JP4109114B2 - 鋼構造または構成材の非破壊評価用検出器 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の属する技術分野
本発明は、使用された鋼構造及び／または構成材の非破壊評価用の装置に関する。より具体的には、本発明は、使用中であるとともに、残留応力、疲労、クリープまたは非強磁性鋼における磁性相の形成などの多数の欠陥が発生しうる長期間にわたる使用の継続が予定されているような構造及び構成材を非破壊評価するための装置に関する。従って、使用中の鋼構造または構成材の前述の欠陥を検出及び／または判定する第一目的に加えて、本発明の装置は、検出される欠陥の結果に従って、異なる組成の鋼を選別し、分類することに適用できるという利点も有する。
【０００２】
使用中の構成材の臨界領域の残留応力の存在を判定することは、最も望ましいことであり、それは、未検出のこうした応力の存在がこうした構成材または構造の破壊の原因となりうるからである。同様に、使用中の鋼構造及び構成材内部のミクロ構造の劣化の判定は、これらの構成材及び構造を突発的な破壊から護るための早期警告システムとして、非常に貴重である。とりわけ、一定の非磁性ステンレス鋼構造または構成材における臨界百分率を超えた磁性相の存在は、こうした磁性相が当該構造または構成材の脆性破壊を引き起こしうるため、ぜひとも回避すべきである。従って、こうした磁性相の存在または不在を判定することは、きわめて重大であると認められる。
【０００３】
背景技術
従来、鋼構造または構成材における磁性相の存在、残留応力またはミクロ構造の老化の判定は、Ｘ線回折計を用いることによって、及び／または当該鋼の金属組織分析によって、最も多くの場合、行われてきた。強磁性材料の磁気非破壊評価のためのもう一つの技術は、磁気バルクハウゼン放射（ＭＢＥ）技術として知られているものである。残念なことに、磁性相の存在を判定するこれらの方法は、すべて、深刻な欠点を有する。
【０００４】
例えば、現場でＸ線回折計を用いて試験を行うことを試みることは、最も良い時でも容易ではなく、場合によってはまったく不可能である。構成材中の残留応力の測定に現在利用可能な携帯用Ｘ線回折計は、購入するにはあまりにも高価である。そのうえ、たとえ「携帯用」と記載されていたとしても、これらの回折計は、一つの現場から別の現場への移動が容易ではなく、これらの使用は、調査を受ける構成材の位置にこれらが近づきがたいことにより、まったく不可能となることがある。
【０００５】
低い容積パーセントの強磁性マルテンサイト相の存在を定量的に概算するための金属組織分析は、困難なばかりでなく、不正確でもあり、こうした低い百分率の存在を現場で迅速に評価することはできない。
【０００６】
強磁性相を判定するための第三の可能な非破壊技術、すなわち、ＭＢＥ技術は、マルテンサイトの存在が２０％未満である時には感知できないという欠点を有する。
【０００７】
強磁性材料を非破壊評価するための技術は、当該技術分野において相当広範に記載されている。例えば、こうした構成材の材料のヒステリシス特性に基づき構成材の劣化を判定するための磁気技術は、「金属材料の老化を検出するために磁場を利用する方法及び装置（Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｆｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）」と題する米国特許第５，０５９，９０３号、及び「保磁力の変化を検出することにより強磁性材料内部のひずみを測定するための方法及び装置（Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｔｒａｉｎ ｗｉｔｈｉｎ ａ ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ ｂｙ ｓｅｎｓｉｎｇ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｃｏｅｒｃｉｖｅ ｆｏｒｃｅ）」についての米国特許５，１４２，２２７号に開示されている。しかし、磁気ヒステリシス技術は、非常に低量の磁性相の存在に対する感度がさほど高くない。例えば、こうした技術は、加工硬化ＡＩＳＩ ３０４ステンレス鋼中２０％未満のマルテンサイトの判定には適さない。さらに、この技術によって利用される電磁石を励磁するために電源が必要である。
【０００８】
