漏洩磁束測定によるオーステナイト系ステンレス鋼の引張試験ひずみおよび面外曲げ疲労評価
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カテゴリ: 第2回
1. 緒言
ステンレス鋼 SUS304 に代表されるオーステナイト 系ステンレス鋼は,家庭製品から産業製品,原子力関 連製品まで幅広く使用されている鋼材である。オース テナイト系ステンレス鋼は、室温ではオーステナイト 単相で非磁性であるが,応力を受けることによってマ ルテンサイト相へと相変態する。いわゆる加工誘起マ ルテンサイト変態である[1]。マルテンサイト相は磁性 をもつので,これは磁気変態でもある。近年,応力を 印加したオーステナイト系ステンレス鋼の磁性を測定 することによって,応力状態あるいはひずみ状態を定 量的に評価するための非破壊検査方法が提案されてい る[2, 3]。中曽根らは、オーステナイト系ステンレス鋼 SUS304 に対して,同成分を持つ仮想全マルテンサイト 鋼を Slater-Pauling 曲線から算出し,この飽和磁化値と 試料の飽和磁化の実測値との比から,任意の引張ひず み時におけるマルテンサイト相の体積分率を導出して いる[4]。また,亀裂長さ 2a と漏洩磁束の板厚方向成分 のピーク値との距離,および漏洩磁束のピーク値と応 力拡大係数AK の値との間に良好な相関関係があることを明らかにしている[4]。 永江らも SUS304 に対して, 引張,疲労及びクリープ損傷の進行により磁気特性が 変化することを明らかにし,磁気特性変化を検出する ことによって,亀裂発生以前からの損傷状態を検出で きる可能性があることを報告している[5]。オーステナ イト系ステンレス鋼のみならず,鉄鋼材の疲労につい て,以前より保磁力 Hc と残留磁化 Br の変化と疲労回 数の相関性から評価可能であることが,実測および磁 性材料の数値モデリングより示されている[6, 7)。 実用 的な評価装置も提案されている[8]。 鉄鋼材については, 高橋らが,保磁力 Hc と残留磁化 Br よりも,磁化率の 係数cが塑性変形および疲労による材料劣化について 有用であることを示している[9,10]。オーステナイト 系ステンレス鋼の磁気特性変化による材料劣化評価に ついての問題点についても挙げられている[11, 12]。 また,日本 AEM 学会においても, 1998 年度より 2002 年度までの5年間,「電磁破壊力学を応用した劣化・損 傷の非破壊評価技術に関する調査研究」分科会が設置 され,この分野に関して活発な議論が行われてきた [13-16]。 1. 本稿では,4種類のオーステナイト系ステンレス鋼 SUS304, SUS304L, SUS316, SUS316L について, 引張試験および面外曲げ疲労試験を施し,各々の試験
Material: SUS304, 304L,SUS316, 316LMeasured area40200Unit: mm Stainless steel plate for tensile test and measured area of remanent magnetization.Fig. 1Table 1Chemical composition of stainless steel.C Si Mn P S Ni Cr Mo |SUS304 | 0.040 0.44 0.79 0.032 0.0068.21 18.20・ SUS304L] 0.02010.57] 0.98 0.028 0.001| 9.11| 18.040 - SUS316 10.0490.69 0.920.0310.002| 10.62| 16.58] 2.13 |SUS316L] 0.020 0.67 0.98 0.030 0.005| 12.13 17.55] 2.23Unit: (wt%]後に漏洩磁束分布を測定した結果について示す。 SUS316, SUS316L は,安定なオーステナイト系ステ ンレス鋼であり,常温では,加工誘起マルテンサイト 変態はしないと言われていたが,高感度な薄膜フラッ クスゲートセンサ(TFG センサ)を用いることによっ て,ひずみと漏洩磁束との間に相関が,また面外曲げ 疲労試験については,疲労回数と漏洩磁束分布との間 に相関があることが分かった。2. オーステナイト系ステンレス鋼の引張試 験と漏洩磁束分布測定[18, 19] 2.1測定試料及び測定方法Fig. 1に引張試験で用いた試料の形状・寸法を示す。 対象試料として、4種類のオーステナイト系ステンレ ス鋼 SUS304, SUS304L, SUS316, SUS316L を用いた。 SUS304L, SUS316L は,SUS304, SUS316 を基に耐腐 食性を増加させるために低炭素量としたものである。 すべての鋼材について,本図に示すように寸法 200 x 20 mm, 厚さ 1.0 mm の板材を用いた。漏洩磁束の測定は, 本図中央に示すグレー部分,試料中心より,長手方向 (x 方向)に±20 mm, 幅方向(y 方向)に±10 mm の 領域において,各方向に1 mm ごとに行った。したが って測定総点数は 861 点となる。4種類の鋼材の化学 成分を Table 1 に示す。塑性変形後の測定可能な漏洩磁 束値の相違から, SUS304, SUS304L については、市販 のホール素子センサを用い,SUS316 および SUS316L については, TFG センサを用いた。市販のホール素子 センサには,旭化成電子製 HG-106A を用いた。