JP3149225B2 - バルクハウゼンノイズを用いた靭性の非破壊評価方法 - Google Patents
バルクハウゼンノイズを用いた靭性の非破壊評価方法Info
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Description
材料の非破壊検査法に関するものであり、特にそれらの
材料の靭性をBHNと硬度及び焼入温度に基づき推定す
る非破壊評価法に関するものである。
て靭性がある。靭性とは、脆性破壊に対する材料の強さ
をいう。脆性破壊としては切欠脆性、焼もどし脆性、低
温脆性破壊等が知られている。従って、一般に材料の切
欠脆性、焼もどし脆性、低温脆性破壊に対する安全性を
保証するためにはこれらに対する靭性を評価する必要が
ある。ここで靭性を評価するパラメーターとしてはシャ
ルピー衝撃値(kg・m/cm2)、アイゾット衝撃値
(ft・lb)、吸収エネルギー、シェルフエネルギー
((upper)shelf energy)、脆性遷
移温度(エネルギー遷移温度、破面遷移温度、15ft
−1b遷移温度等)、破壊靭性(平面ひずみ破壊靭性
値、エネルギー開放率、弾塑性破壊靭性値)等がある。
用いられる、いわゆる熱間金型においては、近年その形
状は大型化すると共に、使用環境はますます苛酷化して
きており、このような状況に対処していくために、熱処
理後の金型の品質保証(硬度と靭性)の重要性が改めて
見直されてきている。即ち、耐摩耗性等向上のための硬
度と割れ防止のための靭性が正確に非破壊評価できれ
ば、金型使用条件に応じて相反する両特性を最適な組み
合わせで確保することが可能となり、金型の品質保証及
び高寿命化を前進させることができる。しかし、現在、
硬度は測定されているものの、靭性については非破壊評
価する方法がなく、そのために金型の大型化等にともな
う焼入冷却速度の低下によって生じた靭性不足を正確に
把握できず、ときとして使用初期に大きな割れを引き起
こし問題となっている。
の発明者は、金型の靭性は熱処理組織と密接な関係があ
ることから、この組織変化を敏感に検出でき、かつ、非
破壊的な方法であるバルクハウゼンノイズ(BHN)法
に着目し、0.4C−5Cr−Mo−V熱間金型鋼の標
準焼入温度(1020℃)からの焼入焼もどし材を用い
て、BHN(磁化過程で発生する全BHNの出力電圧の
二乗和(Vp)の規格値(dVp))と硬度(H)およ
び靭性(シャルピー衝撃値(Ch))の関係を調べ、こ
れらの関係式(Ch=f(dVp,H))より靭性(C
h)を非破壊評価する方法を報告している(「鉄と鋼」
75年(1989)第5号P.833)。この報告に
よれば、Chは数3の様な形で表わされる。
とともに、Hを硬度試験にて求めることにより、焼入温
度1020℃より焼入焼もどされた材料のChを非破壊
評価することができる。
告は、焼入温度(T)を用いた材料の標準焼入温度10
20℃に設定した場合の結果である。しかし、実際の金
型の焼入温度は、通常、靭性を優先する場合は1020
℃より低め(1015℃程度まで)に、又、強度を優先
する場合は1020℃より高め(1035℃程度まで)
に設定される。焼入温度が異なると焼もどし硬度(H)
が同じでもミクロ組織は異なり、一方、バルクハウゼン
ノイズ(BHN)や靭性(Ch)はミクロ組織に敏感で
あることから、焼入温度が異なった場合、dVpやCh
は異なると推定される。
T=1020℃の場合のCh−dVp−Hの関係式を用
いて、焼入温度が1020℃と異なる場合のChを正確
に推定することはできず、Chを正確に推定するために
は、種々の焼入温度におけるCh−dVp−Hの関係を
個別に調べる必要がある。しかし、そのように種々の焼
入温度におけるCh−dVp−Hの関係を個別に調べる
ことは大変に煩雑であり、実際的ではない。したがっ
て、この発明は金型等の実用焼入温度範囲の種々の温度
から焼入れられた材料の靭性を正確に推定できるBHN
を用いた非破壊評価法を提供することを目的とする。
