JP2022133622A - Measurement method of diameter of included object included in steel product - Google Patents

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悟 片山
Satoru Katayama
威史 藤松
Takeshi Fujimatsu
隼之 杉本
Hayayuki Sugimoto
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Abstract

To provide a method for predicting a maximum diameter of an included object in a steel product efficiently and accurately.SOLUTION: A prediction method of a maximum size comprises: (A) a step of collecting a first test piece from a steel product; (B) a step of subjecting the first test piece to an ultrasonic flaw detection test to identify a detection position being a position where existence of an included object is predicted; (C) a step of collecting a second test piece including the detection position from the first test piece; (D) a step of subjecting the second test piece to an ultrasonic fatigue test to break the second test piece and acquire a fracture surface; (E) a step of measuring a size of the included object existing on a starting part on the fracture surface; (F) a step of, on the basis of the size, by a statistical method, deriving a size of a maximum included object in the steel product.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、鋼材の中に存在する介在物の最大径(最大サイズ)を予測する方法に関する。詳細には、本発明は、超音波探傷試験及び超音波疲労試験の組合せにより、介在物の最大サイズを予測する方法に関する。 The present invention relates to a method for predicting the maximum diameter (maximum size) of inclusions present in steel. More particularly, the present invention relates to a method of predicting the maximum size of inclusions by a combination of ultrasonic testing and ultrasonic fatigue testing.

高強度鋼からなる軸受は、使用中に破壊を起こすことがある。この破壊の原因の1つは、軸受の使用中に転がり疲れと称する疲労を繰り返し受けることにより、鋼中の非金属介在物に応力集中が起こることによる。この非金属介在物は、鋼の製造工程において不可避的に生成する。介在物周辺への応力集中の影響範囲は、非金属介在物のサイズと相関すると考えられる。したがって軸受の寿命を想定する上で、このサイズを把握することは重要である。また、軸受以外の鋼製部品の寿命を想定する上でも、非金属介在物のサイズを把握することは重要である。特に、存在する複数の非金属介在物の中で、最も大きい非金属介在物の径(最大径)を把握することは、部品の信頼性を確保する観点から重視される。 Bearings made of high-strength steel can break during use. One of the causes of this fracture is that stress concentration occurs in non-metallic inclusions in steel due to repeated fatigue called rolling fatigue during use of the bearing. These non-metallic inclusions are inevitably generated in the steel manufacturing process. It is thought that the influence range of stress concentration around inclusions correlates with the size of non-metallic inclusions. Therefore, it is important to grasp this size when estimating the service life of the bearing. It is also important to know the size of non-metallic inclusions when estimating the service life of steel parts other than bearings. In particular, it is important to grasp the diameter (maximum diameter) of the largest non-metallic inclusion among a plurality of existing non-metallic inclusions from the viewpoint of ensuring reliability of parts.

1993年発行の「金属疲労 微小欠陥と介在物の影響(養賢堂、村上敬宜著)」には、基準体積内の最大介在物径を、検鏡と極値統計法とによって予測する方法が開示されている。 In 1993, "Metal Fatigue: Effects of Micro Defects and Inclusions (by Yokendo and Takanobu Murakami)" describes a method of predicting the maximum diameter of inclusions in a reference volume using speculum and extreme value statistics. is disclosed.

特開2009-281738公報には、鋼中の介在物の最大径を予測する方法が開示されている。この方法では、超音波疲労試験による破壊面に存在する介在物の径が実測される。この径の値に基づき極値統計法により、最大径が算出される。 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2009-281738 discloses a method for predicting the maximum diameter of inclusions in steel. In this method, the diameter of inclusions existing on the fracture surface is actually measured by the ultrasonic fatigue test. Based on this diameter value, the maximum diameter is calculated by extreme value statistics.

特開2020-34292公報にも、超音波疲労試験と極値統計法とによって介在物の最大径を予測する方法が開示されている。この方法では、水素がチャージされた試験片が、超音波疲労試験に供される。水素のチャージは、水素脆化を利用して試験片の破壊を促進する目的で行われる。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-34292 also discloses a method of predicting the maximum diameter of inclusions by an ultrasonic fatigue test and an extreme value statistical method. In this method, a hydrogen-charged specimen is subjected to an ultrasonic fatigue test. Hydrogen charging is performed for the purpose of promoting fracture of the test piece using hydrogen embrittlement.

特開2009-281738公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-281738 特開2020-34292公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-34292

1993年発行の「金属疲労 微小欠陥と介在物の影響(養賢堂、村上敬宜著)」"Metal Fatigue: Influence of Micro Defects and Inclusions (by Yokendo and Takanobu Murakami)" published in 1993

軸受等の鋼製部品において、極値統計法を用いて予測された非金属介在物の最大径に基づいて想定される寿命よりも早期に疲労破壊が起こる場合がある。このような疲労破壊は、大量生産された鋼製部品において疲労の影響を受ける体積が、予測に際して検査した体積よりも大きくなり、予測された最大径よりも大きい径を有する非金属介在物が含まれる場合があることが、原因である。したがって、最大径を予測する従来の方法には、精度の点で改善の余地がある。 In steel parts such as bearings, fatigue failure may occur earlier than expected life based on the maximum diameter of non-metallic inclusions predicted using the extreme value statistics method. Such fatigue failures occur when the volume affected by fatigue in mass-produced steel parts is greater than the volume examined during prediction, and includes non-metallic inclusions with diameters greater than the predicted maximum diameter. This is because there are cases where Therefore, conventional methods of predicting the maximum diameter have room for improvement in terms of accuracy.

