JP4805046B2

JP4805046B2 - 高感度磁束密度計による金属材料の損傷評価装置、その損傷評価方法及びその損傷評価システム

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Publication number: JP4805046B2
Application number: JP2006197514A
Authority: JP
Inventors: 聰島本; 里志赤松
Original assignee: Denshijiki Industry Co Ltd
Current assignee: Denshijiki Industry Co Ltd
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2026-07-20
Also published as: JP2008026086A

Description

本発明は、繰り返し応力が作用する評価部位に適用し、正確かつ簡便にき裂の発生・進展挙動を評価するための高感度磁束密度計による金属材料の損傷評価装置、金属材料の損傷評価方法、及び金属材料の損傷評価システムに関する。

材料自身の磁気を利用した非破壊検査法には、種々な方法が挙げられる。その中でも磁気探傷法や磁粉探傷法、漏洩磁束法などの非破壊検査は、原子力発電プラントの圧力容器や給排水配管などの構造物を構成するステンレス鋼材料に対してよく用いられている。
例えば磁気探傷法は、材料が磁性材料であることが前提となり、材料を磁化して検査を行い、その後脱磁する行程を踏まえなければならず、これらの工程を行うことにより時間的、経済的ロスが生じてしまう（非特許文献１、２）。またオーステナイト系ステンレス鋼は非磁性材料であるため、材料を磁化して検査を行うことができないが、応力集中部などに高い応力が発生すると、組織はマルテンサイト変態を起こすから、磁化することで、その周りで漏洩磁束を検出できることが知られている（非特許文献３）。
山崎慶太他、「引張荷重負荷時の磁化特性に着目した構造材の劣化評価」、日本応用磁気学会誌、２３（１９９９）ｐ１５４１−１５４４岡茂八郎他、「残留磁気法によるステンレス鋼の平面曲げ疲労評価」、日本応用磁気学会誌、２５（２００１）ｐ１０７５−１０７８中曽根裕司他、「マルテンサイト変態を利用した磁気的材料劣化評価」、日本ＡＥＭ学会誌、９−２（２００１）ｐ１２３−１３０

しかしながら、従来の方法は、繰り返し応力が作用する評価部位に適用した場合、材料の磁化・脱磁という工程を行なう必要があるため、正確かつ簡便にき裂の発生・進展挙動を評価することが難しいという問題があった。
本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、繰り返し応力が作用する評価部位に適用し、正確かつ簡便にき裂の発生・進展挙動を評価することが可能な高感度磁束密度計による金属材料の損傷評価装置、金属材料の損傷評価方法、及び金属材料の損傷評価システムを提供することを目的とする。

本発明者らは鋭意検討し、等・不等二軸応力下におけるき裂の発生・進展挙動を明らかにするため、金属材料としてステンレス鋼を用い、き裂が発生・進展する部位（切り欠き箇所近傍）に高感度磁束密度計のプローブを配置し、金属材料の磁束密度の変化を測定した結果、上記課題を解決できるとの知見を得た。本発明はこの知見に基づくものであり、次のとおりである。

１．繰り返し応力が作用する評価部位に適用し、き裂の発生・進展挙動を評価するための金属材料の損傷評価装置であって、被測定物の磁束密度を測定可能な高感度磁束密度計と、それで測定した磁束密度情報及び前記評価部位に作用する応力の繰り返し数情報が共に入力可能とされた演算処理手段とを具備し、該演算処理手段には、前記高感度磁束密度計を用いて得た磁束密度情報と繰り返し数情報との関係が予め蓄積され、前記評価部位に作用する応力の状態と金属材料の種類に応じて、前記評価部位に作用する応力の繰り返し数が増えるに従い、磁束密度が一旦上昇した後、低下する現象をもって前記評価部位でき裂が発生したと評価し、それ以降、磁束密度が再び増加し、低下する現象をもって前記評価部位でき裂が進展したと評価する比較・評価手段が設けられ、前記高感度磁束密度計のプローブを前記評価部位に非接触状態で対向配置したことを特徴とする金属材料の損傷評価装置。

