JP6775233B2 - Material diagnostic method - Google Patents

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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Description

本発明は、例えば、放射線の照射、熱時効、塑性変形等によってステンレス鋼等の鋼材料中に生じた析出物やボイド等のミクロ組織の種類、発生量、深さ分布などについて、非破壊で診断する材料診断方法に関する。 The present invention is non-destructive regarding the types, amounts, depth distributions, etc. of microstructures such as precipitates and voids generated in steel materials such as stainless steel due to radiation irradiation, thermal aging, plastic deformation, etc. Material to be diagnosed.

従来より、上記したステンレス鋼等の鋼材料中に生じた析出物やボイド等のミクロ組織変化について、その種類、発生量、深さ分布などを定量して診断する手法として、電子顕微鏡や超音波等を用いた手法が採用されている。 Conventionally, electron microscopes and ultrasonic waves have been used as a method for quantifying and diagnosing the type, amount of generation, depth distribution, etc. of microstructure changes such as precipitates and voids generated in the above-mentioned steel materials such as stainless steel. Etc. are adopted.

前者の電子顕微鏡を用いる方法は、材料からサンプルを切り出し、電子顕微鏡を用いて観察することにより表面近傍のミクロ組織量を定量する破壊的手法であり、ミクロ組織の深さ分布を定量する場合には、多数のサンプルを切り出す必要がある等の問題がある。 The former method using an electron microscope is a destructive method for quantifying the amount of microstructure near the surface by cutting out a sample from a material and observing it with an electron microscope, and when quantifying the depth distribution of microstructure. Has problems such as the need to cut out a large number of samples.

これに対して、後者の超音波を用いる方法は、材料に超音波を照射することにより材料中に発生したミクロ組織を定量して診断する非破壊的手法であり、電子顕微鏡を用いる方法のように多数のサンプルを切り出す必要がないため好ましい。 On the other hand, the latter method using ultrasonic waves is a non-destructive method for quantifying and diagnosing the microstructure generated in the material by irradiating the material with ultrasonic waves, and is similar to the method using an electron microscope. This is preferable because it is not necessary to cut out a large number of samples.

この超音波を用いた測定方法の概要を、図1に模式的に示す。図1に示すように、材料中に右方向の太矢印の超音波を入射した場合、左方向の太矢印で示す材料底面から反射する信号(底面波)と、細矢印で示す材料内部から反射する信号(後方散乱波)を取得することができる。 The outline of the measurement method using this ultrasonic wave is schematically shown in FIG. As shown in FIG. 1, when an ultrasonic wave with a thick arrow to the right is incident on a material, a signal (bottom wave) reflected from the bottom surface of the material indicated by the thick arrow to the left and a signal reflected from the inside of the material indicated by the thin arrow. Signal (backscattered wave) can be acquired.

このとき、材料中にボイド、転位、析出物等のミクロ組織が発生していると、ミクロ組織からの反射が生じて後方散乱波に加わるため、後方散乱波強度が大きくなる。一方、底面波強度が変化する。このため、これらの強度を測定することができれば、ミクロ組織の発生を知ることができる。 At this time, if microstructures such as voids, dislocations, and precipitates are generated in the material, reflection from the microstructure is generated and added to the backscattered wave, so that the backscattered wave intensity is increased. On the other hand, the bottom wave intensity changes. Therefore, if these intensities can be measured, the occurrence of microstructure can be known.

数十μm程度以上のミクロ組織の場合には、これらのミクロ組織から直接反射して散乱する超音波強度が充分に大きいため、後方散乱波強度変化量が大きく、従来の超音波による材料診断測定方法を用いても、材料のミクロ組織を充分定量することができる。 In the case of microstructures of several tens of μm or more, the ultrasonic intensity directly reflected and scattered from these microstructures is sufficiently large, so that the amount of backscattered wave intensity change is large, and material diagnostic measurement using conventional ultrasonic waves is performed. Even if the method is used, the microstructure of the material can be sufficiently quantified.

しかしながら、微小なミクロ組織、具体的には、数十μm程度以下のミクロ組織の場合には、後方散乱波強度変化量は結晶粒における後方散乱波強度に対して千分の一程度と非常に小さいため、結晶粒による散乱が支配的となる。このため、ミクロ組織の発生に伴う後方散乱波強度の変化を明確な信号として識別することが難しく、従来の超音波による材料診断測定では、これら微小なミクロ組織欠陥について定量することが困難であった。 However, in the case of a minute microstructure, specifically, a microstructure of several tens of μm or less, the amount of change in backscattered wave intensity is very large, about one-thousandth of the backscattered wave intensity in the crystal grains. Due to its small size, scattering by crystal grains is dominant. For this reason, it is difficult to identify the change in backscattered wave intensity due to the generation of microstructure as a clear signal, and it is difficult to quantify these minute microstructure defects by conventional material diagnostic measurement using ultrasonic waves. It was.

また、発生したミクロ組織については、その深さ分布も定量する必要があり、得られた超音波データからウェーブレット変換等を用いて深さ分布も定量する手法等が試みられている(例えば特許文献1)が、誤差が大きく定量することが困難であった。 In addition, it is necessary to quantify the depth distribution of the generated microstructure, and a method of quantifying the depth distribution from the obtained ultrasonic data by using wavelet transform or the like has been attempted (for example, Patent Documents). 1), but the error was large and it was difficult to quantify.

このため、超音波を用いて微小なミクロ組織について定量する手法が種々提案されている(例えば特許文献2〜4)。 For this reason, various methods for quantifying minute microstructures using ultrasonic waves have been proposed (for example, Patent Documents 2 to 4).

特開2002−303608号公報JP-A-2002-303608 特開2003−294880号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-294880 特開2008−261765号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-261765 特開2009−281846号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-281846

しかしながら、これらの手法は基本的にミクロ組織によって直接的に散乱される超音波を評価する手法であったため、数十μm程度以下のミクロ組織について精度良く定量するには未だ充分とは言えなかった。 However, since these methods are basically methods for evaluating ultrasonic waves directly scattered by microstructures, it has not yet been sufficient to accurately quantify microstructures of several tens of μm or less. ..

そこで、本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、数十μm程度以下の微小なミクロ組織であっても、その種類、発生量、深さ分布などについて、非破壊で充分に精度良く定量して、診断することができる材料診断方法を提供することを課題とする。 Therefore, in view of the above-mentioned problems of the prior art, the present invention is non-destructive and sufficiently accurate in quantifying the type, amount of generation, depth distribution, etc. of even a minute microstructure of about several tens of μm or less. An object of the present invention is to provide a material diagnostic method capable of diagnosing.

(1)本発明者は、上記課題の解決につき鋭意検討する中で、炭化物等の析出物、ボイド、転位、相変態等のミクロ組織が材料中に発生した場合、前記した超音波信号強度の変化に合わせて、結晶粒物性値(体積、密度、音速等)にも変化が生じることに着目した。 (1) The present inventor has been diligently studying the solution to the above problems, and when microstructures such as precipitates such as carbides, voids, dislocations, and phase transformations occur in the material, the above-mentioned ultrasonic signal intensity We paid attention to the fact that the grain physical properties (volume, density, sound velocity, etc.) also change according to the change.

即ち、例えば、ミクロ組織として結晶粒内にボイドが発生した場合、ボイドの発生に伴い、結晶粒の体積が増加するため、密度が低下する。また、ボイドの発生に伴い、ヤング率が低下するため、結晶粒を伝播する音速が低下する(図2参照)。 That is, for example, when voids are generated in the crystal grains as a microstructure, the volume of the crystal grains increases with the generation of the voids, so that the density decreases. Further, as the voids are generated, the Young's modulus decreases, so that the speed of sound propagating through the crystal grains decreases (see FIG. 2).

一方、ミクロ組織が発生すると、超音波信号強度に変化が生じ、例えば、図3(a)に示すミクロ組織の発生がない場合の信号波形から、図3(b)に示す信号波形のように、後方散乱波強度が増加した信号波形となる。 On the other hand, when microstructure is generated, the ultrasonic signal intensity changes. For example, the signal waveform when microstructure is not generated as shown in FIG. 3A can be changed to the signal waveform shown in FIG. 3B. , The signal waveform has an increased backscattered wave intensity.

本発明者は、従来は、ミクロ組織から直接反射する超音波の後方散乱波強度の変化によりミクロ組織の診断が行われていたため、微小なミクロ組織の診断が困難であったことに鑑み、上記した結晶粒物性値の変化と超音波信号強度の変化との関係に着目し、鋭意検討を行った。 The present inventor has conventionally diagnosed the microstructure by the change in the backscattered wave intensity of the ultrasonic wave directly reflected from the microstructure, and therefore it is difficult to diagnose the minute microstructure. Focusing on the relationship between the change in the grain quality value and the change in the ultrasonic signal intensity, we conducted a diligent study.

その結果、ミクロ組織の発生は、前記したように底面波および後方散乱波強度の変化を招くが、図4に示すように、後方散乱波における波高や周波数分布の変化が深さ方向のミクロ組織分布に関係している一方、音速の変化及び底面波における波高や周波数分布の変化が深さ方向の材料特性変化平均値に関係していることが分かった。なお、上記した底面波および後方散乱波の周波数分布は、超音波信号波形の時間変化を周波数変換することにより算出することができる。また、上記において「材料特性変化平均値」とは、底面波が材料内部を往復する信号であり(図1参照)、超音波が通過した材料内部のミクロ組織から影響を受けていることを利用して、音速や減衰係数の変化、及び底面波における波高や周波数分布の変化から材料特性の変化を平均値として示したものである。 As a result, the generation of microstructure causes changes in bottom wave and backscattered wave intensities as described above, but as shown in FIG. 4, changes in wave height and frequency distribution in backscattered waves cause microstructure in the depth direction. While it is related to the distribution, it was found that the change in sound velocity and the change in wave height and frequency distribution in the bottom wave are related to the average value of material characteristic changes in the depth direction. The frequency distribution of the bottom wave and the backscattered wave described above can be calculated by frequency-converting the time change of the ultrasonic signal waveform. Further, in the above, the "mean value of material property change" is a signal that the bottom wave reciprocates inside the material (see FIG. 1), and utilizes the fact that it is influenced by the microstructure inside the material through which ultrasonic waves have passed. Then, the change in material properties is shown as an average value from the change in sound velocity and attenuation coefficient, and the change in wave height and frequency distribution in the bottom wave.

そして、検討の結果、結晶粒物性の変化による超音波信号の変化に着目することにより、微小なミクロ組織であっても、容易に、精度高く診断することができることを見出した。 As a result of the examination, it was found that by paying attention to the change in the ultrasonic signal due to the change in the physical properties of the crystal grains, even a minute microstructure can be easily and accurately diagnosed.

即ち、材料中に超音波を入射して、例えば、図5上段に示すような超音波波形を得た場合、得られた超音波波形の第1底面波および第2底面波を周波数変換することにより、図5下段に示す第1底面波および第2底面波の周波数分布が算出され、所定の周波数における振幅P(任意単位)、P(任意単位)を用いることにより、(式1)に示す減衰係数α(neper/m)が求められる。なお、(式1)において、dは材料厚さ(m)である。 That is, when ultrasonic waves are incident on the material to obtain an ultrasonic waveform as shown in the upper part of FIG. 5, for example, the first bottom wave and the second bottom wave of the obtained ultrasonic waveform are frequency-converted. Therefore, the frequency distributions of the first bottom wave and the second bottom wave shown in the lower part of FIG. 5 are calculated, and by using the amplitudes P 1 (arbitrary unit) and P 2 (arbitrary unit) at a predetermined frequency, (Equation 1). The attenuation coefficient α (neper / m) shown in is obtained. In (Equation 1), d is the material thickness (m).

