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JP7600041B2 - Metal fatigue evaluation method - Google Patents
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Description

本発明は、回折環を用いて金属疲労の程度を評価する金属疲労評価方法に関する。 The present invention relates to a metal fatigue evaluation method that uses a diffraction ring to evaluate the degree of metal fatigue.

金属疲労による装置の損傷は、プロセスの不意な停止や事故等に繋がる虞があるため、金属疲労の程度を評価することは、重要であり、要望されている。この金属疲労の程度を評価する技術は、例えば、特許文献1に開示されている。 Evaluating the degree of metal fatigue is important and desirable because damage to equipment due to metal fatigue can lead to abrupt process shutdowns and accidents. A technology for evaluating the degree of metal fatigue is disclosed, for example, in Patent Document 1.

この特許文献1では、マルテンサイトへの組織変化による腐食部を観察によって特定した疲労部についてX線回折が行われ、マルテンサイトの半価幅の変化量および残留オーステナイトの変化量が測定され、その測定結果から疲労度が求められている。 In this patent document, X-ray diffraction is performed on fatigued areas identified by observing the corroded areas due to the structural change to martensite, and the amount of change in the half-width of martensite and the amount of change in retained austenite are measured, and the degree of fatigue is calculated from the measurement results.

一般に、結晶の周期性が高い場合、その周期間隔および周期方向で規定される方向に強い回折波(ブラッグ反射波)が発生する。一方、金属疲労は、金属結晶中に転位を生成するので、金属結晶の格子の周期性を乱す。このため、ブラッグ反射波の反射方向に広がりが生じる結果、回折波の半価幅(ピーク位置からの広がり)が変化する。よって、結晶格子でのブラッグ反射による回折波の半価幅を評価することで、前記特許文献1のように、金属疲労の程度が評価できると推察される。 Generally, when the periodicity of a crystal is high, strong diffracted waves (Bragg reflected waves) are generated in a direction defined by the periodic interval and periodic direction. On the other hand, metal fatigue generates dislocations in the metal crystal, disrupting the periodicity of the metal crystal lattice. This causes the Bragg reflected waves to spread in the reflection direction, resulting in a change in the half-width of the diffracted waves (spread from the peak position). Therefore, it is presumed that the degree of metal fatigue can be evaluated by evaluating the half-width of the diffracted waves due to Bragg reflection in the crystal lattice, as in Patent Document 1.

特開2009-41993号公報JP 2009-41993 A

ところで、金属疲労は、一般に、数年ごとに評価され、経年変化で評価される場合がある。一方、金属疲労の評価は、評価環境の整った実験室で実施されるだけでなく、現場での実施も望まれている。このような場合では、各評価環境が異なる場合が生じる虞があり、評価結果の信頼性に疑義が生じる場合がある。 Metal fatigue is generally evaluated every few years and may be evaluated based on changes over time. However, metal fatigue evaluation is not only performed in laboratories with a well-equipped evaluation environment, but is also preferably performed on-site. In such cases, there is a risk that the evaluation environments may differ, which may call into question the reliability of the evaluation results.

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、より信頼性の高い評価結果を得ることができる金属疲労評価方法を提供することである。 The present invention was made in consideration of the above circumstances, and its purpose is to provide a metal fatigue evaluation method that can obtain more reliable evaluation results.

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる金属疲労評価方法は、金属の評価対象における金属疲労の程度を表す評価指標を求める方法であって、前記評価対象に回折する性質を持つビームを照射することによって形成された回折環を表す回折環データを取得するデータ取得工程と、前記データ取得工程で取得した回折環データに基づいて前記評価指標を求める指標処理工程とを備え、前記データ取得工程は、前記ビームの入射角を0度以上65度以下で照射し、かつ、前記ビームの照射面積内に存在する結晶粒が3000個以下となるように、または、前記ビームのスポット径が3mm以下となるように照射する。 After extensive investigation, the inventors have found that the above object can be achieved by the present invention described below. That is, a metal fatigue evaluation method according to one aspect of the present invention is a method for determining an evaluation index that represents the degree of metal fatigue in a metal evaluation object, and includes a data acquisition step of acquiring diffraction ring data that represents a diffraction ring formed by irradiating the evaluation object with a beam that has a diffracting property, and an index processing step of determining the evaluation index based on the diffraction ring data acquired in the data acquisition step, in which the beam is irradiated at an incident angle of 0 degrees or more and 65 degrees or less, and the beam is irradiated so that there are 3,000 or less crystal grains within the irradiation area of the beam, or the spot diameter of the beam is 3 mm or less.

このような金属疲労評価方法は、回折環データを取得する際に、前記ビームの入射角を0度以上65度以下で照射し、かつ、前記ビームの照射面積内に存在する結晶粒が3000個以下となるように、または、前記ビームのスポット径が3mm以下となるように照射するので、より適切な評価環境(評価条件)で回折環データを得ることができ、より信頼性の高い評価結果を得ることができる。 In this metal fatigue evaluation method, when obtaining diffraction ring data, the beam is irradiated at an incident angle of 0 degrees or more and 65 degrees or less, and the number of crystal grains present within the irradiation area of the beam is 3,000 or less, or the spot diameter of the beam is 3 mm or less. This makes it possible to obtain diffraction ring data in a more appropriate evaluation environment (evaluation conditions), resulting in more reliable evaluation results.

なお、後述のように、金属疲労が進行すると、転位増殖に伴う結晶粒の微細化(セル組織化)によって結晶粒の数が増えるが、請求項における結晶粒の個数は、金属疲労の進行によって増加する前の個数である。 As described below, as metal fatigue progresses, the number of crystal grains increases due to the refinement of the crystal grains (cell organization) accompanying dislocation proliferation, but the number of crystal grains in the claims is the number before the increase due to the progression of metal fatigue.

他の一態様では、上述の金属疲労評価方法において、前記評価指標は、前記回折環におけるピーク強度の均一の程度を表す均一性指標である。 In another aspect, in the above-mentioned metal fatigue evaluation method, the evaluation index is a uniformity index that represents the degree of uniformity of the peak intensity in the diffraction ring.

金属の評価対象が初期状態である場合、X線照射領域における結晶粒の数が不足するため、回折環は、スポッティな形状であるが、金属疲労が進行すると、転位増殖に伴う結晶粒の微細化(セル組織化)によって結晶粒の数が増え、回折環は、均一化する。上記金属疲労評価方法は、回折環データに基づいて前記回折環におけるピーク強度の均一の程度を表す均一性指標を、金属疲労の程度を表す評価指標として求めるので、より適切に金属疲労の程度を評価できる。 When the metal being evaluated is in its initial state, the number of crystal grains in the X-ray irradiated area is insufficient, resulting in a spotty diffraction ring; however, as metal fatigue progresses, the number of crystal grains increases due to the refinement of crystal grains (cell organization) accompanying dislocation proliferation, and the diffraction ring becomes uniform. The above metal fatigue evaluation method determines a uniformity index that indicates the degree of uniformity of the peak intensity in the diffraction ring based on the diffraction ring data as an evaluation index that indicates the degree of metal fatigue, allowing for a more appropriate evaluation of the degree of metal fatigue.

他の一態様では、上述の金属疲労評価方法において、前記均一性指標は、方位角に対する回折環のピーク強度分布における標準偏差、または、方位角に対する半価幅分布における標準偏差である。 In another aspect, in the metal fatigue evaluation method described above, the uniformity index is the standard deviation in the peak intensity distribution of the diffraction ring with respect to the azimuth angle, or the standard deviation in the half-width distribution with respect to the azimuth angle.

これによれば、方位角に対する回折環のピーク強度分布における標準偏差、または、方位角に対する半価幅分布における標準偏差を前記均一性指標、すなわち、前記評価指標として求める金属疲労評価装置が提供できる。 This makes it possible to provide a metal fatigue evaluation device that determines the standard deviation in the peak intensity distribution of the diffraction ring with respect to the azimuth angle, or the standard deviation in the half-width distribution with respect to the azimuth angle, as the uniformity index, i.e., the evaluation index.

