WO2014155612A1 - ベイナイト組織のクリープ余寿命の予測方法 - Google Patents

ベイナイト組織のクリープ余寿命の予測方法 Download PDF

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荒川　大輔
西田　秀高
栄郎 松村
達也 縣詰
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Definitions

  • the present invention relates to a method for predicting the creep remaining life of a bainite structure.
  • An object of the present invention is to provide a method for predicting the remaining creep life of a bainite structure.
  • the creep remaining life prediction method includes a step of generating ultrasonic resonance in a bainite structure by exciting an ultrasonic wave in the bainite structure in a non-contact manner using an electromagnetic ultrasonic probe, Measuring a resonance frequency of acoustic resonance; measuring an ultrasonic change at the resonance frequency; obtaining a sound velocity at the resonance frequency; obtaining a first damage rate of the bainite structure from the ultrasonic change; A step of obtaining a second damage rate of the bainite structure from the speed of sound, and a step of obtaining a corrected damage rate of the bainite structure based on the first damage rate and the second damage rate.
  • the method further includes selecting a first damage rate closest to the second damage rate from the first damage rates, the first damage rate closest to the second damage rate, and It is preferable to obtain a corrected damage rate based on the second damage rate. It is preferable to obtain the corrected damage rate by averaging the first damage rate and the second damage rate.
  • FIG. 4 is a graph showing a plurality of resonance peaks in one embodiment. In one embodiment, it is a graph showing a resonance peak of f 1 (99). 4 is a graph illustrating an attenuation curve according to an embodiment. It is a graph which shows the relationship between an attenuation coefficient and a damage rate in one Embodiment, and the relationship between a sound speed and a damage rate. It is a graph which shows the resonant frequency at the time of using an undamaged sample in one Embodiment.
  • the method for predicting the creep remaining life of a bainite structure is a step of generating ultrasonic resonance in a bainite structure by exciting non-contact ultrasonic waves in the bainite structure using an electromagnetic ultrasonic probe. Measuring a resonance frequency of ultrasonic resonance, determining a change of ultrasonic waves at the resonance frequency, determining a speed of sound at the resonance frequency, and determining a first damage rate of a beinaiso tissue from the change of the ultrasonic waves.
  • the present inventors when the bainite structure is the measurement object, obtain resonance frequencies such as attenuation coefficient and nonlinear ultrasonic quantity, which are obtained when non-contact ultrasonic waves are excited using an electromagnetic ultrasonic probe. It was found that the relationship between the transition of the ultrasonic wave and the time such as the damage rate does not have a one-to-one correspondence. That is, it has been found that there are a plurality of damage rates corresponding to a certain attenuation coefficient or nonlinear ultrasonic quantity. In such a case, there arises a problem that the corresponding damage rate cannot be obtained only from the attenuation coefficient or the nonlinear ultrasonic quantity.
  • the electromagnetic ultrasonic resonance method electromagsonic acoustic resonance, hereinafter also referred to as “EMAR method”
  • EMAR method electromagnetic acoustic resonance
  • the first damage rate is obtained from the transition of the ultrasonic wave
  • the second damage rate is obtained from the speed of sound measured by the EMAR method
  • the first damage rate is corrected by the second damage rate
  • a corrected damage rate with higher accuracy can be obtained. It becomes possible to ask.
  • the EMAR method is a non-destructive method for measuring material properties by combining an electromagnetic ultrasonic probe (hereinafter also referred to as “EMAT”) and an ultrasonic resonance method. Since EMAT can transmit and receive ultrasonic waves in a non-contact manner by an electromagnetic action (Lorentz force or magnetostriction), it does not require an acoustic coupling agent or a retarder. For this reason, the EMAR method using EMAT can accurately measure only the energy loss in the material to be measured. Furthermore, the EMAT method is known to be low because EMAT can be combined with the ultrasonic resonance method to receive multiple echoes in the same phase in the resonance state and improve the S / N ratio of the EMAT. Conversion efficiency can be greatly improved.
  • a Lorentz force type EMAT may be used, or a magnetostrictive type EMAT may be used.
