JPH06323974A

JPH06323974A - 亀裂状態の計測方法

Info

Publication number: JPH06323974A
Application number: JP11443293A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Uchimura; 弘志内村; Yoshihiro Takeshita; 良博竹下; Takashi Ono; 孝小野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1993-05-17
Filing date: 1993-05-17
Publication date: 1994-11-25

Abstract

(57)【要約】【構成】配線が切断された時に信号が発生するように構
成された電気回路３を被計測物体１表面に複数本形成
し、その被計測物体１において亀裂２が発生し、その亀
裂２が進展するに従い、被計測物体１表面の電気回路３
の配線が亀裂２により切断された時に発生する信号を利
用し、その信号の発生時間や発生順序などから亀裂の長
さ、亀裂の進展速度、進展方向、破壊起点位置などを計
測する。【効果】亀裂進展速度が非常に遅い場合から非常に速い
場合においても計測が可能で、しかもあらゆる被計測物
体に対して、低温から高温状態まで測定することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックスなどの絶
縁性の物体における亀裂の進展に基づく亀裂の長さ、亀
裂の進展速度、進展方向、破壊起点位置などを検出する
ための計測方法を提供するものである。

【０００２】

【従来技術】従来よりセラミックスなどの被計測物体に
おける機械的強度を評価する１つの方法に被計測物体に
おける破壊時の亀裂進展状態を計測することが行われて
いる。この亀裂進展の計測の対象としては、亀裂の長さ
や、亀裂の進展速度、進展方向、破壊起点位置などがあ
る。これらの亀裂の進展の計測方法としては、次のよう
な方法が使用されている。

【０００３】亀裂の長さや進展速度を計測する方法とし
て、亀裂が導入された試験片に応力を印加し、亀裂を進
展させる過程において、１）一定時間後に試験片におけ
る亀裂長さを測定すると同時に進展速度を算出する、
２）亀裂の進展の様子を機器により撮影する、３）被計
測物体に電流を流し、応力印加前後の電位差を測定す
る、４）試験片の表面に抵抗線のパターンを形成し、亀
裂による抵抗線の切断による抵抗の変化を計測する、等
の方法が知られている。

【０００４】また、亀裂の進展方向や破壊起点位置を検
出する方法として、亀裂発生後に試験片がもとの形状を
保っている場合、あるいはもとの形状を再構成できる場
合には、５）亀裂の分岐等により進展方向を推察しフラ
クトグラフィ的手法で破壊起点位置を割り出し、また、
亀裂発生後に試験片をもとの形状に再構成できない場合
には、６）２次元あるいは３次元的にアコースティック
エミッション（ＡＥ）センサーを被計測物体に配置しＡ
Ｅ信号検出時間の差から破壊起点を特定する、７）ＡＥ
信号または破壊により発生した光によりトリガーをかけ
て写真又は高速度カメラで撮影する、方法などが提案さ
れている。

【０００５】

【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、上記
従来法において、亀裂の長さや進展速度を計測する方法
として前記１）の方法では、計測に手間がかかり、進展
速度が非常に速いと計測できず、２）の方法では高温で
の測定ができず、また進展速度に合わせて撮影機器を変
える必要があり、さらには映像上撮影できない微細な亀
裂には適用することができない。また３）の方法では試
験片が絶縁体の場合には計測ができず、４）の方法では
亀裂の進展速度が速い場合には計測できないという問題
がある。

【０００６】また、亀裂の進展方向や破壊起点位置を検
出する方法として、前記５）の方法では亀裂が直線的な
場合進行方向が分かりにくく、またミラー、ミスト、ハ
ックルなどの破壊源特有のパターンが形成されない時は
破壊源が特定できず、６）の方法では、データ処理に時
間がかかり、亀裂の進行方法を計測することができず、
７）の方法では、トリガーの設定が難しく、亀裂が直線
的な場合に進行方向がわからない、などの欠点がある。