Figure 0006775233
Figure 0006775233

本発明者は、本発明が対象とする材料のように多結晶体であり、その結晶粒径が入射する超音波波長に比べて遙かに小さい(レイリー散乱領域)場合、材料(多結晶体)中に入射した縦波の減衰係数αとして、上記した減衰係数αを以下の(式2)のように、結晶粒物性値を変数とした式により表すこともできることに着目した。 The present inventor is a material (polycrystal) when it is a polycrystal like the material targeted by the present invention and its crystal grain size is much smaller than the incident ultrasonic wavelength (Rayleigh scattering region). It was noted that the above-mentioned attenuation coefficient α can be expressed by an equation with the crystal grain physical property value as a variable as shown in (Equation 2) below, as the attenuation coefficient α L of the longitudinal wave incident in).

Figure 0006775233
Figure 0006775233

(式2)においては、縦波の減衰係数αが結晶粒物性値である密度ρの二乗および縦波の音速νの八乗に反比例しているため、結晶粒物性が変化するのであれば、微小なミクロ組織の発生に伴う超音波音速等の物性値の変化が小さくても、縦波の減衰係数αが大きな変化として現れることが分かる。また、縦波の減衰係数αは結晶粒の体積Vに比例しているため、縦波の減衰係数αの大きな変化に対応して、結晶粒の体積Vも大きな変化として現れることが分かる。即ち、微小なミクロ組織の発生に伴う物性値の小さな変化を、結晶粒の体積の大きな変化として捉えることができる。 In (Equation 2), since the longitudinal wave attenuation coefficient α L is inversely proportional to the square of the density ρ, which is the value of the longitudinal wave physical properties, and the eighth power of the longitudinal wave sound velocity ν L , the crystal grain properties change. For example, it can be seen that even if the change in physical property values such as the ultrasonic sound velocity due to the generation of minute microstructures is small, the longitudinal wave attenuation coefficient α L appears as a large change. Further, since the longitudinal wave attenuation coefficient α L is proportional to the crystal grain volume V, it can be seen that the crystal grain volume V also appears as a large change in response to a large change in the longitudinal wave attenuation coefficient α L. .. That is, a small change in the physical property value due to the generation of a minute microstructure can be regarded as a large change in the volume of the crystal grain.

以上の知見に基づき、本発明者は、以下のような手法を用いることにより、材料中のミクロ組織の発生量を容易に定量できることに思い至った。 Based on the above findings, the present inventor has come to the conclusion that the amount of microstructure generated in the material can be easily quantified by using the following method.

即ち、まず、ミクロ組織の発生がない状態の材料中に超音波を入射して材料から反射する底面波から(式1)を用いて周波数毎に減衰係数を算出する。そして、以下に示す方法を用いて別途取得した密度および音速と、上記で算出された減衰係数とを用いて、(式2)に基づいて、ミクロ組織の発生前における結晶粒の体積を算出しておく。このとき、結晶粒の体積は周波数には関係せず、一定値となる。そして、診断対象の材料中に超音波を入射して、上記と同様にして、周波数毎に減衰係数を算出した後、ミクロ組織の発生後における結晶粒の体積を算出する。 That is, first, the attenuation coefficient is calculated for each frequency using (Equation 1) from the bottom wave that is reflected from the material by injecting ultrasonic waves into the material without the generation of microstructure. Then, using the density and sound velocity separately obtained by the method shown below and the attenuation coefficient calculated above, the volume of crystal grains before the generation of microstructure is calculated based on (Equation 2). Keep it. At this time, the volume of the crystal grains has a constant value regardless of the frequency. Then, ultrasonic waves are incident on the material to be diagnosed, the attenuation coefficient is calculated for each frequency in the same manner as described above, and then the volume of crystal grains after the generation of microstructure is calculated.

そして、算出されたミクロ組織の発生前における結晶粒の体積とミクロ組織の発生後における結晶粒の体積との差(体積変化量)は、ミクロ組織の発生に伴う体積変化であるため、この値をミクロ組織の発生量と見なすことができ、上記の方法を適用することにより、ミクロ組織の発生量を定量することができる。 The calculated difference (volume change amount) between the volume of the crystal grains before the generation of the microstructure and the volume of the crystal grains after the generation of the microstructure is the volume change accompanying the generation of the microstructure, so this value. Can be regarded as the amount of microstructure generated, and by applying the above method, the amount of microstructure generated can be quantified.

なお、縦波音速は、図4に示すように、超音波波形を用いて、厚さdの材料に入射された超音波の入射から第1底面波が現れるまでの時間から取得することができる。そして、密度は予め求めておけばよいが、レファレンス材から算出したり、文献値を利用してもよい。また、音響異方性は、レファレンス材から予め算出しておけばよいが、文献値を利用してもよい。また、縦波音速および横波音速は、例えば、ポアソン比、ヤング率、密度を用いた下記の公知の式より算出することができる。 As shown in FIG. 4, the longitudinal wave sound velocity can be obtained from the time from the incident of the ultrasonic wave incident on the material having the thickness d to the appearance of the first bottom wave by using the ultrasonic waveform. .. The density may be obtained in advance, but it may be calculated from the reference material or a literature value may be used. Further, the acoustic anisotropy may be calculated in advance from the reference material, but literature values may be used. Further, the longitudinal wave sound velocity and the transverse wave sound velocity can be calculated from the following known formulas using, for example, Poisson's ratio, Young's modulus, and density.

Figure 0006775233
Figure 0006775233

なお、上記では、同一材料を用いて、ミクロ組織の発生前(初期状態)及び発生後において、超音波を入射して材料から反射する底面波から(式1)を用いて周波数毎に減衰係数を算出しているが、このように同一材料を用いてミクロ組織の発生を定量することに代えて、診断対象の材料と同種材料で構成されたミクロ組織の発生がない状態の材料を別途用意し、これに超音波を入射して同様の測定を行って、得られたデータをミクロ組織が発生していない材料のデータとしてもよい。 In the above, using the same material, the attenuation coefficient is used for each frequency using (Equation 1) from the bottom wave that is reflected from the material by injecting ultrasonic waves before and after the generation of microstructure (initial state). However, instead of quantifying the occurrence of microstructure using the same material in this way, a material composed of the same type of material as the material to be diagnosed and in a state where no microstructure is generated is prepared separately. Then, ultrasonic waves may be incident on this to perform the same measurement, and the obtained data may be used as data for a material in which no microstructure is generated.

また、上記したミクロ組織が発生していない材料のデータに代えて、時間的経過の中で既にミクロ組織が発生しており、そのミクロ組織の発生量が予め分かっている診断材料に超音波を入射して同様の測定を行って、得られたデータを用いてもよく、この場合には、診断材料におけるミクロ組織の発生量の時間変化を捉えることができる。 Further, instead of the above-mentioned data of the material in which the microstructure is not generated, ultrasonic waves are applied to the diagnostic material in which the microstructure has already been generated over time and the amount of the microstructure generated is known in advance. The same measurement may be performed after incident, and the obtained data may be used. In this case, the time change of the amount of microstructure generated in the diagnostic material can be captured.

本発明に関連する第1〜第3の技術は上記の知見に基づく技術である。 The first to third techniques related to the present invention are techniques based on the above findings.

即ち、本発明に関連する第1の技術は、
材料中に生じたミクロ組織を、超音波を用いて非破壊的に診断する材料診断方法であって、
ミクロ組織により生じた結晶粒の物性変化が超音波散乱に影響を及ぼすことを利用して、結晶粒による超音波散乱の変化を底面波、後方散乱波から捉えることにより、ミクロ組織の変化量を定量することを特徴とする材料診断方法である。
That is, the first technique related to the present invention is
It is a material diagnostic method that non-destructively diagnoses the microstructure generated in the material using ultrasonic waves.
Utilizing the fact that changes in the physical properties of crystal grains caused by microstructures affect ultrasonic scattering, the amount of change in microstructure can be determined by capturing changes in ultrasonic scattering due to crystal grains from bottom waves and backscattered waves. It is a material diagnostic method characterized by quantification.

また、本発明に関連する第2の技術は、
材料中に生じたミクロ組織を、超音波を用いて非破壊的に診断する材料診断方法であって、
ミクロ組織の発生がない状態の材料に超音波を入射して超音波波形を得た後、前記超音波波形を周波数変換することにより作成された第1底面波および第2底面波の周波数分布より周波数毎の減衰係数を算出し、さらに、前記材料の密度および前記超音波の音速を取得し、得られた前記減衰係数、材料の密度および前記超音波の音速から結晶粒の体積を算出する初期結晶粒体積算出工程と、
診断対象の材料に超音波を入射して超音波波形を得た後、前記初期結晶粒体積算出工程と同様にして、診断対象の結晶粒の体積を算出する診断対象結晶粒体積算出工程と、
前記初期結晶粒体積算出工程および前記診断対象結晶粒体積算出工程において得られた各体積から結晶粒の体積変化量を求めることにより、ミクロ組織の発生量を定量するミクロ組織発生量定量工程と
を備えていることを特徴とする材料診断方法である。
In addition, the second technique related to the present invention is
It is a material diagnostic method that non-destructively diagnoses the microstructure generated in the material using ultrasonic waves.
From the frequency distribution of the first bottom wave and the second bottom wave created by frequency-converting the ultrasonic waveform after obtaining an ultrasonic waveform by injecting ultrasonic waves into the material without the generation of microstructure. Initial stage in which the attenuation coefficient for each frequency is calculated, the density of the material and the sound velocity of the ultrasonic wave are acquired, and the volume of crystal grains is calculated from the obtained attenuation coefficient, the density of the material and the sound velocity of the ultrasonic wave. Crystal grain volume calculation process and
After obtaining an ultrasonic waveform by injecting ultrasonic waves onto the material to be diagnosed, a step of calculating the volume of the grain to be diagnosed and a step of calculating the volume of the grain to be diagnosed are performed in the same manner as in the initial grain volume calculation step.
The microstructure generation amount quantification step for quantifying the microstructure generation amount by obtaining the volume change amount of the crystal grains from each volume obtained in the initial crystal grain volume calculation step and the diagnosis target crystal grain volume calculation step. It is a material diagnostic method characterized by being provided.