  • a magnetostrictive type EMAT since a bainite structure having ferromagnetism is targeted for prediction, it is preferable to use a magnetostrictive type EMAT.
  • the magnetostrictive EMAT for example, an EMAT that transmits and receives a magnetostrictive axisymmetric SH wave may be used.
  • the method for predicting the remaining life of creep of a bainite structure according to the present invention will be described by taking as an example the case of using EMAT that transmits and receives magnetostrictive axisymmetric SH waves.
  • an EMAT 1 that transmits and receives magnetostrictive axisymmetric SH waves includes a solenoid coil 3 that applies a static magnetic field along the major axis direction of a test piece 2 to be measured, and a dynamic magnetic field in a circumferential direction.
  • a meandering coil 4 is provided.
  • the principle that EMAT1 generates an axisymmetric SH wave is as follows. First, by applying a direct current to the solenoid coil 3, a static magnetic field H ⁇ is generated in the major axis direction of the test piece 2. Next, a high-frequency current is passed through the meandering coil 4 to excite the variable magnetic field H ⁇ in the direction perpendicular to the static magnetic field immediately below the meandering coil 4. For this reason, as shown in FIG.
  • the surface of the test piece 2 is magnetized by the combined magnetic field Ht (H ⁇ + H ⁇ ) of these two magnetic fields. Note that the direction of the arrow of the meandering coil 4 in FIG. 2 indicates the direction of current flow.
  • the synthetic magnetic field is periodically changed, the surface of the test piece 2 is periodically sheared due to magnetostriction, and this becomes an ultrasonic source, and the axially symmetric SH wave 5 can be generated.
  • the axially symmetric SH wave is a surface SH wave that is deflected in the major axis direction of the test piece 2 and propagates in the circumferential direction. If the displacement in the major axis direction of an axisymmetric SH wave is represented by u z (r, ⁇ , z) in a cylindrical coordinate system represented by r, ⁇ and z, the equation of motion for a homogeneous isotropic medium is It is represented by (1). (Where ⁇ is the density and ⁇ is the stiffness)
  • Equation (3) is the speed of sound of the transverse wave and is ⁇ ( ⁇ / ⁇ ).
  • Equation (3) is a Bessel differential equation
  • Equation (4) its general solution can be expressed as Equation (4) using c 1 and c 2 .
  • J n and Y n are nth-order first-type and second-type Bessel functions, respectively, and r ′ is r ⁇ / V s .
  • the frequency equation represented by the equation (5) is obtained from the boundary condition that the stress is 0 on the inner and outer peripheral surfaces. (Wherein R a and R b are the outer radius and the inner radius of the hollow rod, respectively)
  • n is the number of turns of the meandering coil 4 and is an integer of 1 or more determined by Expression (7).
  • ⁇ is the spacing between the parallel portions of the serpentine coil 4 and R a is the outer radius of the hollow rod or the radius of the solid rod.
  • n is 99 when a hollow rod (outer diameter ⁇ 56.5 mm) is used, and 10 when a solid rod (diameter ⁇ 6 mm) is used.
  • the attenuation coefficient at the resonance frequency can be obtained by the following method.
  • the ultrasonic wave is excited in the test piece 2 by inputting a high-output burst wave signal to EMAT.
  • a high-power burst wave signal can be appropriately set by those skilled in the art.
  • the high-power burst wave signal may be 50 ⁇ s or less, and may circulate a few times in the burst wave time at the speed of sound. May be set.
  • the SH wave propagates and is received by the same meandering coil 4 every time it passes directly under the meandering coil 4. When the amplitude of the received signal is measured by sweeping the frequency, for example, a plurality of resonance peaks as shown in FIG. 3 can be observed.
  • the resonance frequency f m (n) can be obtained from the equation (5) or the equation (6).
  • FIG. 3 shows a hollow rod (outside diameter) made of a chromium molybdenum steel material having a bainite structure as a test piece 2 using a meandering coil 4 having a ⁇ of 0.9 mm as shown in the examples. It is a result at the time of using (phi) 56.5mm, internal diameter 47.5mm).
  • the attenuation coefficient representing the attenuation of the ultrasonic wave per unit time is shown in FIG. 5 by measuring the reverberation of the ultrasonic wave after exciting the ultrasonic wave at each resonance frequency to create a resonance state. It is possible to obtain an attenuation curve as shown and further approximate the exponential function to this attenuation curve.
