JPS6170439A - き裂計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は溶接部の脆性破壊に対する安全性を調べるべ〈
実施される破壊試験に用いられる装置に関し、更に詳述
すると、微小き裂の伝播速度等の計測装置に関するもの
である。

〔従来技術〕

近年、石油をはじめとするエネルギー資源の開発環境が
苛酷化しているために、石油その他の資源の開発に使用
される溶接構造物の安全性を確保することが重要な課題
になっている。特に脆性破壊はき裂伝播速度が毎秒１０
００ｍにも達し、構造物を瞬時に崩壊に至らしめるため
、その防止には万全の対策が実施されなければならない
。

従って、使用材料に対して厳しく靭性が要求されるよう
になり、脆性破壊への関心も高まってきて、各種の破壊
靭性試験及び研究が精力的、に行われている。脆性き装
発生後の伝播、停止の研究においては、現象の解明及び
解析の点から、動的様相の計測が不可欠であり、その計
測方法としては、表面ゲージ切断法、ひずみ変化測定法
、電位差法が開発されている。

表面ゲージ切断法は、第３図に示すように、試験片３１
の表面にクラック・ディテクト・ゲージ（ＣＤゲージ）
３２をき裂伝播方向とは直交する方向に所定間隔離隔さ
せて平行に貼付し、き裂の伝播によって順次ＣＤゲージ
３２が切断されることによりき裂伝播速度を計測するも
のである。

ひずみ変化測定法は、第４図に示すように試験片３１の
き裂伝播線上から少し離れた位置に複数の歪ゲージ３３
を、その線と平行になるように貼付し、き裂先端の接近
による歪変化を各歪ゲージ３３にて検出し、その検出結
果からき裂の伝播時間を求めるものである。

電位差法は、第５図に示すように、き裂を有する試験片
３１に一定の電流を流してき裂をはさんで配設された電
位検出端子３５．３５にて、その間の電位差を測定し、
き裂進展による断面の減少に伴う抵抗の増加を電位差の
増加として検出する方法である。

〔発明が解決しようとする問題点３ 表面ゲージ測定法によれば、き裂の先端にはき裂の存在
による大きなひずみ集中が生じているため、破壊発生を
捉えるＣＤゲージは、破壊発生以前に切断しないように
、き裂先端からある程度離れた位置に貼付しなければな
らず、ゲージ切断は実際の破壊発生よりも遅れ、破壊発
生時刻を正確に捉えることができなかった。またき裂停
止時刻を捉えるためには、ゲージ貼付間隔分の誤差が生
じ、さらにき裂停止直前には板厚表面付近に限ってシャ
リップと呼ばれる塑性変形層が形成されるために破壊形
態が局部的に異なることから、厚み方向に埋没したき裂
が存すると、停止時刻計測に誤差が生じ、停止直前はき
裂伝播速度が遅くなり、その誤差は全現象時間に対して
大きくなる等の問題点があった。

第１表 第１表に３つの方法によるき裂の動的様相の検出結果を
示す。

一般に脆性き裂伝播速度としては数百ｍ／ｓオーダであ
ることが知られており、表面ゲージ切断法による２８ｍ
／ｓ　という値は、不合理である。

ひずみ変化測定法及び電位差法によれば各値が略等しく
なっており、計測法として信頼性が高い。

しかしながらひずみ変化測定法によれば、各測定点（即
ち各ひずみゲージ）毎に１台の広帯域ひずみアンプを必
要とし、測定点数が多くなれば非常にコスト高を招くと
いう欠点があった。

電位差法によれば時間的誤差を伴わずにき裂伝播時間を
計測でき、埋没き裂の伝播現象に対する計測が可能であ
る等、他の方法よりも優れているといえる。

一方、最近においては、材料の靭性を表わす値としては
、ＣＯＤ　（き袋開口変位Ｃｒａｃｋ　　Ｏｐｅｎｉｎ
ｇＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　）が用いられている。こ
のＣＯＤ値は、第６図に示すように試験片３１にあらか
じめ切欠き３６を形成しておいて、その幼欠き３６から
き裂が発生するように試験片の３点に荷重を加えるＣＯ
Ｄ試験によって求められるが、このＣＯＤ試験は、母材
の様に巨視的に均質な材料の靭性を簡便に求める目的に
て行われるものであり、巨視的な材質の不均質が避は難
い溶接部への適用に際しては、均質な母材とは異なる多
くの問題の存在が指摘されている。そして、このＣＯＤ
試験で発生するＰｏｐ−ｉｎ　　（局所的材質劣化域か
ら発生した微小き裂の伝播、停止現象）に対する取扱い
も問題となっている。Ｐｏｐ−ｉｎ現象はその生成機構
と共に継手の破壊強度に与える影響が明確でないため、
現時点ではごく特殊な場合を除いては安全側の立場から
Ｐｏｐ−ｉｎをもって破壊の発生とみなし、この時のＣ
ＯＤ値を破壊靭性値とみなしている。一方、Ｐ　ｏｐ−
ｉｎ発生時のＣＯＤ値は最終破壊時のそれに比べて極め
て低いことが多く、Ｐ　ｏｐ−ｉｎ防止のために材料面
、施工面から多大な労力とコストを払っている。しかし
ながら、実構造物においてＰ　ｏｐ−ｉｎが発生しても
、それが大規模な破壊につ。

