JP3713384B2

JP3713384B2 - 組織方位評価方法及び装置

Info

Publication number: JP3713384B2
Application number: JP19750398A
Authority: JP
Inventors: 敦志渡辺; 良昭永島; 文信高橋; 明吉成; 英樹玉置
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-07-13
Filing date: 1998-07-13
Publication date: 2005-11-09
Anticipated expiration: 2018-07-13
Also published as: JP2000028593A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造材料の不具合の予防保全技術に関し、特に、超音波による機械的強度や寿命の非破壊診断を行なうための組織方位評価方法及びこの評価方法に用いられる組織方位評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
構造材料は、用いられる使用温度や負荷応力、耐用期間により、種類の選定、製造方法が決定される。鋼材は主に圧延や引き抜き等により製作される。その際、でたらめな方向に配向した金属組織の集合体、いわゆる組織方位は、圧延や引抜きを行なったときに圧延方向や引き抜き方向が長手方向となる楕円形に変化し、弱い組織異方性が発生する。組織異方性の発生は機械的強度や耐食性を不均一にすることになる。そして、この不均一性に起因する使用期間中の不具合が懸念される。そこで、組織方位を管理した単結晶化した構造材料の製造方法の開発が進められており、例えば、特開平５−５９４７３公報に示されるようにより耐用強度の高い材料が得られるようになった。
【０００３】
現在、圧延鋼材を始め、単結晶材料の組織方位を評価、把握できる手法としては目視検査や特開平５−５９４７３公報に示されるＸ線回折法が一般に行なわれている。
【０００４】
また、超音波を用いた材料の評価方法として、例えば特開昭９−１５９６５３号公報に開示された発明が知られている。この発明は横波超音波の入射方向を回転させたときに、底面からの一種類の反射波を観測して超音波データと入射角度との関係を求め、超音波データの最大値や最小値によって材料の劣化を評価することを特徴としたものである。
【０００５】
また、この他に特開平３−２８９５５９号公報に開示された発明が知られている。この発明は、表面で反射した超音波のエネルギを使用して材料劣化を評価することを特徴としたものである。
【０００６】
さらに、特開平７−９２０３８号公報、特開平６−３０８１００号公報、特開昭５８−１２４９４４号公報、及び特開昭５８−１７２５４５号公報などに開示された発明も知られている。これらの発明は、表面層を伝播する表面波の音速と、伝播させる方向を回転させたとときの検出出力とから結晶粒径や結晶の分極方向と評価することを特徴としたものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述の目視検査では定量的な組織方位の把握は困難である。Ｘ線回折法は定量的な組織方位の評価が可能であるが、被検体の表面を前処理しない状態では誤差や精度の低下が起き、さらに、被検体の大きさに制限があり、適用できる材料は限定される。前述の特開昭９−１５９６５３号公報記載の発明においては、一種類の反射波では組織の方位や組織の方向を正確には求めることができず、入射角度と超音波データから求めた相関関係で未処理材に対する劣化材の相対比較で劣化を評価するもので、組織の方位を特定することはできない。
【０００８】
また、特開平３−２８９５５９号公報記載の発明においては、表面で反射した超音波のエネルギを用いることから、内部の組織方位を評価することはできない。
【０００９】
また、前記特開平７−９２０３８号公報等に記載された発明においては、いずれも表面のみを評価対象としており、被検体内部の組織を評価することはできない。
【００１０】
本発明はこのような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、超音波の強度により被検体の組織方位を簡便且つ高精度に測定する方法およびその方法を実施するための装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、被検体を伝播する横波超音波の偏向方向を変化させ、超音波強度の偏向角度依存性を求めることにより、強度と偏向角度の関係から被検体の組織方位を評価できるようにしたものである。
【００１２】
