JPH0356848A - 表面亀裂測定方法および装置 - 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〕 本発明は電位差法を利用して表面き裂深さを測定する方
法および装置に係り、特に比較材（き裂の入っていない
材料）を用いず高精度にき裂深さを測定する表面き裂測
定方法および装置に関する。

〔従来の技術〕

機械製品や機械構造物の使用中に金属材料に発生したき
裂の検出及び深さの測定には、顕微鏡やモニターテレビ
を用いる直接測定法と電位差法、超音波法、渦電流法、
レプリカ法等の間接法があり，対象となる金属の材質や
形状及びき裂の種類により使い分けがなされている． その中で電位差法は、高温、低温、高圧中、腐食液中等
の環境でも使用可能な方法として利用されている。電位
差法は、き裂が入ることによる金属材料の電気抵抗の変
化を利用してき裂深さを測定する方法で、一般には測定
対象に一定電流を流した際の電位差の変化からき裂深さ
が求められ、流す電流によって直流電位差法と交流電位
差法に大別される。

直流電位差法は、直流電流を通電してき裂深さを求める
方法であり、電流供給装置及び電位差検出装置が簡単で
、測定は容易であるが、電流が測定対象の全断面を流れ
るため、金属表面の微小き裂の深さを測定するには，測
定感度を高めるために大電流（数Ａ）を流す必要がある
。このため、長時間測定を行った場合測定対象が発熱し
て抵抗値が変化するため電位差がドリフトするという問
題点がある。直流電位差法で、このドリフトを避ける方
法として、通電する電流の極性を一定時間ごとに交番す
ることで、通電時間を短縮する交番直流電位差法がある
が交番時のノイズ等の問題がある。

交流電位差法は、交流電流を通電してき裂深さを求める
方法である。金属材料に交流電流を流した場合、電流は
金眞表面の薄い層に流れる。これは、表皮効果と呼ばれ
、表皮深さδと通電される交流電流の周波数ｆとの間に
は次式の関係がある。

δ＝（／Ｌａμ．σｆ　）−　”　　　　−・・・−（
１）ここで，μ。は真空中の透磁率、μ，は導体の相対
透磁率、σは導体の電気伝導度である。この表皮効果に
よって、交流電位差法の場合直流電位差法に比べて小さ
な電流（ＬＡ以下）で高感度のき裂測定が可能である。

上述した様に、電位差法はき裂による金属材料の電気抵
抗の変化を利用してき裂深さを求める方法であるが、金
属材料の電気抵抗はき裂だけでなく測定時の温度や金属
組織変化、塑性変形等によっても変化する．このため、
高精度のき裂測定をするには、き裂以外の因子による電
気抵抗の変化を取除く必要があり、従来は測定対象と同
じ組織の金属でできたき裂の入っていない比較材を同条
件で測定して得られた値との比を利用したり、比較材と
測定対象とでブリッジ回路を組むことで、き裂以外の因
子による電気抵抗の変化を除去していた。しかし，ボイ
ラやタービン等の高温下で長時間使用された材料に発生
したき裂を測定する場合上記の様な比較材を用意するこ
とは困難であり、き裂深さを精度良く測定することはで
きなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述のように、金属材料の電気抵抗は、き裂の有無、組
織変化、塑性変形によって変化する。従って従来の電位
差法で，疲労やクリープ又は時効損傷を受けた金属材料
に入ったき裂の深さを測定するには，測定対象と同じ疲
労、クリープ又は時効損傷を受け、かつき裂の入ってい
ない比較材が必要であり、入手が大変困難だった。

本発明の目的は，比較材を用いることなく、金属表面に
発生したき裂の深さを高精度に測定するにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題は、測定対象である金属材料に通電し、該金
属材料の通電区域の電位差を検出して該金属材料表面の
亀裂深さを測定する表面亀裂測定方法において、測定対
象に基準電流が通電されたときの電位差と対比電流が通
電されたときの電位差とを検出し、両者の比と、試験片
上で予め測定された表面亀裂深さと通電される電流の周
波数と該電流の通電時に検出された電伯差との関数と、
から測定対象の表面亀裂深さを算出することにより達威
される。

