引張試験片磁化特性装置を用いた強磁性材の機械特性非破壊評価
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カテゴリ: 第2回
1. 緒言
高速道路、橋梁等の大型構造物における経年劣化は 転位等の格子欠陥に起因する機械特性の劣化が主な要因 である. 構造物の経年劣化の非破壊検査には超音波探 傷, 渦電流探傷等の方法が用いられているが,これらの 手法は微小亀裂を検出するものである.近年,建設後 数十年が経過した構造物が増加しており,経年劣化に 起因した事故を未然に防止する目的から, 亀裂発生前 に機械特性を評価する必要を生じている. 構造物には 鉄系強磁性材料が用いられており,その磁気特性は硬 さ等の機械特性と良い相関をもつことが知られている.また, 原子力発電炉の圧力容器(PRV)は, 運転中に中 性子の照射を受け,脆化など材質劣化を生じる.その 評価は,シャルピー衝撃試験片などを定められた時期 に取り出し,破壊試験により行われている.もし試験 片を壊さずに劣化評価を行うことができれば、検査実 施回数を増加でき, 長寿命化への対応も可能になるも のと思われる。このような背景のもと,強磁性材の機械特性と磁気 特性との良い相関を利用し,材料の内部組織や機械特 性を磁気計測により非破壊で評価する研究が行われて いる[1,2]. この相関を利用した非破壊評価技術を実用 化する上では,機械特性と磁気特性との相関に関する データベースの構築が重要である. 小型の引張試験片の磁気計測を非破壊で行うことができれば、一つの試 験片から機械特性, 磁気特性の両方のデータが得られ てデータベースを構築する上で効率的である. よって, ここでは,引張試験片の磁化特性を測定する装置を開 発し,その装置を用いて測定した磁気特性と試料の機 械特性を比較したので報告する.
2. 実験方法
2.1 引張試験片磁化特性装置Fig. 1 は装置の概観を示したものである. 装置はプ ローブ部, 試料の搬入・搬出機構部から構成されている. プローブ部は、励磁コイルボビン,磁気ヨーク, BH * コイルボビン及び測定試料である引張試験片から構成 されている. 上下の磁気ヨークを用いて試験片を挟み 込むことにより閉磁路回路を形成する. 励磁コイルは 励磁コイルボビンの周囲に直径 0.2 mm の銅線を 2000 ターン巻いた. BH ボビンは磁界・磁束密度を計測する ための H コイル・B コイルを備えている. H コイルは直 径 0.025 mm の銅線を 1290 ターン巻き, 面積は 2 mm2 とした. B コイルは直径 0.08 mm の銅線を200 ターン巻 き,面積は1mm2である.2.2 測定試料及び測定方法 * 測定試料には圧延率が異なる S15C 鋼を用いた, 圧 延率は 0, 5, 10, 20, 40 %である. 引張試験片の寸法は565Upper Yoke-Upper Yoke GuideWeightExcit. CoilHall ElementInsertion Minitensile SpecimenPushing outH CoilPush Bar 2BCoilPush Bar 1Fig. 1 Schematic view of the apparatus.×0.5×24 mm で応力集中部の幅は2 mm とした. 引張 試験片とは別に JIS4 号 5 mmV ノッチ試験片を用意し て, シャルピー衝撃特性について評価し、その結果を 基に延性-脆性遷移温度(DBTT)を算出した. 延性-脆性 遷移温度(DBTT)のほかにビッカース硬さも測定した. 引張試験片については 2.1 で述べた装置に挿入し磁気 特性を評価した. 磁気計測時, 励磁周波数は 1 Hz を用 い, B, H-コイルの出力は積分して B, H の値を算出し, BH 曲線を求めた.3.実験結果- Fig. 2 は引張試験片の BH 曲線を圧延率0 - 40 %の 場合について示した図である. 圧延率の増加に伴い, ループの膨らみは大きくなり, ループの傾きは小さく なることがわかる. 磁気特性の違いを捉えており,作 製した装置による磁気特性評価が可能であることを示 している. Fig. 3 は, 保磁力に対する延性-脆性遷移温度 (DBTT)及びビッカース硬さの変化を示したものであ る. 保磁力はFig. 2 の BH 曲線から求めた. 