WO2012111509A1 - 高温条件下での超音波疲労試験方法および試験装置 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic fatigue test method and test apparatus under high temperature conditions. More particularly, the present invention relates to a method and an apparatus capable of performing a high-accuracy ultrasonic fatigue test under a high temperature condition by a new advanced technique for controlling the stress amplitude applied to the test piece and controlling the temperature of the test piece.
  • the ultrasonic fatigue test is a fatigue test method using resonance with free vibration of a test piece (Non-Patent Document 1).
  • This ultrasonic fatigue test can realize an ultra-high speed fatigue test of 20 kHz, which is 200 times faster than usual, and is a powerful tool for performing 10 9 times or more gigacycle fatigue tests.
  • the ultrasonic fatigue test can be said to be an optimal test method for simulating fatigue due to such high-speed vibration.
  • the ultrasonic fatigue test is a test method in which the entire system composed of a vibrator, a horn for expanding the amplitude, and a test piece is brought into a resonance state, and a stress amplitude is generated in the test piece.
  • FIG. 12 is a schematic diagram of a basic configuration of a high-temperature ultrasonic fatigue test apparatus.
  • the ultrasonic fatigue test apparatus 100 includes a horn 103 attached to both ends of a test piece 106, an ultrasonic oscillation apparatus 102 installed on one horn 103, a load frame 128 for applying an average load, and a high frequency for heating the test piece 106.
  • a heating coil 127 is provided.
  • the stress amplitude applied to the test piece is adjusted by adjusting the output of the ultrasonic oscillator and controlling the displacement amplitude (end face displacement) of the test piece end face.
  • Non-Patent Document 1 The relationship between the end face displacement and the stress amplitude can be obtained by solving the following equation (1) (Non-Patent Document 1).
  • d1 is the minimum part diameter
  • d3 is the shoulder part diameter
  • L1 is the R part half length
  • L2 is the shoulder part length.
  • the boundary conditions to be satisfied are 1) the displacement amplitude at the center of the test piece is zero, 2) the strain amplitude at the end face of the test piece is zero, and 3) the end face displacement at which the displacement amplitude at the same position is input, There are 5 continuities of 4) strain amplitude and 5) displacement amplitude at the boundary between the R portion and the shoulder.
  • Equations (1) to (5) can be solved analytically under normal room temperature conditions. However, since the Young's modulus depends on temperature, the Young's modulus varies with the temperature distribution of the test piece under high temperature conditions. (X).
  • equations (1) to (5) are solved numerically, but in this case, the correlation between temperature and Young's modulus needs to be known. Therefore, according to the conventional method, it was necessary to experimentally obtain the Young's modulus under high temperature conditions in advance.
  • Non-Patent Document 2 when a test at a high temperature exceeding 1000 ° C. is required, such as a turbine blade material, the temperature at the end of the test piece is about 600 to 700 ° C. Therefore, the horn directly in contact with the test piece also reaches that temperature. Heat resistance is required (Non-Patent Document 2).
  • the horn is also required to have heat insulation performance.
  • a method of cooling water by providing a hole for passing cooling water through the jig is often used, but in the case of a horn, high-speed vibration is generated, so there is a possibility that the connection part of the cooling water pipe may be damaged. . That is, in the case of the ultrasonic fatigue test, water cooling of the horn was also a dangerous option that could cause a water leakage accident.
  • the ultrasonic fatigue test is a test method for generating an arbitrary stress amplitude in the test piece by controlling the end face displacement, it is essential to measure the end face displacement in calibrating the apparatus.
  • the measurement of the end face displacement is performed using a capacitance sensor 129 as shown in FIG.
  • 100 is an ultrasonic fatigue test apparatus
  • 102 is an ultrasonic oscillation apparatus
  • 103 is a horn
  • 106 is a test piece
  • 129 is a displacement sensor (capacitance sensor).
  • the end face displacement can be measured by using a ring-shaped electrostatic capacitance sensor 130 as shown in FIG.
  • the capacitance sensor since the capacitance sensor has a short working distance (distance from the measurement surface), it cannot be used when the measurement target is at a high temperature.
  • thermocouple when performing a test at a high temperature, it is necessary to measure the temperature at the center of the test piece and control it to a predetermined temperature.
  • the most reliable temperature measurement method is a method using a thermocouple, but in the case of an ultrasonic fatigue test, a disconnection due to vibration occurs, so that temperature measurement using a thermocouple is unsuitable.
  • a radiation thermometer is a thermometer that measures the temperature from the amount of infrared rays emitted from the measurement surface, but the standard test piece used in the ultrasonic fatigue test is a round bar and the measurement surface is a curved surface.
  • the required central part has a very thin diameter of about 3 mm. Therefore, even if the field of view (measurement range) is narrowed down to about 1 mm using a high-accuracy radiation thermometer, it is not possible to receive all of the emitted infrared light, resulting in an error in the measured temperature. This is the problem of lack of vision.
  • the emissivity is greatly influenced by the material and state of the measurement surface, when the test piece is heated, the emissivity changes with time as the surface is oxidized. An error caused by such a change in emissivity is also a serious problem.
  • the present invention has been made in view of the circumstances as described above, and it is an object of the present invention to provide an ultrasonic fatigue test method and a test apparatus under high temperature conditions that do not require prior Young's modulus measurement.
  • Another object of the present invention is to provide an ultrasonic fatigue test method and a test apparatus under a high temperature condition that does not require water cooling of the horn and can ensure heat insulation for protecting the vibrator.
  • Another object of the present invention is to provide an ultrasonic fatigue test method and test apparatus under a high temperature condition capable of non-contact measurement of the end face displacement of the test piece.
  • Another object of the present invention is to provide an ultrasonic fatigue test method and test apparatus under a high temperature condition that can solve the problems of non-contact temperature measurement and temperature control of a test piece.