モール ドを含めた大きさが 1.5mm である。 TFG センサおよびTable 2Specification of Hall sensor and TFG sensor.Hall |2TFG |30| Sensitivity[mV/UT] Lift off[mm] Full scale range [ut] |Spacial resolution [mm] |0:00:002.21913/09/081001.52.1Hall2.0 0.0* +500011.5ComputerAuto-positioning deviceA/D ConverterSensorPick-up signalFig. 2SpecimenBlock diagram of measurement of remanent magnetization after tensile test.ドライブ回路は島津製作所製であるが,試作品である [17]。ホールセンサおよび TFGセンサの特性を Table 2 に示す。TFG センサの方がホールセンサよりも感度が 15 倍高いが,測定範囲が 50 分の1であるため,2つ のセンサを使い分けた。Fig. 2 に測定システム図を示す。 どちらのセンサを用いる場合においても,自動移動装 置により測定試料上をx, y方向に走査することによっ て測定を行った。センサからの信号は A/D コンバータ を通し, PC に送り、処理を行った。各センサにおける 測定に関しては、特別な磁気シールドルーム等は用い ず,測定前後で試料がない状態での背景磁場(バック グランドノイズ)の測定を行い,それぞれの条件にお ける測定結果から,このバックグランドノイズを差し 引いた。Fig. 3 に今回行った測定の手順を示す。まず, 引張試験機を用いて,試料に引張応力を印加する。試 料を引張試験機から取り外した後、交流磁界下にて消 磁を行う。消磁を行った試料を直流磁界下にて着磁を 行う。着磁を行った試料に対して,いずれかのセンサ を用いて漏洩磁束の測定を行った。その後,同一試料 を再度引張試験機にセットし,以上の手順を繰り返し た。この測定手順のため,引張試験が正規の意味での 引張試験になっていないと考えられる。試料を引張試 験機から取り外すことで,転位の戻りがあると考えら れるので、疲労試験的な要素が含まれていると考えら391STARTTensile testDemagnetizationMagnetizationMeasurement of remanent magnetizationENDFig. 3 Measurement procedure.Specimen、-44- 1.5Iron coreDepth: 58.6 Unit: [mm]Coil100図4測定試料用磁化器 Fig. 4 Magnetizer for specimen.れる。同一試料で機械的試験と漏洩磁束測定を繰り返 して行うことを優先したので,この測定手順を用いた。 また,今回用いた着磁器を Fig. 4 に示す。試料に着磁 を行う場合は,反磁界の影響を避けるため,試料長手 方向へ着磁を行う場合が多いが,本稿では板厚方向に 行った。引張試験には, 島津製作所製引張試験機 IS-10T を用い, 2mm/min の速度で変位制御下にて引張応力を 印加した。ひずみ量の算出には伸び計を用いた。また 本測定で用いた試料には特別な熱処理は施さず,圧延 後の状態のものを用いた。2.2測定結果と考察 * まず, SUS304, SUS304L について各ひずみ状態での 漏洩磁束量の測定結果を Fig. 5 に示す。以前に行った SUS304 との比較のため Fig. 1に示した測定領域内にお いて,x方向には-5~5mm, y方向には-2~2mm におけ る領域での平均を各ひずみ状態での漏洩磁束量とした。 ひずみ状態としては, 0, 10, 20, 30, 40, 50% 時の漏洩磁束量を測定した。試料を置かない状態での バックグラウンドノイズを各漏洩磁束量から差し引き,4003501..SUS304Bzave - Bzeg (17)50F・SUS304L0510 152025303540 45 50 5560 65 7075Strain (%)g. 5 Relationship between leakage magnetic flux densityand strain (SUS304 & SUS304L).Fig. 5SUS316Bzave - Bzeg (147)・・・・・・・ね・・・........・・・ VISUS316L:CO05 10 1520 25 303540 45 50 55 6065 70 75Straln (%)6 Relationship between leakage magnetic flux densityand strain (SUS316 & SUS316L).Fig. 6ひずみ量が増加した場合に漏洩磁束量も増加するよう に,実際に測定した漏洩磁束量の極性を変えている。 本図より,試料のひずみ量が 50%の時,SUS304 で 3704T 程度,SUS304L で 100uT程度の漏洩磁束量が測 定できることが分かる。 SUS304L については, SUS304 と同じひずみ状態であっても漏洩磁束量の値が3から 4分の1程小さいことが分かる。これは SUS304L が低 炭素量であることによって、加工誘起マルテンサイト 変態量が少ないためであると考えられる。