２．上記１．に記載の金属材料の損傷評価装置を用い、前記高感度磁束密度計のプローブを前記評価部位に非接触状態で対向配置し、得た磁束密度情報と繰り返し数情報との関係を監視しつつ、前記評価部位での損傷を評価することを特徴とする金属材料の損傷評価方法。

３．上記１．に記載の金属材料の損傷評価装置に更に加えて、前記演算処理手段からの警報情報に基づいて、警報を発生する警報発生装置を具備したことを特徴とする金属材料の損傷評価システム。

上記１．又は２．に記載の発明によれば、被測定物の磁束密度を測定可能な高感度磁束密度計のプローブを、金属材料の評価部位に非接触状態で対向配置したので以下の効果がある。（１）金属材料を磁化させず、金属材料の評価部位での磁束密度を非接触で非破壊的に測定することが可能である。（２）等・不等二軸応力下における疲労き裂の発生・進展過程を従来の手法よりも正確かつ間便に測定できる。

上記３．に記載の発明によれば、得た磁束密度情報と繰り返し数情報との関係を監視しつつ、以下のようにして評価部位での損傷を評価することができる。すなわち、金属材料の評価部位に作用する応力の繰り返し数が増えるに従い、磁束密度が一旦上昇した後、低下する現象をもって評価部位でき裂が発生したと評価し、それ以降、磁束密度が再び増加し、低下する現象をもって評価部位でき裂が進展したと評価することができる。

上記４．に記載の発明によれば、き裂が発生・進展する過程、あるいはき裂が発生・進展すると事前に予想されるとき、警報を発生することができるので有用である。
以下に説明する疲労試験結果から、ステンレス鋼の等・不等二軸疲労応力下におけるき裂の発生はSUS304が最も遅く、疲労き裂の進展はSUS430が遅いという結果を得た。

以下、等・不等二軸応力下において、ステンレス鋼の損傷評価、すなわち、繰り返し応力が作用する評価部位で疲労き裂が発生し、進展する挙動を明らかにするために行った疲労試験結果について説明する。
（試験片形状および供試材）
用いた試験片形状および寸法を図１に示す。上下（Ｙ軸方向）、左右（Ｘ軸方向）４箇所の掴み幅Ａを140mm、掴み幅の端から端までのＸ軸方向及びＹ軸方向距離を300mmとした。試験片Ｗは、二軸油圧サーボ疲労試験機に掴み幅部で取り付けした。図１（ａ）中、５は疲労試験を行う前に予め設けた切り欠きを示し、ワイヤー放電加工機で形成した。ａは切り欠き長さを示す。この場合、Ｘ軸と切り欠き長手とのなす角（以下、切り欠き傾斜角度θ）は０°であるが、図１（ｂ）のように切り欠き傾斜角度θ＝４５°の試験片も作成し、疲労試験に供した。どちらの場合もａ＝３０ｍｍとした。

供試材は次の３種類とした。供試材：オーステナイト系ステンレス鋼SUS304（非磁性材料）、マルテンサイト系ステンレス鋼SUS410（磁性材料）、フェライト系ステンレス鋼SUS430（磁性材料）。いずれも板厚＝２mm。
なお、切り欠き長さ方向の中央が試験片Ｗの中心位置（０，０）に来るようし、試験片Ｗの中心位置と二軸油圧サーボ疲労試験機の原点とを一致させて試験片Ｗを疲労試験機に取り付けた。そして試験片Ｗに対してＸ軸、Ｙ軸方向に繰り返し荷重を加えた。

（荷重負荷条件）
波形＝正弦波、繰り返し周波数＝１０Hz、最大荷重＝30kN、最小荷重＝15kN。二軸方向への荷重比（３条件）Ｘ：Ｙ＝0：1、0.5：1、1：1。
（実験装置および測定方法）
この場合、本発明を実施するため、図２、図３に示すように、被測定物の磁束密度を測定可能な高感度磁束密度計２として低磁界ガウスメータ（電子磁気工業製GM−4122）を用いた。１は低磁界ガウスメータのプローブで、３は低磁界ガウスメータからの磁束密度情報を変換するための変換器（マルチプレクサ）を示す。低磁界ガウスメータはホール効果を利用した磁気センサの一種である。また４は、演算処理手段４として用いたパーソナルコンピュータである。

