JPH11131268A

JPH11131268A - 金属材料試験方法および装置

Info

Publication number: JPH11131268A
Application number: JP9294028A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Yamaguchi; 祐一郎山口
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1997-10-27
Filing date: 1997-10-27
Publication date: 1999-05-18

Abstract

(57)【要約】【課題】亀裂発生寿命を直接正確に測定でき、あるい
は、亀裂発生位置の特定が容易にでき、金属材料の適切
な使用に役立てることの出来る技術を提供すること。【解決手段】金属材料試験片１及び電極材料２を浸漬
自在な電解槽３を設け、その金属材料試験片１を前記電
解槽３に浸漬した状態で、その金属材料試験片１及び電
極材料２の間に電流を発生させる電流発生装置４を設
け、前記金属材料試験片１を前記電解槽３に浸漬した状
態で、その金属材料試験片１に疲労加重を発生させる応
力発生装置５を設け、前記金属材料試験片１の表面を観
察する観察部６を設け、前記観察部６に金属材料試験片
１の表面を撮影するカメラ装置７を設け、そのカメラ装
置７による撮像を記録する記録装置８を設けてある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属材料の試験方
法に関し、具体的には、金属材料の疲労をはかる技術に
関し、例えば、疲労荷重を受ける金属材料における亀裂
発生の有無の確認、あるいは、金属材料に亀裂が生じる
までの亀裂発生寿命を調べるような場合に用いられる技
術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、初期の亀裂の発生の有無の確認は
困難なものであった。金属材料の亀裂発生寿命を直接的
にはかることは困難であり、金属材料の破断寿命の測定
（例えば、ＪＩＳＺ２２７３の試験方法）、あるい
は、亀裂進展寿命の測定（例えば、ＡＳＴＭＥ６４７
−８１の試験方法）等により、測定した金属材料の疲労
耐性を元に亀裂発生寿命を推定することが行われてい
た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような推
定によると、金属材料の組成その他の条件の明確な関連
情報を知ることが出来ない状態での推定は、見当はずれ
なものになりやすく、金属材料の関連情報を的確に把握
して推定するにしても、標準的な判断を下すための尺度
を決めるための比較対象物が必要になり、実質的には、
極めて場当たり的な試験を繰り返すことになり、客観的
に金属材料の亀裂発生寿命を確定することはできない。
また、このような推定のみに基づき金属材料の補修・交
換等を行う場合には、正確な推定が出来ないために、安
全側に補修・交換時期を設定せざるを得ないという現状
があり、そのために、利用できるはずの材料を無駄にし
たり、補修・交換に要する労力を浪費したりする無駄が
生じていた。そこで、金属材料に亀裂の生じ始めるまで
の時間（以下単に亀裂発生寿命と称する）を直接測定す
ることの出来る方法が望まれているのであるが、一般に
金属材料に生じた亀裂を発見するのは、もっぱら目視に
よらなければならず、特に微小な亀裂を発見するには、
レプリカ等の採取に基づく顕微鏡観察を行う必要性があ
った。このような作業は熟練と根気の必要な作業であっ
て、一朝一夕に誰もが漏れ落ちの少ない作業を行えるも
のではなく、しかも、顕微鏡を利用する技術に関して言
えば、測定すべき対象物と同等のレプリカを採取するこ
とは困難であり、また、前記対象物が大きな構造物であ
るような場合には、亀裂発生位置の特定は困難であっ
た。

【０００４】従って、本発明の目的は、上記実情に鑑
み、亀裂発生寿命を直接正確に測定でき、あるいは、亀
裂発生位置の特定が容易にでき、金属材料の適切な使用
に役立てることの出来る技術を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】〔構成１〕この目的を達成するための本発明の金属材料
試験方法の特徴手段は、金属材料試験片及び電極材料を
電解槽に浸漬して前記金属材料試験片を陰極、電極材料
を陽極に形成し、両電極間に過剰の防食電流を流通させ
て、前記金属材料試験片から発生する水素を観察する点
にあり、前記金属材料試験片から発生する水素を観察す
る際に、前記金属材料試験片に酸化皮膜が形成されるま
での初期防食時間経過後、その金属材料試験片からの微
小気泡の発生を観察することが好ましく、さらに、前記
金属材料試験片に酸化皮膜が形成されるまでの初期防食
時間経過後、その金属材料試験片に前記防食電流を流通
させながら、前記金属材料試験片に疲労加重を加え、そ
の金属材料試験片からの微小気泡の発生を観察すること
がさらに好ましい。ここで、前記金属材料試験片に前記
防食電流を流通させながら、前記金属材料試験片に疲労
加重を加えているときに、その金属材料試験片からの微
小気泡の発生し始めたときに、新生微小亀裂が発生した
ものと判断してもよく、発生している気泡の主成分が径
１．０ｍｍ〜１．８ｍｍである場合に、初期防食時間が
経過していないものと判断してもよく、初期防食時間を
６時間と設定しても良く、径０．０１〜０．５ｍｍの微
小気泡が発生している場合に、その気泡の発生箇所を亀
裂発生箇所であると判断してもよい。