他の一態様では、上述の金属疲労評価方法において、前記評価指標は、方位角に対する回折環のピーク強度分布における標準偏差を前記回折環におけるピーク強度分布の平均値で除算した除算結果、または、方位角に対する半価幅分布における標準偏差を前記回折環における半価幅分布の平均値で除算した除算結果である。 In another aspect, in the metal fatigue evaluation method described above, the evaluation index is the result of dividing the standard deviation in the peak intensity distribution of the diffraction ring with respect to the azimuth angle by the average value of the peak intensity distribution in the diffraction ring, or the result of dividing the standard deviation in the half-width distribution with respect to the azimuth angle by the average value of the half-width distribution in the diffraction ring.

このような金属疲労評価方法は、前記標準偏差を前記平均値で除算するので、ビームの照射時間のばらつきによる評価指標への影響を軽減できる。 This metal fatigue evaluation method divides the standard deviation by the average value, thereby reducing the impact of variations in the beam irradiation time on the evaluation index.

本発明にかかる金属疲労評価方法は、より信頼性の高い評価結果を得ることができる。 The metal fatigue evaluation method of the present invention can obtain more reliable evaluation results.

実施形態における金属疲労評価装置の構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration of a metal fatigue evaluation device in an embodiment. 前記金属疲労評価装置におけるデータ取得部の一例の構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of an example of a data acquisition unit in the metal fatigue evaluation device. 金属疲労の進行に伴う回折環の変化の様子を説明するための図である。10 is a diagram for explaining the state of change in the diffraction ring accompanying the progression of metal fatigue. FIG. 一例として、回折環、前記回折環の方位角に対するピーク強度分布、その平均値およびその標準偏差を示す図である。FIG. 1 shows an example of a diffraction ring, the distribution of peak intensities versus azimuth angle of said diffraction ring, their average value and their standard deviation. 評価指標に与えるビームの入射角の影響を説明するための図である。11A and 11B are diagrams for explaining the influence of the incident angle of a beam on an evaluation index. 評価指標に与えるビームのスポット径の影響を説明するための図である。11A and 11B are diagrams for explaining the influence of a beam spot diameter on an evaluation index. 評価指標に与えるビームの照射時間の影響を説明するための図である。11 is a diagram for explaining the influence of the beam irradiation time on the evaluation index. FIG. 前記金属疲労評価装置の動作を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing an operation of the metal fatigue evaluation device.

以下、図面を参照して、本発明の1または複数の実施形態が説明される。しかしながら、発明の範囲は、開示された実施形態に限定されない。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。 One or more embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the scope of the invention is not limited to the disclosed embodiments. Note that components with the same reference numerals in each drawing are the same components, and their description will be omitted as appropriate. In this specification, when referring to a general term, a reference numeral without a subscript is used, and when referring to an individual component, a reference numeral with a subscript is used.

実施形態における金属疲労評価方法は、金属の評価対象における金属疲労の程度を表す評価指標を求める方法である。この金属疲労評価方法は、前記評価対象に回折する性質を持つビームを照射することによって形成された回折環を表す回折環データを取得するデータ取得工程と、前記データ取得工程で取得した回折環データに基づいて前記評価指標を求める指標処理工程とを備える。そして、前記データ取得工程は、前記ビームの入射角を0度以上65度以下で照射し、かつ、前記ビームの照射面積内に存在する結晶粒が3000個以下となるように、または、前記ビームのスポット径が3mm以下となるように照射する。このような金属疲労評価方法について、以下、より具体的に説明する。 The metal fatigue evaluation method in the embodiment is a method for obtaining an evaluation index that represents the degree of metal fatigue in a metal evaluation object. This metal fatigue evaluation method includes a data acquisition step of obtaining diffraction ring data that represents a diffraction ring formed by irradiating the evaluation object with a beam that has a diffracting property, and an index processing step of obtaining the evaluation index based on the diffraction ring data obtained in the data acquisition step. In the data acquisition step, the beam is irradiated at an incident angle of 0 degrees or more and 65 degrees or less, and the beam is irradiated so that there are 3000 or less crystal grains in the irradiation area of the beam, or the spot diameter of the beam is 3 mm or less. Such a metal fatigue evaluation method will be described in more detail below.

図1は、実施形態における金属疲労評価装置の構成を示すブロック図である。図2は、前記金属疲労評価装置におけるデータ取得部の一例の構成を示すブロック図である。図2Aは、全体的な構成を示し、図2Bは、撮像部15と評価対象Obとの関係を示す。図3は、金属疲労の進行に伴う回折環の変化の様子を説明するための図である。図4は、一例として、回折環、前記回折環の方位角に対するピーク強度分布、その平均値およびその標準偏差を示す図である。図4Aは、回折環を示し、図4Bは、図4Aに示す回折環における方位角αに対するピーク強度分布(回折環の周方向における各位置でのピーク強度の分布)、その平均値μおよびその標準偏差σを示す。図4Bの横軸は、0°から360°までの方位角α[deg]であり、その縦軸は、回折強度(Diffraction Intensity[counts])のピーク値である。 1 is a block diagram showing the configuration of a metal fatigue evaluation device in an embodiment. FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of an example of a data acquisition unit in the metal fatigue evaluation device. FIG. 2A shows the overall configuration, and FIG. 2B shows the relationship between the imaging unit 15 and the evaluation object Ob. FIG. 3 is a diagram for explaining the state of change in the diffraction ring with the progression of metal fatigue. FIG. 4 is a diagram showing, as an example, a diffraction ring, a peak intensity distribution with respect to the azimuth angle of the diffraction ring, its average value, and its standard deviation. FIG. 4A shows a diffraction ring, and FIG. 4B shows a peak intensity distribution (distribution of peak intensity at each position in the circumferential direction of the diffraction ring) with respect to the azimuth angle α in the diffraction ring shown in FIG. 4A, its average value μ, and its standard deviation σ. The horizontal axis of FIG. 4B is the azimuth angle α [deg] from 0° to 360°, and the vertical axis is the peak value of the diffraction intensity (Diffraction Intensity [counts]).

実施形態における金属疲労評価装置Dは、例えば、図1に示すように、データ取得部1と、制御処理部2と、記憶部3と、入力部4と、出力部5と、インターフェース部(IF部)6とを備える。 The metal fatigue evaluation device D in the embodiment includes, for example, a data acquisition unit 1, a control processing unit 2, a memory unit 3, an input unit 4, an output unit 5, and an interface unit (IF unit) 6, as shown in FIG. 1.

データ取得部1は、制御処理部2に接続され、制御処理部2の制御に従って、金属(合金を含む)の評価対象に回折する性質を持つビームを照射することによって形成された回折環を表す回折環データを取得する装置である。より具体的には、例えば、本実施形態では、データ取得部1は、前記ビームを照射する照射部と、前記評価対象に前記照射部によって前記ビームを照射することによって形成された回折環を撮像し、前記回折環を表す回折環データを生成する撮像部とを備える。 The data acquisition unit 1 is connected to the control processing unit 2, and is a device that acquires diffraction ring data representing a diffraction ring formed by irradiating a metal (including alloy) evaluation object with a beam having a diffracting property according to the control of the control processing unit 2. More specifically, for example, in this embodiment, the data acquisition unit 1 includes an irradiation unit that irradiates the beam, and an imaging unit that images a diffraction ring formed by irradiating the evaluation object with the beam by the irradiation unit, and generates diffraction ring data representing the diffraction ring.

より詳しくは、データ取得部1は、図2に示すように、高圧電源11、冷却部12、制御部13、X線照射部14および撮像部15を備える。高圧電源11は、電子線加速用の高電圧をX線照射部14に供給する装置である。冷却部12は、X線照射部14を冷却する装置である。制御部13は、データ取得部1全体の動作を制御する装置である。なお、制御部13は、制御処理部2に機能的に構成される後述の制御部21と兼用されてよい。 More specifically, as shown in FIG. 2, the data acquisition unit 1 includes a high-voltage power supply 11, a cooling unit 12, a control unit 13, an X-ray irradiation unit 14, and an imaging unit 15. The high-voltage power supply 11 is a device that supplies a high voltage for accelerating the electron beam to the X-ray irradiation unit 14. The cooling unit 12 is a device that cools the X-ray irradiation unit 14. The control unit 13 is a device that controls the operation of the entire data acquisition unit 1. The control unit 13 may also be used as a control unit 21 (described later) that is functionally configured in the control processing unit 2.