すなわち、本発明を実施するための金属材料の損傷評価装置は、被測定物の磁束密度を測定可能な高感度磁束密度計２と、それで測定した磁束密度情報及び試験片Ｗの評価部位に作用する応力のサイクル数情報が共に入力可能とされた演算処理手段４とを具備している。ここで、上記の試験片Ｗの評価部位は、応力集中によってき裂が発生しやすい切り欠き長手方向の一端部近傍とした。その部位に高感度磁束密度計２のプローブ１の先端を非接触状態で対向配置したことが金属材料の損傷評価装置の特徴である。この疲労試験では試験片Ｗとプローブ先端部との間隔を３mmとした。また用いたプローブ１は検出範囲が12mm×3.2mmとなっている（図３参照）。低磁界ガウスメータの最小分解度は0.1ｎT、その測定レンジは400、40、４μTの３段階であり、実験条件に応じて適宜決定した。プローブ１は、試験片ＷのＸ−Ｙ面に対し垂直（き裂に対して平行）にセッティングした。なお、試験を開始する前に、高感度磁束密度計２のプローブ１を試験片Ｗの評価部位に非接触状態で対向配置した状態で低磁界ガウスメータをゼロクリアした後、二軸油圧サーボ疲労試験機で試験片Ｗに繰り返し負荷をかけ、高感度磁束密度計２により磁束密度を測定した。パーソナルコンピュータに取り込んだ磁束密度情報と、二軸油圧サーボ疲労試験機から送られたサイクル数情報との関係は専用ソフトを用いてプロットした。

（試験結果：半き裂長さと繰り返し数の関係）
疲労き裂長さと繰り返し数の関係について調べ、その結果を二軸方向への荷重比（Ｘ：Ｙ）をパラメータとして図４及び図５に示した。縦軸の半き裂長さとは、切り欠き長手方向の一端部（高感度磁束密度計２のプローブ１を対向配置した評価部位）に生じた疲労き裂の長さである。なお、疲労き裂は繰り返し数の増加に伴い、切り欠き長手方向の延長線上に沿って進展していることを確認した。

図４及び図５に示した結果から、どの鋼種の試験片の場合でも、き裂の発生・進展挙動は荷重比の影響を大きく受けていることがわかる。荷重比（Ｘ：Ｙ）が等二軸応力状態（Ｘ：Ｙ＝１：１）からはずれ、不等二軸応力状態（Ｘ：Ｙ＝０：１）になるほど、き裂の発生・進展が早いことが明らかとなった。すなわち、非磁性材料のオーステナイト系ステンレス鋼SUS304（図4.a、図5.aを参照）、磁性材料であるマルテンサイト系ステンレス鋼SUS410（図4.b、図5.bを参照）、フェライト系ステンレス鋼SUS430（図4.c、図5.cを参照）の、どの鋼種の場合でも、二軸方向への荷重比（Ｘ：Ｙ）が１：１から外れ０：１になるほど、き裂の発生・進展挙動が早く、同繰り返し数で見ると半き裂長さが長い。また一般に機械構造物は単軸応力下にあることは少なく、二軸または多軸応力下にあることがほとんどであるから、き裂の発生・進展挙動を評価する場合には、評価部位に作用する応力状態を考慮することが重要であると認識できる。

（試験結果：磁束密度と繰り返し数の関係）
次いで、高感度磁束密度計のプローブを試験片Ｗの切り欠き長手方向の一端部に非接触状態で対向配置し、得られた磁束密度と繰り返し数の関係について説明する。なお、試験片Ｗの評価部位に作用する応力の繰り返し数は、二軸油圧サーボ疲労試験機から送られた荷重信号を処理して得た。このようにして得た繰り返し数を横軸に、磁束密度を縦軸に取って、図６〜１１に示した。切り欠き傾斜角度＝０°とした場合の結果が図６、７、８であり、切り欠き傾斜角度＝４５°とした場合の結果が図９、１０、１１である。図６にはSUS304の場合の繰り返し数と磁束密度の関係を（切り欠き傾斜角度＝０°）を示した。図６中、＊印を付した矢印箇所がき裂が発生したと推定される箇所であり、それ以降、矢印のみを付した矢印箇所がき裂が進展したと推定される箇所である。＊＊印を付した矢印箇所は、き裂が目視で観察された。