【０００６】〔作用効果１〕つまり、金属材料を試験す
るに、金属材料試験片及び電極材料を電解槽に浸漬して
前記金属材料試験片を陰極、電極材料を陽極に形成し、
両電極間に過剰の防食電流を流通させると、前記、金属
材料試験片からガスが発生する、これは、前記金属材料
表面における水の電気分解に基づく水素ガスであり、通
常このガスは、１．０ｍｍ〜１．８ｍｍの大きさにな
り、金属材料表面における酸化被膜の形成を示すもので
ある。ところが、本発明者らは、この種のガスの中に、
特定の箇所から連続的に微小気泡（通常径０．０１〜
０．５ｍｍ程度の大きさ）が発生しているのを観察でき
る場合があるという知見を得た。このような微小気泡に
ついて、さらに詳細に検討すると、その微小気泡の発生
箇所がその金属材料表面において亀裂の発生している箇
所であることがわかった。この際、前記気泡は先述のよ
うに目視でも明らかに見分けられる程度の大きな差異を
有するものなので、熟練を要することなく、亀裂の発生
箇所を判定することができる。

【０００７】このような状況は、気泡の発生状況が、金
属材料表面上の平坦な部分に由来するものか、亀裂の内
側の微小な空間で発生するものかによる相違であると考
えられ、具体的には、平坦な部分から発生する水素ガス
は、泡となって前記金属材料表面から離脱するまで、周
辺から同様に発生してくる水素ガスとともに大きく成長
しても十分その金属材料表面に吸着する状態が保持され
やすく、大きな気泡になるのに対して、亀裂の内側の微
小な空間から発生する水素ガスは、その亀裂の縁部でし
か吸着保持されず、しかも、亀裂の開口面積は、亀裂内
側の表面積に対して、平坦な金属表面積に対して気泡の
離脱可能な面積よりも、十分に小さいことは明らかであ
り、この状況を踏まえると、亀裂内部から発生した泡
は、亀裂の開口部に達するやいなや、後から発生してく
る泡に押し出されて、成長するまもなく気泡となって金
属表面から離脱せざるを得ず、微小気泡となってしまう
ものと考えられるのである。つまり、基本的に発生過程
が異なるために、熟練を要することなしに識別しうる差
異が生じるのである。

【０００８】さらに、前記金属材料試験片から発生する
水素を観察する際に、前記金属材料試験片に酸化皮膜が
形成されるまでの初期防食時間経過後、その金属材料試
験片からの微小気泡の発生を観察すると、前記金属材料
表面から発生する大きく成長した気泡のほとんどない状
態で気泡を観察できるので、より確実に微小気泡を識別
できる。また、亀裂の生じていないような金属材料であ
っても、この状態にしてから、その金属材料試験片に前
記防食電流を流通させながら、前記金属材料試験片に疲
労加重を加え、その金属材料試験片からの微小気泡の発
生を観察すると、前記疲労荷重によりその金属材料に亀
裂、あるいは、亀裂に準ずる金属組織の変化（以下単に
亀裂と称する）が発生した時点で、その亀裂が防食を受
け始め、微傷気泡を発生し始めるので、金属材料の疲労
しやすい部位を特定することが出来るとともに、疲労加
重をかけ始めてから、微小気泡が発生し始めるまでの時
間を測定することによって、その金属材料の疲労加重に
対する耐久性を知ることが出来るようになる。つまり、
前記金属材料試験片に前記防食電流を流通させながら、
前記金属材料試験片に疲労加重を加えているときに、そ
の金属材料試験片からの微小気泡の発生し始めたとき
に、新生微小亀裂が発生したものと判断することがで
き、径０．０１〜０．５ｍｍの微小気泡が発生している
場合に、その気泡の発生箇所を亀裂発生箇所であると判
断することができる。また、初期防食時間を推定するの
に、発生している気泡の主成分が径１．０ｍｍ〜１．８
ｍｍである事を基準に判断すれば、比較的正確に初期防
食時間の経過を把握することができ、６時間をもって初
期防食時間とみなせば、金属材料試験片の試験前からの
防食度合いによらず一律の試験方法によりほぼ同等の試
験結果を得ることができるので、各種試験の必要に応じ
て目視で正確に行う場合には、前者を、多種多様な試験
片を機械的あるいは自動的に試験するような場合に標準
化した試験条件を用いる必要がある場合には、後者を採
用する等すれば、適切な試験を効率よく行えることにな
る。