SUS304, SUS304L については,ひずみ量と漏洩磁束量との間に は極めて良い相関関係があり、市販の一般的なホール センサを用いてもひずみ量の評価が可能であることが 分かる。 1.次に, SUS316, SUS316L についての結果を示す。Fig. 6に各ひずみ状態での TFG センサによる漏洩磁束の測 定値を示す。この場合には, 0, 10,20, 30,40, 50, 55,60, 62.5, 65, 67.5, 70, 72.5%のひずみ状態 における漏洩磁束量の測定結果を示している。SUS304, SUS304L と比較すると 20 から 30 分の1とかなり小さ 392い量であるが,SUS316, SUS316L においても,ひずみ が増加するにしたがって漏洩磁束量が相関的に増加し ていくことが分かる。SUS316L については,ホールセ ンサを用いて測定しても,ひずみに対して漏洩磁束量 が増加しているのか判断するのが難しいほどの変化し か認めることが出来なかったので, 今回 TFG センサを 用いることによって, SUS316, SUS316L, 特に SUS316L に関して,ひずみ量と漏洩磁束量の相関を初めて明ら かすることが出来た。 本図より, SUS304, SUS304L の 場合と同様に, SUS316 よりも低炭素鋼であるSUS316L の方が,漏洩磁束量が少ないことが分かる。SUS316L については,試料が破断する直前のひずみ 72.5%時に おいても,漏洩磁束量は約 134T というごく小さい値 であった。また, SUS304, SUS304L と SUS316, SUS316L とは同じオーステナイト系ステンレス鋼であることか ら考えると, Fig. 5 と Fig. 6を比較することによって, SUS316, SUS316L においても塑性変形することで, SUS304, SUS304L の 20 から 30 分の1は加工誘起マル テンサイト変態していると考えられる。これまでの市 販の磁気センサでは測定不可能であった漏洩磁束量が, 今回, 高感度な TFG センサを用いることによって初め て測定可能になったと考えられる。3. オーステナイト系ステンレス鋼の面外曲 げ疲労試験と漏洩磁束分布測定[20]3.1測定試料及び測定方法 * 疲労試験に用いた試料は, SUS304, SUS316, SUS316L である。それぞれの試料には Table 1 に示したものを用 いた。試料は,圧延後の状態であり熱処理は行わず, Fig. 7 に示すようにワイヤ放電加工機で切り出したも のを使用した。試料中央部に 10R の円弧状の切り込み を入れた平滑試験片である。なお, TFG センサの中心 と試料表面の距離は、約 2.2 mm である。漏洩磁束密 度の測定領域は, SUS304 の場合は試料中央部の 10 x 20 mm の範囲を XY 両方向とも 0.2 mm ステップに, SUS316, SUS316L の場合は, 20 x 20 mm の範囲を測 定した。XY 両方向とも0.5 mm ステップで測定した。 測定は、2 度行いその平均を測定値とした。また,測 定値は, 雑音低減を目的として移動平均処理を施した。 実験は, Fig. 3 の手順において,引張試験を面外曲げ疲 労試験に置き換えて行った。疲労試験は,曲げモーメ ント 2.2 Nm の容量を持った平面曲げ疲労試験機(UF15,9020NADt = 1 mmElectrolytic polished areaMeasured areaFig. 7Stainless steel plate for bending fatigue test and measured area of remanent magnetization.島津製作所)を用いて行った。応力繰返し周波数は 30 Hzである。着磁は,Fig. 4 と同じものを用い,消磁に は,交流消磁を用いて行った。また,この実験では, あらかじめ背景磁気雑音を測定し,影響を除いた。ま た,すべての実験は、室温で行った。なお,以下に示 す全てのデータは,この背景磁気雑音を除去したもの である。試料は圧延後の状態であるため、圧延過程な どで生じたと思われる微量のマルテンサイト相が存在 し,疲労が蓄積する以前の状態でも漏洩磁束による試 料表面の漏洩磁束密度は零ではない。 3.2測定結果と考察 - Fig.8, 9に SUS304, SUS316 および SUS316L の S-N 曲線をそれぞれ示す。今回用いた試料の疲労限は SUS304 で約 310 MPa, SUS316 では約 275 MPa, また SUS316L で約 265 MPa であった。 1次に, Fig. 10 から Fig. 12 に応力繰返し数と測定磁束 密度の変化分 A Bz の関係を試料の材質や応力を変え て示す。図中でグラフの線が右端まで届いているもの は,試料がその繰返し回数まで破断しなかったことを 示す。Fig. 10 に,試料を SUS304 とし,繰返し応力を 疲労限以上である 260,280, 300, 320, 340 MPa とし た場合の応力繰返し数 10 万回ごとのA Bz を示す。こ れらの繰返し応力では,繰返し数が増すとABzは増加 している。さらに,繰返し応力が大きいほどA Bz の増 加の割合が大きくなる。Fig. 11 と Fig. 12 に試料を SUS316, SUS316L とし,繰返し応力を 280, 300,320 MPa とした場合の同様の関係を示す。この場合,グラ フの縦軸は最大 4 μT である。