JPH08507378A - 減衰率の測定により材料疲労を測定する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 金属材料の疲労の完全性は、２つの方法のうちのいずれか１つの方法により測定される。第１の方法では、衝撃エネルギが、金属材料（２０）に打撃を加えるようにして金属材料に導入され、導入された振動は検出され且つ分析されて金属材料の減衰率を計算する。この方法では、金属材料に変換器（２８）が連結され、変換器の出力は、減衰率を測定するコンピュータ（３２）に入力される前に増幅器（３０）により増幅される。第２の方法では、例えば電力増幅器に接続される周波数発生器を用いることにより、連続エネルギ入力が金属材料に加えられる。電力増幅器の出力が、金属材料に連続振動を誘起させるスピーカ等のような変換器を駆動する。この連続振動は、変換器、増幅器、及び第１方法のようにしてコンピュータで計算される減衰率を用いて測定される。

Description

【発明の詳細な説明】 減衰率の測定により材料疲労を測定する方法及び装置 発明の背景及び要約 金属材料はその強度及び耐久性のために多くのものに使われており、従って荷 重、応力、歪み、その他の力を受けるが、これらは長期間のうちに材料を疲労さ せる傾向を有し且つ大災害の危険を生じさせることがある。大災害が生じる前に 金属部品を交換すなわち新品に取り替えるため、これらの分離した金属部品の疲 労状態を現場で試験できるようにすることが強く望まれている。その他の場合、 より詳しくは健康及び安全に係わる重大な用途については、或る金属部品がこの ような欠陥を引き起こさないように、使用される前に金属部品の定期試験を行な う規格が確立されている。これらの用途ではこのような試験を行なう技術が開発 されており且つ従来技術において利用可能である。これらの技術としては、当該 技術分野で良く知られてるように、ロット等から選択された部品のＸ線破壊試験 がある。しかしながら、これらの全ての技術は、高価で、不便で且つ或る場合に は部品の早期破壊の可能性を完全に無くすことができない等の欠点がある。これ らの種類の疲労試験が行なわれるその他の状況として、材料又は部品が溶接され ており且つ設備を稼働する前に溶接の完全性を確認しなければならない多くの場 合がある。数ある中の１つの特別な用途として、原子力発電所の建設を管理する 連邦安全規格がある。原子力発電所内に収容される或る厳格な設備の或る溶接部 は、発電所が稼働される前に溶接部の完全性を確認するためＸ線試験及び他の種 類の試験を受ける。おそらく原子力発電所は、設備の厳重部品が万一早期破壊を 起こすようなことがあれば、そこに働く人々だけでなく公衆にも多大の災害をも たらす可能性のある極端な例である。厳格でないとはいえ、一般公衆を含む多く の人々の健康及び安全にとって重要な他の用例は無数にある。 疲労試験は多くの場合に使用されており且つ疲労に対する減衰の関係も良く知 られているけれども、本発明者は、疲労に対する減衰の関係を疲労試験の場に使 用するいかなる試みも従来技術において知らない。例えば、１９５９年１２月に ニュージャージ州アトランティックシティで開催されたASME年次会議における構 造減衰に関する研究会で頒布された論文では、「塑性歪み」の現象が分析されて いる。詳しく言うと、材料の塑性歪みに影響を及ぼすメカニズムとして、応力履 歴と応力振幅との間の相関関係を決定するパラメータとして減衰が使用されてい る。この論文で結論付けられているように、疲労限度の１〜５０％の範囲内の低 応力及び中間応力では、減衰が材料の応力履歴による影響を受けるとは考えられ ていなかった。一方、塑性歪みの大きな減衰が観察される高応力（一般に疲労限 度の５０％以上）では、応力履歴は、減衰率により測定されるように、塑性歪み に影響を及ぼす投割を演じた。これとは別に、低応力及び中間応力では、減衰率 が疲労サイクル数による変化を受けないことを示すデータが提供された。しかし ながら、限界応力より高いところでは、減衰は疲労サイクル数と共に増大し、こ れは、これらの条件下では、応力履歴が塑性歪みをもたらす役割を演じることを 示すものである。この論文は、応力履歴と応力振幅との間の相関関係及び減衰（ 塑性歪み）に与える応力履歴及び応力振幅の効果を取り扱っているけれども、測 定された減衰率を材料の疲労状態の指標として使用することについての開示は何 ら存在しないし且つ示唆されてもいない。上記論文に述べられているように、こ の論文は、応力履歴及び応力振幅が如何にして特定減衰率を作り得るかというこ とに関するものであって、測定した減衰率を如何にして部品の相対疲労の予測子 として使用できるかということに関するものではない。Jerome E．