  • the present inventor has intensively studied to solve the above problems. As a result, as a result of conducting a verification test with a plurality of materials and conditions with the following configuration, a result that is in good agreement with the fatigue test result of the conventional method was obtained. That is, the present inventors have succeeded in demonstrating that correct fatigue test results can be obtained by the test method and apparatus according to the present invention, and have completed the present invention.
  • the ultrasonic fatigue test method under high temperature conditions of the present invention is an ultrasonic fatigue test method under high temperature conditions, and the Young's modulus corresponding to the temperature is determined from the measurement result of the resonance frequency. Is calculated by inverse calculation, and the fatigue load condition is controlled.
  • laser beam is irradiated from an oblique direction using a laser displacement meter, and the end face displacement of the test piece is measured by receiving the laser beam reflected in the same direction. It is preferable.
  • the ultrasonic fatigue test apparatus of the present invention is an ultrasonic fatigue test apparatus for performing the ultrasonic fatigue test method under the above-mentioned high temperature conditions, and the rod attached to both ends of the test piece and the test piece of the rod are And a horn provided at the end on the opposite side.
  • the present invention it is possible to evaluate the fatigue characteristics under high temperature conditions, which conventionally could only be evaluated up to about 10 7 times, up to a gigacycle region exceeding 10 9 times.
  • a fatigue test could only be performed at a low speed of about 10 to 100 Hz, it was necessary to ignore the influence of the repetition rate when evaluating the fatigue due to the high-speed vibration observed in a turbine blade or the like.
  • a fatigue test can be performed at a high speed close to that of an actual machine, so that it is possible to appropriately evaluate the influence of the repetition rate.
  • the ultrasonic fatigue test method under the high temperature condition of the present invention is characterized in that the Young's modulus corresponding to the temperature is calculated by inverse calculation from the measurement result of the resonance frequency, and the fatigue load condition is controlled.
  • the Young's modulus is required for stress amplitude calculation, as is apparent from Equation (1), but it is not easy to measure the Young's modulus. Requires high technology.
  • the ultrasonic fatigue test apparatus can measure the resonance frequency of the entire system, the Young's modulus can be obtained by inverse calculation.
  • the function of inversely calculating the Young's modulus is provided, and it is unnecessary to measure the Young's modulus in advance.
  • the shoulder length L2 can be obtained by the above formulas (1) to (5), but L2 can also be obtained by measurement using an ultrasonic fatigue test apparatus.
  • the Young's modulus can be obtained by comparing the L2 values obtained by the calculation and the actual measurement and searching for the Young's modulus that matches the two values. This is the basic idea of the present invention.
  • the density ⁇ which is another material constant necessary for the calculation, can be easily measured, and the influence of temperature can be ignored. Therefore, if the Young's modulus is obtained by the method of the present invention, all the material constants necessary for the calculation can be prepared on their own.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a test apparatus used in the method of the present invention.
  • the ultrasonic fatigue test apparatus 1 includes an ultrasonic oscillator 2, a horn 3, a rod 4, a pedestal 5, and a test piece 6.
  • the ultrasonic oscillation device 2 includes an ultrasonic oscillator and a vibrator.
  • the horn 3 has the same shape as a conventional one, and a rod 4 is connected to the horn 3 below.
  • the gantry 5 supports the entire configuration including the ultrasonic oscillator 2, the horn 3, the rod 4, the gantry 5, the test piece 6, and the like.
  • the hourglass type shown in FIG. 13 can be used as the test piece 6.
  • the symmetry of the temperature distribution of the test piece is secured by attaching the rod 4 and the horn 3 to both ends of the test piece 6.
  • Non-Patent Document 2 there is no rod 4 and one end face of the test piece 6 is a free end.
  • the end face which is a free end due to the difference between the heat conduction to the rod 4 and the heat transfer to the atmosphere becomes higher in temperature.
  • the Young's modulus distribution is also asymmetric, which makes it difficult to calculate the stress.
  • the ultrasonic fatigue test apparatus 1 includes a rod 4.
  • the horn 3 is required to have heat resistance, and at the same time, heat insulation to protect the vibrator of the ultrasonic oscillator 2 is also required.
  • heat insulation water cooling of the jig is usually effective, but in the case of an ultrasonic fatigue test, the jig may be damaged by vibration, and water cooling may lead to a water leakage accident. Therefore, these problems were solved by inserting a round bar-shaped jig (rod 4) made of a heat-resistant material between the test piece 6 and the horn 3.
  • the length of the rod 4 is about 120 mm.
  • the other end surface in contact with the horn 3 is less than 100 ° C. That is, sufficient heat resistance can be ensured without water cooling.
  • the temperature range that can be tested using this ultrasonic fatigue test apparatus 1 is, for example, 500 to 1500 ° C.
  • Non-Patent Document 2 it is presumed that temperature symmetry is ensured by shifting the position heated by the coil upward.
  • the distance between the center of the test piece 6 for temperature control and the heating position becomes long. Therefore, it is disadvantageous in performing temperature control to follow a temperature increase during an ultrasonic test described later. In that respect, the configuration of the present invention that can heat the center of the test piece 6 is more advantageous.
  • the method of attaching the horn 3 to both ends of the test piece 6 is a mechanism that is also used when applying an average stress, but in the present invention, this mechanism is used to ensure the symmetry of the temperature distribution.
  • this mechanism is used to ensure the symmetry of the temperature distribution.
  • the rod 4 and the horn 3 are not normally required under the test conditions in which the average stress is zero, but the apparatus of the present invention does not require the rod 4 and the horn 3 in order to ensure the symmetry of the temperature distribution even under such test conditions. Wear.
  • FIG. 2 shows a conceptual diagram of end face displacement measurement by the method of the present invention.
  • the laser displacement meter 10 is used to irradiate laser light from an oblique direction and receive the reflected laser light, thereby receiving the end face of the test piece 6. Measure the displacement.
  • a laser beam is irradiated from the diagonal direction using the laser displacement meter 10, and an end surface displacement is measured by receiving the laser beam reflected in the same direction.
  • a method of reflecting the laser beam in the same direction a method of attaching the reflective tape 11 to the end surface of the rod 4 as shown in FIG. 3A, and an artificial surface on the end surface of the rod 4 as shown in FIG.