また、本発明に関連する第3の技術は、
材料中に生じたミクロ組織を、超音波を用いて非破壊的に診断する材料診断方法であって、
初期状態にある診断対象の材料、診断対象の材料と同種材料であってミクロ組織の発生がない状態の材料、ミクロ組織の発生量が予め分かっている状態の診断対象の材料のいずれかに超音波を入射して超音波波形を得た後、前記超音波波形を周波数変換することにより作成された第1底面波および第2底面波の周波数分布より周波数毎の減衰係数を算出し、さらに、前記材料の密度および前記超音波の音速を取得し、得られた前記減衰係数、材料の密度および前記超音波の音速から結晶粒の体積を算出する第1の結晶粒体積算出工程と、
前記診断対象の材料に超音波を入射して超音波波形を得た後、前記第1の結晶粒体積算出工程と同様にして、診断対象の結晶粒の体積を算出する第2の結晶粒体積算出工程と、
前記第1の結晶粒体積算出工程および前記第2の結晶粒体積算出工程において得られた各体積から結晶粒の体積変化量を求めることにより、ミクロ組織の発生量を定量するミクロ組織発生量定量工程と
を備えていることを特徴とする材料診断方法である。
In addition, the third technique related to the present invention is
It is a material diagnostic method that non-destructively diagnoses the microstructure generated in the material using ultrasonic waves.
The material to be diagnosed in the initial state, the material to be diagnosed that is similar to the material to be diagnosed and has no microstructure, or the material to be diagnosed in which the amount of microstructure generated is known in advance. After obtaining an ultrasonic waveform by injecting sound, the attenuation coefficient for each frequency is calculated from the frequency distribution of the first bottom wave and the second bottom wave created by frequency-converting the ultrasonic waveform, and further. A first crystal grain volume calculation step of acquiring the density of the material and the sound velocity of the ultrasonic wave and calculating the volume of the crystal grain from the obtained attenuation coefficient, the density of the material and the sound velocity of the ultrasonic wave.
After ultrasonic waves are incident on the material to be diagnosed to obtain an ultrasonic waveform, the volume of the crystal grains to be diagnosed is calculated in the same manner as in the first crystal grain volume calculation step. Calculation process and
Microstructure generation amount quantification to quantify the amount of microstructure generated by obtaining the volume change amount of crystal grains from each volume obtained in the first crystal grain volume calculation step and the second crystal grain volume calculation step. It is a material diagnosis method characterized by having a process.

本発明に関連する第2の技術および第3の技術においては、減衰係数から結晶粒の体積を直接求め、結晶粒の体積の変化からミクロ組織の発生量を定量しているが、予め、ミクロ組織の発生量、即ち、結晶粒の体積変化量を仮定し、その仮定に基づいて(式2)により減衰係数や周波数分布を作成することもできる。そして、このミクロ組織の発生量の仮定を種々変更して、診断材料から得られた周波数分布との照合を繰り返すことにより、より簡便にミクロ組織の発生量を定量することができる。 In the second technique and the third technique related to the present invention, the volume of crystal grains is directly obtained from the attenuation coefficient, and the amount of microstructure generated is quantified from the change in the volume of crystal grains. It is also possible to assume the amount of structure generated, that is, the amount of change in the volume of crystal grains, and create an attenuation coefficient and frequency distribution by (Equation 2) based on that assumption. Then, by changing the assumption of the amount of microstructure generated in various ways and repeating the collation with the frequency distribution obtained from the diagnostic material, the amount of microstructure generated can be quantified more easily.

なお、この際、音速の変化量は、ミクロ組織が発生した材料からの超音波信号より求めることができるが、過去の知見で得られた値を用いても実用上支障のない定量を行うことができる。 At this time, the amount of change in the speed of sound can be obtained from the ultrasonic signal from the material in which the microstructure is generated, but the quantification that does not hinder practical use even if the value obtained from the past knowledge is used. Can be done.

(2)次に、材料中に発生した微小なミクロ組織の深さ分布の定量について説明する。 (2) Next, the quantification of the depth distribution of minute microstructures generated in the material will be described.

上記の方法を適用することにより、ミクロ組織の発生量が定量されるが、析出物やボイドなどのミクロ組織は深さ分布を有しているため、発生量のみならず、深さ分布についても定量する必要がある。 By applying the above method, the amount of microstructure generated is quantified, but since microstructures such as precipitates and voids have a depth distribution, not only the amount generated but also the depth distribution It needs to be quantified.

本発明者は、このミクロ組織の深さ分布を定量するに際して、超音波の後方散乱波に着目した。即ち、底面波は、材料内部の全ての影響を受けた信号であるため、通過して反射してきた材料の平均的な物性値を算出することができる。これに対して、後方散乱波は、弱い信号でありながらもある深さから反射してきた信号であるため、深さ分布に関する情報を有しており、深さ分布を算出することができると考えた。 The present inventor paid attention to the backscattered wave of ultrasonic waves in quantifying the depth distribution of this microstructure. That is, since the bottom wave is a signal affected by all the inside of the material, it is possible to calculate the average physical property value of the material that has passed and reflected. On the other hand, since the backscattered wave is a weak signal but is a signal reflected from a certain depth, it has information on the depth distribution and it is considered that the depth distribution can be calculated. It was.

超音波の後方散乱波は、以下に示す(式3)により定義されるが、変数に減衰係数αを有している。そして、前記したように、減衰係数の変化は結晶粒物性値の変化が小さくても大きな変化として表れるため、後方散乱波も大きく変化することになり、微小なミクロ組織であってもその深さ分布を定量することが可能となる。 The backscattered wave of ultrasonic waves is defined by (Equation 3) shown below, and has an attenuation coefficient α as a variable. Then, as described above, since the change in the attenuation coefficient appears as a large change even if the change in the grain physical property value is small, the backscattered wave also changes greatly, and even if it is a minute microstructure, its depth It is possible to quantify the distribution.

Figure 0006775233
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具体的には、まず、診断対象の材料中に超音波を入射して取得された超音波波形の後方散乱波領域をある深さ毎の区間で区切り、各区間にて周波数変換を行うことにより各区間に後方散乱波の周波数分布を算出する。 Specifically, first, the backscattered wave region of the ultrasonic waveform acquired by injecting ultrasonic waves into the material to be diagnosed is divided into sections for each depth, and frequency conversion is performed in each section. Calculate the frequency distribution of backscattered waves in each section.

次に、材料中のミクロ組織の深さ分布を仮定して、同じ区間毎に後方散乱波の周波数分布を(式3)に基づき算出する。 Next, assuming the depth distribution of the microstructure in the material, the frequency distribution of the backscattered wave is calculated based on (Equation 3) for each same section.

このとき、後方散乱波の周波数分布は、仮定した深さ分布の各区間における断面積γの立体角Ωによる微分断面積(dγ/dΩ)L,πを利用して算出される。ここで、Lは縦波、πは反射方向を示している。そして、結晶粒による微分断面積は(式4)により算出される。この(式4)にも、結晶粒物性値が変数として含まれているため、結晶粒物性値の変化により(式3)により算出された後方散乱波がさらに大きく変化する。 At this time, the frequency distribution of the backscattered wave is calculated by using the differential cross section (dγ / dΩ) L, π of the solid angle Ω of the cross section γ in each section of the assumed depth distribution. Here, L indicates a longitudinal wave and π indicates a reflection direction. Then, the differential cross section of the crystal grains is calculated by (Equation 4). Since the grain physical property value is also included as a variable in this (Equation 4), the backscattered wave calculated by the (Equation 3) changes further greatly due to the change in the grain physical property value.

Figure 0006775233
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次に、この仮定した材料中のミクロ組織の深さ分布に基づいて算出された後方散乱波の周波数分布と、上記で得られた後方散乱波の周波数分布とを照合する。そして、両者が正確に合うまで、仮定を種々変更して照合を繰り返す。 Next, the frequency distribution of the backscattered wave calculated based on the depth distribution of the microstructure in the assumed material is compared with the frequency distribution of the backscattered wave obtained above. Then, the matching is repeated by changing various assumptions until the two are exactly matched.

このように、仮定に基づいて算出された後方散乱波の周波数分布を、診断対象から得られた後方散乱波の周波数分布と合わせることにより、ミクロ組織の深さ分布を容易に定量することができる。 By combining the frequency distribution of the backscattered wave calculated based on the assumption with the frequency distribution of the backscattered wave obtained from the diagnosis target in this way, the depth distribution of the microstructure can be easily quantified. ..

また、上記のミクロ組織の深さ分布の定量は、仮定した材料中のミクロ組織の深さ分布に基づいて算出された後方散乱波の周波数分布の積分強度面積比と、得られた後方散乱波の周波数分布から算出されたそれぞれの後方散乱波の周波数分布の積分強度面積比とを照合し、両者が正確に合うまで、仮定を種々変更して照合を繰り返すことによっても行うことができる。 In addition, the above-mentioned quantification of the depth distribution of the microstructure is the integrated intensity area ratio of the frequency distribution of the backscattered wave calculated based on the depth distribution of the microstructure in the assumed material and the obtained backscattered wave. It can also be performed by collating the integrated intensity area ratio of the frequency distribution of each backscattered wave calculated from the frequency distribution of the above, changing various assumptions, and repeating the collation until the two are exactly matched.

本発明に関連する第4の技術および第5の技術は上記の知見に基づく技術である。 The fourth technique and the fifth technique related to the present invention are techniques based on the above findings.

即ち、本発明に関連する第4の技術は、
材料中に生じたミクロ組織を、超音波を用いて非破壊的に診断する材料診断方法であって、
ミクロ組織の発生量が既知である診断対象の材料中に超音波を入射して取得された超音波波形の後方散乱波領域を、前記材料の深さ方向に所定の幅の区間に区切り、各区間毎に周波数変換を用いて後方散乱波の周波数分布を算出する診断対象周波数分布算出工程と、
ミクロ組織の深さ分布を仮定して、前記診断対象周波数分布算出工程と同じ区間毎に算出した後方散乱波の周波数分布を照合しながら、ミクロ組織の深さ分布を決定することにより診断対象の材料におけるミクロ組織の深さ分布を定量するミクロ組織の深さ分布定量工程と
を備えていることを特徴とする材料診断方法である。
That is, the fourth technique related to the present invention is
It is a material diagnostic method that non-destructively diagnoses the microstructure generated in the material using ultrasonic waves.
The backscattered wave region of the ultrasonic waveform acquired by injecting ultrasonic waves into the material to be diagnosed whose amount of microstructure is known is divided into sections having a predetermined width in the depth direction of the material, and each of them is divided. A diagnostic target frequency distribution calculation process that calculates the frequency distribution of backscattered waves using frequency conversion for each section, and
Assuming the depth distribution of the microstructure, the depth distribution of the microstructure is determined by collating the frequency distribution of the backscattered waves calculated for each section in the same section as the frequency distribution calculation step of the diagnosis target. It is a material diagnostic method characterized by including a microstructure depth distribution quantification step for quantifying the microstructure depth distribution in a material.