具体的には、本発明は、被検体を伝播する横波超音波の偏向角度を変化させ、偏向角度と被検体を伝播した超音波の受信強度との関係を求め、その関係から被検体の組織方位を評価することを特徴としている。
【００１３】
この場合、前記関係として、偏向角度と被検体を伝播した超音波の受信強度との関係を外挿した時に相関係数が最大となるときの外挿曲線の値が最大または最小となる偏向角度を使用することによって被検体の組織方位を評価することができる。
【００１４】
また、このように評価した結果、評価した被検体の組織方位と、予め格納した組織方位及び機械的強度との関係から被検体の機械的強度を、予め格納した組織方位及び耐食性との関係から被検体の耐食性を、予め格納した組織方位及び耐用期間との関係から、被検体の寿命をそれぞれ評価することも可能になる。
【００１５】
さらには、被検体における複数個所の組織方位から、それぞれの組織方位の差を評価し、予め格納した組織方位の差と機械的強度との関係から測定個所相互または組織方位の差が発生している境界の機械的強度を、予め格納した組織方位の差と耐食性との関係から測定個所相互または組織方位の差が発生している境界の耐食性を、評予め格納した組織方位の差と耐用期間との関係から測定個所相互または組織方位の差が発生している境界の寿命をそれぞれ評価することも可能になる。
【００１６】
なお、前記組織方位に圧延方向や引抜方向による方位が含まれることはいうまでもない。
【００１７】
また、前記目的を達成するため、本発明は、被検体を伝播する横波超音波の偏向角度を変化させ、前記処理手段から入力される超音波データに基づいて偏向角度と被検体を伝播した超音波の受信強度との関係を求め、偏向角度と被検体を伝播した超音波の受信強度との関係を外挿した時に相関係数が最大となるときの外挿曲線の値が最大または最小となる偏向角度から、被検体の組織方位を評価する組織方位評価手段を備えた構成とすることもできる。
【００１８】
この場合、組組織方位と機械的強度との関係および／または組織方位と耐食性との関係が格納されたデータベースをさらに備え、前記組織評価手段が前記データベースを参照して組織評価を行うことが可能にすることもでき、さらに、寿命評価手段をさらに設け、前記データベースを参照した前記組織評価手段の組織評価結果に基づいて被検体の耐用年数を評価することもできる。
【００１９】
なお、超音波強度と偏向角度との関係を検出するために、前記超音波センサと前記被検体のいずれか一方を回転させる回転駆動手段と、両者の相対的な回転角を検出する回転角検出手段とを設けるとよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】
＜第１の実施形態＞
図１は本発明の組織方位評価方法を実施するための第１の実施形態に係る組織方位評価システムのシステム構成を示す構成図である。このシステムは、被検体２に設置した超音波センサ１と、超音波を送受信する超音波送受信器５と、超音波送受信器５からの超音波データを処理する超音波データ処理装置６と、この超音波データ処理装置６からの処理データと前記超音波センサ１の回転角（方位）を検出する回転角検出部１１からの出力に基づいて組織方位を評価する組織方位評価装置７ａとから主に構成されている。この構成では、前記超音波センサ１と超音波送受信部５とは増幅器４ａを介して接続されており、超音波送受信部５と超音波データ処理装置６とはＡ／Ｄ変換器６ｂを介して接続され、超音波送受信部５からアナログ信号がＡ／Ｄ変換されて超音波データ処理装置６に入力されるように構成されている。本装置では超音波送受信器５により送受信を行なうが、送信装置と受信装置の２台に分離させてもよい。また、超音波の出力を確保するうえで、必要に応じて増幅器４ａを用いる。
【００２２】
超音波センサ１は脚部先端に真空パッド１３を備えた固定治具１４によって前記被検体２上に設置され、真空ポンプ１２によって前記真空パッド１３内を負圧にすることによって被検体２上に固定される。また、固定治具１４の超音波センサ固定部にはモータ１７が設けられ、モータ駆動部１０からの駆動出力によって所望の角度超音波センサ１を回転させるようになっている。
【００２３】
大略上記のように構成されたシステムでは、被検体２の検査位置に超音波センサ１を設置し、モータ１７を介して超音波センサ１を回転させる。機構的に超音波センサ１を回転させる方が簡便であるが、被検体を回転させても本発明と同様の効果が期待できる。図６に示すように超音波３は偏向角度θに依存して被検体２中を伝播する。この時、材料の組織方位に依存した経路を通過し、組織方位との相対角度に応じて強度が変化する。超音波強度は、超音波を被検体の表面から入射し、底面で反射後、再度被検体表面で受信、いわゆる底面の反射波を受信する方法、または、超音波を被検体の表面から入射し、底面で受信する方法で測定できる。以下、底面の反射波の超音波強度を観測した場合を例に取って説明する。