  • a method for forming a rough surface 12 a method for irradiating a corner 13 (joint between a test piece and a rod) with a laser beam as shown in FIG. 3C, and a chamfer on the end face of the rod 4 as shown in FIG.
  • the displacement of the irradiation direction component of the laser beam is measured with respect to the actual vibration as shown in FIG.
  • the actual displacement AO can be calculated from the measured displacement AM using the following equation (6).
  • the method of the present invention is characterized in that the temperature at the center of the test piece is measured and controlled by applying a black body paint to the test piece using a two-color radiation thermometer.
  • the two-color radiation thermometer measures the temperature by receiving two types of infrared rays with different wavelengths, but it can measure the temperature of the hottest part of the field of view, so there is a problem of lack of field of view. Very strong against.
  • the emissivity setting is not necessary for the two-color radiation thermometer, but instead it is necessary to set the emissivity ratio for the two infrared rays. Since the emissivity ratio also changes with surface oxidation, the two-color radiation thermometer also has a problem of emissivity change.
  • the lower limit of the temperature that can be measured by the two-color radiation thermometer is about 400 ° C.
  • the lower limit of the controllable temperature is about 500 ° C.
  • Black body paint is a paint that attaches a coating film with a known emissivity to the measurement surface and can solve the problem of emissivity.
  • the coating surface hinders the oxidation of the surface of the test piece, which may affect the fatigue test result. Therefore, in the present invention, the black body paint is applied only to a very small part of the surface of the test piece, and the temperature of the applied portion is measured.
  • the upper limit of the heat-resistant temperature of the black body paint is 1500 ° C.
  • the upper limit of the test temperature is 1500 ° C.
  • the method of the present invention is characterized in that high-frequency heating is performed using a coil having two turns and a coil interval of 20 mm or less.
  • the temperature at the center of the test piece 6 is measured and controlled by the radiation thermometer, but when the number of turns of the coil is an odd number, the coil becomes an obstacle to temperature measurement.
  • the second-turn coil becomes an obstacle, making it difficult to measure the temperature at the center of the test piece 6.
  • the number of turns of the coil needs to be an even number, but since the test piece 6 is small, the optimum number of turns is 2 as shown in FIG.
  • the repetition rate is extremely high, so that the test piece 6 itself generates heat depending on the test conditions.
  • the interval between the two coils should be as short as possible.
  • high-frequency heating is preferably performed using a coil having a coil interval of 20 mm or less.
  • the present invention can solve the problem that the conventional high-temperature fatigue test can only be tested up to a short life range because of its low speed, and a performance capable of realizing a high-speed fatigue test that can be tested in a short time up to a long life range is obtained. , There is an advantage over the prior art.
  • Example 1 The temperature dependence of Young's modulus was approximated linearly. A convergence calculation was performed using the Young's modulus measured at room temperature and the L2 value measured at the test temperature, and the temperature dependence of the Young's modulus was determined. Numerical calculations were performed using Runge-Kutta's formula.
  • Fig. 6 is a display screen of the stress calculation software produced. Such an inverse calculation function of Young's modulus is incorporated.
  • FIG. 7 shows the result of comparing the obtained Young's modulus with the literature values of Young's modulus of materials having similar components, structures, and strengths.
  • FIG. 8 shows the state of measurement of the temperature distribution in a configuration in which the rod and horn are attached to both ends of the test piece, and Table 1 shows the measurement result.
  • the temperature at the position closest to the vibrator corresponds to No. 10
  • the temperature of No. 10 is about 30 ° C. even if heating at about 1000 ° C.
  • the apparatus configuration of this example has sufficient heat insulation. It can be confirmed that it is obtained.
  • the temperature distribution reaches a steady state by heating for about 2 hours, and the temperature distribution does not change even if it is heated up to 24 hours thereafter.
  • the apparatus configuration of this example can secure the symmetry of the temperature distribution and can obtain sufficient heat insulation.
  • FIG. 9 shows a result of comparison between the end face displacement measured by the configuration of FIGS. 1 to 3 and the end face displacement measured using a normal free end.
  • the laser beam was irradiated from the direction of 35 ° with respect to the horizontal direction, and the horn (here, the rod) was provided with a 35 ° chamfered portion (FIG. 3D) so as to be perpendicular thereto.
  • FIG. 10 shows the results of measuring the temperature at the center of the test piece with both a thermocouple and a radiation thermometer and comparing the measured temperatures of both.
  • the measurement temperature increases as the heating time elapses, which is due to a change in emissivity due to oxidation of the test piece surface.
  • Table 2 shows the results of investigating the difference in characteristics between the two types of coils in the ultrasonic fatigue test at 650 ° C. using 2Cr-2W steel with respect to the followability of the temperature control to the heat generation of the test piece.
  • the ultrasonic fatigue test there is a method called an intermittent test in which the effective repetition rate is reduced by repeating oscillation and stop at regular intervals as a measure for suppressing the heat generation of the test piece.
  • the allowable variation range of the test piece surface temperature was set within ⁇ 5 ° C., and the extent to which the effective repetition rate could be increased with respect to a certain stress amplitude was compared between the two types of coils.
  • the temperature fluctuation range is within the allowable range under any condition for the narrow coil, whereas the effective range is exceeded when the effective speed is increased for the wide coil.
  • the 12Cr-2W steel was tested at 650 ° C.
  • the Ni single crystal alloy was tested at 1000 ° C.
  • Fig. 11 shows the fatigue test results.
  • the 12Cr-2W steel shows a tendency that the result according to the present invention is slightly high strength, but the difference from the comparative data is very small.
  • Ni-based single crystal alloy is in good agreement with the normal fatigue test results.
  • FIG. 11 means that the method and apparatus of the present invention are very complete.

