金属疲労識別装置および金属疲労識別方法
【課題】金属に亀裂が発生する前の段階において、疲労の進行状態を定量的に検出でき、かつ亀裂の発生を判断でき、さらに検出のための操作も簡略に行える金属疲労識別装置および金属疲労識別方法を提供する。
【解決手段】 金属疲労識別装置１００は、信号発生部１０と、信号増幅部２０と、検出部３０と、検出回路部４０と、検出信号処理部５０と、表示部６０と、出力端子部７０とから構成され、検査する際に、信号発生部１０からの交流信号を励磁コイルに入力し、誘導コイルで検査試料による磁場の変化を検出して出力し、誘導コイルからの検出信号の位相と、励磁コイルに入力された交流信号の位相とを比較して、励磁コイルに入力された交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値を算出する。そして、検出電圧と余弦値に基づいてＭＦＤ値（電磁気代用特性値）を算出し、表示部に表示する。このＭＦＤ値で金属疲労損傷度を判断する。
【解決手段】 金属疲労識別装置１００は、信号発生部１０と、信号増幅部２０と、検出部３０と、検出回路部４０と、検出信号処理部５０と、表示部６０と、出力端子部７０とから構成され、検査する際に、信号発生部１０からの交流信号を励磁コイルに入力し、誘導コイルで検査試料による磁場の変化を検出して出力し、誘導コイルからの検出信号の位相と、励磁コイルに入力された交流信号の位相とを比較して、励磁コイルに入力された交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値を算出する。そして、検出電圧と余弦値に基づいてＭＦＤ値（電磁気代用特性値）を算出し、表示部に表示する。このＭＦＤ値で金属疲労損傷度を判断する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属の被検査物を励磁コイルによる磁界中に置き、それによる電磁誘導の変化によって金属の被検査物の疲労損傷度の測定を行う金属疲労識別装置および金属疲労識別方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、金属疲労の検出においては、金属の疲労が進行し破断する前段階の亀裂の発生を危険域として捉え、この亀裂の有無を発見することによって、金属の破断を未然に防止する方法が一般的に行われている。具体的には、Ｘ線や超音波による透過、反射などの技術を利用して、金属内部における亀裂を検出したり、あるいは磁力を利用して、金属表面の亀裂を検出したりする方法が用いられている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
中でも特に、非破壊検査において簡単に金属の亀裂を検出する方法として、磁気を用いた渦流式のセンサが広く利用されている。これは、励磁コイルに交流電流を印加して磁場を形成し、検査試料に生じせしめた渦流が、亀裂によって変化することを誘導コイルで検出するものである。
【０００４】
近年、強磁性構造材の強度の経年劣化の非破壊測定法が提案された（例えば、特許文献１参照）。この非破壊測定法において、所定の磁界強度で強磁性構造材の帯磁率を求め、これに基づいて強磁性構造材の実質的な引張応力を求め、この実質的な引張応力と強磁性構造材の初期状態での引張応力とを比較して、経年による強磁性構造材の実質的な引張応力を求めることで、強磁性構造材の強度の経年劣化を検査する。
【０００５】
【非特許文献１】石井 勇五郎 「新版 非破壊検査工学」 産報出版株式会社 １９９３年８月 Ｐ．４５６〜４６０
【特許文献１】特開２００１−２１５３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、このような渦流式では、亀裂の形状や大きさによって検出できる周波数が異なるため、感度良く検出するためには、検出時に励磁コイルに印加する交流電流の周波数を変化させたり、周波数を複数化したりといった方法が必要であった。そのため、操作や装置構成が複雑になり、特に、非破壊検査を目的として、機動性を有した測定が必要な場合には、装置を小型化したり操作性を向上させたりすることが望まれていた。
【０００７】
また、金属疲労の検出において、亀裂が発生した状態というのは破壊の一歩手前の状態であり、その時点で金属疲労を検出しても、余寿命の推定という観点では不十分であった。そのため、亀裂が発生する前のさらに早期の段階で疲労を発見し、疲労の有無だけでなくその度合いも識別できることが望まれていた。
【０００８】
本発明は、このような従来の課題を考慮して、検出部の誘導コイルからの検出信号の位相と、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相とを比較し、励磁コイルに入力された交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値に基づいて金属疲労損傷度を判断することで、金属に亀裂が発生する前の段階において、疲労の進行状態を定量的に検出でき、かつ亀裂の発生を判断でき、さらに検出のための操作も簡略に行える金属疲労識別装置および金属疲労識別方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る金属疲労識別装置は、金属材料からなる検査試料の疲労を識別する金属疲労測定装置において、交流信号を発生する信号発生手段と、前記交流信号が入力されて磁場を形成する励磁コイルと、励磁コイルにより電磁誘導され前記検査試料による前記磁場の変化を出力する誘導コイルとを備えた検出部と、前記検出部の誘導コイルからの検出信号の位相と、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相とを比較し、検出信号を処理する検出信号処理部とを備え、前記検出信号処理部は、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値に基づいて金属疲労損傷度を判断するものである。
【００１０】
例えば、前記金属疲労識別装置において、前記検出信号処理部は、誘導コイルの検出電圧と、前記検出信号処理部により得られた励磁コイルに入力された前記交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値との積を測定値として出力する。
【００１１】
また、前記金属疲労識別装置において、前記検出信号処理部により出力される測定値を表示する表示手段をさらに備える。
【００１２】
さらに、前記金属疲労識別装置において、金属材料として、磁性材料及び非磁性材料を適用対象とする。
【００１３】
本発明に係る金属疲労識別方法は、交流信号を発生する信号発生手段と、前記交流信号が入力されて磁場を形成する励磁コイルと励磁コイルにより電磁誘導され前記検査試料による前記磁場の変化を出力する誘導コイルとを備えた検出部と、前記検出部の誘導コイルからの検出信号の位相と、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相とを比較し、検出信号を処理する検出信号処理部とを備える金属疲労測定装置を用いて金属材料からなる検査試料の疲労を識別する金属疲労識別方法において、信号発生手段からの交流信号を励磁コイルに入力し、誘導コイルで前記検査試料による前記磁場の変化を検出して出力し、前記誘導コイルからの検出信号の位相と、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相とを比較して、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値に基づいて金属疲労損傷度を判断することを特徴とする。