ながらないことが保証されるならば、Ｐ　ｏｐ−ｉｎ時
の小さなき裂発生をもって、構造物に致命的な影蓼をも
たらす脆性破壊の発生とみなすという事が安全に過ぎる
ということも考えられ、Ｐｏｐ−ｉｎの安全性に対する
適切な評価法の確立が望まれている。

このため、ｐｏｐ−ｉｎの動的様相を明らかにする必要
があり、そのためには特にき裂伝播時間の計測が不可欠
である。しかしながら、Ｐ　ｏｐ−ｉｎ現象におけるき
裂は一般に ■　高速き裂伝播であり超短時間現象である。

■　微小き裂である。

■　埋没き裂である。

等の計測上の困難性を有しており、Ｐｏｐ−２ｎのき裂
伝播速度の計測には従来の表面貼付ゲージ切断法の通用
は不可能である。また、き裂伝播速度の計測に際しては
、荷重を１５〜１６分にわたって加えなければならず、
その間に生じる突発的なＰｏｐ−１ｎ１　　　、よｔｉ
＊ｃええ、。２６．□や。イ、ヮイ３，１１定法、電位
差法によつても困難であった。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、Ｐｏ
ｐ−ｉｎ発生時に生じるアコースティック・エミッショ
ンに着目し、アコースティック・エミッションの発生に
よってき裂発生を捉えて従来の電位差法と同様の方法に
よりき裂を挟んだ電位差を高速サンプリングし、微小脆
性き裂の進展時間を計測するようにしたものである。本
発明は切欠きを形成した試験片に、該切欠きの横断方向
に電流を通流させるべく配された電気回路と、前記試験
片にき裂を発生させて進展させるべく荷重を負荷する荷
重負荷機と、切欠きを挟んで電位差を検出すべく配設さ
れた電位差検出端子と、き裂の発生に伴う弾性波による
アコースティック・エミッションを検出するセンサと、
該センサによるアコースティック・エミッションの検出
時点を基準に前記電位差検出端子による検出電位差を記
憶する手段とを具備し、その記憶された検出電位差に基
１づいてき裂の発生、停止時点を捉えるようにしたもの
である。

〔実施例〕

以下本発明を、その実施例を示す図面に基づいて説明す
る。第１図は本発明に係る計測装置の模式的ブロック図
である。図において１は上部中央に幅方向にわたる切欠
き１ａを形成した長方体状の試験片であり、該試験片１
の切欠き１ａとは対向する下面中央部及び上面各側端部
には支点３ａ、　３ｂ。

３ｃが当接しており、各支点３ａ、　３ｂ、　３ｃと試
験片１との当接部分には絶縁体３ｄが配されている。上
側の支点３ｂ、　３ｃには所定の荷重負荷機により荷重
が負荷されるようになっており、荷重の負荷があるレベ
ルに達したときに切欠き１ａにはき裂が発生する。

試験片１には、電源４により試験片１の長手方向に所定
の電流が通流しており、また試験片１上面の切欠きｌａ
を挟んだ部−分には、電位検出端子５゜５が夫々設けら
れており、切欠きｌａを挟んだ試験片１の上面部分の電
位が各端子５にて検出される。

各電位検出端子５の出力は直流増幅器１１を介してディ
ジタルメモ１月２に与えられると共に比較器２１の十入
力端子に与えられている。比較器２１の一入力端子には
所定の電圧が与えられており、比較器２１の出力はトリ
ガ信号としてディジクルメモリ１２に与えられている。

試験片１の上面に当接する一方の支点３ｃには微小き裂
の発生に伴う弾性波により発生するアコースティック・
エミッションを検出するアコースティック・エミッショ
ン・センサ（以下ＡＥセンサという）６が設けられてお
り、ＭＡＥセンサ６の出力は前置増幅器１３を介してデ
ィスクリミネータ１４に与えられている。ディスクリミ
ネータ１４は、ＡＥセンサ６がアコースティック・エミ
ッションを検出することによりトリガ信号をデジタルメ
モ１月２に出力する。　　、 一方、試験片１の下面中央部、即ち予め形成された切欠
き１ａと対向する下面部分の近傍には、歪ゲージ７が取
付けられており、該歪ゲージ７の出力は広帯域ひずみ増
＠器１５を介してデジタルメモリ１２に与えられている
。

またロードセル２の出力は増幅器１６を介してデジタル
メモリ１２に与えられている。増幅器１６の出力は微分
回路２３を介して比較器２２の手入力端子にも与えられ
ており、その−入力端子には所定の電圧が与えられてい
る。比較器２２の出力はトリガ信号としてデジタルメモ
リ１２に与えられている。