「磁場の導入により形成されるバルクハウゼンノイズを分析することによって強磁性材料内部の応力をマッピングするための方法及び装置（Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｍａｐｐｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ ｗｉｔｈｉｎ ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｂｙ ａｎａｌｙｓｉｎｇ Ｂａｒｋｈａｕｓｅｎ ｎｏｉｓｅ ｆｏｒｍｅｄ ｂｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ)」と題する米国特許第５，１６６，６１３号、及び「磁気音響学的残留磁気を用いて脆化を判定するための方法及び装置（Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｕｓｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｏ−ａｃｏｕｓｔｉｃ ｒｅｍａｎｅｎｃｅ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔ）」と題する米国特許５，１２１，０５８号は、ＭＢＥ技術、またはそれらの中で言及されているような磁気音響学的放射技術によって、鋼の脆化を研究することができることを示している。しかし、これらの技術の各々が、信号の分析によることを求めており、従って、関係する装置は、高価でもあり、複雑でもある。さらに、これら２件の米国特許に開示されている装置の感度は低い。
【０００９】
他方、磁気特性の小さな変化の判定のために、極めて高感度の装置、例えば、超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）が知られており、これは、「磁気遮蔽容器内のＳＱＵＩＤ型磁気センサを利用する非破壊試験装置（Ｎｏｎ−Ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ ＳＱＵＩＤ Ｔｙｐｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｅｎｓｏｒ Ｉｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｈｉｅｌｄ Ｃｏｎｔａｉｎｅｒ）」と題する米国特許第５，７２９，１３５号、及び「超伝導量子干渉デバイス磁束計及び非破壊検査装置（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ Ｆｌｕｘｍｅｔｅｒ Ａｎｄ Ｎｏｎ−Ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ Ａｐｐａｒａｔｕｓ）」と題する米国特許第５，８５４，４９２号に記載されている。しかし、ＳＱＵＩＤは、それを動作するために冷却材として液体ヘリウムまたは液体窒素を必要とし、実際のところ現場作業のための携帯が可能でない非常に高価な装置である。
【００１０】
本発明の総合的な目的は、鋼構造または構成材における磁性相の存在を非破壊評価するための装置であって、このための現在までに知られている装置の欠陥及び欠点を克服する装置を提供することである。
【００１１】
こうした総合的な枠組みの中で、本発明の基本的な目的は、未使用状態では非磁性であるが、長期間使用するうちに磁性が存在するようになる鋼構造または構成材中の磁性相の存在を非破壊評価するための装置を提供することである。
【００１２】
本発明のさらに具体的な目的は、長期間の使用に付された鋼構造または構成材を非破壊評価して、そうした使用期間の間に前記構造または構成材において発生したミクロ構造の老化または生じた残留ストレスの程度を判定するための低コストで、携帯可能で、使用が容易な磁気検出装置を提供することである。
【００１３】
本発明のなお一層の目的は、磁性相を検出するための鋼構造または構成材の非破壊評価が可能な装置であると同時に、前記装置によって検出された欠陥の結果に従って異なる組成の鋼を選別及び分類するための装置として用いることができる利点も有する装置を提供することである。
【００１４】
本発明のさらにもう一つの目的は、非常に弱い磁場でさえ検出するその能力のため、可変的な距離で発生する強磁性物の動きを検出するための防犯システムの一部として用いることができる装置を提供することである。
【００１５】
上述の目的を達成するために、本発明は、強磁性材料における磁性相の存在を非破壊評価するために先行技術装置が利用しているセンサーメカニズムの性質を特に調査、研究した。これは、検出コア及び環状コアに対して最適に配置されたそれぞれのコイル対を備える検出コア及び環状コアを具備する改善された構造ならびに検出コアのための所定の材料の使用によって、記載した欠点を実質的に克服することができ、本発明が解決しようと努める問題に対する解決策が提供されるという結論を導いた。
【００１６】
発明の概要