めに、まず、本発明者は実用焼入温度範囲でのCh−d
Vp−H−Tの総合的な関係を明らかにすべく、実用焼
入温度より広い範囲におけるこれら諸量の関係を調べ、
次に、この範囲において、ChをVp−H−Tの関数の
形[Ch=f(dVp,H,T)]で定量的かつ総合的
に表わすことによりChを非破壊評価する方法を検討し
た。その結果、実用焼入温度範囲において、焼入温度を
測定しBHN法と硬度試験を併用することにより、Ch
を定量的かつ総合的に非破壊評価できることを知見し、
本発明をなすにいたった。
ンノイズ(V)と硬度(H)及び焼入温度(T)をパラ
メーターとし、これらの関数〔Ch=f(V、H、
T)〕として、材料の靭性(Ch)を推定する靭性の非
破壊評価方法が提供される。また、この発明によれば前
記BHN(V)として、磁化過程で発生する全BHNの
出力電圧の二乗和(Vp)を用いる靭性の非破壊評価方
法が提供される。加えてこの発明によれば、前記BHN
(V)として、BHNの瞬間出力電圧の最大値(Vh)
を用いる靭性の非破壊評価方法が提供される。
量として、Vpと最大磁化電圧(Vm)との直線関係を
利用し、両者の関係を数4で近似し、Vp=0VでのV
p、即ち、Vp*を用いる靭性の非破壊評価方法が提供
される。
として数5により規格化したdVpを用いる靭性の非破
壊評価方法が提供される。
のいずれかが一つ以上異なる任意の材料
細に説明する。この発明によれば、材料の靭性(Ch)
を、BHN(V)と硬度(H)及び焼入温度(T)をパ
ラメーターとし、これら諸量の関数(Ch=f(V、
H、T))として推定する靭性の非破壊評価方法が提供
される。この発明は主として熱処理後の材料の切欠靭性
破壊に対する靭性の評価を行うものである。しかし、こ
の発明を適用することにより室温未満の低温下での材料
の低温脆性破壊や、不純物(p,S,As,Sb等)に
起因する焼もどし脆性破壊に対する靭性の評価を行うこ
とも検討され得る。
は、SKD5,SKD6,SKD61,SKD62,S
KD7,SKD8等があり、熱処理組織の状態がBHN
に影響を及ぼす材料が対象となる。
度(T)は特に限定されるものではなく、材料のオース
テナイト化状態を評価することを目的として、例えば炉
内雰囲気温度を熱電対で測定する等の手段により測定さ
れる。しかし、さらに正確にオーステナイト化状態を把
握するためには焼入温度のみならず保持時間も含めた焼
入パラメーターを用いるのが好ましい。
度の測定方法は特に限定されるものではなく、「ブリネ
ル硬さ」、「ビッカース硬さ」、「ヌープ硬さ」、「ロ
ックエル硬さ」、「ショア硬さ」、「エコーチップ硬
さ」等種々の硬さパラメーターを用いることができる。
また対象材料の硬さは特に限定されるものではなく、例
えば熱間金型の場合は、ロックエル硬さでHRC43か
らHRC51程度となるが、冷間金型やハイスの場合は
HRC70程度となる場合もあり、一方、ローター材等
ではHRC43より低くなる場合もあり、いずれにして
もそれら全ての場合にこの発明を適用することができ
る。
式Ch=f(V、H、T)は、この発明が適用されて材
料特性が評価される材料毎に決定される。ここでこの発
明に用いられるBHN(V)の特定方法は特に限られる
ものではないが、例えば磁化過程で発生するBHNの全
出力電圧を基礎とするパラメーター(全BHN出力電圧
の二乗和(Vp)やBHN出力電圧の平均出力電圧であ
る実効値(RMS)等)や、BHNの瞬間出力電圧を基
礎とするパラメーター(瞬間出力電圧の最大値(Vh)
等)及びBHNを周波数解析して得られるパラメーター
(スペクトラム)等を用いることができる。
(Δt)に集中して発生し、この発生範囲(Δt)は、
材料の化学成分が同じであっても磁化条件や熱処理後の
材質(硬度等)に依存して変化する。従って、Δtでの
BHN平均出力電圧であるRMSを求めるためには、予
め、Δtを定めておく必要がある。しかも、RMSはΔ
tの定め方に依存する。
力電圧の二乗和であることからΔtを予め定める必要が
