JP3450930B2 - 金属試料のクリープによる損傷度の評価方法および装置 - Google Patents
金属試料のクリープによる損傷度の評価方法および装置Info
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- G01N2291/04—Wave modes and trajectories
- G01N2291/044—Internal reflections (echoes), e.g. on walls or defects
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、金属試料、たとえば高
温度、高応力環境下で使用されるガスタービンの翼など
のクリープによる損傷の程度、すなわち損傷度の評価方
法および装置に関する。
温度、高応力環境下で使用されるガスタービンの翼など
のクリープによる損傷の程度、すなわち損傷度の評価方
法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から金属材料のクリープによる損傷
度の評価方法としては、超音波を用いた音速測定や減衰
率測定などがある。これらの方法は、金属材料のクリー
プがボイド、フィッシャを経て、ミクロクラックの状態
になって始めて測定できるものである。これはクリープ
による損傷度の末期である。このような条件でクリープ
余寿命を判断しようとすると、比較的短い間隔で測定を
行う必要がある。発電用のタービンなど連続運転の機器
では、頻繁に停止することができず、余寿命を判断する
ことができない。
度の評価方法としては、超音波を用いた音速測定や減衰
率測定などがある。これらの方法は、金属材料のクリー
プがボイド、フィッシャを経て、ミクロクラックの状態
になって始めて測定できるものである。これはクリープ
による損傷度の末期である。このような条件でクリープ
余寿命を判断しようとすると、比較的短い間隔で測定を
行う必要がある。発電用のタービンなど連続運転の機器
では、頻繁に停止することができず、余寿命を判断する
ことができない。
【０００３】また金属材料の構成相である金属間化合物
の変化によるものか、ボイドやフィッシャを経たミクロ
クラックによるものかの評価もできず、相変化によるク
リープは破壊検査で始めて測定可能である。
の変化によるものか、ボイドやフィッシャを経たミクロ
クラックによるものかの評価もできず、相変化によるク
リープは破壊検査で始めて測定可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、金属
試料のクリープ損傷度および余寿命を、その試料の非破
壊で評価することができるようにした金属試料のクリー
プによる損傷度の評価方法および装置を提供することで
ある。
試料のクリープ損傷度および余寿命を、その試料の非破
壊で評価することができるようにした金属試料のクリー
プによる損傷度の評価方法および装置を提供することで
ある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、金属試料に超
音波を照射し、その超音波の表面反射波と底面反射波と
の間の後方散乱波のエネルギを検出し、この後方散乱波
のエネルギの中心周波数ｆｃを演算して求め、この中心
周波数ｆｃが低いほど、試料のクリープ損傷度が大きい
ものと評価することを特徴とする金属試料のクリープに
よる損傷度の評価方法である。また本発明は、後方散乱
波のエネルギの中心周波数ｆｃが、各周波数ｆｉ毎のエ
ネルギＥｉの総和ΣＥｉに対する前記各周波数ｆｉとそ
の周波数ｆｉのエネルギＥｉとの積の総和Σｆｉ・Ｅｉ
の比を演算して求めることを特徴とする。また本発明
は、中心周波数ｆｃに基づいて試料の余寿命を評価する
ことを特徴とする。また本発明は、金属試料が、高ニッ
ケル合金であることを特徴とする。また本発明は、金属
試料に超音波を照射する音響レンズと、音響レンズに超
音波を与えるとともに、音響レンズからの超音波を受信
する振動子と、超音波領域の電気信号を出力して振動子
に与える発信器と、発信器の出力を振動子に与え、振動
子からの受信出力を導出するサーキュレータと、サーキ
ュレータからの出力をデジタル信号に変換するアナログ
／デジタル変換器と、アナログ／デジタル変換器の出力
に応答し、試料による超音波の表面反射波と底面反射波
との間の後方散乱波を検出し、その検出された後方散乱
波の各周波数毎のエネルギを演算する周波数解析器と、
周波数解析器の出力に応答し、前記各周波数のエネルギ
の総和に対する前記各周波数ｆｉとその周波数ｆｉのエ
ネルギＥｉとの積の総和Σｆｉ・Ｅｉの比を演算して中
心周波数ｆｃを求める演算手段と、演算手段の出力に応
答し、前記比に対応する試料のクリープ損傷度を表わす