  • the speed of sound at the resonance frequency can be obtained from Equation (5) and Equation (6).
  • FIG. 6 shows the relationship between the attenuation coefficient and the damage rate and the relationship between the sound speed and the damage rate in the bainite structure thus obtained.
  • the damage rate of a bainite structure cannot be calculated
  • the first damage rate is obtained from the attenuation coefficient
  • the second damage rate is obtained from the sound velocity
  • a corrected damage rate with excellent accuracy is obtained based on both the first damage rate and the second damage rate. be able to.
  • the method for obtaining the corrected damage rate is not particularly limited.
  • the correction damage rate may be obtained by averaging any one of the plurality of first damage rates and the second damage rate. It is preferable to obtain by selecting the one closest to the second damage rate from the rates and averaging the first damage rate and the second damage rate closest to the second damage rate. From the corrected damage rate thus obtained, the creep life of the bainite structure can be accurately predicted.
  • the first damage rate is obtained from the attenuation coefficient.
  • the first damage rate may be obtained from the amount of nonlinear ultrasonic waves.
  • the amount of nonlinear ultrasonic waves is determined by measuring the shift of the resonance frequency using the EMRA method (Nonlinear Resonant Ultraspectometry, hereinafter also referred to as “NRUS method”). Specifically, the test piece 2 is vibrated with a relatively low amplitude, for example, a strain amplitude of the order of 10 ⁇ 6 , and the shift of the resonance frequency of the test piece 2 accompanying a change in the excitation force is measured. When an undamaged sample is used as the test piece 2, no resonance frequency shift is observed as shown in FIG.
  • the amount of nonlinear ultrasonic waves can be obtained by dividing the amount of movement ⁇ f of the resonance frequency by the resonance frequency f 0 having no amplitude dependency as shown in FIG.
  • the relationship between the nonlinear ultrasonic quantity and the damage rate in the bainite structure thus obtained is shown in FIG. 9 along with the relationship between the sound speed and the damage rate.
  • the damage rate of a bainite structure cannot be calculated
  • the first damage rate is obtained from the nonlinear ultrasonic quantity
  • the second damage rate is obtained from the sound velocity. Based on both the first damage rate and the second damage rate, the corrected damage rate with excellent accuracy is obtained. Can be requested.
  • the method for obtaining the corrected damage rate is the same as that for obtaining the first damage rate from the attenuation coefficient. From the corrected damage rate thus obtained, the creep life of the bainite structure can be accurately predicted.
  • a hollow rod (outer diameter 56.5 mm, inner diameter 47.5 mm, length 35.0 mm) made of a chromium molybdenum steel material having a bainite structure as a sample
  • the temperature was 550 ° C. and the stress was 145 MPa.
  • the resonance frequency, the attenuation coefficient, and the amount of nonlinear ultrasonic waves were measured at a 10.0 mm length of the sample.
  • the outer diameter and the wall thickness at the 10.0 mm length of the sample were measured.
  • the attenuation coefficient was measured using EMAT (spacing of parallel portion of meander coil ⁇ 0.9 mm) that transmits and receives magnetostrictive axisymmetric SH waves and RAM10000 manufactured by RITEC.
  • the amount of nonlinear ultrasonic waves was measured by changing the excitation force from 10 to 100 in units of 10 using EMAT that transmits and receives magnetostrictive axisymmetric SH waves and RAM5000 manufactured by RITEC.
  • the outer diameter of the sample was measured using a vernier caliper with the oxide film still attached to the sample.
  • the thickness of the sample was measured using Model 26MG-XT manufactured by Panametric after removing the oxide film of the sample.
  • Table 1 shows the measurement results of the outer diameter and thickness of the sample, and the measurement results of the resonance frequency and attenuation coefficient at f 1 (99) and f 2 (99) . Moreover, the measurement result of the attenuation coefficient in f 1 (99) is shown as a graph in FIG.
  • FIG. 11 shows the relative shift amount of the resonance frequency obtained by normalizing the resonance frequency for each amplitude force in f 1 (99) .
  • FIG. 12 shows the result of converting FIG. 11 into a nonlinear ultrasonic quantity ( ⁇ f / f 0 ) ⁇ 100 by the above.
  • a certain attenuation coefficient such as 0.10 has a plurality of corresponding damage rates. It was shown that the damage rate cannot be obtained.