Ruzicka著「 構造的減衰」（ASME、1959年）を参照されたい。 従来技術のこれらの及び他の問題を解決するため、及び従来技術の教示とは無 関係に、本発明者は、組立体等の一部品として金属部品の分離片の減衰率を測定 する技術、及び該減衰率と標準化された減衰率又は同じ部品について以前に測定 した減衰率とを比較することにより、減衰率を部品の疲労完全性の測定に使用す る技術の開発に成功した。部品は、或る材料の単一部片でもよいし、或る材料の 溶接部片又は他の接合部片でもよい。また、試験は、新しい部品に必要とされる 完全性試験、すなわちクラッキング試験、空隙試験又は他の同類の試験でもよい し、既に装着され且つ長期間に亘って使用されている部品の疲労測定試験でもよ い。新しい部品の試験の場合には、標準化された減衰率を決定し且つ該減衰率 を、新しい部品について測定した減衰率との比較に使用できると考えられる。或 いは、新しい一連の同一部品の減衰率を測定し、且つ該減衰率を、早期疲労及び 早期破壊、クラック、空隙又は製造時の他の欠陥の兆候が明らかなこれらの新し い部品の選択に使用できる。部品が取り付けられて一定期間使用された後は、減 衰率の測定を周期的に行なって、当該部品の増大する疲労を測定することができ る。この技術は、何らかの大災害が生じる前に交換する必要がある部品を識別す るのに使用できる。金属材料からなる分離片の減衰率の測定を使用して優れた利 益が得られるその他の用例及び状況があり、これらの特別な例を本願に例示する 。 減衰率の測定を行なうに際し、本発明者はまた、減衰率を測定するための簡単 ではあるが有効且つ正確な技術による２つの方法の開発に成功した。第１の方法 を用いると、部品には、鈍器等で打撃を加えるようにして衝撃エネルギが加えら れ、部品に誘起される振動は変換器により測定され、変換器はこの振動をコンピ ュータに入力される電気信号に変換する。次に、コンピュータは、誘起された振 動から容易に適当な計算を行なって減衰率を測定する。一般に当業界で知られて いるように、固有振動数で振動する部品の減衰率は、振動の連続サイクルのピー ク振幅により決定される。別の方法では、衝撃エネルギの代わりに、部品にエネ ルギの連続入力が行なわれる。好ましい実施例では、周波数発生器がスピーカ、 シェーカ又は他の同類の装置等の変換器に接続され、且つ部品の最低固有振動数 の範囲で掃引すべく、周波数発生器が同調すなわち調節される。エネルギの入力 は一定に維持されるので部品はその固有振動数で振動し続け、これにより、減衰 率は、当業界で良く知られているように、サイクルの半値電力帯域幅を測定し且 つ該半値電力帯域幅を中心周波数で除することにより容易に計算される。これら のいずれの方法を使用しても、部品に振動が誘起され、振動に対する応答が測定 され、且つこれから減衰率が測定される。 部品に振動を誘起させる本発明の方法を使用することの１つの長所は、必ずし も部品を分離させる必要はなく、現場で試験できると考えられることである。こ れは、大きな組立体から部品を取り外すことを不要にし、従って、本発明による 減衰率測定方法の使用に包含されるあらゆるコストが劇的に低減される。このた め、試験すべき部品の分解及び分離を必要とするＸ線方法のような従来技術の他 の方法と比べ大きな利益が得られる。更に、本願に開示する方法の実施に使用さ れる装置は、比較的コンパクトで、容易に持運びでき、且つ充分に小さいため、 比較的アクセスが困難な種々のサイズの部品の試験を容易に行なうことができる 。 以上、本発明の主要な長所及び特徴を説明したが、本発明の好ましい実施例に ついての図面及び説明を参照することにより、本発明のより完全な理解が得られ るであろう。 図面の簡単な説明 第１図は、材料に振動を誘起させる衝撃エネルギ入力を用いて材料の完全性を 測定する本発明の第１の技術を示す概略図である。 第２図は、第１図の技術を介して材料に誘起される振動の高調波応答を示すグ ラフである。 第３図は、材料に連続エネルギ源を連結して材料の完全性を測定する本発明の 第２の技術を示す概略図である。 第４図は、第３図の技術を用いて材料に誘起される振動応答を示すグラフであ る。 好ましい実施例の詳細な説明 第１図及び第２図に示すように、部品の相対疲労を測定する本発明の第１の技 術は、ロッド２２のような鈍器で部品２０に打撃を加え、これにより部品２０に 振動を誘起させることにより、測定したい部品に振動を誘起させるステップを有 する。便利のため、部品２０の両端は１対の支持体２４、２６により支持される けれども、必ずしもこのように支持する必要はない。変換器２８が、誘起された 振動を測定し且つ電気出力を発生する。この電気出力は増幅器３０により増幅さ れ、次に減衰率の計算を行なうためコンピュータ３２に入力される。