多数の断面観察を行って、介在物の径が実測されれば、精度よく最大径が予測されうる。しかし、多数の断面における径の実測作業には、手間がかかり、現実的ではない。 If a large number of cross-sectional observations are performed and the diameter of inclusions is actually measured, the maximum diameter can be predicted with high accuracy. However, it takes time and effort to actually measure diameters in a large number of cross sections, which is not realistic.

本発明の目的は、効率よくかつ精度よく、大体積の鋼材中の介在物の最大サイズが予測されうる、方法の提供にある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method by which the maximum size of inclusions in a large volume of steel can be predicted efficiently and accurately.

本発明に係る最大サイズの予測方法は、
(A)鋼材から第一試験片を採取するステップ、
(B)上記第一試験片を超音波探傷試験に供し、介在物の存在が推測される箇所である検出箇所を特定するステップ、
(C)上記第一試験片から、上記検出箇所を含む第二試験片を採取するステップ、
(D)上記第二試験片を超音波疲労試験に供してこの第二試験片を破断させ、破断面を得るステップ、
(E)上記破断面上の起点部に存在する介在物のサイズを測定するステップ、
及び
(F)上記(A)~(E)のステップを複数回行い、得られた複数個の介在物のサイズに基づいて、統計的手法により、超音波探傷試験により探傷を行った体積に比べて大きな体積の上記鋼材の中に存在する最大介在物のサイズを導出するステップ
を含む。
The maximum size prediction method according to the present invention includes:
(A) collecting a first test piece from the steel;
(B) a step of subjecting the first test piece to an ultrasonic flaw detection test to identify detection points where inclusions are suspected to exist;
(C) collecting a second test piece containing the detection point from the first test piece;
(D) subjecting the second test piece to an ultrasonic fatigue test to fracture the second test piece to obtain a fracture surface;
(E) measuring the size of inclusions present at the starting point on the fracture surface;
and (F) the above steps (A) to (E) are performed multiple times, and based on the sizes of the plurality of inclusions obtained, a statistical method is used to perform flaw detection by ultrasonic testing. Compared to the volume deriving the size of the largest inclusion present in a large volume of said steel.

好ましくは、ステップ(F)における統計的手法は、極値統計法である。 Preferably, the statistical method in step (F) is extreme value statistics.

好ましくは、ステップ(B)の超音波探傷試験において、周波数が10MHz以上25MHz以下である超音波が第一試験片に入射される。 Preferably, in the ultrasonic flaw detection test of step (B), ultrasonic waves having a frequency of 10 MHz or more and 25 MHz or less are incident on the first test piece.

好ましくは、ステップ(B)において、超音波探傷試験に供される第一試験片の評価体積は、100,000mm以上である。 Preferably, in step (B), the evaluation volume of the first test piece subjected to the ultrasonic testing is 100,000 mm 3 or more.

好ましくは、ステップ(D)の超音波疲労試験において、応力が550MPa以上である荷重が第二試験片に負荷される。 Preferably, in the ultrasonic fatigue test of step (D), a load having a stress of 550 MPa or more is applied to the second test piece.

他の観点によれば、本発明に係る試験片の製造方法は、
鋼材から第一試験片を採取するステップ、
この第一試験片を超音波探傷試験に供し、介在物の存在が予測される箇所である検出箇所を特定するステップ、
及び
この第一試験片から、検出箇所を含む第二試験片を採取するステップ
を含む。
According to another aspect, the test piece manufacturing method according to the present invention comprises:
obtaining a first specimen from the steel;
A step of subjecting the first test piece to an ultrasonic flaw detection test to identify detection points where inclusions are expected to be present;
and obtaining from the first test strip a second test strip containing the detection point.

本発明に係る方法により、鋼材中の介在物の最大サイズが精度よく予測されうる。また、この方法は、大体積の評価手段として高効率である。 By the method according to the present invention, the maximum size of inclusions in steel can be accurately predicted. In addition, this method is highly efficient as a large-volume evaluation means.

図1は、本発明の一実施形態に係る予測方法が示されたフローチャートである。FIG. 1 is a flow chart showing a prediction method according to one embodiment of the present invention. 図2は、図1の予測方法に用いられる第一試験片の一例が示された斜視図である。2 is a perspective view showing an example of a first test piece used in the prediction method of FIG. 1. FIG. 図3は、図1の予測方法に用いられる第二試験片の一例が示された斜視図である。3 is a perspective view showing an example of a second test piece used in the prediction method of FIG. 1. FIG. 図4は、図3のIV-IV線に沿った拡大断面図である。FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view taken along line IV--IV of FIG.

以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail based on preferred embodiments with appropriate reference to the drawings.

図1に示された予測方法では、まず棒鋼が準備される(STEP1)。この棒鋼は、介在物の最大サイズが予測される対象である。棒鋼に代えて、他の形状を有する鋼材が準備されてもよい。 In the prediction method shown in FIG. 1, a steel bar is first prepared (STEP1). This steel bar is the target for which the maximum size of inclusions is expected. A steel material having another shape may be prepared instead of the steel bar.

