JPS5831867B2 - 超音波による鋼の結晶粒度の測定法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、鋼の物性解明に有効な結晶粒度を超音波の減
衰量により測定する方法に関する。

材料内の超音波減衰特性を調べることは、その材料の物
理学的ならびに材料学的性質の解明にきわめて有効な手
段の一つであり、材料中の組織的特徴、異常組織の有無
などに対して、信頼度の高い判定を下すことができると
いわれている。

特に組織的特性との関連において、超音波の減衰定数と
鋼の結晶粒度との関連を求めようとする試みが数多くな
され、鋼の組織が比較的単純なフェライト・パーライト
鋼においては、一応フエライト結晶粒の推定が可能であ
ると考えられている。

上記の内容は、たとえばＥ、 Ｐ、 Ｐａｐａｄａｋｉ
ｓ Ｕｌ ｔｒａｓｏｎｉｃＡｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ
ａｎｄ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｉｎ Ｔｈｒｅｅ Ｔｒａ
ｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｉｎ ５
ｔｅｅｌ、 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＡｐｐｌｉｅｄ Ｐ
ｈｙｓｉｃｓ 、 ｖｏｌ、 ３５ 、Ａ５（１９６４
）ｐ。

１４７４〜１４８２に記載されている。

また、この公知の内容を利用した特開昭４９−５２６９
８がある。

本発明は、以下に記述するように、これらの公知の内容
とは基本的に異なるものであり、本発明によって、はじ
めて鋼の結晶粒度の適確な測定が可能となるものである
。

しかしながら鋼の組織にはフェライト・パーライト以外
に非常に複雑な組織、例えば、マルテンサイト、ベイナ
イト、あるいは双方の焼もどし組織などがある。

これらの組織に関しては、超音波減衰特性との関連が非
常に不明確で、減衰定数の差は、組織によるものとして
漠然と考えられており、結晶粒との明確な関連は何ら引
出されてはいない。

本発明の特徴は、鋼の結晶粒を後述の有効結晶粒なる概
念でまとめ、これと超音波減衰との相関を求めて一義的
な関係を得たところにあり、これによりフェライト・パ
ーライト鋼はもちろんのこと、マルテンサイト、ベイナ
イトなどの複雑な組織からなる鋼においても、超音波減
衰定数の測定から、鋼の結晶粒特に機械的性質（靭性、
延性、強度など）を実効的に支配する有効結晶粒度を精
度よく推定することが可能になった。

本発明の測定法を可能にした最大のポイントは、発明者
らが、鋼の微視組織と超音波技術に精通しており、複雑
な組織においてもそれを有効結晶粒という概念でまとめ
れば超音波減衰との間に明瞭な相関関係が得られるはず
と着想し得た点に負うところが太きい。

そこで、まず以下において有効結晶粒なる概念について
説明を加える。

有効結晶粒というのは、結晶方位が大きく変る界面を粒
界とする結晶粒である。

加熱した鋼を急冷すると、既知のように結晶粒は一般に
細分化する。

第１図は１個のオーステナイトから冷却に伴なうマルテ
ンサイト変態によって形成された微視組織を特に結晶学
的特徴に留意して模式的に示したものである。

この図ではゾロ角形状をなす曲線Ｃ１は旧オーステナイ
ト粒界を示し、この中に多数の同方向を向いた小区分Ｒ
の群がある。

太線枠Ｃ２で囲んだこれらの群Ｐはコ・バリアント・パ
ケットと呼び、その境界つまり太線枠Ｃ２をコ・バリア
ント・パケット粒界と呼ぶ。

ラスＲを囲む枠Ｃ３はマルテンサイト・ラス粒界と呼ば
れる。

マルテンサイト・ラス（またはマルテンサイト・プレー
ト）はマルテンサイト組織のうちの最も細かい組織単位
であって、巾は１μｍ前後のものが多く、長さはオース
テナイト粒径に依存して変化する。

各ラス内での結晶方位は等しく、そして各ラス内つまり
粒界Ｃ３での結晶方位の差は１°以下であり、通常の結
晶粒界に比較して、方位差が極めて小さいのが特徴であ
る。

単純なフェライト・パーライト鋼においては冷却に伴っ
て点線曲線Ｃ４で示す如き境界を持つフェライト結晶粒
が現われ、この結晶粒の中にはマルテンサイト・ラスＲ
の如き小区分はない。

