JPH09257766A - 金属材料の脆化度評価方法及び評価装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡易な手法で金属材料の脆化度を評価する評
価方法及び評価装置を提供する。 【解決手段】 二相ステンレス鋼よりなる試験体に超音
波を送信すると共にこの試験体を伝搬した超音波を受信
する。試験体を伝播して受信された超音波の伝播距離を
伝播時間で除することにより、超音波の二相ステンレス
鋼中での音速を求める。熱脆化の進行に伴う硬さ(Vicke
rs Hardness)の変化と超音波音速(Velocity)の変化との
間にはよい相関のあることが判明し、この音速により二
相ステンレス鋼の脆化の程度を評価する。また、両探触
子の送信部及び受信部の距離を一定に維持することで、
未知の厚さの金属材料における超音波音速を正確に算出
でき、脆化の程度を精度よく評価することできる。さら
に、熱脆化は試験体のほぼ全体に均一に発生しやすいこ
とから、試験体の表面を伝播する表面波を超音波として
用いてもその脆化度は十分に評価可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、二相ステンレス鋼
等の金属材料の脆化度評価方法及び評価装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】金属材料のうち二相ステンレス鋼は、そ
の優れた耐応力腐食割れ性及び耐粒界腐食性から各種プ
ラントの熱交換器配管、バルブ、ポンプケーシング等に
利用されている。かかる二相ステンレス鋼に対する例え
ば２７０〜３３０℃程度の使用温度条件下における長時
間暴露により、熱脆化の進行が懸念される。しかるに、
従来では、非破壊的手法により熱脆化等の金属材料の脆
化度を評価する有効な手法は確立されていなかった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】かかる実状に鑑みて、
本発明は、簡易な手法で金属材料の脆化度を評価する評
価方法及び評価装置を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の特徴は、鋼材等の金属材料よりなる試験体
に超音波を送信すると共にこの試験体を伝搬した超音波
を受信し、受信された試験体を伝播した超音波の音速を
求め、この音速により前記金属材料の脆化の程度を評価
することにある。

【０００５】また、上記特徴に加え、超音波として前記
試験体の表面を伝播する表面波を用いても良い。

【０００６】さらに、試験体に超音波を送信する探触子
と受信する探触子とを隔てて設け、これら両探触子の送
信部及び受信部の距離を一定に維持するために両探触子
を保持具により保持してもよい。

【０００７】

【発明の実施の形態】次に、図１を参照しながら本発明
の第一の実施形態について説明する。図１は、本発明に
かかる脆化評価装置１のブロック図を示し、この脆化評
価装置１は、オシレーター５の基準波型に基づいてパル
サー４により発生する超音波の一種であるバースト波を
探触子２から試験体Ｓに向かって発信する。探触子２か
ら発信された縦波としての超音波は試験体Ｓの底面で反
射し、探触子２により受信され、アンプ３により増幅さ
れてレシーバー４により信号が検出される。Ａ／Ｄコン
バータ６によりデジタル化された信号はパーソナルコン
ピューター７で処理された後、その波形がＣＲＴ装置８
に表示される。バースト波の音速ｖも、ＣＲＴ装置８に
同様に表示される。

【０００８】試験体Ｓの板厚Ｌ１は既知の値であり、試
験体Ｓの中を伝播する超音波の音速ｖは、板厚Ｌ１の二
倍を超音波の試験体Ｓ中の伝播時間ｔで除することによ
り得られる。この伝播時間ｔは、パーソナルコンピュー
ター７の制御によりパルサー４よりパルスを発信させる
と同時にタイマーを作動させ、レシーバー４によりバー
スト波を受信した時点で前記タイマーを停止させること
で求められる。