この棒鋼から、第一試験片2が採取される(STEP2)。この第一試験片2が、図2に示されている。この第一試験片2は、円柱形状を有している。ここで示した事例の第一試験片2では、直径は63mmであり、長さは250mmである。この第一試験片2の評価体積は試験片の径および長さと超音波探傷装置での探傷可能長さ、探傷領域(超音波探傷における鋼材表面の不感帯を除いた探傷可能領域に応じる)により決定される。この評価体積を基準評価体積とする。基準評価体積は、実施にあたり適宜変更しても良い。この第一試験片2は、素材となる棒鋼等に切削加工、塑性加工等が施されて得られる。加工に先立ち、棒鋼等に加工を容易にしたり、超音波探傷時の超音波の減衰を抑えたりするための熱処理が施されてもよい。熱処理としては、たとえば焼ならしであり、焼なましや球状化焼なましであってもよい。これらの熱処理の条件は、検査を行う鋼材の化学成分をもとに決定される。その条件決定の手段として熱力学計算ソフトウェアによる平衡状態図の計算や、予備実験による検証が利用されうるし、既にそれらの条件が文献や資料などで公知の鋼種はそれを利用すればよい。第一試験片2の形状は、円柱には限られない。種々の形状が、第一試験片2に採用されうる。 A first test piece 2 is taken from this steel bar (STEP 2). This first test piece 2 is shown in FIG. This first test piece 2 has a cylindrical shape. The first specimen 2 of the example shown here has a diameter of 63 mm and a length of 250 mm. The evaluation volume of the first test piece 2 is determined by the diameter and length of the test piece, the detectable length of the ultrasonic flaw detector, and the flaw detection area (according to the flaw detection area excluding the dead zone on the steel surface in ultrasonic flaw detection). be done. This evaluation volume is used as a reference evaluation volume. The reference evaluation volume may be changed as appropriate for implementation. The first test piece 2 is obtained by subjecting a steel bar or the like as a raw material to cutting, plastic working, or the like. Prior to processing, the steel bar or the like may be subjected to heat treatment for facilitating processing or for suppressing attenuation of ultrasonic waves during ultrasonic flaw detection. The heat treatment is, for example, normalizing, and may be annealing or spheroidizing annealing. These heat treatment conditions are determined based on the chemical composition of the steel to be inspected. As a means for determining the conditions, calculation of equilibrium diagrams by thermodynamic calculation software and verification by preliminary experiments can be used, and those conditions can be used for steel types whose conditions are already known in literature and materials. The shape of the first test piece 2 is not limited to a cylinder. Various shapes can be adopted for the first test strip 2 .

この第一試験片2が、超音波探傷試験に供される(STEP3)。超音波探傷試験のための装置には、超音波探触子が備わる。この探触子から、超音波が発せられる。この超音波は、第一試験片2に入射する。第一試験片2に非金属介在物等の内部欠陥がある場合、超音波がこの内部欠陥で反射される。この反射で生じた反射波(内部欠陥からのエコー)が探触子で感知されることで、内部欠陥が検出される。探触子は第一試験片2に対して移動しつつ、超音波を発することで、第一試験片2の広範囲にわたって検査がなされ、単一の内部欠陥、もしくは複数の内部欠陥が検出される。複数の内部欠陥が検出された場合は、その欠陥からの反射波強度(エコーの高さ)にもとづいて測定体積内で最大の内部欠陥を一つ特定する。 This first test piece 2 is subjected to an ultrasonic flaw detection test (STEP 3). An apparatus for ultrasonic testing is equipped with an ultrasonic probe. Ultrasonic waves are emitted from this probe. This ultrasonic wave is incident on the first test piece 2 . If the first test piece 2 has internal defects such as non-metallic inclusions, ultrasonic waves are reflected by these internal defects. An internal defect is detected by detecting a reflected wave (echo from an internal defect) generated by this reflection with a probe. By emitting ultrasonic waves while the probe moves relative to the first test piece 2, a wide range of the first test piece 2 is inspected, and a single internal defect or a plurality of internal defects are detected. . If multiple internal defects are detected, one of the largest internal defects within the measurement volume is identified based on the reflected wave intensity (echo height) from the defect.

超音波探傷試験として、直接接触法及び水浸探傷法が採用されうる。ここでは超音波の安定した送受信が可能であるとの観点から、水浸探傷法が好ましい。超音波探傷試験において探触子から発せられる超音波の周波数は、10MHz以上25MHz以下が好ましい。より望ましくは内部欠陥の検出精度の高い20MHz以上である。第一試験片2の表面からの、超音波探触子の鋼中での焦点深さは、後述のように、第一試験片2に引き続いて第二試験片4を加工し、その試験片中に第一試験片2で検出した内部欠陥を包含させることを鑑みて、鋼材表面から5mm程度もしくはそれ以上とすることが好ましい。 A direct contact method and a water immersion method can be employed as ultrasonic testing. Here, the water immersion flaw detection method is preferable from the viewpoint that ultrasonic waves can be transmitted and received stably. The frequency of the ultrasonic waves emitted from the probe in the ultrasonic testing is preferably 10 MHz or more and 25 MHz or less. More desirably, it is 20 MHz or more with high detection accuracy of internal defects. From the surface of the first test piece 2, the focal depth in the steel of the ultrasonic probe is, as described later, by processing the first test piece 2 followed by the second test piece 4, and the test piece In view of including the internal defects detected in the first test piece 2, it is preferable to set the depth to about 5 mm or more from the surface of the steel material.