また、本発明に関連する第5の技術は、
材料中に生じたミクロ組織を、超音波を用いて非破壊的に診断する材料診断方法であって、
ミクロ組織の発生量が既知である診断対象の材料中に超音波を入射して取得された超音波波形の後方散乱波領域を、前記材料の深さ方向に所定の幅の区間に区切り、各区間毎に周波数変換を用いて後方散乱波の周波数分布の積分強度面積比を算出する診断対象周波数分布の積分強度面積比算出工程と、
ミクロ組織の深さ分布を仮定して、前記診断対象周波数分布の積分強度面積比算出工程と同じ区間毎に算出した後方散乱波の周波数分布の積分強度面積比を照合しながら、ミクロ組織の深さ分布を決定することにより診断対象の材料におけるミクロ組織の深さ分布を定量するミクロ組織の深さ分布定量工程と
を備えていることを特徴とする材料診断方法である。
In addition, the fifth technique related to the present invention is
It is a material diagnostic method that non-destructively diagnoses the microstructure generated in the material using ultrasonic waves.
The backscattered wave region of the ultrasonic waveform acquired by injecting ultrasonic waves into the material to be diagnosed whose amount of microstructure is known is divided into sections having a predetermined width in the depth direction of the material, and each of them is divided. The process of calculating the integrated intensity area ratio of the frequency distribution of the backscattered wave using frequency conversion for each section, and the process of calculating the integrated intensity area ratio of the frequency distribution to be diagnosed.
Assuming the depth distribution of the microstructure, the depth of the microstructure is compared with the integrated intensity area ratio of the frequency distribution of the backscattered wave calculated for each section in the same section as the step of calculating the integrated intensity area ratio of the frequency distribution to be diagnosed. The material diagnosis method is characterized by including a microstructure depth distribution quantification step for quantifying the microstructure depth distribution in the material to be diagnosed by determining the bulk distribution.

(3)次に、材料中に発生した転位組織による微小なミクロ組織の深さ分布の定量について説明する。 (3) Next, the quantification of the depth distribution of the minute microstructure due to the dislocation structure generated in the material will be described.

ミクロ組織には、前記したボイドや析出物の他に、転位組織によるミクロ組織もあり、転位組織によるミクロ組織の場合、転位密度の深さ分布を求める必要がある。 In addition to the voids and precipitates described above, the microstructure also includes a microstructure with a dislocation structure, and in the case of a microstructure with a dislocation structure, it is necessary to obtain the depth distribution of the dislocation density.

ここで、本発明者は、転位組織は、析出物やボイドと異なり、超音波を散乱せず吸収のみが起こること、そして超音波の吸収により後方散乱波が減少することが分かっており、転位組織による超音波吸収、即ち、減衰α(ω)が以下の(式5)により表すことができることに着目した。 Here, the present inventor has found that, unlike precipitates and voids, the rearscattered structure does not scatter ultrasonic waves and only absorbs them, and the absorption of ultrasonic waves reduces backscattered waves. It was noted that the ultrasonic absorption by the tissue, that is, the attenuation α (ω) can be expressed by the following (Equation 5).

Figure 0006775233
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なお、(式5)において、μは剛性率、bはバーガースペクトル、Cは転位の張力であり、それぞれ格子定数、密度、剛性率およびポアソン比から下式により求められる。 In (Equation 5), μ is the rigidity, b is the burger spectrum, and C is the tension of dislocations, which are obtained from the lattice constant, density, rigidity, and Poisson's ratio by the following equations, respectively.

Figure 0006775233
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また、平均転位長さLについては測定することが困難であるため、格子定数やあらかじめレファレンスから求めておく。そして、転位の固有振動数ωは、下式に示すように、平均転位長さLで決まるが、GHzオーダーであることが知られている。 Further, since it is difficult to measure the average dislocation length L, it is obtained from the lattice constant and the reference in advance. The natural frequency ω 0 of dislocations is determined by the average dislocation length L as shown in the following equation, but is known to be on the order of GHz.

Figure 0006775233
Figure 0006775233

そして、本発明者は、以下のような手法を用いることにより、材料中の転位密度の深さ分布を容易に定量できることに思い至った。 Then, the present inventor has come to the conclusion that the depth distribution of the dislocation density in the material can be easily quantified by using the following method.

即ち、まず、予め転位密度および結晶粒径が判明している材料中に超音波を入射して各深さにおいて結晶粒に起因する後方散乱波の周波数分布を算出する。 That is, first, ultrasonic waves are incident on a material whose dislocation density and crystal grain size are known in advance, and the frequency distribution of backscattered waves caused by crystal grains is calculated at each depth.

そして、材料中の転位密度の深さ分布を仮定する。結晶粒に起因する後方散乱波は、超音波の行程において存在する転位により吸収され減衰する。減衰の程度は(式5)を用いて求めることができる。以上から、各深さに後方散乱波周波数分布を算出する。 Then, the depth distribution of the dislocation density in the material is assumed. Backscattered waves caused by grain grains are absorbed and attenuated by dislocations present in the ultrasonic stroke. The degree of attenuation can be determined using (Equation 5). From the above, the backscattered wave frequency distribution is calculated at each depth.

即ち、2つの後方散乱波周波数分布から求められる後方散乱波周波数分布の減少量は、転位による超音波の吸収量と見ることができるため、この仮定に基づいて算出された後方散乱波の周波数分布と、上記で得られた後方散乱波の周波数分布とを照合する。そして、両者が正確に合うまで、仮定を種々変更して照合を繰り返すことにより、材料中の転位深さ分布を定量することができる。 That is, since the amount of decrease in the backscatter wave frequency distribution obtained from the two backscatter wave frequency distributions can be regarded as the amount of absorption of ultrasonic waves due to the rearrangement, the frequency distribution of the backscatter waves calculated based on this assumption. And the frequency distribution of the backscattered wave obtained above are collated. Then, the dislocation depth distribution in the material can be quantified by repeating the collation by changing various assumptions until the two are exactly matched.

また、前記と同様に、仮定に基づいて算出された後方散乱波の周波数分布の積分強度面積比と、得られた後方散乱波の周波数分布から算出されたそれぞれの後方散乱波の周波数分布の積分強度面積比とを照合し、両者が正確に合うまで、仮定を種々変更して照合を繰り返すことによっても、材料中の転位深さ分布を定量することができる。 Further, in the same manner as described above, the integrated intensity area ratio of the frequency distribution of the backscattered wave calculated based on the assumption and the integrated frequency distribution of each backscattered wave calculated from the obtained frequency distribution of the backscattered wave. The backscatter depth distribution in the material can also be quantified by collating with the strength-area ratio, changing various assumptions and repeating the collation until the two match accurately.

本発明に関連する第6の技術および第7の技術は上記の知見に基づく技術である。 The sixth technique and the seventh technique related to the present invention are techniques based on the above findings.

即ち、本発明に関連する第6の技術は、
材料中に生じたミクロ組織を、超音波を用いて非破壊的に診断する材料診断方法であって、
転位密度および結晶粒径が既知である診断対象の材料中に超音波を入射して取得された超音波波形の後方散乱波領域を、前記材料の深さ方向に所定の幅の区間に区切り、各区間において周波数変換を用いて後方散乱波の周波数分布を算出する診断対象周波数分布算出工程と、
ミクロ組織の深さ分布を仮定して、前記診断対象周波数分布データ算出工程と同じ区間毎に周波数分布を算出する照合用周波数分布算出工程と、
前記診断対象周波数分布作成工程および前記照合用周波数分布算出工程において得られた各周波数分布の減少量から材料中のミクロ組織の深さ分布を決定し、決定されたミクロ組織の深さ分布の仮定により、診断対象の材料におけるミクロ組織の転位深さ分布を定量するミクロ組織の転位深さ分布定量工程と
を備えていることを特徴とする材料診断方法である。
That is, the sixth technique related to the present invention is
It is a material diagnostic method that non-destructively diagnoses the microstructure generated in the material using ultrasonic waves.
The backscattered wave region of the ultrasonic waveform obtained by injecting ultrasonic waves into the material to be diagnosed whose transposition density and crystal grain size are known is divided into sections having a predetermined width in the depth direction of the material. A diagnostic target frequency distribution calculation process that calculates the frequency distribution of backscattered waves using frequency conversion in each section, and
Assuming the depth distribution of the microstructure, the matching frequency distribution calculation step of calculating the frequency distribution for each section same as the diagnosis target frequency distribution data calculation step,
The depth distribution of the microstructure in the material is determined from the decrease amount of each frequency distribution obtained in the frequency distribution creation step for diagnosis and the frequency distribution calculation step for collation, and the determined microstructure depth distribution is assumed. The material diagnostic method is characterized by comprising a step of quantifying the dislocation depth distribution of the microstructure in the material to be diagnosed.

また、本発明に関連する第7の技術は、
材料中に生じたミクロ組織を、超音波を用いて非破壊的に診断する材料診断方法であって、
転位密度および結晶粒径が既知である診断対象の材料中に超音波を入射して取得された超音波波形の後方散乱波領域を、前記材料の深さ方向に所定の幅の区間に区切り、各区間において周波数変換を用いて後方散乱波の周波数分布の積分強度面積比を算出する診断対象周波数分布の積分強度面積比算出工程と、
ミクロ組織の深さ分布を仮定して、前記診断対象周波数分布の積分強度面積比のデータ算出工程と同じ区間毎に周波数分布の積分強度面積比を算出する照合用周波数分布の積分強度面積比算出工程と、
前記診断対象周波数分布の積分強度面積比作成工程および前記照合用周波数分布の積分強度面積比算出工程において得られた各周波数分布の積分強度面積比から材料中のミクロ組織の深さ分布を決定し、決定されたミクロ組織の深さ分布の仮定により、診断対象の材料におけるミクロ組織の転位深さ分布を定量するミクロ組織の転位深さ分布定量工程と
を備えていることを特徴とする材料診断方法である。
In addition, the seventh technique related to the present invention is
It is a material diagnostic method that non-destructively diagnoses the microstructure generated in the material using ultrasonic waves.
The backscattered wave region of the ultrasonic waveform obtained by injecting ultrasonic waves into the material to be diagnosed whose transposition density and crystal grain size are known is divided into sections having a predetermined width in the depth direction of the material. The process of calculating the integrated intensity area ratio of the frequency distribution of the backscattered wave using frequency conversion in each section, and the process of calculating the integrated intensity area ratio of the frequency distribution to be diagnosed.
Assuming the depth distribution of the microstructure, calculate the integrated intensity area ratio of the frequency distribution for each section same as the data calculation process of the integrated intensity area ratio of the frequency distribution to be diagnosed. Process and
The depth distribution of the microstructure in the material is determined from the integrated intensity area ratio of each frequency distribution obtained in the integrated intensity area ratio creation step of the frequency distribution to be diagnosed and the integrated intensity area ratio calculation step of the matching frequency distribution. , A material diagnosis characterized by comprising a microstructure dislocation depth distribution quantification step for quantifying the dislocation depth distribution of the microstructure in the material to be diagnosed based on the determined microstructure depth distribution assumption. The method.

(4)次に、材料中に複数種類の微小なミクロ組織が発生している場合について説明する。 (4) Next, a case where a plurality of types of minute microstructures are generated in the material will be described.

上記した析出物、ボイド、転位組織などのミクロ組織は、個別に発生するとは限られず、複数のミクロ組織が同時に発生する場合がある。 The microstructures such as the above-mentioned precipitates, voids, and dislocation structures are not always generated individually, and a plurality of microstructures may be generated at the same time.

そこで、本発明者は、発生したミクロ組織についてその種類を判別し、その後、それぞれのミクロ組織について推定、定量することを検討した。 Therefore, the present inventor examined to determine the type of the generated microstructure, and then estimate and quantify each microstructure.