従って、本発明は、評価を受ける鋼構造または構成材の近位に配置されるようにした探針ヘッドと信号処理手段の組合せを具備し、
前記探針ヘッドが、第一コイル対を備えるナノ結晶性Ｆｅ系材料の検出コアを具備し、この場合、第一コイル対は、標準状態で前記第一コイル対に電流が流れた時、検出コアの半分が各々対称的に磁化されるように前記検出コアに巻きつけられ、
前記信号処理手段が、環状フェライトコアに巻きつけられた第二コイル対を備える環状フェライトコアを具備し、
検出コアの各前記第一コイル対の一方の末端がアースされている一方で、前記検出コアのもう一方の末端は、各々、前記環状コア上の各前記第二コイル対の一方の末端にそれぞれ接続されており、第二コイル対のもう一方の末端は、５ｋＨｚの周波数を発生することができる励起源に一緒に接続され、
前記第一コイル対と第二コイル対の組合せが、一次コイルを構成し、
検出信号が、異なる高調波を有し、これは、探針ヘッドが評価を受ける鋼構造または構成材の近位に配置されて、前記鋼構造または構成材のミクロ構造の劣化または残留応力を評価する時、前記一次コイルから放射されるものであり、これが、前記環状コアに取り付けられた二次コイルの入力端子に送られ、
二次コイルの出力端子が、第一高調波信号のみを抑制し、他の高調波信号を前記鋼構造または構成材のミクロ構造の劣化または残留応力の測定のために許容することに有効なフィルタ手段に接続されていること
を特徴とする、長時間使用された鋼構造または構成材を非破壊評価して、前記鋼構造または構成材におけるミクロ構造の劣化または残留応力の程度を判定するための携帯可能で、容易に操作できる磁気検出装置を提供する。
【００１７】
発明の詳細な説明
本発明の好ましい特徴によると、前記検出コアを形成するナノ結晶性Ｆｅ系材料が、熱処理されたＦｅ_７２＋ｘＮｂ_{４．５−ｘ}Ｃｕ_１Ｓｉ_１３．５ Ｂ _９ （式中、ｘは、０から１の値である）であり、前記ナノ結晶性Ｆｅリボンが、以下の特性をほぼ有する。
【００１８】
寸法： ４０ｍｍ×１０ｍｍ×２４ｆ．ｉｍ
透磁率： １０^４〜１０^５
保磁度： １０〜３０ｍＯｅ
飽和磁気誘導： ８〜１０ｋＧ
便宜のため、環状コアは、３０００から４０００の透磁率及び１から３Ｏｅの保磁度を有するＭｎ−Ｚｎフェライトから成る。
【００１９】
本発明の装置で使用するために好ましいフィルタは、第一高調波、すなわち、５ｋＨｚの信号を抑制し、他の高調波、すなわち５ｋＨｚ以外のすべての信号を許容するように動作するノッチフィルタである。
【００２０】
第二高調波信号の振幅は、マルチメーターなどのいずれの従来的手段によっても測定することができる。こうした信号は、直接測定することができ、または前記フィルタの出力端子に接続されている増幅器を通過させることによってまず増幅することもある。好ましくは、利用される増幅器は、第二高調波、すなわち、１０ｋＨｚの信号をその適切な測定に望ましいレベルに増幅する同調増幅器である。
【００２１】
主検出装置のユニットとして共同で動作する探針ヘッド及び環状コアの構造は、本発明の装置において新規な本質部分を成す。本発明、それ自体が設定した本目的の好結果での達成は、この検出ユニットの構造にあるとともに、検出コア上及び環状コア上のコイルの正しい位置決め及び検出コアとしてのナノ結晶性リボンの使用に存する。
【００２２】
さて、添付の図面（ここに示されている一つの図面は、本発明の装置の略線図を示している）を参照しながら、本発明の装置をより詳細に説明する。
【００２３】
図面を参照して、本装置は、ナノ結晶性Ｆｅ系材料の検出コアのまわりに結合した第一コイル対２及び３から成る探針ヘッドＨから成る。コイル２及び３の各々の一方の末端がアースされている一方で、それらの反対側の末端は、第二コイル対６及び５の入力端子にそれぞれ接続されおり、前記第一コイル対（２、３）及び第二コイル対（５、６）の組合せが一次コイルを構成している。第二コイル対５及び６も処理手段Ｐの一部を形成している。この処理手段Ｐは、前記第二コイル対５及び６が取り付けられているＭｎ−Ｚｎフェライト環状コア４を具備し、二次コイル７も前記環状コア４に取り付けられている。第二コイル対５及び６は、それらの反対側の末端によって、共に励起源８に接続されている。環状コア４に設けられた二次コイル７は、評価を受ける構成材の検出電圧を拾うようになっている。
【００２４】
コイルは、標準モード、すなわち非評価モードで、励起源８（定電流信号発生器が好ましい）によって発生された電流がそのコイルに流れると、検出コア１の各半分が対称に磁化されるように巻かれている。このモードでは、二次コイル７の入力端子で拾われる信号は、まったく偶数次の高調波を有さないだろう。他方、装置が評価モードである時、すなわち、検出コア１と一次コイル２及び３のアッセンブリとを具備する検出ヘッドＨが、ミクロ構造の老化または残留ストレスの存在についての評価を受ける構成材または構造の近くに配置された時、二次コイル７の入力端子で拾われる信号は、偶数字の高調波を有するだろう。拾われたこうした信号が、その後、二次コイル７の出力端子から、ノッチフィルタ９を通って、同調増幅器１０に送られて、増幅第二高調波信号を得、これは、マルチメーターなどのいずれの従来的手段によってもモニターし、測定することができる。あるいは、増幅信号をコンピュータにインタフェースすることができる。