【００２４】
図６に示すように超音波３は偏向角度θに依存して被検体２中を伝播する。このとき、主に材料の組織方位に沿った方向（超音波Ａ）と組織方位に直交する方向（超音波Ｂ）のの２つの経路を通過する。図７に示すように偏向角度をθ＝４５°とした場合、超音波Ａの反射波はｔ１、超音波Ｂの反射波はｔ２の時間に観測される。ここでは、超音波Ａの方が超音波Ｂよりも早く観測される（ｔ１＜ｔ２）。
【００２５】
モータ駆動部１０からの駆動出力によりモータ１７を介して超音波センサ１を回転させ、超音波受信部５で受信した超音波データは、Ａ／Ｄ変換器４ｂによってデジタル化され、超音波データ処理装置６に入力される。超音波データ処理装置は図８に示すように時間ｔ１からΔｔだけ時間幅を設けたｔ１＋Δｔの範囲、及び時間ｔ２からΔｔだけ時間幅を設けたｔ２＋Δｔの範囲における超音波強度Ｐ１及びＰ２を測定する。
【００２６】
一方、組織方位評価装置７ａでは、これらの超音波強度Ｐ１及びＰ２と回転角検出部１１から入力される角度θとの関係を測定する。偏向角度θを０°から１８０°まで変化させたときの組織方位評価装置７の測定結果の一例を図９に示す。図９において△印が超音波Ａの強度、○印が超音波Ｂの強度であり、超音波Ａについては極大値、超音波Ｂについては極小値が観測できるように偏向角度θが設定されている。また、偏向角度θを０°から３６０°まで変化させて測定すると極大極小が２対得られるので、超音波センサの特性や接触状態の変化などに起因する測定値のバラツキが低減され、より正確な組織方位の評価が可能になる。
【００２７】
この場合、図９に示した超音波Ａの強度が最大（最大値Ｐ１’）となる角度θ１と超音波Ｂの強度が最小（最小値Ｐ２’）となる角度θ２との平均値を組織方位とする。すなわち、組織方位は、
組織方位＝｛θ１＋（θ２−１８０°）｝／２・・・（１）
で表される。また、図９から超音波Ａの強度の最小値Ｐ１”と超音波Ｂの強度の最小値Ｐ２”となる偏向角度位置が組織方位の直交方向となることは容易に類推できる。
【００２８】
乱雑な組織の性状の場合、超音波の強度の最大値や最小値による評価のみで正確な方位の評価は行ないにくいので、強度変化を近似曲線で評価することが有効である。経験的に超音波強度は正弦波上の変化となることが多いので、三角関数で近似することが考えられ、組織方位評価装置７ａで外挿曲線を用いることも可能である。図１０は三角関数で外挿した一例である。このとき、相関係数が最大となるように、余弦波の移動をθ１またはθ３だけ補正して近似する。補正値のθ１とθ３＋９０°の平均値が組織方位となる。言い換えれば、図９に示した超音波Ａの強度の検出値と超音波Ｂの強度の検出値に対してコサインカーブに合うようにθ１とθ３を補正して超音波Ａの外挿曲線Ｐ＝ｃｏｓ（θ＋θ１）と超音波Ｂの外挿曲線Ｐ＝ｃｏｓ（θ＋θ３）を求め、このときのθ１とθ３と位相のずれを考慮して組織方位を求める。この場合、組織方位は、
組織方位＝［θ１＋｛θ３＋９０°）−１８０°｝］／２・・・（２）
で表される。
【００２９】
図１１は超音波Ａの強度Ｐ１と超音波Ｂの強度Ｐ２を用いてＰ１をＰ１とＰ２の和で除した値｛Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２）｝の偏向角度依存性を示す図である。図１１において、前記｛Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２）｝の値が最大となるθ１、もしくは｛Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２）｝の値が最小となるθ３に９０°加算した偏向角度、及び前記θ１とθ３＋９０°の平均値が組織方位となる。すなわち、組織方位は、
組織方位＝θ１≒θ３＋９０°≒｛θ１＋（θ３＋９０°）｝／２・・・（３）
で表される。
【００３０】
図１２は図１１の関係を三角関数で近似した一例を示す図である。相関関数が最大となるように余弦波の位相をθ１だけ補正して近似する。この場合、補正値のθ１が組織方位となる。
【００３１】
図１３は超音波Ａの強度Ｐ１と超音波Ｂの強度Ｐ２を用いてＰ１をＰ１の２乗とＰ２の２乗の和の平方根で除した値［Ｐ１／√｛（Ｐ１）²＋（Ｐ２）²｝］の偏向角度依存性を示す図である。図１３において、除した値が最大となるθ１もしくは最小となるθ３に９０°加算した偏向角度、及び前記θ１とθ３＋９０°の平均値が組織方位となる。すなわち、組織方位は、前記（３）式と同様に表される。
【００３２】