上述のようにマルテンサイト・ラス境界Ｃ３では方位差
は１°以下であり、フェライト・パーライト組織に存在
するザブ・バウンダリーと同じ性質のものと考えられる
のに対して、コ・バリアントパケット粒界Ｃ２での方位
差は数１０度以上もあり、該粒界Ｃ２はフェライト・パ
ーライト組織のフェライト結晶粒界と同様に大傾角粒界
になっている。

粒界が大傾角粒界になっていると該粒界は、例えば鋼に
クラックが入った場合にそのクラックの進行を妨害又は
阻止し、また超音波が伝播する際に大きな減衰を与える
効果があり、これに反して粒界が小傾角粒角であるとか
＼る効果はない。

そこで大傾角粒界で画定される結晶粒、従ってフェライ
ト・パーライト鋼においてはフェライト結晶粒４、また
マルテンサイトおよびベイナイト鋼においてはコ・バリ
アント・パケットＰを鋼の有効結晶粒とすれば、超音波
減衰特性および機械的性質と鋼の結晶粒とに強い相関関
係を持たせることが可能である。

本発明はかかる認識に基くものであって、これは後述の
実験結果からも明瞭に裏付けられた。

従来から例えば鋼の靭性を犬にするには結晶粒を細かく
すればよいことが知られており、この細かさの判定には
破面観察による方法および組織観察による方法などが採
用されてきた。

しかしいずれの判定法においても、判定に長時間を要す
るばかりでなく、破面形状あるいは組織が煩雑なため判
定の客観性を欠き個人差が生じるという大きな欠点が存
在する。

本発明はこのような問題点を解決し、信頼性のあるデー
タの提供を意図してなされたものであり、超音波減衰に
よる有効結晶粒度の判定により、かかる目的を達するこ
とができたものである。

以下において、本発明を構成する各要素を詳細に説明す
る。

まず超音波減衰定数は、パルス反射法によって底面の音
圧エコー列を求め、エコー高さの変化から、該減衰定数
を測定する。

超音波の周波数は、レーリー散乱による減衰が全減衰の
大部分を占めるようになる領域に限定する。

レーリー散乱は波長に対して充分小さい粒子による音波
または光の散乱であるが、長波長では結晶粒による散乱
以外に、非常に複雑かつ内容が明確でない散乱、減衰が
関与し、結晶粒度との相関を求めることが事実上不可能
になる。

そこで周波数は上記範囲好ましくは波長がね径とはゾ等
しくなる周波数範囲に限定して超音波減衰定数と有効結
晶粒径との関係を詳細に検討した結果、フェライト・パ
ーライト組織はもちろんのこと、マルテンサイト・ベイ
ナイトおよび両者の焼もどし組織のいずれにおいても、
か“＼る周波数における減衰定数と有効結晶粒径との間
には非常によい相関関係があり、減衰定数の測定値から
精度よく有効結晶粒の大きさを推定することが可能であ
ることがわかった。

以下これを具体的に説明する。

次に表１は、実験室的に溶製した供試材の化学組成、組
織、結晶粒度（フェライトまたはオーステナイト粒度）
を示す。

この表の組織の欄の略号Ｆはフェライト、Ｐはパーライ
ト、ＡＭは焼もどしマルテンサイト、ＡＢは焼もどしベ
イナイトをそれぞれ示す。

なおフェライトおよびフェライト・パーライト組織につ
いては、フェライト結晶粒度をＡＳＴＭ Ａ１〜９の範
囲で変化させ、焼もどしマルテンサイト、焼もどしベイ
ナイトおよびパーライト鋼については、オーステナイト
粒度をＡＳＴＭＡ １〜９の範囲で変化させたものに
ついて減衰定数を測定した。

結晶粒度に一方ではフェライト結晶粒度を、他方ではオ
ーステナイトね度をとったのは通常の方法に準拠したた
めである。

即ち表面のエツチングおよび顕微鏡観察により結晶粒径
を求めると、フェライト・パーライト鋼においてはオー
ステナイト粒界が消えてフェライト結晶粒界か、またマ
ルテンサイトおよびベイナイト鋼においてはオーステナ
イト粒界およびマルテンサイトラス粒界が観察できるの
で、これを測定しており、鋼の結晶粒径については殆ん
どがかかる方法に依っている。