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Abstract

【課題】ベイナイト組織のクリープ余寿命の予測方法を提供する。 【解決手段】電磁超音波探触子を用いて、ベイナイト組織内に非接触で超音波を励起させることによって、ベイナイト組織において超音波共鳴を発生させる工程と、超音波共鳴の共鳴周波数を測定する工程と、共鳴周波数における超音波の変移を測定する工程と、共鳴周波数における音速を求める工程と、超音波の変移から前記ベイナイト組織の第１損傷率を求める工程と、音速からベイナイト組織の第２損傷率を求める工程と、第１損傷率及び第２損傷率に基づいてベイナイト組織の補正損傷率を求める工程とを含む、クリープ余寿命の予測方法とする。

Description

ベイナイト組織のクリープ余寿命の予測方法
　本発明は、ベイナイト組織のクリープ余寿命の予測方法に関する。
　火力発電設備や原子力発電設備等において用いられる機械部品は、長期間に渡って高温・高圧条件におかれることから、徐々に塑性変形を起こし、クリープ寿命に達すると破断してしまう。従って、火力発電設備や原子力発電設備を安全かつ経済的に運転するためには、用いられている機械部品のクリープ余寿命を的確に予測することによって、最適な時期に機械部品の交換を行うことが求められる。
　このような機械部品に使用されている耐熱鋼のクリープ余寿命を予測する方法としては、例えば、目視検査、磁粉探傷検査、超音波探傷検査及び放射線探傷検査等の寿命末期に発生する亀裂を検出する方法、並びに、レプリカ法によるクリープボイドや微視亀裂を検出する方法が知られているが、これらの方法では、亀裂が生じる前の余寿命を予測することができない。また、特開昭６３－２３５８６１号公報が示すように、実際に稼動している火力発電設備や原子力発電設備の機械部品の耐熱鋼から試験片を切り出して、クリープ破断試験を行い、その破断時間から余寿命を予測する方法が知られているが、この方法では、実際に稼動している設備から試験片を切り出して長時間に渡って試験をする必要があり、煩雑である。
　これらの方法に対して、特開２００１－３４３３６８号公報が示すように、亀裂が生じる前の余寿命を予測することができ、実際に稼動している設備から試験片を切り出す必要もない方法として、磁性を有する耐熱鋼に非接触で超音波を励起させることによって超音波共鳴を発生させ、この超音波共鳴の減衰具合から余寿命を予測する方法が報告されている。
　本発明は、ベイナイト組織のクリープ余寿命の予測方法を提供することを目的とする。
　本発明に係るクリープ余寿命の予測方法は、電磁超音波探触子を用いて、ベイナイト組織内に非接触で超音波を励起させることによって、ベイナイト組織において超音波共鳴を発生させる工程と、超音波共鳴の共鳴周波数を測定する工程と、共鳴周波数における超音波の変移を測定する工程と、共鳴周波数における音速を求める工程と、超音波の変移からベイナイト組織の第１損傷率を求める工程と、音速からベイナイト組織の第２損傷率を求める工程と、第１損傷率及び第２損傷率に基づいてベイナイト組織の補正損傷率を求める工程とを含む。
　第１損傷率が複数存在する場合に、第１損傷率の中から、第２損傷率に最も近い第１損傷率を選択する工程を更に含み、第２損傷率に最も近い第１損傷率及び第２損傷率に基づいて、補正損傷率を求めることが好ましい。
　第１損傷率と第２損傷率とを平均することによって、補正損傷率を求めることが好ましい。
　超音波の変移から減衰係数を算出し、減衰係数から第１損傷率を求めることが好ましく、または、超音波の変移から非線形超音波量を算出し、非線形超音波量から第１損傷率を求めることが好ましい。
　本発明によって、ベイナイト組織のクリープ余寿命の予測方法を提供することが可能となった。
一実施形態における、磁歪型の軸対称ＳＨ波を送受信するＥＭＡＴの概略図である。 一実施形態における、磁場及び軸対称ＳＨ波の概略図である。 一実施形態における、複数の共鳴ピークを示すグラフである。 一実施形態における、ｆ１ （９９）の共鳴ピークを示すグラフである。 一実施形態における、減衰曲線を示すグラフである。 一実施形態における、減衰係数及び損傷率の関係、並びに、音速及び損傷率の関係を示すグラフである。 一実施形態における、未損傷の試料を用いた場合の共鳴周波数を示すグラフである。 一実施形態における、損傷している試料を用いた場合の共鳴周波数を示すグラフである。 一実施形態における、非線形超音波量及び損傷率の関係、並びに、音速及び損傷率の関係を示すグラフである。 一実施形態における、ｆ１ （９９）の減衰係数の測定結果を示すグラフである。 一実施形態における、ｆ１ （９９）での共鳴周波数の相対的移動量を示すグラフである。 一実施形態における、非線形超音波量を示すグラフである。
