(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
残留応力測定対象金属の表面と実質的に同じ材質の複数個の電極を、所定の腐食条件下の液体中に浸す容器と、
前記複数個の電極のうち標本対象電極に負荷応力を付加する負荷応力付加手段と、
前記複数個の電極のうち所要の電極と前記標本対象電極との間の電気化学的電流ノイズ、及び、前記複数の電極のうち前記標本対象電極を除く所要の電極と前記腐食条件と実質的に同じ腐食条件下に在る残留応力測定対象金属との間の電気化学的電流ノイズを、夫々、第１電気化学的電流ノイズ及び第２電気化学的電流ノイズとして測定する測定手段と、
前記負荷応力と、前記第１電気化学的電流ノイズとの関係を解析する解析手段と、
前記解析結果のデータと前記第２電気化学的電流ノイズとを対比して、前記残留応力測定対象金属に残留する残留応力を算出する残留応力算出手段とを備えることを特徴とする金属の残留応力測定装置。
【請求項２】
前記測定手段が前記電気化学的電流ノイズに代えて電気化学的電位ノイズを測定し、前記残留応力算出手段は、前記電気的化学電流に代えて電気化学的電位ノイズに基づいて残留応力を算出することを特徴とする、請求項１に記載の金属の残留応力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属の残留応力測定装置に関し、特に、応力腐食割れの発生に先立って、測定対象金属の残留応力を算出することを可能にした残留応力測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属材料の応力腐食割れは、金属材料に応力がかかった特殊な状態で、腐食作用がある環境下に置かれた金属材料に発生する割れであり、この応力は、熱処理や溶接等に起因する残留応力でも、外部から引張り応力を付加した引張応力でも同じように作用する。応力腐食割れには、金属の溶解反応に起因するものと、電気分解等の陰極部で発生し金属に吸収された水素に起因するものとがある。これら双方の応力腐食割れは、金属材料、応力条件、使用環境等の３つの因子の組み合わせによって発生し、従って、これら要因がそれぞれ単独に存在する状態での予測時期よりは、はるかに早く発生する。一般に、応力腐食割れが発生するおそれがある材料を使用する場合には、予め内部応力の除去等の対策を講じておく必要があるが、更にこれらの破損に起因する重大事故を未然に防止するためには、部品の取り替え時期を見極めた上でその部品の予備を予め準備等しておくことが好ましい。
【０００３】
応力腐食割れは、金属の残留応力の高い部分で発生し易いので、金属の残留応力をその使用条件下で把握しておく必要がある。従来は、金属の残留応力の測定にはＸ線法や磁力線法が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｘ線法や磁力線法による従来の応力腐食割れの測定では、応力腐食割れによるひずみや亀裂などの兆候があって始めてその測定が可能であり、応力腐食割れに先立って金属の残留応力を定量的に測定することは出来なかった。
【０００５】
本発明は、上記のような実情に鑑み、応力腐食割れに先立って金属の残留応力を定量的に測定し得る、金属の残留応力測定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の金属の残留応力測定装置は、残留応力測定対象金属の表面と実質的に同じ材質の複数個の電極を、所定の腐食条件下の液体中に浸す容器と、
前記複数個の電極のうち標本対象電極に負荷応力を付加する負荷応力付加手段と、
前記複数個の電極のうち所要の電極と前記標本対象電極との間の電気化学的電流ノイズ、及び、前記複数の電極のうち前記標本対象電極を除く所要の電極と前記腐食条件と実質的に同じ腐食条件下に在る残留応力測定対象金属との間の電気化学的電流ノイズを、夫々、第１電気化学的電流ノイズ及び第２電気化学的電流ノイズとして測定する測定手段と、