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Abstract

　事前のヤング率計測が不要な高温条件下での超音波疲労試験方法と試験装置を提供する。また、ホーンの水冷が不必要で、振動子を保護するための断熱性を確保することができ、試験片の端面変位を非接触計測することができ、試験片の非接触測温と温度制御の問題点を解決できる高温条件下での超音波疲労試験方法と試験装置を提供する。　ヤング率を逆計算により算出し、耐熱性と断熱性および試験片の温度対称性を具備するロッドおよびホーンを使用し、斜め方向からレーザー光の照射・受光により端面変位を測定し、黒体塗料および２色式放射温度計による試験片の非接触測温と特殊形状の高周波コイルによる温度制御を行うことを特徴としている。

Description

高温条件下での超音波疲労試験方法および試験装置
　本発明は、高温条件下での超音波疲労試験方法および試験装置に関するものである。さらに詳しくは、高温条件下で、試験片に付与する応力振幅の制御および試験片の温度制御の新たな高度化技術により、高精度の超音波疲労試験を実施できる方法および装置に関するものである。
　超音波疲労試験とは、試験片の自由振動との共振を利用した疲労試験法である（非特許文献１）。
　この超音波疲労試験は２０ｋＨｚという通常より２００倍以上速い超高速疲労試験を実現でき、１０9回以上のギガサイクル疲労試験を行う上での強力なツールである。
　また、ガスタービン等のタービンブレードでは運転中にｋＨｚオーダの振動が発生することが知られている。このような高速振動による疲労を模擬する上でも、超音波疲労試験は最適な試験法といえる。
　これらの点から高温条件下で試験できる超音波疲労試験装置の開発が望まれていた。ところが、特殊な試験法であるため高温条件下での試験を実現するためには解決すべき課題が複数あった。
　超音波疲労試験とは、振動子、振幅を拡大するためのホーン、試験片から構成される系全体を共振状態とし、試験片に応力振幅を発生させる試験法である。図１２は、高温用超音波疲労試験装置の基本構成の模式図である。この超音波疲労試験装置１００は、試験片１０６の両端に取り付けるホーン１０３、一方のホーン１０３に設置される超音波発振装置１０２、平均荷重を付与するロードフレーム１２８、および試験片１０６を加熱する高周波加熱コイル１２７を備えている。
　この場合、超音波発振器の出力を調整し、試験片端面の変位振幅（端面変位）を制御することにより、試験片に付与する応力振幅を調整する。
　端面変位と応力振幅の関係は、以下の式（１）を解くことにより求めることができる（非特許文献１）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、Ｕ（ｘ）は変位振幅、Ｓ（ｘ）は断面積、ｆは共振周波数、Ｅはヤング率、ρは密度である。
　図１３のような砂時計型の試験片を使用する場合、断面積Ｓ（ｘ）は以下の式（４）、（５）のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　ここで、ｄ１は最小部直径、ｄ３は肩部直径、Ｌ１はＲ部半長、Ｌ２は肩部長さである。
　式（１）～（５）を解いた場合、未定係数は４つとなる。それに対して、満足すべき境界条件は、１）試験片中央での変位振幅がゼロ、２）試験片端面でのひずみ振幅がゼロ、３）同位置での変位振幅が入力される端面変位、Ｒ部と肩部の境界での４）ひずみ振幅と５）変位振幅の連続性の５つとなる。
　すなわち、未定係数に対して境界条件のほうが一つ多いため、試験片の寸法パラメータのうち一つが拘束されることになる。これが試験片を設計する上での共振条件となり、通常は最も調整しやすい肩部長さＬ２を共振条件に合わせる。
Ｃ．　Ｂａｔｈｉａｓ　ａｎｄ　Ｐ．　Ｃ．　Ｐａｒｉｓ：　Ｇｉｇａｃｙｃｌｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｉｎ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒａｃｔｉｃｅ，　Ｍａｒｃｅｌ　Ｄｅｃｋｅｒ，　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ，　２００４． Ｊ．　Ｚ．　Ｙｉ，　Ｃ．　Ｊ．　Ｔｏｒｂｅｔ，　Ｑ．　Ｆｅｎｇ，　Ｔ．　Ｍ．　Ｐｏｌｌｏｃｋ　ａｎｄ　Ｊ．　Ｗ．　Ｊｏｎｅｓ：　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｏｆ　ａ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｒｙｓｔａｌ　Ｎｉ－ｂａｓｅ　ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ　ａｔ　１０００℃，　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　＆　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ａ，　４４３（２００７），　１４２－１４９． Ｋ．　Ｓａｗａｄａ，　Ｔ．　Ｏｈｂａ，　Ｈ．　Ｋｕｓｈｉｍａ，　ａｎｄ　Ｋ．　Ｋｉｍｕｒａ：　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｎ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ａｔ　ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ　ｉｎ　ｆｅｒｒｉｔｉｃ　ｈｅａｔ　ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｓｔｅｅｌｓ，　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　＆　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ａ，　３９４（２００５），　３６－４２． Ｋ．　Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，　Ｋ．　Ｙａｍａｇｕｃｈｉ，　Ｍ．　Ｋｉｍｕｒａ　ａｎｄ　Ｍ．　Ｈａｙａｋａｗａ：　Ｌｏｗ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ－ｃｙｃｌｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　１２Ｃｒ－２Ｗ　ｆｅｒｒｉｔｉｃ　ｓｔｅｅｌ　ａｔ　ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，　３９（２００４），　６２５３－６２５６． 武藤慎治、荒井幹也、村上晃一：Ｎｉ基単結晶合金の高温疲労特性と破面形態、第２７回疲労シンポジウム講演論文集、２７（２００４）、１８５－１８８．