なく、しかも、Δtに依存しない。従って、この発明に
おいて材料の靭性を評価するBHNパラメーターとして
は、異なる磁化条件や異なる材質において求めた測定値
を相互比較する上で有利なVpを用いるのが好ましい。
ぎて一度に全BHNを測定できない場合には、Δtをあ
る時間長さに分割して、それぞれの時間範囲毎にBHN
出力電圧の二乗和を求め、次にそれらを合計することに
よってVpを求めることができる。この時、Δtを分割
したそれぞれの時間範囲毎にBHNのパワースペクトラ
ムのパワー値を測定し、次にそれらを合計してVpを求
めることもできる。さらにこの発明において前記Vとし
て前記Vpを用いる場合には、最大磁化電圧(Vm)と
の直線関係を利用して、両者の関係を数6で近似し、V
p=0VでのVp、即ち、Vp*を代表量として用いる
ことが好ましい。
入温度(T)を990、1050℃とし、焼入温度から
500℃までの焼入冷却時間すなわち半冷時間(Ht)
を3、45minとして熱処理した場合の各材料のVp
と最大磁化電圧(Vm)との関係をそれぞれ図1に示
す。
増加し、最大値を示した後、直線的に緩やかに低下して
いることがわかる。このようにVpはVm依存性を有す
ることから、各種材料毎の測定値を相互比較する場合に
は、同一VmでのVpを用いて比較する必要がある。こ
の場合、図1に示されるようにVpがVmに直線時に依
存する関係を利用して、両者の関係を前記数6のように
一次式で近似し、Vm=0(V)でのVpを代表値(V
p*)とすることができる。こうして求めたVp*は仮想
値ではあるが、複数のVpから決定されるパラメータで
あることから、単独のVmにおけるVpを用いるよりも
誤差が小さく、かつ、再現性の点で優れている。さらに
加えてこの発明によれば前記Vp* として数7により規
格化したdVpを用いることができる。
て、測定装置の特性によりVp*の測定値が異なって
も、材料特性を正確に評価することができる。なお、基
準材A、Bとしては、焼入温度、焼入冷却速度及び硬度
のいずれかが一つ以上異なる任意の材料を用いることが
でき、例えば基準材A、Bを次のように設定することが
できる。 A;T=1020℃,Ht=3min,H=HRC51.4材 B;T=1020℃,Ht=3min,H=HRC37.0材
は、例えば次のようにして求めることができる。すなわ
ち、まずBHNを繰り返し測定し、各サンプリング点に
おいて、サンプリングしたデータ(瞬間出力電圧)の中
からそれぞれ最大値を求め、次にこれら最大値を平滑化
処理して得られる曲線のピーク高さをVhとして用いる
ことができる。こうして求めたVhは、BHNを繰り返
し測定し、各測定毎の瞬間出力電圧の最大値を単純に平
均して求めた平均値をVhとするより再現性がよい。ま
た、この他に、BHNの瞬間出力電圧の振幅の最大値や
瞬間出力電圧の絶対値の最大値等をVhとして用いても
よい。
図2に示す。いずれのVhもVmの増加と共に増加して
いる。このようにVhはVm依存性を有することから、
各種材料毎の測定値を相互比較する場合には、同一Vm
でのVhを用いて比較する必要がある。この場合、各V
h−Vm曲線はVh軸方向に平行移動すると重なること
から、基準材Cを定め、基準材CのVh−Vm曲線と各
材料IのVh−Vm曲線とが重なるまでに要するVh軸
方向の平行移動量(dVh*)を(4)式の形で求める
ことができる。
されるパラメーターであることから、単独のVmにおけ
るVhを用いるよりも誤差が小さく、かつ、再現性の点
で優れている。さらに加えて、この発明によれば、もう
一つの基準材Dを定め、前記dVh*を数9により規格
化したdVhとして用いることができる。
Cr−Mo−V鋼につき、T=990,1050℃から
焼入焼もどされた材料のChとdVp及びHの関係をシ
ャルピー試験により求めた結果を図3に示す。図3に示
されるように、ChはT=990、1050℃いずれの
場合も、定性的にはH及びdVpに依存しており、Hが