【０００７】

【問題点を解決するための手段】本発明者は、上記従来
技術の欠点を解消することのできる方法について検討を
重ねた結果、配線が切断された時に信号が発生するよう
に構成された電気回路を被計測物体表面に複数本形成
し、その被計測物体において亀裂が発生し、その亀裂が
進展するに従い、被計測物体表面の電気回路の配線が亀
裂により切断された時に発生する信号を利用し、その信
号の発生時間や発生順序などから亀裂の長さや、亀裂の
進展速度、進展方向、破壊起点位置などを計測するもの
である。

【０００８】

【作用】本発明の方法によれば、亀裂による被計測物体
表面の電気回路からの信号の発生順序により亀裂の長さ
や進行方向がわかり、それに基づき最初に切断された電
気回路の近傍に破壊起点が存在することがわかる。

【０００９】また、亀裂の進展による複数の切断信号の
時間差により亀裂の進展速度を計測することができ、し
かもこの時間差はデジタル的に計測できるので進展速度
が速い、遅いにかかわらず、計測することができる。

【００１０】また、被計測物体表面に形成する回路を高
融点の金属（例えば、Ｐｔなど）により構成することに
より高温での計測が可能となり、また被計測物体が導体
であっても表面に絶縁層を介して回路を形成すれば何ら
問題なく計測できる。

【００１１】さらに、最初に切断された表面回路の信号
をトリガーとするので、トリガーの設定が非常に容易に
できる。

【００１２】

【実施例】図１に、亀裂の長さや亀裂進展速度の計測方
法の一例の回路図を示す。図中、１は被計測物体、２は
亀裂、３は被計測物体表面に形成された電気回路、４お
よび５はカウンター、６は水晶発振器などを具備したク
ロック回路である。

【００１３】まず、亀裂が予め導入された被計測物体１
（以下、試験片という）の表面に電気回路Ａ、Ｂ、Ｃを
形成する。予め、亀裂の端から回路Ａまでの長さｌ₀お
よび各回路間の間隔ｌ₁、ｌ₂を計測しておく。それぞ
れの電気回路の一端は抵抗を介して電源（Ｖｃｃ）に接
続され、他端はアースされている。通常、各回路におけ
る信号ａ、ｂ、ｃは低レベル（以下、Ｌレベルとい
う）になっているが、回路の一部の配線が切断された場
合、信号は高レベル（以下、Ｈレベルという）に変化す
る。各回路Ａ、Ｂ、Ｃからの信号ａ、ｂ、ｃはカウンタ
ー５のスタート信号またはストップ信号として用いられ
る。具体的には、カウンター５のイネーブル端子等に接
続される。また、クロック回路６からの信号はカウンタ
ー４及び５のクロック端子に接続されている。

【００１４】この状態で、試験片１に応力σを印加し、
亀裂２を進展させると、まず、亀裂２の先端は回路Ａに
達し、回路Ａが切断され、信号ａはＬレベルからＨレベ
ルとなる。この信号により、カウンター４をスタート
（ＳＴ）させる。次に亀裂が進展して回路Ｂが切断され
ると信号ｂがＬレベルからＨレベルとなり、この信号で
カウンター４をストップ（ＳＰ）させると同時にカウン
ター５をスタート（ＳＴ）させる。さらに亀裂が進行し
て回路Ｃが切断され、信号ｃがＬレベルからＨレベルと
なり、この信号によりカウンター５をストップ（ＳＰ）
させる。

【００１５】この時のカウンター４、５の計測数がそれ
ぞれＣ₁、Ｃ₂で、クロックの周波数をｆ（Ｈｚ）とす
る。また、この試験片の破壊靱性における形状係数をＹ
とすると、上記の計測から、亀裂長さ、破壊靱性値Ｋ1
、亀裂進展速度Ｖは下記表１のようにして求めること
ができる。

【００１６】

【表１】

【００１７】亀裂の進展速度は、応力腐食の領域で１０
^-8ｍ／ｓ、即時破壊で１０³ｍ／ｓ程度である。この
時、、例えば亀裂が１ｍｍ進むのに要する時間は１μｓ
〜２８ｈｒとなる。本発明によれば、このような広い範
囲にわたる計測は可能であり、このような計測はビデオ
カメラ等では事実上不可能である。例えば、クロックの
周波数が５００ＭＨｚの場合、カウンター値は５００〜
５×１０¹³程度となるが、これは、１６ビットのカウン
ターを３段にする（即ち、４８ビットのカウンターとし
て用いる）ことで容易に計測できる。