【００１４】
例えば、前記金属疲労識別方法において、誘導コイルの検出電圧と、前記検出信号処理部により得られた励磁コイルに入力された前記交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値との積を測定値とし、該測定値で金属疲労損傷度を判断することを特徴とする。
【００１５】
また例えば、前記金属疲労識別方法において、前記測定値の下降傾向から上昇傾向に変化することを、金属疲労損により塑性変形が発生し、疲労亀裂が発生する前兆と判断することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、検出部の誘導コイルからの検出信号の位相と、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相とを比較し、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値に基づいて金属疲労損傷度を判断することにより、磁性材料及び非磁性材料を問わずあらゆる金属材料からなる検査試料の疲労損傷度を検出することができる。そのため、金属の疲労損傷度を判別することができる。
【００１７】
また、電磁気センサを用いることで、金属疲労識別装置を小型化にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態の金属疲労識別装置および金属疲労識別方法について説明する。
【００１９】
図１は、実施の形態としての金属疲労識別装置１００の構成を示すブロック図である。図２は、金属疲労識別装置１００の構成を示す電気回路概略図である。
【００２０】
図１、２に示すように、金属疲労識別装置１００は、信号発生部１０と、信号増幅部２０と、検出部３０と、検出回路部４０と、標準信号供給部５０と、検出信号処理部６０と、表示部７０とから構成されている。
【００２１】
信号発生部１０と信号増幅部２０とは、信号発生手段を構成し、所定周波数の交流信号、例えば交流電流を発生することができる。信号発生部２０において、周波数設定手段を有する。信号増幅部２０は、信号発生部１０からの信号のレベルを調整するレベル調整手段を有する定電流増幅器である。信号発生部１０から出力される交流信号、例えば交流電流は、信号増幅部２０で一定電流となり、検出部３０の励磁コイル３１に供給される。
【００２２】
検出部（センサ）３０は、交流信号が入力されて磁場を形成する励磁コイル３１と、励磁コイルにより電磁誘導され検査試料による磁場の変化を出力する誘導コイル３２（３２ａ，３２ｂ）と、から構成される。
【００２３】
この検出部３０は、いわゆる渦流型のセンサ構造を呈しており、図２に示すように、１次側となる励磁コイル３１が高透磁性部材である磁芯３３に巻回され、この励磁コイル３１の磁束に鎖交して電磁誘導されるよう２次側となる誘導コイル３２が設けられている。
【００２４】
また、誘導コイル３２は同一構成の一対の誘導コイル３２ａ、３２ｂが差動で出力されるように接続されている。具体的には励磁コイル３１と誘導コイル３２の構成としては、例えば磁芯３３の外周に励磁コイル３１を巻回し、その外周面に誘導コイル３２を巻回する構成や、またはその逆の構成や、一列に並設する構成等が挙げられる。磁芯３３には、透磁率の高いフェライトが好適であるが、この素材に限定されるものではない。
【００２５】
検出部３０の磁芯３３の一方端に対向する位置で、励磁コイル３１が形成する磁場中が、検査可能範囲３４となり、ここに試料１が配置される。この試料１は、検査可能範囲３４の任意の位置に設置可能であるが、磁芯３３に接触（リフトオフ＝０）させ、磁芯３３の中心線と試料１の接触面とが垂直になるよう設置することが好ましい。これにより、試料１の設置位置による検出誤差が防止されるとともに、検出感度も大幅に向上する。
【００２６】
検出回路部４０は、増幅器４１、信号増幅器４２、乗算器４３と、増幅器４４と、調整器４５とを備えており、信号増幅器４２は、増幅器４１からの信号のレベルを調整するレベル調整手段を有する定電流増幅器である。検出部３０から入力された検出信号Ｓ１が増幅されて基準信号Ｓ０との乗算処理が乗算器４３で施される。
【００２７】
基準信号供給部５０は、増幅器５１と、位相調整器５２とを備えており、励磁コイル３１に印加された信号は、増幅器５１で増幅され、位相調整器５２で所定位相に調整されて基準信号Ｓ２として乗算器４３に供給される。
【００２８】
検出信号処理部６０は、マイクロコンピュータから構成され、誘導コイルからの検出信号の増幅された検出信号Ｓ２の位相と励磁コイルに入力された交流信号、即ち基準信号Ｓ０の位相とを比較し、位相差を算出する。そして、検出信号処理部６０は、励磁コイルに入力された交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値（ＭＦＤ値：電磁気代用特性値）を算出し、算出された余弦値を表示部７０に出力し、この余弦値に基づいて金属疲労損傷度を判断する。
【００２９】
表示部７０は、検出信号処理部６０から送られた余弦値と、調整器４５から出力された検出信号とに基づいて、測定値（ＭＦＤ値）を表示するようになされる。
【００３０】
ＭＦＤ値（電磁気代用特性値）は以下のように定義される。
ＭＦＤ値＝Ｖ×ＣＯＳφ ・・・（１）
式中：Ｖは検出電圧であり、ＣＯＳφは励磁コイル側に対する検出側（誘導コイル側）の位相差の余弦である。
【００３１】
図３は、透磁率とＭＦＤ値の相関関係を示す図である。この図において、Ｓ４５Ｃ材の比最大透磁率とＭＦＤ値の相関関係を示している。図３に示すように、ＭＦＤ値と透磁率とは正相関関係である。
【００３２】
上記ＭＦＤ値と透磁率との関係から、金属疲労が進行するほどＭＦＤ値が低下する、即ち透磁率が小さくなる。そのため、金属疲労により位相が遅れることで、位相の遅れは（＋）とし、更に金属疲労が進行し疲労亀裂が発生し位相が進むときは（−）とする。
【００３３】
図４は、金属疲労に伴う検出電圧・位相の変化を示す図である。図４に示すように、金属疲労が発生した場合、検出電圧の低下ΔＶ１、位相の遅れΔθ、位相の遅れによる電圧低下ΔＶ２を検出することができる。
【００３４】
また、疲労損傷度とＭＦＤ値との関係について説明する。ＭＦＤ値による疲労損傷度評価方法は次の通りとなる。
【００３５】
図５は、疲労損傷度とＭＦＤ値との関係を示す図である。図５の横軸は疲労損傷度で、縦軸はＭＦＤ値である。図５に示すように、
疲労損傷度（Φ％）＝疲労測定対象材ＭＦＤ値Ｍａの新材ＭｏからのＭＦＤ値低下量）÷（疲労破断材ＭＦＤ値Ｍｆの新材ＭｏからのＭＦＤ値低下量）×１００
＝｛（Ｍｏ−Ｍａ）÷（Ｍｏ−Ｍｆ）｝×１００％ ・・・（２）
疲労損傷度（Φ％）を用いて金属の疲労損傷度を評価することができる。
【００３６】
図６は、疲労損傷度（Φ％）と疲労荷重回数の関係を示す図である。この図６において、Ｓ４５Ｃ疲労試験片の疲労損傷度（Φ％）と疲労荷重回数の関係を示している。図６に示すように、疲労損傷度は、疲労荷重回数に比例する。
【００３７】
図７は、金属疲労に伴う検出側の位相の変化を示す図である。図７において、Ｔ型試験片（Ｓ２０Ｃ，Ｐ１Ｓ２１８）の疲労損傷度に伴う位相変化を示している。図７に示すように、疲労中心部において位相変化が大きく、疲労中心部からの距離が遠くなるほど位相変化が小さくなる傾向があった。
【００３８】