【０００９】後述するように、二層ステンレス鋼よりな
る試験体Ｓにおいては、熱脆化が進行するに従って音速
の上昇がみられる。よって、試験体Ｓ中を超音波が伝播
する音速ｖを測定することにより、この試験体Ｓの脆化
の程度を推定することが可能である。なお、音速ｖの測
定誤差に関しては、伝播時間ｔよりも板厚Ｌ１の測定誤
差の方が通常大きくなる。よって、板厚Ｌ１の値を大き
くすることにより、距離の測定誤差が全体に与える悪影
響の割合を低減させ易くなる傾向にある。

【００１０】次に、図２及び図３を参照しながら、本発
明の第二の実施形態について説明する。本実施形態にお
ける試験体Ｓは、二層ステンレス鋼により形成された鋼
管であり、本発明における探触子２０は、個別に設けら
れた送信用探触子２１及び受信用探触子２２を試験体Ｓ
である鋼管の長手方向に隔てて配置するものである。送
・受信用探触子２１，２２を構成する楔の各上部には振
動子２１ａ，２２ａが設けられている。また、各楔の各
下部における試験体に接当する超音波の送・受信部２１
ｂ，２２ｂは、超音波Ｕの送・受信方向に向かって幅狭
に形成されている。

【００１１】本実施形態では先の実施形態と異なり、超
音波Ｕが試験体Ｓの表面を伝わる表面波である点に特徴
がある。表面波の種類としては、レイリー波の他にクリ
ーピング波や表面ＳＨ波を用いることが可能である。送
信用探触子２１及び受信用探触子２２は、それぞれ剛性
部材よりなる保持具たるケーシング２３により保持さ
れ、これによって送・受信部２１ｂ，２２ｂの距離Ｌ２
は一定に保たれている。また、図３に示すように、送・
受信部２１ｂ，２２ｂは試験体Ｓの外面湾曲に沿うよう
に、管の長手方視で曲面状を呈するように形成されてい
る。但し、管の直径が大きな場合には、送・受信部２１
ｂ，２２ｂを平坦な面としてもよい。なお、上記送・受
信部２１ｂ，２２ｂ間の距離Ｌ２が一定とは、探触子距
離Ｌ２の値が既知であることを意味し、その限りにおい
て送・受信部２１ｂ、２２ｂの距離Ｌ２が可変であるよ
うにケーシング２３を構成することも可能である。

【００１２】本実施形態における探触子は、先の図１に
かかるブロック図とほぼ同様の装置により上記音速ｖの
測定がなされる。但し、送・受信用探触子２１，２２が
別であることから、パルサー／レシーバー４に対する入
出力信号も別系統となる。

【００１３】図４は、本発明の第三実施形態を示す図で
ある。本実施形態における探触子３０（Ｐ）は、第二の
実施形態同様に送信用探触子３１及び受信用探触子３２
が設けられている点で第一の実施形態と異なるが、本実
施形態では送信用探触子３１の振動子３１ａ及び接当面
に相当する送信部３１ｂを介して試験体Ｓ中に超音波Ｕ
が斜角状に入射し、さらに、他の接当面に相当する受信
部３２ｂ及び振動子３２ａを介して受信用探触子３２側
に斜角状に入射する点が異なっている。特に、鋼管とし
て形成された試験体Ｓに対して本発明を実施する場合に
は、鋼管の長手方向に直交する方向に対し送信用探触子
３１及び受信用探触子３２を配置することが望ましい。
送信用探触子３１及び受信用探触子３２は、それぞれケ
ーシング３１ｃ，３２ｃに保持されると共に互いにブリ
ッジ３３で連結される。これらケーシング３１ｃ，３２
及びブリッジ３３よりなる保持具は剛性部材で構成され
ているので、送・受信部３１ｂ，３２ｂ間の距離Ｌ２は
一定に保たれる。本実施形態は、試験体Ｓの厚さが未知
の場合及び３１ｂ，３２ｂに至る試験体Ｓの表面距離が
一定でない場合に特に有効である。