【００２５】
励起源８の電圧は、４から５ボルトの範囲内で維持され、励起周波数は、約５ｋＨｚで維持される。三次コイルよって拾われた信号が通過するノッチフィルタ９は、第一高調波、すなわち、５ｋＨｚの周波数を有する信号以外の全検出信号を通過させるように設計されている。そのフィルタリングされた信号が通過する同調増幅器は、第二高調波、すなわち、１０ｋＨｚの周波数を有する信号部分のみを増幅するように構成されている。
【００２６】
第一コイル対２及び３の各々には、１５００から２０００までの範囲にある同数の巻きが施されている。第二コイル対５及び６、各々の巻き数は、同様に同じであり、２５から５０の範囲にある。二次コイル７の巻き数は、５０から１００の範囲にある。
【００２７】
使用中の鋼構造または構成材を非破壊評価して、その中のミクロ構造の老化または残留応力の程度を判定するための検出器としての本発明の装置の効率を説明するために、一定の試験を行った。こうした試験の結果を以後詳しく説明する。しかし、これらは、単に説明のためのものであり、従って、いかなる点でも本発明の範囲を制限するものではない。
【００２８】
第１実施例
オーステナイト系ステンレス鋼における強磁性相の検出
周知のように、オーステナイト系ステンレス鋼は、非磁性である。他方、焼入れ鋼を構成する硬質成分であるマルテンサイトは、強磁性である。従って、少率の相としてマルテンサイトを含有するステンレス鋼は、存在するマルテンサイトの量に依存する磁気強度を有する強磁性材料として挙動する。この理解に基づき、最初の試験を行って、本発明の検出装置の効率を試験した。
【００２９】
ＡＩＳＩ ３０４ＳＳ鋼を冷間圧延によって、異なる程度、塑性変形させて、異なる百分率のマルテンサイトを含有するサンプルを得た。このようにして得られたサンプルの近位に装置の探針ヘッドを配置した時、検出器の出力電圧の線形変動が、マルテンサイト含有率２５容量％以下で観察された。そのマルテンサイトレベルより上では、検出器の直線性が乱れた。線形領域における勾配は、マルテンサイトの容量％あたり１７ｍＶとなった。
【００３０】
この実験の結果は、本発明の検出装置が、加工硬化ＡＩＳＩ ３０４ステンレス鋼中６容量％ほどの少量のマルテンサイトの判定に有用であるだろうことを示している。
【００３１】
第２実施例
オーステナイト系ステンレス鋼サンプル中のデルタ（δ）フェライトの百分率の検出
異なるデルタフェライト含量を有する４つの制御オーステナイト系ステンレス鋼溶接物サンプルをこの実験で用いた。各々におけるデルタフェライトの百分率は、定量金属組織法によってあらかじめ概算しておいた。サンプルのフェライト数（ＦＮ）は、０．４、１．８、２．３及び３．６であった。フェライト数に伴う検出器出力電圧の線形増加が観察された。その結果は、検出器が、下は溶接物中０．４ＦＮまで検出できることを示している。
【００３２】
第３実施例
鋼の組成における炭素の可変的存在の検出
鋼及びそれが示す様々な相の特性が、それらの炭素含量とともに変化することは、よく知られている。これを考慮して、この実験を行って、様々な度合いの炭素百分率を有する鋼に対する本発明の検出装置の応答の見出を試みた。０．０２４重量％、０．０４８重量％、０．０８重量％、０．１４重量％及び０．１５重量％の炭素を含有し、他の合金元素は、実質的に同じにしてある５つのグレードの鋼を考慮した。
【００３３】
その結果は、検出器の出力電圧が、鋼中の炭素の増加とともに低下することを示している。これらの結果は、鋼の軟磁性特性が炭素百分率の増加とともに低下することが知られていることから予測されるとおりであった。このことから引き出される結論は、本発明の検出装置が、鋼の組成における炭素の存在の変動を評価することに充分適するということである。
【００３４】
第４実施例
鋼における残留応力の検出
本発明の検出装置を、以下の組成を有する鋼引張試験片の中央に配置した。
【００３５】
元素 重量パーセント
炭素 ０．０２５
マグネシウム ０．３６０
リン ０．００５
硫黄 ０．０１１
銅 ０．０１１
アルミニウム ０．００５
鉄 残り
【００３６】
検出器の出力電圧は、鋼試験片に応力をかけたときに測定した。出力電圧は、引張応力とともに増加し、高応力レベルで飽和に達することがわかった。この結果は、本発明の検出器が鋼における残留応力の検出に有用であることを立証している。