X線照射部14は、電子線をターゲットに衝突させてX線を発生させるX線発生装置と、発生したX線を細束のX線ビームとして評価対象Obに照射するX線照射管とを備える。前記X線発生装置は、例えば、電子線を高電圧で加速して陽極に衝突させCrKα特性X線を発生させるためのX線管球(真空管)である。前記X線照射管は、例えば、発生したX線を細い平行ビームに絞り照射するピンホールコリメータである。 The X-ray irradiation unit 14 includes an X-ray generator that generates X-rays by colliding an electron beam with a target, and an X-ray irradiation tube that irradiates the generated X-rays as a thin X-ray beam to the evaluation object Ob. The X-ray generator is, for example, an X-ray tube (vacuum tube) that accelerates an electron beam with high voltage and causes it to collide with an anode to generate CrKα characteristic X-rays. The X-ray irradiation tube is, for example, a pinhole collimator that narrows the generated X-rays into a thin parallel beam and irradiates it.

なお、評価対象Obに対し回折する性質を持つビーム(回折光)として、ここでは、X線を用いる例を説明するが、回折の性質を持つビームには、X線に限らず、電磁波(可視光、紫外線、γ線を含む)、中性子線、電子線等が含まれる。 Here, an example will be described in which X-rays are used as a beam (diffracted light) that has the property of diffracting toward the evaluation object Ob, but beams that have the property of diffraction are not limited to X-rays and include electromagnetic waves (including visible light, ultraviolet light, and gamma rays), neutron beams, electron beams, etc.

撮像部15は、評価対象ObにX線照射部14によってビームを照射することによって形成された回折環を撮像し、前記回折環を表す回折環データを生成する装置である。撮像部15は、例えば、いわゆるイメージングプレートを備えて構成される。このイメージングプレートには、輝尽性蛍光発光現象が利用されている。大略、輝尽性蛍光体を塗布したフィルムがX線によって露光され、露光されたフィルムにレーザ光を照射して生じた蛍光の発光量が計測される。蛍光は、X線の露光量に応じた発光量で発光するので、発光量を計測することで、X線像が得られる。 The imaging unit 15 is a device that images a diffraction ring formed by irradiating the evaluation object Ob with a beam by the X-ray irradiation unit 14, and generates diffraction ring data representing the diffraction ring. The imaging unit 15 is configured, for example, with a so-called imaging plate. This imaging plate utilizes the phenomenon of photostimulable fluorescence. In general, a film coated with a photostimulable phosphor is exposed to X-rays, and the amount of fluorescence generated by irradiating the exposed film with laser light is measured. The fluorescence emits light with an amount corresponding to the amount of exposure to X-rays, so an X-ray image can be obtained by measuring the amount of light emitted.

このようなデータ取得部1を用いて回折環データを取得する際の条件(評価条件、評価環境)については、後述する。 The conditions (evaluation conditions, evaluation environment) for acquiring diffraction ring data using such a data acquisition unit 1 will be described later.

図1に戻って、入力部4は、制御処理部2に接続され、評価開始を指示するコマンド等の各種コマンド、および、例えば金属疲労評価装置Dによって評価される評価対象の名称(例えばシリアル番号等)等の、金属疲労評価装置Dの稼働を行う上で必要な各種データを金属疲労評価装置Dに入力する装置であり、例えば、所定の機能を割り付けられた複数の入力スイッチ、キーボードおよびマウス等である。出力部5は、制御処理部2に接続され、制御処理部2の制御に従って、入力部4から入力されたコマンドやデータ、データ取得部1で取得された回折環データで表される回折環、および、金属疲労評価装置Dによって求められた評価指標等を出力する装置であり、例えばCRTディスプレイ、LCD(液晶表示装置)および有機ELディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷装置等である。 Returning to FIG. 1, the input unit 4 is connected to the control processing unit 2 and is a device that inputs various commands, such as a command to start the evaluation, and various data required for operating the metal fatigue evaluation device D, such as the name of the evaluation target to be evaluated by the metal fatigue evaluation device D (e.g., serial number, etc.), to the metal fatigue evaluation device D, and is, for example, a plurality of input switches, a keyboard, a mouse, etc., each assigned with a specific function. The output unit 5 is connected to the control processing unit 2 and is a device that outputs commands and data input from the input unit 4, diffraction rings represented by the diffraction ring data acquired by the data acquisition unit 1, and evaluation indices calculated by the metal fatigue evaluation device D, in accordance with the control of the control processing unit 2, and is, for example, a display device such as a CRT display, LCD (liquid crystal display device), or organic EL display, or a printing device such as a printer.

IF部6は、制御処理部2に接続され、制御処理部2の制御に従って、例えば、外部の機器との間でデータを入出力する回路であり、例えば、シリアル通信方式であるRS-232Cのインターフェース回路、Bluetooth(登録商標)規格を用いたインターフェース回路、および、USB規格を用いたインターフェース回路等である。また、IF部6は、例えば、データ通信カードや、IEEE802.11規格等に従った通信インターフェース回路等の、外部の機器と通信信号を送受信する通信インターフェース回路であっても良い。 The IF unit 6 is connected to the control processing unit 2 and is a circuit that inputs and outputs data to and from, for example, an external device according to the control of the control processing unit 2, such as an interface circuit for RS-232C, which is a serial communication method, an interface circuit using the Bluetooth (registered trademark) standard, and an interface circuit using the USB standard. The IF unit 6 may also be a communication interface circuit that transmits and receives communication signals to and from an external device, such as a data communication card or a communication interface circuit conforming to the IEEE 802.11 standard.

記憶部3は、制御処理部2に接続され、制御処理部2の制御に従って、各種の所定のプログラムおよび各種の所定のデータを記憶する回路である。前記各種の所定のプログラムには、例えば、制御処理プログラムが含まれ、前記制御処理プログラムには、金属疲労評価装置Dの各部1、3~6を当該各部の機能に応じてそれぞれ制御する制御プログラムや、データ取得部1で取得した回折環データに基づいて、金属疲労の程度を表す評価指標を求める指標処理プログラム等が含まれる。前記各種の所定のデータには、例えば前記回折環データ等の、これら各プログラムを実行する上で必要なデータが含まれる。このような記憶部3は、例えば不揮発性の記憶素子であるROM(Read Only Memory)や書き換え可能な不揮発性の記憶素子であるEEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)等を備える。そして、記憶部3は、前記所定のプログラムの実行中に生じるデータ等を記憶するいわゆる制御処理部2のワーキングメモリとなるRAM(Random Access Memory)等を含む。なお、記憶部3は、比較的大容量となる学習データを記憶するために、大容量を記憶可能なハードディスク装置を備えてもよい。 The memory unit 3 is connected to the control processing unit 2 and is a circuit that stores various predetermined programs and various predetermined data according to the control of the control processing unit 2. The various predetermined programs include, for example, a control processing program, which includes a control program that controls each of the parts 1, 3 to 6 of the metal fatigue evaluation device D according to the function of each part, and an index processing program that determines an evaluation index that represents the degree of metal fatigue based on the diffraction ring data acquired by the data acquisition unit 1. The various predetermined data include data necessary to execute each of these programs, such as the diffraction ring data. Such a memory unit 3 includes, for example, a ROM (Read Only Memory) that is a non-volatile memory element, an EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) that is a rewritable non-volatile memory element, and the like. The storage unit 3 includes a RAM (Random Access Memory) that serves as a so-called working memory for the control processing unit 2, which stores data generated during execution of the specified program. The storage unit 3 may also include a hard disk device capable of storing large amounts of data in order to store relatively large amounts of learning data.

制御処理部2は、金属疲労評価装置Dの各部1、3~6を当該各部の機能に応じてそれぞれ制御し、評価対象における金属疲労の程度を表す評価指標を求めるための回路である。制御処理部2は、例えば、CPU(Central Processing Unit)およびその周辺回路を備えて構成される。制御処理部2には、前記制御処理プログラムが実行されることによって、制御部21および指標処理部22が機能的に構成される。 The control processing unit 2 is a circuit that controls each of the units 1, 3 to 6 of the metal fatigue evaluation device D according to the function of each unit, and determines an evaluation index that represents the degree of metal fatigue in the evaluation target. The control processing unit 2 is configured, for example, with a CPU (Central Processing Unit) and its peripheral circuits. In the control processing unit 2, a control unit 21 and an index processing unit 22 are functionally configured by executing the control processing program.