　以下、上記知見に基づき完成した本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本発明の目的、特徴、利点、および、そのアイデアは、本明細書の記載により、当業者には明らかであり、本明細書の記載から、当業者であれば容易に本発明を再現できる。以下に記載された発明の実施の形態及び具体的な実施例などは、本発明の好ましい実施態様を示すものであり、例示又は説明のために示されているのであって、本発明をそれらに限定するものではない。本明細書で開示されている本発明の意図並びに範囲内で、本明細書の記載に基づき、様々な改変並びに修飾ができることは、当業者にとって明らかである。
　本発明に係るベイナイト組織のクリープ余寿命の予測方法は、電磁超音波探触子を用いて、ベイナイト組織内に非接触で超音波を励起させることによって、ベイナイト組織において超音波共鳴を発生させる工程と、超音波共鳴の共鳴周波数を測定する工程と、共鳴周波数における超音波の変移を求める工程と、共鳴周波数における音速を求める工程と、前記超音波の変移からベイナイソ組織の第１損傷率を求める工程と、音速からベイナイト組織の第２損傷率を求める工程と、第１損傷率及び第２損傷率に基づいてベイナイト組織の補正損傷率を求める工程とを含む。
　本発明者等は、ベイナイト組織を測定対象とした場合に、電磁超音波探触子を用いて非接触で超音波を励起させた場合に得られる、減衰係数や非線形超音波量などの共鳴周波数における超音波の変移と、損傷率などの時間との関係が１対１対応にならないことを見出した。即ち、ある減衰係数または非線形超音波量に対応する損傷率が、複数存在することを見出した。このような場合、減衰係数または非線形超音波量のみからでは、対応する損傷率を求めることができないという問題が生じた。
　このような問題を解決するために発明された、本発明に係るベイナイト組織のクリープ余寿命の予測方法によって、電磁超音波共鳴法（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｒｏｓｏｎａｎｃｅ、以下「ＥＭＡＲ法」ともいう）によって共鳴周波数における超音波の変移から第１損傷率を求め、ＥＭＡＲ法によって測定された音速から第２損傷率を求め、第１損傷率を第２損傷率で補正すれば、より精度が優れた補正損傷率を求めることが可能になる。ここで、共鳴周波数における超音波の変移から、共鳴周波数における減衰係数、または、共鳴周波数における非線形超音波量を求めることが好ましく、いずれから第１損傷率を求めてもよい。
　ＥＭＡＲ法は、電磁超音波探触子（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｒｏｓｏｎａｎｃｅ、以下「ＥＭＡＴ」ともいう）と超音波共鳴法とを組み合わせた、非破壊的に材料特性を測定する方法である。ＥＭＡＴは、電磁気的な作用（ローレンツ力または磁歪）によって非接触で超音波を送受信できるため、音響結合剤や遅延剤を必要としない。このため、ＥＭＡＴを用いるＥＭＡＲ法は、測定する材料内のエネルギ損失だけを正確に測定することができる。さらに、ＥＭＡＲ法は、ＥＭＡＴに超音波共鳴法を組み合わせることによって、共鳴状態での同位相の多重エコーを受信してＥＭＡＴのＳ／Ｎ比を向上させることができるため、低いことが知られるＥＭＡＴの変換効率を大幅に改善させることができる。
　ＥＭＡＴとしては、ローレンツ力型のＥＭＡＴを用いても良く、磁歪型のＥＭＡＴを用いても良いが、強磁性を有するベイナイト組織を予測対象とすることから、磁歪型のＥＭＡＴを用いることが好ましい。磁歪型のＥＭＡＴとして、例えば、磁歪型の軸対称ＳＨ波を送受信するＥＭＡＴなどを用いても良い。
　以下、磁歪型の軸対称ＳＨ波を送受信するＥＭＡＴを用いる場合を例として、本発明に係るベイナイト組織のクリープ余寿命の予測方法を説明する。
　図１が示すように、磁歪型の軸対称ＳＨ波を送受信するＥＭＡＴ１は、測定対象である試験片２の長軸方向に沿った静磁場を与えるソレイドコイル３と、円周方向に動磁場を与える蛇行コイル４とを備える。ＥＭＡＴ１が、軸対称ＳＨ波を発生させる原理は、以下の通りである。まず、ソレノイドコイル３に直流電流を流すことによって、試験片２の長軸方向に静磁場Ｈοを生じさせる。次に、蛇行コイル４に高周波電流を流すことによって、蛇行コイル４の直下において、静磁場に直交する方向に変動磁場Ｈωを励起させる。このため、図２が示すように、試験片２の表面は、これら２つの磁場の合成磁場Ｈｔ（Ｈο＋Ｈω）によって磁化される。なお、図２における蛇行コイル４の矢印の向きは、電流の流れる方向を示している。合成磁場を周期的に変動させると、磁歪のため周期的に試験片２の表面がせん断変形し、これが超音波源となって、軸対称ＳＨ波５を発生させることができる。
　軸対称ＳＨ波は、試験片２の長軸方向に偏向し、円周方向に伝播する表面ＳＨ波である。軸対称ＳＨ波の長軸方向の変位を、ｒ、θ及びｚで表される円筒座標系で、ｕｚ（ｒ，θ，ｚ）とおくと、均質等方媒体に対する運動方程式は、下記式(１)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001

