JP5004519B2 - ショットピーニング処理面の非破壊検査方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は，ショットピーニング処理された鋼材における残留応力の発生状態を非破壊法によって検査する非破壊検査方法及び装置に関し，粒径が数十μm程度である微粒子のショットを使用したショットピーニング処理面の検査に特に適した非破壊検査方法及び非破壊検査装置に関する。

ショットピーニングによって鋼材を被処理材として表面処理を行うと，この被処理材の表面はショットの衝突によって塑性変形を起こし，その結果として残留応力が発生する。

この残留応力は，被処理材の強度，特に，曲げ強度，ねじり強度，曲げ疲労強度及びねじり疲労強度や，耐摩耗性を支配する要因となるものであり，ショットピーニングを行う目的の一つは，このような残留応力を発生させることによる表面改質にあることから，残留応力の発生状態の確認は重要な品質管理指標の一つである。

このような残留応力の測定方法としては，ショットピーニング処理後の処理対象を逐次除去しながら，応力解放による寸法変化を精密に測定する破壊的方法と，Ｘ線解析を利用した非破壊的方法が一般に知られている。

このうちの前述の破壊的方法は，被処理材の表面を化学研磨や電解研磨等によって除去することにより，加工層（残留応力発生層）の減少に伴って生じる被加工材の変形を測定することで残留応力の測定を行うものであるが，ショットピーニングによって発生する残留応力，特に微粒子ショットを使用したショットピーニングによって発生する残留応力は，被処理材の表面近傍の極めて浅い部分にのみ生じるものであるために，このような破壊的方法によっては測定ができない場合がある。

一方，前述のＸ線解析を利用した非破壊的な検査方法を行う場合，被処理材の破壊を伴うことなく残留応力の測定を行うことができるが，Ｘ線の有効浸透深さは表面から僅か数μmの範囲であり，被処理材の最表面部分における残留応力の状態を確認することはできたとしても，深さ方向における残留応力の分布状態はこれを確認することができない。

このような深さ方向の残留応力分布を測定しようとすれば，前述の破壊法によって化学研磨あるいは切削等により被加工材の断面積（厚み）を変化させてそれに伴う被加工材の変形をもとに材料力学的な仮定のもとで残留応力の算出を行うことに頼らざるを得ないが，前述したようにショットピーニング，特に微粒子を使用したショットピーニングによる残留応力の発生は表面から比較的浅い部分において生じるものであるために，このような破壊的方法では測定ができない場合もあり，また，前記方法で用いられている材料力学的な仮定は測定すべき被加工材の応力状態を忠実に再現できるものではなく，さらに被加工材の厚みと共に残留応力を変化させながら測定するという点で精度が低いものとなっている。

このような測定結果の信頼性を向上させるために，Ｘ線解析を利用して被処理材の深さ方向における残留応力の分布を測定する方法として「ウインドウ法」と呼ばれる測定方法も提案されている。

このウインドウ法では，検査対象の表面全体を研磨等するのではなく，「ウインドウ」と呼ばれる円形あるいは四角形の窓状の微小部分のみを化学研磨あるいは電解研磨等により除去しながらＸ線解析によって深さ方向の残留応力を測定するもので，この方法により測定する場合には，被処理材の残留応力分布を変化させることなく残留応力分布の測定を行うことができる。

この発明の先行技術文献情報としては次のものがある。
ショットピーニング技術協会 編；日刊工業新聞社 発行「ショットピーニングの方法と効果 金属疲労・残留応力」(1997年12月24日発行)第48〜51頁

前述した「ウインドウ法」によれば，Ｘ線の有効浸透深さにより制限されることなく，被処理材の深さ方向における残留応力分布を測定することができると共に，測定結果も正確で信頼性が向上する。

しかし，このようなＸ線による残留応力分布の検査は，微小な開孔であるとはいえ被処理材の破壊を伴うものであるために，製品の全量に対して検査を行うことはできず，このような検査は必然的に抜き取り検査として行わざるを得ない。

また，前述の方法により被処理材の深さ方向における残留応力の分布を測定するためには，ウインドウ部分を正確に所定深さ迄研磨すると共に，Ｘ線による検査を行い，この作業を複数回繰り返して行う必要があるために，この方法による検査には多大な労力と時間が費やされる。

このような，従来における残留応力の検査方法が有する問題点から，ショットピーニング処理表面を備える被処理材の検査方法として，被処理材の破壊を伴わずに深さ方向における残留応力の発生状況を検査することができ，しかも，比較的簡単に短時間で完了することができる検査方法，及び検査装置の開発が望まれており，このような検査方法及び検査装置が実現すれば，製品の全量に対して検査を行うことも可能となる。

しかし，現状においてこのような検査方法及び検査装置は存在しておらず，抜き取りにより検査を行うものであるために，この抜き取り検査において一定の不良率が生じた場合には，該ラインで加工等された製品の全てを廃棄する等して，品質管理を行っている。しかし，この方法による場合には正常に加工された製品等を含めて廃棄される等，歩留まりが悪く，一方，不良率が許容範囲内であったとしても製品中には加工不良の製品が含まれるおそれがある。