制御部21は、金属疲労評価装置Dの各部1、3~6を当該各部の機能に応じてそれぞれ制御し、金属疲労評価装置D全体の制御を司るものである。 The control unit 21 controls each of the parts 1, 3 to 6 of the metal fatigue evaluation device D according to the function of each part, and is responsible for controlling the entire metal fatigue evaluation device D.

指標処理部22は、データ取得部1で取得した回折環データに基づいて、金属疲労の程度を表す評価指標を求めるものである。前記評価指標には、一般的な、回折環の半価幅が用いられてよいが、本実施形態では、回折環におけるピーク強度の均一の程度を表す均一性指標が用いられる。 The index processing unit 22 determines an evaluation index that indicates the degree of metal fatigue based on the diffraction ring data acquired by the data acquisition unit 1. The evaluation index may generally be the half-width of the diffraction ring, but in this embodiment, a uniformity index that indicates the degree of uniformity of the peak intensity in the diffraction ring is used.

図3には、一例として、金属疲労の進行に伴う回折環の変化の様子が示されている。図3には、引っ張りと圧縮とを交互に繰り返す引張圧縮繰返し試験によって、損傷度0[%]、10[%]、30[%]、50[%]および100[%]それぞれの疲労損傷を与えた各試料に対し、CrKαのX線を入射角0度で入射したX線回折が行われ、その結果得られた各回折環画像が示されている。前記引張圧縮繰返し試験には、通常の振動荷重印加の疲労試験機が用いられ、破断したときのサイクル数が損傷度100[%]とされ、損傷度0[%]、10[%]、30[%]および50[%]は、これに対するサイクル数の比率である。試料は、一例として、ボイラ管に使用される一般規格の鋼管材料である。図3の上段は、電解研磨処理を実施していない各試料の各回折環画像であり、その下段は、電解研磨処理を実施している各試料の各回折環画像である。平面視にて、左から右へ順に、損傷度0[%]、10[%]、30[%]、50[%]および100[%]の各試料の各回折環画像である。 Figure 3 shows, as an example, the change in the diffraction ring with the progression of metal fatigue. In Figure 3, X-ray diffraction was performed on each sample with fatigue damage of 0% (%), 10% (%), 30% (%), 50% (%), and 100% (%) by a tension-compression cyclic test in which tension and compression were alternately repeated, and the diffraction ring images obtained as a result are shown. A fatigue testing machine with a normal vibration load was used for the tension-compression cyclic test, and the number of cycles at which the sample broke was considered to be a damage degree of 100% (%), and the damage degrees of 0% (%), 10% (%), 30% (%), and 50% (%) are the ratios of the number of cycles to this. As an example, the sample is a steel pipe material of a general standard used for boiler pipes. The upper row of Figure 3 shows the diffraction ring images of each sample that has not been subjected to electrolytic polishing, and the lower row shows the diffraction ring images of each sample that has been subjected to electrolytic polishing. From left to right, the diffraction ring images are of samples with damage levels of 0% (planar), 10% (planar), 30% (planar), 50% (planar), and 100% (planar).

図3を左から右へ順に観察すると、回折環は、ピーク強度が周方向の各位置で異なるスポッティ状の初期状態の形状から、金属疲労の増加に伴い徐々に前記ピーク強度が周方向の各位置で略均一な形状に変化している様子が分かる。この変化をTEM(透過型電子顕微鏡)の観察結果(不図示)と対比すると、疲労損傷の蓄積に伴う転位増殖によって微細なセル組織が数多く形成されていく過程と、回折環が均一化する変化とが関連しているものと推察される。 Looking at Figure 3 from left to right, it can be seen that the diffraction rings change from an initial spotty shape in which the peak intensity varies at each circumferential position to a shape in which the peak intensity becomes approximately uniform at each circumferential position as metal fatigue increases. Comparing this change with the results of TEM (transmission electron microscope) observations (not shown), it is inferred that the process in which numerous fine cell structures are formed due to dislocation proliferation accompanying the accumulation of fatigue damage is related to the change in the diffraction rings to become uniform.

一般に、X線の照射領域に十分な数の結晶粒が存在している場合、均一な回折環が得られる。図3に示す結果は、初期状態において、X線照射領域における結晶粒の数が不足する結果、スポッティ状の回折環の形状であったものが、転位増殖に伴う結晶粒の微細化(セル組織化)によって結晶粒の数が増えたため、回折環の均一化に寄与したものと推察される。残留応力測定を含むX線回折を用いた評価手法において、測定精度の低下を避けるために、試料の平均結晶粒径は、30[μm]以下であることが推奨されているが、この指針と比較すると、図3の試料の初期状態におけるフェライト粒径は、大きいもので50~60[μm]程度であり、X線回折の計測的には、粗大な部類に入り、上記考察と合致する。 In general, when there are a sufficient number of crystal grains in the X-ray irradiation area, a uniform diffraction ring is obtained. The results shown in Figure 3 are presumably due to the fact that in the initial state, the number of crystal grains in the X-ray irradiation area was insufficient, resulting in a spotty diffraction ring shape, but the number of crystal grains increased due to the refinement of the crystal grains (cell organization) associated with dislocation proliferation, which contributed to the uniformity of the diffraction ring. In evaluation methods using X-ray diffraction, including residual stress measurement, it is recommended that the average crystal grain size of the sample be 30 μm or less to avoid a decrease in measurement accuracy. Compared to this guideline, the ferrite grain size in the initial state of the sample in Figure 3 is as large as 50 to 60 μm, which is in the coarse category in terms of X-ray diffraction measurement, and is consistent with the above consideration.

以上から、疲労損傷の蓄積に伴う回折環の均一化現象は、第1に、転位増殖(セル組織形成)による組織微細化、および、第2に、その微視組織の方位変化の2点に起因するものと結論づけることができ、回折環の凹凸は、その微視組織変化を端的に表す物理量と考えられ、回折環におけるピーク強度の均一の程度を表す均一性指標は、金属疲労の程度を表す新たな評価指標として用いることができる。 From the above, it can be concluded that the phenomenon of the diffraction ring becoming uniform due to the accumulation of fatigue damage is caused by two factors: first, microstructural refinement due to dislocation proliferation (cell structure formation), and second, a change in the orientation of the microstructural structure. The unevenness of the diffraction ring is considered to be a physical quantity that succinctly represents the change in the microstructural structure, and the uniformity index, which indicates the degree of uniformity of the peak intensity in the diffraction ring, can be used as a new evaluation index to indicate the degree of metal fatigue.

