JPS63502457A - 非破壊材料試験および磁気構造材料調査のための方法ならびに装置 - 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】 非破壊材料試験および磁気構造材料 本発明は非破壊材料試験のだめの方法および装置に関し、さらに詳しく述べれば 、反磁性体、常磁性体、強磁性体、およびフェリ磁性体の磁気構造材料調査のた めの方法ならびに装置に関する。

Ｘ線、γ線または粒子放射線による放射線写真法、超音波試験、音響放射試験、 渦電流試験などのような材料の非破壊試験に関するいくつかの方法が技術的に現 在知られている。これらの方法は多くの環境に、例えば普通、構造材料の非破壊 試験に適用される。かがる方法によって得られた結果は通常、間接測定法に基づ いておシ、これらの方法は全く直接的ではあるが、その触釈は経験的な手順に基 づくとともに材料の特性および既知特性ならびに状態を有する試料に対する校正 による欠陥に関係がある。かくて解釈は試験試料が経験的に得た校正データによ って説明されない特性および欠陥を持つときに誤シやすい。さらに、Ｓ／Ｎ比は 一段と精密な構造分析、例えば材料の結晶特性、格子欠陥、ずれ、応力場、など の分析を与えるにはしばしば低過ぎる。

先行技術では、試験すべき材料の磁気特性の測定に基つく方法が知られておシ、 かつ装置が開発されてお）、この目的に使用される。これらの方法の多くは、材 料を磁化してＢ−Ｈグラフまたはヒステリシス・ループとして普通知られる磁化 曲線を記録することに基づいている。これによって、経験的な校正による材料の 機械特性に関連す暮残留磁気または保磁力としてパラメータを決定することがで きる。残留磁気および保磁力は例えば材料の硬さに関連することがあるのは、そ れらがある程度まで粒子構造物に左右されるからであシ、これが特定の材料の硬 さを決定する。またそれらは、材料の引張シ強さによって十分な精度まで相関さ れる。微小な不連続すなわち飛越しが磁化曲線に見られることがあシ、バルクハ ウゼン効果として知られるこれらの飛越しの大きさと数は材料内の欠陥、亀裂お よび空洞の存在を示すために測定・分析される。当業者周知の通シ、バルクハウ ゼン効果は強磁性体にあるいわゆるｒメイン（ブロッホ）壁の運動、すなわち格 子欠陥、ずれ、沈殿、介在物、亀裂および空洞によって強く影響される運動に起 因し、かくて応力場および粒子特性の表示を与える。これらの現象はすべて、磁 化曲線の不連続性を観測するのに役立つ。かくてバルクハウゼン効果の記録およ び分析は材料の特性について重要な情報を提供する。磁気試験のもう１つの方法 は、材料に磁束を加えて材料の残留磁束パターンを記録することによる。そのと き材料の欠陥は磁束パターンのひずみとして表われる。磁気測定の使用、例えば 磁界の強さの変化を測定することは、例えば圧延または押出し製品の厚さの制御 が望まれる冶金工業において、材料の厚さ試験に適用されている。

上述の磁気方法は例えば、パルクツ・ウゼン効果によって発生さｎる雑音信号の 分析に基づく磁気材料の欠陥検出を開示しているＤ　Ｅ　−ＯＳ　２７　４６　 ４７７、残留磁気の測定によって鋼板のオン・ライン硬さ試験を開示しているＥ Ｐ９６　０７８、保磁力の記録に基づく硬さ測定によって鉄合金の炭素含有量の 決定を開示しているＧＢ特許第１　２６６　２４８号、および磁気抵抗の変化し たがって欠陥の発生を表わす磁束パターンの変化を検出することによって非破壊 試験における磁束の使用を開示しているＵＳ特許第４　４９５　４６５号におい て述べられかつ開示されている。

上記の諸特許に開示された磁気試験法は通常、容易に磁化可能な材料、すなわち 強磁性体またはフェリ磁性体の試験に制限される。しかし、はとんどすべての材 料および素子は、それらが磁化可能であると否とにかかわらず外部印加磁界に反 応する。