【００１８】本実施例では、説明のため被計測物体表面
の電気回路を３本としたが、この本数を多くすることに
より、連続的に亀裂の長さおよび進展速度を計測するこ
とができる。その場合の回路としては、図２に示すよう
にメモリ回路を用いればよい。即ち、回路Ａからの信号
ａはクロック回路７と接続されたカウンター８のスター
ト端子（ＳＴ）およびアドレス作成回路９のクリア端子
（ＣＬ）に接続されており、表面Ｂ〜Ｚからの信号ｂ〜
ｚはアドレス作成回路９のクロック端子（ＣＬＫ）に接
続されている。また、アドレス作成回路９からの信号Ｃ
Ｌは、カウンター８のクリア端子（ＣＬ）に接続されて
いる。

【００１９】試験開始後、亀裂が進展すると最初の回路
Ａが切断され、信号ａはＬレベルからＨレベルとなる。
この信号によりカウンター８はクロック信号をカウント
し始めると同時にアドレス作成回路９でのアドレスをク
リアする。次に、クラックが進展し、回路Ｂを切断する
と信号ｂはＬレベルからＨレベルとなり、この信号はア
ドレス作成回路９のクロック端子（ＣＬＫ）に入力され
る。この時、アドレス作成回路９は、メモリ回路１０に
書き込みのためのクロック信号を与え、その後、アドレ
スを１個づつ増やす（インクリメント）と同時にカウン
ター８をクリアする（ゼロに戻す）。アドレス作成回路
９から書き込み信号を受けたメモリ回路１０はアドレス
作成回路９から出力されるアドレスにカウンター８から
出力されているデータを記憶する。

【００２０】さらに亀裂が進展し次の回路を切断してい
くが、これらの信号は信号ｂと同様に流れる。その結
果、亀裂が回路のＡからＢに進むのに要した時間内にカ
ウントしたクロック信号数はメモリの０番アドレスに記
録され、回路ＢからＣに進むに要した時間に比例したカ
ウント数がメモリ回路１０に次々と記録される。計測終
了後、データ読み出し回路１１によりメモリ中のデータ
を読みだすことにより、亀裂の進展速度を次々と計算す
ることができる。このような回路構成により、回路の本
数を多くしても外部の論理回路は簡略化できる。

【００２１】次に、亀裂の進展方向の計測および破壊起
点位置の検出について説明する。図３は、亀裂の進行方
向や破壊起点位置を検出する一例の回路図で、ここでは
試験片１に一軸に引っ張り応力σを加える場合を考え
る。まず、試験片１の表面にＡ乃至Ｅの５本の電気回路
を形成し、一端は抵抗を介して電源Ｖｃｃに接続され、
他端は接地されている。各回路からの信号は判定回路１
２に入力される。判定回路１２において、各回路からの
信号をフリップフロップ１３（Ｆ／Ｆ）のデータとして
入力する。またこれらの信号によりＯＲ回路１４でクロ
ック信号をつくり、それをＦ／Ｆａ〜Ｆ／Ｆｅに入力す
る。さらに、Ｆ／Ｆａ〜Ｆ／Ｆｅが保持しているデータ
は初期の状態で全てＬレベルにさせる。亀裂が回路を切
断しない時、回路Ａ乃至Ｅの信号はすべてＬレベルとな
っているが、亀裂が生じいずれかの表面回路を切断した
時、切断された回路の信号はＬレベルからＨレベルとな
り、ＯＲ回路１４でクロック信号が作られる。例えば、
回路Ｂが最初に切断された場合、信号ａ〜ｅのうちｂの
みがＨレベルとなりＦ／Ｆｂに入力されるデータのみが
Ｈレベルとなる。また、信号ｂがＨレベルとなると同時
にＯＲ回路１４の出力はＬレベルからＨレベルとなりク
ロック信号が作られ、この瞬間にＦ／ＦａからＦ／Ｆｅ
の各々でデータが記録される。素子による信号の遅延が
なければ、Ｆ／ＦｂではデータがＬレベルからＨレベル
となると同時にクロック信号が入り、保持されるデータ
は不定となるが、実際にはＯＲ回路１４により信号によ
る遅延が発生するため、Ｆ／Ｆｂに入力されるデータは
Ｈレベルとなった後にクロック信号が入りＦ／Ｆｂでは
Ｈレベルの信号が保持される。