【００３７】
行った試験の結果は、本発明の装置が、鋼における強磁性相の存在を効率的に判定することができ、また、この材料の磁性状態の変化を確認することもできることを決定的に立証している。従って、本発明の装置は、使用中の強磁性鋼構成材または構造を非破壊評価して、それらにある残留応力を判定するために、ならびに組成の変化に従って鋼を選別し、分類するために用いることができるとういう利点を有する。
【００３８】
本発明の主な利点
本発明の装置の主な利点を以下のようにまとめることができる。本装置は、携帯可能であり、低コストであり、使用が簡単である。本装置は、非破壊的方法で鋼の材料特性を評価することができる。本装置は、材料の非破壊的評価に利用されている他の既知携帯用磁気技術より高い感度を示す。最後に、本発明の装置は、非常に弱い磁場の検出にも有用であり、そのため、強磁性物の動きを検出する警備用センサーとして用いることもできるので、極めて使い道が多い。

Claims (11)

1. 評価を受ける鋼構造または構成材の近位に配置されるようにした探針ヘッドと信号処理手段の組合せを具備し、
   前記探針ヘッドが、第一コイル対を備えるナノ結晶性Ｆｅ系材料の検出コアを具備し、この場合、第一コイル対は、標準状態で前記第一コイル対に電流が流れた時、検出コアの半分が各々対称的に磁化されるように前記検出コアに巻きつけられ、
   前記信号処理手段が、環状フェライトコアに巻きつけられた第二コイル対を備える環状フェライトコアを具備し、
   検出コアの各前記第一コイル対の一方の末端がアースされている一方で、前記検出コアのもう一方の末端は、各々、前記環状コア上の各前記第二コイル対の一方の末端にそれぞれ接続されており、第二コイル対のもう一方の末端は、５ｋＨｚの周波数を発生することができる励起源に一緒に接続され、
   前記第一コイル対と第二コイル対の組合せが、一次コイルを構成し、
   検出信号が、異なる高調波を有し、これは、探針ヘッドが評価を受ける鋼構造または構成材の近位に配置されて、前記鋼構造または構成材のミクロ構造の劣化または残留応力を評価する時、前記一次コイルから放射されるものであり、これが、前記環状コアに取り付けられた二次コイルの入力端子に送られ、
   前記二次コイルの出力端子が、第一高調波信号のみを抑制し、他の高調波信号を前記鋼構造または構成材のミクロ構造の劣化または残留応力の測定のために許容することに有効なフィルタ手段に接続されていること
   を特徴とする、長時間使用された鋼構造または構成材を非破壊評価して、前記鋼構造または構成材におけるミクロ構造の劣化または残留応力の程度を判定するための容易に操作できる磁気検出装置。
2. 前記検出コアを形成するナノ結晶性Ｆｅ系材料が、熱処理されたＦｅ_７２＋ｘＮｂ_{４．５−ｘ}Ｃｕ_１Ｓｉ_１３．５ Ｂ _９ （式中、ｘは、０から１の値である）であり、前記ナノ結晶性Ｆｅリボンが、以下の特性をほぼ有する、請求項１に記載の装置。
   寸法： ４０ｍｍ×１０ｍｍ×２４μｍ
   透磁率： １０^４〜１０^５
   保磁度： １０〜３０ｍＯｅ
   飽和磁気誘導： ８〜１０ＫＧ
3. 前記環状コアが、３０００から４０００の透磁率及び１から３Ｏｅの保磁度を有するＭｎ−Ｚｎフェライトから成る、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記第一コイル対が、各々、１５００から２０００の範囲にある同数の巻きを有する、請求項１から３のいずれかに記載の装置。
5. 前記第二コイル対の各々が、２５から５０までの範囲にある同数の巻きを有する、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
6. 前記二次コイルが、５０から１００の巻き数を有する、請求項１から５のいずれかに記載の装置。
7. 前記励起源が定電流信号発生器である、請求項１から６のいずれかに記載の装置。
8. 前記フィルタ手段が、第一高調波、すなわち、５ｋＨｚの信号を抑制し、他の高調波、すなわち５ｋＨｚ以外のすべての信号を許容することに有効なノッチフィルタである、請求項１から７のいずれかに記載の装置。
9. 前記第二高調波信号を測定するための前記手段がマルチメーターである、請求項１から８のいずれかに記載の装置。
10. 測定前に増幅させるために、前記第二高調波信号を通過させる前記フィルタ手段の出力端子に増幅器が接続されている、請求項１から９のいずれかに記載の装置。
11. 前記増幅器が、第二高調波、すなわち、１０ｋＨｚの信号をその適切な測定に望ましいレベルに増幅する同調増幅器である、請求項１０に記載の装置。

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