前記負荷応力と、前記第１電気化学的電流ノイズとの関係を解析する解析手段と、
前記解析結果のデータと前記第２電気化学的電流ノイズとを対比して、前記残留応力測定対象金属に残留する残留応力を算出する残留応力算出手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の金属の残留応力測定装置では、上記測定手段が電気化学的電流ノイズに代えて電気化学的電位ノイズを測定し、上記残留応力算出手段が、電気化学的電流ノイズに代えて電気化学的電位ノイズに基づいて残留応力を算出する構成を採用することも出来る。
【０００８】
本発明の金属の残留応力測定装置によると、標本対象電極に付加される負荷応力と、標本対象電極に流れる第１の電気化学的電流ノイズ又はこれに現れる電気化学的電位ノイズとの関係が解析され、その解析結果と、残留応力測定対象金属に流れる第２電気化学的電流ノイズ又はこれに現れる電気化学的電位ノイズとの関係に基づいて、腐食対象金属の内部応力の大きさが、応力腐食割れ発生に先立って定量的に把握される。
【０００９】
ここで、電気化学的電流ノイズ及び電気化学的電位ノイズの双方に基づいて、残留応力測定対象金属の残留応力の大きさを把握してもよく、この場合、得られた結果の信頼性が向上する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明に係る金属の残留応力測定装置の実施形態例に基づいて、本発明を更に詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態例に係る金属の残留応力測定装置の全体構成の概要を示すブロック図である。本実施形態例の残留応力測定装置は、内部に所要量の腐食性溶液１２を収容した応力腐食測定容器１１を有しており、腐食性溶液１２中には、残留応力測定対象となる金属表面と実質的に同じ材質の３個の測定電極、つまり、第１、第２及び第３電極２１、２２、２３が浸漬されている。これら各電極２１、２２、２３は、所定の腐食条件下、即ち、所定の腐食性溶液中で、且つ、所定の温度条件下に置かれる。第２電極２２は、標本対象電極を構成し、該標本対象電極２２には、図示しない負荷応力付加手段によって外部から引張り応力が付加されている。この負荷応力値は、所望により、例えば２０〜３０Kg/mm2 程度の任意の値に設定できる。
【００１２】
第１電極２１と第２電極２２との間には、内部抵抗がほぼゼロの電流測定回路、いわゆる無抵抗電流計（zero resistance ammerter：ＺＲＡ）２４が接続してあり、また、第２電極２２と第３電極２３との間には、双方の電極に影響を与えないで双方の電極間の信号電圧を測定できる、入力インピーダンスが非常に大きなアンプ回路、ここではバッファー回路２５を接続してある。無抵抗電流計２４の出力は、信号処理回路３１、３２を介してコンピュータ７１のデータ記憶部７２に入力され、また、バッファ回路２５の出力は、信号処理回路３３を介してコンピュータ７１のデータ記憶部７２に入力されている。
【００１３】
第１電極２１と第２電極２２との間には、一般に、双方の電極表面の腐食の進行程度に応じたカップリング電流（結合電流）が流れる。このカップリング電流は、無抵抗電流計２４によって測定され、直流電流成分（Ｉmean）ａとしてコンピュータ７１に送られると共に、信号処理回路３１のフィルタ回路によって、その低周波数領域である１Ｈｚ程度以下の周波数領域の成分が抽出された後に所定の信号処理が行われる。
【００１４】