その結果、前記した超音波の音速、減衰係数、底面波周波数分布および後方散乱波周波数分布のそれぞれを指標とし、診断対象の材料中に超音波を入射して得られた各指標に対して、初期状態(ミクロ組織の発生がない状態)にある診断対象の材料、診断対象の材料と同種材料であってミクロ組織の発生がない状態の材料、ミクロ組織の発生量が予め分かっている状態の診断対象の材料のいずれかに超音波を入射して予め取得しておいた各指標や材料の使用履歴等を考慮して分析を行った場合、ミクロ組織の種類によりこれらの指標が特徴的に現れるため、容易に、析出物、ボイド、転位組織等のミクロ組織を判別することができることが分かった。そして、このような判別は、1つの指標、例えば、転位組織と析出物(炭化物)の2つのミクロ組織の場合には、音速を指標として用いるだけでも、これらのミクロ組織を判別することができることが分かった。 As a result, each of the above-mentioned sound velocity, attenuation coefficient, bottom wave frequency distribution, and backward scattered wave frequency distribution of the ultrasonic wave is used as an index, and each index obtained by injecting ultrasonic wave into the material to be diagnosed is used. A material to be diagnosed in the initial state (a state in which no microstructure is generated), a material similar to the material to be diagnosed in a state in which no microstructure is generated, and a state in which the amount of microstructure generated is known in advance. When ultrasonic waves are incident on any of the materials to be diagnosed and analysis is performed in consideration of each index acquired in advance and the usage history of the material, these indexes are characteristic depending on the type of microstructure. Since it appears, it was found that microstructures such as precipitates, voids, and rearranged structures can be easily discriminated. Then, in the case of one index, for example, two microstructures of a dislocation structure and a precipitate (carbide), such discrimination can be performed by simply using the speed of sound as an index. I understood.

なお、ここで「材料の使用履歴等を考慮する」とは、使用温度、照射量、使用時間等の使用環境を考慮することを指す。 Here, "considering the usage history of the material" means considering the usage environment such as the usage temperature, the irradiation amount, and the usage time.

本発明に関連する第8の技術は、上記の知見に基づいてなされたものであり、
材料中に生じたミクロ組織を、超音波を用いて非破壊的に診断する材料診断方法であって、
材料中に超音波を入射して得られる超音波の音速、減衰係数、底面波の周波数分布、低周波数側波高、高周波数側波高、後方散乱波の周波数分布および後方散乱波の周波数の積分強度面積比から選択された1個以上の指標を用いて、
初期状態にある診断対象の材料、診断対象の材料と同種材料であってミクロ組織の発生がない状態の材料、ミクロ組織の発生量が予め分かっている状態の診断対象の材料のいずれかについて予め取得しておいた基準材料データと診断時において得られた診断対象材料データとの間の変化、および前記材料の使用履歴に基づいて、
発生したミクロ組織の種類を判別することを特徴とする材料診断方法である。
The eighth technique related to the present invention has been made based on the above findings.
It is a material diagnostic method that non-destructively diagnoses the microstructure generated in the material using ultrasonic waves.
Sound velocity, attenuation coefficient, bottom wave frequency distribution, low frequency side wave height, high frequency side wave height, frequency distribution of backward scattered wave, and integrated intensity of frequency of backward scattered wave obtained by injecting ultrasonic waves into the material. Using one or more indicators selected from the area ratio,
The material to be diagnosed in the initial state, the material to be diagnosed that is similar to the material to be diagnosed and has no microstructure, or the material to be diagnosed in which the amount of microstructure generated is known in advance. Based on the change between the acquired reference material data and the material data to be diagnosed obtained at the time of diagnosis, and the usage history of the material.
It is a material diagnostic method characterized by discriminating the type of microstructure generated.

本技術により判別されたそれぞれのミクロ組織欠陥については、前記した第1〜第7の技術の各診断方法を適用することにより、発生量や深さ分布を推定、ないし定量することができる。 By applying each of the diagnostic methods of the first to seventh techniques described above, the amount of occurrence and the depth distribution can be estimated or quantified for each microstructure defect determined by the present technique.

(5)以上のように、本発明者は、従来のように超音波信号波形の後方散乱波強度の変化だけに着目してミクロ組織の診断を行うのではなく、炭化物等の析出物、ボイド、転位、相変態などのミクロ組織の発生に伴う結晶粒物性値(体積、密度、音速等)の変化も加味して分析を行うことにより、微小なミクロ組織であっても容易に精度高く診断することができることを見出した。 (5) As described above, the present inventor does not diagnose the microstructure by focusing only on the change in the backscattered wave intensity of the ultrasonic signal waveform as in the conventional case, but deposits such as carbides and voids. By analyzing changes in crystal grain physical properties (volume, density, sound velocity, etc.) due to the generation of microstructures such as dislocations and phase transformations, even minute microstructures can be easily and accurately diagnosed. I found that I could do it.

即ち、本発明に関連する第9の技術は、
材料中に生じたミクロ組織を、超音波を用いて非破壊的に診断する材料診断方法であって、
初期状態にある診断対象の材料、診断対象の材料と同種材料であってミクロ組織の発生がない状態の材料、ミクロ組織の発生量が予め分かっている状態の診断対象の材料のいずれかに超音波を入射して、超音波波形および材料の結晶粒物性値を取得する第1のデータ取得工程と、
診断対象の材料中に超音波を入射して、超音波波形および材料の結晶粒物性値を取得する第2のデータ取得工程と
を備えており、
前記第1のデータ取得工程および前記第2のデータ取得工程において得られた結晶粒物性値の変化を加味して、前記超音波波形を評価することにより、材料中に生じたミクロ組織を診断することを特徴とする材料診断方法である。
That is, the ninth technique related to the present invention is
It is a material diagnostic method that non-destructively diagnoses the microstructure generated in the material using ultrasonic waves.
The material to be diagnosed in the initial state, the material to be diagnosed that is similar to the material to be diagnosed and has no microstructure, or the material to be diagnosed in which the amount of microstructure generated is known in advance. The first data acquisition step of acquiring the ultrasonic waveform and the crystal grain property value of the material by injecting a sound wave, and
It is provided with a second data acquisition step of acquiring ultrasonic waves and crystal grain property values of the material by injecting ultrasonic waves into the material to be diagnosed.
The microstructure generated in the material is diagnosed by evaluating the ultrasonic waveform in consideration of the changes in the crystal grain property values obtained in the first data acquisition step and the second data acquisition step. This is a material diagnostic method characterized by the above.

また、本発明に関連する第10の技術は、
前記材料中に発生したミクロ組織が、析出物、ボイド、転位および相変態のいずれか1つ以上のミクロ組織であることを特徴とする第9の技術に記載の材料診断方法である。
Further, the tenth technique related to the present invention is
The material diagnostic method according to a ninth technique, wherein the microstructure generated in the material is a microstructure of any one or more of precipitates, voids, dislocations, and phase transformations.

本発明は、上記した各技術に基づいてなされたものであり、請求項に記載の発明は、
析出物、ボイド、転位および相変態のいずれか1つ以上のミクロ組織が生じた結晶粒において、後方散乱波の変化が深さ方向のミクロ組織分布に関係していることに基づいて、材料中に生じたミクロ組織を、超音波を用いて非破壊的に定量して診断する材料診断方法であって、
ミクロ組織の発生量が既知である診断対象の材料中に超音波を入射して取得された超音波波形の後方散乱波領域を、前記材料の深さ方向に所定の幅の区間に区切り、各区間毎に周波数変換を用いて後方散乱波の周波数分布の積分強度面積比を算出する診断対象周波数分布の積分強度面積比算出工程と、
ミクロ組織の深さ分布を仮定して、前記診断対象周波数分布の積分強度面積比算出工程と同じ区間毎に算出した後方散乱波の周波数分布の積分強度面積比を照合しながら、ミクロ組織の深さ分布を決定することにより診断対象の材料におけるミクロ組織の深さ分布を定量するミクロ組織の深さ分布定量工程と
を備えていることを特徴とする材料診断方法である。
The present invention has been made based on the above-mentioned techniques, and the invention according to claim 1 is the invention.
In grains with one or more microstructures of precipitates, voids, dislocations and phase transformations, in the material based on the fact that changes in backscattered waves are related to the microstructure distribution in the depth direction. It is a material diagnosis method that non-destructively quantifies and diagnoses the microstructure generated in the above using ultrasonic waves.
The backscattered wave region of the ultrasonic waveform acquired by injecting ultrasonic waves into the material to be diagnosed whose amount of microstructure is known is divided into sections having a predetermined width in the depth direction of the material, and each of them is divided. The process of calculating the integrated intensity area ratio of the frequency distribution of the backscattered wave using frequency conversion for each section, and the process of calculating the integrated intensity area ratio of the frequency distribution to be diagnosed.
Assuming the depth distribution of the microstructure, the depth of the microstructure is compared with the integrated intensity area ratio of the frequency distribution of the backscattered wave calculated for each section in the same section as the step of calculating the integrated intensity area ratio of the frequency distribution to be diagnosed. The material diagnosis method is characterized by including a microstructure depth distribution quantification step for quantifying the microstructure depth distribution in the material to be diagnosed by determining the bulk distribution.

請求項に記載の発明は、
析出物、ボイド、転位および相変態のいずれか1つ以上のミクロ組織が生じた結晶粒において、後方散乱波の変化が深さ方向のミクロ組織分布に関係していることに基づいて、材料中に生じたミクロ組織を、超音波を用いて非破壊的に定量して診断する材料診断方法であって、
転位密度および結晶粒径が既知である診断対象の材料中に超音波を入射して取得された超音波波形の後方散乱波領域を、前記材料の深さ方向に所定の幅の区間に区切り、各区間において周波数変換を用いて後方散乱波の周波数分布の積分強度面積比を算出する診断対象周波数分布の積分強度面積比算出工程と、
ミクロ組織の深さ分布を仮定して、前記診断対象周波数分布の積分強度面積比のデータ算出工程と同じ区間毎に周波数分布の積分強度面積比を算出する照合用周波数分布の積分強度面積比算出工程と、
前記診断対象周波数分布の積分強度面積比作成工程および前記照合用周波数分布の積分強度面積比算出工程において得られた各周波数分布の積分強度面積比から材料中のミクロ組織の深さ分布を決定し、決定されたミクロ組織の深さ分布の仮定により、診断対象の材料におけるミクロ組織の転位深さ分布を定量するミクロ組織の転位深さ分布定量工程と
を備えていることを特徴とする材料診断方法である。
The invention according to claim 2
In grains with one or more microstructures of precipitates, voids, dislocations and phase transformations, in the material based on the fact that changes in backscattered waves are related to the microstructure distribution in the depth direction. It is a material diagnosis method that non-destructively quantifies and diagnoses the microstructure generated in the above using ultrasonic waves.
The backscattered wave region of the ultrasonic waveform obtained by injecting ultrasonic waves into the material to be diagnosed whose transposition density and crystal grain size are known is divided into sections having a predetermined width in the depth direction of the material. The process of calculating the integrated intensity area ratio of the frequency distribution of the backscattered wave using frequency conversion in each section, and the process of calculating the integrated intensity area ratio of the frequency distribution to be diagnosed.
Assuming the depth distribution of the microstructure, calculate the integrated intensity area ratio of the frequency distribution for each section same as the data calculation process of the integrated intensity area ratio of the frequency distribution to be diagnosed. Process and
The depth distribution of the microstructure in the material is determined from the integrated intensity area ratio of each frequency distribution obtained in the integrated intensity area ratio creation step of the frequency distribution to be diagnosed and the integrated intensity area ratio calculation step of the matching frequency distribution. , A material diagnosis characterized by comprising a microstructure dislocation depth distribution quantification step for quantifying the dislocation depth distribution of the microstructure in the material to be diagnosed based on the determined microstructure depth distribution assumption. The method.