第２図に示 すように、部品２０への衝撃エネルギの入力により誘起される振動は、振幅すな わち力レベルが変化する。良く知られているように、減衰率は、これらの初期力 レベルのいずれか１つにより誘起される連続振動サイクルの振幅を比較すること により容易に計算できる。第２図に示すように、部品に加えられる打撃の強さは 減衰率の測定に影響を与えない。なぜならば、減衰率は、振幅の大きさとは無関 係に、２つの連続ピーク振幅を比較することにより決定されるからである。初期 振幅がａ、ｂ又はｃの強さを有していても、測定される減衰率に変化はない。そ れどころか、減衰率は、部品２０の特性によってのみ決定されるのである。 第１図に示すように、部品２０は、実際には、溶接部３８等により接合された １対の要素３４、３６で構成できる。このように構成すると、溶接部３８の完全 性は、減衰率の測定により容易に決定される。同様に、第１図に溶接部３８とし て示した継手は他の任意の継手すなわち連結部で構成でき、その完全性も本願に 開示する方法により同様に測定できる。 第３図及び第４図に示すように、減衰率従って材料の疲労を測定する別の技術 を使用できる。前述のように、部品２０の振動は変換器２８によりピックアップ され、変換器２８は検出された振動信号を電気信号に変換する。この電気信号は 、次に増幅器３０により増幅されてコンピュータ３２に入力される。しかしなが ら、部品２０への初期エネルギ入力は、特定周波数の電気出力を発生する周波数 発生器４０により達成される。電気出力は、次に電力増幅器４２により増幅され て、第２変換器４４に供給される。第２変換器４４は、部品２０に連結されるス ピーカ、シェーカ又は他の同類の装置で構成できる。次に、周波数発生器４０を 、部品２０の最低固有振動数の範囲で掃引する周波数に同調させ、これにより第 ４図に示すような連続振動応答を発生させる。減衰率の測定には、部品２０に誘 起される幾つかの固有高調波（natural harmonics）のうちの１つのピーク増幅 ＦＣが選択される。当該技術分野で良く知られているように、減衰率は半値電力 帯域幅ΔＦすなわち（Ｆ２−Ｆ１）を中心周波数ＦＣで除したものに等しい。Ｆ １、Ｆ２及び半値電力帯域幅は、振幅が最大振幅の0.707倍になる箇所における これらの周波数である。第３図に示すようにクラック４６が存在すると、部品２ ０の振動応答に影響を与え、従って本発明の技術により測定される減衰率が、こ れに適当な補正がなされて検出されるようになる。 これらの技術のいずれか一方又は両方は、特定部品の減衰率の測定に便利に使 用できる。減衰率は、特定部品の履歴を明らかにするため該部品について周期的 に測定し、これにより、該部品をいつ交換又は修理すべきであるかの決定の補助 として、該部品に生じる疲労をモニタリングするのに使用できる。或いは、本願 に開示し且つ特許請求する技術によって測定される減衰率は、同種の金属及び部 品についての標準化された減衰率と比較することにより使用することもできる。 好ましい実施例では、図示のようにデスクトップ形パーソナルコンピュータが 示されている。しかしながら、当業者にはポータブルパーソナルコンピュータが 良く知られており且つ商業的に容易に入手できるため、ポータブル用の適当な装 置も容易に達成できる。また、本発明者は開発していないけれども、例えばコン ピュータチップ、カスタム読出し及びキーボード又は他のデータ入力手段を備え たこれらのコンピュータ要素を使用するだけで、特別注文の「減衰率検出器」を 容易に設計できる。また、ハードコピー読出しも容易に設けることができる。こ れらの全ての変更も本発明の範囲内に包含されるものである。 本発明には、当業者に明らかな種々の変更を施すことができる。しかしながら 、これらの変更は開示の教示に含まれるものであり、本発明は請求の範囲の記載 によってのみ制限を受けるものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．金属材料の疲労を測定する方法において、 前記金属材料の減衰率を測定するステップと、 前記測定した減衰率と他の減衰率とを比較するステップとを有し、これらの 減衰率の差が前記金属材料の疲労を表すものであることを特徴とする方法。 ２．前記測定ステップが、 前記金属材料に振動を誘起させるステップと、 前記振動に対する金属材料の測定された応答から金属材料の減衰率を測定す るステップとを更に有する、請求の範囲第１項に記載の方法。 ３．前記減衰率を測定するステップが、前記誘起された振動に対する前記金属材 料の応答を測定するステップを有する、請求の範囲第２項に記載の方法。 ４．