本発明の目的は、磁化可能であるが弱く磁化されるすべての材料または素子、す なわち成分原子粒子が磁気モーメントを有するあらゆる物質について新しい非破 壊試験法を提供することである。さらに詳しく述べれば、本発明は反磁性体、常 磁性体、強磁性体またはフエＩＪ　ｉ性体のいずれでもよい物質あるいは材料を 試験する方法全提供する。これらの物質の磁気および磁気Ｗ性の一般について調 べるには、アール・フエインマン（Ｒ，Ｆｅｙｎｍａｎ　）の［フエインマン物 理学Ｍ　ｍ　Ｊ（Ｔｈｅ　Ｆｅｙｎｍａｎ　Ｌｅｃｔｕｒｅｓ　ｏｎ　Ｐｈｙｓ ｉｃｓ　）第Ｂ巻Ｃ１９６４年）、第６４章、第１〜６節、第３６章、第３７章 ；ウィリアム・ティー・スコツト（Ｗｉｌｌｉａｍ　Ｔ、　５ｃｏｔｔ）の「電 気および磁気物理学Ｊ　（Ｔｈｅ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ｏｆＦ、１ｅｃｔｒｉｃｉ ｔｙ　ａｎｄＭａｇｎｅｔｉｓｍ　）　（ｉ　９５９年）、第８章；マグローヒ ／ｌ／　（ＭｃＧｒａｗ　−Ｈｉｌｌ　）の科学技術百科辞典二「強磁気Ｊ　（ Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｍ　）、「磁気材料」（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｍａｔ ｅｒｉａｌｓ　）　（最新版）などのような一般図書ならびに参考書を参照する ことができる。

特に本発明の目的は、前述の材料の構造物の深さおよび特性を分析する方法を提 供することである。さらに詳しく述べれば、本発明の目的は外部磁界に対する材 料の応答を記録しかつ雑音および測定の不確実によって発生される誤差源を回避 しながら、記録された応答曲線の定量分析に基づき測定を評価することによって 、迅速確実な試験方法を提供することである。

上述の目的は離村７）請求の範囲の特゛徴を有する方法および装置によって達成 される。

本発明の方法が磁気構造法と呼ばれているのは、そｎが試料に加えられる外部交 番磁界に応じて試料内の磁気ドメインの回転または磁気モーメントの整合によっ て発生される逆誘導を記録することによシ被試験材料の構造の情報を提供するか らである。かくて本発明による磁気構造法は、例えば後で詳しく説明する本発明 の方法を実施する装置によって定められる電磁石によシ、小容積であることが望 ましい材料の試料を磁化および減磁することを特徴とする。印加磁界が交番磁界 であるので、磁化および減磁は磁界の周期内に起こる。磁化パルスは減磁パルス よシもかなシ長い持続時間を有し、例えば１Ｑｎｓ〜１Ｑｍｓに対してｉ　ｍＢ 〜１００ｍ５となる。磁化パルスのエネルギー含有量は減磁パルスのエネルギー 含有量に等しく保たれるので、磁界周期の各半サイクルの各パルスの電力は不等 であシ、減磁パルスの方が大きい。磁界の強さは電力に比例するので、減磁が磁 化よシも大きな磁界の強さで起こることは容易に分かる。減磁の際に試料からの 逆誘導の形をした応答は、適当な検出器によって検出されかつ適当な記録計器に よって記録される。試料の初度磁気状態、すなわち磁化の始まシにおける磁気状 態が減磁工程の終シに再開されることが重要である。試験サイクルにおいて、磁 化／減磁サイクルの周波数は一定に保たれるが、周期の半サイクルはそれらが時 間および磁界の強さに関して非対称となるように調整される。よシ長い磁化パル スは十分な飽和が得られることを保証するが、短い（したがって）強力な減磁パ ルスは高いＳ／Ｎ比によって可能な最強の逆誘導応答を招く。これは特に、磁化 の弱い材料を試験するときに有利である。異なる周波数を持つ試験サイクルは、 交番磁界の周波数を変えることによって得られる。交番磁界の磁界の強さも変え られ、さらに半サイクルは時間および電力に関して非対称となる。さらに、各半 サイクルは非対称エネルギー含有量を与えられ、すなわち磁化パルスのエネルギ ーは減磁パルスのエネルギーと違って定められる。このように、試料から異なる 応答を招くことができる。記録された応答曲線の時間および周波数パラメー、夕 は次に、材料の特性に関する重要な情報、すなわち周波数と電力を変えないで磁 化／減磁サイクルを用いるときに得られない情報を供給するために分析される。