信号を演算して出力する出力手段とを含むことを特徴と
する金属試料のクリープによる損傷度の評価装置であ
る。
音波を照射し、その超音波の表面反射波と底面反射波と
の間の後方散乱波のエネルギを検出し、この後方散乱波
のエネルギの中心周波数ｆｃを演算して求め、この中心
周波数ｆｃが低いほど、試料のクリープ損傷度が大きい
ものと評価することを特徴とする金属試料のクリープに
よる損傷度の評価方法である。また本発明は、後方散乱
波のエネルギの中心周波数ｆｃが、各周波数ｆｉ毎のエ
ネルギＥｉの総和ΣＥｉに対する前記各周波数ｆｉとそ
の周波数ｆｉのエネルギＥｉとの積の総和Σｆｉ・Ｅｉ
の比を演算して求めることを特徴とする。また本発明
は、中心周波数ｆｃに基づいて試料の余寿命を評価する
ことを特徴とする。また本発明は、金属試料が、高ニッ
ケル合金であることを特徴とする。また本発明は、金属
試料に超音波を照射する音響レンズと、音響レンズに超
音波を与えるとともに、音響レンズからの超音波を受信
する振動子と、超音波領域の電気信号を出力して振動子
に与える発信器と、発信器の出力を振動子に与え、振動
子からの受信出力を導出するサーキュレータと、サーキ
ュレータからの出力をデジタル信号に変換するアナログ
／デジタル変換器と、アナログ／デジタル変換器の出力
に応答し、試料による超音波の表面反射波と底面反射波
との間の後方散乱波を検出し、その検出された後方散乱
波の各周波数毎のエネルギを演算する周波数解析器と、
周波数解析器の出力に応答し、前記各周波数のエネルギ
の総和に対する前記各周波数ｆｉとその周波数ｆｉのエ
ネルギＥｉとの積の総和Σｆｉ・Ｅｉの比を演算して中
心周波数ｆｃを求める演算手段と、演算手段の出力に応
答し、前記比に対応する試料のクリープ損傷度を表わす
信号を演算して出力する出力手段とを含むことを特徴と
する金属試料のクリープによる損傷度の評価装置であ
る。
【０００６】
【作用】本発明に従えば、発信器からの超音波領域の電
気信号を、サーキュレータを介して振動子に与えて励振
し、音響レンズからの超音波がたとえば水などの超音波
伝達媒体を介して金属試料に与えられ、この試料の表面
エコーである表面反射波と底面エコーである底面反射波
との間に存在する後方散乱波を検出し、その後方散乱波
を前記振動子によって電圧などの電気信号に変換し、ア
ナログ／デジタル変換器によってデジタル信号とし、後
方散乱波のエネルギの中心周波数ｆｃを演算して求め
る。この後方散乱波のエネルギの中心周波数ｆｃは、本
件発明者によれば、金属試料のクリープの損傷度に対応
していることが解明された。これによってその後方散乱
波のエネルギを検出して中心周波数ｆｃを求めることに
よって、クリープの損傷度と、さらにその金属試料が破
断に至るまでの余寿命とを知ることができる。
気信号を、サーキュレータを介して振動子に与えて励振
し、音響レンズからの超音波がたとえば水などの超音波
伝達媒体を介して金属試料に与えられ、この試料の表面
エコーである表面反射波と底面エコーである底面反射波
との間に存在する後方散乱波を検出し、その後方散乱波
を前記振動子によって電圧などの電気信号に変換し、ア
ナログ／デジタル変換器によってデジタル信号とし、後
方散乱波のエネルギの中心周波数ｆｃを演算して求め
る。この後方散乱波のエネルギの中心周波数ｆｃは、本
件発明者によれば、金属試料のクリープの損傷度に対応
していることが解明された。これによってその後方散乱
波のエネルギを検出して中心周波数ｆｃを求めることに
よって、クリープの損傷度と、さらにその金属試料が破
断に至るまでの余寿命とを知ることができる。
【０００７】
【０００８】
【０００９】上述のように、後方散乱波のフーリエ変換
によるエネルギの中心周波数ｆｃを演算手段によって演
算して求め、この中心周波数ｆｃは、試料のクリープに
よる損傷度、および余寿命に依存する。この中心周波数
ｆｃを求めることによって、損傷度と余寿命とを知るこ
とができる。中心周波数ｆｃとは、前記周波数範囲内で
エネルギが最大である周波数であってもよい。すなわち
後方散乱波の各周波数毎のエネルギの最大値が得られる
周波数もまた、クリープによる損傷度および余寿命に依
存していることが解明された。
によるエネルギの中心周波数ｆｃを演算手段によって演
算して求め、この中心周波数ｆｃは、試料のクリープに
よる損傷度、および余寿命に依存する。この中心周波数
ｆｃを求めることによって、損傷度と余寿命とを知るこ
とができる。中心周波数ｆｃとは、前記周波数範囲内で
エネルギが最大である周波数であってもよい。すなわち
後方散乱波の各周波数毎のエネルギの最大値が得られる
周波数もまた、クリープによる損傷度および余寿命に依
存していることが解明された。
【００１０】
【実施例】図１は、本発明の一実施例の全体の構成を示