上記の方法において、基準電流が直流であっても、］．
　Ｏ　Ｏ　Ｋ　Ｈ　Ｚを超える周波数の交流もしくは１
０ＯＨＺ未満の周波数の交流であってもよい。

上記の課題は、また、対比電流が交流である請求項１ま
たは２または３に記載の表面亀裂測定方法によっても達
或される。

上記の方法において対比電流の周波数は、１０〜９０Ｋ
ＨＺであってもよい。

上記の課題は、さらに、定電流を供給する電流供給手段
と、供給された電流を測定対象の金属材料に通電する給
電端子と、該金属材料の通電区域の電位差を検出する検
出端子と、検出された電位差を亀裂深さ信号に変換する
制御・演算手段と、亀裂深さ信号を数値化して表示する
出力手段と、を備えた表面亀裂測定装置において，前記
電流供給手段を基準電流と対比電流を交互に供給するも
のとし、前記制御・演算手段を前記基準電流通電時に検
出された電僚差と前記対比電流通電時に検出された電位
差と予め測定された亀裂深さ，通電電流の周波数，電位
差の関数とから亀裂深さを算出・出力するものとするこ
とによっても達或される。

上記の装置において、基準電流を直流、対比電流を交流
としても、基準電流を周波数１００ＫＨＺ以上もしくは
１０ＯＨＺ以下の交流、対比電流を１０ＫＨＺ〜９０Ｋ
ＨＺの交流としてもよい。

〔作用〕

金属材料＋：＊流が流された場合、流される電流の種類
（直流、交流）によって、第３図〜第５図に示されるよ
うに電流の流れ方が異なる。第３図は直流電流が流され
たときの流れを示し、電流は測定対象の全断面を一様に
流れる。第４図は１０ＫＨＺ、第５図は１０ＯＫＨＺの
交流電流がそれぞれ流されたときの流れを示し、電流は
表皮効果によって、金属表面の薄い層に流れる。この金
属表面の薄い層の深さ（表皮深さ）は、前記（１）式に
示されるように流される電流の周波数に依存し、周波数
が高いほど表皮深さは浅くなり、き裂による電位差の変
化の割合が大きくなる。

しかし、流される電流の周波数が極端に高いと、表皮深
さが極端に浅くなり、き裂面がコンデンサ的な役割を果
すため、第５図に示されるように、き裂測定が不可能に
なる。第６図は直流、周波数１０ＫＨＺの交流および周
波数１００ＫＨＺの交流が流された場合の電位差比と、
き裂深さの関係を示し、電流の種類によって、き裂深さ
の測定感度が異なるのを示している。

本発明は、き裂による電位差変化が、このように電流の
種類によって異なることを利用する．定電流（一定値の
電流）が測定対象に流された場合に検出される電位差Ｅ
と該定電流の周波数ｆとの間には第７図に示される関係
がある。測定対象金属自体の電気抵抗が、組織変化や塑
性変形によって変化している場合にも電僚差が平均的に
変化するだけで、周波数依存性は変らない。また、基準
電流として直流電流が流された場合に検出される電位差
Ｅ０は、測定対象の金属組織、塑性変形等を反映した基
準となる電位差であり、対比電流として交流電流が流さ
れた場合に検出される電位差Ｅは、金属組織、塑性変形
と共にき裂の影響を大きく反映した電位差である．従っ
て両者の比（電位差比）　Ｅ／Ｅ，をとることで、測定
時の温度や金属組織の影響を除いた、き裂の影響による
電位差変化だけが取り出されるので、比較材なしでき裂
深さが測定される。

〔実施例〕

本発明の１実施例である表面き裂測定装置の全体構或を
第１図に示す。本装置は、電流供給及び電｛〃差検出装
置２０と、端子部２１とを備える。

電流供給および電位差検出装置２０は、関数発生部１と
、該関数発生部１の出力側に接続された電圧増幅部２と
，該電圧増幅部２の出力側に接続された電流制御部３と
、前記関数発生部１に接続され、かつ検出された電位差
が入力されるロツクインアンプ７と、該ロックインアン
プ７の出力側に接禎されたＡ／Ｄコンバータ６と、該Ａ
／Ｄコンバータ６の出力側に接続された制御・演算部４
と、該制御演算部４の出力側に接続された出力部５とを
備えている。関数発生部１と、電圧増幅部２と電流制御
部３とが電流供給手段をなしている。制御・演算手段を
なす前記制御・演算部４は、前記関数発生部１および電
流制御部３にも接続されている。出力部５はき裂深さを
数値表示する表示管を備えている。端子部２１は，前記
電流制御部３の出力側に接続された給電端子９と、前記
ロックインアンプ７の入力側に接続された検出端子８と
、を備えている。