本発明によれば、材料に対して数十μm程度以下の微小なミクロ組織であっても、その種類、発生量、深さ分布などについて、非破壊で充分に精度良く定量、評価して、診断することができる材料診断方法を提供することができる。 According to the present invention, even if the microstructure is as small as several tens of μm or less with respect to the material, its type, amount generated, depth distribution, etc. are non-destructively quantified and evaluated with sufficient accuracy. A material diagnostic method that can be diagnosed can be provided.

超音波による材料診断測定方法を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the material diagnosis measurement method by ultrasonic wave. ボイドが発生した場合の結晶粒の物性値の変化を説明する図である。It is a figure explaining the change of the physical property value of a crystal grain when a void occurs. 材料に超音波を入射したときに観測される超音波信号波の波形の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the waveform of the ultrasonic signal wave observed when the ultrasonic wave is incident on the material. 超音波信号波の波形とミクロ組織分布および材料特性の関連性を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the waveform of an ultrasonic signal wave, the microstructure distribution and the material property. 底面波の周波数分布に基づいて減衰係数を算出する方法を説明する図である。It is a figure explaining the method of calculating the attenuation coefficient based on the frequency distribution of the bottom wave. 1.3%ボイドスエリングした場合の底面波および後方散乱波の周波数分布を示す図である。It is a figure which shows the frequency distribution of the bottom wave and the backscattered wave at the time of 1.3% void swirling. 炭化物析出により0.6%緻密化した場合の底面波および後方散乱波の周波数分布を示す図である。It is a figure which shows the frequency distribution of the bottom wave and the backscatter wave when it is densified by 0.6% by the precipitation of carbides. 転位密度が増加した場合の底面波および後方散乱波の周波数分布を示す図である。It is a figure which shows the frequency distribution of the bottom wave and the backscatter wave when the dislocation density increases. ボイドスエリングの深さ分布を示す図である。It is a figure which shows the depth distribution of void swelling. ボイドスエリングの深さ分布がある場合の各深さにおける後方散乱波の周波数分布を示す図である。It is a figure which shows the frequency distribution of the backscattered wave at each depth when there is a depth distribution of void swelling. ボイドスエリングが一様に分布している場合の各深さにおける後方散乱波の周波数分布の積分強度面積比を示す図である。It is a figure which shows the integral intensity area ratio of the frequency distribution of the backscattered wave at each depth when the void swelling is uniformly distributed. 本発明の一実施の形態において、被検対象材料を深さ方向に分割する分割方法を示す図である。It is a figure which shows the division method which divides the material to be examined in the depth direction in one Embodiment of this invention. ボイドスエリングに深さ分布がある場合の各深さにおける後方散乱波の周波数分布の積分強度面積比を示す図である。It is a figure which shows the integral intensity area ratio of the frequency distribution of the backscattered wave at each depth when there is a depth distribution in void swelling. 照射材と未照射材の後方散乱波周波数分布の積分強度面積比を比較した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having compared the integrated intensity area ratio of the backscattered wave frequency distribution of an irradiated material and an unirradiated material. 照射材の後方散乱波周波数分布の積分強度面積比の実験値を理論計算と比較した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having compared the experimental value of the integral intensity area ratio of the backscattered wave frequency distribution of an irradiation material with the theoretical calculation. ミクロ組織が同時に発生した場合の判別方法を説明する図である。It is a figure explaining the discrimination method when microstructures occur at the same time.

1.一様分布の場合のミクロ組織発生量の定量評価
以下は、ステンレス製の六角柱材厚さ52.23mmの材料について、ミクロ組織が一様に分布している場合におけるミクロ組織発生量を定量評価する方法に関する。
1. 1. Quantitative evaluation of the amount of microstructure generated in the case of uniform distribution The following is a quantitative evaluation of the amount of microstructure generated in the case of uniformly distributed microstructure for a stainless steel hexagonal column material with a thickness of 52.23 mm. Regarding how to do it.

(1)ミクロ組織の発生がない状態の材料の超音波データの取得
最初に、ミクロ組織の発生がない状態の材料(未照射アーカイブ材)にピーク周波数10MHzの超音波を入射して、超音波波形を取得した。
(1) Acquisition of ultrasonic data of a material without microstructure generation First, ultrasonic waves with a peak frequency of 10 MHz are incident on a material without microstructure generation (unirradiated archive material) to obtain ultrasonic waves. The waveform was acquired.

(2)ミクロ組織が発生した材料の超音波データの取得
仮定したミクロ組織の発生による結晶粒の物性値変化(ここでは音速の変化を用いた)に着目し、減衰係数の変化量に基づいて周波数分布の計算を行った。以下、ボイド、析出物、転位により発生したミクロ組織のそれぞれの場合について、具体的な計算例を示す。
(2) Acquisition of ultrasonic data of the material in which the microstructure is generated Focusing on the change in the physical property value of the crystal grains (here, the change in sound velocity is used) due to the generation of the assumed microstructure, based on the amount of change in the damping coefficient. The frequency distribution was calculated. Hereinafter, specific calculation examples will be shown for each of the cases of voids, precipitates, and microstructures generated by dislocations.

(a)ボイドにより発生したミクロ組織の場合
ミクロ組織として、スエリング1.3%のボイドスエリングにより発生したミクロ組織を仮定して、(式2)を用いて各周波数毎の減衰係数αを求め、底面波の周波数分布を算出した。過去の知見により、スエリング1.3%のボイドスエリングの発生による音速の変化量を0.7%とした。
(A) In the case of microstructure generated by voids Assuming that the microstructure is microstructure generated by void swelling of 1.3% swelling, the attenuation coefficient α L for each frequency is obtained using (Equation 2). , The frequency distribution of the bottom wave was calculated. Based on past findings, the amount of change in sound velocity due to the occurrence of void swelling with swelling of 1.3% was set to 0.7%.

計算結果を図6に示す。なお、図6には、材料物性平均値とミクロ組織深さ分布の観点から底面波の周波数分布(a)と、深さ36−50mmにおける後方散乱波の周波数分布(b)とを記載している。そして、図6において、実線はミクロ組織が発生していない未照射アーカイブ材、破線は1.3%スエリングの材料である。 The calculation result is shown in FIG. Note that FIG. 6 shows the frequency distribution (a) of the bottom wave and the frequency distribution (b) of the backscattered wave at a depth of 36 to 50 mm from the viewpoint of the average value of material properties and the microstructure depth distribution. There is. In FIG. 6, the solid line is the unirradiated archive material in which no microstructure is generated, and the broken line is the 1.3% swelling material.

図6より、ミクロ組織がない場合のデータ(実線)とミクロ組織がある場合のデータ(破線)とは、明確に区別できていることが分かる。 From FIG. 6, it can be seen that the data when there is no microstructure (solid line) and the data when there is microstructure (broken line) can be clearly distinguished.

(b)析出物により発生したミクロ組織の場合
ミクロ組織として、炭化物析出により0.6%緻密化することにより発生したミクロ組織を仮定して、上記と同じ方法を用いて底面波の周波数分布および後方散乱波の周波数分布を算出した。なお、過去の知見より、炭化物析出による0.6%緻密化による音速の変化量を2%とした。
(B) In the case of the microstructure generated by the precipitate As the microstructure, assuming the microstructure generated by 0.6% densification by the carbide precipitation, the frequency distribution of the bottom wave and the frequency distribution of the bottom wave are used by using the same method as above. The frequency distribution of the backscattered wave was calculated. Based on past findings, the amount of change in sound velocity due to 0.6% densification due to carbide precipitation was set to 2%.

計算結果を図7に示す。なお、図7には、上記と同様の観点から底面波の周波数分布(a)と、深さ36−50mmにおける後方散乱波の周波数分布(b)とを記載している。そして、図7において、実線はミクロ組織が発生していない未照射アーカイブ材、破線は炭化物が析出した材料である。 The calculation result is shown in FIG. Note that FIG. 7 shows the frequency distribution (a) of the bottom wave and the frequency distribution (b) of the backscattered wave at a depth of 36 to 50 mm from the same viewpoint as described above. In FIG. 7, the solid line is the unirradiated archive material in which no microstructure is generated, and the broken line is the material in which carbides are deposited.

図7より、ミクロ組織がない場合のデータ(実線)とミクロ組織がある場合のデータ(破線)とは、明確に区別できていることが分かる。 From FIG. 7, it can be seen that the data when there is no microstructure (solid line) and the data when there is microstructure (broken line) can be clearly distinguished.

(c)転位により発生したミクロ組織の場合
ミクロ組織として、転位密度の増加(1015m/m)により発生したミクロ組織を仮定し、(式3)、(式5)を用いて各ω毎の減衰係数を求め、結晶粒の物性値変化により減衰係数が変化したことに着目しながら、平均転位長さをパラメータとして、底面波と後方散乱波の周波数分布を算出した。
(C) In the case of microstructure generated by dislocation As the microstructure, a microstructure generated by an increase in dislocation density (10 15 m / m 3 ) is assumed, and each ω is used using (Equation 3) and (Equation 5). The damping coefficient for each was obtained, and the frequency distribution of the bottom wave and the backscattered wave was calculated with the average dislocation length as a parameter, paying attention to the change in the damping coefficient due to the change in the physical properties of the crystal grains.

計算結果を図8に示す。なお、図8には、上記と同様の観点から底面波の周波数分布(a)と、深さ25−39mmにおける後方散乱波の周波数分布(b)とを記載している。そして、図8において、実線はミクロ組織が発生していない未照射アーカイブ材から得られた周波数分布であり、その他の線は増加した転位密度による平均転位長さを50nm(破線)、100nm(点線)、150nm(一点鎖線)、200nm(二点鎖線)と仮定したときに得られた周波数分布である。 The calculation result is shown in FIG. Note that FIG. 8 shows the frequency distribution (a) of the bottom wave and the frequency distribution (b) of the backscattered wave at a depth of 25 to 39 mm from the same viewpoint as described above. In FIG. 8, the solid line is the frequency distribution obtained from the unirradiated archive material in which no microstructure is generated, and the other lines show the average dislocation length due to the increased dislocation density of 50 nm (broken line) and 100 nm (dotted line). ), 150 nm (dashed line), and 200 nm (dashed line).

図8より、ミクロ組織の発生がない場合のデータ(実線)とミクロ組織が発達した場合のデータ(その他の線)とは、明確に区別できており、さらに、平均転位長さの違いによっても明確に区別できていることが分かる。 From FIG. 8, the data when no microstructure is generated (solid line) and the data when microstructure is developed (other lines) can be clearly distinguished, and further, the difference in the average dislocation length also causes. It can be seen that they can be clearly distinguished.

(3)考察
以上の各場合における結果より、ミクロ組織の発生による結晶粒の物性値変化に着目し、上記の各式を用いて結晶粒の物性値を反映させることにより、微小なミクロ組織であっても明確に区別することが可能となることが分かる。
(3) Consideration From the results in each of the above cases, paying attention to the change in the physical property value of the crystal grain due to the generation of the microstructure, by reflecting the physical property value of the crystal grain using each of the above formulas, a minute microstructure can be obtained. It can be seen that even if there is, it is possible to clearly distinguish them.