超音波探傷試験により、内部欠陥が存在する箇所が特定される。換言すれば、介在物の存在が推測される箇所(検出箇所)が特定される。そのうち最大のものとみられる検出箇所には、マーキングを行う(STEP4)。マーキングは、第一試験片2の表面に描かれうる。マーキングが、位置を特定するための電子的な記録によって達成されてもよい。これは、第一試験片2のマーキング位置の情報がそれにつづく第二試験片4を加工するための加工装置の加工位置情報として反映可能な場合に利用される。 Ultrasonic testing identifies locations where internal defects exist. In other words, the location (detection location) where the existence of the inclusion is presumed is specified. Marking is performed at the detection point which is considered to be the largest among them (STEP 4). A marking can be drawn on the surface of the first test strip 2 . Marking may be accomplished by electronic recording to identify the location. This is used when the information on the marking position of the first test piece 2 can be reflected as the processing position information of the processing device for processing the subsequent second test piece 4 .

この第一試験片2から、第二試験片4が採取される(STEP5)。この採取では、前述のマーキング位置が参考にされつつ、第一試験片2が加工される。具体的には、検出箇所が第二試験片4に含まれるように、加工がなされる。1つの第一試験片2から、1つの第二試験片4が採取されうる。加工の手順の具体例として、粗加工、焼入れ焼戻し及び仕上加工が挙げられる。粗加工では、第一試験片2に切削加工等が施される。第二試験片4の焼入焼戻しによる硬さの目安としては、450HV以上を確保することが好ましく、これは硬さが450HVより低いと、水素チャージを行ったとしても、超音波疲労試験により介在物から破断させることができない場合があるためである。より好ましくは500HV以上である。なお、内部欠陥の存在する箇所によっては第一試験片2から、第二試験片4を採取できない場合が起こり得るが、その場合はその第一試験片2は、評価に含めない。 A second test piece 4 is obtained from the first test piece 2 (STEP 5). In this sampling, the first test piece 2 is processed while referring to the marking positions described above. Specifically, processing is performed so that the detection point is included in the second test piece 4 . From one first test piece 2, one second test piece 4 can be taken. Specific examples of working procedures include roughing, quenching and tempering, and finishing. In the rough processing, the first test piece 2 is subjected to cutting or the like. As a guideline for the hardness by quenching and tempering of the second test piece 4, it is preferable to secure 450 HV or more. This is because there are cases where it cannot be broken from an object. More preferably, it is 500 HV or more. It should be noted that there may be a case where the second test piece 4 cannot be obtained from the first test piece 2 depending on the location where the internal defect exists, but in that case the first test piece 2 is not included in the evaluation.

超音波疲労試験に供される第二試験片4の一例が、図3及び4に示されている。第二試験片4は、ストレート部を伴うダンベル状の形状を有している。第二試験片4は、中央部6と一対の太径部8と、一方の端部の雄ねじ部を有している。雄ねじ部は後述の超音波疲労試験における超音波疲労試験機のホーンに接続する部分である。中央部6は、ストレート部10と一対のテーパー部12とを有している。図3、4に示された第二試験片4の採取において、ストレート部10に検出箇所が含まれるよう、加工がなされる。ストレート部10を有する第二試験片4には、第一試験片2に包含されていた最大の内部欠陥を内包するようにしてなることから、この場合の実際の評価体積は、第二試験片4のストレート部の体積ではなく、第一試験片2の超音波探傷試験における評価体積(基準評価体積)とみなすことができる。なお、第二試験片4の形状は本実施形態の形状には限らず、他の形状が採用されてもよい。 An example of a second specimen 4 subjected to ultrasonic fatigue testing is shown in FIGS. The second test piece 4 has a dumbbell shape with a straight portion. The second test piece 4 has a central portion 6, a pair of large-diameter portions 8, and a male screw portion at one end. The male threaded portion is a portion connected to a horn of an ultrasonic fatigue tester in an ultrasonic fatigue test described later. The central portion 6 has a straight portion 10 and a pair of tapered portions 12 . In collecting the second test piece 4 shown in FIGS. 3 and 4, the straight portion 10 is processed so that the detection point is included. Since the second test piece 4 having the straight portion 10 contains the largest internal defect that was included in the first test piece 2, the actual evaluation volume in this case is the second test piece It can be regarded as the evaluation volume (reference evaluation volume) in the ultrasonic flaw detection test of the first test piece 2 instead of the volume of the straight part of 4. In addition, the shape of the second test piece 4 is not limited to the shape of the present embodiment, and other shapes may be employed.