すブロック図である。たとえば高ニッケル合金から成る
ガスタービンの翼などの金属試料１には、振動子２から
音響レンズ３を介して水などの超音波伝達媒体９を経て
その試料１の表面に向けて超音波が照射され、移動手段
５によって振動子２および音響レンズ３が、試料１の図
１における紙面に垂直なＸ−Ｙ平面に沿って変位するこ
とによって、その振動子２から得られる出力に基づき、
後方散乱波のエネルギを演算して求め、クリープのダメ
ージによる後方散乱波のエネルギとのグラフなどのデー
タに基づいて、クリープ損傷度を高精度に演算して求め
ることができ、また破断に至るまでの余寿命の予測を高
精度で行うことができる。音響レンズの軸線は、Ｚ軸方
向と一致していてもよく、または斜めであってもよい。
図２は、試料１のクリープ曲線を示すグラフである。試
料１を高温度の或る一定の温度に保ち、一定の荷重を加
えたままに保持しておいたとき、その試料１の時間経過
に伴うクリープ歪は、図２の参照符Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを辿
り、参照符Ｅでは、遂に破断に至る。試料１にクリープ
が作用していない初期Ａから破断Ｅに至るまでの時間を
Ｗ１とするとき、クリープが時間Ｗ２にわたって作用し
たとき、損傷度ηは、Ｗ２／Ｗ１で定義される。損傷度
１００％というのは、試料１がクリープによって破断し
た時点を示す。
すブロック図である。たとえば高ニッケル合金から成る
ガスタービンの翼などの金属試料１には、振動子２から
音響レンズ３を介して水などの超音波伝達媒体９を経て
その試料１の表面に向けて超音波が照射され、移動手段
５によって振動子２および音響レンズ３が、試料１の図
１における紙面に垂直なＸ−Ｙ平面に沿って変位するこ
とによって、その振動子２から得られる出力に基づき、
後方散乱波のエネルギを演算して求め、クリープのダメ
ージによる後方散乱波のエネルギとのグラフなどのデー
タに基づいて、クリープ損傷度を高精度に演算して求め
ることができ、また破断に至るまでの余寿命の予測を高
精度で行うことができる。音響レンズの軸線は、Ｚ軸方
向と一致していてもよく、または斜めであってもよい。
図２は、試料１のクリープ曲線を示すグラフである。試
料１を高温度の或る一定の温度に保ち、一定の荷重を加
えたままに保持しておいたとき、その試料１の時間経過
に伴うクリープ歪は、図２の参照符Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを辿
り、参照符Ｅでは、遂に破断に至る。試料１にクリープ
が作用していない初期Ａから破断Ｅに至るまでの時間を
Ｗ１とするとき、クリープが時間Ｗ２にわたって作用し
たとき、損傷度ηは、Ｗ２／Ｗ１で定義される。損傷度
１００％というのは、試料１がクリープによって破断し
た時点を示す。
【００１１】
η ＝ Ｗ２／Ｗ１ …（１）
振動子２は、たとえば圧電素子などから成り、発信器７
からは、たとえば１００ＭＨｚ〜２ＧＨｚ、特にたとえ
ば２４０ＭＨｚのバースト音波が出力され、サーキュレ
ータ８を介して振動子２に与えられ、振動子２が励振
し、平面超音波が発生される。この振動子２からの超音
波は、音響レンズ３を伝播し、球面波４となって、水な
どの超音波伝達媒体９を経て、試料１に、参照符１０で
示されるように収束して与えられる。
からは、たとえば１００ＭＨｚ〜２ＧＨｚ、特にたとえ
ば２４０ＭＨｚのバースト音波が出力され、サーキュレ
ータ８を介して振動子２に与えられ、振動子２が励振
し、平面超音波が発生される。この振動子２からの超音
波は、音響レンズ３を伝播し、球面波４となって、水な
どの超音波伝達媒体９を経て、試料１に、参照符１０で
示されるように収束して与えられる。
【００１２】図３は、音響レンズ３と試料１の一部の構
成を簡略化して示す断面図である。音響レンズ３は、サ
ファイア、石英、アルミナ製であって、たとえば１００
〜３００μｍφの直径を有する半球状の凹所１１が形成
され、この音響レンズ３の音響放射軸線１２は、試料１
の表面１ａに垂直な姿勢となっている。音響レンズ３か
らの超音波は、その音響レンズ３によって収束され、水
などの超音波伝達媒体９を経て、試料１の表面１ａに至
る。その超音波Ｃ１の一部は、その試料１の表面１ａで
表面エコーである表面反射波Ｃ２として反射し、その入
射する超音波Ｃ１の大部分は、試料１を参照符Ｃ３で示
されるように伝播し、底面１ｂで底面エコーである底面
反射波Ｃ４として反射され、逆の路程を経て超音波伝達
媒質４および音響レンズ３を経て振動子２に返ってく
る。振動子２で受信された超音波は、電圧などの電気信
号に変換される。
成を簡略化して示す断面図である。音響レンズ３は、サ
ファイア、石英、アルミナ製であって、たとえば１００