周波数の増加は例えば、構造分析に役立つかもしれないドメインの回転または磁 気モーメントの整合の時間応答を示すことができる。（注意すべきことは、磁気 測定可能な量からの材料構造および特性の予測ならびにその逆の予測が周知の通 シ困難であシ、この理由は磁気効果が全く量的な機械現象であってどんな精度で も計算することができず、または古典物理学によっても理解できない点である。

反磁性材料では、本発明の磁気構造方法は構造（相）、格子欠陥、ずれ、亀裂、 細孔および応力場に関する情報を供給する。これらの材料は、直線である極めて 低い透磁率を有し、かつ逆誘導応答を測定するように敏感な検出器を要求する。

磁化および減磁は差透磁率を行つ微小ヒステリシス・ルー・プを生じる。同じ環 境が常磁性材料に適用されて同じ情報が得られる。しかし、常磁性体の磁化は温 度次第であることに注意すべきである。

強磁性体およびフェリ磁性体は、透磁率が高い領域内で磁化されることが望まし い。

これが有利であるのは、パルクツ・ウゼン効果が磁化曲線のいわゆる軟磁気領域 内で極めて顕著であるので、材料の構造および欠陥に関する詳細な情報を得るた めに逆誘導に加えてバルクハウゼン効果を記録することをも決定した場合である 。この領域に達するだめに、末孫化の強磁性またはフェリ磁性試料は、交番磁界 を重ねることがある定常直流磁界を受けることがある。

しかし、交番磁界だけを加えると試料に残留磁界を生じ、かくて試料の成長する 磁気抵抗によって対抗されるまでその磁化が増加することに注意しなければなら ない。しかし、敏感な検出器の使用は測定を可能にするので高透磁率領域におい て、例えば最初の硬磁気領域において、試験を行うことが不可欠ではない。その ときヒステリシス・ループは本質的に微小となシ、さもなければ増分透磁率を持 つ小ループを得ることができる。保磁力および残留磁気は普通の方法で測定でき る。

亀裂、空洞、沈殿および介在物のような内部欠陥の検出は減磁の際に容易に達成 され、ここではかかる欠陥が減磁曲線に不連続として表われる。かかる試験にお いて、既知の特性を持つ標準試料によって得られた結果に対して曲線を経験的に 校正することが有利と思われる。応力場を検出するために、試料は静止状態に保 たれる。応力場の発生を比較することによって、試料が永久位置に置かれた構造 部材である場合でも、試験材料の疲労を検出することが可能であるのは、試験が 適当な装置と共に不来の場所で行われるからである。

さらに、本発明の方法は、例えば並進運動または回転によって装置に相対的に移 動される試料を使用することができ、それによって材料構造の欠陥を見つけかつ 空間変化を検出することが可能になる。かくて、強磁性体およびフェリ磁性体で は、各種パラメータは逆誘導の検出・記録に加えて本発明の磁気構造法によって 測定することができる。

不発明による装置を図面に示される好適な実施例によって一段と詳しくこれから 説明する。

第１図は本発明の装置のブロック図を示す略図であシ、 第２図は装置の磁化デバイスの１つの実施例を示す詳細図であシ、 第３図は磁化デバイスの変形実施例である。

試料Ｍの磁化および減磁は、例えば第１図に示される′ようなＵ形をしたシ、ロ ンドまたはリングとして形成される、それ自体既知の電磁石１によって達成され る。かくて第１図はコイル２およびコイル３を有する磁化用のＵ形フェライト・ コアを示す。装置には、例えばコイル３の巻線の３倍の巻線を有するコイル２に 接続されるトランジスタ５を駆動するパルス幅制御用の駆動回路から成る発振器 ４と、第２トランジスタ５′を介してコイル３に接続される発振器６とがある。