そこで本発明は，上記従来技術における欠点を解消するためになされたものであり，被処理材の破壊を伴うことなく，かつ，比較的短時間で，かつ容易に，被処理材の深さ方向における分布状態を含むショットピーニング処理面の残留応力分布を測定することのできる検査方法及び装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために，本発明のショットピーニング処理面の非破壊検査方法は，ショットピーニングを施した鋼材を検査対象とした残留応力の検査方法において，
前記検査対象と同材質で，かつ，残留応力の発生状態が判明しているサンプルのショットピーニング処理面上に検査回路に設けられたコイルを配置すると共に，該検査回路に周波数を変化させながら交流信号を入力して，前記検査回路における電圧と電流の位相角変化の周波数応答特性を測定すると共に，これをサンプルデータとして取得し，
前記検査対象のショットピーニング処理面上に，前記検査回路に設けられたコイルを配置すると共に，該検査回路に周波数を変化させながら交流信号を入力して，前記検査回路における電圧と電流の位相角変化θ _shot の周波数応答特性を測定すると共に，これを検査対象データとして取得し，
前記検査対象と同材質で，かつ，ショットピーニング処理がされていない基準材の表面上に前記検査回路に設けられたコイルを配置すると共に，該検査回路に周波数を変化させながら交流信号を入力して，前記検査回路における電圧と電流の位相角変化θ _non-shot を基準データとして取得し，
前記基準データと前記サンプルデータの位相角差（Δθ），及び前記基準データと検査対象データの位相角差（Δθ）が，周波数の変化に対して変化のピークを示す値を極値（Δθ _P ）として求め，前記極値（Δθ _P ）及び／又は前記極値（Δθ _P ）が発生する周波数（ｆ _P ）を比較ポイントとして前記位相角差（Δθ）を比較して，前記サンプルにおいて判明している残留応力の発生状態に基づいて，前記検査対象における残留応力の発生状態を検査することを特徴とする（請求項１）。

なお，前記検査対象データと前記サンプルデータとの比較に基づき，ショットピーニングによって検査対象の表面に生じる残留応力発生層の深さｂを検査又は測定しても良く（請求項２），さらに，残留応力発生層の透磁率μ₁及び／又は抵抗率ρ₁を検査又は測定するものとしても良い（請求項３）。

また，本発明のショットピーニング処理面の非破壊検査装置は，ショットピーニングを施した鋼材を検査対象とした残留応力の検査装置において，
検査対象上に配置されるコイルを備えた検査回路と，
前記検査回路に対して周波数を変化させながら交流信号を出力する検査信号発生手段と，
前記検査回路における電圧と電流の位相角変化の周波数応答特性を測定する測定手段と，
前記検査対象と同材質で，かつ，残留応力の発生状態が判明しているサンプル上に前記検査回路の前記コイルを配置して測定した前記電圧と電流の位相角変化の周波数応答特性をサンプルデータとして記憶すると共に，前記検査対象と同材質で，かつ，ショットピーニング処理がされていない基準材において前記検査回路で発生した電圧と電流の位相角変化（θ _non-shot ）を基準データとして記憶する記憶手段と，
前記検査対象上に前記検査回路の前記コイルを配置して測定された前記検査回路の前記電圧と電流の位相角変化（θ _shot ）の周波数応答特性を検査対象データとし，該検査対象データを前記記憶手段に記憶された前記サンプルデータと比較する比較手段と，
前記比較手段による比較結果に基づき，前記検査対象における残留応力の発生状態を前記サンプルにおいて判明している残留応力の発生状態に基づいて判定する判定手段を備え，
前記比較手段が，前記検査対象データと前記サンプルデータの比較を，前記基準データと前記サンプルデータの位相角差（Δθ）と，前記基準データと前記検査対象データの位相角差（Δθ）の比較によって行うと共に，該位相角差の比較を，前記位相角差（Δθ）が周波数ｆの変化に対して変化のピークを示す値を極値（Δθ _P ）とし，前記極値（Δθ _P ）及び／又は前記極値（Δθ _P ）が発生する周波数（ｆ _P ）を比較ポイントとして行うことを特徴とする（請求項４）。

さらに，前記記憶手段が前記サンプルデータとして，残留応力発生層の形成深さｂの変化と，この残留応力発生層の形成深さｂの変化に伴って変化する前記検査回路における前記位相角差（Δθ）の周波数応答特性（ｆ−Δθ）との対応関係を記憶すると共に，
前記判定手段が，前記比較手段による比較結果に対応して，前記対応関係に基づいて検査対象の表面に生じた残留応力発生層の形成深さｂを判定するように構成しても良く（請求項５），
前記記憶手段に前記サンプルデータとして，残留応力発生層の透磁率μ₁及び／又は抵抗率ρ₁の変化と，この透磁率μ₁及び／又は抵抗率ρ₁の変化に伴って変化する前記検査回路における前記位相角差（Δθ）の周波数応答特性（ｆ−Δθ）との対応関係を記憶すると共に，
前記判定手段が，前記比較手段による比較結果に対応して，前記対応関係に基づいて検査対象の表面に生じた残留応力発生層の透磁率μ₁及び／又は抵抗率ρ₁を判定するようにすることもできる（請求項６）。