〜３００μｍφの直径を有する半球状の凹所１１が形成
され、この音響レンズ３の音響放射軸線１２は、試料１
の表面１ａに垂直な姿勢となっている。音響レンズ３か
らの超音波は、その音響レンズ３によって収束され、水
などの超音波伝達媒体９を経て、試料１の表面１ａに至
る。その超音波Ｃ１の一部は、その試料１の表面１ａで
表面エコーである表面反射波Ｃ２として反射し、その入
射する超音波Ｃ１の大部分は、試料１を参照符Ｃ３で示
されるように伝播し、底面１ｂで底面エコーである底面
反射波Ｃ４として反射され、逆の路程を経て超音波伝達
媒質４および音響レンズ３を経て振動子２に返ってく
る。振動子２で受信された超音波は、電圧などの電気信
号に変換される。
【００１３】振動子２から出力される電気信号は、サー
キュレータ８を経て受信器１３で受信され、増幅され、
検出器１４でたとえばさらに増幅され、その検波出力は
ライン１５から、アナログ／デジタル変換器１６に与え
られて、デジタル信号に変換される。
キュレータ８を経て受信器１３で受信され、増幅され、
検出器１４でたとえばさらに増幅され、その検波出力は
ライン１５から、アナログ／デジタル変換器１６に与え
られて、デジタル信号に変換される。
【００１４】アナログ／デジタル変換器１６の出力は、
周波数解析器２４において、後方散乱波の各周波数毎の
エネルギが、フーリエ変換の演算によって周波数解析し
て求められる。
周波数解析器２４において、後方散乱波の各周波数毎の
エネルギが、フーリエ変換の演算によって周波数解析し
て求められる。
【００１５】図４は、振動子２から出力される電気信号
の波形を示す。音響レンズ３と媒体９との境界で反射さ
れる反射波は参照符２５で示されるとおりであり、試料
１の表面１ａ（図３参照）による表面反射波Ｃ２の波形
は参照符２６で示される。また底面反射波Ｃ４による波
形は参照符２７で示される。表面反射波２６と底面反射
波２７との間に存在する後方散乱波２８は、本発明にお
いて試料１のクリープによる損傷度および余寿命の評価
のために用いられる。
の波形を示す。音響レンズ３と媒体９との境界で反射さ
れる反射波は参照符２５で示されるとおりであり、試料
１の表面１ａ（図３参照）による表面反射波Ｃ２の波形
は参照符２６で示される。また底面反射波Ｃ４による波
形は参照符２７で示される。表面反射波２６と底面反射
波２７との間に存在する後方散乱波２８は、本発明にお
いて試料１のクリープによる損傷度および余寿命の評価
のために用いられる。
【００１６】この後方散乱波２８の振幅は、その前後の
各反射波２６，２７の振幅よりも小さく、したがって振
動子２の出力を、後述のマイクロコンピュータなどによ
って実現される処理回路１９においてレベル弁別し、こ
れによって反射波２６，２７間における後方散乱波２８
の存在する期間を自動的に検出することができる。この
弁別レベルは、図４において参照符Ｌ１，Ｌ２で示され
る上下の弁別レベルの絶対値は等しい。
各反射波２６，２７の振幅よりも小さく、したがって振
動子２の出力を、後述のマイクロコンピュータなどによ
って実現される処理回路１９においてレベル弁別し、こ
れによって反射波２６，２７間における後方散乱波２８
の存在する期間を自動的に検出することができる。この
弁別レベルは、図４において参照符Ｌ１，Ｌ２で示され
る上下の弁別レベルの絶対値は等しい。
【００１７】すなわち後方散乱波２８の存在する期間を
自動的に検出するために、振動子２の出力を、処理回路
１９において弁別レベルＬ１，Ｌ２でレベル弁別し、そ
の波形が上弁別レベルＬ１を超え、または下弁別レベル
Ｌ２を超えて大きい、すなわち図４の上方または下方に
ある波形となった時刻のうち、反射波２６に関しては、
遅い方の時刻ｔ１を開始時刻ｔ１として選択する。この
図４の実施例では、出力波形が弁別レベルＬ２の範囲内
に戻ったときの時刻を、前記開始時刻ｔ１として選ぶ。
自動的に検出するために、振動子２の出力を、処理回路
１９において弁別レベルＬ１，Ｌ２でレベル弁別し、そ
の波形が上弁別レベルＬ１を超え、または下弁別レベル
Ｌ２を超えて大きい、すなわち図４の上方または下方に
ある波形となった時刻のうち、反射波２６に関しては、
遅い方の時刻ｔ１を開始時刻ｔ１として選択する。この
図４の実施例では、出力波形が弁別レベルＬ２の範囲内
に戻ったときの時刻を、前記開始時刻ｔ１として選ぶ。
【００１８】もう１つの反射波２７に関しては、弁別レ
ベルＬ１，Ｌ２で出力波形をレベル弁別するとき、早い
時刻ｔ２でその波形が弁別レベルＬ１，Ｌ２の絶対値を
超えたものとすると、その早い方の時刻ｔ２を終了時刻
とする。こうして開始時刻ｔ１から終了時刻ｔ２までの
期間における波形を後方散乱波として検出する。
ベルＬ１，Ｌ２で出力波形をレベル弁別するとき、早い