前記均一性指標(=評価指標の一例)は、例えば、回折環の方位角に対する最大ピーク強度と最小ピーク強度との差や、ピークの半値幅の変化(例えば方位角に対するピークの半価幅分布における標準偏差)等を用いてもよいが、本実施形態では、方位角に対する回折環のピーク強度分布における標準偏差が前記均一性指標として用いられる。その一例が図4に示されている。図4Aは、回折環を示し、図4Bは、図4Aに示す回折環における方位角αに対するピーク強度分布(回折環の周方向における各位置でのピーク強度の分布)、その平均値μおよびその標準偏差σを示す。図4Bの横軸は、0°から360°までの方位角α[deg]であり、その縦軸は、回折強度(Diffraction Intensity[counts])のピーク値である。方位角αは、図4Aに示すように、回折環の中心位置Oを通るベースライン(Baseline)を基準0°とした場合に、時計回りに回折環の周方向に、前記ベースラインからの角度である。評価対象Obは、ボイラ管に使用される一般規格の鋼管材料の一例であるSTBA21であり、電解研磨処理が実施されている。回折角2θは、156.396[度]である。前記均一性指標としての標準偏差σが相対的に大きい場合には、回折環の周方向における各位置でのピーク強度は、ばらついており、金属疲労は、相対的に小さい。一方、前記標準偏差σが相対的に小さい場合には、回折環の周方向における各位置でのピーク強度は、略均一であり(ばらつきが小さく)、金属疲労は、相対的に大きい。 The uniformity index (= an example of an evaluation index) may be, for example, the difference between the maximum peak intensity and the minimum peak intensity with respect to the azimuth angle of the diffraction ring, or the change in the half-width of the peak (for example, the standard deviation in the half-width distribution of the peak with respect to the azimuth angle), but in this embodiment, the standard deviation in the peak intensity distribution of the diffraction ring with respect to the azimuth angle is used as the uniformity index. An example is shown in FIG. 4. FIG. 4A shows a diffraction ring, and FIG. 4B shows the peak intensity distribution (distribution of peak intensity at each position in the circumferential direction of the diffraction ring) with respect to the azimuth angle α in the diffraction ring shown in FIG. 4A, its average value μ, and its standard deviation σ. The horizontal axis of FIG. 4B is the azimuth angle α [deg] from 0° to 360°, and the vertical axis is the peak value of the diffraction intensity (Diffraction Intensity [counts]). As shown in FIG. 4A, the azimuth angle α is the angle from the baseline passing through the center position O of the diffraction ring in the clockwise circumferential direction of the diffraction ring, when the baseline is set as 0°. The evaluation object Ob is STBA21, an example of a steel pipe material of a general standard used for boiler pipes, and electrolytic polishing treatment is performed. The diffraction angle 2θ is 156.396 degrees. When the standard deviation σ as the uniformity index is relatively large, the peak intensity at each position in the circumferential direction of the diffraction ring varies, and metal fatigue is relatively small. On the other hand, when the standard deviation σ is relatively small, the peak intensity at each position in the circumferential direction of the diffraction ring is approximately uniform (the variation is small), and metal fatigue is relatively large.

これら制御処理部2、記憶部3、入力部4、出力部5およびIF部6は、例えば、デスクトップ型やノート型やタブレット型等のコンピュータによって構成可能である。なお、データ取得部1がインターフェース回路や通信インターフェース回路である場合には、IF部6は、データ取得部1と兼用できるので、データ取得部1も含めて、金属疲労評価装置Dは、コンピュータによって構成可能である。 The control processing unit 2, memory unit 3, input unit 4, output unit 5, and IF unit 6 can be configured, for example, by a desktop, notebook, tablet, or other type of computer. If the data acquisition unit 1 is an interface circuit or a communication interface circuit, the IF unit 6 can also be used as the data acquisition unit 1, so the metal fatigue evaluation device D, including the data acquisition unit 1, can be configured by a computer.

次に、評価条件(評価環境)について説明する。図5は、評価指標に与えるビームの入射角の影響を説明するための図である。図5の横軸は、損傷度であり、その縦軸は、回折環におけるピーク強度分布の標準偏差の変化率(ピーク強度の不均一度変化率)である。図6は、評価指標に与えるビームのスポット径の影響を説明するための図である。図6Aは、平均スポット径が1.7~3[mm]である場合を示し、図6Bは、平均スポット径が2[mm]未満に限定した場合を示す。図6Aおよび図6Bの横軸は、損傷度であり、それらの縦軸は、方位角に対する回折環におけるピーク強度分布の標準偏差σを前記回折環におけるピーク強度分布の平均値μで除算した除算結果σ/μである。図7は、評価指標に与えるビームの照射時間の影響を説明するための図である。図7Aは、評価指標(均一性指標)が方位角に対する回折環におけるピーク強度分布の標準偏差である場合を示し、図7Bは、評価指標が方位角に対する回折環におけるピーク強度分布の標準偏差を前記回折環におけるピーク強度分布の平均値で除算した除算結果である場合を示す。図7Aの横軸は、損傷度であり、その縦軸は、前記標準偏差である。図7Bの横軸は、損傷度であり、その縦軸は、前記除算結果である。 Next, the evaluation conditions (evaluation environment) will be described. FIG. 5 is a diagram for explaining the influence of the incident angle of the beam on the evaluation index. The horizontal axis of FIG. 5 is the degree of damage, and the vertical axis is the rate of change of the standard deviation of the peak intensity distribution in the diffraction ring (the rate of change of the non-uniformity of the peak intensity). FIG. 6 is a diagram for explaining the influence of the spot diameter of the beam on the evaluation index. FIG. 6A shows a case where the average spot diameter is 1.7 to 3 [mm], and FIG. 6B shows a case where the average spot diameter is limited to less than 2 [mm]. The horizontal axis of FIG. 6A and FIG. 6B is the degree of damage, and the vertical axis of each is the division result σ/μ obtained by dividing the standard deviation σ of the peak intensity distribution in the diffraction ring with respect to the azimuth angle by the average value μ of the peak intensity distribution in the diffraction ring. FIG. 7 is a diagram for explaining the influence of the irradiation time of the beam on the evaluation index. FIG. 7A shows a case where the evaluation index (uniformity index) is the standard deviation of the peak intensity distribution in the diffraction ring with respect to the azimuth angle, and FIG. 7B shows a case where the evaluation index is the result of dividing the standard deviation of the peak intensity distribution in the diffraction ring with respect to the azimuth angle by the average value of the peak intensity distribution in the diffraction ring. The horizontal axis of FIG. 7A is the degree of damage, and the vertical axis is the standard deviation. The horizontal axis of FIG. 7B is the degree of damage, and the vertical axis is the result of the division.

回折環は、入射角Ψ、スポット径、評価対象との距離Lおよびビームの照射時間によって変化する。このため、評価指標としての、回折環の半価幅または回折環の均一性指標(例えばピーク強度分布の標準偏差や半価幅分布の標準偏差)は、これらに影響される虞がある。なお、スポット径は、コリメータ径、評価対象との距離Lおよび入射角Ψによって決まる。このため、評価条件は、入射角Ψ、コリメータ径、評価対象Obとの距離Lおよびビームの照射時間で定義される。 The diffraction ring changes depending on the incidence angle Ψ0 , the spot diameter, the distance L from the evaluation object, and the irradiation time of the beam. Therefore, the half-value width of the diffraction ring or the uniformity index of the diffraction ring (for example, the standard deviation of the peak intensity distribution or the standard deviation of the half-value width distribution) as an evaluation index may be affected by these. The spot diameter is determined by the collimator diameter, the distance L from the evaluation object, and the incidence angle Ψ0 . Therefore, the evaluation conditions are defined by the incidence angle Ψ0 , the collimator diameter, the distance L from the evaluation object Ob, and the irradiation time of the beam.