図８は、金属疲労から疲労亀裂発生までのＭＦＤ値の変化を示すモデル図である。図８に示すように、鉄鋼材料による部品の場合、使用開始直後に製造時の残留応力が先ず緩和されて、少しＭＦＤ値が上昇する（区間Ａ）が、継続使用することによる金属疲労で徐々にＭＦＤ値は低下する（区間Ｂ）。ＭＦＤ値が低下しきった後しばらく安定期があり（区間Ｃ）、最後に表面の塑性流動や疲労亀裂でＭＦＤ値は再び上昇し始める（区間Ｄ）。区間Ｄには、ＭＦＤ値の上昇する変曲点となる区間Ｄ１と疲労亀裂によるＭＦＤ値が急上昇する区間Ｄ２がある。区間Ｄ２の最後に疲労亀裂の進展により破断する。
【００３９】
また、区間Ｄ１のＭＦＤ値の再上昇の原因は、試料の塑性変形により透磁率が上昇し位相が進むことによるものである。このＭＦＤ値の上昇する変曲点を見つけ、これを金属疲労進行の警鐘と見る。例えば、この段階で部品交換等を行う等の対策を実施することがよい。このようなＭＦＤ値の変化は多くの生産設備や施設における部品の金属疲労の過程で見られる。金属疲労識別装置１００を用いて、これ等の変化を的確に捕捉しタイミングの良い予知管理が可能である。
【００４０】
塑性変形及び疲労亀裂による測定値の変化について、以下の図９および図１０に示す結果より明らかである。
【００４１】
図９は、金属疲労亀裂がありと無しの場合における位相の変化を示す図である。図９の測定結果において、測定条件として、材質はＳ２５Ｃである。試験片：疲労亀裂あり、疲労亀裂なしの２つである。疲労試験条件は２１．６ｋｇ／ｍｍ２、２０Ｈｚ片振（塑性変形６．３％）である。荷重回数はＮ＝３４，７５８回である。測定周波数は２ｋＨｚ、位相設定７０°である。
【００４２】
図９に示すように、疲労亀裂ありの試験片の場合は、中心位置において位相が大きく変化することが分かった。これにより、被検査物の疲労亀裂の発生を判別することが可能である。
【００４３】
図１０は、鉄道用レールの頭頂部の塑性流動（塑性変形）部の研磨前と研磨後におけるＭＦＤ値の変化を示す図である。この場合、使用済みレール（ＪＲ60キロレール）の頭頂面を研磨前と１００μｍ研磨する場合において、レール端部から３０ｍｍのＴ２線上の各測定点（中心より外側５箇所、内側５箇所）の測定を行った。
【００４４】
図１０に示すように、研磨することにより、レール中心より外側のみ測定値（ＭＦＤ値）が低下する。この変化がレールの外側のみ見られたのは、中心より外側のみ塑性流動層が約１００μｍあり、この塑性流動層による引張残留応力（磁気特性増大）が研磨で削除されたため、磁気特性値が低下したものと推定される。一方、レールの内側は塑性流動層が殆どないため、変化が見られなかったものと推定される。
【００４５】
図１１は、引張および圧縮応力とＭＦＤ値の関係を示す図である。図１１において、２回の測定値を示している。図１１に示すように、引張および圧縮応力とＭＦＤ値の関係はほぼ直線関係である。
【００４６】
応力測定の原理について、従来から発表されているように、電磁気応用の応力測定は磁歪理論により、磁性体を磁場に置くと伸びる現象があり、また逆に伸ばすと磁性体の透磁率が変化する。この現象を式で表すと、
Ｋ２＝Ｗmech／Ｗmag＝Δλ２・Ｅ／（ΔＢ・ΔＨ） ・・・（３）
式中：Ｋ２ は磁気機械結合係数の２乗であり、Ｗmechは機械的エネルギーであり、Ｗmagは磁気エネルギーであり、Δλ２は伸び率の２乗であり、Ｅは弾性率であり、ΔＢは磁束密度の変化率であり、ΔＨは磁界の変化である。
【００４７】
また、透磁率の変化Δμ＝ΔＢ／ΔＨの関係を式（３）に代入すると、
Ｋ２＝（Δλ／ΔＨ）２・Ｅ／Δμ
になる。即ち、
Δμ＝Ｅ・（Δλ／Ｋ・ΔＨ）２ ・・・（４）
【００４８】
式（４）式から材料が伸びると透磁率も大きくなることからＭＦＤ値の関係値は透磁率に比例するために大きくなる。また、圧縮も同様にＭＦＤ値は小さくなる。（但し、材料によるＫ２は一定とする。）
【００４９】
以下、金属疲労識別装置１００を用いた測定例について説明する。
図１２は、高圧送電線用ダンパーの疲労試験結果を示す図である。図１２（ａ）はＭＦＤ値と疲労荷重回数との関係を示している。また、図１２（ｂ）は位相と疲労荷重回数との関係を示している。図１２に示すように、３００万回までは疲労によりＭＦＤ値は低下するが、４００万回を超えるとＭＦＤ値は少し上昇し、位相も少し戻ってくる。即ち、位相が進み疲労亀裂が発生してきていることが判る。
【００５０】
図１３〜１６は、回転曲げ疲労試験結果を示す図である。図１３は、回転疲労試験の繰り返し荷重（２２kgf/mm2）によるＭＦＤ値の変化を示す図である。図１４は、回転疲労試験の繰り返し荷重（２２kgf/mm2）による位相の変化を示す図である。図１５は、回転疲労試験の繰り返し荷重（２４kgf/mm2）によるＭＦＤ値の変化を示す図である。図１６は、回転疲労試験の繰り返し荷重（２４kgf/mm2）による位相の変化を示す図である。
【００５１】
図１３に示すように、回転疲労試験の繰り返し荷重の回数が多くなるとＭＦＤ値が低下することが良く判る。また、図１４に示すように、繰り返し荷重の回数が多くなる（即ち、疲労が進行する）と、位相は段々遅れてくる状況が良く判る。また、図１５に示すように、疲労亀裂が入ると、ＭＦＤ値が急激に上昇することが判る。さらに、図１６に示すように、疲労亀裂が入ると、位相差が急激に減少することが判る。
【００５２】
図１７は、鍛造金型の鍛造回数と疲労亀裂発生によるＭＦＤ値の変化を示す図である。この例においては、自動車用鍛造金型パンチの鍛造回数による疲労を測定した。図１７に示すように、亀裂無しの場合、鍛造金型の鍛造回数と共にＭＦＤ値が低下する。一方、亀裂が発生した場合、疲労による低下したＭＦＤ値が上昇する傾向があった。この例の結果により、疲労による低下したＭＦＤ値が上昇する場合は、金属材料に亀裂が発生したことが分かった。
【００５３】
次に、金属疲労識別装置１００を用いた金属疲労を判別する方法について説明する。
【００５４】
まず、基準試料を測定する。次に、同様の方法で検査試料を測定する。この場合、信号発生部１０からの交流信号を励磁コイルに入力し、誘導コイルで検査試料による磁場の変化を検出して出力し、誘導コイルからの検出信号の位相と、励磁コイルに入力された交流信号の位相とを比較して、励磁コイルに入力された交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値を算出する。そして、検出電圧と余弦値に基づいてＭＦＤ値を算出し、表示部に表示する。このＭＦＤ値で金属疲労損傷度を判断する。例えば、新材のＭＦＤ値、金属疲労後のＭＦＤ値、及び疲労破断後のＭＦＤ値から疲労損傷度を求め、金属疲労損傷度を判断する。なお、疲労に伴い降下したＭＦＤ値が大きく上昇する場合には、疲労亀裂が発生したと判断される。
【００５５】
このように本実施の形態においては、金属疲労識別装置１００は、信号発生部１０と、信号増幅部２０と、検出部３０と、検出回路部４０と、検出信号処理部５０と、表示部６０と、出力端子部７０とから構成され、検査する際に、信号発生部１０からの交流信号を励磁コイルに入力し、誘導コイルで検査試料による磁場の変化を検出して出力し、誘導コイルからの検出信号の位相と、励磁コイルに入力された交流信号の位相とを比較して、励磁コイルに入力された交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値を算出する。そして、検出電圧と余弦値に基づいてＭＦＤ値を算出し、表示部に表示する。このＭＦＤ値で金属疲労損傷度を判断する。
【００５６】