前記ステップを同じ金属材料に時間間隔をおいて反復して複数の減衰率を測 定し、 該複数の減衰率を比較して前記金属材料の疲労の変化を長期間に亘って測定 するステップを更に有する、請求の範囲第３項に記載の方法。 ５．前記金属材料には溶接部が設けられており、前記複数の減衰率を比較するこ とにより前記溶接部の完全性を測定するステップを更に有する、請求の範囲第４ 頂に記載の方法。 ６．前記他の減衰率が標準化された減衰率である、請求の範囲第１項に記載の方 法。 ７．前記金属材料に振動を誘起させるステップが、 前記応答の固有振動数を測定するステップと、 前記固有振動数の連続サイクルの振幅を比較して減衰率を測定するステップ とを有する、請求の範囲第２項に記載の方法。 ８．前記減衰率を測定するステップが、 前記応答の固有振動数を測定するステップと、 前記固有振動数での前記応答の半値電力帯域幅を測定するステップと、 該半値電力帯域幅と固有振動数とを比較して減衰率を測定するステップとを 有する、請求の範囲第２項に記載の方法。 ９．前記振動を誘起させるステップが、前記金属材料に衝撃エネルギを導入する ステップを有する、請求の範囲第２項に記載の方法。 10．前記衝撃エネルギを導入するステップが、前記金属材料に物理的に打撃を加 えるステップを有する、請求の範囲第９項に記載の方法。 11．前記減衰率を測定するステップが、 前記応答の固有振動数を測定するステップと、 該固有振動数の連続サイクルの振幅を比較して減衰率を測定するステップと を有する、請求の範囲第１０項に記載の方法。 12．前記測定ステップが、 前記金属材料に変換器手段を連結するステップと、 前記変換器手段の出力をコンピュータに入力するステップとを有し、 前記振幅を比較するステップが、コンピュータを使用して前記比較を計算す るステップを有する、請求の範囲第１１項に記載の方法。 13．前記振動を誘起させるステップが、ほぼ前記金属材料の固有振動数で振動す るエネルギで前記金属材料を連続的に励振させるステップを有する、請求の範囲 第２項に記載の方法。 14．前記金属材料を連続的に励振させるステップが、前記エネルギの振動数を変 えて固有振動数に一致させるステップを有する、請求の範囲第１３項に記載の方 法。 15．前記減衰率を測定するステップが、 前記応答の固有振動数を測定するステップと、 該固有振動数の前記応答の半値電力帯域幅を測定するステップと、 該半値電力帯域幅と固有振動数とを比較して減衰率を測定するステップとを 有する、請求の範囲第１４項に記載の方法。 16．前記測定ステップが、 前記金属材料に変換器手段を連結するステップと、 前記変換器手段の出力をコンピュータに入力するステップとを有し、 前記振幅を比較するステップが、コンピュータを使用して前記比較を計算す るステップを有する、請求の範囲第１５項に記載の方法。 17．金属材料の疲労を測定する装置において、金属材料に連結される変換器を有 し、該変換器が前記金属材料の振動応答を測定する手段を備え、前記変換器に接 続され且つ前記金属材料の振動応答から金属材料の減衰率を計算する手段を備え たプログラムされた電子機械を更に有し、前記減衰率が前記金属材料の疲労を表 すことを特徴とする装置。 18．前記変換器とプログラムされた電子機械との間に接続され、プログラムされ た電子機械に入力する前に前記変換器の出力を増幅する増幅器を更に有する、請 求の範囲第１７項に記載の装置。 19．前記プログラムされた電子機械がコンピュータからなる、請求の範囲第１８ 項に記載の装置。 20．前記金属材料に振動を誘起させる手段を更に有する、請求の範囲第１７項に 記載の装置。 21．前記振動誘起手段が、衝撃エネルギを前記金属材料に導入する手段を備えて いる、請求の範囲第２０項に記載の装置。 22．前記振動誘起手段が硬質物体を備えている、請求の範囲第２１項に記載の装 置。 23．前記振動誘起手段が、エネルギの連続流を、前記金属材料自体の固有振動数 にほぼ等しい振動数で前記金属材料に導入する手段からなる、請求の範囲第２１ 項に記載の装置。 24．前記振動誘起手段が周波数発生器を備え、該周波数発生器の出力はスピーカ に接続され、該スピーカは前記金属材料に連結される、請求の範囲第２３項に記 載の装置。 25．前記振動誘起手段が、前記周波数発生器と前記スピーカとの間に接続される 増幅器を更に備えている、請求の範囲第２４項に記載の装置。 26．金属材料の継手の完全性を測定する装置において、前記継手の一方の側に連 結される変換器を有し、該変換器が前記継手を横切る振動応答を測定する手段を 備え、前記変換器に接続され且つ前記継手の振動応答から該継手の減衰率を計算 する手段を備えたプログラムされた電子機械を更に有し、前記減衰率が前 記継手の完全性を表すことを特徴とする装置。 27．前記継手を横切って振動を導入する手段を更に有する、請求の範囲第２６項 に記載の装置。