SUS316 では, Fig. 10 の SUS304 と 100万回疲労を印加した時のABz の値を 比べると 10 分の1以下である。SUS316L では,更に 小さく,破断時の漏洩磁束密度(Bz)が 1 μT である。 破断時の絶対的な A Bz の大きさの差はあるものの繰 返し数が増加するに従って A Bz は徐々に増加してい る。SUS304 よりも安定なオーステナイト相を持っため に常温でマルテンサイト変態が起こりにくい SUS316393Bending stress (MPa)1.0×1011.0×1001.0×1001.0×10'350340Bending stress (MPa)3001.0×10““1.0×1051.0×101.0×107Number of cycles (N)Fig. 8Relationship between bending stress and the number of cycles (S-N curve, SUS304).350●SUS316 TOSUS31611Bending stress (MPa)250 1.0×10^ 1.0×100 1.0×1001.0×10' 1.0×108Number of cycles (N) Fig. 9 Relationship between bending stress and number ofcycles (S-N curve, SUS316, SUS316L).および SUS316L においても,疲労によって誘起された と思われるマルテンサイト相による残留磁化を利用し て疲労の蓄積量の推定が行える可能性を示している。4.結言* 4種類の異なるオーステナイト系ステンレス鋼 SUS304, SUS304L, SUS316, SUS316L に対して、2種類 の磁気センサを用いて,ひずみ量あるいは面外曲げ疲 労に対する漏洩磁束量の測定を行った。その結果を以 下のようにまとめることが出来る。 (1)同様なひずみ量に対して,SUS304L で測定でき る漏洩磁束量は,SUS304 と比較して3から4分の1で ある。これは,SUS304L が低炭素鋼材であることによ るものであると考えられる。 (2) SUS316, SUS316L は,常温では加工誘起マルテ ンサイト変態しないと考えられていたが,高感度な磁 気センサを用いることで量は少ないが,ひずみ量に対 して,漏洩磁束量が相関的に増加していくことが分か った。 (3) SUS316, SUS316L において,試料破断部分で, 破断以前より漏洩磁束量が極端に変化する場所が観察きでよMaximum magnetic flux density (NT)+260MPa -O-280MPa --300MPa -C-320MPa 4340MPa10_ 2040 60 80 100Number of cycles (N ×10^) Fig. 10 Relationship between Bzmax caused by remanentmagnetization and the number of cycles and amplitude of bending stress (SUS304).Bzc (uT)0320MPa (SUS316) 0 300MPa (SUS316) A280MPa (SUS316)150100150200Number of cycles (NX 10^)Fig. 11Relationship between Bzmax caused by remanent magnetization and the number of cycles and amplitude of bending stress (SUS316).Bzc (uT)Bzc (NT)Bzc (NT)0320MPa (SUS316L) 0 300MPa (SUS316L) ▲ 280MPa (SUS316L)トーリー50 1100 1150200Number of cycles (NX 10^)Fig. 12Relationship between Bzmax caused by remanent magnetization and the number of cycles and amplitude of bending stress (SUS316L).された。これは磁気センサにより,局所的なひずみ分 布が測定できているのではないかと考えられる。 SUS304, SUS304L では,このような現象は観察できな かったが,これらの鋼材では破断以前より磁性相の割 合が多いために現れないと考えられる。Fig. 12394(4) SUS304 において,疲労被害の蓄積量を表すと考 えられる A Bz は,試料が破断する応力の場合,繰返し 数の増加とともに増加を続け,破断に至る。SUS304 だ けでなく SUS316, SUS316L においても試料表面の A Bz は繰返し応力が大きいほど,また,繰返し数が多いほ ど大きくなり、疲労被害の蓄積量を表す指標となる。参考文献 [1] 西山善次, マルテンサイト変態,丸善, (1971). 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Tsuchida and M.Enokizono, Evaluation of fatigue damage in SUS316 and SUS316L using the flux-gate magnetic sensor,ied Electromagnetics and Mechanics. Electormagnetic Nondestructive Evaluation IX, IOS Press (2005) in press.tui e395“ “漏洩磁束測定によるオーステナイト系ステンレス鋼の引張試験ひずみおよび面外曲げ疲労評価“ “槌田 雄二,Yuji TSUCHIDA,岡 茂八郎,Mohachiro OKA,薬師寺 輝敏,Terutoshi YAKUSHIJ,榎園 正人,Masato ENOKIZONO