これにより、亀裂が発生する前のさらに早期の段階で疲労を発見し、疲労の有無だけでなくその度合いも識別できる。また、磁性材料及び非磁性材料を問わずあらゆる金属材料からなる検査試料の疲労損傷度を検出することができる。そのため、金属の疲労損傷度を判別することができる。また、電磁気センサを用いることで、金属疲労識別装置を小型化にすることができる。
【００５７】
なお、上述実施の形態において、励磁コイルに入力された交流信号を基準信号とした場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、検出側（誘導コイル側）の信号を基準信号としてもよい。
【００５８】
以下、図８のバスタブカーブと図５の疲労損傷度の直線グラフの相違について説明する。
【００５９】
（１）基本的にバスタブカーブは生産設備やレール,送電線等の実際に使用されている部材における疲労損傷度の経歴である。一方で疲労損傷度のグラフはあくまでも室内に於けるベンチテストであり純粋で出来るだけ他の誤差の要因になる要素を極力避けた測定結果である。この違いが現場に於ける疲労曲線と、実験での疲労損傷度グラフの違いとして出ている。
【００６０】
（２）更に詳しく説明すると、バスタブカーブには初期の部材製造時の溶接や熱処理等による残留応力の影響や、疲労破断直前の塑性流動による微細な局部的伸びや結晶粒界のスリップ現象等が多く見られ、更に微細なキレツが見られるようになり、そのキレツが繋がって疲労破断にまでの経過を表している。
【００６１】
（３）これ等の現象から残留応力が除去されるとＭＦＤ値が上昇することは圧延材料を焼鈍するだけでＭＦＤ値が上がることで証明されている(図１８参照)。又塑性流動で引張応力が発生して磁歪の計算式から透磁率が上昇してＭＦＤ値が上昇する事からでも判る。これは上述した図１０のレール（ＪＲ60キロレール）の表面研磨による実験で証明されている。更に疲労キレツが入ると漏洩磁束が増大して見掛け上透磁率が上昇するようになり、位相が進みＭＦＤ値が上昇する結果となる。この事は、ＭＦＤ値＝ＡＣＯＳθの式から説明できる。
【００６２】
（４）一方疲労損傷度グラフはJIS0564付属書C（規定）コンパクト試験片に基づく試験結果であるから、上記の塑性流動の段階で試験が終る為、疲労試験開始から単純に疲労破断までに透磁率が低下するので、ＭＦＤ値も疲労損傷度の進行に伴い直線的に低下するだけで終わることになる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、被検査物の電磁特性を利用して、電磁誘導作用によって発生した渦電流の微小な変化を検知することによって、金属材料の疲労損傷度を識別する目的に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】実施の形態としての金属疲労識別装置１００の構成を示すブロック図である。
【図２】金属疲労識別装置１００の構成を示す電気回路概略図である。
【図３】透磁率とＭＦＤ値の相関関係を示す図である。
【図４】金属疲労に伴う検出電圧・位相の変化を示す図である。
【図５】疲労損傷度とＭＦＤ値との関係を示す図である。
【図６】疲労損傷度（Φ％）と疲労荷重回数の関係を示す図である。
【図７】金属疲労に伴う検出側の位相の変化を示す図である。
【図８】金属疲労から疲労亀裂発生までのＭＦＤ値の変化を示すモデル図である。
【図９】金属疲労亀裂がありと無しの場合における位相の変化を示す図である。
【図１０】鉄道用レールの頭頂部の塑性流動部の研磨前と研磨後におけるＭＦＤ値の変化を示す図である。
【図１１】引張および圧縮応力とＭＦＤ値の関係を示す図である。
【図１２】高圧送電線用ダンパーの疲労試験結果を示す図である。
【図１３】回転疲労試験の繰り返し荷重（２２kgf/mm2）によるＭＦＤ値の変化を示す図である。
【図１４】回転疲労試験の繰り返し荷重（２２kgf/mm2）による位相の変化を示す図である。
【図１５】回転疲労試験の繰り返し荷重（２４kgf/mm2）によるＭＦＤ値の変化を示す図である。
【図１６】回転疲労試験の繰り返し荷重（２４kgf/mm2）による位相の変化を示す図である。
【図１７】鍛造金型の鍛造回数と疲労亀裂発生によるＭＦＤ値の変化を示す図である。
【図１８】ロール材の焼鈍によるＭＦＤ値の上昇を示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０ 信号発生部
２０ 信号増幅部
３０ 検出部
３１ 励磁コイル
３２ 誘導コイル（検出コイル）
３３ 磁芯
３４ 検査可能範囲
４０ 検出回路部
４１ 増幅器
４２ 信号増幅器
４３ 乗算器
４４ 増幅器
４５ 調整器
５０ 基準信号供給部
５１ 増幅器
５２ 位相調整器
６０ 検出信号処理部
７０ 表示部
１００ 金属疲労識別装置
Ｓ１，Ｓ２ 検出信号
Ｓ０ 基準信号
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属の被検査物を励磁コイルによる磁界中に置き、それによる電磁誘導の変化によって金属の被検査物の疲労損傷度の測定を行う金属疲労識別装置および金属疲労識別方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、金属疲労の検出においては、金属の疲労が進行し破断する前段階の亀裂の発生を危険域として捉え、この亀裂の有無を発見することによって、金属の破断を未然に防止する方法が一般的に行われている。具体的には、Ｘ線や超音波による透過、反射などの技術を利用して、金属内部における亀裂を検出したり、あるいは磁力を利用して、金属表面の亀裂を検出したりする方法が用いられている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
中でも特に、非破壊検査において簡単に金属の亀裂を検出する方法として、磁気を用いた渦流式のセンサが広く利用されている。これは、励磁コイルに交流電流を印加して磁場を形成し、検査試料に生じせしめた渦流が、亀裂によって変化することを誘導コイルで検出するものである。
【０００４】
近年、強磁性構造材の強度の経年劣化の非破壊測定法が提案された（例えば、特許文献１参照）。この非破壊測定法において、所定の磁界強度で強磁性構造材の帯磁率を求め、これに基づいて強磁性構造材の実質的な引張応力を求め、この実質的な引張応力と強磁性構造材の初期状態での引張応力とを比較して、経年による強磁性構造材の実質的な引張応力を求めることで、強磁性構造材の強度の経年劣化を検査する。
【０００５】
【非特許文献１】石井 勇五郎 「新版 非破壊検査工学」 産報出版株式会社 １９９３年８月 Ｐ．４５６〜４６０
【特許文献１】特開２００１−２１５３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、このような渦流式では、亀裂の形状や大きさによって検出できる周波数が異なるため、感度良く検出するためには、検出時に励磁コイルに印加する交流電流の周波数を変化させたり、周波数を複数化したりといった方法が必要であった。そのため、操作や装置構成が複雑になり、特に、非破壊検査を目的として、機動性を有した測定が必要な場合には、装置を小型化したり操作性を向上させたりすることが望まれていた。
【０００７】
また、金属疲労の検出において、亀裂が発生した状態というのは破壊の一歩手前の状態であり、その時点で金属疲労を検出しても、余寿命の推定という観点では不十分であった。そのため、亀裂が発生する前のさらに早期の段階で疲労を発見し、疲労の有無だけでなくその度合いも識別できることが望まれていた。
【０００８】