そして、本方法を適用して、それぞれの場合における各仮定を種々変化させて多くの周波数分布を予め作成しておけば、診断対象の材料に超音波を照射して得られた周波数分布と照合することにより、容易にミクロ組織を定量評価することが可能となる。 Then, by applying this method and creating many frequency distributions in advance by changing each assumption in each case in advance, the material to be diagnosed is collated with the frequency distribution obtained by irradiating the material with ultrasonic waves. By doing so, it becomes possible to easily quantitatively evaluate the microstructure.

なお、上記においては、同一材料を用いてミクロ組織の発生がない状態(初期状態)の材料の経時データを用いてミクロ組織の定量評価を行った。 In the above, the quantitative evaluation of the microstructure was performed using the same material and the time-lapse data of the material in the state where no microstructure was generated (initial state).

しかしながら、同一材料を用いてミクロ組織の定量評価を行なうことに代えて、同種の未照射アーカイブ材を用いて測定したデータを未照射アーカイブ材のデータとして、ミクロ組織の定量評価を行ってもよい。 However, instead of quantitatively evaluating the microstructure using the same material, the data measured using the same type of unirradiated archive material may be used as the data of the unirradiated archive material to quantitatively evaluate the microstructure. ..

2.ミクロ組織の深さ分布の定量評価
以下は、深さ分布をもったボイドについて、その深さ分布について定量評価する方法に関し、(A)後方散乱波周波数分布を用いた定量評価、(B)後方散乱波周波数分布の積分強度面積比を用い定量評価の順に説明する。
2. Quantitative evaluation of the depth distribution of the microstructure The following describes (A) quantitative evaluation using the backscattered wave frequency distribution, and (B) backward regarding the method of quantitatively evaluating the depth distribution of voids having a depth distribution. It will be described in order of quantitative evaluation using the integrated intensity area ratio of the scattered wave frequency distribution.

(A)後方散乱波周波数分布を用いた定量評価
(1)ミクロ組織の発生がない状態の材料の超音波データの取得
最初に、ステンレス製の六角柱材の厚さ52.23mmであって、ミクロ組織の発生がない状態の材料(未照射アーカイブ材)に、ピーク周波数10MHzの超音波を入射して、超音波波形を取得し、後方散乱波計算領域として区間を14mm幅として、深さ16−30mm、および36−50mmにおける後方散乱波の周波数分布を算出した。
(A) Quantitative evaluation using backscattered wave frequency distribution (1) Acquisition of ultrasonic data of material without microstructure First, the thickness of the hexagonal column made of stainless steel was 52.23 mm. An ultrasonic wave with a peak frequency of 10 MHz is incident on a material (unirradiated archive material) in a state where no microstructure is generated, an ultrasonic wave waveform is acquired, a section is 14 mm wide as a backscattered wave calculation region, and a depth is 16 The frequency distribution of backscattered waves at -30 mm and 36-50 mm was calculated.

(2)対象材料
診断対象の材料として、以下のミクロ組織が発生した2種類の材料を仮定した。
(イ)スエリングが1.3%のボイドが一様に分布して発生している材料
(ロ)両端の幅16mmにスエリング0.7%のボイド、中央部の幅20.23mmにスエリング2.25%のボイド(総幅52.23mm、平均スエリング1.3%)が発生している材料(図9参照)
(2) Target materials Two types of materials with the following microstructures were assumed as the materials to be diagnosed.
(A) Material in which voids with 1.3% swelling are uniformly distributed (b) Voids with 0.7% swelling at both ends of 16 mm width and swelling with a width of 20.23 mm at the center 2. Material with 25% voids (total width 52.23 mm, average swelling 1.3%) (see FIG. 9)

(3)後方散乱波の周波数分布の取得
各診断対象材料について、式(4)を用いて、後方散乱波計算領域として区間を14mm幅として、深さ16−30mm、および36−50mmにおける後方散乱波の周波数分布を算出した。
(3) Acquisition of frequency distribution of backscattered waves For each material to be diagnosed, backscattering at depths of 16-30 mm and 36-50 mm with a section of 14 mm width as the backscattered wave calculation region using equation (4). The frequency distribution of the wave was calculated.

計算結果を図10に示す。図10において、(a)は深さ16−30mmにおける後方散乱波の周波数分布、(b)は深さ35−50mmにおける後方散乱波の周波数分布を示しており、実線は未照射アーカイブ材、破線は一様なボイド、一点鎖線は分布のあるボイドから得られた周波数分布である。 The calculation result is shown in FIG. In FIG. 10, (a) shows the frequency distribution of the backscattered wave at a depth of 16-30 mm, (b) shows the frequency distribution of the backscattered wave at a depth of 35-50 mm, and the solid line shows the unirradiated archive material and the broken line. Is a uniform void, and the alternate long and short dash line is a frequency distribution obtained from a distributed void.

図10より、(a)、(b)いずれにおいても、ミクロ組織の発生がない材料(実線)、一様なボイドが発生している材料(破線)、分布のあるボイドが発生している材料(一点鎖線)のそれぞれが明確に区別できていることが分かる。 From FIG. 10, in both (a) and (b), a material without microstructure generation (solid line), a material with uniform voids (broken line), and a material with distributed voids are generated. It can be seen that each of the (dotted chain lines) is clearly distinguishable.

このように、ミクロ組織の発生による結晶粒の物性値変化に着目し、上記の式を適用することにより、深さ分布を有するミクロ組織を明確に区別することが可能となる。 In this way, by paying attention to the change in the physical property value of the crystal grains due to the generation of the microstructure and applying the above formula, it is possible to clearly distinguish the microstructure having a depth distribution.

そして、本方法を適用して、ボイドなどのミクロ組織の仮定を種々変化させて、各区間毎の後方散乱波の周波数分布を予め作成しておけば、診断対象の材料に超音波を照射して得られた各区間毎の周波数分布と照合することにより、容易にボイドなどのミクロ組織の深さ分布の定量評価が可能となる。 Then, if this method is applied to change the assumptions of microstructures such as voids in advance and the frequency distribution of backscattered waves for each section is created in advance, the material to be diagnosed is irradiated with ultrasonic waves. By collating with the frequency distribution for each section obtained above, it is possible to easily quantitatively evaluate the depth distribution of microstructures such as voids.

なお、本発明者は、深さ分布をもった転位における深さ分布の定量評価についても、上記と同様にすることにより、定量評価が可能となることを確認している。 The present inventor has confirmed that the quantitative evaluation of the depth distribution in the dislocation having the depth distribution can be performed in the same manner as described above.

(B)後方散乱波周波数分布の積分強度面積比を用いた定量評価
(1)ボイドが一様に分布して発生している材料
まず、診断対象の材料として、ボイドが一様に分布して発生している材料を仮定し、後方散乱波周波数分布の積分強度面積比を求めた。
(B) Quantitative evaluation using the integrated intensity area ratio of the backscattered wave frequency distribution (1) Materials in which voids are uniformly distributed First, voids are uniformly distributed as materials to be diagnosed. Assuming the generated material, the integrated intensity area ratio of the backscattered wave frequency distribution was calculated.

具体的には、未照射アーカイブ材に、0%、1%、2%、3%、5%のスエリングでボイドが一様に分布して発生している材料を仮定し、各材料について、深さ幅12mmにおける材料表面からの深さを変化させて後方散乱波周波数分布の積分強度を求めた。例えば、スエリング0%の深さ42mmにおける計算は、前記未照射アーカイブ材において、周波数6−9MHzを積分した。 Specifically, assuming a material in which voids are uniformly distributed in unirradiated archive material with 0%, 1%, 2%, 3%, and 5% swelling, the depth of each material is assumed. The integrated intensity of the backscattered wave frequency distribution was obtained by changing the depth from the material surface at a width of 12 mm. For example, the calculation at a depth of 42 mm with 0% swelling integrated a frequency of 6-9 MHz in the unirradiated archive material.

計算結果を図11に示す。図11において横軸は材料表面からの深さ(mm)である。そして、縦軸は、深さ幅12mmにおける後方散乱波周波数分布の積分強度を深さ18mmで規格化した、後方散乱波周波数分布の積分強度面積比である。 The calculation result is shown in FIG. In FIG. 11, the horizontal axis is the depth (mm) from the material surface. The vertical axis is the integrated intensity area ratio of the backscattered wave frequency distribution in which the integrated intensity of the backscattered wave frequency distribution at a depth width of 12 mm is standardized at a depth of 18 mm.

図11より、ボイドが一様に分布している場合には、スエリングにより後方散乱波周波数分布の積分強度面積比が変化していることが確認できる。 From FIG. 11, it can be confirmed that when the voids are uniformly distributed, the integrated intensity area ratio of the backscattered wave frequency distribution is changed by swelling.

(2)ボイドが分布を持って発生している材料
次に、診断対象の材料として、図12に示す(a)〜(c)領域において、表1に示すスエリングの分布でボイドが発生している4種類の材料を仮定し、各材料につき前記と同様にして、後方散乱波周波数分布の積分強度面積比を求めた。なお、表1に示すように、これらの材料における平均スエリングはいずれも1%であり、平均ボイド量は同じである。
(2) Material in which voids are generated with a distribution Next, as a material to be diagnosed, voids are generated in the swelling distribution shown in Table 1 in the regions (a) to (c) shown in FIG. Assuming four types of materials, the integrated intensity area ratio of the backscattered wave frequency distribution was obtained for each material in the same manner as described above. As shown in Table 1, the average swelling of these materials is 1%, and the average void amount is the same.

Figure 0006775233
Figure 0006775233

計算結果を図13に示す。図13より、材料全体における平均ボイド量が同じであるにもかかわらず、ボイドの分布によって後方散乱波周波数分布の積分強度面積比が異なっていることが確認できる。 The calculation result is shown in FIG. From FIG. 13, it can be confirmed that the integrated intensity area ratio of the backscattered wave frequency distribution differs depending on the void distribution even though the average void amount in the entire material is the same.

(3)照射材から得られた実験値と未照射材との比較
次に、ミクロ組織の発生がない状態の未照射アーカイブ材と、ミクロ組織の発生がある照射材とにおける後方散乱波周波数分布の積分強度面積比を求め、比較した。結果を図14に示す。
(3) Comparison of experimental values obtained from the irradiated material with the unirradiated material Next, the backscattered wave frequency distribution between the unirradiated archive material without the generation of microstructure and the irradiated material with the generation of microstructure. The integrated intensity area ratio of was obtained and compared. The results are shown in FIG.

図14より、照射材ではミクロ組織の発生があるため、後方散乱波周波数分布の積分強度面積比が、未照射アーカイブ材から変化していることが分かる。そして、この変化は、図11に示した一様な分布でのボイドスエリングの変化とは異なり、図13に示した、(b)領域3%スエリングに近い挙動を示していることが分かる。 From FIG. 14, it can be seen that the integrated intensity area ratio of the backscattered wave frequency distribution changes from that of the unirradiated archive material because microstructure is generated in the irradiated material. It can be seen that this change is different from the change in void swelling in the uniform distribution shown in FIG. 11, and exhibits a behavior close to that of (b) region 3% swelling shown in FIG.