ステンレス鋼 SUS304 に代表されるオーステナイト 系ステンレス鋼は,家庭製品から産業製品,原子力関 連製品まで幅広く使用されている鋼材である。オース テナイト系ステンレス鋼は、室温ではオーステナイト 単相で非磁性であるが,応力を受けることによってマ ルテンサイト相へと相変態する。いわゆる加工誘起マ ルテンサイト変態である[1]。マルテンサイト相は磁性 をもつので,これは磁気変態でもある。近年,応力を 印加したオーステナイト系ステンレス鋼の磁性を測定 することによって,応力状態あるいはひずみ状態を定 量的に評価するための非破壊検査方法が提案されてい る[2, 3]。中曽根らは、オーステナイト系ステンレス鋼 SUS304 に対して,同成分を持つ仮想全マルテンサイト 鋼を Slater-Pauling 曲線から算出し,この飽和磁化値と 試料の飽和磁化の実測値との比から,任意の引張ひず み時におけるマルテンサイト相の体積分率を導出して いる[4]。また,亀裂長さ 2a と漏洩磁束の板厚方向成分 のピーク値との距離,および漏洩磁束のピーク値と応 力拡大係数AK の値との間に良好な相関関係があることを明らかにしている[4]。 永江らも SUS304 に対して, 引張,疲労及びクリープ損傷の進行により磁気特性が 変化することを明らかにし,磁気特性変化を検出する ことによって,亀裂発生以前からの損傷状態を検出で きる可能性があることを報告している[5]。オーステナ イト系ステンレス鋼のみならず,鉄鋼材の疲労につい て,以前より保磁力 Hc と残留磁化 Br の変化と疲労回 数の相関性から評価可能であることが,実測および磁 性材料の数値モデリングより示されている[6, 7)。 実用 的な評価装置も提案されている[8]。 鉄鋼材については, 高橋らが,保磁力 Hc と残留磁化 Br よりも,磁化率の 係数cが塑性変形および疲労による材料劣化について 有用であることを示している[9,10]。オーステナイト 系ステンレス鋼の磁気特性変化による材料劣化評価に ついての問題点についても挙げられている[11, 12]。 また,日本 AEM 学会においても, 1998 年度より 2002 年度までの5年間,「電磁破壊力学を応用した劣化・損 傷の非破壊評価技術に関する調査研究」分科会が設置 され,この分野に関して活発な議論が行われてきた [13-16]。 1. 本稿では,4種類のオーステナイト系ステンレス鋼 SUS304, SUS304L, SUS316, SUS316L について, 引張試験および面外曲げ疲労試験を施し,各々の試験
Material: SUS304, 304L,SUS316, 316LMeasured area40200Unit: mm Stainless steel plate for tensile test and measured area of remanent magnetization.Fig. 1Table 1Chemical composition of stainless steel.C Si Mn P S Ni Cr Mo |SUS304 | 0.040 0.44 0.79 0.032 0.0068.21 18.20・ SUS304L] 0.02010.57] 0.98 0.028 0.001| 9.11| 18.040 - SUS316 10.0490.69 0.920.0310.002| 10.62| 16.58] 2.13 |SUS316L] 0.020 0.67 0.98 0.030 0.005| 12.13 17.55] 2.23Unit: (wt%]後に漏洩磁束分布を測定した結果について示す。 SUS316, SUS316L は,安定なオーステナイト系ステ ンレス鋼であり,常温では,加工誘起マルテンサイト 変態はしないと言われていたが,高感度な薄膜フラッ クスゲートセンサ(TFG センサ)を用いることによっ て,ひずみと漏洩磁束との間に相関が,また面外曲げ 疲労試験については,疲労回数と漏洩磁束分布との間 に相関があることが分かった。2. オーステナイト系ステンレス鋼の引張試 験と漏洩磁束分布測定[18, 19] 2.1測定試料及び測定方法Fig. 1に引張試験で用いた試料の形状・寸法を示す。 対象試料として、4種類のオーステナイト系ステンレ ス鋼 SUS304, SUS304L, SUS316, SUS316L を用いた。 SUS304L, SUS316L は,SUS304, SUS316 を基に耐腐 食性を増加させるために低炭素量としたものである。 すべての鋼材について,本図に示すように寸法 200 x 20 mm, 厚さ 1.0 mm の板材を用いた。漏洩磁束の測定は, 本図中央に示すグレー部分,試料中心より,長手方向 (x 方向)に±20 mm, 幅方向(y 方向)に±10 mm の 領域において,各方向に1 mm ごとに行った。したが って測定総点数は 861 点となる。4種類の鋼材の化学 成分を Table 1 に示す。