象の急上昇が見られ、その後、第二次高調波及び第三次高調波に変化が見られたことから、このときに微視き裂が生成したと考えられる(き裂核生成)。また、3.70x105サイクルからAE事象が検出され4.27x105サイクルまで緩やかに上昇したが、第三次高調波には変化が見られず、わずかに第二次高調波に変化が見られたことから、局所的な塑性変形を伴う微視割れが各所で生成することで損傷が発生したと考えられる。
以上より、このときのき裂発生寿命は4.27x105サイクルと考えられる。
The vibration waveform detected during the ultrasonic fatigue test and an analysis example will be described.
FIG. 4 is an example of noise due to mist detected during the test. Dashed line velocity waveform, the solid line is the AE waveform extracted by 100kHz high pass filter. This AE waveform is noise generated by the mist scattering laser light, and has no correlation with the stress phase.
FIG. 5 is an example of an AE signal associated with the occurrence of microcracking detected in the later stage of the fatigue test. Dashed line velocity waveform, the solid line is the AE waveform extracted by 100kHz high pass filter (speed). In the velocity waveform, an AE waveform is observed at the minimum amplitude of the negative phase.
FIG. 6 is obtained by performing ΔT correction on the basis of the displacement time on the same time axis as in FIG. 5 and the detection time of the AE waveform (velocity) extracted by the 100 kHz high-pass filter. This initial movement of the AE waveform is detected when displacement (= stress) is maximum, and corresponds to AE of crack generation as Peak Load AE. As described above, when the correspondence between the stress phase and the AE waveform is performed, the correspondence between the phase in the displacement and the time when the arrival time from the position of the AE source (the center of the test piece) to the detection end position is corrected is performed. There must be.
FIG. 7 collectively shows the number of cycles and the subharmonic, the second harmonic, the third harmonic, and the number of AE events in the vicinity of the final break. Fatigue damage progress can be evaluated from the correlation of the parameters. The subharmonic, second harmonic, third harmonic, and AE event numbers all rose sharply at 4.36 × 10 5 cycles, just before the final break, and broke at 4.38 × 10 5 cycles, from 4.36 × 10 5 cycles 4. It is considered that the crack continuously propagated in 4.38 × 10 5 cycles (crack growth period). On the other hand, a sharp increase in the AE event was observed at 4.27 × 10 5 cycles, followed by changes in the second and third harmonics. (Crack nucleation). Although AE events from 3.70X10 5 cycles rises slowly until the detected 4.27X10 5 cycles, the third harmonic variation can not be observed, seen slightly changed to the second harmonic wave Therefore, it is considered that damage occurred because microcracks accompanied with local plastic deformation were generated in various places.
From the above, the crack initiation life at this time is considered to be 4.27 × 10 5 cycles.
極低温で用いられる液体ロケット用宇宙材料等において、材料の疲労損傷進展機構の評価が非破壊ででき、き裂発生寿命等の評価が可能になる。 In space materials for liquid rockets used at cryogenic temperatures, the fatigue damage propagation mechanism of materials can be evaluated non-destructively, and crack generation life and the like can be evaluated.
1 クライオスタット
2 液体窒素
3 のぞき窓
4 超音波ホーン
5 超音波振動子
6 液体窒素流入管
7 液体窒素排出管
8 試験片
9 液面制御ぶた
10 シールパッキン
11 ミストシールド
12 レーザ光路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cryostat 2 Liquid nitrogen 3 Peep window 4 Ultrasonic horn 5 Ultrasonic vibrator 6 Liquid nitrogen inflow pipe 7 Liquid nitrogen discharge pipe 8 Test piece 9 Liquid level control lid 10 Seal packing 11 Mist shield 12 Laser optical path
Claims (3)
液体窒素が内部に圧入されるクライオスタット及び該クライオスタット内の液体窒素に浸漬され、前記材料試験片を先端に設置し、超音波振動を付与する超音波ホーンを有するクライオスタット部と、
前記クライオスタットに圧入する液体窒素の加圧制御を行う液体窒素加圧制御部と、
超音波疲労試験のために前記超音波ホーンの振動制御を行う超音波疲労制御部と、
前記材料試験片の振動を検出し、振動データを取得するレーザ振動計を備え、該レーザ振動計により取得した振動データにおける速度波形データと変位波形データを用い、これらの波形データを対象に、非線形超音波解析とアコースエティック(AE)解析を行い、その解析結果に基づいて前記材料試験片の疲労損傷進展挙動を評価する振動検出・解析部により構成されることを特徴とする極低温超音波疲労非破壊試験装置。 An ultrasonic fatigue nondestructive testing device for a material specimen at a liquid nitrogen temperature (77K),
A cryostat unit in which liquid nitrogen is press-fitted and a cryostat unit immersed in liquid nitrogen in the cryostat, the material test piece is installed at the tip, and an ultrasonic horn for applying ultrasonic vibration;
A liquid nitrogen pressurization control unit for controlling the pressurization of liquid nitrogen press-fitted into the cryostat;
An ultrasonic fatigue control unit for controlling vibration of the ultrasonic horn for an ultrasonic fatigue test;
A laser vibrometer that detects vibrations of the material test piece and acquires vibration data is provided. Using the velocity waveform data and the displacement waveform data in the vibration data obtained by the laser vibrometer, these waveform data are subjected to nonlinearity. Cryogenic ultrasonic fatigue characterized by comprising a vibration detection and analysis unit that performs ultrasonic analysis and acoustic (AE) analysis and evaluates fatigue damage progress behavior of the material specimen based on the analysis results Nondestructive testing equipment.
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