大きいほど、またdVpが大きいほどChは低下してい
る。このようなdVp−H−Chの関係は本発明者らが
既に報告している(「鉄と鋼」第75年(1989)第
5号 p.833−p.840)T=1020℃の場合
のこれら諸量の関係と定性的には同様である。しかし、
ChはdVp、Hに依存するのみならず、図4に示され
るようにTにも依存する。従って、T=1020℃以外
の場合のChを定量的に求めるためにはTを含めたCh
−dVp−H−Tの総合的かつ定量的関係を明らかにす
る必要がある。
て焼入温度、焼入冷却速度及び焼もどし硬度の異なる種
々の試験片を準備し、前記dVpとChを測定し、dV
pとTと一定にしたときのCh−Tの関係に着目して、
実際の焼入温度範囲より広い範囲でのCh−dVp−H
−Tの総合的かつ定量的関係を検討した。その結果、こ
の発明によればCh−dVp−H−Tの関係をこれら諸
量の関数の形(Ch=f(dVp,H,T))で総合的
かつ定量的に表すことができることがわかった。このよ
うにこの発明によれば、靭性(Ch)をdVp−H−T
の関数の形で表すことにより、実際の焼入温度でのCh
−dVp−H−Tの関係式を個別に求めることなしに、
靭性(Ch)を非破壊評価できる。すなわち通常の焼入
温度から焼入焼もどした場合、焼入温度(T)と焼もど
し硬度(T)を測定し、前記バルクハウゼンパラメータ
ー(dVp)を求め、これら諸量をこの関数に代入する
ことによって、通常の焼入温度範囲において、材料の靭
性(Ch)を定量的かつ総合的に非破壊評価することが
できる。
示される化学成分のものを用いた。この化学成分の0.
4C−5Cr−Mo−V鋼をアーク式電気炉で溶製し、
鍛錬成形比6以上に熱間成形した後、860℃で焼なま
し処理した。この試験片を、中心と隅角との中間位置か
ら、鍛伸方向に採取し、この発明の実施に供した。
た。BHN試験片の寸法は3mm×24mm×62mm
で、熱処理後表面粗さを研磨紙320番で仕上げた。シ
ャルピー衝撃試験片は、2mm深さ、Uノッチ(R1m
m)を用いた。試験片の熱処理としては、実際に行われ
ている金型の熱処理温度を考慮しT=960、990、
1020、1050℃、1080℃に30min保持し
てオーステナイト化処理を行なった後、焼入温度から5
00℃までの冷却時間すなわち半冷時間(Ht)を3、
15、45、110の四段階に選びプログラムコントロ
ールによって等速冷却し、その後2回焼もどしを行なっ
た。
装置と磁化条件及び解析方法 次に本実施例におけるBHN測定装置と磁化条件およ
び解析方法につき説明する。図5にこの実施例に用いら
れたBHN測定装置の構成を概念的に示す。試験片1上
には、磁化コイルを巻回したMn−Znフェライトより
なる磁化コア2と、検出コイルを巻回したパーマロイ磁
気ヘッドよりなる検出コア3とにより構成される接触型
BHNセンサーが配置される。前記検出コア2に巻回さ
れた検出コイルは、増幅器4、フィルター(ハイパス、
ローパス)5を介してスペクトラムアナライザー6に接
続されている。
化条件にて試験片を磁化し、生じた誘導起電圧を検出コ
ア3に巻回された検出コイルで検出後、増幅器4、フィ
ルター(ハイパス、ローパス)5を介してスペクトラム
アナライザー6で700〜10kHzの範囲のBHNを
解析した。
した。まず、BHNの発生時間範囲(100〜200m
s)を、用いた装置で一度に測定できる時間長さ(40
ms)毎に分割して、それぞれの時間範囲毎にBHNの
パワースペクトラムのパワー値を測定し、それらを合計
してVpを求めた。次に、前記の式(2)を用いてVp
の規格値dVpを求めた。4.靭性(シャルピー衝撃値:Ch)の推定 次に、シャルピー試験を実施し、Ch−dVp−H−
Tの関係を求めた。この結果、これまでに明らかになっ
ていたT=1020℃の特別な場合のCh−dVp−H
の関係を数10に示すようにTを含む関数の形[Ch=
f(dVp,H,T)]で総合的かつ定量的に拡張して
表すことができた。