以上説明した本発明の構成により，本発明のショットピーニング処理面の非破壊検査方法及び装置によれば，被処理材の破壊を伴うことなく，かつ，比較的短時間で，かつ容易に，被処理材の深さ方向における分布状態を含むショットピーニング処理面の残留応力分布を検査することのできる検査方法及び装置を提供することができた。

次に，本発明の実施形態につき以下説明する。

〔前提となる原理〕
１．本発明の概要
本発明の非破壊検査方法において検査の対象とするショットピーニング処理面，特に，ショットとして粒径が数十μm程度の微粒子を用いたショットピーニング処理では，被処理材の表面より数十μm程度の比較的浅い部分に残留応力が生じることから，ショットピーニング処理面における残留応力の分布状態の検査では，表面からの深さ数μm〜100μmの範囲における残留応力の発生状態を測定することができれば目的を達成できる。

一方，本発明の発明者は実験の結果，強磁性体である鋼材を検査対象とする場合，検査対象の残留応力発生面に対し磁界の発生方向が直交方向となるように配置されたコイル（該コイルを備えた検査回路）に，周波数を変化させながら交流信号を入力すると，このコイル（検査回路）におけるインピーダンスの周波数応答特性が，検査対象の表面から深さ数μm〜100μm程度の表面付近における残留応力の発生状態の相違に応じて特徴的な変化が生じることを見出した。

特に，検査回路における電圧と電流の位相角θの変化Δθ（ショットピーニング処理後に測定した位相角θ_shotと，ショットピーニング処理前に測定した位相角θ_non-shotの差）の周波数応答特性が顕著に変化することが確認された。

本発明は，このようなショットピーニング処理された鋼材と，前記コイルを備えた検査回路におけるインピーダンスの周波数応答特性との対応関係に着目し，前記対応関係をショットピーニングにより表面処理された，鋼材である被処理材における残留応力の発生状態の検査に利用できる点に着目したことに端を発するものである。

２．残留応力とインピーダンスの周波数特性との対応関係
鋼材における残留応力の発生状態と前記コイルを備えた検査回路におけるインピーダンスの周波数応答特性との間の関係は，以下の通りである。

２−１．計算よる対応関係の導引
（１）算出条件
被処理材上に配置したコイルのインダクタンスの解析モデルを図１に示す。

図１に示すように，ショットピーニング処理前の被処理材の電磁気特性が均一であるとし，被処理材の透磁率をμ₂，導電率をσ₂とおく。

そして，この被処理材がショットピーニングを受けたとき，表面から深さｂの範囲に残留応力が発生した層（残留応力発生層）が生じていると仮定し，この残留応力発生層において被処理材の電磁気特性が均一に透磁率μ₁，導電率σ₁に変化したものと単純化して考える。

検査に使用するコイルは，半径をａ，長さを

，巻き数をｎとおく。

また，試料に垂直でコイルの中心軸に一致するようにｚ軸を設けてその原点を被処理材表面にとり，コイル下端の座標をｚ₁，コイル上端の座標をz₂とする。

（２）インピーダンスＺ及び位相角θの計算方法
図１に示す解析モデルにおいて，インピーダンスＺ及び位相角θを求めるための計算式は，以下のようにして導き出したものである。

まず，以下の計算において基礎となるマックスウェル(Maxwell)の方程式を示せば次式の通りである。

コイルに通電する正弦波交流の周波数が数十MHz以下であれば，変位電流は無視できるので，（１）式は次式となる。

これは導体試料外部の支配方程式となる。また，（２）式，（３）式およびオームの法則より，次式が導かれる。

ここで，ωは正弦波交流の角周波数，ｊは虚数単位である。この式が導体試料内部の支配方程式となる。

ここで円筒座標（r,φ,z）を導入して

なるベクトルポテンシャル

を定義する。

は系が回転対称であるためφ方向の成分

だけを持つ。そこで，

の添え字を省略して

と表記することにすれば，（３）式より導体試料外部の支配方程式は次式で与えられる。

また，（４）式より導体試料内部の支配方程式は次式で与えられる。

上記（５）式および（６）式を図２の境界条件を満足するように解いて

を求めれば，それよりコイルのインダクタンスが求められる。このような解析は，尾上が既に解いている（尾上守夫：導体に近接した有限長ソレノイドコイルの解析，電気学会誌，vol.88,pp.1894-1902,(1968)）。この解を用いればコイルのインダクタンスＬは次式で与えられる。

ここで，

試料表面に置いたコイルに電流を流して測定されるインピーダンスＺには，コイルのインダクタンスＬに加えてコイル素線の抵抗成分Ｒ₀およびコイルと検査装置を結ぶケーブルの容量成分Ｃの影響が含まれる。これを図２に示す等価回路にモデル化して計算するとインピーダンスＺは次式で与えられる。