図６に示したSUS304の場合を例にして述べる。図示した磁束密度と繰り返し数の関係を全体的に見れば、繰り返し数の増加に伴い、磁束密度が増加する傾向にあることがわかる。また磁束密度と繰り返し数の関係を詳細に検討することで以下のことがわかる。
等二軸応力下（荷重比Ｘ：Ｙ＝１：１）にある試験片Ｗの場合には、図6.aに示すように、評価部位に作用する応力の繰り返し数が増えるに従い、磁束密度が一旦上昇した後、繰り返し数が25000回近傍（＊印を付した矢印箇所）で磁束密度が低下し始め、その後再び磁束密度が増加している。そして、40000回近傍でき裂の進展が目視で確認され、磁束密度の低下が確かめられた（＊＊印を付した矢印箇所）。それ以降、磁束密度が再び増加し、低下する現象が認められた（矢印のみを付した矢印箇所）。

このことから、磁束密度が一旦上昇した後、繰り返し数が25000回近傍でき裂が発生したことによって、評価部位近傍のひずみが開放され、磁束密度が低下したもの推定できる。したがって、繰り返し数が増えるに従い、磁束密度が一旦上昇した後、低下する現象をもって評価部位でき裂が発生したと評価することができる。それ以降、き裂先端部にひずみが蓄積されて磁束密度が再び増加し、低下する現象をもって評価部位でき裂が進展したと評価することができる。このようにして、き裂の進展が繰り返された場合、金属材料である試験片Ｗは破断する。

また不等二軸応力下（荷重比Ｘ：Ｙ＝0.5：1）にある試験片Ｗの場合には、図6.bに示すように、評価部位に作用する応力の繰り返し数が増えるに従い、磁束密度が一旦上昇した後、16000回近傍（＊印を付した矢印箇所）で磁束密度が低下し始め、その後再び磁束密度が増加している。また繰り返し数25000回近傍で目視によりき裂が確かめられた（＊＊印を付した矢印箇所）。それ以降、磁束密度が再び増加し、低下する現象が認められた（矢印のみを付した矢印箇所）。

さらにＸ軸方向には試験片Ｗに正弦波の荷重を負荷せず、試験片ＷのＸ軸変位を拘束した状態にて、Ｙ軸方向にのみ正弦波の荷重を負荷した不等二軸応力下（荷重比Ｘ：Ｙ＝０：1）にある試験片Ｗの場合には、図6.cに示すように、繰り返し数が増えるに従い、磁束密度が一旦上昇した後、繰り返し数が12000回近傍（＊印を付した矢印箇所）で磁束密度の低下が認められ、その後再び磁束密度が増加し、20000回近傍でき裂が目視により確かめられた（＊＊印を付した矢印箇所）。それ以降、磁束密度が再び増加し、低下する現象が認められた（矢印のみを付した矢印箇所）。

以上の疲労試験結果から、等二軸応力状態でも、不等二軸応力状態でも、応力状態にかかわらず、評価部位に作用する応力の繰り返し数が増えるに従い、磁束密度が一旦上昇した後、＊印を付した矢印箇所で磁束密度が低下し始め、その後再び磁束密度が増加している。それ以降、磁束密度が再び増加し、矢印のみを付した矢印箇所で低下する現象が認められる。このことから、本発明の金属材料の損傷評価装置を用い、繰り返し数が増えるに従い、磁束密度が一旦上昇した後、低下が認められる箇所を検出することによって、評価部位で疲労き裂が発生したと評価することが可能となる。またそれ以降、磁束密度が再び増加し、低下する現象が現れる箇所を検出することによって、き裂が進展したと評価することが可能となる。