　式（１）～（５）は通常の室温の条件では解析的に解くことができるが、ヤング率は温度に依存するため、高温の条件ではヤング率が試験片の温度分布に伴った変数Ｅ（ｘ）となる。
　この場合、式（１）～（５）は数値的に解くことになるが、その際には温度とヤング率の相関が既知である必要がある。そのため、従来の方法によれば、高温条件時のヤング率を予め実験的に求める必要があった。
　また、タービンブレード材のような１０００℃を超える高い温度での試験が求められる場合、試験片端部の温度は６００～７００℃程度となるため、試験片に直接接するホーンにもその程度の温度までの耐熱性が要求される（非特許文献２）。
　また、ホーンの他方の端面に取り付けられる振動子は熱に弱いため、ホーンには断熱性能も要求される。断熱を行うためには冶具に冷却水を通す穴を設けて水冷する手法がよく用いられるが、ホーンの場合には高速振動が発生するため、冷却水用パイプの接続部が破損する恐れがある。すなわち、超音波疲労試験の場合、ホーンの水冷は漏水事故を招く恐れのある危険な選択肢でもあった。
　超音波疲労試験は端面変位を制御することにより任意の応力振幅を試験片に発生させる試験法であるため、装置のキャリブレーションを行う上で端面変位の測定は不可欠となる。通常、端面変位の測定は図１４（ａ）のような静電容量センサー１２９を用いて行う。ここで１００は超音波疲労試験装置、１０２は超音波発振装置、１０３はホーン、１０６は試験片、１２９は変位センサー（静電容量センサー）である。
　自由端が無い場合は、図１４（ｂ）のようなリング状の静電容量センサー１３０を用いることにより端面変位を測定することができる。
　しかし、静電容量センサーはワーキングディスタンス（測定面との距離）が短いため、測定対象が高温となる場合には用いることができない。
　一方、レーザー変位計の場合にはワーキングディスタンスが長いため、測定対象が高温となっても測定することができる。しかし、レーザー変位計の場合には通常は図１４（ａ）のようなイメージで自由端を用いて測定するため、自由端が無い場合には変位を測定することができない。
　さらに、高温での試験を行う際には試験片中央での温度を測定し、所定の温度に制御する必要がある。最も信頼性が高い温度計測法は熱電対を用いる方法であるが、超音波疲労試験の場合には振動による断線が生じるため、熱電対を用いた温度計測は不適である。
　そこで、次に取り得る手段として、非接触での温度計測が可能な放射温度計を用いる方法が考えられる。しかし、放射温度計を用いる温度計測では視野欠けと放射率変化に伴う測定誤差が問題となる。
　放射温度計とは測定面から発せられる赤外線量から温度を計測する温度計であるが、超音波疲労試験で標準的に用いる試験片は丸棒形状で測定面が曲面である上、温度計測が必要な中央部（最小断面部）の直径は３ｍｍ程度と非常に細い。そのため、高精度の放射温度計を用いて視野（測定範囲）を１ｍｍ程度まで絞ったとしても放射される赤外線の全てを受光することはできず、測定温度に誤差が生じる。これが視野欠けの問題である。
　また、赤外線量から温度に換算するためには放射率を設定する必要がある。放射率は測定面の材質や状態に大きく影響を受けるため、試験片を加熱した場合には表面の酸化に伴って放射率が時間経過とともに変化する。このような放射率変化に伴って生じる誤差も大きな問題となる。
　本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、事前のヤング率計測が不要な高温条件下での超音波疲労試験方法と試験装置を提供することを課題としている。
　また本発明は、ホーンの水冷が不必要で、振動子を保護するための断熱性を確保することができる高温条件下での超音波疲労試験方法と試験装置を提供することを課題としている。
　また本発明は、試験片の端面変位を非接触計測することができる高温条件下での超音波疲労試験方法と試験装置を提供することを課題としている。
　また本発明は、試験片の非接触測温と温度制御の問題点を解決できる高温条件下での超音波疲労試験方法と試験装置を提供することを課題としている。
　本発明者は上記の課題を解決するために鋭意検討を行った。その結果、次のような構成によって複数の材料・条件で実証試験を行った結果、従来方法での疲労試験結果とよく一致する結果が得られた。すなわち、本発明による試験法および装置により正しい疲労試験結果が得られることを実証することに成功し、本発明を完成するに至った。
　上記の課題を解決するために、本発明の高温条件下での超音波疲労試験方法は、高温条件下での超音波疲労試験方法であって、共振周波数の測定結果から温度に対応したヤング率を逆計算により算出し、疲労負荷条件を制御することを特徴としている。
　この高温条件下での超音波疲労試験方法においては、ロッドおよびホーンを試験片の両端に取り付け、試験片の温度対称性を確保することが好ましい。
　この高温条件下での超音波疲労試験方法においては、レーザー変位計を用いて斜め方向からレーザー光を照射し、同一方向に反射してきたレーザー光を受光することで試験片の端面変位を測定することが好ましい。
　この高温条件下での超音波疲労試験方法においては、２色式放射温度計を用いて、試験片に黒体塗料を塗布することで、試験片中央の温度を測定および制御することが好ましい。
　この高温条件下での超音波疲労試験方法においては、２巻でコイル間隔が２０ｍｍ以下となるコイルを用いて高周波加熱を行うことが好ましい。
　本発明の超音波疲労試験装置は、上記の高温条件下での超音波疲労試験方法を行うための超音波疲労試験装置であって、試験片の両端に取り付けるロッドと、ロッドの試験片とは反対側の端部に設けられたホーンとを備えることを特徴としている。