上記構成の表面き裂測定装置において、関数発生部１は
制御・演算部４から入力される信号１０に基づいて、直
流信号と定められた周波数ｆ（数十ＫＨＺ程度）の交流
信号のいずれかを電圧増幅部２に切り替え出力し、電圧
増幅部２は入力された直流信号もしくは交流信号を増幅
して電流制御部３に出力する。電流制御部３は，電圧増
幅部２から入力される信号に基づいて、所定の誤差範囲
内に制御された直流もしくは交流の定電流１３を出力し
、該定電流１３は給電端子９を経て測定対象２２に流さ
れる。

測定対象２２を流れる基準電流である直流定電流及び対
比電流である交流定電流によって測定対象に生ずる電位
差Ｅ０およびＥは、検出端子８によって検出されてロッ
クインアンプ７に出力され、ロックインアンプ７によっ
て定電流１３と同じ周波数の検出信号１７として、Ａ／
Ｄコンバータ６に出力される。Ａ／Ｄコンバータ６は、
アナログ信号である検出信号工７をデジタル信号１８に
変換して制御・演算部４に送り、該制御・演算部４は入
力されたデジタル信号１８である電位差Ｅ。

及びＥを用いて、き裂深さを算出し、出力部５に出力す
る。出力部５は入力されたき裂深さを表示管上に数値表
示する。

測定対象が選定されると、その測定対象と同一金属材料
を用いて，種々の深さの人工割れ（き裂）を備えた試験
片が、作製され、該試験片に直流および各種の周波数の
定電流が流されて電位差が測定される。測定結果に基づ
いて第７図が作成され、さらに対比電流の周波数と第７
図に基づいて第８図に示す図表が作威される。第８図に
示される関数が演算データとして、あらかじめ制御・演
算部４に格納される。制御・演算部４は、Ａ／Ｄコンバ
ータ６から電位差ＥＱ，Ｅを表わすデジタル信サ１８が
入力されると、これから、電伯差比Ｅ／Ｅａを算出し、
次いで算出された電位差比Ｅ／Ｅ，と前記関数から、き
裂深さＣを算出する。算出されたき裂深さは数値信号と
して出力部５に出力され、表示管に数値表示される。

上述の実施例においては，基＄電流として直流電流を、
対比電流として交流電流を流して電位差を測定したが、
定電流を流して測定された電位差は、第７図に示された
ように、流される電流の周波数が１０ＯＨＺ以下、１０
ＯＫＨＺ以上では、流される電流が直流である場合に近
く、直流電流のかわりに１０ＯＨＺ以下の交流電流又は
１００ＫＨＺ以上の交流電流を基準電流として流した場
合に検出される電位差を基準（Ｅ０）に用いても、上記
実施例と同様にき裂測定が可能である。ただし、この場
合、第８図に示す関数を事前に第７図に基づいて作或す
る際に、直流を流して得られた電位差のかわりに基準と
する周波数の交流な流して得られた電イ６差をＥ０とし
て用いる必要がある。

また、第８図に示された関数を事前に作或しておくので
なく、第７図に示された周波数一電イη差一き裂深さデ
ータを制御・演算部４に格納しておき、き裂測定の際、
基準とする電位差Ｅ。測定のために流される電流の周波
数を指定し、制御・演算部４で第８図に示された関数を
その都度、前記周波数一電位差一き裂深さデータから演
算し、得られた関数と電位差比Ｅ　／　Ｅ　Ｏとからき
裂深さを算出してもよい。

第２図に上述の検出手順を示す。測定に際しては、制御
・演算部４の出力信号工○により、第２図の手！．ＩＮ
　１　０　２〜１０７が所定の時間間隔で繰返えされ、
表示管には、制御・演算部４から出力されるき裂深さが
連続して表示される。