まず、入射角Ψの影響について検討する。評価条件は、コリメータ径φが1.0[mm]であり、評価対象との距離Lが62[mm]であり、ビームの照射時間が33~116[秒]である。このような評価条件下で、前記評価条件の他の1つである入射角Ψを1~65[度]の範囲で変化させた各場合について、回折環データが取得され、評価指標の一例として、回折環におけるピーク強度分布の標準偏差σが求められた。その結果が変化率で図5に示されている。回折環におけるピーク強度分布の標準偏差の変化率(ピーク強度の不均一度変化率)は、標準偏差の値を疲労損傷していない損傷度0[%]の値で除算したものである。図5では、入射角Ψが1[度]である場合の結果は、○で図示され、入射角Ψが30[度]である場合の結果は、△で図示され、入射角Ψが45[度]である場合の結果は、□で図示され、入射角Ψが60[度]である場合の結果は、◇で図示され、入射角Ψが65[度]である場合の結果は、●で図示されている。図5から分かるように、入射角Ψが65[度]以下の場合、損傷度0[%]と損傷度10[%]以上とを比較すると、前記変化率は、明確に区別できる。入射角Ψが65[度]である場合でも、損傷度0[%]と損傷度10[%]を比較すると約0.65倍となっており、前記変化率は、明確に区別できる。特に損傷度30[%]以上が重要であるが、入射角Ψが65[度]である場合、損傷度0[%]と損傷度30[%]を比較すると約0.6倍となっており、前記変化率は、より明確に区別できる。上述では、実施の都合上、最も小さい入射角Ψは1[度]であるが、X線回折の下限は、一般に、0[度]である。したがって、ビームの入射角Ψは、0度以上65度以下であることが好ましい。入射角Ψが60度以下である場合、損傷度0[%]と損傷度30[%]を比較すると約0.5倍となっていることから、ビームの入射角Ψは、60度以下であることがより好ましく、入射角Ψが45度以下である場合、疲労損傷度が大きいほど前記変化率が小さくなることから、ビームの入射角Ψは、45度以下であることがさらにより好ましい。 First, the effect of the incident angle Ψ 0 is examined. The evaluation conditions are a collimator diameter φ of 1.0 [mm], a distance L from the evaluation object of 62 [mm], and a beam irradiation time of 33 to 116 [seconds]. Under such evaluation conditions, the other one of the evaluation conditions, the incident angle Ψ 0, is changed in the range of 1 to 65 [degrees], and diffraction ring data is obtained for each case, and the standard deviation σ of the peak intensity distribution in the diffraction ring is obtained as an example of an evaluation index. The result is shown in FIG. 5 as a rate of change. The rate of change of the standard deviation of the peak intensity distribution in the diffraction ring (the rate of change of the non-uniformity of the peak intensity) is obtained by dividing the value of the standard deviation by the value of the damage degree of 0 [%] where there is no fatigue damage. In Fig. 5, the results when the incident angle Ψ 0 is 1 [degree] are shown by circles, the results when the incident angle Ψ 0 is 30 [degree] are shown by triangles, the results when the incident angle Ψ 0 is 45 [degree] are shown by squares, the results when the incident angle Ψ 0 is 60 [degree] are shown by diamonds, and the results when the incident angle Ψ 0 is 65 [degree] are shown by circles. As can be seen from Fig. 5, when the incident angle Ψ 0 is 65 [degree] or less, the change rate can be clearly distinguished between the damage degree of 0 [%] and the damage degree of 10 [%] or more. Even when the incident angle Ψ 0 is 65 [degree], the damage degree of 0 [%] is about 0.65 times that of 10 [%], and the change rate can be clearly distinguished. In particular, a damage degree of 30% or more is important, but when the incident angle Ψ 0 is 65 degrees, the damage degree of 0% is about 0.6 times that of 30%, and the change rate can be more clearly distinguished. In the above description, for convenience of implementation, the smallest incident angle Ψ 0 is 1 degree, but the lower limit of X-ray diffraction is generally 0 degrees. Therefore, it is preferable that the incident angle Ψ 0 of the beam is 0 degrees or more and 65 degrees or less. When the incident angle Ψ 0 is 60 degrees or less, the damage degree of 0% is about 0.5 times that of 30%, so it is more preferable that the incident angle Ψ 0 of the beam is 60 degrees or less, and when the incident angle Ψ 0 is 45 degrees or less, the change rate becomes smaller as the fatigue damage degree increases, so it is even more preferable that the incident angle Ψ 0 of the beam is 45 degrees or less.

次に、スポット径について検討する。一般に、X線照射領域に充分な数の結晶粒が存在していると、均一な回折環が得られる。一方、金属疲労の蓄積に伴う回折環の均一化現象は、上述したように、第1に、転位増殖(セル組織形成)による組織微細化、および、第2に、その微視組織の方位変化の2点に起因するものと考えられる。このため、この微視組織の変化を捉えるためには、結晶粒径に合わせた適切な照射面積が存在する。すなわち、X線照射域に存在する結晶粒が多すぎると、微視組織構造にかかわらず均一な回折環が得られることとなってしまい、好ましくない。一方、結晶粒が少なすぎると回折環が不連続となってしまい、好ましくない。回折環全体の情報を利用する均一性指標では、金属疲労の評価精度が低下してしまう。 Next, the spot diameter will be considered. In general, if there are a sufficient number of crystal grains in the X-ray irradiation area, a uniform diffraction ring is obtained. On the other hand, the phenomenon of uniform diffraction rings accompanying the accumulation of metal fatigue is thought to be due to two factors, firstly, the refinement of the structure due to dislocation proliferation (cell structure formation), and secondly, the change in the orientation of the microstructure, as mentioned above. Therefore, in order to capture this change in the microstructure, there is an appropriate irradiation area that matches the crystal grain size. In other words, if there are too many crystal grains in the X-ray irradiation area, a uniform diffraction ring will be obtained regardless of the microstructure structure, which is not preferable. On the other hand, if there are too few crystal grains, the diffraction ring will be discontinuous, which is not preferable. A uniformity index that uses information on the entire diffraction ring reduces the accuracy of metal fatigue evaluation.

評価条件は、入射角Ψが45[度]であり、コリメータ径φが1.0[mm]である。このような評価条件下で、前記評価条件の他の1つであるスポット径を変化させるために、評価対象との距離Lを20~93[mm]の範囲で変化させた各場合について、回折環データが取得され、評価指標の一例として、方位角に対する回折環におけるピーク強度分布の標準偏差σを前記回折環におけるピーク強度分布の平均値μで除算した除算結果σ/μが求められた。その結果が図6に示されている。スポット径は、感光紙を用いて実測された。なお、この除算結果σ/μは、後述のように、ビームの照射時間の違いによる評価指標への影響が軽減できる。スポット径が、1.7[mm]、1.9[mm]、2.1[mm]、2.5[mm]、2.8[mm]、および、3[mm]である各場合について、回折環データが取得され、評価指標が求められた。その結果が図6に示されている。図6Aに示すように、前記除算結果σ/μは、損傷度と相関関係にあり、損傷度0[%]と損傷度10[%]以上とを比較すると、損傷度0[%]の場合における前記除算結果σ/μは、約0.4~0.65である一方、損傷度10[%]の場合における前記除算結果σ/μは、約0.06~0.3であり、前記除算結果σ/μは、明確に区別できる。特に損傷度0[%]と損傷度30[%]を比較すると、損傷度30[%]の場合における前記除算結果σ/μは、約0.1~0.25であり、前記除算結果σ/μは、より明確に区別できる。この例では、評価対象の平均結晶粒径は、55[μm]であったため、スポット径3[mm]を結晶粒の個数に換算すると、約3000(≒2981≒((3/2)×3.14)/((0.055/2)×3.14)となる。よって、前記ビームの照射面積内に存在する結晶粒は、3000個以下であることが好ましい。一方、スポット径を2[mm]未満に限定すると、図6Bに示すように、前記除算結果σ/μは、図6Aに示す場合よりばらつきが低減され、より損傷度と対応している。したがって、スポット径は、2[mm]未満であることがより好ましい。スポット径2[mm]を結晶粒の個数に換算すると、約1324.9(≒((2/2)×3.14)/((0.055/2)×3.14)となる。よって、前記ビームの照射面積内に存在する結晶粒は、1300個以下であることがより好ましい。 The evaluation conditions are that the angle of incidence Ψ 0 is 45 degrees and the collimator diameter φ is 1.0 mm. Under such evaluation conditions, in order to change the spot diameter, which is another one of the evaluation conditions, diffraction ring data was acquired for each case in which the distance L from the evaluation target was changed in the range of 20 to 93 mm, and as an example of the evaluation index, the division result σ/μ was obtained by dividing the standard deviation σ of the peak intensity distribution in the diffraction ring with respect to the azimuth angle by the average value μ of the peak intensity distribution in the diffraction ring. The result is shown in FIG. 6. The spot diameter was actually measured using photosensitive paper. Note that this division result σ/μ can reduce the influence on the evaluation index due to differences in the irradiation time of the beam, as described later. Diffraction ring data was acquired for each case in which the spot diameter was 1.7 mm, 1.9 mm, 2.1 mm, 2.5 mm, 2.8 mm, and 3 mm, and the evaluation index was obtained. The result is shown in FIG. 6. As shown in Fig. 6A, the division result σ/μ is correlated with the damage level, and when a damage level of 0 [%] is compared with a damage level of 10 [%] or more, the division result σ/μ in the case of a damage level of 0 [%] is about 0.4 to 0.65, while the division result σ/μ in the case of a damage level of 10 [%] is about 0.06 to 0.3, and the division results σ/μ can be clearly distinguished. In particular, when a damage level of 0 [%] is compared with a damage level of 30 [%], the division result σ/μ in the case of a damage level of 30 [%] is about 0.1 to 0.25, and the division result σ/μ can be more clearly distinguished. In this example, the average crystal grain size of the evaluation target was 55 μm, so that the spot diameter of 3 mm can be converted to the number of crystal grains to obtain approximately 3000 (≈2981≈((3/2) 2 ×3.14)/((0.055/2) 2 ×3.14). Therefore, it is preferable that the number of crystal grains present within the irradiation area of the beam is 3000 or less. On the other hand, when the spot diameter is limited to less than 2 mm, as shown in FIG. 6B, the variation of the division result σ/μ is reduced compared to the case shown in FIG. 6A, and it corresponds more closely to the degree of damage. Therefore, it is more preferable that the spot diameter is less than 2 mm. The spot diameter of 2 mm can be converted to the number of crystal grains to obtain approximately 1324.9 (≈((2/2) 2 ×3.14)/((0.055/2) 2 × 3.14). Therefore, it is more preferable that the number of crystal grains present within the irradiation area of the beam is 1300 or less.