本実施形態例では、特に、カップリング電流を信号処理回路３２内のバンドパスフィルタ回路で濾波することによって、カップリング電流の内の０．０１〜１Ｈｚ程度の周波数帯域の信号成分が抽出され、これに所定の信号処理を行うことにより、電気化学的電流ノイズ（Ｉｎ）ｂが得られる。得られた電気化学的電流ノイズ（Ｉｎ）ｂも、コンピュータ７１のデータ記憶部７２に時系列で蓄積される。また、これに代えて、電気化学的電流ノイズ（Ｉｎ）ｂは、コンピュータ７１に取り込まれたカップリング電流の直流電流成分（Ｉmean）に所定の演算処理を行って、その標準偏差を求めることによっても同様に得られる。
【００１５】
第２電極２２と第３電極２３との間の電位差は、バッファ回路２５によって測定され、この電位差から、信号処理回路３３内のフィルタ回路によって１Ｈｚ程度以下の周波数領域の成分が抽出される。本実施形態例では、特にバンドパスフィルタ回路を利用して、０．０１〜１Ｈｚ程度の周波数帯域の電位差変動を抽出し、これを信号処理することによって、電気化学的電位ノイズ（Ｖｎ）ｃを得る。電気化学的電位ノイズ（Ｖｎ）ｃは、コンピュータ７１のデータ記憶部７２に時系列で蓄積される。なお、これに代えて、電気化学的電位ノイズ（Ｖｎ）ｃは、電位差を直接にコンピュータ７１に取り込んで所定の演算処理を行って、その標準偏差を求めることによっても同様に得られる。
【００１６】
図２（ａ）及び（ｂ）は、上記実施形態例における、結合電流の直流成分（Ｉmean）ａ、電気化学電流ノイズ（Ｉｎ）ｂを求める演算回路３１、３２、及び、電気化学的電位ノイズ（Ｖｎ）ｃを求める演算回路３３の構成を夫々示している。これら演算回路３１〜３３は、各データをアナログ的に処理する一例である。同図（ａ）において、第１電極２１と第２電極２２との間の電流（電流信号）は、無抵抗電流計２４によってカップリング電流として測定される。カップリング電流は、信号処理回路３１に入力され、まず、図示しないＲＭＳ処理回路部分及びＤＣコンバータ部分を内蔵する対数コンバータ４１に入力される。対数コンバータ４１では、そのＲＭＳ処理回路部分で、カップリング電流の２乗平均が求められ、次いで、ＤＣコンバータ部分でその２乗平均が直流に変換され、次いで、対数に変換される。対数コンバータ４１の出力は、Ａ／Ｄコンバータ４２に送られ、ここでデジタル信号に変換されて、カップリング電流の直流成分（Ｉmean）ａとしてコンピュータ７１に入力される。
【００１７】
無抵抗電流計２４によって測定されたカップリング電流は、更に、信号処理回路３２のバンドパスフィルター回路５１にも入力されており、０．０１〜１Ｈｚ程度の周波数帯域の成分が抽出された上で、先の対数コンバータ４１と同様な構成を有する対数コンバータ５２に入力されて、所定の信号処理及び対数変換が行われ、さらに、Ａ／Ｄコンバータ５３によってデジタル信号に変換された後に、電気化学的電流ノイズ（Ｉn）ｂとしてコンピュータ７１に入力される。
【００１８】
第２電極２２と第３電極２３との間の電位差（電圧信号）は、図２（ｂ）に示したように、バッファー回路２５によって測定され、信号処理回路３３内のバンドパスフィルター回路６１によって０．０１〜１Ｈｚ程度の周波数帯域の成分が抽出された上で、先の対数コンバータ４１、５２の構成と同様な構成を有する対数コンバータ６２に入力される。対数コンバータ６２によって所定の信号処理及び対数変換が行われ、さらに、Ａ／Ｄコンバータ６３によってデジタル信号に変換された後に、電気化学的電位ノイズ（Ｖn）ｃとしてコンピュータ７１に入力される。
【００１９】
図２（ａ）及び（ｂ）の信号処理回路に代えて、デジタル処理を行う回路構成を採用することもでき、このようなデジタル回路構成によっても同様な信号が得られる。
【００２０】
図１に戻り、本実施形態例では、第２電極２２に引張応力を所望の範囲で付加し、且つその応力を種々に変化させた状態で、第１電極２１と第２電極２２との間の電気化学的電流ノイズ（Ｉn ）ｂ及び電気化学的電位ノイズ（Ｖn ）ｃを測定する。各測定データは、上記のように、コンピュータ７１のデータ記憶部７２に入力する。
【００２１】