塑性変形後の測定可能な漏洩磁 束値の相違から, SUS304, SUS304L については、市販 のホール素子センサを用い,SUS316 および SUS316L については, TFG センサを用いた。市販のホール素子 センサには,旭化成電子製 HG-106A を用いた。モール ドを含めた大きさが 1.5mm である。 TFG センサおよびTable 2Specification of Hall sensor and TFG sensor.Hall |2TFG |30| Sensitivity[mV/UT] Lift off[mm] Full scale range [ut] |Spacial resolution [mm] |0:00:002.21913/09/081001.52.1Hall2.0 0.0* +500011.5ComputerAuto-positioning deviceA/D ConverterSensorPick-up signalFig. 2SpecimenBlock diagram of measurement of remanent magnetization after tensile test.ドライブ回路は島津製作所製であるが,試作品である [17]。ホールセンサおよび TFGセンサの特性を Table 2 に示す。TFG センサの方がホールセンサよりも感度が 15 倍高いが,測定範囲が 50 分の1であるため,2つ のセンサを使い分けた。Fig. 2 に測定システム図を示す。 どちらのセンサを用いる場合においても,自動移動装 置により測定試料上をx, y方向に走査することによっ て測定を行った。センサからの信号は A/D コンバータ を通し, PC に送り、処理を行った。各センサにおける 測定に関しては、特別な磁気シールドルーム等は用い ず,測定前後で試料がない状態での背景磁場(バック グランドノイズ)の測定を行い,それぞれの条件にお ける測定結果から,このバックグランドノイズを差し 引いた。Fig. 3 に今回行った測定の手順を示す。まず, 引張試験機を用いて,試料に引張応力を印加する。試 料を引張試験機から取り外した後、交流磁界下にて消 磁を行う。消磁を行った試料を直流磁界下にて着磁を 行う。着磁を行った試料に対して,いずれかのセンサ を用いて漏洩磁束の測定を行った。その後,同一試料 を再度引張試験機にセットし,以上の手順を繰り返し た。この測定手順のため,引張試験が正規の意味での 引張試験になっていないと考えられる。試料を引張試 験機から取り外すことで,転位の戻りがあると考えら れるので、疲労試験的な要素が含まれていると考えら391STARTTensile testDemagnetizationMagnetizationMeasurement of remanent magnetizationENDFig. 3 Measurement procedure.Specimen、-44- 1.5Iron coreDepth: 58.6 Unit: [mm]Coil100図4測定試料用磁化器 Fig. 4 Magnetizer for specimen.れる。同一試料で機械的試験と漏洩磁束測定を繰り返 して行うことを優先したので,この測定手順を用いた。 また,今回用いた着磁器を Fig. 4 に示す。試料に着磁 を行う場合は,反磁界の影響を避けるため,試料長手 方向へ着磁を行う場合が多いが,本稿では板厚方向に 行った。引張試験には, 島津製作所製引張試験機 IS-10T を用い, 2mm/min の速度で変位制御下にて引張応力を 印加した。ひずみ量の算出には伸び計を用いた。また 本測定で用いた試料には特別な熱処理は施さず,圧延 後の状態のものを用いた。2.2測定結果と考察 * まず, SUS304, SUS304L について各ひずみ状態での 漏洩磁束量の測定結果を Fig. 5 に示す。以前に行った SUS304 との比較のため Fig. 1に示した測定領域内にお いて,x方向には-5~5mm, y方向には-2~2mm におけ る領域での平均を各ひずみ状態での漏洩磁束量とした。 ひずみ状態としては, 0, 10, 20, 30, 40, 50% 時の漏洩磁束量を測定した。試料を置かない状態での バックグラウンドノイズを各漏洩磁束量から差し引き,4003501..SUS304Bzave - Bzeg (17)50F・SUS304L0510 152025303540 45 50 5560 65 7075Strain (%)g. 5 Relationship between leakage magnetic flux densityand strain (SUS304 & SUS304L).Fig. 5SUS316Bzave - Bzeg (147)・・・・・・・ね・・・........・・・ VISUS316L:CO05 10 1520 25 303540 45 50 55 6065 70 75Straln (%)6 Relationship between leakage magnetic flux densityand strain (SUS316 & SUS316L).Fig. 6ひずみ量が増加した場合に漏洩磁束量も増加するよう に,実際に測定した漏洩磁束量の極性を変えている。 本図より,試料のひずみ量が 50%の時,SUS304 で 3704T 程度,SUS304L で 100uT程度の漏洩磁束量が測 定できることが分かる。 