（式中、ρは密度であり、μは剛性率である。）
　また、周期境界条件である、ｕｚ（θ）＝ｕｚ(θ＋２π)を適用すると、変位ｕｚは、式（２）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002

（式中、Ｒ（ｒ）は半径ｒに依存する変位振幅であり、ωはＳＨ波の角速度であり、ｎは整数である。）
　式（２）を式（１）に代入して整理すると、式（３）になる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003

（式中、Ｖｓは横波の音速であり、√（μ／ρ）である。）
　式（３）は、ベッセルの微分方程式であることから、その一般解は、ｃ１及びｃ２を用いて式（４）のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004

（式中、Ｊｎ及びＹｎは、それぞれ、ｎ次の第一種及び第二種ベッセル関数であり、ｒ’は、ｒω／Ｖｓとした。）
　ここで、試験片２として中空の棒を用いる場合には、内外周表面では応力が０であるとの境界条件から、式（５）で表される振動数方程式が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005

（式中、Ｒａ及びＲｂは、それぞれ、中空の棒の外半径及び内半径である。）
　一方で、試験片２として中実の棒を用いる場合には、棒の中心でＲ（ｒ’）が有限値となるようにｃ２＝０であり、また、棒の表面で応カが０であるとの境界条件から、式(６)で表される振動数方程式が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006

（式中、Ｋｓは波数であり、ω／Ｖｓである。また、Ｒａは、中実の棒の半径である。）
　式（５）及び式（６）において、ｎは、蛇行コイル４のターン数であり、式（７）によって決まる１以上の整数である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007