図１４は図１３の関係を三角関数で近似した一例を示す図である。相関関数が最大となるように余弦波の位相をθ１だけ補正して近似する。この場合、補正値のθ１が組織方位となる。
【００３３】
＜第２の実施形態＞
図２は本発明の組織方位評価方法を実施するための第２の実施形態に係る組織方位評価システムのシステム構成を示す図である。この実施形態は第１の実施形態に係る組織方位評価システムに対して組織方位評価装置７ａがデータベース８を参照して評価できるようにしたものである。組織方位の角度と引張り強さの関係を模式的に示したデータベース８ａの一例を図１５に示す。組織方位評価装置７ａで求めた組織方位は弾性定数と相関関係があり、引っ張り試験によって組織方位と強度との関係を把握することが可能である。したがって、設計強度などで閾値を設けることによって、設計強度以上の範囲内であるか、もしくは範囲外かで使用の可否を判断することが出来る。なお、その他の各部の構成及び機能は図１に示した第１の実施形態と同様なので説明を省略する。
【００３４】
＜第３の実施形態＞
図３は本発明の組織方位評価方法を実施するための第３の実施形態に係る組織方位評価システムのシステム構成を示す図である。この実施形態は、第２の実施形態に係る組織方位評価システムに対して寿命評価装置９を設け、組織方位評価装置７ａで評価した組織方位に基づいて寿命評価装置９によって被検体の寿命を評価するようにしたものである。組織方位と推定破断時間との関係を図１６に示す。このような関係に基づいて組織方位評価装置７ａが評価した組織方位から寿命評価装置９で被検体の寿命が評価できる。
【００３５】
ここで、寿命とは被検体が破断または破断の恐れが予想される時期を指すもので、被検体の使用開始から破断または破断の恐れが予想される時期までの耐用時間と言い換えることができる。また、破断に至らずとも、使用環境に適さない組織変化等についても寿命の考え方を適用できる。なお、その他各部の構成及び機能は図１及び図２に示した第１及び第２の実施形態と同様なので説明を省略する。
【００３６】
＜第４の実施形態＞
図４は本発明の組織方位評価方法を実施するための第４の実施形態に係る組織方位評価システムのシステム構成を示す図である。この実施形態は、超音波センサ１を固定治具１４に設置し、スキャナ部１５によって測定個所を所定方向に移動できるように構成し、組織方位差評価装置７ｂがスキャナ部１５によって移動した超音波センサ１によって複数個所で組織方位を測定し、各測定点の組織方位の差を求めるようにしたものである。同一検体上のＡ点及びＢ点でそれぞれの組織方位を評価し、それぞれの偏向角度の差である方位差の一例を図１７に示す。
【００３７】
被検体を製作する際に想定した組織方位に対して組織方位差が大きく成ると、引っ張り強さや破断時間に差違が生じ、同一条件で使用した場合、組織方位の差が大きい個所の引っ張り強さや破断時間の低下が著しいことが分かった。そこで、測定を数多くの個所で実施することにより組織方位差が最も大きい個所を求め、あらかじめ格納した図１８に示すようなデータベースと比較して機械的強度や耐食性を評価するようにした。なお、図１８は、組織方位差と引っ張り強さの関係を模式的に示したデータベースの一例である。
【００３８】
被検体全体においては、使用可能な範囲の組織方位であっても、組織方位差が最も大きい個所における引っ張り強さが設計強度等で閾値を設けることにより、設計強度以上の範囲内であるか、もしくは範囲外かで使用の可否を判断することができる。さらに、図１９に示すような組織方位差と破断時間の関係から被検体の寿命が評価できる。
【００３９】
なお、その他各部の構成及び機能、組織方位の求め方は第１及び第２の実施形態と同様なので説明を省略する。
【００４０】
＜第５の実施形態＞
図５は本発明の組織方位評価方法を実施するための第５の実施形態に係る組織方位評価システムのシステム構成を示す図である。この実施形態は、超音波センサ１を固定治具１４に固定し、被検体２を置いた回転テーブル１６をモータ駆動部からの駆動出力によってモータ１７を回転させて検出を行うようにしたもので、回転閣は回転各検出部によって測定される。
【００４１】
なお、その他各部の構成及び機能は第１の実施形態と同様なので説明を省略する。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、外挿曲線を使用した近似によって被検体の組織方位の評価が可能なので、被検体の部位や形状に応じた測定を行うことができ、簡単かつ低コストで組織方位の評価を広範囲に適用することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した組織評価方法の第１の実施形態を示す図である。
【図２】本発明を適用した組織評価方法の第２の実施形態を示す図である。