この点が、従来方式では超音波の減衰と結晶粒度に一義
性をもたらさなかった原因でもある。

第２図は焼もどしベイナイトに関する測定結果の１例を
示す。

この図から明らかなように縦波超音波減衰定数α（ｄＢ
／ｃｒ／Ｌ）はオーステナイト結晶粒径および測定周波
数に依存し、双方が大きくなるにつれて増加する。

αがほぼ２ｄＢ／ｃｒｒＬ以上に大きくなると前記レー
リー散乱に関する条件が満足され、αは周波数ｆの４乗
に比例して増加していく。

第３図は測定周波数ｆ二１０ＭＨｚにおける各々の組織
の減衰定数を、従来法によって定義される結晶粒度つま
りフェライト・パーライト鋼の場合はフェライト粒度、
ベイナイト、マルテンサイトあるいは両者の焼もどし組
織の場合はオーステナイト粒度の関数として表わしたも
のである。

第３図においては、減衰定数αと結晶粒度ＧＳとの間に
一応の相関が認められるものの、各組織によって相関関
係は異なっており、減衰定数αが明らかな場合において
も、組織が推定されなければ、結晶粒度ＧＳを推定する
ことができない。

これに対して、第４図は本発明の特徴とする有効結晶粒
径りと各々の組織の減衰定数との関係を示したものであ
る。

測定周波数ｆは１０ＭＨｚであるが、これは前記レーリ
ー散乱に関する条件が満足される場合は実際に測定周波
数ｆを１０ＭＨｚとし、粒径が小で該条件が満足されな
い場合は該条件が満足される高周波数で測定してその測
定結果を１０■ｈの場合に換算している。

第４図から明らかなように、減衰定数α（ｄＢ／ＣＷＬ
）は、有効結晶粒径Ｄ（ｍｍ）により一義的に定まる。

言葉をかえれば有効結晶粒度という概念で結晶粒度と超
音波減衰定数との関係を求めれば、組織には全く関係な
い一義的な関係が得られ、該関係を用いて一方から他方
を知ることができる。

第４図の関係は統計的処理によりほぼ α二６×１０３×Ｄ３（ｄＢ／ｃＴＬ）・・・・・・・
・・（１）で表わされ、レーリー散乱に関する条件を満
足する周波数ｆに対してほぼ α＝０．６ｆ Ｄ ・・・・・・・・・・（２
）の関係が成り立つ。

（１） 、 （２）式より明らかなように、減衰定数α
が求まれば、各々の組織の有効結晶粒度りを精度よく推
定することが可能である。

次に※哀実施例を挙げる。

表２に実施例として、現場厚板材４０キロ、５０キロ鋼
および６０キロ、８０キロ高張力鋼の化学組成と組織的
特徴を示す。

表２より明らかなように、４０キロ、５０キロ鋼はフェ
ライト・パーライト（Ｆ−Ｐ）組織、６０キロ高張力鋼
はフェライト・パーライト組織のものと、焼もどしベイ
ナイト（Ａ−Ｂ）組織のものとがあり、８０キロ高張力
鋼は焼もどしマルテンサイト（Ａ−Ｍ）組織である。

これらの鋼について、超音波測定により減衰定数を、ま
た破面観察により結晶粒径を求めた。

両者の測定結果を表３に示す。

さらにこれらの関係を、第４図に示した本発明の特徴と
する減衰定数と有効結晶粒径との関係を示すグラフにプ
ロットすると、第５図のようになり、第４図の関係が現
場材においても完全にみたされることかわかった。

次に第６図を参照しながら超音波減衰定数の測定および
その結果等の具体例を説明する。

この図のａで１は被測定鋼材、２は送受兼用超音波振動
子である。

超音波振動子２を被測定鋼材１の表面１１に接触させ、
超音波を放射させると、超音波振動子２から出た超音波
は該鋼材１内を伝播してその底面１２で反射し、表面１
１で再び反射する。