時刻ｔ２でその波形が弁別レベルＬ１，Ｌ２の絶対値を
超えたものとすると、その早い方の時刻ｔ２を終了時刻
とする。こうして開始時刻ｔ１から終了時刻ｔ２までの
期間における波形を後方散乱波として検出する。
【００１９】周波数解析器２４の出力は、前記ｔ１とｔ
２との間、処理回路１９に与えられ、また前述のアナロ
グ／デジタル変換器１６の出力も処理回路１９に与えら
れる。
２との間、処理回路１９に与えられ、また前述のアナロ
グ／デジタル変換器１６の出力も処理回路１９に与えら
れる。
【００２０】図５は、処理回路１９の動作を説明するた
めのフローチャートである。金属試料１のクリープによ
る損傷度および余寿命の評価を行うにあたり、ステップ
ａ１からステップａ２に移り、発信器７からサーキュレ
ータ８を経てたとえば周波数１００ＭＨｚ〜２ＧＨｚの
バースト音波またはインパルス音波を与え、その反射波
を振動子２からサーキュレータ８を経て受信し、前述の
図４に関連して述べた弁別レベルＬ１，Ｌ２でレベル弁
別することによって、後方散乱波２８の存在する期間を
検出して、その後方散乱波の波形を得ることができる。
めのフローチャートである。金属試料１のクリープによ
る損傷度および余寿命の評価を行うにあたり、ステップ
ａ１からステップａ２に移り、発信器７からサーキュレ
ータ８を経てたとえば周波数１００ＭＨｚ〜２ＧＨｚの
バースト音波またはインパルス音波を与え、その反射波
を振動子２からサーキュレータ８を経て受信し、前述の
図４に関連して述べた弁別レベルＬ１，Ｌ２でレベル弁
別することによって、後方散乱波２８の存在する期間を
検出して、その後方散乱波の波形を得ることができる。
【００２１】ステップａ３では、周波数解析器２４によ
る後方散乱波２８の各周波数毎のエネルギを演算して求
める。
る後方散乱波２８の各周波数毎のエネルギを演算して求
める。
【００２２】図６は、表１に示す高ニッケル合金（ＭＡ
Ｒ−Ｍ−２４６）から成る金属試料１に２４０ＭＨｚの
超音波を照射したときの各周波数毎の後方散乱量である
エネルギ分布を示す。白で示す参照符２９は、クリープ
が作用しない新品のエネルギ分布を示す。斜線を施して
示す参照符３０は、前記高ニッケル合金をガスタービン
翼に２０，０００時間使用したクリープが作用した合金
試料１のエネルギ分布を示す。
Ｒ−Ｍ−２４６）から成る金属試料１に２４０ＭＨｚの
超音波を照射したときの各周波数毎の後方散乱量である
エネルギ分布を示す。白で示す参照符２９は、クリープ
が作用しない新品のエネルギ分布を示す。斜線を施して
示す参照符３０は、前記高ニッケル合金をガスタービン
翼に２０，０００時間使用したクリープが作用した合金
試料１のエネルギ分布を示す。
【００２３】
【表１】
【００２４】ステップａ４では、フーリエ変換による各
周波数毎のエネルギの総和ΣＥｉを演算して求める。
周波数毎のエネルギの総和ΣＥｉを演算して求める。
【００２５】
【数１】
【００２６】ここでｉは、各周波数ｆｉの予め定める幅
Δｆｉに個別的に対応している。この周波数の幅Δｆｉ
は、たとえば１ＭＨｚの範囲に定められてもよい。この
エネルギ分布の総和が行われる周波数範囲は、たとえば
２５ＭＨｚ未満に定められる。
Δｆｉに個別的に対応している。この周波数の幅Δｆｉ
は、たとえば１ＭＨｚの範囲に定められてもよい。この
エネルギ分布の総和が行われる周波数範囲は、たとえば
２５ＭＨｚ未満に定められる。
【００２７】ステップａ５では、前述の式１に基づいて
演算したエネルギの総和Ｐのうち、試料１のクリープ初
期、すなわちクリープが作用してしない状態でのエネル
ギの総和の値Ｐ０を、メモリ２１に予めストアしてお
く。そこでステップａ６では、試料１の後方散乱波のエ
ネルギＰを、初期値Ｐ０で割算して規格化を行い、後方
散乱波のエネルギの比Ｒを演算して求める。
演算したエネルギの総和Ｐのうち、試料１のクリープ初
期、すなわちクリープが作用してしない状態でのエネル
ギの総和の値Ｐ０を、メモリ２１に予めストアしてお
く。そこでステップａ６では、試料１の後方散乱波のエ
ネルギＰを、初期値Ｐ０で割算して規格化を行い、後方
散乱波のエネルギの比Ｒを演算して求める。
【００２８】
Ｒ ＝ Ｐ／Ｐ０ …（２）
この規格化した値Ｒが大きいほど、試料１のクリープ損
傷度が大きく、また余寿命（＝Ｗ１−Ｗ２）が短いもの
と評価することができる。
傷度が大きく、また余寿命（＝Ｗ１−Ｗ２）が短いもの
と評価することができる。
【００２９】図７は、この金属試料１のクリープによる
損傷度に対応する規格化された後方散乱波のエネルギの
関係を示すグラフである。このグラフから、比Ｒが求め
られることによって、その損傷度を高精度に求めて評価
することができることが理解される。またこの損傷度を
求めることによって、試料１が破断に至るまでの時間で