延性-脆性遷 移温度及びビッカース硬さと保磁力の間には良い相関 が見られており,作製した引張試験片磁化特性装置を 用いて引張試験片の延性-脆性遷移温度及びビッカー ス硬さを間接的に評価することが可能となった.4. まとめ引張試験片の磁気特性を測定するための装置を作製 した. 引張試験片磁化特性装置を用いて測定した磁気 特性とシャルピー試験より求めた延性-脆性遷移温度 及びビッカース硬さの間の相関を明らかにした. この 相関関係を用いて,材料の機械特性を磁気計測により 間接的に評価することが可能となった.- 0 % ・50% ・10 %20% -- 40%Magnetic flux density (T)12 f=1Hz-6-4-20_246 Magnetic field (A/m)Fig. 2 BH curves of S15C steels.DBTTな...HvTransition temperature, DBTT (K)Vickers hardness, H (Hv)10_200400 600 800Chornive field UI (Aml1000200L120F0_200400 600 800Coercive field, H (A/m)1000Fig. 3 The relation between DBTT, Vickers hardness and coercive field.謝辞 本研究は独立行政法人原子力安全基盤機構からの委 託研究(平成16年度原子力安全基盤調査研究(原子力 安全基盤調査研究((原子炉圧力容器の脆性に対する磁 生を用いた非破壊検査の基礎研究部)))の成果の一部で ある。参考文献1] H. Kronmuller: “Magnetic Techniques for the Studyof Dislocations in Ferromagnetic Materials”, Int. J.Nondestruct. Testing, Vol. 3, pp.315-350 (1972). 2] S. Takahashi, J. Echigoya, and Z. Motoki:“Magnetization curves of plastically deformed Fe metals and alloys”, J. Appl. Phys., Vol. 87, No. 2, pp. 805-812(2000).“ “引張試験片磁化特性装置を用いた強磁性材の機械特性非破壊評価“ “菊池 弘昭,Hiroaki KIKUCHI,千葉 一也,Kazuya CHIBA,荒 克之,Katsuyuki ARA,鎌田 康寛,Yasuhiro KAMADA,小林 悟,Satoru KOBAYASHI,高橋 正氣,Seiki TAKAHASHI
高速道路、橋梁等の大型構造物における経年劣化は 転位等の格子欠陥に起因する機械特性の劣化が主な要因 である. 構造物の経年劣化の非破壊検査には超音波探 傷, 渦電流探傷等の方法が用いられているが,これらの 手法は微小亀裂を検出するものである.近年,建設後 数十年が経過した構造物が増加しており,経年劣化に 起因した事故を未然に防止する目的から, 亀裂発生前 に機械特性を評価する必要を生じている. 構造物には 鉄系強磁性材料が用いられており,その磁気特性は硬 さ等の機械特性と良い相関をもつことが知られている.また, 原子力発電炉の圧力容器(PRV)は, 運転中に中 性子の照射を受け,脆化など材質劣化を生じる.その 評価は,シャルピー衝撃試験片などを定められた時期 に取り出し,破壊試験により行われている.もし試験 片を壊さずに劣化評価を行うことができれば、検査実 施回数を増加でき, 長寿命化への対応も可能になるも のと思われる。このような背景のもと,強磁性材の機械特性と磁気 特性との良い相関を利用し,材料の内部組織や機械特 性を磁気計測により非破壊で評価する研究が行われて いる[1,2]. この相関を利用した非破壊評価技術を実用 化する上では,機械特性と磁気特性との相関に関する データベースの構築が重要である. 小型の引張試験片の磁気計測を非破壊で行うことができれば、一つの試 験片から機械特性, 磁気特性の両方のデータが得られ てデータベースを構築する上で効率的である. よって, ここでは,引張試験片の磁化特性を測定する装置を開 発し,その装置を用いて測定した磁気特性と試料の機 械特性を比較したので報告する.