本発明は、このような従来の課題を考慮して、検出部の誘導コイルからの検出信号の位相と、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相とを比較し、励磁コイルに入力された交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値に基づいて金属疲労損傷度を判断することで、金属に亀裂が発生する前の段階において、疲労の進行状態を定量的に検出でき、かつ亀裂の発生を判断でき、さらに検出のための操作も簡略に行える金属疲労識別装置および金属疲労識別方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る金属疲労識別装置は、金属材料からなる検査試料の疲労を識別する金属疲労測定装置において、交流信号を発生する信号発生手段と、前記交流信号が入力されて磁場を形成する励磁コイルと、励磁コイルにより電磁誘導され前記検査試料による前記磁場の変化を出力する誘導コイルとを備えた検出部と、前記検出部の誘導コイルからの検出信号の位相と、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相とを比較し、検出信号を処理する検出信号処理部とを備え、前記検出信号処理部は、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値に基づいて金属疲労損傷度を判断するものである。
【００１０】
例えば、前記金属疲労識別装置において、前記検出信号処理部は、誘導コイルの検出電圧と、前記検出信号処理部により得られた励磁コイルに入力された前記交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値との積を測定値として出力する。
【００１１】
また、前記金属疲労識別装置において、前記検出信号処理部により出力される測定値を表示する表示手段をさらに備える。
【００１２】
さらに、前記金属疲労識別装置において、金属材料として、磁性材料及び非磁性材料を適用対象とする。
【００１３】
本発明に係る金属疲労識別方法は、交流信号を発生する信号発生手段と、前記交流信号が入力されて磁場を形成する励磁コイルと励磁コイルにより電磁誘導され前記検査試料による前記磁場の変化を出力する誘導コイルとを備えた検出部と、前記検出部の誘導コイルからの検出信号の位相と、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相とを比較し、検出信号を処理する検出信号処理部とを備える金属疲労測定装置を用いて金属材料からなる検査試料の疲労を識別する金属疲労識別方法において、信号発生手段からの交流信号を励磁コイルに入力し、誘導コイルで前記検査試料による前記磁場の変化を検出して出力し、前記誘導コイルからの検出信号の位相と、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相とを比較して、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値に基づいて金属疲労損傷度を判断することを特徴とする。
【００１４】
例えば、前記金属疲労識別方法において、誘導コイルの検出電圧と、前記検出信号処理部により得られた励磁コイルに入力された前記交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値との積を測定値とし、該測定値で金属疲労損傷度を判断することを特徴とする。
【００１５】
また例えば、前記金属疲労識別方法において、前記測定値の下降傾向から上昇傾向に変化することを、金属疲労損により塑性変形が発生し、疲労亀裂が発生する前兆と判断することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、検出部の誘導コイルからの検出信号の位相と、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相とを比較し、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値に基づいて金属疲労損傷度を判断することにより、磁性材料及び非磁性材料を問わずあらゆる金属材料からなる検査試料の疲労損傷度を検出することができる。そのため、金属の疲労損傷度を判別することができる。
【００１７】
また、電磁気センサを用いることで、金属疲労識別装置を小型化にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態の金属疲労識別装置および金属疲労識別方法について説明する。
【００１９】
図１は、実施の形態としての金属疲労識別装置１００の構成を示すブロック図である。図２は、金属疲労識別装置１００の構成を示す電気回路概略図である。
【００２０】
図１、２に示すように、金属疲労識別装置１００は、信号発生部１０と、信号増幅部２０と、検出部３０と、検出回路部４０と、標準信号供給部５０と、検出信号処理部６０と、表示部７０とから構成されている。
【００２１】
信号発生部１０と信号増幅部２０とは、信号発生手段を構成し、所定周波数の交流信号、例えば交流電流を発生することができる。信号発生部２０において、周波数設定手段を有する。信号増幅部２０は、信号発生部１０からの信号のレベルを調整するレベル調整手段を有する定電流増幅器である。信号発生部１０から出力される交流信号、例えば交流電流は、信号増幅部２０で一定電流となり、検出部３０の励磁コイル３１に供給される。
【００２２】
検出部（センサ）３０は、交流信号が入力されて磁場を形成する励磁コイル３１と、励磁コイルにより電磁誘導され検査試料による磁場の変化を出力する誘導コイル３２（３２ａ，３２ｂ）と、から構成される。
【００２３】
この検出部３０は、いわゆる渦流型のセンサ構造を呈しており、図２に示すように、１次側となる励磁コイル３１が高透磁性部材である磁芯３３に巻回され、この励磁コイル３１の磁束に鎖交して電磁誘導されるよう２次側となる誘導コイル３２が設けられている。
【００２４】
また、誘導コイル３２は同一構成の一対の誘導コイル３２ａ、３２ｂが差動で出力されるように接続されている。具体的には励磁コイル３１と誘導コイル３２の構成としては、例えば磁芯３３の外周に励磁コイル３１を巻回し、その外周面に誘導コイル３２を巻回する構成や、またはその逆の構成や、一列に並設する構成等が挙げられる。磁芯３３には、透磁率の高いフェライトが好適であるが、この素材に限定されるものではない。
【００２５】
検出部３０の磁芯３３の一方端に対向する位置で、励磁コイル３１が形成する磁場中が、検査可能範囲３４となり、ここに試料１が配置される。この試料１は、検査可能範囲３４の任意の位置に設置可能であるが、磁芯３３に接触（リフトオフ＝０）させ、磁芯３３の中心線と試料１の接触面とが垂直になるよう設置することが好ましい。これにより、試料１の設置位置による検出誤差が防止されるとともに、検出感度も大幅に向上する。
【００２６】
検出回路部４０は、増幅器４１、信号増幅器４２、乗算器４３と、増幅器４４と、調整器４５とを備えており、信号増幅器４２は、増幅器４１からの信号のレベルを調整するレベル調整手段を有する定電流増幅器である。検出部３０から入力された検出信号Ｓ１が増幅されて基準信号Ｓ０との乗算処理が乗算器４３で施される。
【００２７】
基準信号供給部５０は、増幅器５１と、位相調整器５２とを備えており、励磁コイル３１に印加された信号は、増幅器５１で増幅され、位相調整器５２で所定位相に調整されて基準信号Ｓ２として乗算器４３に供給される。
【００２８】