　本発明によれば、従来は１０7回程度までしか評価することができなかった高温条件下での疲労特性を、１０9回を超えるギガサイクル域まで評価できるようになる。
　また、従来は１０～１００Ｈｚ程度の低速でしか疲労試験ができなかったため、タービンブレード等で見られる高速振動による疲労を評価する際には繰返し速度の影響を無視する必要があった。それに対して、本発明によれば、実機に近い高速での疲労試験が可能となるため、繰返し速度の影響についても適正な評価を行えるようになる。
本発明の方法に用いられる試験装置の一例を示す模式図である。 本発明の方法における端面変位測定の概念図である。 斜め方向から照射したレーザー光を同一方向に反射させる方法を示した図である。 本発明の方法により測定される変位の成分を示した図である。 コイル形状の最適化のために用いた２種類の２巻コイルの写真である。 本発明の方法に用いられる応力計算ソフトの表示画面である。ヤング率の温度依存性を逆計算する機能を有する。 本発明により求めたヤング率と類似の材料の非特許文献２、３の値との比較を示すグラフである。 本発明の試験装置の具体的な装置構成と温度分布測定の様子を示す写真である。１番～１２番は熱電対の位置である。 本発明により測定した端面変位と通常の方法で測定した端面変位を比較した結果を示すグラフである。 種々の条件下で熱電対による測定温度と放射温度計による測定温度を比較した結果を示すグラフである。 本発明装置の妥当性を実証するために行った疲労試験の結果を示すグラフである。 高温用超音波疲労試験装置の基本構成の模式図である。 砂時計型の疲労試験片である。 通常の静電容量センサーを用いた端面変位の測定の様子を示した図である。
　以下に、本発明を詳細に説明する。
　本発明の高温条件下での超音波疲労試験方法は、共振周波数の測定結果から温度に対応したヤング率を逆計算により算出し、疲労負荷条件を制御することを特徴としている。
　従来の高温用の超音波疲労試験装置では、式（１）から明らかなように応力振幅計算にはヤング率が必要であるが、ヤング率の測定は容易ではなく、特に高温でのヤング率測定は高い技術を要する。
　一方、超音波疲労試験装置では系全体の共振周波数を測定できるため、ヤング率を逆計算により求めることができる。本発明ではヤング率を逆計算する機能を有せしめて、事前にヤング率の測定を不必要とした。
　すなわち、前記の式（１）～（５）により肩部長さＬ２を求めることができるが、Ｌ２は超音波疲労試験装置を用いた測定によっても求めることができる。計算と実測により求めたＬ２値を比較し、両者が一致するヤング率を探索すれば、ヤング率が求まる。これが、本発明の基本的な発想である。
　計算に必要なもう一つの材料定数である密度ρは容易に測定することができ、温度の影響も無視できる。したがって、本発明の方法によりヤング率を求めれば、計算に必要な材料定数は全て自前で揃えることができる。
　図１は、本発明の方法に用いられる試験装置の一例を示す模式図である。
　この超音波疲労試験装置１は、超音波発振装置２、ホーン３、ロッド４、架台５、試験片６を備えている。
　超音波発振装置２は、超音波発振器と振動子とを備えている。
　ホーン３は、従来のものと同様の形状で、その下にロッド４が接続されるようになっている。
　架台５は、超音波発振装置２、ホーン３、ロッド４、架台５、試験片６等を含む構成全体を支えるものである。
　試験片６は、図１３に示す砂時計型のものを用いることができる。
　図１に示すように、この装置構成の特徴として、ロッド４およびホーン３を試験片６の両端に取り付けることにより、試験片の温度分布の対称性を確保している。
　なお、非特許文献２で開示されている装置構成ではロッド４は無く、また試験片６の片方の端面は自由端となっている。この場合、試験片６の中央をコイルにより加熱すると、ロッド４への熱伝導と大気中への熱伝達の違いにより自由端となっている端面のほうが、温度が高くなる。このように温度分布が非対称となると、ヤング率の分布も非対称となるため、応力の計算が難解となる。
　それに対して、図１のような構成にすると、温度分布は上下で対象となる。従って、温度分布の非対称性の問題は解消される。
　また超音波疲労試験装置１は、ロッド４を備えている。１０００℃での試験を行う場合、ホーン先端の温度は６００～７００℃になる。そのため、ホーン３には耐熱性が求められると同時に、超音波発振装置２の振動子を保護するための断熱性も求められる。断熱を行う際には通常は治具の水冷が有効であるが、超音波疲労試験の場合には振動により治具が破損する可能性があり、水冷は漏水事故につながる恐れがある。そこで、耐熱性の素材で作製した丸棒形状の治具（ロッド４）を試験片６とホーン３との間に挿入することでこれらの問題解決を図った。
　共振周波数が標準の２０ｋＨｚとなるようにロッド４を設計した場合、ロッド４の長さは１２０ｍｍ程度となる。このようなロッド４を挿入すると、ロッド４の試験片６に接する側の端面が６００～７００℃程度となっても、ホーン３に接する他方の端面は１００℃未満となる。すなわち、水冷することなく十分な耐熱性を確保できる。
　なお、この超音波疲労試験装置１を用いて試験できる温度範囲は、例えば５００～１５００℃である。
　ちなみに、非特許文献２の装置ではコイルにより加熱する位置を上側にずらすことにより温度の対称性を確保していると推察される。しかしながら、そのような方法では温度制御を行う試験片６の中央と加熱位置との距離が長くなる。そのため、後述する超音波試験時の温度上昇に追従するような温度制御を行う上で不利となる。その点、試験片６の中央を加熱できる本発明の構成のほうが有利である。
　また、試験片６の両端にホーン３を取り付ける手法は平均応力を付与する際にも用いられる機構であるが、本発明では温度分布の対称性を確保するためにこの機構を利用する。すなわち、平均応力がゼロとなる試験条件では通常はロッド４とホーン３は必要としないが、本発明の装置ではそのような試験条件でも温度分布の対称性を確保するためにロッド４とホーン３を装着する。
　図２は、本発明の方法による端面変位測定の概念図を示す。図２（ａ）に示すように、この超音波疲労試験方法においては、レーザー変位計１０を用いて斜め方向からレーザー光を照射し、反射してきたレーザー光を受光することで試験片６の端面変位を測定する。