また本発明の金属材料の損傷評価装置を、繰り返し応力が作用する評価部位に適用すれば、鋼種が異なっても正確かつ簡便にき裂の発生・進展挙動を評価することができる。図７にはSUS410の場合の繰り返し数と磁束密度の関係（切り欠き傾斜角度＝０°）を示した。図７中、＊印を付した矢印箇所がき裂が発生したと推定される箇所であり、それ以降、矢印のみを付した矢印箇所がき裂が進展したと推定される箇所である。

図８にはSUS430の場合の繰り返し数と磁束密度の関係（切り欠き傾斜角度＝０°）を示した。前掲した図６、図７と同様、図８中、＊印を付した矢印箇所が、き裂が発生したと推定される箇所であり、それ以降、矢印のみを付した矢印箇所がき裂が進展したと推定される箇所である。
図７〜図８に示した疲労試験結果は、本発明の金属材料の損傷評価装置を用いることによって、鋼種が異なった場合でも、得られた磁束密度情報と繰り返し数情報との関係を監視しつつ、＊印を付した矢印箇所及び矢印のみを付した矢印箇所を検出することによって、磁化・脱磁という行程を行わず、正確かつ簡便に評価部位での損傷を評価することができることを示した。

図９にはSUS304の場合の繰り返し数と磁束密度の別な関係（切り欠き傾斜角度＝４５°）を示した。切り欠き傾斜角度＝４５°の場合には、Ｘ軸方向に対して切り欠き５が４５°だけ傾斜している試験片を用い（図１（ｂ）参照）、Ｘ軸、Ｙ軸方向に繰り返し応力を負荷する疲労試験を切り欠き傾斜角度＝０°の場合と同様に行った。その際、高感度磁束密度計のプローブ１は、試験片Ｗの評価部位（図１（ｂ）で切り欠き５の長手方向の一端近傍）に非接触状態で対向配置した。

図１０にはSUS410の場合の繰り返し数と磁束密度の別な関係（切り欠き傾斜角度＝４５°）を示した。
図１１にはSUS430の場合の繰り返し数と磁束密度の別な関係（切り欠き傾斜角度＝４５°）を示した。
図９〜図１１に示した結果から、Ｘ軸方向に対して切り欠き５が４５°だけ傾斜している試験片を用いた場合でも、得られた磁束密度情報と繰り返し数情報との関係を監視しつつ、＊印を付した矢印箇所及び矢印のみを付した矢印箇所を検出することによって、磁化・脱磁という行程を行わず、正確かつ簡便に評価部位での損傷を評価することができることがわかる。

これらの等・不等二軸応力下におけるき裂の発生・進展挙動を明らかにするため行った疲労試験結果を用いることにより、以下のような金属材料の損傷評価装置、及び金属材料の損傷評価システムを構成できる。金属材料の損傷評価装置のパーソナルコンピュータ４に、図９〜図１１に示したような、磁束密度情報と繰り返し数情報との関係を予め蓄積しておく。そしてさらにパーソナルコンピュータ４には、評価部位に作用する応力の状態と金属材料の種類に応じて、評価部位での損傷を評価する比較・評価手段を内蔵しておく。このような金属材料の損傷評価装置によれば、高感度磁束密度計のプローブを評価部位に非接触状態で対向配置することで、疲労き裂が発生する前に、＊印を付した矢印箇所を検出できる。このため、磁化・脱磁という行程を行わず、繰り返し応力が作用する評価部位に本発明を適用し、正確かつ簡便にき裂の発生・進展挙動を事前に評価することができる。

また図２に示した金属材料の損傷評価装置に更に加えて、演算処理手段であるパーソナルコンピュータ４からの警報情報に基づき、警報を発生する警報発生装置を具備した金属材料の損傷評価システムとする。このような金属材料の損傷評価システムによれば、き裂が発生・進展する過程、あるいはき裂が発生・進展すると事前に予想されるとき、警報を発生することができるので有用である。