発振器は共通電圧を所有したシ、制御された電圧供給源を有して磁界の強さを制 御することができる。パルス幅制御回路１０および１１はそれぞれ、磁化パルス ならびに減磁パルスの所定の持続時間を供給する。試料Ｍの上および磁石１の内 側に、第１図に示される通シ２個の検出器７および８が配列されている。検出器 は超高磁気感度を有すべきであるが、それらは試料Ｍの動磁界強さの変化を検出 するために小形フェライト・コアとコイルとの組合せであったシ、逆誘導を検出 すの信号はオシロスコープ、比較器またはコンピュータに送られて、装置が材料 の欠陥検出のために使用される場合にはパルス間の相違を確認するために検出パ ルスの簡単な比較を行ったシ、一段と複雑な構造分析の場合には検出器の出力が 数学的方法で一段と複雑な分析のために処理される。

試料からある距離に配列された装置で測定を達成するために、または試料のよシ 良い浸透の深さを達成するために、電磁石すなわち磁気パルス放出器からの磁界 を加減抵抗器１４．１５を用いて材料内の所望の距離すなわち深さまで分布する 補助コイル１２．１３が供給される。放出／検出方式が距離の変化に無関係であ るのは、出力信号が本質的に振幅変化のみを示す一方、周波数変化はごくわずか であるので、検出器出力の分析が振幅にかかわらず実行できるからである。こう してＳ／Ｎの大幅な改善が他の磁気または誘導の方法に比べて達成される。別個 に制御可能な発振電圧によって放出コイルの磁化電流と減磁電流との関係を変え ることによって、マルテンサイトまたはオーステナイト材料の残留磁気および透 磁率のような試料の他の特性を調べることができる。材料の構造欠陥と共に溶接 および熱処理後の残留応力も同様に検出することができる。

例えば壁厚さのような材料の厚さの測定は、第３図に示される磁化デバイスを使 用すると有利に行うことができる。かくて壁厚さの測定は図示の通シ、相互に配 列された２個の大きなＵ形フェライト・コアを使って行われる。フェライト・コ ア１はそれによって３個のコイル２，３．１４を備えている。第２フエライト・ コア１５は同様に３個のコイル１６，１７．１８を備えている。コア１および１ ５は、調査すべき試料に対して一定９距離を置かれている。コイル２および３は 第１図に示される通）発振器におのおの接続されている。発振器はいまコイル２ ，３によって放出されたパルスのパラメータを制御して、材料が完全に減磁され るようにする。フェライト・コア５はフェライト・コア１と同じように形成され るが、フェライト・コア１の中に置かれるようによシ小さな構造寸法を与えられ る。コイル２，３および６，７は同位相で作動するが、材料の型式ならびに壁厚 さによ〕異なる磁界の強さを示し、かつ極性が同じである。

コイル１４および１８は検出コイルであシ、それぞれの出力は分析のために比較 器またはコンピュータに同様に供給される。放出コイル内の適当な磁界の強さの 関係によって、検出コイルは同じ振幅および同じ波形を検出する。壁厚さの変化 によって、コア１からの磁界は材料から出されて磁気損が減少され、かくて検出 コイル１４で検出される振幅は壁厚さの減少に比例して増加される。