データ記憶部７２に蓄積されている電気化学的電流ノイズ（Ｉn ）ｂ及び電気化学的電位ノイズ（Ｖn ）ｃの測定データは、負荷応力解析手段７３に入力される。負荷応力解析手段７３は、負荷応力の実際の値と、データ記憶部７２からの電気化学的電流ノイズ（Ｉn ）ｂ及び電気化学的電位ノイズ（Ｖn ）ｃの測定データとを取り入れて、この腐食条件下における負荷応力と、電気化学的電流ノイズ（Ｉn ）ｂ及び電気化学的電位ノイズ（Ｖn ）ｃとの関係を近似式やグラフ形式で解析する。
【００２２】
負荷応力の変化と、例えば電気化学的電流ノイズ（Ｉn ）ｂとの関係をグラフ形式に表現した一例を図３に示す。同図で、横軸は電気化学的電流ノイズの測定値、縦軸は負荷応力である。同図の例では、負荷応力を応力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、及び、Ｐ４と段階的に増加させ、その都度、第１電極２１と第２電極２２との間の電気化学的電流ノイズ（Ｉn ）ｂを測定している。この場合、電気化学的電流ノイズ（Ｉn ）ｂの測定値は、応力にほぼ比例してｂ１、ｂ２、ｂ３、及び、ｂ４と増加する。つまり、電気化学的電流ノイズ（Ｉn ）ｂと負荷応力Ｐとの関係は、比例関係であり、これはグラフ上の直線Ｓｌとして解析することが出来る。従って、第１電極２１と第２電極２２との間の任意の電気化学的電流ノイズ（Ｉn ）ｂを測定した場合には、第２電極２２に与えた負荷応力Ｐの値を容易に求めることが出来る。本実施形態例では、この解析には、電気化学的電流ノイズに加えて、同様な性質を有する電気化学的電位ノイズ（Ｖn ）ｃをも利用している。解析結果のデータは、ＣＲＴ７６及びプリンタ７７に表示する一方、残留応力算出手段７４に出力される。
【００２３】
引き続き、応力腐食測定容器１１には、図１で便宜上右側の容器１１として示すように、標本対象電極である第２電極２２に代えて、残留応力測定対象を成す金属である電極２２’が浸漬される。測定対象金属２２’と第１電極２１及び第３電極２３との間の電気化学的電流ノイズ及び電気化学的電位ノイズが、測定対象金属２２’には引張り応力が付加されないことを除いて、標本対象電極２２の場合と同様に測定される。測定データは、先の場合と同様に、信号処理回路３１、３２、３３を経由してコンピュータ７１のデータ記憶部７２に入力される。
【００２４】
データ記憶部７２には、測定データ処理部７５が接続されており、測定データ処理部７５は、測定対象金属２２’から得られる電気化学的電流ノイズ（Ｉｎ’）ｂ及び電気化学的電位ノイズ（Ｖｎ’）ｃを取り入れ、当該測定データの平均演算、又は、特定データの抽出等の処理を実施して、残留応力算出手段７４に出力する。残留応力算出手段７４は、負荷応力解析手段７３の解析結果から得られた直線Ｓ１に基づいて、測定対象金属２２’から得られた電気化学的電流ノイズ（Ｉｎ’）ｂ及び／又は電気化学的電位ノイズ（Ｖｎ’）ｃの平均値又は特定データから、測定対象金属２２’内の残留応力を求める。例えば、図４において、測定対象金属２２’から得られた電気化学的電流ノイズ（Ｉｎ’）ｂの値から直線Ｓｌに基づいて、測定対象金属２２’に残留する残留応力Ｐを求めることが出来る。残留応力算出手段７４の算出結果は、ＣＲＴ７６やプリンタ７７に出力される。
【００２５】
残留応力算出手段７４による算出結果が、測定対象金属２２’の残留応力が大きいという結果である場合には、測定対象金属２２’を別部品の金属と交換する時期であると判定する。
【００２６】
上記第１の実施形態例は、使用中の測定対象金属を取り外して腐食性溶液に浸すことにより、残留応力を測定する例である。この実施形態例では、測定対象金属２２’から得られたデータから、測定対象金属２２’の残留応力を予測するようにしたから、測定対象金属２２’の残留応力を定量的に測定することができ、測定対象金属２２’及びこれと同じ条件下の対象金属の交換時期を応力腐食割れの発生前に予測することができる。
【００２７】