【０００９】〔構成２〕また上記目的を達成するための
本発明の金属材料試験装置の特徴構成は、金属材料試験
片及び電極材料を浸漬自在な電解槽を設け、その金属材
料試験片を前記電解槽に浸漬した状態で、その金属材料
試験片及び電極材料の間に電流を発生させる電流発生装
置を設け、前記金属材料試験片を前記電解槽に浸漬した
状態で、その金属材料試験片に疲労加重を発生させる応
力発生装置を設け、前記金属材料試験片の表面を観察す
る観察部を設けたことにあり、前記観察部に金属材料試
験片の表面を撮影するカメラ装置を設け、そのカメラ装
置による撮像を記録する記録装置を設けてあることが好
ましい。

【００１０】〔作用効果２〕つまり、構成１記載の金属
材料試験方法を行うに当たって、電解槽を設けて、金属
材料試験片及び電極材料を浸漬自在に形成しておくとと
もに、電流発生装置を設けておくことにより、前記金属
材料試験片に過剰な防食電流を流通させることができ
る。また、前記金属材料試験片に疲労加重を発生させる
応力発生装置を設けるとともに、観察部を設けておくこ
とにより、前記金属材料試験片から発生する微小気泡を
観察することができる。そのため、前記金属材料試験方
法を容易に行える装置を提供できることになる。また、
この装置における観察部にカメラ装置を設けてあれば、
前記微小気泡の発生等を画像処理した上で観察するなど
の利点を奏するとともに、記録装置を設けておくことに
より、その画像を詳細に検討することもできる利点があ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１に示すように、本発明の金属
材料試験方法に用いる金属材料試験装置は、金属材料試
験片１及び電極材料２を浸漬自在な電解槽３を設け、そ
の金属材料試験片１を前記電解槽３に浸漬した状態で、
その金属材料試験片１及び電極材料２の間に電流を発生
させる電流発生装置４を設け、前記金属材料試験片１を
前記電解槽３に浸漬した状態で、その金属材料試験片１
に疲労加重を発生させる応力発生装置５を設け、前記金
属材料試験片１の表面を観察する観察部６を設け、前記
観察部６に金属材料試験片１の表面を撮影するカメラ装
置７を設け、そのカメラ装置７による撮像を記録する記
録装置８を設けて構成してある。ここで、前記金属材料
試験片１としては、構造材料の一部を成す金属材料のレ
プリカを用いても良いし、耐久性試験を行うべき金属材
料部品そのものであっても良い。また、電流発生装置４
は、例えば、前記金属材料試験片１として炭素鋼を用い
た場合に、０．２３ｍＡ／ｃｍ²以上の電流を流通可能
なものであれば、特に制限無く用いられる。また、電解
槽の形成に用いる電解液は、電流を流通容易に調整して
あれば、いずれのものであっても良いが、炭素鋼を連続
的に試験するような場合は、ｐＨ１．０〜７．０程度に
調整した緩衝溶液が好ましいことが経験的に見いだされ
ている。

【００１２】

【実施例】以下に試験方法について詳述する。尚、気泡
の発生状況を図２に、気泡の発生量の変移を図３に示
す。（１）エメリー紙で＃６００まで研磨した金属材料試
験片及び白金電極を、ｐＨ３．６の酢酸−酢酸ナトリウ
ム系緩衝液からなる電解液を満たした電解槽に浸漬し
て、０．２３ｍＡ／ｃｍ²の電流を流通させ、前記金属
材料試験片を陰極、電極材料を陽極に形成し、両電極間
に過剰の防食電流を流通させて、前記金属材料試験片か
ら発生する水素を観察する。すると、前記金属材料試験
片の表面から、初期に直径約１．０〜１．８ｍｍ程度の
比較的大きな気泡が発生し始めるのが観察できる。（図
２（イ）参照）（２）次に、この状況を、約６時間（初期防食時間）
放置すると、前記金属材料試験片に酸化皮膜が形成さ
れ、気泡はほとんど発生しなくなる。（図３中ａに示す
期間）（３）この初期防食時間経過後さらに放置させ、その
金属材料試験片からの微小気泡の発生を観察する。この
間に微小気泡が発生していなかった場合には、この金属
材料試験片は、亀裂を有しないものとして扱うことがで
きる。（４）さらに、初期防食時間経過後、前記金属材料試
験片に前記防食電流を流通させながら、前記金属材料試
験片に、５０ＭＰａ〜２０ＭＰａ、周期１０，１，０．
５Ｈｚ程度の疲労加重を加え（図３中ｂに示す期
間）、その金属材料試験片からの微小気泡の発生を観察
する。このとき、その金属材料試験片から、直径約０．
１ｍｍ程度の微小気泡が発生し始めると、新生微小亀裂
が発生したものと判断することができる。（図２（ロ）
参照）（図３中ｃに示す期間）例えば、表１の組成を有する炭素鋼は、１秒間に一回の
疲労サイクルを想定した場合に、通常の破断寿命が２
９．８日とされているが、亀裂発生寿命を求めると、２
３．４日相当であることが実験的に得られており、６．
４日にわたって、早期対策を成すことで、より安全性を
確保した状態での使用が可能となる。尚、この観察は、
すべてカメラ装置７によって撮像された映像を、記録装
置８に記録させた後、詳細に検討することにより、再現
性良く、しかも無人であっても記録することができ、例
えば、数十時間に及ぶ試験に対しても有効に利用でき
る。