続いて、この第二試験片4の共振周波数が、確認される(STEP6)。超音波疲労試験機の超音波ホーンに接続された第二試験片4について、共振周波数が基準周波数と対比され、合否が判定される(STEP7)。基準周波数は、後に詳説される超音波疲労試験において第二試験片4に与えられる超音波振動の周波数である。合否判定は、共振周波数と基準周波数との乖離の程度に基づいてなされる。例えば、超音波疲労試験機の基準周波数が、20,000Hzである場合、共振周波数が19,800Hz以上20,200Hz以下である第二試験片4は、合格である。共振周波数が19,800Hz未満である第二試験片4、及び共振周波数が20,200Hzを超える第二試験片4は、不合格である。さらに厳格な基準によれば、共振周波数が19,970Hz以上20,030Hz以下である第二試験片4は、合格であるとする。不合格である第二試験片4は、加工によって修正がなされる(STEP8)。典型的な修正は、第二試験片4の長さの変更である。長さの変更により、この第二試験片4の共振周波数が変動する。修正された第二試験片4の共振周波数が、再度確認され(STEP6)、合否が判定される(STEP7)。不合格である第二試験片4が、修正されることなく廃棄されてもよい。 Subsequently, the resonance frequency of this second test piece 4 is confirmed (STEP 6). For the second test piece 4 connected to the ultrasonic horn of the ultrasonic fatigue tester, the resonance frequency is compared with the reference frequency to determine pass/fail (STEP 7). The reference frequency is the frequency of ultrasonic vibration given to the second test piece 4 in the ultrasonic fatigue test which will be detailed later. A pass/fail determination is made based on the degree of divergence between the resonance frequency and the reference frequency. For example, when the reference frequency of the ultrasonic fatigue tester is 20,000 Hz, the second test piece 4 with a resonance frequency of 19,800 Hz or more and 20,200 Hz or less passes the test. The second test piece 4 with a resonance frequency of less than 19,800 Hz and the second test piece 4 with a resonance frequency of more than 20,200 Hz fail. According to a more stringent standard, the second test piece 4 with a resonance frequency of 19,970 Hz or more and 20,030 Hz or less is considered acceptable. The rejected second test piece 4 is corrected by processing (STEP 8). A typical modification is changing the length of the second test strip 4 . The change in length causes the resonance frequency of this second test piece 4 to fluctuate. The corrected resonance frequency of the second test piece 4 is checked again (STEP 6), and a pass/fail judgment is made (STEP 7). Second test strips 4 that fail may be discarded without modification.

合格した第二試験片4に、水素がチャージされる(STEP9)。このチャージにより、第二試験片4に水素脆化が生じうる。水素脆化が生じた第二試験片4は、後に詳説される超音波疲労試験において、小さい応力でかつ少ない繰り返しサイクル数で破断しうる。水素チャージは、この超音波疲労試験による破断の容易化と破断の迅速化を目的として行われる。 The passed second test piece 4 is charged with hydrogen (STEP 9). Hydrogen embrittlement may occur in the second test piece 4 due to this charging. The second test piece 4 in which hydrogen embrittlement has occurred can break with a small stress and a small number of repeated cycles in an ultrasonic fatigue test, which will be detailed later. Hydrogen charging is performed for the purpose of facilitating and speeding up the fracture by this ultrasonic fatigue test.

水素のチャージの方法として、
(1)電解液への第二試験片4の浸漬
(2)高圧の水素ガス中への第二試験片4の暴露
及び
(3)電解液中での第二試験片4を陰極とした電気分解
が例示される。水素のチャージに、その他の方法が採用されてもよい。電気分解の場合、例えば、純水に3%の塩化ナトリウムと0.3%のチオシアン酸アンモニウムとが添加された電解液が使用されうる。鋼への水素原子の拡散係数は、温度依存性を有する。従って、室温よりも高い温度の電解液が用いられれば、高効率、すなわちより短時間でチャージがなされうる。十分に大きな内部欠陥が第二試験片4に包含される場合は、破断が容易になるため、水素のチャージ(STEP9)が省略されてもよい。
As a method of charging hydrogen,
(1) Immersion of the second test piece 4 in the electrolytic solution (2) Exposure of the second test piece 4 to high-pressure hydrogen gas and (3) Electricity using the second test piece 4 as a cathode in the electrolytic solution Decomposition is exemplified. Other methods may be employed for hydrogen charging. In the case of electrolysis, for example, an electrolytic solution obtained by adding 3% sodium chloride and 0.3% ammonium thiocyanate to pure water can be used. The diffusion coefficient of hydrogen atoms into steel has temperature dependence. Therefore, if an electrolyte solution at a temperature higher than room temperature is used, charging can be performed with high efficiency, ie, in a shorter time. If a sufficiently large internal defect is included in the second test piece 4, the charging of hydrogen (STEP 9) may be omitted because the fracture is facilitated.

水素のチャージの後の第二試験片4が、超音波疲労試験に供される(STEP10)。チャージ(STEP9)で第二試験片4に導入された水素は、徐々に大気へと放出される。放出により、第二試験片4に含まれる水素の量が、徐々に減少する。ただし、チャージ(STEP9)から短時間で超音波疲労試験(STEP10)が行われれば、十分な水素を含む第二試験片4が、超音波疲労試験に供されうる。したがって、水素脆化が生じる状態での試験を行いうる。 The second test piece 4 after charging with hydrogen is subjected to an ultrasonic fatigue test (STEP 10). The hydrogen introduced into the second test piece 4 by charging (STEP 9) is gradually released to the atmosphere. Due to the release, the amount of hydrogen contained in the second test piece 4 gradually decreases. However, if the ultrasonic fatigue test (STEP 10) is performed in a short time after charging (STEP 9), the second test piece 4 containing sufficient hydrogen can be subjected to the ultrasonic fatigue test. Therefore, the test can be conducted in a state where hydrogen embrittlement occurs.