このようにして両面１１．１２間で超音波は多重反射し
、その音圧エコー列を振動子２で検出すると、同図すに
示すような減衰曲線が得られる。

この図に示すようにエコーの音圧Ｐは伝播距離Ｘ（ｃｒ
ｒｔ）に対してほぼ指数関数的に減衰し、Ｐ＝Ｐｅ−α
いで表わすことができる。

鋼材内での伝播距離ｘ１．Ｘ２（ｃＩｒＬ）での音圧を
Ｐｌ、Ｐ２とすれば、減衰定数α（ｄＢ／ｃＩｒＬ）は
次の公式で定義される。

第７図は、フェライト・パーライト鋼の有効結晶粒径（
フェライト結晶粒径）が異なるいくつかの試料を準備し
、それぞれに試料に対して超音波周波数を変化させて超
音波減衰定数を測定した結果を示す。

いずれの結果も、周波数ｆ （ＭＨｚ ）に対して減衰
定数αは非線形的な依存性を示している。

αが大きくなり、２．０（ｄＢ／α）以上の値になると
レーリー散乱が減衰の支配的因子となって、αはｆの４
乗に比例して増加しているのがわかる。

第８図はマルテンサイトの有効結晶粒径と減衰定数の同
様な測定結果である。

この場合にも、αが２．０ （ａ Ｂ／ｃｎＬ）以上に
なると、αはｆの４乗に比例して増加することがわかる
。

このように減衰定数αはα≧２．０をみたす場合にかぎ
ってレーリー散乱に従い、周波数ｆの４乗に比例するこ
とになる。

かかる関係はその他の組織の鋼に対しても得られた。

かかる結果を整理したものが前述の第５図であり、また
第（２）式である。

ただし第（２）式はＣ，Ｓｉ、Ｍｎ等を主な添加成分と
した鋼の場合に成立し、ステンレス鋼のように大量のＣ
ｒを含むような場合は係数０．６が若干変化するために
、一般にＡを定数として α＝Ａ−Ｄ３・ｆ４ ・・・・・・・・・・・・（３
）とするのがよい。

この式を用いればね径りの値は容易に求まる。

即ち被測定鋼材に入射する超音波の周波数ｆを連続的な
いし離散的に変化させ、超音波減衰定数αが２．０（ｄ
Ｂ／ｃｒｒＬ）以上の値を指示する最初の周波数ｆとα
の値から として該鋼材の有効結晶粒径りを求めることができる。

粒径りは作図的に求めることもできる。

即ち第７図または第８図の曲線群を各粒径に対して多数
求めておき、α≧２ｄＢ／ｃｒｒＬになるような測定を
してその時の周波数ｆと減衰定数αから該曲線の１つを
選択して粒径を求め、または隣接２曲線を求めて補間法
により粒径を推定すればよい。

しかしこの方法はデータ作成が比較的厄介ではある。

以上詳細に説明したように、本発明によれば鋼の結晶粒
度を、超音波減衰定数の測定により有効結晶粒径の形で
簡単迅速に測定することができ、この有効結晶粒は鋼の
機械的性質等と強い相関を持っているので、鋼の物性解
明に有力な手段を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はマルテンサイトおよびベイナイト組織の詳細を
説明する模式図、第２図および第３図は従来法による超
音波周波数と減衰定数との関係を示すグラフ、第４図お
よび第５図は本発明による新規概念たる有効結晶粒径と
減衰定数との関係を示すグラフ、第６図ａは超音波減衰
定数の測定装置の説明図、同図すはその測定結果を示す
グラフ、第７図および第８図は本発明による有効結晶粒
径をパラメータとした超音波周波数と減衰定数との関係
を示すグラフである。 図面で１は被測定鋼材、２は超音波振動子である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ｉ Ｃ，Ｓｉ、Ｍｎを主成分とする鋼材中に超音波を
   伝播させ、レーリー散乱現象に基づく減衰度により該鋼
   材の結晶粒度を測定する方法において、超音波の周波数
   ｆを変化させ、該超音波減衰定数αが２．０ｄＢ／ｉ１
   ｍ以上になったときのαを用いてα−０，６ＸＤ３Ｘ
   ｆ’から、該鋼材の有効結晶粒径りを求めることを特徴
   とする超音波による鋼の結晶粒度の測定法。