【００１４】

【実施例】

［第一実施例］試験体として二相ステンレス丸棒鋼（Ｓ
ＵＳ３２９Ｊ１）を用いた。試験体の化学成分重量比
は、Ｃ＝０．００５，Ｓｉ＝０．３８，Ｍｎ＝０．５
８，Ｐ＝０．００２，Ｓ＝０．０１８，Ｃｒ＝２４．８
５、Ｎｉ＝５．０５、Ｍｏ＝１．３４である。試験体に
熱時効を与える前に、材料の均質化、結晶粒の調整及び
内部歪み除去等のために時効前処理を施した。以下に条
件を記す。 溶体化熱処理（１３００℃、１ｈｒ） ＋冷間圧延（圧延率５０％） ＋最終熱処理（１０００℃、４５ｍｉｎ）

【００１５】次に試験体に加速的に熱脆化を起こさせる
ため、４７５℃で熱時効を与えた。以下に熱時効条件を
記す。 ４７５℃−０ｈｒ（時間），０．５ｈｒ，２ｈｒ，１０
ｈｒ，２４ｈｒ，１００ｈｒ，３００ｈｒ 時効後水冷
効

【００１６】熱時効による試験体の材料特性の変化を測
るため、マイクロビッカース硬度計による硬さ測定を行
った。試験片は各熱時効試験体の温度が上がらないよう
に水冷しながら切断し、その面をエメリ研磨及びパフ研
磨により鏡面に仕上げた。この面をフェライト相（α
相）とオーステナイト相（γ相）の識別ができる程度に
腐食液（硫酸銅５ｇ，塩酸１００ｍｌ，水１０ｍｌ，エ
チルアルコール１００ｍｌ）で腐食し、硬さ測定試験片
とした。各相の硬度を別々に測定するために荷重５ｇで
の硬さ試験を行った。また、両相を含めた試験片の平均
的な硬度を知るために荷重３００ｇでの硬さ試験を行っ
た。図５は各々の荷重における試験結果を示している。
誤差棒は同一試験体内で多点測定を行った結果としての
データのバラツキを示している。α相は時効（Ａｇｉｎ
ｇ）の初期から徐々に硬化を始め、２時間の時効後急激
に硬化しし、２４時間以上の時効でほぼ一定になる。一
方、γ相の硬度は３００時間までの時効処理ではほぼ一
定値を保っている。また、３００ｇ荷重による結果はα
相とγ相の平均的な値を示している。これらのことよ
り、二相ステンレス鋼に対し熱時効を与えた結果、α相
の硬化に起因する硬度の上昇が起こることがわかった。

【００１７】熱時効による試験体の脆化の進行を確認す
るため、熱時効試験体よりＶノッチ入りの断面５ｍｍ
角、長さ２５ｍｍの試験片を作製し、室温でのカンチレ
バー式曲げ試験を行った。試験は荷重負荷部をノッチ先
端より１０ｍｍにし、１ｍｍ／ｍｉｎの変位速度で６ｍ
ｍまで変位させ、その後除荷した。試験片に変位を与え
るのに必要な荷重をロードセルからx−ｔプロッタ及び
デジタルメモリへ出力し、荷重−変位線図を得た。一例
として無時効、２４時間、１００時間時効試験片の曲げ
試験による荷重−変位線図及び試験後の試験片写真を図
９に示す。同図の２４時間及び１００時間時効の荷重−
変位線図中に見られる急激な荷重の減少は、試験片の割
れの進展に伴うものである。無時効試験片には発生して
いないノッチ部の割れが２４時間時効拭験片及び１００
時間時効試験片では発生、進展することが確認された。
また、１００時間時効試験片においてはその割れは一度
に破断に至るまで進展しており、４７５℃の熱時効によ
り脆化が進行しているのが確認された。