インピーダンスの絶対値と位相をそれぞれ｜Ｚ｜及びθとおけば，｜Ｚ｜及びθはそれぞれ次式で与えられる。

以上のようにして求めた（９）式および（１０）式を用いれば，被処理材表面の電磁気特性の特徴と，この被処理材表面に配置したコイルを備えた検査回路で測定されるインピーダンスの周波数応答特性の関係を特定できる。

（３）前記計算式に基づき求められた対応関係
以上で説明した解析モデル及び計算式を用いることで，被処理材の表面に形成された残留応力発生層とインピーダンスの周波数応答特性との間に以下の対応関係が存在することが確認できる。

（３−１）算出における前提
なお，計算による対応関係を導き出すにあたり，ショットピーニング前後におけるインピーダンスの絶対値の変化Δ｜Ｚ｜と，位相角の変化Δθを次式のように定義した。

Δ｜Ｚ｜=｜Ｚ｜_shot-｜Ｚ｜_non-shot ・・・・・・(11)
Δθ= θ_shot - θ_non-shot ……（12）

ここで，｜Ｚ｜_non-shot，θ_non-shot はショットピーニング処理前の被処理材について測定された検査回路におけるインピーダンスの絶対値及び位相角を表す。

ショットピーニング処理前において，被処理材には塑性変形した残留応力発生層は存在しておらず，被処理材の表面付近における透磁率(μ₁)と，内部における透磁率(μ₂)は等しく(μ₁=μ₂)，また，被処理材の表面付近における導電率(σ₁)と内部における導電率(σ₂)は等しい状態にある（σ₁=σ₂）。

一方，｜Ｚ｜_shot，θ_shotはショットピーニング処理後の被処理材について測定された検査回路におけるインピーダンスの絶対値及び位相角を表す。

ショットピーニングにより，被処理材の表面は塑性変形を生じ，被処理材の表面付近における透磁率(μ₁)と内部における透磁率(μ₂)間に相違が生じ（μ₁≠μ₂），また，被処理材の表面付近における導電率(σ₁)と，内部における導電率（σ₂）間に相違が生じ（σ₁≠σ₂），このような残留応力発生層が表面から深さｂ(ｂ≠0)で形成されているものとして計算する。

（３−２）求められた対応関係
（３−２−１）対応関係一般
(a) 一般鋼材におけるΔ|Ｚ|及びΔθの周波数応答特性
多くの鋼材では，塑性変形すると透磁率が大きく減少し，導電率が僅かに減少することが判っている。

そこで，図６はこの点を前提としてショットピーニング後に深さ20μmの残留応力発生層が形成され，この残留応力発生層において透磁率が200×μ₀から100×μ₀に減少し，導電率が4.0×10⁶（1/Ωm）から3.08×10⁶（1/Ωm）に減少したものと仮定して，周波数ｆとΔ｜Ｚ｜およびΔθの関係を計算により求めた結果である。

同図に示したように，Δ｜Ｚ｜は高周波数の領域で急激に減少する。また，Δθは減少した後に増加に転じており，Δθの減少のピークである極小値（極値）を持つことが判る。

(b) オーステナイト鋼におけるΔ|Ｚ|及びΔθの周波数応答特性
ステンレス鋼や焼入れ後に残留オーステナイトを含む鋼材では，塑性変形するとオーステナイトがマルテンサイトに変態するためその透磁率が増加する。

図７は，この点を前提としてショットピーニング後に深さ20μmの残留応力発生層で透磁率が200×μ₀から400×μ₀に増大し，導電率が4.0×10⁶（1/Ωm）から3.08×10⁶（1/Ωm）に減少したものと仮定して，周波数ｆとΔ｜Ｚ｜およびΔθの関係を計算により求めた結果である。

同図に示したように，先の一般鋼材における結果とは逆に，Δ｜Ｚ｜は高周波数の領域で急激に増加し，Δθは増加した後に減少に転じており，増加のピークである極大値（極値）を持つことが判る。

特にｆとΔθの関係（以下，ｆ−Δθ線図と称す）は試料表面の電磁気特性の特徴に対応して著しく変化する。

（３−２−２）残留応力の発生深さとΔθの周波数応答特性
図８は，残留応力発生層の透磁率が200×μ₀から100×μ₀に減少し，導電率が4.0×10⁶（1/Ωm）から3.08×10⁶（1/Ωm）に減少したものと仮定して，残留応力発生層の深さｂが変化したときのｆ−Δθ線図を計算した結果である。

残留応力発生層の深さが1〜100μm の範囲において，残留応力発生層の深さが増加すると，これに対応してｆ−Δθ線図が極小値を示す周波数ｆ_Pが低周波数側にシフトする。

また，残留応力発生層の深さが1〜20μm の範囲において，残留応力発生層の深さが増加すると，極小値の絶対値｜Δθ_P｜も増加する。

同様の計算を残留応力発生層の透磁率が
(1) 100×μ₀から50×μ₀に減少する場合，および，
(2) 400×μ₀から200×μ₀に減少する場合
の２つのパターンについて計算した結果を図９および図１０に示す。