ある余寿命を演算して求めることもまた可能となる。図
７の特性をメモリ２１に予めストアし、これを読出して
比Ｒを測定すれば、損傷度を求めることができる。
損傷度に対応する規格化された後方散乱波のエネルギの
関係を示すグラフである。このグラフから、比Ｒが求め
られることによって、その損傷度を高精度に求めて評価
することができることが理解される。またこの損傷度を
求めることによって、試料１が破断に至るまでの時間で
ある余寿命を演算して求めることもまた可能となる。図
７の特性をメモリ２１に予めストアし、これを読出して
比Ｒを測定すれば、損傷度を求めることができる。
【００３０】さらに本発明によれば、後方散乱波のエネ
ルギの中心周波数ｆｃを演算して求めるために、まずス
テップａ７では、後方散乱波の各周波数ｆｉとその周波
数ｆｉのエネルギＥｉとの積の総和を、式３で示される
ように求める。
ルギの中心周波数ｆｃを演算して求めるために、まずス
テップａ７では、後方散乱波の各周波数ｆｉとその周波
数ｆｉのエネルギＥｉとの積の総和を、式３で示される
ように求める。
【００３１】
【数２】
【００３２】ステップａ８では、式４に基づき、中心周
波数ｆｃを演算して求める。
波数ｆｃを演算して求める。
【００３３】
【数３】
【００３４】本件発明者の実験によれば、後方散乱波の
エネルギの周波数分布は、図８に示されるようにして得
られる。ライン３２に比べてライン３３，３４は、この
順序で、金属試料１のクリープによる損傷度が大きい。
したがって金属試料１のクリープによる損傷度が大きく
なるにつれて、その後方散乱波のエネルギの最大値が大
きくなるとともに、中心周波数ｆｃが低くなることが理
解される。
エネルギの周波数分布は、図８に示されるようにして得
られる。ライン３２に比べてライン３３，３４は、この
順序で、金属試料１のクリープによる損傷度が大きい。
したがって金属試料１のクリープによる損傷度が大きく
なるにつれて、その後方散乱波のエネルギの最大値が大
きくなるとともに、中心周波数ｆｃが低くなることが理
解される。
【００３５】図９は、図８に示される本件発明者の実験
結果を、クリープによる損傷度と中心周波数ｆｃとに対
応して示すグラフである。中心周波数ｆｃを上述のよう
にして求めることによって、クリープによる損傷度を求
め、さらに試料１が破断に至るまでの余寿命を演算して
求めることができる。予め求めておいた図９の特性はメ
モリ２１にストアしておき、中心周波ｆｃに対応するク
リープ損傷度を求めることができる。
結果を、クリープによる損傷度と中心周波数ｆｃとに対
応して示すグラフである。中心周波数ｆｃを上述のよう
にして求めることによって、クリープによる損傷度を求
め、さらに試料１が破断に至るまでの余寿命を演算して
求めることができる。予め求めておいた図９の特性はメ
モリ２１にストアしておき、中心周波ｆｃに対応するク
リープ損傷度を求めることができる。
【００３６】金属材料を、たとえばタービン翼のように
高湿下で降伏応力以下の応力を作用させて長時間使用す
ると、金属材料中で固溶体の金属間化合物化、炭化物化
が起こり、相が変化する。また格子欠陥の集積化が起こ
り、これがボイドやフィッシャに発達し、さらにミクロ
クラックから目に見えるクラックに発達する。特に高ニ
ッケル合金では、ニッケルとアルミニウムとの金属間化
合物（Ｎｉ3Ａｌ）が数１０％程度含まれており、これ
がγ′相としてクラックの進展とともに発達する。γ′
相の大きさは１μｍ以下と非常に小さく、超音波の後方
散乱を起こしやすい。またγ′相のわずかな大きさ、形
状の変化でも全体として超音波の後方散乱に寄与すると
考えられ、このためボイドやフィッシャのみの場合に比
し、クリープ初期の段階から後方散乱量に変化が起こる
と考えられる。また、後方散乱の中心周波数ｆｃは、組
織変化を伴うクリープ損傷度が高くなるにつれて低周波
数側にシフトしてゆく。
高湿下で降伏応力以下の応力を作用させて長時間使用す
ると、金属材料中で固溶体の金属間化合物化、炭化物化
が起こり、相が変化する。また格子欠陥の集積化が起こ
り、これがボイドやフィッシャに発達し、さらにミクロ
クラックから目に見えるクラックに発達する。特に高ニ
ッケル合金では、ニッケルとアルミニウムとの金属間化
合物（Ｎｉ3Ａｌ）が数１０％程度含まれており、これ
がγ′相としてクラックの進展とともに発達する。γ′
相の大きさは１μｍ以下と非常に小さく、超音波の後方
散乱を起こしやすい。またγ′相のわずかな大きさ、形
状の変化でも全体として超音波の後方散乱に寄与すると
考えられ、このためボイドやフィッシャのみの場合に比
し、クリープ初期の段階から後方散乱量に変化が起こる
と考えられる。また、後方散乱の中心周波数ｆｃは、組
織変化を伴うクリープ損傷度が高くなるにつれて低周波
数側にシフトしてゆく。