【００２２】その後、亀裂が進展するにつれて回路Ａ、
Ｃ、Ｄ、Ｅが切断されていくが、ＯＲ回路１４からの出
力はＨレベルのままのためクロック信号は作成されな
い。その結果、試験片が完全に破断した後でもＦ／Ｆａ
からＦ／Ｆｂに保持されるデータはＦ／ＦｂのみがＨレ
ベルとなる。

【００２３】このように、初めに切断された表面回路の
データのみがＨレベルとなる。従って、この判定回路に
よりどの表面回路が最初に切れたかを判定することがで
き、破壊起点位置を検出することができる。また、亀裂
の進行方向は、表面回路の切断の順番により亀裂の進行
方向がわかり、これに図１や図２で説明したようにカウ
ンターとクロックを組み合わすことにより、亀裂の長さ
や進展速度をも計測することもできる。

【００２４】これまで、一軸応力の場合について説明し
たが、二軸応力の場合には、図４に示すように試験片１
の表面に格子状に電気回路を形成することにより、２次
元的に破壊起点位置を検出することができる。即ち、図
４によれば、試験片１の表面に図３で説明したのと同様
な回路３と同様な回路構成からなる判定回路１５、１６
が形成されており、２組の電気回路は直交するように配
置されている。ここで、仮に亀裂２が図４中に示すよう
に発生したとすると、判定回路１５では回路Ａ２が最初
に切断されたと判断し、判定回路１６では回路Ｂ３が最
初に切断されたと判断される。従って、亀裂の破壊源は
図中の破線で囲まれた領域にあると判断できる。

【００２５】この場合、亀裂がどちらか一方の表面回路
と平行に進展した場合には２次元的な破壊位置を検出で
きない。このような場合には、例えば図５に示すよう
に、１２０℃の角度で３組の回路と判定回路１７，１
８，１９を用いれば確実に２次元的な検出が可能とな
る。さらに、試験片表面に形成する回路の密度を高めれ
ば、破壊源などの検出精度を向上させることができる。

【００２６】また、図４および図５に示したような場合
においても、図１や図２に示したようにカウンターとク
ロックを組み合わすことにより、亀裂の長さや進展速度
をも計測することもできる。

【００２７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
被計測物体表面に形成された複数の電気回路における回
路の切断信号を論理的に処理することにより、亀裂進展
速度にかかわらず、亀裂の長さ、亀裂の進展速度、亀裂
の進展方向および破壊起点位置を計測することができ
る。しかもかかる方法は、あらゆる被計測物体に適用可
能で、低温から高温まであらゆる条件下で計測すること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく亀裂の長さおよび亀裂進展速度
の計測方法の一例を示す回路図である。

【図２】本発明に基づく亀裂の進行方向や破壊起点位置
の計測方法において、電気回路数が多い場合の一例を示
す回路図である。

【図３】本発明に基づく亀裂の進行方向や破壊起点位置
の計測方法において、一軸応力の場合の一例を示す回路
図である。

【図４】本発明に基づく亀裂の進行方向や破壊起点位置
の計測方法において、二軸応力の場合の一例を示す回路
図である。

【図５】本発明に基づく亀裂の進行方向や破壊起点位置
の計測方法において、二軸応力の場合の他の例を示す回
路図である。

【符号の説明】

１被計測物体（試験片）２亀裂３電気回路４，５カウンター６クロック回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】配線が切断された時に信号が発生するよう
に構成された電気回路を被計測物体表面に複数本形成
し、該被計測物体における亀裂の発生とその進展により
前記電気回路の配線が切断された時に発生する信号の発
生時間や発生順序などから亀裂状態を計測することを特
徴とする亀裂状態の計測方法。