同図で示すとおり，図９（透磁率が100×μ₀から50×μ₀に減少する場合）では残留応力発生層の深さが1〜150μmの範囲において，図１０（透磁率が400×μ₀から200×μ₀に減少する場合）では残留応力発生層の深さが1〜70μmの範囲において，極小値を示す周波数ｆ_Pが残留応力発生層深さの増加に対応して明らかに低周波数側にシフトしている。

また，図９（透磁率が100×μ₀から50×μ₀に減少する場合）では残留応力発生層の深さが1〜40μmの範囲において，図１０（透磁率が400×μ₀から200×μ₀に減少する場合）では残留応力発生層の深さが1〜10μm の範囲において，極小値の絶対値｜Δθ_P｜が残留応力発生層の深さの増加に対応して増加している。

（３−２−３）透磁率の変化とΔθの周波数応答特性
図１１は透磁率の変化がｆ−Δθ線図に及ぼす影響を計算した結果である。

残留応力発生層の深さが20μm，抵抗率が4.0×10⁶（1/Ωm）から3.08×10⁶（1/Ωm）に減少する場合において，導電率の変化が
(1) 200×μ₀から50×μ₀に減少する場合，
(2) 200×μ₀から100×μ₀に減少する場合，および
(3) 200×μ₀から150×μ₀に減少する場合，
の３パターンを比較している。

透磁率の減少量が大きくなると明らかにΔθの極小値Δθ_Pは小さくなる。また，透磁率の変化量の大小によりΔθの極小値Δθ_Pが著しく変化する一方，極小値Δθ_Pを示す周波数ｆ_Pの変化は僅かである。

(３−２−４) 抵抗率の変化とΔθの周波数応答特性
図１２は抵抗率（導電率の逆数）の変化がｆ−Δθ線図に及ぼす影響を計算した結果である。

残留応力発生層の深さが20μm，透磁率が200×μ₀から50×μ₀に減少する場合において，透磁率の変化が
(1) ρ₂（＝25×10^-8Ωm）から1.1×ρ₂ に増加する場合，
(2) ρ₂（＝25×10^-8Ωm）から1.3×ρ₂ に増加する場合，および
(3) ρ₂（＝25×10^-8Ωm）から1.5×ρ₂ に増加する場合，
の３パターンについて比較した。

抵抗率の増加量が大きくなるとΔθの極小値Δθ_Pは大きくなる。また，透磁率の変化量の大小によりΔθの極小値が著しく変化する一方，極小値を示す周波数の変化は僅かである。

２−２．実測による対応関係の確認
以上のようにして計算によって求めた対応関係の存在は，以下に示す実験結果によっても実証される。

（１）ＳＫＤ６１鋼を試料とした実測
実施例１として，微粒子ショットピーニング処理したＳＫＤ６１鋼について，残留応力の発生状態とΔθ及びｆ_Pの対応関係を確認した結果を以下に示す。

ＳＫＤ６１鋼（硬さ：HRC48）にショットの噴射速度を４段階に変えた微粒子ショットピーニングを施し，残留応力の発生状態が異なる４種類の試料（サンプル）を作成した。

準備したサンプルの表面からの深さと残留応力分布をＸ線で調べた結果を図１３に示す。

噴射条件の相違による残留応力の発生状態について比較すると，噴射条件１が最も噴射速度が速く，大きな残留応力が最も深くまで生じている。

噴射条件１に次いで噴射速度が速いのが噴射条件２であり，その次が噴射条件３，最も噴射速度が低いのが噴射条件４であり，図１３からは，噴射速度の減少に応じて残留応力は小さくなると共に，残留応力の発生深さが浅くなっていることが判る。

Ｘ線で残留応力測定をする前に，前記噴射条件１〜４の各試料に対し，本発明の方法を適用して得たｆ−Δθ線図を図１４〜図１７に示す。

ｆ−Δθ線図の形は噴射条件により明らかに異なっている。この結果から明らかなように，残留応力発生層が深くなるとΔθの極値Δθ_Pが出現する周波数ｆ_Pは低周波数側にシフトしている。また，残留応力の大きさと深さに対応して極小値の絶対値｜Δθ_P｜も変化していることから，前述の計算により求めた対応関係が実測によっても実証された。

従って，非破壊検査したい試料についてｆ−Δθ線図を測定し，それを図１４〜図１７の結果と比較することによって，その残留応力の発生状態を判定できる。

なお，その場合，極値を示す周波数ｆ_Pや極小値の絶対値｜Δθ_P｜を利用すると便利である。

また，例えば残留応力の生じた残留応力発生層の深さの代表値として残留応力が最大値の50％となる深さをとり，これとｆ_Pとの関係を図１３〜図１７から求めれば図１８が得られる。これは，残留応力の生じた深さを非破壊検査するための良い校正曲線となる。

（２）ＳＣｒ４２０鋼を試料とした実測例
実施例２として浸炭焼入れしたＳＣｒ４２０鋼に微粒子ショットピーニング処理したものを試料として，残留応力の発生状態とΔθ及びｆ_Pの対応関係について実測した結果を示す。

図１９は，ＳＣｒ４２０鋼を微粒子ショットピーニング処理した前後の残留オーステナイト量の深さ分布をＸ線で測定した結果である。浸炭焼入れしたＳＣｒ４２０鋼は残留オーステナイトを含んでおり，これを微粒子ショットピーニング処理すると残留オーステナイトがマルテンサイトに変態し，その含有量が減る。