上記実施例によれば、測定対象である金属材料の金属組
織、疲労等の条件を含み、き裂の影響の小さい電位差と
、前記金属組織、疲労等の条件およびき裂の影響の大き
い電僚差とが計測されるので、比較材を用いることなく
き裂計測が可能となった。又、比較材を用いないので測
定対象と比較材の表面粗さの違いによる測定誤差をなく
すための材料の表面研摩が不要となり、かつ，測定対象
の材質が異なっても、き裂深さと電位差比の関係は変化
しないので、測定が迅速かつ簡便になった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、測定対象の金属材料の疲労、クリープ
、又は時効損傷等は反映されるが、表面き裂の影響をう
けにくい基準電流による電佇差と、上記疲労、クリープ
、又は時効損傷等が反映されるとともに、表面き裂の影
響を大きく受ける対比電流による電位差とが測定され、
上記両者から疲労、クリープ又は時効損傷等の影響が消
去された、表面き裂の関数としての電位差が検知される
ので，比較材を用いることなしに、測定対象の表面き裂
の検出が可能となり、供用中の測定対象の表面き裂の検
出が容易となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例である表面き裂深さ測定装置
の主要構或を示すブロック図、第２図は本発明の方法の
一例を示す手順図、第３図、第４図、第５図は表面き裂
を有する材料に各種の電流が流されたときの電流の流れ
方を示す模式図、第６図は種々の深さの表面き裂に対す
る電位差比の周波数依存性を示すグラフ、第７図は種々
の深さの表面き裂に対して流された電流の周波数と検出
される電僚差の関係を示す概念図で、第８図は電位差比
とき裂深さの関係を示す概念図である。 １，２．３・・・電流供給手段、 ４・・・制御・演算手段、５・・・出力手段、８・・・
検出端子、９・・・給電端子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、測定対象である金属材料に通電し、該金属材料の通
   電区域の電位差を検出して該金属材料表面の亀裂深さを
   測定する表面亀裂測定方法において、測定対象に基準電
   流が通電されたときの電位差と対比電流が通電されたと
   きの電位差とを検出し、両者の比と、試験片上で予め測
   定された表面亀裂深さと通電される電流の周波数と該電
   流の通電時に検出された電位差との関数と、から測定対
   象の表面亀裂深さを算出することを特徴とする表面亀裂
   測定方法。 ２、基準電流が直流であることを特徴とする請求項１に
   記載の表面亀裂測定方法。 ３、基準電流が１００ＫＨＺを超える周波数の交流もし
   くは１００ＨＺ未満の周波数の交流であることを特徴と
   する請求項１に記載の表面亀裂測定方法。 ４、対比電流が交流であることを特徴とする請求項１ま
   たは２または３に記載の表面亀裂測定方法。 ５、対比電流の周波数が、１０〜９０ＫＨＺであること
   を特徴とする請求項４に記載の表面亀裂測定方法。 ６、定電流を供給する電流供給手段と、供給された電流
   を測定対象の金属材料に通電する給電端子と、該金属材
   料の通電区域の電位差を検出する検出端子と、検出され
   た電位差を亀裂深さ信号に変換する制御・演算手段と、
   亀裂深さ信号を数値化して表示する出力手段と、を備え
   た表面亀裂測定装置において、前記電流供給手段が基準
   電流と対比電流を交互に供給するものであることと、前
   記制御・演算手段が前記基準電流通電時に検出された電
   位差と前記対比電流通電時に検出された電位差と予め測
   定された亀裂深さ、通電電流の周波数、電位差の関数と
   から亀裂深さを算出・出力するものであることと、を特
   徴とする表面亀裂測定装置。 ７、基準電流が直流であり、対比電流が交流であること
   を特徴とする請求項６に記載の表面亀裂測定装置。 ８、基準電流が周波数１００ＫＨＺ以上もしくは１００
   ＨＺ以下の交流であり、対比電流が１０ＫＨＺ〜９０Ｋ
   ＨＺの交流であることを特徴とする請求項６に記載の表
   面亀裂測定装置。