【００３７】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、試料に超
音波を照射して得られるときにおける後方散乱波のエネ
ルギの中心周波数ｆｃがクリープ損傷度および余寿命に
対応しているという現象に基づき、その試料のクリープ
損傷度および余寿命を高精度で求めて評価することが可
能になる。したがって金属試料に作用するクリープが僅
かであっても、クリープ損傷度および余寿命を正確に評
価することができるようになる。これによってガスター
ビンの翼などの前記評価を行う際に、むやみに頻繁に運
転を停止する必要がなく、その評価測定の期間を長くす
ることができ、好都合である。
音波を照射して得られるときにおける後方散乱波のエネ
ルギの中心周波数ｆｃがクリープ損傷度および余寿命に
対応しているという現象に基づき、その試料のクリープ
損傷度および余寿命を高精度で求めて評価することが可
能になる。したがって金属試料に作用するクリープが僅
かであっても、クリープ損傷度および余寿命を正確に評
価することができるようになる。これによってガスター
ビンの翼などの前記評価を行う際に、むやみに頻繁に運
転を停止する必要がなく、その評価測定の期間を長くす
ることができ、好都合である。
【００３８】上述のように、後方散乱波のエネルギの中
心周波数が、クリープの損傷度に応じて変化するという
現象に基づき、この中心周波数ｆｃを求めることによっ
て、金属試料のクリープによる損傷度および破断する時
点までの余寿命を正確に予測することができるようにな
る。
心周波数が、クリープの損傷度に応じて変化するという
現象に基づき、この中心周波数ｆｃを求めることによっ
て、金属試料のクリープによる損傷度および破断する時
点までの余寿命を正確に予測することができるようにな
る。
【００３９】また本発明によれば、高ニッケル合金で
は、ニッケルとアルミニウムとの金属間化合物の含有量
が数１０％程度含まれており、これがγ′相として、ク
リープの進展とともに発達し、γ′相は超音波の後方散
乱を起こしやすく、γ′相のわずかの大きさ、形状の変
化でも後方散乱に影響を及ぼすので、発電用タービン翼
に多く用いられる高ニッケル合金のクリープ損傷度およ
び余寿命を少ない回数の超音波による後方散乱の測定で
正確に評価できる。
は、ニッケルとアルミニウムとの金属間化合物の含有量
が数１０％程度含まれており、これがγ′相として、ク
リープの進展とともに発達し、γ′相は超音波の後方散
乱を起こしやすく、γ′相のわずかの大きさ、形状の変
化でも後方散乱に影響を及ぼすので、発電用タービン翼
に多く用いられる高ニッケル合金のクリープ損傷度およ
び余寿命を少ない回数の超音波による後方散乱の測定で
正確に評価できる。
【図１】本発明の一実施例の全体の構成を示すブロック
図である。
図である。
【図２】試料１のクリープ曲線を示すグラフである。
【図３】音響レンズ３と試料１の一部の構成を簡略化し
て示す断面図である。
て示す断面図である。
【図４】振動子２から出力される電気信号の波形を示
す。
す。
【図５】処理回路１９の動作を説明するためのフローチ
ャートである。
ャートである。
【図６】表１に示す高ニッケル合金（ＭＡＲ−Ｍ−２４
６）から成る金属試料１に２４０ＭＨｚの超音波を照射
したときの各周波数毎の後方散乱量であるエネルギ分布
を示す。
６）から成る金属試料１に２４０ＭＨｚの超音波を照射
したときの各周波数毎の後方散乱量であるエネルギ分布
を示す。
【図７】この金属試料１のクリープによる損傷度に対応
する規格化された後方散乱波のエネルギの関係を示すグ
ラフである。
する規格化された後方散乱波のエネルギの関係を示すグ
ラフである。
【図８】後方散乱波のエネルギの周波数分布が金属試料
のクリープ損傷度によって変化する状態を示すグラフで
ある。
のクリープ損傷度によって変化する状態を示すグラフで
ある。
【図９】図８に示される本件発明者の実験結果を、クリ
ープによる損傷度と中心周波数ｆｃとに対応して示すグ
ラフである。
ープによる損傷度と中心周波数ｆｃとに対応して示すグ
ラフである。
１ 金属試料
２ 振動子
３ 音響レンズ
７ 発信器
８ サーキュレータ
９ 超音波伝達媒体
１３ 受信器
１４ 検出器
１６ アナログ／デジタル変換器
１９ 処理回路
２４ 周波数解析器
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 昭62−82350（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−137061（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−95870（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−177158（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−58917（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01N 29/00 - 29/28