図２０は，Ｘ線測定の前に本発明の方法を適用して得たｆ−Δθ線図である。残留オーステナイトがマルテンサイトに変態すると透磁率が増大するので，これに対応してｆ−Δθ線図は極大値を持っていることが確認でき，前述の計算結果より求めたと同様の関係が存在することが実証された。

なお，前述のように残留オーステナイトがマルテンサイトに変態すると透磁率が増大すること，及びこの透磁率の変化はｆ−Δθ線図の変化として現れることから，ｆ−Δθ線図から，試料表面における残留オーステナイト含有量の変化を非破壊検査することも可能である。

〔非破壊検査方法〕
以上，図６〜図２０を参照して説明したように，検査回路におけるインピーダンスの周波数応答特性，一例としてこの周波数応答特性を表すｆ−Δθ線図には，ショットピーニングによって生じた残留応力の影響によって変化した被処理材表面の電磁気特性の特徴が明確に現れると共に，残留応力の発生状態に対応して特徴的な変化を示すことが確認された。

特に，Δθの極値Δθ_Pと，この極値Δθ_Pが表れる周波数ｆ_Pは，残留応力発生層の深さ，残留応力発生層の透磁率，抵抗率（導電率）等の電磁気的特性に対応して特徴的な変化を示すことが確認された。

本発明の非破壊検査方法は，このような対応関係に着目し，予め残留応力の分布が判明している試料（サンプル）上に配置されたコイル（該コイルを備えた検査回路）におけるインピーダンスの周波数応答特性を，例えばｆ−Δθ線図として取得しておくと共に，検査対象とする試料上に配置された同様のコイル（該コイルを備えた検査回路）におけるインピーダンスの周波数応答特性を同様の方法（例えばｆ−Δθ線図）として得，両者におけるインピーダンスの周波数応答特性をｆ−Δθ線図によって比較することで，検査対象における残留応力発生状態を，検査対象の破壊を伴わずに検査するものである。

このような本発明の方法による検査は，例えばサンプルと検査対象のｆ−Δ線図が許容誤差の範囲内で一致するか否かという検査として構成しても良く，例えばショットピーニング処理ラインを経たショットピーニング後の製品を検査対象とし，検査した製品の残留応力がサンプルとの比較において許容誤差の範囲にあるか否か（加工不良であるか否か）を検査するために用いることができる。

また，残留応力の発生状態が異なる複数のサンプルを予め取得しておくと共に，残留応力の発生状態の変化，例えば残留応力の発生深さ，残留応力発生層の透磁率，抵抗率（又は導電率）の変化とｆ−Δθ線図の変化との対応関係を求めておくことにより，残留応力の発生状態が未知の検査対象について，残留応力発生層の深さ，残留応力発生層の透磁率，抵抗率（導電率）の検査乃至は測定を行うように構成しても良い。

また，各サンプルにおける残留応力値（例えば表面における残留応力値）を測定し，前述の各ｆ−Δθ曲線との対応関係を取得しておくことにより，残留応力値の測定に用いることもでき，さらに，検査対象がオーステナイト系の鋼材である場合には，オーステナイト量の変化とｆ−Δθ線図との変化の対応関係を記憶しておき，残留オーステナイト量の検査乃至は測定に使用するものとしても良い。

サンプルのｆ−Δθ線図と検査対象のｆ−Δθ線図との比較において，前述のようにΔθが極値を示すΔθ_P及びその絶対値|Δθ_P|，並びに前記極値が発生する周波数ｆ_Pが残留応力の発生状態の変化に対して顕著な変化を示すことから，本発明の方法においてサンプルデータと検査対象データとの比較では，Δθ_P，|Δθ_P|，及びｆ_Pのいずれか１又は複数を組合せてこれを比較の際のポイントとすることもできる。

〔非破壊検査装置〕
以上説明した非破壊検査方法を実施するための本発明の非破壊検査装置を一例として図３に示す。

図３に示すように，本発明の非破壊検査装置は，検査回路とこの検査回路に接続された検査装置本体を備えている。

検査回路には，検査対象であるショットピーニング後の被処理材上に配置されるコイルが設けられており，検査対象のショットピーニング処理面に対して磁界発生方向が直交方向となるように前記処理面に対して所定間隔でコイルを配置した状態で，前記コイル，より詳細には前記コイルを備えた検査回路におけるインピーダンスの周波数応答特性を測定することにより，検査対象に生じた残留応力の検査が行われる。

図示の実施形態にあっては，前記検査回路はコイルと，このコイルと検査装置本体間を接続するケーブルのみによって構成されているが，本発明の目的に反しない限り検査回路中には他の要素を含めても良い。

この検査回路に接続された検査装置本体は，図４に示すように前述の検査回路に対して交流の検査信号を出力する，発振回路等によって構成された検査信号発生手段，前述したサンプルデータを記憶するための記憶手段，検査回路におけるインピーダンスの周波数応答特性を測定するための測定手段，及び検査結果を視覚的及び／又は聴覚的に表示するＣＲＴ，液晶画面，スピーカー等の表示手段を備えると共に，これらの各手段の動作を統括的に制御する中央処理装置を備えている。