超音波疲労試験では、超音波ホーンに接続された第二試験片4に対し、超音波振動による引張荷重及び圧縮荷重が、交互に繰返し負荷される。これらの荷重の作用方向は、第二試験片4の軸方向である。荷重の負荷にともない、第二試験片4に応力が発生する。このとき、好ましくは、550MPa以上の応力が発生するように、第二試験片4に荷重が負荷される。なお、この応力は後述するような第二試験片4の超音波疲労試験中の発熱が抑制されることを前提に、迅速破断を促進するためにさらに高い応力に調整して良い。 In the ultrasonic fatigue test, a tensile load and a compressive load due to ultrasonic vibration are alternately and repeatedly applied to the second test piece 4 connected to the ultrasonic horn. The acting direction of these loads is the axial direction of the second test piece 4 . Stress is generated in the second test piece 4 as the load is applied. At this time, preferably, a load is applied to the second test piece 4 so as to generate a stress of 550 MPa or more. Note that this stress may be adjusted to a higher stress in order to promote rapid fracture on the premise that heat generation during the ultrasonic fatigue test of the second test piece 4, which will be described later, is suppressed.

超音波疲労試験の間、繰り返し応力の負荷に起因した内部摩擦により発熱し、第二試験片4が昇温する。この昇温は、第二試験片4からの水素の放出を助長し、また、試験片の脆性的な破断を阻害し、試験の完遂を妨げる。したがって、昇温は、抑制される必要がある。冷却されたエアーが第二試験片4に吹き付けられることで、昇温は抑制されうる。さらに、超音波振動が第二試験片4に間欠的に入力されることでも、昇温が抑制されうる。摩擦による昇温の程度は試験片の硬さや合金の組成に依存するので、適切な荷重を選択して、負荷することでも摩擦熱を抑制し、昇温を抑制することができる。通常は、エアーの吹き付けと超音波振動の間欠入力と試験荷重の適切な荷重選択のいずれもが行われる。 During the ultrasonic fatigue test, heat is generated by internal friction caused by repeated stress loading, and the temperature of the second test piece 4 rises. This temperature rise promotes the release of hydrogen from the second test piece 4 and inhibits brittle fracture of the test piece, preventing completion of the test. Therefore, temperature rise needs to be suppressed. By blowing cooled air onto the second test piece 4, the temperature rise can be suppressed. Furthermore, the temperature rise can be suppressed by intermittently inputting ultrasonic vibrations to the second test piece 4 . Since the degree of temperature rise due to friction depends on the hardness of the test piece and the composition of the alloy, it is also possible to suppress frictional heat and temperature rise by selecting and applying an appropriate load. Usually, both air blowing, intermittent input of ultrasonic vibration, and appropriate load selection of the test load are performed.

荷重が負荷された第二試験片4では、非金属介在物に応力が集中する。荷重の負荷が繰り返されることにより、第二試験片4の評価体積(図3に例示された試験片の場合は直径6mmのストレート部の体積を指す)に含まれる最大の非金属介在物から疲労破壊が起こる。この疲労破壊により第二試験片4が破断し、破断面が得られる。通常、破断は荷重方向(第二試験片4の軸方向)に垂直な面で生じる。この破断の起点部を観察することにより、破断の起因となった非金属介在物を観測することができる。非金属介在物が起点部に現れない場合も生じうるが、その場合の試験結果は以降で行う極値統計法による解析データには含めない。 Stress concentrates on the non-metallic inclusions in the second test piece 4 to which the load is applied. By repeating the loading of the load, fatigue from the largest non-metallic inclusion contained in the evaluation volume of the second test piece 4 (refers to the volume of the straight part with a diameter of 6 mm in the case of the test piece illustrated in FIG. 3) destruction occurs. The second test piece 4 is fractured by this fatigue failure, and a fracture surface is obtained. Breakage usually occurs in a plane perpendicular to the load direction (the axial direction of the second test piece 4). By observing the starting point of this fracture, the non-metallic inclusion that caused the fracture can be observed. There may be cases where non-metallic inclusions do not appear at the starting point, but the test results in such cases are not included in the analysis data by the extreme value statistical method performed later.

この破断面上の起点部に存在する非金属介在物の径が、測定される(STEP11)。この測定は、通常は走査型電子顕微鏡(SEM)によってなされうる。非金属介在物の径(サイズ)の測定方法としては、観察断面における介在物の長径と短径を掛け合わせたものの平方根((長径×短径)1/2)として求めても良いし、観察画像の解析により介在物の断面積を算出して、それを円相当径に換算したものであっても良い。また、径の測定以外にも走査型電子顕微鏡に付属させたエネルギー分散型X線分析装置や波長分散型X線分析装置を用いて介在物の化学組成が分析されてもよい。これは、鋼材に含まれる介在物の特徴を示すデータとして活用されうる。 The diameter of the non-metallic inclusion present at the starting point on this fracture surface is measured (STEP 11). This measurement can usually be made by scanning electron microscopy (SEM). As a method for measuring the diameter (size) of non-metallic inclusions, the square root of the product of the major axis and the minor axis of the inclusion in the observed cross section ((major axis × minor axis) 1/2 ) may be used. The cross-sectional area of inclusions may be calculated by image analysis and converted to a circle equivalent diameter. In addition to measuring the diameter, the chemical composition of inclusions may be analyzed using an energy dispersive X-ray spectrometer or a wavelength dispersive X-ray spectrometer attached to a scanning electron microscope. This can be utilized as data indicating the characteristics of inclusions contained in steel.