ｌｍｅｎｙ＋１５ｗ１＾ｅｅｌｋｍ＋ｌｓ内Ｎ・ＰＣＴ／＼０８７１０００１ム

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．磁気構造材料を調査しかつ反磁性体、常磁性体、強磁性体およびフェリ磁性 体の非破壊材料試験をする方法であり、それによつて調査すべき材料が交番磁界 により磁化および減磁される前記方法において、磁界を加えることにより交番磁 界の各周期に特異の透磁率を持つ微小ヒステリシス・ループを発生させて周期の 半サイクルが磁化パルスでかつ周期の他の半サイクルが減磁パルスであるように し；半サイクルのエネルギー含有量を他の半サイクルのエネルギー含有量に等し くなるように調整し；周期の半サイクルが時間および磁界の強さに関して非対称 となるように調整し；減磁パルスが磁化パルスよりも短い持続時間を有するよう に各半サイクルの持続時間同士の関係を調整し、それによつて磁化の際の磁界の 強さよりも高い磁界の強さで減磁が起こるようにし；磁気ドメインの回転により 発生されたり、減磁の際の磁気モーメントの整合により発生されたりし、また適 当な材料では、バルクハウゼン効果および保磁力ならびに残留磁気のようなパラ メータの逆誘導を測定し；さらに構造物、応用揚および欠陥を含む被調査材料の 特性を測定する時間誘導または周波数誘導のパラメータを供給するために測定量 の時間依存を記録・分析する、ことを特徴とする前記方法。
2. ２．交番磁界の周波数、すなわち１周期の持続時間、または交番磁界の磁界の強 さ、すなわち１周期に消費されるエネルギー、あるいはその両方を変えることを 特徴とする請求の範囲第１項記載による方法。
3. ３．磁界の強さを変化させるように周期の２つの各半サイクルの持続時間を変え 、かくて周期の２つの半サイクルを構成する磁化パルスと減磁パルスの電力を変 える、ことを特徴とする請求の範囲第１項記載による方法。
4. ４．周期の１つの半サイクルのエネルギー含有量を他の半サイクルのエネルギー 含有量に不等となるように調整し、かくて半サイクルに非対称エネルギー含有量 を与える、ことを特徴とする請求の範囲第１項記載による方法。
5. ５．持続時間０．００１〜０．１秒の方形波としてなるべく磁化パルスを発生さ せる一方、持続時間１０ナノ秒〜１０ミリ秒の方形波としてなるべく減磁パルス を発生させ、磁化の際の磁界の強さより２〜１００倍大きいことが望ましい磁界 の強さで減磁が生じる、ことを特徴とする請求の範囲第１項記載による方法。
6. ６．調査すべき材料が強磁性体またはフェリ磁性体である場合に、材料のヒステ リシス・ループの軟磁界領域においてまたは材料の磁気透磁率が高いヒステリシ ス・ループの領域において材を磁化および減磁させ、各周期の交番磁界は増分透 磁率を持つ小ヒステリシス・ループを発生させる、ことを特徴とする請求の範囲 第１項ないし第５項のどれでも１つの項記載による方法。
7. ７．調査すべき材料と交番磁界の原点との間に永久磁石であることができる強磁 性体の１片を挿入し、かくて前記材料の増分透磁率および磁束を変化させる、こ とを特徴とする請求の範囲第６項記載による方法。
8. ８．材料をなるべく並進運動または回転によつて磁界に相対移動させると同時に 材料の調査を行う、ことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第７項のどれでも １つの項記載による方法。
9. ９．調査すべき材料の試料に隣接して置かれたフェライト・コアおよびなるべく ２個のコイルを備えた少なくとも１個の電磁石と；パルス幅制御発振器に接続さ れる電磁石のコイルと；磁化パルスおよび減磁パルスの持続時間を制御する１個 の発振器を備えることが望ましい各コイルと；測定を行う検出器であり、検出器 の出力はオシロスコープ、比較器またはコンピュータのような記録デバイスに接 続されている前記検出器と、を含むことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第 ８項のどれでも１つの項記載による方法を実施する装置。
10. １０．より深い浸透を達成したり、コアと試料との間のより大きな距離で試験が 行えるようにするために、試料に面するフェライト・コアの端領域に隣接して補 助コイルが備えられ、補助コイルの磁界の強さが電磁石の磁界の強さと相互作用 するように制御される、ことを特徴とする請求の範囲第８項記載による装置。
11. １１．２個の一様なフェライト・コアが備えられ、片方は他の内側にあり、２個 のフェライト・コアのコイルは同位相で作動するが異なる磁界の強さを有し、厚 さの測定が行われる、ことを特徴とする請求の範囲第８項記載による装置。