検出信号処理部６０は、マイクロコンピュータから構成され、誘導コイルからの検出信号の増幅された検出信号Ｓ２の位相と励磁コイルに入力された交流信号、即ち基準信号Ｓ０の位相とを比較し、位相差を算出する。そして、検出信号処理部６０は、励磁コイルに入力された交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値（ＭＦＤ値：電磁気代用特性値）を算出し、算出された余弦値を表示部７０に出力し、この余弦値に基づいて金属疲労損傷度を判断する。
【００２９】
表示部７０は、検出信号処理部６０から送られた余弦値と、調整器４５から出力された検出信号とに基づいて、測定値（ＭＦＤ値）を表示するようになされる。
【００３０】
ＭＦＤ値（電磁気代用特性値）は以下のように定義される。
ＭＦＤ値＝Ｖ×ＣＯＳφ ・・・（１）
式中：Ｖは検出電圧であり、ＣＯＳφは励磁コイル側に対する検出側（誘導コイル側）の位相差の余弦である。
【００３１】
図３は、透磁率とＭＦＤ値の相関関係を示す図である。この図において、Ｓ４５Ｃ材の比最大透磁率とＭＦＤ値の相関関係を示している。図３に示すように、ＭＦＤ値と透磁率とは正相関関係である。
【００３２】
上記ＭＦＤ値と透磁率との関係から、金属疲労が進行するほどＭＦＤ値が低下する、即ち透磁率が小さくなる。そのため、金属疲労により位相が遅れることで、位相の遅れは（＋）とし、更に金属疲労が進行し疲労亀裂が発生し位相が進むときは（−）とする。
【００３３】
図４は、金属疲労に伴う検出電圧・位相の変化を示す図である。図４に示すように、金属疲労が発生した場合、検出電圧の低下ΔＶ１、位相の遅れΔθ、位相の遅れによる電圧低下ΔＶ２を検出することができる。
【００３４】
また、疲労損傷度とＭＦＤ値との関係について説明する。ＭＦＤ値による疲労損傷度評価方法は次の通りとなる。
【００３５】
図５は、疲労損傷度とＭＦＤ値との関係を示す図である。図５の横軸は疲労損傷度で、縦軸はＭＦＤ値である。図５に示すように、
疲労損傷度（Φ％）＝疲労測定対象材ＭＦＤ値Ｍａの新材ＭｏからのＭＦＤ値低下量）÷（疲労破断材ＭＦＤ値Ｍｆの新材ＭｏからのＭＦＤ値低下量）×１００
＝｛（Ｍｏ−Ｍａ）÷（Ｍｏ−Ｍｆ）｝×１００％ ・・・（２）
疲労損傷度（Φ％）を用いて金属の疲労損傷度を評価することができる。
【００３６】
図６は、疲労損傷度（Φ％）と疲労荷重回数の関係を示す図である。この図６において、Ｓ４５Ｃ疲労試験片の疲労損傷度（Φ％）と疲労荷重回数の関係を示している。図６に示すように、疲労損傷度は、疲労荷重回数に比例する。
【００３７】
図７は、金属疲労に伴う検出側の位相の変化を示す図である。図７において、Ｔ型試験片（Ｓ２０Ｃ，Ｐ１Ｓ２１８）の疲労損傷度に伴う位相変化を示している。図７に示すように、疲労中心部において位相変化が大きく、疲労中心部からの距離が遠くなるほど位相変化が小さくなる傾向があった。
【００３８】
図８は、金属疲労から疲労亀裂発生までのＭＦＤ値の変化を示すモデル図である。図８に示すように、鉄鋼材料による部品の場合、使用開始直後に製造時の残留応力が先ず緩和されて、少しＭＦＤ値が上昇する（区間Ａ）が、継続使用することによる金属疲労で徐々にＭＦＤ値は低下する（区間Ｂ）。ＭＦＤ値が低下しきった後しばらく安定期があり（区間Ｃ）、最後に表面の塑性流動や疲労亀裂でＭＦＤ値は再び上昇し始める（区間Ｄ）。区間Ｄには、ＭＦＤ値の上昇する変曲点となる区間Ｄ１と疲労亀裂によるＭＦＤ値が急上昇する区間Ｄ２がある。区間Ｄ２の最後に疲労亀裂の進展により破断する。
【００３９】
また、区間Ｄ１のＭＦＤ値の再上昇の原因は、試料の塑性変形により透磁率が上昇し位相が進むことによるものである。このＭＦＤ値の上昇する変曲点を見つけ、これを金属疲労進行の警鐘と見る。例えば、この段階で部品交換等を行う等の対策を実施することがよい。このようなＭＦＤ値の変化は多くの生産設備や施設における部品の金属疲労の過程で見られる。金属疲労識別装置１００を用いて、これ等の変化を的確に捕捉しタイミングの良い予知管理が可能である。
【００４０】
塑性変形及び疲労亀裂による測定値の変化について、以下の図９および図１０に示す結果より明らかである。
【００４１】
図９は、金属疲労亀裂がありと無しの場合における位相の変化を示す図である。図９の測定結果において、測定条件として、材質はＳ２５Ｃである。試験片：疲労亀裂あり、疲労亀裂なしの２つである。疲労試験条件は２１．６ｋｇ／ｍｍ２、２０Ｈｚ片振（塑性変形６．３％）である。荷重回数はＮ＝３４，７５８回である。測定周波数は２ｋＨｚ、位相設定７０°である。
【００４２】
図９に示すように、疲労亀裂ありの試験片の場合は、中心位置において位相が大きく変化することが分かった。これにより、被検査物の疲労亀裂の発生を判別することが可能である。
【００４３】
図１０は、鉄道用レールの頭頂部の塑性流動（塑性変形）部の研磨前と研磨後におけるＭＦＤ値の変化を示す図である。この場合、使用済みレール（ＪＲ60キロレール）の頭頂面を研磨前と１００μｍ研磨する場合において、レール端部から３０ｍｍのＴ２線上の各測定点（中心より外側５箇所、内側５箇所）の測定を行った。
【００４４】
図１０に示すように、研磨することにより、レール中心より外側のみ測定値（ＭＦＤ値）が低下する。この変化がレールの外側のみ見られたのは、中心より外側のみ塑性流動層が約１００μｍあり、この塑性流動層による引張残留応力（磁気特性増大）が研磨で削除されたため、磁気特性値が低下したものと推定される。一方、レールの内側は塑性流動層が殆どないため、変化が見られなかったものと推定される。
【００４５】
図１１は、引張および圧縮応力とＭＦＤ値の関係を示す図である。図１１において、２回の測定値を示している。図１１に示すように、引張および圧縮応力とＭＦＤ値の関係はほぼ直線関係である。
【００４６】
応力測定の原理について、従来から発表されているように、電磁気応用の応力測定は磁歪理論により、磁性体を磁場に置くと伸びる現象があり、また逆に伸ばすと磁性体の透磁率が変化する。この現象を式で表すと、
Ｋ２＝Ｗmech／Ｗmag＝Δλ２・Ｅ／（ΔＢ・ΔＨ） ・・・（３）
式中：Ｋ２ は磁気機械結合係数の２乗であり、Ｗmechは機械的エネルギーであり、Ｗmagは磁気エネルギーであり、Δλ２は伸び率の２乗であり、Ｅは弾性率であり、ΔＢは磁束密度の変化率であり、ΔＨは磁界の変化である。
【００４７】
また、透磁率の変化Δμ＝ΔＢ／ΔＨの関係を式（３）に代入すると、
Ｋ２＝（Δλ／ΔＨ）２・Ｅ／Δμ
になる。即ち、
Δμ＝Ｅ・（Δλ／Ｋ・ΔＨ）２ ・・・（４）
【００４８】
式（４）式から材料が伸びると透磁率も大きくなることからＭＦＤ値の関係値は透磁率に比例するために大きくなる。また、圧縮も同様にＭＦＤ値は小さくなる。（但し、材料によるＫ２は一定とする。）
【００４９】
以下、金属疲労識別装置１００を用いた測定例について説明する。
図１２は、高圧送電線用ダンパーの疲労試験結果を示す図である。図１２（ａ）はＭＦＤ値と疲労荷重回数との関係を示している。また、図１２（ｂ）は位相と疲労荷重回数との関係を示している。図１２に示すように、３００万回までは疲労によりＭＦＤ値は低下するが、４００万回を超えるとＭＦＤ値は少し上昇し、位相も少し戻ってくる。即ち、位相が進み疲労亀裂が発生してきていることが判る。
【００５０】
図１３〜１６は、回転曲げ疲労試験結果を示す図である。図１３は、回転疲労試験の繰り返し荷重（２２kgf/mm2）によるＭＦＤ値の変化を示す図である。図１４は、回転疲労試験の繰り返し荷重（２２kgf/mm2）による位相の変化を示す図である。図１５は、回転疲労試験の繰り返し荷重（２４kgf/mm2）によるＭＦＤ値の変化を示す図である。図１６は、回転疲労試験の繰り返し荷重（２４kgf/mm2）による位相の変化を示す図である。