（式中、δは、蛇行コイル４の平行部分の間隔であり、Ｒａは、中空の棒の外半径または中実の棒の半径である。）
　例えば、δ＝０．９ｍｍの蛇行コイル４を用いた場合には、中空の棒（外径φ５６．５ｍｍ）を用いるとｎは９９となり、中実の棒（直径φ６ｍｍ）では１０となる。
　式（５）または式（６）を解くことによって、共鳴周波数ｆｍ （ｎ）（但し、ｍは、１以上の整数である）が得られる。
　共鳴周波数における減衰係数は、以下の方法で求めることができる。まず、ＥＭＡＴに高出力のバースト波信号を入力することによって、試験片２に超音波を励起させる。なお、高出力のバースト波信号は、当業者であれば適宜適切に設定することができるが、例えば、５０μｓ以下であっても良く、音速でバースト波の時間で２、３周周回するように設定しても良い。ＳＨ波が伝播し、蛇行コイル４の真下を通る度に、同じ蛇行コイル４によって受信される。周波数を掃引して受信信号の振幅を測定すると、例えば、図３に示すような、複数の共鳴ピークが観測できる。共鳴周波数ｆｍ （ｎ）は、式（５）または式（６）から求めることができる。なお、図３は、実施例で示すように、蛇行コイル４としてδが０．９ｍｍのものを用い、試験片２として、ベイナイト組織を有するクロムモリブデン鉄鋼鋼材から作られた中空の棒（外径φ５６．５ｍｍ、内径４７．５ｍｍ）を用いた際の結果である。
　単位時間当たりの超音波の減衰を表す減衰係数は、図４に示すように、各共鳴周波数において超音波を励起させて共鳴状態を作った後、超音波の残響を測定することによって図５に示すような減衰曲線を得、さらに、この減衰曲線に指数関数を近似することによって求めることができる。
　共鳴周波数における音速は、式（５）および式（６）から求めることができる。
　このようにして得られたベイナイト組織における、減衰係数及び損傷率の関係、並びに、音速及び損傷率の関係は、図６のようになる。図６が示すように、ある減衰係数においては、対応する損傷率が複数存在する。このため、減衰係数のみからでは、ベイナイト組織の損傷率を求めることができない。そこで、減衰係数から第１損傷率を求め、さらに、音速から第２損傷率を求め、これら第１損傷率と第２損傷率との両方に基づくことによって、精度が優れた補正損傷率を求めることができる。
　補正損傷率を求める方法は、特に限定されないが、例えば、複数存在する第１損傷率のいずれか１つと第２損傷率とを平均することによって求めても良く、また、複数存在する第１損傷率の中から第２損傷率に最も近いものを選択し、この第２損傷率に最も近い第１損傷率と第２損傷率とを平均することによって、求めることが好ましい。
　このようにして得られた補正損傷率から、ベイナイト組織のクリープ寿命を精度良く予測することができる。
　上記の方法では、減衰係数から第１損傷率を求めたが、非線形超音波量から第１損傷率を求めても良い。
　非線形超音波量は、ＥＭＲＡ法を用いて、共鳴周波数の移動を測定することによって求める（Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　Ｒｅｓｏｎａｎｔ　Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、以下「ＮＲＵＳ法」ともいう）。具体的には、試験片２を比較的低振幅、例えば、１０－６オーダーのひずみ振幅、で加振し、加振力の変化に伴う試験片２の共鳴周波数の移動を測定する。試験片２として未損傷の試料を用いた場合には、図７に示すように、共鳴周波数の移動は観測されないが、試験片２として損傷している試料を用いた場合には、図８に示すように、共鳴周波数の移動が観測される。この共鳴周波数の移動量Δｆを、図７に示すような振幅依存性がない共鳴周波数ｆ０で割ることによって、非線形超音波量を求めることができる。
　このようにして得られたベイナイト組織における非線形超音波量及び損傷率の関係を、音速及び損傷率の関係と並べて、図９に示す。減衰係数の場合と同様に、ある非線形超音波量においては、対応する損傷率が複数存在する。このため、非線形超音波量のみからでは、ベイナイト組織の損傷率を求めることができない。そこで、非線形超音波量から第１損傷率を求め、さらに、音速から第２損傷率を求め、これら第１損傷率と第２損傷率との両方に基づくことによって、精度が優れた補正損傷率を求めることができる。
　補正損傷率を求める方法は、減衰係数から第１損傷率を求めた場合と同様である。このようにして得られた補正損傷率から、ベイナイト組織のクリープ寿命を精度良く予測することができる。
　ベイナイト組織を有するクロムモリブデン鉄鋼鋼材から作られた中空の棒（外径φ５６．５ｍｍ、内径４７．５ｍｍ、長さ３５．０ｍｍ）を試料として、温度が５５０℃、応力が１４５ＭＰａの条件下での、試料の長さ１０．０ｍｍの箇所における、共鳴周波数、減衰係数及び非線形超音波量を測定した。併せて、試料の長さ１０．０ｍｍの箇所における外径及び肉厚を測定した。
　減衰係数は、磁歪型の軸対称ＳＨ波を送受信するＥＭＡＴ（蛇行コイルの平行部分の間隔δ０．９ｍｍ）及びＲＩＴＥＣ社製ＲＡＭ１００００を用いて測定した。非線形超音波量は、磁歪型の軸対称ＳＨ波を送受信するＥＭＡＴとＲＩＴＥＣ社製ＲＡＭ５０００を用いて、加振力を１０～１００まで１０単位で変化させることによって測定した。試料の外径は、試料に酸化被膜がついたままの状態でノギスを用いて測定した。試料の厚さは、試料の酸化被膜を除去してから、パナメトリック社製Ｍｏｄｅｌ２６ＭＧ－ＸＴを用いて測定した。
　試料の外径及び肉厚の測定結果、並びに、ｆ１ （９９）及びｆ２ （９９）における共鳴周波数及び減衰係数の測定結果を表１に示す。また、ｆ１ （９９）における減衰係数の測定結果を、図１０にグラフとして示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
　図１０から明らかなように、ベイナイト組織を測定対象とした場合には、例えば０．００５μｓ－１のようなある減衰係数においては、対応する損傷率が複数存在し、減衰係数のみからではベイナイト組織の損傷率を求められないことが示された。
　また、ｆ１ （９９）における、各振幅力に対する共鳴周波数を正規化することによって求めた、共鳴周波数の相対的移動量を図１１に示す。さらに、加振力１０の時の共鳴周波数を振幅依存性がない共鳴周波数であるｆ０とし、加振力が１００の時の共鳴周波数をｆｍａｘとして、Δｆ＝ｆ０－ｆｍａｘを求めることによって、図１１を非線形超音波量（Δｆ／ｆ０）ｘ１００に変換した結果を図１２に示す。
　図１２から明らかなように、ベイナイト組織を測定対象とした場合には、例えば０．１０のようなある減衰係数においては、対応する損傷率が複数存在し、非線形超音波量のみからではベイナイト組織の損傷率を求められないことが示された。
１　　ＥＭＡＴ
２　　試験片
３　　ソレイドコイル
４　　蛇行コイル
５　　軸対称ＳＨ波