また，この中央処理装置に対する各種指令等を入力するためのキーボード，タッチパネル等の入力手段が設けられている。

前中央処理装置は，予め設定されたプログラム等によって規定された動作に従って前述の各手段の動作を制御するもので，この中央処理装置におけるプログラムの実行により，前記各手段の動作を制御するために必要な各種制御が実行される。

前記中央処理装置によって実現される各手段を示した機能ブロック図を図５に示す。

図５において，検査信号制御手段は，発振回路等である前述の検査信号発生手段に対する入力信号を変化させて，検査信号発生手段が検査回路に出力する検査信号の周波数を制御する。

また，算定手段は，前述の測定手段によって測定された検査回路の例えばインピーダンスに基づいて，例えば前述のΔθを算出すると共に，算出されたΔθの極値Δθ_P及び必要に応じてその絶対値|Δθ_P|を求め，かつ，この極値Δθ_Pを生じた検査信号の周波数ｆ_Pを特定する。

比較手段は，前記算定手段による算出結果，例えば検査対象におけるΔθ_P，|Δθ_P|，ｆ_P等を，前述の記憶手段に予め記憶されたサンプルデータを比較する。

この比較手段による比較結果に基づき，判定手段は，サンプルデータと検査対象データとの一致・不一致，又はサンプルデータとして記憶手段にΔθ_P，|Δθ_P|，ｆ_Pの変化と，残留応力発生層の深さ，残留応力層の透磁率や抵抗率（導電率）等の対応関係が記憶されている場合には，この応関係に従い，残留応力発生層の深さ，透磁率，抵抗率（導電率）を判定する。

判定手段による判定結果は，前述の表示手段に出力され，視覚的，聴覚的に表示される。例えば判定手段による判定が，サンプルデータと検査対象データとが許容誤差の範囲内にあるか否かを判定し，例えば検査対象の加工不良等を判定するものである場合には，これをスピーカーによる警告音の発生，又は警告灯の点灯等によって表示するものとしても良く，また，残留応力発生層の深さ，透磁率，抵抗率（導電率）等についても判定する場合には，ＣＲＴや液晶画面等に数値等として表示するものとしても良い。

コイルのインダクタンス解析モデルの説明図。 検査回路の等価回路。 本発明の非破壊検査装置の概略図。 検査装置本体の機能ブロック図。 中央処理装置によって実現される各手段を示した機能ブロック図。 ショットピーニング後の一般鋼材を測定対象としたΔ｜Ｚ｜及びΔθの周波数応答特性の計算結果を示したグラフ。 ショットピーニング後のオーステナイト鋼材を測定対象としたΔ｜Ｚ｜及びΔθの周波数応答特性の計算結果を示したグラフ。 残留応力発生層の深さを変化させた場合におけるｆ−Δθ曲線の計算結果を示したグラフ（μ₁=100×μ₀：μ₂=200×μ₀）。 残留応力発生層の深さを変化させた場合におけるｆ−Δθ曲線の計算結果を示したグラフ（μ₁=50×μ₀：μ₂=100×μ₀）。 残留応力発生層の深さを変化させた場合におけるｆ−Δθ曲線の計算結果を示したグラフ（μ₁=200×μ₀：μ₂=400×μ₀）。 透磁率を変化させた場合におけるｆ−Δθ曲線の計算結果を示したグラフ。 抵抗率を変化させた場合におけるｆ−Δθ曲線の計算結果を示したグラフ。 異なるショットピーニング条件で処理されたＳＫＤ６１鋼の残留応力−深さ特性（X線による測定結果）を示すグラフ。 噴射条件１で加工されたＳＫＤ６１鋼におけるｆ−Δθ線図。 噴射条件２で加工されたＳＫＤ６１鋼におけるｆ−Δθ線図。 噴射条件３で加工されたＳＫＤ６１鋼におけるｆ−Δθ線図。 噴射条件４で加工されたＳＫＤ６１鋼におけるｆ−Δθ線図。 噴射条件１〜４で加工されたＳＫＤ６１鋼における残留応力50％深さ−ピーク周波数ｆ_P特性を示すグラフ。 未処理及びショットピーニング処理後のＳＣｒ４２０鋼における表面からの深さの変化に対する残留オーステナイト体積率の変化を示すグラフ。 ショットピーニング処理後のＳＣｒ４２０鋼におけるｆ−θ特性を示すグラフ。

符号の説明

t：時間
j：虚数単位
f：正弦波交流の角周波数
ω：正弦波交流の角周波数
μ₀：空気の透磁率
μ₁：試料の残留応力発生層の透磁率
μ₂：試料の透磁率
σ₁：試料の残留応力発生層の導電率
σ₂：試料の導電率
ρ₁：試料の残留応力発生層の抵抗率（=1/σ₁）
ρ₂：試料の抵抗率（=1/σ₂）
b：試料の残留応力発生層の深さ
L：試料表面に置いたコイルのインダクタンス
a：コイルの半径

n：コイルの巻き数
z₁：コイル下端の座標
z₂：コイル上端の座標
h：コイルと試料表面の隙間（＝z₁）
I：コイルの電流
J₁：第一種ベッセル関数
R₀：コイル素線の抵抗成分
C：ケーブルの容量成分
Re( )：複素数の実数部
Im( )：複素数の虚数部