【００１３】

【表１】

【００１４】尚、初期防食時間を、比較的大きな気泡の
発生を基準に判断したが、これを初期に設定される一定
時間とし、固定した条件下での試験を行っても良い。ま
た、先の実施例で、（１）〜（４）の各ステップで各々
判断を下しているが、必要に応じて、求めるステップの
みの情報を処理すればよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】金属材料試験装置の概略図

【図２】気泡の発生状況を示す図

【図３】気泡の発生の経時変化を示す図

【符号の説明】

１金属材料試験片２電極材料３電解槽４電流発生装置５応力発生装置６観察部７カメラ装置８記録装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属材料試験片及び電極材料を電解槽に
浸漬して前記金属材料試験片を陰極、電極材料を陽極に
形成し、両電極間に過剰の防食電流を流通させて、前記
金属材料試験片から発生する水素を観察して、金属材料
の状態を判断する金属材料試験方法。
【請求項２】金属材料試験片及び電極材料を電解槽に
浸漬して前記金属材料試験片を陰極、電極材料を陽極に
形成し、両電極間に過剰の防食電流を流通させて、前記
金属材料試験片から発生する水素を観察し、前記金属材
料試験片に酸化皮膜が形成されるまでの初期防食時間経
過後、その金属材料試験片からの微小気泡の発生を観察
して、金属材料の状態を判断する金属材料試験方法。
【請求項３】金属材料試験片及び電極材料を電解槽に
浸漬して前記金属材料試験片を陰極、電極材料を陽極に
形成し、両電極間に過剰の防食電流を流通させて、前記
金属材料試験片から発生する水素を観察し、前記金属材
料試験片に酸化皮膜が形成されるまでの初期防食時間経
過後、その金属材料試験片に前記防食電流を流通させな
がら、前記金属材料試験片に疲労加重を加え、その金属
材料試験片からの微小気泡の発生を観察して、金属材料
の状態を判断する金属材料試験方法。
【請求項４】前記金属材料試験片に前記防食電流を流
通させながら、前記金属材料試験片に疲労加重を加えて
いるときに、その金属材料試験片からの微小気泡の発生
し始めたときに、新生微小亀裂が発生したものと判断す
る請求項３に記載の金属材料試験方法。
【請求項５】径０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍの微小気泡
が発生している場合に、その気泡の発生箇所を亀裂発生
箇所であると判断する請求項１〜４のいずれか１項に記
載の金属材料試験方法。
【請求項６】発生している気泡の主成分が径１．０ｍ
ｍ〜１．８ｍｍの気泡であるである場合に、初期防食時
間が経過していないものとみなす請求項１〜５のいずれ
か１項に記載の金属材料試験方法。
【請求項７】過剰の防食電流流通開始から６時間経過
により初期防食時間が終了したものとみなす請求項１〜
５のいずれか１項に記載の金属材料試験方法。
【請求項８】金属材料試験片及び電極材料を浸漬自在
な電解槽を設け、その金属材料試験片を前記電解槽に浸
漬した状態で、その金属材料試験片及び電極材料の間に
電流を発生させる電流発生装置を設け、前記金属材料試
験片を前記電解槽に浸漬した状態で、その金属材料試験
片に疲労加重を発生させる応力発生装置を設け、前記金
属材料試験片の表面を観察する観察部を設けた金属材料
試験装置。
【請求項９】前記観察部に金属材料試験片の表面を撮
影するカメラ装置を設け、そのカメラ装置による撮像を
記録する記録装置を設けた請求項８に記載の金属材料試
験装置。