なお、このスポット径を換算した結晶粒の個数は、金属疲労の進行によって増加する前の個数である。 Note that the number of crystal grains converted from this spot diameter is the number before it increases due to the progression of metal fatigue.

一方、例えば、日本機械学会論文集(A編)63巻607号には、平行ビーム法でコリメータ径φ1.0[mm]の場合おける回折環による残留応力の測定結果が開示されており、これには、結晶粒径が50[μm]以下では単点照射で連続的な回折環が得られ、100[μm]では不連続となったとの報告がある。これから、結晶粒の個数の下限は、100~400個の間であることが分かる。したがって、前記ビームの照射面積内に存在する結晶粒は、400個以上であることが好ましい。 On the other hand, for example, the Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (Series A), Vol. 63, No. 607, discloses the results of measuring residual stress using diffraction rings when using the parallel beam method with a collimator diameter of φ1.0 [mm], and reports that when the crystal grain size is 50 [μm] or less, a continuous diffraction ring is obtained with single-point irradiation, but when it is 100 [μm], it becomes discontinuous. From this, it can be seen that the lower limit of the number of crystal grains is between 100 and 400. Therefore, it is preferable that the number of crystal grains present within the irradiation area of the beam is 400 or more.

次に、評価対象との距離Lについて検討する。評価対象との距離Lは、回折環の半径に影響するが、回折環のピーク強度には、影響しない。したがって、評価対象との距離Lは、所望のスポット径に応じて適宜に調整される。また、回折環の半径は、評価対象との距離Lに比例するため、データ取得部1における撮像部15のサイズに応じて適宜に設定される。 Next, the distance L from the evaluation object will be considered. The distance L from the evaluation object affects the radius of the diffraction ring, but does not affect the peak intensity of the diffraction ring. Therefore, the distance L from the evaluation object is adjusted appropriately according to the desired spot diameter. In addition, since the radius of the diffraction ring is proportional to the distance L from the evaluation object, it is set appropriately according to the size of the imaging unit 15 in the data acquisition unit 1.

次に、ビームの照射時間について検討する。照射時間は、回折強度に影響し、データ取得部1における撮像部15に応じた適切な回折強度が得られるように、照射時間は、一連の評価では、適宜に設定される。回折強度が比較的小さい場合には、測定誤差が大きくなるため、照射時間が長くされ、回折強度が比較的大きい場合には、撮像部15の定格を超えないように、照射時間が短くされる。 Next, the beam irradiation time will be considered. The irradiation time affects the diffraction intensity, and in a series of evaluations, the irradiation time is set appropriately so that an appropriate diffraction intensity according to the imaging unit 15 in the data acquisition unit 1 is obtained. When the diffraction intensity is relatively small, the measurement error becomes large, so the irradiation time is made longer, and when the diffraction intensity is relatively large, the irradiation time is made shorter so as not to exceed the rated value of the imaging unit 15.

一方、金属疲労は、経年劣化で評価されることが多く、一般に、適宜な期間ごとに評価される。このため、ビームの照射時間が異なってしまう場合があり、このような場合でも安定的に損傷度を評価できる評価指標が望まれる。 Metal fatigue, on the other hand, is often evaluated based on deterioration over time, and is generally evaluated at appropriate intervals. This can result in different beam irradiation times, and an evaluation index that can stably evaluate the degree of damage even in such cases is desirable.

評価条件は、入射角Ψが45[度]であり、コリメータ径φが1.0[mm]であり、評価対象との距離Lが65[mm]である。このような評価条件下で、前記評価条件の他の1つである照射時間が、4[秒]、5[秒]、10[秒]、30[秒]、および、180[秒]である各場合について、回折環データが取得され、評価指標が求められた。その結果が図7に示されている。 The evaluation conditions were an incidence angle Ψ 0 of 45 degrees, a collimator diameter φ of 1.0 mm, and a distance L from the evaluation target of 65 mm. Under these evaluation conditions, diffraction ring data was obtained and evaluation indices were calculated for each of the other evaluation conditions, ie, the irradiation time, of 4 seconds, 5 seconds, 10 seconds, 30 seconds, and 180 seconds. The results are shown in FIG. 7.

ビームの照射時間が長くなるとピーク強度の絶対値は、大きくなる。このため、評価指標(均一性指標)としての、回折環におけるピーク強度分布の標準偏差σは、図7Aに示すように、いずれの損傷度においても、ビームの照射時間に依存してばらついている。一方、回折環におけるピーク強度分布の標準偏差σを前記回折環におけるピーク強度分布の平均値μで除算した除算結果σ/μは、図7Bに示すように、いずれの損傷度においても、ビームの照射時間の差によるばらつきが軽減され、一義的に損傷度と対応している。したがって、無次元化した前記除算結果σ/μは、評価指標として、より好ましい。 The longer the beam irradiation time, the larger the absolute value of the peak intensity. For this reason, the standard deviation σ of the peak intensity distribution in the diffraction ring, which serves as an evaluation index (uniformity index), varies depending on the beam irradiation time at any damage level, as shown in FIG. 7A. On the other hand, the division result σ/μ obtained by dividing the standard deviation σ of the peak intensity distribution in the diffraction ring by the average value μ of the peak intensity distribution in the diffraction ring reduces the variation due to differences in beam irradiation time at any damage level, as shown in FIG. 7B, and uniquely corresponds to the damage level. Therefore, the non-dimensional division result σ/μ is more preferable as an evaluation index.

半価幅は、角度で標記されるため、ビームの照射時間による標準偏差への影響は、小さいため、平均値で除算する必要性が少ないが、前記回折環における半価幅分布の標準偏差を、前記回折環における半価幅分布の平均値で除算した除算結果も、上述同様に説明できる。 Since the half-width is expressed in degrees, the effect of the beam irradiation time on the standard deviation is small, so there is little need to divide by the average value. However, the result of dividing the standard deviation of the half-width distribution in the diffraction ring by the average value of the half-width distribution in the diffraction ring can also be explained in the same way as above.

次に、本実施形態の動作について説明する。図8は、前記金属疲労評価装置の動作を示すフローチャートである。 Next, the operation of this embodiment will be described. Figure 8 is a flowchart showing the operation of the metal fatigue evaluation device.

このような構成の金属疲労評価装置Dは、その電源が投入されると、必要な各部の初期化を実行し、その稼働を始める。制御処理部2には、その制御処理プログラムの実行によって、制御部21および指標処理部22が機能的に構成される。 When the metal fatigue evaluation device D configured in this way is powered on, it initializes the necessary parts and starts its operation. In the control processing unit 2, a control unit 21 and an index processing unit 22 are functionally configured by executing the control processing program.