【図３】本発明を適用した組織評価方法の第３の実施形態を示す図である。
【図４】本発明を適用した組織評価方法の第４の実施形態を示す図である。
【図５】超音波の偏向方向を模式的に示す図である。
【図６】底面反射波の観測例を示す図である。
【図７】反射波強度と偏向角度の関係を示す図である。
【図８】反射波強度と偏向角度の関係を示す図である。
【図９】２つの反射波強度の比と偏向角度の関係を示す図である。
【図１０】２つの反射波強度の比と偏向角度の関係を示す図である。
【図１１】２つの反射波強度の算術値と偏向角度の関係を示す図である。
【図１２】２つの反射波強度の算術値と偏向角度の関係を示す図である。
【図１３】組織方位と引張り強さの関係を示す図である。
【図１４】組織方位と破断時間の関係を示す図である。
【図１５】２個所の反射波強度と組織方位の関係を示す図である。
【図１６】組織方位差と引張り強さの関係を示す図である。
【図１７】組織方位差と破断時間の関係を示す図である。
【図１８】組織方位差と引張り強さの関係を示す図である。
【図１９】組織方位差と破断時間の関係を示す図である。
【符号の説明】
１音波センサ
２被検体
３超音波
４ａ増幅器
４ｂＡ／Ｄ変換器
５超音波送受信器
６超音波データ処理装置
７ａ組織方位評価装置
７ｂ組織方位差評価装置
８ａ，８ｂデータベース
９寿命評価装置
１０モータ駆動部
１１回転角検出部

Claims

被検体を伝播する横波超音波の偏向角度を変化させ、偏向角度と被検体を伝播した超音波の受信強度との関係を求め、偏向角度と被検体を伝播した超音波の受信強度との関係を外挿した時に相関係数が最大となるときの外挿曲線の値が最大または最小となる偏向角度から、被検体の組織方位を評価することを特徴とする組織方位評価方法。
前記評価した被検体の組織方位と、予め格納した組織方位及び機械的強度との関係から、被検体の機械的強度を評価することを特徴とする請求項１に記載の組織方位評価方法。
前記評価した被検体の組織方位と、予め格納した組織方位及び耐食性との関係から、被検体の耐食性を評価することを特徴とする請求項１に記載の組織方位評価方法。
前記評価した被検体の組織方位と、予め格納した組織方位及び耐用期間との関係から、被検体の寿命を評価することを特徴とする請求項１に記載の組織方位評価方法。
被検体における複数個所の組織方位から、それぞれの組織方位の差を評価し、予め格納した組織方位の差と機械的強度との関係から、測定個所相互または組織方位の差が発生している境界の機械的強度を評価することを特徴とする請求項１に記載の組織方位評価方法。
被検体における複数個所の組織方位から、それぞれの組織方位を評価し、予め格納した組織方位の差と耐食性との関係から、測定個所相互または組織方位の差が発生している境界の耐食性を評価することを特徴とする請求項１に記載の組織方位評価方法。
被検体における複数個所の組織方位から、それぞれの組織方位を評価し、予め格納した組織方位の差と耐用期間との関係から、測定個所相互または組織方位の差が発生している境界の寿命を評価することを特徴とする請求項１に記載の組織方位評価方法。
前記組織方位が圧延方向または引抜方向を含むことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の組織方位評価方法。
被検体表面から被検体内部に超音波を発振し、受信する超音波センサと、
この超音波センサを駆動する超音波送受信手段と、
被検体を伝播し、前記超音波送受信手段に入力された超音波データを処理する処理手段と、
被検体を伝播する横波超音波の偏向角度を変化させ、前記処理手段から入力される超音波データに基づいて偏向角度と被検体を伝播した超音波の受信強度との関係を求め、偏向角度と被検体を伝播した超音波の受信強度との関係を外挿した時に相関係数が最大となるときの外挿曲線の値が最大または最小となる偏向角度から、被検体の組織方位を評価する組織方位評価手段と、
を備えていることを特徴とする組織方位評価装置。
組織方位と機械的強度との関係、および／または組織方位と耐食性との関係が格納されたデータベースをさらに備え、前記組織評価手段は前記データベースを参照して組織評価を行うことを特徴とする請求項９に記載の組織方位評価装置。
前記データベースを参照した前記組織評価手段の組織評価結果に基づいて被検体の耐用年数を評価する寿命評価手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１０記載の組織方位評価装置。
前記超音波センサと前記被検体のいずれか一方を回転させる回転駆動手段と、両者の相対的な回転角を検出する回転角検出手段とを備えていることを特徴とする請求項１１記載の組織方位評価装置。