【００１８】熱脆化による材料特定の変化を非破壊的に
とらえるため、超音波法による評価を試みた。熱時効材
を超音波音速測定に供する為、試験体の上下面を切削、
研磨し、厚さ約７ｍｍの試験片とした。音速測定の為、
公称周波数５ＭＨｚ、０．５ｉｎ．垂直広帯域探触子を
用い、ゲーテッドアンプ方式によるバースト波を入射
し、第一底面エコー及び第二底面エコーにＴｅｎｓｏｒ
Ｐｏｓｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ法を適用し、高精度
にＴＯＦを求めた。ゲーテッドアンプ方式によるバース
ト波形は、その送信周波数成分が測定周波数に対して非
常に忠実に設定でき、今回測定で用いた周波数５ＭＨｚ
の探触子には最適な波形発生方法である。また、その波
形はバースト波形であり、非常に高出力の送信パルスを
試料に入射することが可能である。装置構成は先の図１
とほぼ同様のものである。今回、直接接触法での音速測
定と水浸法での音速測定の両方を試みた。無時効から３
００時間まで熱時効を与えた試験片に対し、音速測定を
行った結果を図６に示す。誤差棒は同一試験体内で多点
測定を行った結果としてのデータのバラツキを示してい
る。図６より熱時効時間を増やすにつれ音速は上昇し、
測定位置による音速変化が少なくなることが確認され
た。熱時効に伴う硬度変化及び音速変化の相関を図７に
示す。これより、熱脆化の進行に伴う硬さの変化と超音
波音速の変化との間にはよい相関のあることが分かっ
た。これらのことより、超音波音速測定により二相ステ
ンレス鋼の熱脆化の進行が非破壊的に評価可能であるこ
とが確認された。

【００１９】二相ステンレス鋼に対し無時効から４７５
℃で３００時間までの熱時効を与えた。その結果材料特
性の変化と共に脆化が進行することが確認された。ま
た、この二相ステンレス鋼熱脆化試験体に対し超音波を
用い音速を測定した結果、熱脆化の進行と共に音速が上
昇し、試験体中の位置による音速の変化が減少すること
が確認された。これらのことより、超音波音速測定によ
り二相ステンレス鋼の熱脆化を非破壊的に評価すること
が可能であることが確認された。

【００２０】［第二実施例］本実施例では、先の実施例
と異なり、表面波用の広域探触子を用い、二相ステンレ
ス鋼の脆化の程度を表面波のうちレイリー波をもってそ
の評価を行っている。装置構成は図２の第二の実施形態
に近似するものを用いている。他の構成については、先
の実施例とほぼ同様である。

【００２１】かかる条件に基づく試験結果を図８のグラ
フに示す。同グラフによっても、熱時効と超音波音速の
変化との間にはよい相関があり、したがって、熱脆化の
進行に伴う硬さの変化と超音波音速の変化との間にもよ
い相関のあることが確認された。両探触子の送信部及び
受信部の距離は５０ｍｍであるが、充分な強度の超音波
信号が受信され、減衰材でも第二の実施形態による評価
を行いやすいことが推認される。

【００２２】上記各実施形態や実施例では、脆化の評価
対象となる金属材料に二相ステンレス鋼を用いたが、こ
の発明は炭素鋼や鉄合金の外、銅やアルミニウム等の他
の種の金属材料にも適用の余地がある。また、各種測定
条件や探触子の配置等は評価対象となる金属材料の種類
や試験体の形状等に応じて種々の改変が可能である。

【００２３】

【発明の効果】このように、本発明の上記特徴によれ
ば、試験体を伝播した超音波の音速を測るだけの簡易な
手法で、金属材料の脆化度を評価することの可能な評価
方法及び評価装置を提供し得るに至った。

【００２４】また、両探触子の送信部及び受信部の距離
を一定に維持することで、未知の厚さの金属材料におけ
る超音波音速を正確に算出でき、脆化の程度を精度よく
評価することが可能となった。

【００２５】さらに、超音波として前記試験体の表面を
伝播する表面波を用いた場合でも、熱脆化は試験体のほ
ぼ全体に均一に発生しやすいことから十分に評価可能で
ある。しかも、表面波は減衰率が小さいことから、材料
中を伝播する縦波の減衰が大きな金属材料でも評価が可
能であり、その結果伝播距離も比較的長くできるので、
脆化の程度をより精度よく評価することが可能となっ
た。