複数の第一試験片2から採取された複数の第二試験片4に対する超音波疲労試験(STEP10)を行うことにより、複数の破断面が得られる。これらを観察することにより、複数の非金属介在物の径が測定される。これらの非金属介在物の径のデータ群、および基準評価体積(超音波探傷試験による第一試験片2の1本あたりの評価体積)に基づいて、統計的手法により、棒鋼に存在する最大介在物の径が導出される(STEP12)。ここでは典型的な統計的手法として、極値統計法を用いる。極値統計法によって、極値分布モデルに基づき、便宜的に定める予測体積内の非金属介在物の径の最大値が導出される。換言すれば、棒鋼に含まれうる最大介在物の径が、予測される。 By performing an ultrasonic fatigue test (STEP 10) on a plurality of second test pieces 4 taken from a plurality of first test pieces 2, a plurality of fracture surfaces are obtained. By observing these, the diameters of a plurality of nonmetallic inclusions are measured. Based on the diameter data group of these non-metallic inclusions and the standard evaluation volume (evaluation volume per first test piece 2 by ultrasonic testing), the maximum inclusion present in the steel bar by a statistical method The diameter of the object is derived (STEP 12). Here, extreme value statistics are used as a typical statistical method. Based on the extreme value distribution model, the extreme value statistical method derives the maximum diameter of non-metallic inclusions within a conveniently defined predicted volume. In other words, the diameter of the largest inclusion that can be included in the steel bar is predicted.

1つの第二試験片4の、超音波疲労試験での負荷応力の90%以上の応力が作用する領域の体積(「超音波疲労試験の評価体積」)が、本来であれば評価体積とみなされるが、前述の通り、ここでは第二試験片4を取り出した元の第一試験片2から、その超音波探傷試験における評価体積内の最大の介在物が内包させるようにして第二試験片4を取り出すのであるから、第一試験片2の1本あたりの超音波探傷試験における評価体積を実質的な「超音波疲労試験の評価体積」とみなすことができる。この評価体積は、最大介在物の径の予測における基準評価体積となる。 The volume of the area where the stress of 90% or more of the load stress in the ultrasonic fatigue test of one second test piece 4 acts ("evaluation volume of ultrasonic fatigue test") is originally regarded as the evaluation volume. However, as described above, here, the second test piece 4 is removed from the original first test piece 2 so that the largest inclusion in the evaluation volume in the ultrasonic flaw detection test is included. Since 4 is taken out, the evaluation volume in the ultrasonic flaw detection test per first test piece 2 can be regarded as a substantial "ultrasonic fatigue test evaluation volume." This evaluation volume becomes a reference evaluation volume for prediction of the diameter of the largest inclusion.

本発明では、本来極めて小さい体積に過ぎない「超音波疲労試験の評価体積」に関し、棒鋼が超音波探傷試験(STEP3)に供されて、それによる極めて大きな体積のうち超音波疲労試験(STEP10)の対象箇所(最大介在物の存在が期待される箇所)が特定され、そこから、超音波疲労試験片を取り出すことから、極めて大きい体積領域が、実質的な最大介在物の径の予測を目的とした評価の対象領域となる。 In the present invention, regarding the "evaluation volume of ultrasonic fatigue test", which is originally only a very small volume, the steel bar is subjected to ultrasonic flaw detection test (STEP 3), and out of the extremely large volume, ultrasonic fatigue test (STEP 10) The target location (location where the presence of the largest inclusion is expected) is specified, and the ultrasonic fatigue test piece is taken out from there. It will be the target area of the evaluation.

このように、極めて大きくすることが容易な「超音波探傷試験の評価体積」を最大介在物径の予測を目的とした評価の対象領域とする工夫により、本発明に係る予測方法では、最大介在物の径が、精度よく予測されることになる。一方、それを評価するために用いる超音波疲労試験片は小さくすることができるため、超音波疲労試験には既に市販されているような装置を利用することができ、したがって容易に実現されうる。また、試験時間(試験片の破断に要する時間)についても超音波疲労試験ならびに試験片への水素チャージによる脆化作用を併用できることから迅速に破断させることができる。従って、本発明に係る予測方法では、最大介在物の径が、効率よく予測される。さらに本発明に係る予測方法は、精度及び効率の両方に優れる。 In this way, by devising the "evaluation volume of the ultrasonic flaw detection test", which can be easily made extremely large, as an evaluation target area for the purpose of predicting the maximum inclusion diameter, in the prediction method according to the present invention, the maximum inclusion The diameter of an object can be accurately predicted. On the other hand, since the ultrasonic fatigue test piece used for evaluating it can be made small, it is possible to use equipment that is already commercially available for ultrasonic fatigue testing, and therefore it can be easily realized. In addition, as for the test time (the time required for breaking the test piece), the ultrasonic fatigue test and the embrittlement effect of charging the test piece with hydrogen can be used together, so that the test piece can be broken quickly. Therefore, the prediction method according to the present invention efficiently predicts the diameter of the largest inclusion. Furthermore, the prediction method according to the present invention is excellent in both accuracy and efficiency.