SUS304L については, SUS304 と同じひずみ状態であっても漏洩磁束量の値が3から 4分の1程小さいことが分かる。これは SUS304L が低 炭素量であることによって、加工誘起マルテンサイト 変態量が少ないためであると考えられる。SUS304, SUS304L については,ひずみ量と漏洩磁束量との間に は極めて良い相関関係があり、市販の一般的なホール センサを用いてもひずみ量の評価が可能であることが 分かる。 1.次に, SUS316, SUS316L についての結果を示す。Fig. 6に各ひずみ状態での TFG センサによる漏洩磁束の測 定値を示す。この場合には, 0, 10,20, 30,40, 50, 55,60, 62.5, 65, 67.5, 70, 72.5%のひずみ状態 における漏洩磁束量の測定結果を示している。SUS304, SUS304L と比較すると 20 から 30 分の1とかなり小さ 392い量であるが,SUS316, SUS316L においても,ひずみ が増加するにしたがって漏洩磁束量が相関的に増加し ていくことが分かる。SUS316L については,ホールセ ンサを用いて測定しても,ひずみに対して漏洩磁束量 が増加しているのか判断するのが難しいほどの変化し か認めることが出来なかったので, 今回 TFG センサを 用いることによって, SUS316, SUS316L, 特に SUS316L に関して,ひずみ量と漏洩磁束量の相関を初めて明ら かすることが出来た。 本図より, SUS304, SUS304L の 場合と同様に, SUS316 よりも低炭素鋼であるSUS316L の方が,漏洩磁束量が少ないことが分かる。SUS316L については,試料が破断する直前のひずみ 72.5%時に おいても,漏洩磁束量は約 134T というごく小さい値 であった。また, SUS304, SUS304L と SUS316, SUS316L とは同じオーステナイト系ステンレス鋼であることか ら考えると, Fig. 5 と Fig. 6を比較することによって, SUS316, SUS316L においても塑性変形することで, SUS304, SUS304L の 20 から 30 分の1は加工誘起マル テンサイト変態していると考えられる。これまでの市 販の磁気センサでは測定不可能であった漏洩磁束量が, 今回, 高感度な TFG センサを用いることによって初め て測定可能になったと考えられる。3. オーステナイト系ステンレス鋼の面外曲 げ疲労試験と漏洩磁束分布測定[20]3.1測定試料及び測定方法 * 疲労試験に用いた試料は, SUS304, SUS316, SUS316L である。それぞれの試料には Table 1 に示したものを用 いた。試料は,圧延後の状態であり熱処理は行わず, Fig. 7 に示すようにワイヤ放電加工機で切り出したも のを使用した。試料中央部に 10R の円弧状の切り込み を入れた平滑試験片である。なお, TFG センサの中心 と試料表面の距離は、約 2.2 mm である。漏洩磁束密 度の測定領域は, SUS304 の場合は試料中央部の 10 x 20 mm の範囲を XY 両方向とも 0.2 mm ステップに, SUS316, SUS316L の場合は, 20 x 20 mm の範囲を測 定した。XY 両方向とも0.5 mm ステップで測定した。 測定は、2 度行いその平均を測定値とした。また,測 定値は, 雑音低減を目的として移動平均処理を施した。 実験は, Fig. 3 の手順において,引張試験を面外曲げ疲 労試験に置き換えて行った。疲労試験は,曲げモーメ ント 2.2 Nm の容量を持った平面曲げ疲労試験機(UF15,9020NADt = 1 mmElectrolytic polished areaMeasured areaFig. 7Stainless steel plate for bending fatigue test and measured area of remanent magnetization.島津製作所)を用いて行った。応力繰返し周波数は 30 Hzである。着磁は,Fig. 4 と同じものを用い,消磁に は,交流消磁を用いて行った。また,この実験では, あらかじめ背景磁気雑音を測定し,影響を除いた。ま た,すべての実験は、室温で行った。なお,以下に示 す全てのデータは,この背景磁気雑音を除去したもの である。試料は圧延後の状態であるため、圧延過程な どで生じたと思われる微量のマルテンサイト相が存在 し,疲労が蓄積する以前の状態でも漏洩磁束による試 料表面の漏洩磁束密度は零ではない。 3.2測定結果と考察 - Fig.8, 9に SUS304, SUS316 および SUS316L の S-N 曲線をそれぞれ示す。今回用いた試料の疲労限は SUS304 で約 310 MPa, SUS316 では約 275 MPa, また SUS316L で約 265 MPa であった。 1次に, Fig. 10 から Fig. 12 に応力繰返し数と測定磁束 密度の変化分 A Bz の関係を試料の材質や応力を変え て示す。図中でグラフの線が右端まで届いているもの は,試料がその繰返し回数まで破断しなかったことを 示す。Fig. 10 に,試料を SUS304 とし,繰返し応力を 疲労限以上である 260,280, 300, 320, 340 MPa とし た場合の応力繰返し数 10 万回ごとのA Bz を示す。こ れらの繰返し応力では,繰返し数が増すとABzは増加 している。