硬度試験よりHを求め、焼入温度(T)を炉内雰囲気温
度より求め、dVpをBHN法にて測定し、これら諸量
を式(6)に代入して求めた推定値(外1)と実際にシ
ャルピー試験で求めた実測値(Ch)を比較した結果を
図6に示す。
は、おおむね一致している。したがって、硬度(H)と
焼入温度(T)を測定するとともに、バルクハウゼンノ
イズパラメーター(dVp)をBHN法にて求め、これ
らの諸量を式(6)に代入することにより、本鋼の通常
焼入温度範囲(1015〜1035℃)において、Ch
を総合的かつ定量的に非破壊評価することができた。な
お、この実施例は室温でのシャルピー衝撃値(Ch)に
ついての結果であるが、室温以上550℃迄の場合でも
Ch−V−H−Tの関係式はこの実施例とは異なる形で
成立し、その場合でもこの発明により靭性を非破壊評価
することができる。
によれば、靭性(Ch)と焼入温度(T)、BHN
(V)及び硬度(H)との関係をCh=f(V,H,
T)という関数の形で総合的かつ定量的に表し、この関
係式にこれら諸量(V,H,T)を代入することにより
靭性を非破壊評価するようにしたので種々の焼入温度に
おけるV,Hと靭性(Ch)の関係を個別に調べる必要
がなく、工業的な適用が容易にできるという優れた効果
が奏される。特にこの発明によれば、実際に行われる金
型の焼入温度範囲で靭性を焼入温度の如何にかかわらず
正確に非破壊評価することができるという利点がある。
(Vp)の最大磁化電圧(Vm)に対する依存関係を示
す図である。
値(Vh)の最大磁化電圧(Vm)に対する依存関係を
示す図である。
ノイズパラメーター(dVp)に対する依存関係を示す
図である。
に対する依存関係を示す図である。
ゼンノイズ測定装置の構成を示す概略図である。
評価式に、BHNパラメーター(dVp)、焼入温度
(T)及び硬度(H)を代入して求めた推定値(外2)
と実験により求めた実測値(Ch)とを比較した結果を
示す図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 バルクハウゼンノイズ(以下、BHNと
記す)(V)と焼もどし硬度(H)及び焼入温度(T)
をパラメーターとし、これら諸量の関数〔Ch=f
(V、H、T)〕として、材料の靭性(Ch)を推定す
ることを特徴とする靭性の非破壊評価方法。 - 【請求項2】 前記BHN(V)として、磁化過程で発
生する全BHNの出力電圧の二乗和(Vp)を用いる請
求項1に記載した靭性の非破壊評価方法。 - 【請求項3】 前記BHN(V)として、BHNの瞬間
出力電圧の最大値(Vh)を用いる請求項1に記載した
靭性の非破壊評価方法。 - 【請求項4】 前記Vpの代表量として、Vpと最大磁
化電圧(Vm)との直線関係を利用して、両者の関係を
数1で近似し、Vp=0VでのVp、即ち、Vp*を用
いることを特徴とする請求項2に記載した靭性の非破壊
評価方法。 【数1】 - 【請求項5】 前記Vp* として数2により規格化した
dVpを用いることを特徴とする請求項4に記載した靭
性の非破壊評価方法。 【数2】 dVp={(Vp*)I−(Vp*)A/(Vp*)B−(Vp*)A} ここで (Vp*)A:基準材AのVp* (Vp*)B:基準材BのVp* (Vp*)I:各材料IのVp* なお、基準材A、B:焼入温度、焼入冷却速度及び硬度
のいずれか一つ以上異なる任意の材料
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JP28736591A JP3149225B2 (ja) | 1991-06-22 | 1991-06-22 | バルクハウゼンノイズを用いた靭性の非破壊評価方法 |
US08/110,925 US5458703A (en) | 1991-06-22 | 1993-08-24 | Tool steel production method |
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