2. 実験方法
2.1 引張試験片磁化特性装置Fig. 1 は装置の概観を示したものである. 装置はプ ローブ部, 試料の搬入・搬出機構部から構成されている. プローブ部は、励磁コイルボビン,磁気ヨーク, BH * コイルボビン及び測定試料である引張試験片から構成 されている. 上下の磁気ヨークを用いて試験片を挟み 込むことにより閉磁路回路を形成する. 励磁コイルは 励磁コイルボビンの周囲に直径 0.2 mm の銅線を 2000 ターン巻いた. BH ボビンは磁界・磁束密度を計測する ための H コイル・B コイルを備えている. H コイルは直 径 0.025 mm の銅線を 1290 ターン巻き, 面積は 2 mm2 とした. B コイルは直径 0.08 mm の銅線を200 ターン巻 き,面積は1mm2である.2.2 測定試料及び測定方法 * 測定試料には圧延率が異なる S15C 鋼を用いた, 圧 延率は 0, 5, 10, 20, 40 %である. 引張試験片の寸法は565Upper Yoke-Upper Yoke GuideWeightExcit. CoilHall ElementInsertion Minitensile SpecimenPushing outH CoilPush Bar 2BCoilPush Bar 1Fig. 1 Schematic view of the apparatus.×0.5×24 mm で応力集中部の幅は2 mm とした. 引張 試験片とは別に JIS4 号 5 mmV ノッチ試験片を用意し て, シャルピー衝撃特性について評価し、その結果を 基に延性-脆性遷移温度(DBTT)を算出した. 延性-脆性 遷移温度(DBTT)のほかにビッカース硬さも測定した. 引張試験片については 2.1 で述べた装置に挿入し磁気 特性を評価した. 磁気計測時, 励磁周波数は 1 Hz を用 い, B, H-コイルの出力は積分して B, H の値を算出し, BH 曲線を求めた.3.実験結果- Fig. 2 は引張試験片の BH 曲線を圧延率0 - 40 %の 場合について示した図である. 圧延率の増加に伴い, ループの膨らみは大きくなり, ループの傾きは小さく なることがわかる. 磁気特性の違いを捉えており,作 製した装置による磁気特性評価が可能であることを示 している. Fig. 3 は, 保磁力に対する延性-脆性遷移温度 (DBTT)及びビッカース硬さの変化を示したものであ る. 保磁力はFig. 2 の BH 曲線から求めた. 延性-脆性遷 移温度及びビッカース硬さと保磁力の間には良い相関 が見られており,作製した引張試験片磁化特性装置を 用いて引張試験片の延性-脆性遷移温度及びビッカー ス硬さを間接的に評価することが可能となった.4. まとめ引張試験片の磁気特性を測定するための装置を作製 した. 引張試験片磁化特性装置を用いて測定した磁気 特性とシャルピー試験より求めた延性-脆性遷移温度 及びビッカース硬さの間の相関を明らかにした. この 相関関係を用いて,材料の機械特性を磁気計測により 間接的に評価することが可能となった.- 0 % ・50% ・10 %20% -- 40%Magnetic flux density (T)12 f=1Hz-6-4-20_246 Magnetic field (A/m)Fig. 2 BH curves of S15C steels.DBTTな...HvTransition temperature, DBTT (K)Vickers hardness, H (Hv)10_200400 600 800Chornive field UI (Aml1000200L120F0_200400 600 800Coercive field, H (A/m)1000Fig. 3 The relation between DBTT, Vickers hardness and coercive field.謝辞 本研究は独立行政法人原子力安全基盤機構からの委 託研究(平成16年度原子力安全基盤調査研究(原子力 安全基盤調査研究((原子炉圧力容器の脆性に対する磁 生を用いた非破壊検査の基礎研究部)))の成果の一部で ある。参考文献1] H. Kronmuller: “Magnetic Techniques for the Studyof Dislocations in Ferromagnetic Materials”, Int. J.Nondestruct. Testing, Vol. 3, pp.315-350 (1972). 2] S. Takahashi, J. Echigoya, and Z. Motoki:“Magnetization curves of plastically deformed Fe metals and alloys”, J. Appl. Phys., Vol. 87, No. 2, pp. 805-812(2000).“ “引張試験片磁化特性装置を用いた強磁性材の機械特性非破壊評価“ “菊池 弘昭,Hiroaki KIKUCHI,千葉 一也,Kazuya CHIBA,荒 克之,Katsuyuki ARA,鎌田 康寛,Yasuhiro KAMADA,小林 悟,Satoru KOBAYASHI,高橋 正氣,Seiki TAKAHASHI