デジタルメモ１月２は、両電位検出端子５の出力電位差
をデジタル値としてサンプリングして記憶し、また歪ゲ
ージ７、ロードセル２の出力もデジタル値としてサンプ
リングして記憶する。さらにデジタルメモリ１２には、
ディスクリミネータ１４のトリガ信号が入力された場合
にその入力信号より所定時間以前から各電位検出端子５
の出力電位差をサンプリングして記憶する、所謂マイナ
スディレィ機能を有している。また各比較器２１．２２
のトリガ信号によってもその出力電位差を記憶するよう
になっている。

デジタルメモリ１２は制御装置１７に接続されており、
該制御装置１７には、ディスク装置１８、ＣＲＴ１９、
ブロック２０が接続されており、夫々、記憶、表示、デ
ータのグラフ化をするようになっている。

斯かる構成の本発明装置によるき裂の伝播時間の計測は
次のように行われる。電源４により試験片１に通電し、
切欠き１ａを挟んで取付けた端子間に生ずる電位差を直
流増＠器１１にて増幅してデジタルメモリ１２に入力し
ておく。斯かる状態にて荷重負荷機により試験片ｌに荷
重を加え、き裂を発生させて進展させると、き裂発生に
より生ずるアコースティック・エミッションがＡＥセン
サ６により捉えられ、ディスクリミネータ１４は所定の
トリガ信号をデジタルメモリ１２に出力する。

デジタルメモリ１２は、各電位差検出端子５の電位差を
常時サンプリング記憶し、ディスクリミネータ１４から
のトリガ信号により、そのトリガ信号よりも少し前の分
をもサンプリング記憶すると共に、トリガ信号以後の所
定時間にわたって、サンプリングする。サンプリングさ
れた電位差変化は、ディスク装置１８にて記憶され、（
：ＲＴ１９にて表され、さらにプロッタ２０にてグラフ
化される。

また試験片１の下面に設けられた歪ゲージ７及びロード
セル２により、き裂の伝播、滓出過程における周辺の力
学的状況の変化も併せて測定されている。さらに各歪ゲ
ージ７、ロードセル２の出力の微分値が所定値以上にな
った場合には、デジタルメモリ１２にトリガ信号を発し
て切欠き１ａを挟んだ電位差をサンプリングするように
なっている。

これは、ＡＥセンサが何らかの原因によりトリガ信号が
発しない場合のバックアップ用である。

而して、デジタルメモリ１２に記憶された電位差変化に
基づいてき裂の伝播時間は計測されることになり、電位
差が急激に上昇する点が破壊発生点とされる。第２図に
破壊発生からの電位差変化を示す。この図から明らかな
ように、き裂停止点は試験片１の抵抗の最大点、即ち電
位差が最大となった点と規定される。従って、電位差が
急激に上昇する点から、電位差が最大となる点までの時
間を計１１Ｊすることにより、き裂の伝播時間が捉えら
れ、また試験終了後の破壊面観察により得られるき裂長
さから、き裂の平均伝播速度が求められる。

〔効果〕一 本発明によれば、電位差法を用いての高速埋没き裂の計
測が可能となるため、高津ｎ度での測定ができ、またＡ
Ｅセンサを用いているため、従来検出が困難であったＰ
ｏｐ−ｉｎ等の微小き裂の発生を確実に捉えることがで
き、さらにはその計測も時間的誤差を伴わずに行える等
、本発明はＰｏｐ−ｉｎの動的様相の解明に寄与する処
多大である。特にＣＯＤ試験においては１５〜１６分間
の長時間にわたって荷重を負荷するため、長時間の監視
が必要であるが、本発明によればＡＥ七センを用いてい
るため、短時間のき裂進展を記憶することにより、き裂
伝播速度を捉えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る計測装置をＣＯＤ試験に適用した
場合の模式的ブロック図、第２図はその検出結果を示す
グラフ、第３図は表面ゲージ切断法の説明図、第４図に
ひずみ変化側定法の説明図、第５図は電位差法の説明図
、第６図はＣＯＤ試験法の説明図である。 １．３１・・・試験片　１ａ、　３６・・・切欠き　２
・・・ロードセル　３ａ、　３ｂ、　３ｃ・・・支点　
５・・・電位検出端子　６・・・ＡＥセン号　７・・・
歪ゲージ 第　２　回 第　５　図 第午囚 第　５　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、切欠きを形成した試験片に、該切欠きの横断方向に
   電流を通流させるべく配された電気回路と、前記試験片
   にき裂を発生させて進展させるべく荷重を負荷する荷重
   負荷機と、切欠きを挟んで電位差を検出すべく配設され
   た電位差検出端子と、き裂の発生に伴う弾性波によるア
   コースティック・エミッションを検出するセンサと、該
   センサによるアコースティック・エミッションの検出時
   点を基準に前記電位差検出端子による検出電位差を記憶
   する手段とを具備し、その記憶された検出電位差に基づ
   いてき裂の発生、停止時点を捉えるようにしたことを特
   徴とするき裂計測装置。