【００５１】
図１３に示すように、回転疲労試験の繰り返し荷重の回数が多くなるとＭＦＤ値が低下することが良く判る。また、図１４に示すように、繰り返し荷重の回数が多くなる（即ち、疲労が進行する）と、位相は段々遅れてくる状況が良く判る。また、図１５に示すように、疲労亀裂が入ると、ＭＦＤ値が急激に上昇することが判る。さらに、図１６に示すように、疲労亀裂が入ると、位相差が急激に減少することが判る。
【００５２】
図１７は、鍛造金型の鍛造回数と疲労亀裂発生によるＭＦＤ値の変化を示す図である。この例においては、自動車用鍛造金型パンチの鍛造回数による疲労を測定した。図１７に示すように、亀裂無しの場合、鍛造金型の鍛造回数と共にＭＦＤ値が低下する。一方、亀裂が発生した場合、疲労による低下したＭＦＤ値が上昇する傾向があった。この例の結果により、疲労による低下したＭＦＤ値が上昇する場合は、金属材料に亀裂が発生したことが分かった。
【００５３】
次に、金属疲労識別装置１００を用いた金属疲労を判別する方法について説明する。
【００５４】
まず、基準試料を測定する。次に、同様の方法で検査試料を測定する。この場合、信号発生部１０からの交流信号を励磁コイルに入力し、誘導コイルで検査試料による磁場の変化を検出して出力し、誘導コイルからの検出信号の位相と、励磁コイルに入力された交流信号の位相とを比較して、励磁コイルに入力された交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値を算出する。そして、検出電圧と余弦値に基づいてＭＦＤ値を算出し、表示部に表示する。このＭＦＤ値で金属疲労損傷度を判断する。例えば、新材のＭＦＤ値、金属疲労後のＭＦＤ値、及び疲労破断後のＭＦＤ値から疲労損傷度を求め、金属疲労損傷度を判断する。なお、疲労に伴い降下したＭＦＤ値が大きく上昇する場合には、疲労亀裂が発生したと判断される。
【００５５】
このように本実施の形態においては、金属疲労識別装置１００は、信号発生部１０と、信号増幅部２０と、検出部３０と、検出回路部４０と、検出信号処理部５０と、表示部６０と、出力端子部７０とから構成され、検査する際に、信号発生部１０からの交流信号を励磁コイルに入力し、誘導コイルで検査試料による磁場の変化を検出して出力し、誘導コイルからの検出信号の位相と、励磁コイルに入力された交流信号の位相とを比較して、励磁コイルに入力された交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値を算出する。そして、検出電圧と余弦値に基づいてＭＦＤ値を算出し、表示部に表示する。このＭＦＤ値で金属疲労損傷度を判断する。
【００５６】
これにより、亀裂が発生する前のさらに早期の段階で疲労を発見し、疲労の有無だけでなくその度合いも識別できる。また、磁性材料及び非磁性材料を問わずあらゆる金属材料からなる検査試料の疲労損傷度を検出することができる。そのため、金属の疲労損傷度を判別することができる。また、電磁気センサを用いることで、金属疲労識別装置を小型化にすることができる。
【００５７】
なお、上述実施の形態において、励磁コイルに入力された交流信号を基準信号とした場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、検出側（誘導コイル側）の信号を基準信号としてもよい。
【００５８】
以下、図８のバスタブカーブと図５の疲労損傷度の直線グラフの相違について説明する。
【００５９】
（１）基本的にバスタブカーブは生産設備やレール,送電線等の実際に使用されている部材における疲労損傷度の経歴である。一方で疲労損傷度のグラフはあくまでも室内に於けるベンチテストであり純粋で出来るだけ他の誤差の要因になる要素を極力避けた測定結果である。この違いが現場に於ける疲労曲線と、実験での疲労損傷度グラフの違いとして出ている。
【００６０】
（２）更に詳しく説明すると、バスタブカーブには初期の部材製造時の溶接や熱処理等による残留応力の影響や、疲労破断直前の塑性流動による微細な局部的伸びや結晶粒界のスリップ現象等が多く見られ、更に微細なキレツが見られるようになり、そのキレツが繋がって疲労破断にまでの経過を表している。
【００６１】
（３）これ等の現象から残留応力が除去されるとＭＦＤ値が上昇することは圧延材料を焼鈍するだけでＭＦＤ値が上がることで証明されている(図１８参照)。又塑性流動で引張応力が発生して磁歪の計算式から透磁率が上昇してＭＦＤ値が上昇する事からでも判る。これは上述した図１０のレール（ＪＲ60キロレール）の表面研磨による実験で証明されている。更に疲労キレツが入ると漏洩磁束が増大して見掛け上透磁率が上昇するようになり、位相が進みＭＦＤ値が上昇する結果となる。この事は、ＭＦＤ値＝ＡＣＯＳθの式から説明できる。
【００６２】
（４）一方疲労損傷度グラフはJIS0564付属書C（規定）コンパクト試験片に基づく試験結果であるから、上記の塑性流動の段階で試験が終る為、疲労試験開始から単純に疲労破断までに透磁率が低下するので、ＭＦＤ値も疲労損傷度の進行に伴い直線的に低下するだけで終わることになる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、被検査物の電磁特性を利用して、電磁誘導作用によって発生した渦電流の微小な変化を検知することによって、金属材料の疲労損傷度を識別する目的に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】実施の形態としての金属疲労識別装置１００の構成を示すブロック図である。
【図２】金属疲労識別装置１００の構成を示す電気回路概略図である。
【図３】透磁率とＭＦＤ値の相関関係を示す図である。
【図４】金属疲労に伴う検出電圧・位相の変化を示す図である。
【図５】疲労損傷度とＭＦＤ値との関係を示す図である。
【図６】疲労損傷度（Φ％）と疲労荷重回数の関係を示す図である。
【図７】金属疲労に伴う検出側の位相の変化を示す図である。
【図８】金属疲労から疲労亀裂発生までのＭＦＤ値の変化を示すモデル図である。
【図９】金属疲労亀裂がありと無しの場合における位相の変化を示す図である。
【図１０】鉄道用レールの頭頂部の塑性流動部の研磨前と研磨後におけるＭＦＤ値の変化を示す図である。
【図１１】引張および圧縮応力とＭＦＤ値の関係を示す図である。
【図１２】高圧送電線用ダンパーの疲労試験結果を示す図である。
【図１３】回転疲労試験の繰り返し荷重（２２kgf/mm2）によるＭＦＤ値の変化を示す図である。
【図１４】回転疲労試験の繰り返し荷重（２２kgf/mm2）による位相の変化を示す図である。
【図１５】回転疲労試験の繰り返し荷重（２４kgf/mm2）によるＭＦＤ値の変化を示す図である。
【図１６】回転疲労試験の繰り返し荷重（２４kgf/mm2）による位相の変化を示す図である。
【図１７】鍛造金型の鍛造回数と疲労亀裂発生によるＭＦＤ値の変化を示す図である。
【図１８】ロール材の焼鈍によるＭＦＤ値の上昇を示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０ 信号発生部
２０ 信号増幅部
３０ 検出部
３１ 励磁コイル
３２ 誘導コイル（検出コイル）
３３ 磁芯
３４ 検査可能範囲
４０ 検出回路部
４１ 増幅器
４２ 信号増幅器
４３ 乗算器
４４ 増幅器
４５ 調整器
５０ 基準信号供給部
５１ 増幅器
５２ 位相調整器
６０ 検出信号処理部
７０ 表示部
１００ 金属疲労識別装置
Ｓ１，Ｓ２ 検出信号