Claims (5)

  1. 　電磁超音波探触子を用いて、ベイナイト組織内に非接触で超音波を励起させることによって、前記ベイナイト組織において超音波共鳴を発生させる工程と、
    　前記超音波共鳴の共鳴周波数を測定する工程と、
    　前記共鳴周波数における超音波の変移を測定する工程と、
    　前記共鳴周波数における音速を求める工程と、
    　前記超音波の変移から前記ベイナイト組織の第１損傷率を求める工程と、
    　前記音速から前記ベイナイト組織の第２損傷率を求める工程と、
    　第１損傷率及び第２損傷率に基づいて前記ベイナイト組織の補正損傷率を求める工程とを含む、クリープ余寿命の予測方法。
  2. 　第１損傷率が複数存在する場合に、第１損傷率の中から、第２損傷率に最も近い第１損傷率を選択する工程を更に含み、
    　第２損傷率に最も近い第１損傷率及び第２損傷率に基づいて、補正損傷率を求めることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 　第１損傷率と第２損傷率とを平均することによって、補正損傷率を求めることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
  4. 　前記超音波の変移から減衰係数を算出し、前記減衰係数から第１損傷率を求めることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 　前記超音波の変移から非線形超音波量を算出し、前記非線形超音波量から第１損傷率を求めることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項記載の方法。
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