Claims (6)

1. ショットピーニングを施した鋼材を検査対象とした残留応力の検査方法において，
   前記検査対象と同材質で，かつ，残留応力の発生状態が判明しているサンプルのショットピーニング処理面上に検査回路に設けられたコイルを配置すると共に，該検査回路に周波数を変化させながら交流信号を入力して，前記検査回路における電圧と電流の位相角変化の周波数応答特性を測定すると共に，これをサンプルデータとして取得し，
   前記検査対象のショットピーニング処理面上に，前記検査回路に設けられたコイルを配置すると共に，該検査回路に周波数を変化させながら交流信号を入力して，前記検査回路における電圧と電流の位相角変化の周波数応答特性を測定すると共に，これを検査対象データとして取得し，
   前記検査対象と同材質で，かつ，ショットピーニング処理がされていない基準材の表面上に前記検査回路に設けられたコイルを配置すると共に，該検査回路に周波数を変化させながら交流信号を入力して，前記検査回路における電圧と電流の位相角変化を基準データとして取得し，
   前記基準データと前記サンプルデータの位相角差，及び前記基準データと検査対象データの位相角差が，周波数の変化に対して変化のピークを示す値を極値として求め，前記極値及び／又は前記極値が発生する周波数を比較ポイントとして前記位相角差を比較して，前記サンプルにおいて判明している残留応力の発生状態に基づいて，前記検査対象における残留応力の発生状態を検査することを特徴とするショットピーニング処理面の非破壊検査方法。
2. 前記検査対象データと前記サンプルデータとの比較に基づき，ショットピーニングによって検査対象の表面に生じる残留応力発生層の深さを検査又は測定することを特徴とする請求項１記載のショットピーニング処理面の非破壊検査方法。
3. 前記検査対象データと前記サンプルデータとの比較に基づき，ショットピーニングによる残留応力の付与によって生じる残留応力発生層の透磁率及び／又は抵抗率を検査又は測定することを特徴とする請求項１又は２記載のショットピーニング処理面の非破壊検査方法。
4. ショットピーニングを施した鋼材を検査対象とした残留応力の検査装置において，
   検査対象上に配置されるコイルを備えた検査回路と，
   前記検査回路に対して周波数を変化させながら交流信号を出力する検査信号発生手段と，
   前記検査回路における電圧と電流の位相角変化の周波数応答特性を測定する測定手段と，
   前記検査対象と同材質で，かつ，残留応力の発生状態が判明しているサンプル上に前記検査回路の前記コイルを配置して測定した前記電圧と電流の位相角変化の周波数応答特性をサンプルデータとして記憶すると共に，前記検査対象と同材質で，かつ，ショットピーニング処理がされていない基準材において前記検査回路で発生した電圧と電流の位相角変化を基準データとして記憶する記憶手段と，
   前記検査対象上に前記検査回路の前記コイルを配置して測定された前記検査回路の前記電圧と電流の位相角変化の周波数応答特性を検査対象データとし，該検査対象データを前記記憶手段に記憶された前記サンプルデータと比較する比較手段と，
   前記比較手段による比較結果に基づき，前記検査対象における残留応力の発生状態を前記サンプルにおいて判明している残留応力の発生状態に基づいて判定する判定手段を備え，
   前記比較手段が，前記検査対象データと前記サンプルデータの比較を，前記基準データと前記サンプルデータの位相角差と，前記基準データと前記検査対象データの位相角差の比較によって行うと共に，該位相角差の比較を，前記位相角差が周波数の変化に対して変化のピークを示す値を極値とし，前記極値及び／又は前記極値が発生する周波数を比較ポイントとして行うことを特徴とするショットピーニング処理面の非破壊検査装置。
5. 前記記憶手段が前記サンプルデータとして，残留応力発生層の形成深さの変化と，この残留応力発生層の形成深さの変化に伴って変化する前記検査回路における前記位相角差の周波数応答特性との対応関係を記憶すると共に，
   前記判定手段が，前記比較手段による比較結果に対応して，前記対応関係に基づいて検査対象の表面に生じた残留応力発生層の形成深さを判定することを特徴とする請求項４記載のショットピーニング処理面の非破壊検査装置。
6. 前記記憶手段が前記サンプルデータとして，残留応力発生層の透磁率及び／又は抵抗率の変化と，この透磁率及び／又は抵抗率の変化に伴って変化する前記検査回路における前記位相角差の周波数応答特性との対応関係を記憶すると共に，
   前記判定手段が，前記比較手段による比較結果に対応して，前記対応関係に基づいて検査対象の表面に生じた残留応力発生層の透磁率及び／又は抵抗率を判定することを特徴とする請求項４又は５記載のショットピーニング処理面の非破壊検査装置。

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