（ａ）は試験片形状（切り欠き５の傾斜角度＝０°）および寸法を示す正面図、（ｂ）は切り欠きの傾斜角度＝４５°の場合の要部を示す正面図。金属材料の損傷評価装置の構成例を示す概略図。低磁界ガウスメータのプローブ形状を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。繰り返し数と半き裂長さの関係を示す特性図（SUS304の場合）。繰り返し数と半き裂長さの関係を示す特性図（SUS410の場合）。繰り返し数と半き裂長さの関係を示す特性図（SUS430の場合）。繰り返し数と半き裂長さの関係を示す他の特性図（SUS304の場合）。繰り返し数と半き裂長さの関係を示す他の特性図（SUS410の場合）。繰り返し数と半き裂長さの関係を示す他の特性図（SUS430の場合）。繰り返し数と磁束密度の関係を示す特性図（SUS304の場合）。繰り返し数と磁束密度の関係を示す他の特性図（SUS304の場合）。繰り返し数と磁束密度の関係を示す別の特性図（SUS304の場合）。繰り返し数と磁束密度の関係を示す特性図（SUS410の場合）。繰り返し数と磁束密度の関係を示す他の特性図（SUS410の場合）。繰り返し数と磁束密度の関係を示す別の特性図（SUS410の場合）。繰り返し数と磁束密度の関係を示す特性図（SUS430の場合）。繰り返し数と磁束密度の関係を示す他の特性図（SUS430の場合）。繰り返し数と磁束密度の関係を示す別の特性図（SUS430の場合）。繰り返し数と磁束密度の関係を示す特性図（SUS304の場合）。繰り返し数と磁束密度の関係を示す他の特性図（SUS304の場合）。繰り返し数と磁束密度の関係を示す別の特性図（SUS304の場合）。繰り返し数と磁束密度の関係を示す特性図（SUS410の場合）。繰り返し数と磁束密度の関係を示す他の特性図（SUS410の場合）。繰り返し数と磁束密度の関係を示す別の特性図（SUS410の場合）。繰り返し数と磁束密度の関係を示す特性図（SUS430の場合）。繰り返し数と磁束密度の関係を示す他の特性図（SUS430の場合）。繰り返し数と磁束密度の関係を示す別の特性図（SUS430の場合）。

符号の説明

Ｗ供試材（金属材料）
Ａ掴み幅
ａ切り欠き長さ
θ 切り欠き傾斜角度
１プローブ
２低磁界ガウスメータ（高感度磁束密度計）
３変換器
４パーソナルコンピュータ
５切り欠き
６二軸油圧サーボ疲労試験機

Claims

繰り返し応力が作用する評価部位に適用し、き裂の発生・進展挙動を評価するための金属材料の損傷評価装置であって、被測定物の磁束密度を測定可能な高感度磁束密度計と、それで測定した磁束密度情報及び前記評価部位に作用する応力の繰り返し数情報が共に入力可能とされた演算処理手段とを具備し、該演算処理手段には、前記高感度磁束密度計を用いて得た磁束密度情報と繰り返し数情報との関係が予め蓄積され、前記評価部位に作用する応力の状態と金属材料の種類に応じて、前記評価部位に作用する応力の繰り返し数が増えるに従い、磁束密度が一旦上昇した後、低下する現象をもって前記評価部位でき裂が発生したと評価し、それ以降、磁束密度が再び増加し、低下する現象をもって前記評価部位でき裂が進展したと評価する比較・評価手段が設けられ、前記高感度磁束密度計のプローブを前記評価部位に非接触状態で対向配置したことを特徴とする金属材料の損傷評価装置。
請求項１に記載の金属材料の損傷評価装置を用い、前記高感度磁束密度計のプローブを前記評価部位に非接触状態で対向配置し、得た磁束密度情報と繰り返し数情報との関係を監視しつつ、前記評価部位での損傷を評価することを特徴とする金属材料の損傷評価方法。
請求項１に記載の金属材料の損傷評価装置に更に加えて、前記演算処理手段からの警報情報に基づいて、警報を発生する警報発生装置を具備したことを特徴とする金属材料の損傷評価システム。