　そして本発明では、図２（ｂ）に示すように、レーザー変位計１０を用いて斜め方向からレーザー光を照射し、同一方向に反射してきたレーザー光を受光することで端面変位を測定する。
　この場合、同一方向にレーザー光を反射させる方法としては、図３（ａ）のように反射テープ１１をロッド４の端面に貼り付ける方法、図３（ｂ）のようにロッド４の端面に人工的な凹凸１２を形成する方法、図３（ｃ）のようにコーナー１３（試験片とロッドの接合部）にレーザー光を照射する方法、図３（ｄ）のようにロッド４の端面に面取り部１４を形成し、これをレーザー光の反射面にする方法等がある。中でも、図３（ｄ）のようにロッド４に面取り部１４を設ける方法が最適である。
　本発明の方法では、図４のように実際の振動に対してレーザー光の照射方向成分の変位が測定される。この場合、実際の変位ＡＯは、測定される変位ＡＭから次の式（６）を用いて計算することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　また本発明の方法は、２色式放射温度計を用いて、試験片に黒体塗料を塗布することで、試験片中央の温度を測定および制御することを特徴とする。
　まず、視野欠けの問題に対しては２色式の放射温度計を用いることで解決した。２色式の放射温度計は波長の異なる２種類の赤外線を受光して温度計測を行う方式であるが、視野中で最も温度の高い部分の温度を計測することができるため、視野欠けの問題に対しては非常に強い。
　ただし、２色式の放射温度計を用いたとしても放射率変化の問題を解決することはできなかった。
　原理的には２色式の放射温度計では放射率の設定は不要となるが、代わりに２つの赤外線に対する放射率の比を設定する必要がある。放射率の比も表面の酸化とともに変化するため、２色式の放射温度計も実質的には放射率変化の問題を抱えていた。
　また、２色式の放射温度計で測定できる温度の下限は４００℃程度であるため、制御可能な温度の下限は５００℃程度となる。
　そこで、放射率変化の問題に対する解決策として、試験片の表面に耐熱温度の高い黒体塗料を塗布することとした。
　黒体塗料とは放射率が既知の塗膜を測定面に付着させる塗料で、放射率の問題を解決することができる。ただし、疲労試験の場合には塗膜により試験片表面の酸化が妨げられ、疲労試験結果に影響を与える恐れがあった。そこで、本発明では試験片表面の極一部だけに黒体塗料を塗布し、塗布した箇所の温度を計測するようにした。
　すなわち、試験片中央部の少なくとも一部は塗膜が無い状態とし、酸化の影響も考慮できる疲労試験となるよう工夫した。
　この場合、黒体塗料の耐熱温度の上限は１５００℃であるため、試験温度の上限は１５００℃となる。
　また本発明の方法は、２巻でコイル間隔が２０ｍｍ以下となるコイルを用いて高周波加熱を行うことを特徴とする。
　すなわち、本発明の装置構成では試験片６中央の温度を放射温度計で測定および制御するが、コイルの巻数が奇数の場合にはコイルが温度測定の障害となる。
　例えば、図８のような３巻のコイルでは２巻目のコイルが障害となり、試験片６中央の温度測定が困難となる。
　そのため、コイルの巻数は偶数にする必要があるが、試験片６が小さいため最適な巻数は、図５に示すように２巻である。
　また、超音波疲労試験の場合には繰返し速度が極端に速いため、試験条件によっては試験片６自体が発熱する。
　このような発熱に追従できるような温度制御を行うためには、２巻のコイル間隔はできるだけ短いほうがよい。具体的には、コイル間隔が２０ｍｍ以下となるコイルを用いて高周波加熱を行うことが好ましい。
　本発明は、従来の高温疲労試験は低速であるため短い寿命域までしか試験できないという問題を一気に解決でき、長い寿命域まで短時間で試験できる高速の疲労試験を実現できる性能が得られる点から、従来技術に比べて優位性がある。
　本発明の具体的な応用例としては、高速振動による長い寿命域までの疲労特性が要求されるタービンブレード材の疲労特性評価等がある。
　以下に、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
＜実施例１＞
　ヤング率の温度依存性を線形近似した。室温で測定したヤング率と試験温度で測定したＬ２値を用いて収束計算を行い、ヤング率の温度依存性を求めた。数値計算はルンゲークッタの公式を用いて行った。
　図６は作製した応力計算ソフトの表示画面である。このようなヤング率の逆計算機能が組み込まれている。
　図７には、求めたヤング率と、成分、組織、強度が近い材料のヤング率の文献値とを比較した結果を示す。
　（ａ）には１２Ｃｒ－２Ｗ鋼について求めた結果を示すが、ＡＳＭＥ　Ｔ９１鋼について報告されている文献値とよく一致する傾向を示している。
　６００℃付近では本実施例による結果が高めとなる傾向になっているが、本実施例で測定した材料には２％のタングステン（Ｗ）が添加されているのに対して、文献の材料にはタングステンが添加されていないためと考えられる。タングステンを添加することによりヤング率が高くなることはよく知られている。
　（ｂ）にはＴＭＳ１３８Ａについての本実施例による結果とＰＷＡ１４８４についての文献値を比較した結果を示す。
　いずれも、Ｎｉ基単結晶合金でタービンブレードに用いられる材料であるが、両者はよく一致する傾向を示している。このように、本発明により信頼できるヤング率を求めることができることが確認された。
＜実施例２＞
　図１に示すロッドおよびホーンを試験片の両端に取り付けた本発明の装置を用いた。
　このロッドおよびホーンを試験片の両端に取り付けた構成での温度分布の測定の様子を図８、測定結果を表１に示す。
　図８の５番と７番がロッド先端の温度に対応するが、両者の温度がほぼ一致していることから、温度分布が上下で対象となっていることが確認できる。
　最も振動子に近い位置での温度が１０番に対応するが、ほぼ１０００℃の加熱を行っても１０番の温度は３０℃程度であるため、本実施例の装置構成で十分な断熱性が得られていることが確認できる。
　また、温度分布は２時間程度の加熱で定常状態に達し、その後に２４時間まで加熱しても温度分布は変わらない。
　このように、本実施例の装置構成で温度分布の対称性を確保することができ、十分な断熱性も得られることが確認された。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
＜実施例３＞
