JP5204950B2 - 材料組織観察装置 - Google Patents
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Description
日本機械学会編「動力プラント・構造物の余寿命評価技術」技報堂出版発行
(1)請求項1記載の発明によれば、顕微鏡本体を密閉構造とすることで防塵性を高め、一連の観察機器を固定治具装置により被観察対象に取り付け、第二台座と第三台座を直交する2軸方向に適宜の距離だけ移動させるとともに、対物レンズを上下方向に適宜の距離だけ昇降させ、さらに、顕微鏡本体を適宜の距離だけ右方または左方に傾動させることにより、必要な観察部位の材料組織の画像データを現場において連続的に得ることができる。
(2)請求項1記載の発明によれば、機器の作動に伴って発生する熱は排熱フードから排出されるので、機器内に作動の障害となるような熱がこもることはなく、安定した作動が確保される。
1.前処理による結晶粒界の出現
観察対象である金属材料に対して、一般的に行われている金属組織観察の手法に基づいて、対象部分をエミリー紙などで機械研磨を行い、その後アルミナ懸濁液やダイヤモンドペーストを用いて鏡面仕上げする。
2.金属組織写真の画像データの画像処理装置への取り込み
次ぎに、レーザー顕微鏡によって金属組織を観察し、観察画像のデータを直接、画像処理装置(例えば、パソコン)に取り込むか、観察時に写真撮影し、その写真をカメラ入力やスキャナー等の汎用装置を使ってパソコンで取り扱うことのできる画像データとしてパソコンに取り込む。
3.金属組織写真の画像データのパソコンでの処理と結晶粒界の決定
取り込んだ画像データをパソコンにおいて、次ぎに説明するようなステップで処理する。
(a) 対象画像データを読み込む。
(b) 局所平均化法によるノイズの除去を行う。
(c) 取り込んだ画像データ上の任意の結晶粒内の点を指定する。
(d) その指定した点を含む閉曲線を結晶粒の粒界近傍に設定する。
(e) 画像データの濃淡情報を利用して閉曲線近傍において境界線探索を行う。
(f) 境界線探索の結果を基に閉曲線を変形させる。
(g) その閉曲線が最初にパソコンに取り込んだ画像データ(図1)の結晶粒界を画定する境界線のすべてと重なった場合は、その閉曲線を結晶粒界として決定する(図2)。
4.クリープ損傷度の診断
ボイラに多く用いられている低合金鋼は高延性材料であり、母材部においてはクリープ特有の粒界すべりによるボイドの発生は少なく、延性破壊の形態をとる。従って、クリープ変形はミクロ的には結晶粒の変形により担われていることになる。このことから、結晶粒の変形度合を損傷パラメーターとして定量化することによってクリープ損傷度を求めることができる。
1.材料組織観察装置の各構成要素を示す図面
図4は、本発明の材料組織観察装置の全体構成図である。図4において、2はレーザー顕微鏡、3は後記する第二台座と第三台座からなる水平方向移動機構、4はレーザー顕微鏡のメインコントローラー、5はレーザー顕微鏡の対物レンズを上下方向に移動させる移動機構のコントローラー、6は水平方向移動機構3のコントローラー、7はCCDカメラ、8は発行ダイオードによる照明機器、9はCCDカメラのコントローラー、10は被観察対象の材料組織のモニターおよびCCDカメラのモニター兼用の制御パソコンである。
2.排熱フードによる放熱効果
本発明は図6に示すように、フィン19以外に放熱手段として顕微鏡本体15の頂部に排熱フード16を有しているので、排熱フードの有無による放熱効果について調査した。測温箇所は、図6において、フィン19の表面49と、排熱フードの上面50またはフレームの上面51(排熱フードがない場合)と、フレーム側面の前側の内部52と、フレーム側面の後側の内部53である。
3.画像処理装置を用いたクリープ損傷度の診断
次に、レーザー顕微鏡による観察装置で得られる画像データを用いて結晶粒の変形度からクリープ損傷度を診断する方法について詳細に説明する。
(1)装置のセット
まず、図10に示すように、診断対象である管体43に対して固定治具装置を固定する。このとき、ボルト42の長さを適宜調整することにより、水平度を調整する。次に、レーザー顕微鏡を固定治具装置に取り付け、図11に示す状態にする。顕微鏡本体の大まかな水平方向の位置合わせを、図4のコントローラー6によりステップモータを駆動して、第二台座28と第三台座29(図8参照)を上記のようにスライドさせることによって行う。
(2)画像データの取り込み
診断対象である管体表面の観察映像をパソコンで取り扱うことのできる画像データとして図4のパソコン10に取り込む(図14(a))。
(3)ノイズの除去
ノイズを除去するために、この画像データに対して局所平均化法による平滑化を行う(図14(b))。