次に、前記照射材について、図14で得られたミクロ組織変化の深さ分布の定量評価を行なった。具体的には、表2に示すボイドスエリング分布を表面からの深さ毎に割り振って(式1〜5)を用いて計算した結果を理論値として示した。なお、照射材の全長は52.2mmである。結果を図15に示す。 Next, the irradiation material was quantitatively evaluated for the depth distribution of the microstructure change obtained in FIG. Specifically, the results calculated by allocating the void swelling distribution shown in Table 2 for each depth from the surface and using (Equations 1 to 5) are shown as theoretical values. The total length of the irradiation material is 52.2 mm. The results are shown in FIG.

図15に示す通り、理論値と、実際に密度測定結果から得られたボイドスエリング量との間には、よい一致が見られている。 As shown in FIG. 15, there is a good agreement between the theoretical value and the amount of void swelling actually obtained from the density measurement result.

Figure 0006775233
Figure 0006775233

表2に示したボイドスエリングの深さ分布は、照射材の密度測定結果から求めた深さ分布およびTEMによるボイド観察結果から求めた深さ分布と優れた一致性が見られ、本発明の方法を適用することにより、容易にボイドなどのミクロ組織の深さ分布の定量評価が可能となることが確認できた。 The depth distribution of void swelling shown in Table 2 is in excellent agreement with the depth distribution obtained from the density measurement result of the irradiation material and the depth distribution obtained from the void observation result by TEM, and the method of the present invention is found. It was confirmed that by applying the above, it is possible to easily quantitatively evaluate the depth distribution of microstructures such as voids.

なお、本発明者は、深さ分布をもった転位組織や析出物における深さ分布の定量評価についても、上記と同様にすることにより、定量評価が可能となることを確認している。 The present inventor has confirmed that the quantitative evaluation of the depth distribution in the dislocation structure and the precipitate having the depth distribution can be performed in the same manner as described above.

3.ミクロ組織が同時に存在している場合の判別
以下は、ミクロ組織が同時に存在している場合における個々のミクロ組織を判別する方法に関する。
3. 3. Discrimination when microstructures exist at the same time The following relates to a method for discriminating individual microstructures when microstructures exist at the same time.

(1)仮定
ミクロ組織の発生は、まず転位組織が成長し、次に炭化物が析出し、最後にボイドスエリングが発生すると仮定した。
(1) Assumption It was assumed that the microstructure was generated by first growing the dislocation structure, then precipitating carbides, and finally void swelling.

(2)指標
指標としては、音速、後方散乱波ピーク周波数、7MHz(低周波数側)および13MHz(高周波数側)の波高の4つを指標とした。
(2) Index As the index, four indexes were used: the speed of sound, the backscattered wave peak frequency, and the wave heights of 7 MHz (low frequency side) and 13 MHz (high frequency side).

(3)超音波データの取得
ミクロ組織の発生がない状態、および上記した各ミクロ組織が発生している状態の材料中に超音波を入射した場合に得られる周波分布を算出した後、前記各指標を算出し、ミクロ組織の発生がない状態の値を基準とした相対変化を求めた。
(3) Acquisition of ultrasonic data After calculating the frequency distribution obtained when ultrasonic waves are incident on the material in the state where no microstructure is generated and in the state where each of the above microstructures is generated, each of the above The index was calculated, and the relative change was calculated based on the value in the state where no microstructure was generated.

測定結果を図16に示す。図16において、○は後方散乱波ピーク周波数の波高、□は7MHzの波高、■は13MHzの波高、△は音速である。 The measurement result is shown in FIG. In FIG. 16, ◯ is the wave height of the backscattered wave peak frequency, □ is the wave height of 7 MHz, ■ is the wave height of 13 MHz, and Δ is the speed of sound.

図16より、音速の相対変化がそれほど大きくないのに対し、その他の指標の相対変化が大きいことが分かる。そして、ミクロ組織の存在状態によって、各データの配置が異なっていることを明確に区分することができ、ミクロ組織の判別ができていることが分かる。 From FIG. 16, it can be seen that the relative change in the speed of sound is not so large, while the relative change in the other indicators is large. Then, it can be clearly classified that the arrangement of each data is different depending on the existence state of the microstructure, and it can be seen that the microstructure can be discriminated.

このように、ミクロ組織の発生による結晶粒の物性値変化に着目することにより、後方散乱波の周波数分布から得られる指標の相対変化を大きくすることができる。そして、これらの指標の変化に着目することにより、同時に発生したミクロ組織の判別が可能となる。 In this way, by paying attention to the change in the physical property value of the crystal grain due to the generation of the microstructure, the relative change of the index obtained from the frequency distribution of the backscattered wave can be increased. Then, by paying attention to the changes in these indexes, it becomes possible to discriminate the microstructures that occur at the same time.

以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることができる。 Although the present invention has been described above based on the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. Various modifications can be made to the above embodiments within the same and equivalent scope as the present invention.

Claims (2)

析出物、ボイド、転位および相変態のいずれか1つ以上のミクロ組織が生じた結晶粒において、後方散乱波の変化が深さ方向のミクロ組織分布に関係していることに基づいて、材料中に生じたミクロ組織を、超音波を用いて非破壊的に定量して診断する材料診断方法であって、
ミクロ組織の発生量が既知である診断対象の材料中に超音波を入射して取得された超音波波形の後方散乱波領域を、前記材料の深さ方向に所定の幅の区間に区切り、各区間毎に周波数変換を用いて後方散乱波の周波数分布の積分強度面積比を算出する診断対象周波数分布の積分強度面積比算出工程と、
ミクロ組織の深さ分布を仮定して、前記診断対象周波数分布の積分強度面積比算出工程と同じ区間毎に算出した後方散乱波の周波数分布の積分強度面積比を照合しながら、ミクロ組織の深さ分布を決定することにより診断対象の材料におけるミクロ組織の深さ分布を定量するミクロ組織の深さ分布定量工程と
を備えていることを特徴とする材料診断方法。
In grains with one or more microstructures of precipitates, voids, dislocations and phase transformations, in the material based on the fact that changes in backscattered waves are related to the microstructure distribution in the depth direction. It is a material diagnosis method that non-destructively quantifies and diagnoses the microstructure generated in the above using ultrasonic waves.
The backscattered wave region of the ultrasonic waveform acquired by injecting ultrasonic waves into the material to be diagnosed whose amount of microstructure is known is divided into sections having a predetermined width in the depth direction of the material, and each of them is divided. The process of calculating the integrated intensity area ratio of the frequency distribution of the backscattered wave using frequency conversion for each section, and the process of calculating the integrated intensity area ratio of the frequency distribution to be diagnosed.
Assuming the depth distribution of the microstructure, the depth of the microstructure is compared with the integrated intensity area ratio of the frequency distribution of the backscattered wave calculated for each section in the same section as the step of calculating the integrated intensity area ratio of the frequency distribution to be diagnosed. A material diagnosis method comprising a microstructure depth distribution quantification step for quantifying the microstructure depth distribution in a material to be diagnosed by determining the bulk distribution.
析出物、ボイド、転位および相変態のいずれか1つ以上のミクロ組織が生じた結晶粒において、後方散乱波の変化が深さ方向のミクロ組織分布に関係していることに基づいて、材料中に生じたミクロ組織を、超音波を用いて非破壊的に定量して診断する材料診断方法であって、
転位密度および結晶粒径が既知である診断対象の材料中に超音波を入射して取得された超音波波形の後方散乱波領域を、前記材料の深さ方向に所定の幅の区間に区切り、各区間において周波数変換を用いて後方散乱波の周波数分布の積分強度面積比を算出する診断対象周波数分布の積分強度面積比算出工程と、
ミクロ組織の深さ分布を仮定して、前記診断対象周波数分布の積分強度面積比のデータ算出工程と同じ区間毎に周波数分布の積分強度面積比を算出する照合用周波数分布の積分強度面積比算出工程と、
前記診断対象周波数分布の積分強度面積比作成工程および前記照合用周波数分布の積分強度面積比算出工程において得られた各周波数分布の積分強度面積比から材料中のミクロ組織の深さ分布を決定し、決定されたミクロ組織の深さ分布の仮定により、診断対象の材料におけるミクロ組織の転位深さ分布を定量するミクロ組織の転位深さ分布定量工程と
を備えていることを特徴とする材料診断方法。
In grains with one or more microstructures of precipitates, voids, dislocations and phase transformations, in the material based on the fact that changes in backscattered waves are related to the microstructure distribution in the depth direction. It is a material diagnosis method that non-destructively quantifies and diagnoses the microstructure generated in the above using ultrasonic waves.
The backscattered wave region of the ultrasonic waveform obtained by injecting ultrasonic waves into the material to be diagnosed whose transposition density and crystal grain size are known is divided into sections having a predetermined width in the depth direction of the material. The process of calculating the integrated intensity area ratio of the frequency distribution of the backscattered wave using frequency conversion in each section, and the process of calculating the integrated intensity area ratio of the frequency distribution to be diagnosed.
Assuming the depth distribution of the microstructure, calculate the integrated intensity area ratio of the frequency distribution for each section same as the data calculation process of the integrated intensity area ratio of the frequency distribution to be diagnosed. Process and
The depth distribution of the microstructure in the material is determined from the integrated intensity area ratio of each frequency distribution obtained in the integrated intensity area ratio creation step of the frequency distribution to be diagnosed and the integrated intensity area ratio calculation step of the matching frequency distribution. , A material diagnosis characterized by comprising a microstructure dislocation depth distribution quantification step for quantifying the dislocation depth distribution of the microstructure in the material to be diagnosed based on the determined microstructure depth distribution assumption. Method.
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JPS61181957A (en) * 1985-02-08 1986-08-14 Hitachi Ltd Metal material inspecting device
JP2961833B2 (en) * 1990-08-13 1999-10-12 石川島播磨重工業株式会社 Grain size measurement method
JPH06242086A (en) * 1993-02-16 1994-09-02 Toshiba Corp Ultrasonic inspection system
US5390544A (en) * 1993-07-16 1995-02-21 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Method and apparatus for non-destructive evaluation of composite materials with cloth surface impressions
JPH08160020A (en) * 1994-12-09 1996-06-21 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Ultrasonic creep damage evaluating apparatus
JP3450930B2 (en) * 1995-03-31 2003-09-29 大阪瓦斯株式会社 Method and apparatus for evaluating the degree of damage of metal samples due to creep
JPH10123107A (en) * 1996-10-24 1998-05-15 Hitachi Constr Mach Co Ltd Method and device for measuring decarburized layer depth of steel material
JP2002139478A (en) * 2000-11-06 2002-05-17 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd Creep damage detection method and device of structural material
JP3837491B2 (en) * 2001-02-02 2006-10-25 北陸電力株式会社 Material damage detection method
JP4015935B2 (en) * 2002-11-25 2007-11-28 山陽特殊製鋼株式会社 Inclusion detection evaluation method in steel by water immersion ultrasonic flaw detection
US7353709B2 (en) * 2005-07-06 2008-04-08 National Research Council Of Canada Method and system for determining material properties using ultrasonic attenuation
EP2006676B1 (en) * 2006-03-24 2020-03-04 IHI Corporation Defect inspection apparatus, and defect inspection method

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