精度の観点から、超音波探傷試験に供される第一試験片2の評価体積は、100,000mm以上が好ましい。より好ましくは200,000mm以上である。 From the viewpoint of accuracy, the evaluation volume of the first test piece 2 subjected to the ultrasonic flaw detection test is preferably 100,000 mm 3 or more. More preferably, it is 200,000 mm 3 or more.

本発明は、試験片の製造方法にも向けられる。この製造方法は、
鋼材から第一試験片2を採取するステップ、
この第一試験片2を超音波探傷試験に供し、介在物の存在が予測される箇所である検出箇所を特定するステップ、
及び
この第一試験片2から、検出箇所を含む第二試験片4を採取するステップ
を含む。
The present invention is also directed to a method of manufacturing test strips. This manufacturing method
A step of collecting the first test piece 2 from the steel material,
A step of subjecting the first test piece 2 to an ultrasonic flaw detection test to identify detection points where inclusions are expected to be present;
and from this first test piece 2 a step of taking a second test piece 4 containing the detection point.

この製造方法により、簡便に試験片が得られる。この試験片は、高精度の介在物大きさ評価に寄与しうる。 A test piece can be easily obtained by this manufacturing method. This test piece can contribute to highly accurate inclusion size evaluation.

本発明に係る予測方法は、鋼材に関して適用されうる。 The prediction method according to the invention can be applied to steel products.

2・・・第一試験片
4・・・第二試験片
6・・・中央部
8・・・太径部
10・・・ストレート部
12・・・テーパー部
2... First test piece 4... Second test piece 6... Center part 8... Large diameter part 10... Straight part 12... Taper part

Claims (6)

(A)鋼材から第一試験片を採取するステップ、
(B)上記第一試験片を超音波探傷試験に供し、介在物の存在が推測される箇所である検出箇所を特定するステップ、
(C)上記第一試験片から、上記検出箇所を含む第二試験片を採取するステップ、
(D)上記第二試験片を超音波疲労試験に供してこの第二試験片を破断させ、破断面を得るステップ、
(E)上記破断面上の起点部に存在する介在物のサイズを測定するステップ、
及び
(F)上記(A)~(E)のステップを複数行い、得られた複数の介在物サイズに基づいて、統計的手法により、超音波探傷試験により探傷を行った体積よりも大きな体積の上記鋼材の中に存在する最大介在物のサイズを導出するステップ
を含む、最大サイズの予測方法。
(A) collecting a first test piece from the steel;
(B) a step of subjecting the first test piece to an ultrasonic flaw detection test to identify detection points where inclusions are suspected to exist;
(C) collecting a second test piece containing the detection point from the first test piece;
(D) subjecting the second test piece to an ultrasonic fatigue test to fracture the second test piece to obtain a fracture surface;
(E) measuring the size of inclusions present at the starting point on the fracture surface;
and (F) a plurality of steps (A) to (E) above are performed, and based on the obtained plurality of inclusion sizes, a statistical method is used to perform flaw detection by ultrasonic testing. A method for predicting the maximum size, comprising deriving the size of the largest inclusion present in the steel.
上記ステップ(F)における統計的手法が極値統計法である、請求項1に記載の予測方法。 2. The prediction method according to claim 1, wherein the statistical technique in step (F) is extreme value statistics. 上記ステップ(B)の上記超音波探傷試験において、周波数が10MHz以上25MHz以下である超音波が上記第一試験片に入射される、請求項1又は2に記載の予測方法。 The prediction method according to claim 1 or 2, wherein in the ultrasonic flaw detection test in step (B), ultrasonic waves having a frequency of 10 MHz or more and 25 MHz or less are incident on the first test piece. 上記ステップ(B)において、上記超音波探傷試験に供される第一試験片の評価体積が100,000mm以上である、請求項1から3のいずれかに記載の予測方法。 The prediction method according to any one of claims 1 to 3 , wherein in the step (B), the evaluation volume of the first test piece subjected to the ultrasonic flaw detection test is 100,000 mm3 or more. 上記ステップ(D)の超音波疲労試験において、応力が550MPa以上である荷重が第二試験片に負荷される、請求項1から4のいずれかに記載の予測方法。 The prediction method according to any one of claims 1 to 4, wherein a load having a stress of 550 MPa or more is applied to the second test piece in the ultrasonic fatigue test of step (D). 鋼材から第一試験片を採取するステップ、
上記第一試験片を超音波探傷試験に供し、介在物の存在が予測される箇所である検出箇所を特定するステップ、
及び
上記第一試験片から、上記検出箇所を含む第二試験片を採取するステップ
を含む、試験片の製造方法。
obtaining a first specimen from the steel;
A step of subjecting the first test piece to an ultrasonic flaw detection test to identify detection points where inclusions are expected to be present;
and a method for manufacturing a test strip, comprising the step of extracting a second test strip including the detection point from the first test strip.
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