(4)中心点の指定と閉曲線の設定
ノイズ除去を行った後の画像データ上の任意の結晶粒において、粒内の点を中心点として指定し、この点から放射状に結晶粒の境界線探索の位置を設定し(図14(c))、境界線探索の線上の点を結ぶことにより閉曲線を設定する。
(5)結晶粒界を画定する境界線の探索手法と閉曲線の変形
結晶粒界の位置と濃淡分布の一例を示せば図16のとおりであって、結晶粒界は肉眼に見える写真では黒くなっているが、パソコン内の画像データでは黒い部分の数値は小さいので、図17に示すように、中心点63から放射状に設定された境界線探索のA1〜A16の各線上において、濃淡値の小さい点を探索する(図14(d))。以下、具体的な手法について説明する。
(6)結晶粒界の決定
図15(k)に示す閉曲線が、図15(a)に示す結晶粒界を画定する境界線62aのすべてと重なった場合は、その閉曲線を結晶粒界として決定する(図14(e))。
(7)次の結晶粒界の処理の判定
そして、次の結晶粒界を処理するかどうかの判定を行い(図14(f))、イエスの場合は、図14(c)〜図14(e)のステップを繰り返し、ノーの場合は、結晶粒界領域を抽出し(図14(g))、処理は終了する(図14(h))。
(8)結晶粒の変形度の演算
以上のようにして決定された結晶粒界に基づいて、図3(a)に示すように、結晶粒1の主応力方向の一方の長さaiと、他方の長さbiと、biをaiで除した数値(変形度=α)をパソコン10の第一演算処理手段により求める。
(9)クリープ損傷度の評価
パソコン10の記憶手段には、例えば、図3(b)に示すような診断対象と同一材料についてのクリープ損傷度と結晶粒の変形度との検定曲線を記憶させておき、第二演算処理手段によって、第一演算処理手段で求めた結晶粒の変形度から上記検定曲線に基づいてクリープ損傷度を求める。同時に、図4に示すパソコン10のモニター10aの画面上に、上記のようにして求めた診断部位の結晶粒の変形度を検定曲線上に表示したものを映し出す。必要があれば、パソコン10に接続したプリンタにプリントアウトすることができる。
2 レーザー顕微鏡
3 水平方向移動機構
4 レーザー顕微鏡のメインコントローラー
5 対物レンズ移動機構のコントローラー
6 水平方向移動機構のコントローラー
7 CCDカメラ
8 照明機器
9 CCDカメラのコントローラー
10 パソコン
11 半導体レーザー
12 光路
13 対物レンズ
14 画像センサー
15 レーザー顕微鏡本体
16 排熱フード
17 筒体
18 カバー
19 フィン
20 摺動部材
21 ガイド溝
22 連結部材
23 傾動部材
24 第一台座
25 円弧状面
26 溝部
28 第二台座
29 第三台座
30 第一摺動部材
31 ケーブル
32 第二摺動部材
33 ボールネジ
34 ボールナット
35 ガイド部材
36 第三摺動部材
37 ケーブル
38 第四摺動部材
39 第四台座
40 ガイド部材
41 基台
42 ボルト
43 管体
44 ベルト
45 鉤形部材
46 連結部材
47 螺子
47a 螺子
48 照明機器用電源
49 フィンの表面
50 排熱フードの上面
51 フレームの上面
52 フレーム側面の前側の内部
53 フレーム側面の後側の内部
61 中心点
62 閉曲線
63 中心点
62a 境界線
64 閉曲線
65 境界線
66 閉曲線
67 境界線
68 閉曲線
69 閉曲線
70 閉曲線
71 閉曲線
72 閉曲線
73 閉曲線
81 結晶粒
82 結晶粒
83 結晶粒
84 結晶粒
85 結晶粒
86 結晶粒
Claims (1)
- 基台と、
密閉構造の顕微鏡本体内に設けられてレーザーを発信する半導体レーザーと、
この半導体レーザーから発信されたレーザーを屈曲させて導く上記顕微鏡本体内に設けられた光路と、
この光路の先端部に取り付けられて上下方向に移動可能な対物レンズと、
上記光路に設けられて反射するレーザーを受信する画像センサと、
上記顕微鏡本体を左右方向に傾動可能に支持する第一台座と、
この第一台座が取り付けられた第二台座と、
この第二台座下面に当接する第三台座を備え、
顕微鏡本体左右側部の少なくとも一方にはフィンが取り付けられ、
顕微鏡本体頂部には中空の排熱フードが取り付けられ、
第二台座と第三台座は直交する2軸方向に移動可能であって、
対物レンズ、第二台座および第三台座を移動させる移動機構と、
顕微鏡本体を傾動させる傾動機構を備え、
前記基台には、固定治具装置として、被観察対象を巻き付けおよび押圧して固定するための帯状部材と複数のピン状部材とが設けられていることを特徴とする材料組織観察装置。
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