なお、上記実施形態例では、３本の電極の内、電極標本対象電極を測定対象金属に置き換える構成を採用したが、これに代えて、測定用電極及び腐食性溶液を収容する容器を夫々２組用意しておき、信号処理回路及びコンピュータシステムを切り換えて使用してもよい。
【００２８】
図５は、本発明の第２の実施形態例の金属の残留応力測定装置の概要を示す模式的ブロック図である。残留応力測定対象を成す構造物８１の、測定すべき残留応力が生じていると思われる位置に出来るだけ近い位置８２に測定用金属容器１１を配置する。金属容器１１には、その内部に所定の腐食性溶液１２が収容され、測定用電極８３、８４が浸漬されている。金属容器１１は、測定対象構造物８１に電気的に接触させて配置している。金属容器１１の近傍に金属電極８５を配置し、これと測定対象構造物８１とを電気的に接触させる。
【００２９】
金属電極８５と、腐食性溶液１２を収容した応力腐食測定容器１１に浸漬した測定用電極８３及び８４との間で得られる電気化学的電流ノイズ（Ｉｎ’）ｂ及び電気化学的電位ノイズ（Ｖｎ’）ｃの平均値等を、第１の実施形態例と同様なコンピュータ及び信号処理回路を含むコンピュータシステム８６によって求める。この平均値等と、別に負荷応力を与えて測定した標本対象電極と測定用電極８３及び８４との間の電気化学的電流ノイズ及び電気化学的電位ノイズの解析結果とを対比させることにより、測定対象構造物８１に残留する残留応力を定量的に算出する。これにより、従来は測定が困難であった運用中の構造物８１の残留応力の定量的測定が、その状態を維持したままで可能となる。
【００３０】
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明の金属の残留応力測定装置は、上記実施形態例の構成のみに限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施した金属の残留応力測定装置も、本発明の範囲に含まれる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の金属の残留応力測定装置によると、簡単な構成にも拘らず、残留応力測定対象金属や構造物の残留応力を、応力腐食割れ発生に先立って定量的に測定することができ、金属又は構造物の交換時期を判定することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例の金属の残留応力測定装置のブロック図。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は夫々、図１の測定装置におけるカップリング電流及び電圧信号の信号処理回路の構成を示すブロック図。
【図３】負荷応力の変化と、電気化学的電流ノイズ（Ｉn ）ｂとの関係の解析結果を示すグラフ。
【図４】測定対象金属の残留応力を算出する例を示すグラフ。
【図５】本発明の第２の実施形態例の金属の残留応力測定装置の模式的ブロック図。
【符号の説明】
１１  容器
１２  腐食性溶液
２１〜２３、８０、８４、８６  電極
２２’  金属（測定対象）電極
２４  無抵抗電流計
２５  バッファ回路
３１、３３  信号処理回路
４１  対数コンバータ
４２  Ａ／Ｄコンバータ
５１  バンドパスフィルタ
５２  対数コンバータ
５３  Ａ／Ｄコンバータ
６１  バンドパスフィルタ
６２  対数コンバータ
６３  Ａ／Ｄコンバータ
７１  コンピュータ
７２  データ記憶部
７３  負荷応力解析手段
７４  残留応力算出手段
７５  測定データ処理部
７６  ＣＲＴ
７７  プリンタ
８１  測定対象構造物
８２  残留応力位置
８３、８４、８５  電極
８６  コンピュータシステム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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