さらに,繰返し応力が大きいほどA Bz の増 加の割合が大きくなる。Fig. 11 と Fig. 12 に試料を SUS316, SUS316L とし,繰返し応力を 280, 300,320 MPa とした場合の同様の関係を示す。この場合,グラ フの縦軸は最大 4 μT である。SUS316 では, Fig. 10 の SUS304 と 100万回疲労を印加した時のABz の値を 比べると 10 分の1以下である。SUS316L では,更に 小さく,破断時の漏洩磁束密度(Bz)が 1 μT である。 破断時の絶対的な A Bz の大きさの差はあるものの繰 返し数が増加するに従って A Bz は徐々に増加してい る。SUS304 よりも安定なオーステナイト相を持っため に常温でマルテンサイト変態が起こりにくい SUS316393Bending stress (MPa)1.0×1011.0×1001.0×1001.0×10'350340Bending stress (MPa)3001.0×10““1.0×1051.0×101.0×107Number of cycles (N)Fig. 8Relationship between bending stress and the number of cycles (S-N curve, SUS304).350●SUS316 TOSUS31611Bending stress (MPa)250 1.0×10^ 1.0×100 1.0×1001.0×10' 1.0×108Number of cycles (N) Fig. 9 Relationship between bending stress and number ofcycles (S-N curve, SUS316, SUS316L).および SUS316L においても,疲労によって誘起された と思われるマルテンサイト相による残留磁化を利用し て疲労の蓄積量の推定が行える可能性を示している。4.結言* 4種類の異なるオーステナイト系ステンレス鋼 SUS304, SUS304L, SUS316, SUS316L に対して、2種類 の磁気センサを用いて,ひずみ量あるいは面外曲げ疲 労に対する漏洩磁束量の測定を行った。その結果を以 下のようにまとめることが出来る。 (1)同様なひずみ量に対して,SUS304L で測定でき る漏洩磁束量は,SUS304 と比較して3から4分の1で ある。これは,SUS304L が低炭素鋼材であることによ るものであると考えられる。 (2) SUS316, SUS316L は,常温では加工誘起マルテ ンサイト変態しないと考えられていたが,高感度な磁 気センサを用いることで量は少ないが,ひずみ量に対 して,漏洩磁束量が相関的に増加していくことが分か った。 (3) SUS316, SUS316L において,試料破断部分で, 破断以前より漏洩磁束量が極端に変化する場所が観察きでよMaximum magnetic flux density (NT)+260MPa -O-280MPa --300MPa -C-320MPa 4340MPa10_ 2040 60 80 100Number of cycles (N ×10^) Fig. 10 Relationship between Bzmax caused by remanentmagnetization and the number of cycles and amplitude of bending stress (SUS304).Bzc (uT)0320MPa (SUS316) 0 300MPa (SUS316) A280MPa (SUS316)150100150200Number of cycles (NX 10^)Fig. 11Relationship between Bzmax caused by remanent magnetization and the number of cycles and amplitude of bending stress (SUS316).Bzc (uT)Bzc (NT)Bzc (NT)0320MPa (SUS316L) 0 300MPa (SUS316L) ▲ 280MPa (SUS316L)トーリー50 1100 1150200Number of cycles (NX 10^)Fig. 12Relationship between Bzmax caused by remanent magnetization and the number of cycles and amplitude of bending stress (SUS316L).された。これは磁気センサにより,局所的なひずみ分 布が測定できているのではないかと考えられる。 SUS304, SUS304L では,このような現象は観察できな かったが,これらの鋼材では破断以前より磁性相の割 合が多いために現れないと考えられる。Fig. 12394(4) SUS304 において,疲労被害の蓄積量を表すと考 えられる A Bz は,試料が破断する応力の場合,繰返し 数の増加とともに増加を続け,破断に至る。SUS304 だ けでなく SUS316, SUS316L においても試料表面の A Bz は繰返し応力が大きいほど,また,繰返し数が多いほ ど大きくなり、疲労被害の蓄積量を表す指標となる。参考文献 [1] 西山善次, マルテンサイト変態,丸善, (1971). 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