【００２６】なお、特許請求の範囲の項に記した符号
は、あくまでも図面との対照を便利にするためのものに
すぎず、該記入により本発明は添付図面の構成に限定さ
れるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施形態にかかる評価装置の論理
ブロック図である。

【図２】本発明の第二実施形態にかかる探触子を鋼管に
取り付けた状態を示す縦断面図である。

【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。

【図４】本発明の第三の実施形態にかかる探触子の使用
状態を示す縦断面図である。

【図５】第一実施例に係る熱時効(Aging Time)とマイク
ロビッカース硬度(Micro Vickers Hardness)との関係を
示すグラフである。

【図６】熱時効(Aging Time)と超音波音速(Velocity)と
の関係を示すグラフである。

【図７】マイクロビッカース硬度(Vickers Hardness)と
超音波音速(Velocity)との関係を示すグラフである。

【図８】第二実施例に係る表面波を用いた場合の熱時効
(Aging Time)と超音波音速(Velocity)との関係を示すグ
ラフである。

【図９】荷重−変位線図及び曲げ試験後の試験片の写真
を示す図であり、（ａ）は熱時効を与えない場合、
（ｂ）は４７５℃で２４時間熱時効を与えた場合、
（ｃ）は４７５℃で１００時間熱時効を与えた場合であ
る。

【符号の説明】

１ 脆化評価装置 ２ 探触子 ３ アンプ ４ パルサー／レシーバー ５ オシレーター ６ Ａ／Ｄコンバーター ７ パーソナルコンピュータ ８ ＣＲＴ装置 ２０ 探触子 ２１ 送信用探触子 ２１ａ，２２ａ 振 動子 ２１ｂ，２２ｂ 送・受信部 ２２ 受信用探触子 ２３ ケーシング ３０ 探触子 ３１ 送信用探触子 ３２ 受信用探触子 ３１ａ，３２ａ 振動子 ３１ｂ，３２ｂ 送・受信部 ３１ｃ，３２ｃ ケーシング ３３ ブリッジ Ｓ 試験体 Ｐ 探触子 Ｕ 超音波 Ｌ１ 板厚 Ｌ２ 探触子距離

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 雅之 大阪市西区北堀江１丁目18番14号 非破壊 検査株式会社内 (72)発明者 末次 純 大阪市西区北堀江１丁目18番14号 非破壊 検査株式会社内 (72)発明者 今中 拓一 大阪市西区北堀江１丁目18番14号 非破壊 検査株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鋼材等の金属材料よりなる試験体（Ｓ）
   に超音波（Ｕ）を送信すると共にこの試験体（Ｓ）を伝
   搬した超音波（Ｕ）を受信し、試験体（Ｓ）を伝播して
   受信された超音波（Ｕ）の音速（ｖ）を求め、この音速
   （ｖ）により前記金属材料（Ｓ）の脆化の程度を評価す
   る金属材料の脆化度評価方法。
2. 【請求項２】 前記超音波（Ｕ）が前記試験体（Ｓ）の
   表面を伝播する表面波である請求項１に記載の金属材料
   の脆化度評価方法。
3. 【請求項３】 請求項１又は２のいずれかに記載の金属
   材料の脆化度評価方法に使用する金属材料の脆化度評価
   装置であって、前記試験体（Ｓ）に超音波（Ｕ）を送信
   する探触子（２１，３１）と受信する探触子（２２，３
   ２）とを隔てて設け、これら両探触子の送信部（２１
   ｂ，３１ｂ）及び受信部（２２ｂ，３２ｂ）の距離（Ｌ
   ２）を一定に維持するために両探触子（２１，２２，３
   １，３２）を保持具（２３，３１ｃ，３２ｃ，３３）に
   より保持してある金属材料の脆化度評価装置。