Ｓ０ 基準信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料からなる検査試料の疲労を識別する金属疲労測定装置において、
交流信号を発生する信号発生手段と、
前記交流信号が入力されて磁場を形成する励磁コイルと、励磁コイルにより電磁誘導され前記検査試料による前記磁場の変化を出力する誘導コイルとを備えた検出部と、
前記検出部の誘導コイルからの検出信号の位相と、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相とを比較し、検出信号を処理する検出信号処理部とを備え、
前記検出信号処理部は、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値に基づいて金属疲労損傷度を判断する金属疲労識別装置。
【請求項２】
請求項１記載の金属疲労識別装置において、前記検出信号処理部は、誘導コイルの検出電圧と、前記検出信号処理部により得られた励磁コイルに入力された前記交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値との積を測定値として出力することを特徴とする金属疲労識別装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の金属疲労識別装置において、前記検出信号処理部により出力される測定値を表示する表示手段をさらに備えることを特徴とする金属疲労識別装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３記載の金属疲労識別装置において、金属材料として、磁性材料及び非磁性材料を適用対象とすることを特徴とする金属疲労識別装置。
【請求項５】
交流信号を発生する信号発生手段と、前記交流信号が入力されて磁場を形成する励磁コイルと励磁コイルにより電磁誘導され前記検査試料による前記磁場の変化を出力する誘導コイルとを備えた検出部と、前記検出部の誘導コイルからの検出信号の位相と、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相とを比較し、検出信号を処理する検出信号処理部とを備える金属疲労測定装置を用いて金属材料からなる検査試料の疲労を識別する金属疲労識別方法において、
信号発生手段からの交流信号を励磁コイルに入力し、誘導コイルで前記検査試料による前記磁場の変化を検出して出力し、
前記誘導コイルからの検出信号の位相と、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相とを比較して、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値に基づいて金属疲労損傷度を判断することを特徴とする金属疲労識別方法。
【請求項６】
請求項５記載の金属疲労識別方法において、誘導コイルの検出電圧と、前記検出信号処理部により得られた励磁コイルに入力された前記交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値との積を測定値とし、該測定値で金属疲労損傷度を判断することを特徴とする金属疲労識別方法。
【請求項７】
請求項５または６記載の金属疲労識別方法において、前記測定値の下降傾向から上昇傾向に変化することを、金属疲労損により塑性変形が発生し、疲労亀裂が発生する前兆と判断することを特徴とする金属疲労識別方法。
【請求項１】
金属材料からなる検査試料の疲労を識別する金属疲労測定装置において、
交流信号を発生する信号発生手段と、
前記交流信号が入力されて磁場を形成する励磁コイルと、励磁コイルにより電磁誘導され前記検査試料による前記磁場の変化を出力する誘導コイルとを備えた検出部と、
前記検出部の誘導コイルからの検出信号の位相と、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相とを比較し、検出信号を処理する検出信号処理部とを備え、
前記検出信号処理部は、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値に基づいて金属疲労損傷度を判断する金属疲労識別装置。
【請求項２】
請求項１記載の金属疲労識別装置において、前記検出信号処理部は、誘導コイルの検出電圧と、前記検出信号処理部により得られた励磁コイルに入力された前記交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値との積を測定値として出力することを特徴とする金属疲労識別装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の金属疲労識別装置において、前記検出信号処理部により出力される測定値を表示する表示手段をさらに備えることを特徴とする金属疲労識別装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３記載の金属疲労識別装置において、金属材料として、磁性材料及び非磁性材料を適用対象とすることを特徴とする金属疲労識別装置。
【請求項５】
交流信号を発生する信号発生手段と、前記交流信号が入力されて磁場を形成する励磁コイルと励磁コイルにより電磁誘導され前記検査試料による前記磁場の変化を出力する誘導コイルとを備えた検出部と、前記検出部の誘導コイルからの検出信号の位相と、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相とを比較し、検出信号を処理する検出信号処理部とを備える金属疲労測定装置を用いて金属材料からなる検査試料の疲労を識別する金属疲労識別方法において、
信号発生手段からの交流信号を励磁コイルに入力し、誘導コイルで前記検査試料による前記磁場の変化を検出して出力し、
前記誘導コイルからの検出信号の位相と、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相とを比較して、励磁コイルに入力された前記交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値に基づいて金属疲労損傷度を判断することを特徴とする金属疲労識別方法。
【請求項６】
請求項５記載の金属疲労識別方法において、誘導コイルの検出電圧と、前記検出信号処理部により得られた励磁コイルに入力された前記交流信号の位相に対する誘導コイルの検出電圧の位相遅れの余弦値との積を測定値とし、該測定値で金属疲労損傷度を判断することを特徴とする金属疲労識別方法。
【請求項７】
請求項５または６記載の金属疲労識別方法において、前記測定値の下降傾向から上昇傾向に変化することを、金属疲労損により塑性変形が発生し、疲労亀裂が発生する前兆と判断することを特徴とする金属疲労識別方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００９−５２９９７（Ｐ２００９−５２９９７Ａ）
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２１９２１６（Ｐ２００７−２１９２１６）
【出願日】平成１９年８月２７日（２００７．８．２７）
【出願人】（５９３０３７４２７）株式会社マエダ (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２７日（２００７．８．２７）
【出願人】（５９３０３７４２７）株式会社マエダ (1)
【Ｆターム（参考）】
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