　図９には、図１～図３の構成により測定した端面変位と通常の自由端を用いて測定した端面変位を比較した結果を示す。
　ここでは水平方向に対して３５°方向からレーザー光を照射し、ホーン（ここではロッド）にはそれに対して垂直となるように３５°の面取り部（図３（ｄ））を設けた。
　図９から明らかなように、本発明による測定結果は通常の方法による測定結果とよく一致している。すなわち、本発明による端面変位測定の妥当性が確認された。
＜実施例４＞
　試験片中央部での温度を熱電対と放射温度計の双方で測定し、両者の測定温度を比較した結果を図１０に示す。
　単色式の放射温度計を用いた場合には、図１０（ａ）のように試験片間で測定温度のばらつきが大きくなっている。これは試験片を装置に取り付けた際に、視野欠けの度合いが試験片間で微妙に異なるためである。
　また、加熱時間の経過とともに測定温度が高くなっているが、これは試験片表面の酸化による放射率変化のためである。
　一方、２色式の放射温度計を用いた場合には、図１０（ｂ）のように試験片間のばらつきは小さくなっている。従って、視野欠けの問題が解消されていることが分かる。
　しかし、加熱時間の経過とともに測定温度が高くなっているため、放射率変化の問題は解消されていない。
　それに対して、試験片に黒体塗料を塗布して２色式の放射温度計で測定した場合には、図１０（ｃ）のように試験片間のばらつきも時間経過に伴う温度上昇も認められない。従って、黒体塗料の塗布により放射率変化の問題を解決できることが分かる。
　このように、本実施例の構成において放射温度計による温度測定法の妥当性が確認された。
＜実施例５＞
　２Ｃｒ－２Ｗ鋼を用いた６５０℃での超音波疲労試験において、試験片の発熱に対する温度制御の追従性について、２種類のコイルの特性の違いを調べた結果を表２に示す。
　超音波疲労試験では試験片の発熱抑制対策として、一定間隔で発振と停止を繰返すことで実効の繰返し速度を低下させる間欠試験という方法がある。ここでは、試験片表面温度の許容変動範囲を±５℃以内として、ある応力振幅に対してどこまで実効の繰返し速度を速くできるかを２種類のコイル間で比較した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
※１：超音波疲労試験（２０ｋＨｚ）により付与する応力振幅。応力比の条件はＲ＝-１。
※２：一定間隔で発振・停止を繰返す試験法。Ｏｎは発振時間、Ｏｆｆは停止時間。
※３：表面温度の許容変動幅を±５℃以内とした場合の合否判定結果。
　表２では、幅狭のコイルではいずれの条件でも温度の変動幅は許容範囲内であるのに対し、幅広のコイルでは実効速度を速くすると許容範囲を超える結果となっている。
　すなわち、コイル間隔を狭くすることにより試験片の発熱に対する温度追従性が向上し、超音波疲労試験を行う際の実効速度を速くすることができることが分かる。
　この結果から、２巻でコイル間隔の短いコイルを用いることの妥当性が確認された。
＜実施例６＞
　実施例１～５の構成の本発明の方法による疲労試験結果と通常の方法による疲労試験結果の相関を調べるために、１２Ｃｒ－２Ｗ鋼とＮｉ基単結晶合金の２種類の材料について疲労試験を行い、非特許文献４および５に開示されている通常の疲労試験結果との比較を行った。
　その際、１２Ｃｒ－２Ｗ鋼については６５０℃で試験を行い、Ｎｉ単結晶合金については１０００℃で試験を行った。
　また、応力比Ｒの条件については１２Ｃｒ－２Ｗ鋼では引張・圧縮の完全両振りとなるＲ＝-１とし、Ｎｉ基単結晶合金では引張のみの完全片振りとなるＲ＝０とした。
　図１１に疲労試験結果を示す。１２Ｃｒ－２Ｗ鋼では本発明による結果がやや高強度側となる傾向を示しているが、比較データとの差は極めて小さい。
　また、Ｎｉ基単結晶合金については通常の疲労試験結果とよく一致している。
　ここで、非特許文献２に記載されている結果では、超音波疲労試験の結果は通常の疲労試験結果よりも著しく高い疲労強度を示している。
　従って、図１１の結果は本発明の方法および装置の完成度が極めて高いことを意味している。
　このように、本発明によって正しい疲労試験結果が得られることが確認された。
　　　１　　超音波疲労試験装置
　　　２　　超音波発振装置
　　　３　　ホーン
　　　４　　ロッド
　　　５　　架台
　　　６　　試験片
　　１０　　レーザー変位計
　　１１　　反射テープ
　　１２　　人工的な凹凸
　　１３　　コーナー（試験片とホーンの接合部）
　　１４　　面取り部
　１００　　超音波疲労試験装置
　１０２　　超音波発振装置
　１０３　　ホーン
　１０６　　試験片
　１２７　　高周波加熱コイル
　１２８　　ロードフレーム（平均荷重付与機構）
　１２９　　変位センサー
　１３０　　リング状の静電容量センサー

Claims (6)

  1. 　高温条件下での超音波疲労試験方法であって、共振周波数の測定結果から温度に対応したヤング率を逆計算により算出し、疲労負荷条件を制御することを特徴とする高温条件下での超音波疲労試験方法。
  2. 　ロッドおよびホーンを試験片の両端に取り付け、試験片の温度対称性を確保することを特徴とする請求項１に記載の高温条件下での超音波疲労試験方法。
  3. 　レーザー変位計を用いて斜め方向からレーザー光を照射し、同一方向に反射してきたレーザー光を受光することで試験片の端面変位を測定することを特徴とする請求項１または２に記載の高温条件下での超音波疲労試験方法。
  4. 　２色式放射温度計を用いて、試験片に黒体塗料を塗布することで、試験片中央の温度を測定および制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の高温条件下での超音波疲労試験方法。
  5. 　２巻でコイル間隔が２０ｍｍ以下となるコイルを用いて高周波加熱を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の高温条件下での超音波疲労試験方法。
  6. 　請求項１から５のいずれかに記載の高温条件下での超音波疲労試験方法を行うための超音波疲労試験装置であって、試験片の両端に取り付けるロッドと、ロッドの試験片とは反対側の端部に設けられたホーンとを備えることを特徴とする超音波疲労試験装置。
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