評価開始が入力されると、図8において、まず、金属疲労評価装置Dは、上述の評価条件下でデータ取得部1によって回折環データを取得し、この回折環データをデータ取得部1から取得し、記憶する(S1)。より具体的には、本実施形態では、データ取得部1は、上述の評価条件下において、制御部13の制御によりX線照射部14から評価対象ObにX線ビームを照射し、制御部13の制御により撮像部15で回折環を撮像し、前記回折環を表す回折環データを生成する。そして、データ取得部1は、この回折環データを制御処理部2へ出力する。 When the start of evaluation is input, in FIG. 8, first, the metal fatigue evaluation device D acquires diffraction ring data under the above-mentioned evaluation conditions by the data acquisition unit 1, and acquires and stores this diffraction ring data from the data acquisition unit 1 (S1). More specifically, in this embodiment, under the above-mentioned evaluation conditions, the data acquisition unit 1 irradiates the evaluation object Ob with an X-ray beam from the X-ray irradiation unit 14 under the control of the control unit 13, images the diffraction ring with the imaging unit 15 under the control of the control unit 13, and generates diffraction ring data representing the diffraction ring. Then, the data acquisition unit 1 outputs this diffraction ring data to the control processing unit 2.

次に、金属疲労評価装置Dは、制御処理部2の指標処理部22によって、前記均一性指標を、評価対象Obの評価指標として求め、記憶する(S2)。より具体的には、本実施形態では、指標処理部22は、方位角αに対する回折環の強度分布における標準偏差σを前記均一性指標、すなわち、前記評価指標として求める。あるいは、指標処理部22は、方位角αに対する半価幅分布における標準偏差σを前記均一性指標(前記評価指標)として求める。あるいは、指標処理部22は、方位角に対する回折環のピーク強度分布における標準偏差を前記回折環におけるピーク強度分布の平均値で除算した除算結果を前記均一性指標(前記評価指標)として求める。あるいは、指標処理部22は、方位角に対する半価幅分布における標準偏差を前記回折環における半価幅分布の平均値で除算した除算結果を前記均一性指標(前記評価指標)として求める。 Next, the metal fatigue evaluation device D uses the index processing unit 22 of the control processing unit 2 to obtain and store the uniformity index as an evaluation index for the evaluation object Ob (S2). More specifically, in this embodiment, the index processing unit 22 obtains the standard deviation σ in the intensity distribution of the diffraction ring for the azimuth angle α as the uniformity index, i.e., the evaluation index. Alternatively, the index processing unit 22 obtains the standard deviation σ in the half-width distribution for the azimuth angle α as the uniformity index (the evaluation index). Alternatively, the index processing unit 22 obtains the division result obtained by dividing the standard deviation in the peak intensity distribution of the diffraction ring for the azimuth angle by the average value of the peak intensity distribution in the diffraction ring as the uniformity index (the evaluation index). Alternatively, the index processing unit 22 obtains the division result obtained by dividing the standard deviation in the half-width distribution for the azimuth angle by the average value of the half-width distribution in the diffraction ring as the uniformity index (the evaluation index).

そして、金属疲労評価装置Dは、制御処理部2によって、この求めた評価指標を出力部5から出力し、本処理を終了する(S3)。なお、必要に応じて、前記評価指標は、IF部6から外部の機器へ出力されてもよい。 Then, the metal fatigue evaluation device D causes the control processing unit 2 to output the determined evaluation index from the output unit 5, and ends this process (S3). Note that, if necessary, the evaluation index may be output from the IF unit 6 to an external device.

以上説明したように、実施形態における金属疲労評価方法は、回折環データを取得する際に、前記ビームの入射角を0度以上65度以下で照射し、かつ、前記ビームの照射面積内に存在する結晶粒が3000個以下となるように、または、前記ビームのスポット径が3mm以下となるように照射するので、より適切な評価環境(評価条件)で回折環データを得ることができ、より信頼性の高い評価結果を得ることができる。 As described above, in the metal fatigue evaluation method of the embodiment, when obtaining diffraction ring data, the beam is irradiated at an incident angle of 0 degrees or more and 65 degrees or less, and the beam is irradiated so that there are 3,000 or less crystal grains within the irradiation area of the beam, or the spot diameter of the beam is 3 mm or less. This makes it possible to obtain diffraction ring data in a more appropriate evaluation environment (evaluation conditions), and to obtain more reliable evaluation results.

上記金属疲労評価方法は、回折環データに基づいて回折環におけるピーク強度の均一の程度を表す均一性指標を、金属疲労の程度を表す評価指標として用いるので、より適切に金属疲労の程度を評価できる。 The above metal fatigue evaluation method uses a uniformity index that indicates the degree of uniformity of peak intensity in the diffraction ring based on the diffraction ring data as an evaluation index that indicates the degree of metal fatigue, so that the degree of metal fatigue can be evaluated more appropriately.

上記金属疲労評価方法は、評価指標として、前記標準偏差を前記平均値で除算した除算結果を用いる場合では、ビームの照射時間のばらつきによる評価指標への影響を軽減できる。 When the metal fatigue evaluation method uses the result of dividing the standard deviation by the average value as the evaluation index, the effect of variations in the beam irradiation time on the evaluation index can be reduced.

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および/または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。 In order to express the present invention, the present invention has been described above adequately and sufficiently through the embodiments with reference to the drawings. However, it should be recognized that a person skilled in the art can easily modify and/or improve the above-mentioned embodiments. Therefore, unless the modification or improvement implemented by a person skilled in the art is at a level that deviates from the scope of the claims described in the claims, the modification or improvement is interpreted as being included in the scope of the claims.

D 金属疲労評価装置
1 データ取得部
2 制御処理部
11 高圧電源
12 冷却部
13、21 制御部
14 X線照射部
15 撮像部
22 指標処理部
D Metal fatigue evaluation device 1 Data acquisition unit 2 Control processing unit 11 High voltage power supply 12 Cooling unit 13, 21 Control unit 14 X-ray irradiation unit 15 Imaging unit 22 Index processing unit

Claims (4)

金属の評価対象における金属疲労の程度を表す評価指標を求める金属疲労評価方法であって、
前記評価対象に回折する性質を持つビームを照射することによって形成された回折環を表す回折環データを取得するデータ取得工程と、
前記データ取得工程で取得した回折環データに基づいて前記評価指標を求める指標処理工程とを備え、
前記データ取得工程は、前記ビームの入射角を0度以上65度以下で照射し、かつ、前記ビームの照射面積内に存在する結晶粒が3000個以下となるように、または、前記ビームの入射角を0度以上65度以下で照射し、かつ、前記ビームのスポット径が3mm以下となるように、照射する、
金属疲労評価方法。
A metal fatigue evaluation method for determining an evaluation index representing a degree of metal fatigue in a metal evaluation object, comprising the steps of:
a data acquisition step of acquiring diffraction ring data representing a diffraction ring formed by irradiating the evaluation object with a beam having a diffractive property;
and an index processing step of determining the evaluation index based on the diffraction ring data acquired in the data acquisition step,
The data acquisition step includes irradiating the sample with the beam at an incident angle of 0 degrees or more and 65 degrees or less, and such that the number of crystal grains present within the irradiation area of the beam is 3,000 or less, or irradiating the sample with the beam at an incident angle of 0 degrees or more and 65 degrees or less, and such that the spot diameter of the beam is 3 mm or less.
Metal fatigue evaluation method.
前記評価指標は、前記回折環におけるピーク強度の均一の程度を表す均一性指標である、
請求項1に記載の金属疲労評価方法。
The evaluation index is a uniformity index representing the degree of uniformity of the peak intensity in the diffraction ring.
The metal fatigue evaluation method according to claim 1 .
前記均一性指標は、方位角に対する回折環のピーク強度分布における標準偏差、または、方位角に対する半価幅分布における標準偏差である、
請求項に記載の金属疲労評価方法。
The uniformity index is the standard deviation of the peak intensity distribution of the diffraction ring with respect to the azimuth angle, or the standard deviation of the half-width distribution with respect to the azimuth angle;
The metal fatigue evaluation method according to claim 2 .
前記評価指標は、方位角に対する回折環のピーク強度分布における標準偏差を前記回折環におけるピーク強度分布の平均値で除算した除算結果、または、方位角に対する半価幅分布における標準偏差を前記回折環における半価幅分布の平均値で除算した除算結果である、
請求項1に記載の金属疲労評価方法。
The evaluation index is a result of dividing a standard deviation in a peak intensity distribution of a diffraction ring with respect to an azimuth angle by an average value of the peak intensity distribution of the diffraction ring, or a result of dividing a standard deviation in a half-width distribution with respect to an azimuth angle by an average value of the half-width distribution of the diffraction ring.
The metal fatigue evaluation method according to claim 1 .
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