Claims (5)
- 【請求項１】 金属試料に超音波を照射し、 その超音波の表面反射波と底面反射波との間の後方散乱
波のエネルギを検出し、 この後方散乱波のエネルギの中心周波数ｆｃを演算して
求め、 この中心周波数ｆｃが低いほど、試料のクリープ損傷度
が大きいものと評価することを特徴とする金属試料のク
リープによる損傷度の評価方法。 - 【請求項２】 後方散乱波のエネルギの中心周波数ｆｃ
が、各周波数ｆｉ毎のエネルギＥｉの総和ΣＥｉに対す
る前記各周波数ｆｉとその周波数ｆｉのエネルギＥｉと
の積の総和Σｆｉ・Ｅｉの比を演算して求めることを特
徴とする請求項１記載の金属試料のクリープによる損傷
度の評価方法。 - 【請求項３】 中心周波数ｆｃに基づいて試料の余寿命
を評価することを特徴とする請求項１または２記載の金
属試料のクリープによる損傷度の評価方法。 - 【請求項４】 金属試料が、高ニッケル合金であること
を特徴とする請求項１〜３のうちの１つに記載の金属試
料のクリープによる損傷度の評価方法。 - 【請求項５】 金属試料に超音波を照射する音響レンズ
と、 音響レンズに超音波を与えるとともに、音響レンズから
の超音波を受信する振動子と、 超音波領域の電気信号を出力して振動子に与える発信器
と、 発信器の出力を振動子に与え、振動子からの受信出力を
導出するサーキュレータと、 サーキュレータからの出力をデジタル信号に変換するア
ナログ／デジタル変換器と、 アナログ／デジタル変換器の出力に応答し、試料による
超音波の表面反射波と底面反射波との間の後方散乱波を
検出し、その検出された後方散乱波の各周波数毎のエネ
ルギを演算する周波数解析器と、 周波数解析器の出力に応答し、前記各周波数のエネルギ
の総和に対する前記各周波数ｆｉとその周波数ｆｉのエ
ネルギＥｉとの積の総和Σｆｉ・Ｅｉの比を演算して中
心周波数ｆｃを求める演算手段と、 演算手段の出力に応答し、前記比に対応する試料のクリ
ープ損傷度を表わす信号を演算して出力する出力手段と
を含むことを特徴とする金属試料のクリープによる損傷
度の評価装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07587195A JP3450930B2 (ja) | 1995-03-31 | 1995-03-31 | 金属試料のクリープによる損傷度の評価方法および装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07587195A JP3450930B2 (ja) | 1995-03-31 | 1995-03-31 | 金属試料のクリープによる損傷度の評価方法および装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08271483A JPH08271483A (ja) | 1996-10-18 |
| JP3450930B2 true JP3450930B2 (ja) | 2003-09-29 |
Family
ID=13588773
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP07587195A Expired - Fee Related JP3450930B2 (ja) | 1995-03-31 | 1995-03-31 | 金属試料のクリープによる損傷度の評価方法および装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3450930B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6549660B2 (ja) * | 2017-08-22 | 2019-07-24 | 原子燃料工業株式会社 | 材料診断方法 |
| JP6775233B2 (ja) * | 2019-06-04 | 2020-10-28 | 原子燃料工業株式会社 | 材料診断方法 |
-
1995
- 1995-03-31 JP JP07587195A patent/JP3450930B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08271483A (ja) | 1996-10-18 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |