(57)【要約】  磁化可能な材料で作られた部品２の有効応力値σを決定するための装置１であり、装置は、変動する振幅Ｈの磁場を生成する生成ステージ３と、磁場の振幅Ｈの変動に沿ってバルクハウゼンノイズ信号ＭＢＮを捕捉するピックアップステージ４とを含む。装置は、磁場の振幅Ｈの変動に沿って信号ＭＢＮの最大値ＭＢＮｍａｘの逆数１／ＭＢＮｍａｘを計算する処理ユニットを有し、処理ユニット５が、最大値の逆数１／ＭＢＮｍａｘと有効応力値σとの間の線形関係を記憶するメモリステージ１５を有特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化可能な材料で作られた部品（２）の有効応力値（σ）を決定するための装置であって、
変動する振幅（Ｈ）の磁場を生成する生成ステージ（３）と、
前記磁場の前記振幅（Ｈ）の変動に沿ってバルクハウゼンノイズ信号（ＭＢＮ）を捕捉するピックアップステージ（４）と、を備え、
該装置が、
前記磁場の前記振幅（Ｈ）の変動に沿って前記信号（ＭＢＮ）の最大値（ＭＢＮｍａｘ）の逆数（１／ＭＢＮｍａｘ）を計算する処理ユニット（５）を備え、
前記処理ユニット（５）が前記最大値の前記逆数（１／ＭＢＮｍａｘ）と前記有効応力値（σ）との間の線形関係を記憶するメモリステージ（１５）を備えることを特徴とする、装置。
【請求項２】
前記信号（ＭＢＮ）をフィルタリングするための帯域フィルタ（１１）を、前記ピックアップステージ（４）の下流でかつ前記メモリステージ（１５）の上流に備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記生成ステージ（３）が、前記部品（２）の自由表面（８）からの第一距離（ｄ１、ｄ２）に関連付けられる少なくとも第一の周波数（ｆ１、ｆ２）で前記磁場を生成し、
前記帯域フィルタ（１１）が、前記第一の周波数（ｆ１、ｆ２）と前記距離（ｄ１、ｄ２)には無関係の閾値周波数（ｆ０）との間の周波数を有する前記信号（ＭＢＮ）の成分を通過させることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記生成ステージ（３）が、少なくとも第二の周波数（ｆ２、ｆ１）で前記磁場を生成し、
前記メモリステージ（１５）が、前記第一及び第二の周波数（ｆ１、ｆ２）にそれぞれ関連付けられかつ前記部品（２）の前記表面からの第一及び第二距離（ｄ１、ｄ２）における前記有効応力値（σ）にそれぞれ関連付けられる第一及び第二の前記線形関係を記憶することを特徴とする、請求項２または３に記載の装置。
【請求項５】
前記生成ステージ（３）が、前記表面（８）からの増大する距離（ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄｉ、．．．、ｄｎ）に関連付けられたある範囲の周波数（ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆｉ、．．．、ｆｎ）で前記磁場を生成し、
前記処理ユニット（５）が、所与の距離（ｄｉ）においてピックアップされた前記信号（ＭＢＮ）から前記所与の距離（ｄｉ）より小さい距離（ｄ１、ｄ２、．．．，、ｄｉ−１）においてピックアップされた信号（ＭＢＮ）を表す値を減算する分析ステージ（２０）を備えることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記分析ステージ（２０）が、前記所与の距離（ｄｉ）においてピックアップされた前記信号（ＭＢＮ）から前記所与の距離（ｄｉ）に先行する距離（ｄｉ−１）においてピックアップされた前記信号（ＭＢＮ）を減算することを特徴とする、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記メモリステージ（１５）が、
前記振幅（Ｈ）の変動に沿った、所与の周波数（ｆ１、ｆ２）についての前記最大値の前記逆数（１／ＭＢＮｍａｘ）と有効作用応力値（σ）との間の第一線形関係と、
前記振幅（Ｈ）の変動に沿った、所与の周波数（ｆ１、ｆ２）についての前記最大値の前記逆数（１／ＭＢＮｍａｘ）と有効残留応力値（σ）との間の第二の線形関係と、を記憶することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記第一線形関係及び前記第二線形関係の直線の傾きが、同じ材料で作られた部品（２）については等しいことを特徴とする、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
磁化可能な材料で作られた部品（２）の応力を決定する方法であって、
変動する振幅（Ｈ）の磁場を生成するステップと、
前記磁場の前記振幅（Ｈ）の変動に沿って前記部品（２）のバルクハウゼンノイズ信号（ＭＢＮ）を捕捉するステップと、を含み、
前記磁場の前記振幅（Ｈ）の変動に沿って前記バルクハウゼンノイズ信号の最大値（ＭＢＮｍａｘ）の逆数（１／ＭＢＮｍａｘ）を計算するステップと、
前記最大値（ＭＢＮｍａｘ）の前記逆数（１／ＭＢＮｍａｘ）と有効応力値（σ）との間の線形関係によって前記部品（２）の有効応力値（σ）を計算するステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記計算するステップの前にかつ前記捕捉するステップの後に、前記信号（ＭＢＮ）をフィルタリングするステップを含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記生成するステップが、前記部品（２）の自由表面（８）からの第一距離（ｄ１、ｄ２、．．．、ｄｎ）に関連付けられた第一の周波数（ｆ１、ｆ２、．．．、ｆｎ）で前記磁場を生成するステップを含み、
前記フィルタリングするステップが、前記第一の周波数（ｆ１、ｆ２、．．．、ｆｎ）と、前記第一距離（ｄ１、ｄ２、．．．、ｄｎ）には無関係の閾値周波数（ｆ０）との間の前記信号（ＭＢＮ）の周波数帯域をフィルタリングするステップを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記生成するステップが、さらに第二の周波数（ｆ２）で前記磁場を生成するステップを含むことを特徴とする請求項１０または１１に記載の方法であって、
前記第一及び第二の周波数（ｆ１、ｆ２、．．．、ｆｎ；ｆ２）にそれぞれ関連付けられかつ前記部品（２）の前記表面（８）からの第一及び第二距離（ｄ１、ｄ２、．．．，ｄｎ；ｄ２）における前記有効応力値（σ）にそれぞれ関連付けられた前記第一及び第二線形関係を記憶するステップを含むことを特徴とする、請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記生成するステップが、前記表面（８）からの増大する距離（ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄｉ、．．．、ｄｎ）に関連付けられたある範囲の周波数（ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆｉ、．．．、ｆｎ）で前記磁場を生成するステップを含み、
前記計算するステップが、所与の距離（ｄｉ）においてピックアップされた前記信号（ＭＢＮ）から前記所与の距離（ｄｉ）より小さい距離（ｄｉ−１）においてピックアップされた信号（ＭＢＮ）を減算する減算ステップを含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記線形関係が計算される較正ステップを含むことを特徴とする請求項９〜１３のいずれか一項に記載の方法であって、前記較正ステップが、
前記部品（２）の中に応力を生成するために前記部品（２）に荷重を加えるステップと、
ｘ線回析によって前記有効応力値（σ）を測定するステップと、
各前記有効応力値（σ）において前記バルクハウゼンノイズ信号の最大値（ＭＢＮｍａｘ）の前記逆数（１／ＭＢＮｍａｘ）を決定するステップとを含む、請求項９〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
処理ユニット（５）にロード可能であり、かつ実行されると、請求項９〜１４のいずれか一項に記載の方法のステップを実施する、ソフトウェア製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁化可能な材料で作られた部品好ましくは航空機部品の応力を決定する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
知られている通り、航空機産業は、窒化鋼または浸炭鋼の部品を採用している。これらの部品は、まず浸炭され、その後ショットピーニングされ、最後に研磨される。
【０００３】
ショットピーニングは、部品の最も外側の層において等方性残留圧縮状態を生じるように部品表面を冷間加工する機械的工程である。
【０００４】
研磨は、しばしば、残留応力、微細構造及びその結果としての耐摩耗性及び疲労強さなどの特性の点に関してショットピーニングされた部品の最終表面状態に影響を与える。
【０００５】
特に、研磨パラメータが慎重に制御されないと、研磨エリアにおいて生じる熱の形のエネルギーの局部的注入が、表面層に深刻な熱損傷を引き起こす可能性がある。
【０００６】
部品の温度が焼戻し温度を上回ると、研磨は、冶金レベルで微細構造のマルテンサイト変化を生じて、いわゆる過焼戻しマルテンサイト、すなわち、より柔らかい表面領域及び機械的特性の全体的低下を伴う準安定相を生じる可能性がある。
【０００７】
その結果、過焼戻しマルテンサイトは、クラックの開始を促進する可能性がある。また、研磨は、材料の残留応力パターンを変化させる可能性もある。
【０００８】
最悪の場合には、材料は、表面領域において残留圧縮応力を生じ、また表面に近い内側領域において残留引張り応力を生じ、その結果材料の応力に急激な変化が生じる可能性がある。
【０００９】
応力の最終的な大きさ及び均等性が大幅に変動する可能性がある。
【００１０】
従って、業界では、部品の疲労強度の正確な評価を可能にするために部品の応力に対する研磨の影響を決定する必要性が感じられている。
【００１１】
既知の化学エッチング部品検査法は、重量微細構造鋼（heavy microstructural steel）にしか効果的ではなく、常にある程度の主観的評価を伴う。
【００１２】
さらに、この検査法は、窒化鋼または浸炭鋼部品の残量応力において過焼戻しによって生じる変化を決定することもできない。
【００１３】
部品の応力を決定する別の方法は、バルクハウゼン効果を採用する。
【００１４】
バルクハウゼン効果によれば、変化する磁場に曝された磁化可能な材料例えば強磁性体の部品内部の磁束は、連続的に変動せず、離散的変化を経る。離散的変化は、部品近くに配置されたコイルにおいて電圧パルスを誘発する。電圧パルスは、増幅されてスピーカーに接続されて、バルクハウゼンノイズとして知られる音響パルスを生成できる。
【００１５】
部品内部における磁束の離散的変化は、磁区の縁の不連続移動に関係する。より具体的に言うと、非磁化部品において、磁区はランダムに配向されるので、物体の平均磁化はゼロである。外部磁場に曝されると、部品の磁区の向きは、それに応じて変化する傾向があり、隣接する磁壁の移動を生じて、物体の巨視的磁化は、部品内の磁気的不連続性のために離散的変化を生じる。
【００１６】
バルクハウゼンノイズ特性は、部品の引張り応力または圧縮応力の影響を受けることが知られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
業界では、磁化可能な材料で作られた部品の応力をバルクハウゼン効果を用いて決定するための、実施し易い装置及び方法の必要性が感じられている。
【００１８】
また、部品の様々な深さにおける前記応力を決定するための、直接的で実施し易い装置及び方法の必要性も感じられている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明によれば、磁化可能な材料で作られた部品の応力を決定する装置が提供される。
装置は、
変動する振幅の磁場を生成する生成ステージと、
前記磁場の前記振幅の変動に沿ってバルクハウゼンノイズ信号を捕捉するピックアップステージと、を備え、
装置は、
前記磁場の前記振幅の変動に沿って前記信号の最大値の逆数を計算する処理ユニットを備え、
前記処理ユニットが前記最大値の前記逆数と有効応力値との間の線形関係を記憶するメモリステージを備えることを特徴とする。
【００２０】
本発明によれば、磁化可能な材料で作られた部品の応力を決定する方法も提供される。  この方法は、
変動する振幅の磁場を生成するステップと、
前記磁場の前記振幅の変動に沿って前記部品のバルクハウゼンノイズ信号を捕捉するステップと、を含み、
前記磁場の前記振幅の変動に沿って前記バルクハウゼンノイズ信号の最大値の逆数を計算するステップと、
前記最大値の前記逆数と有効応力値との間の線形関係によって前記部品の有効応力値を計算するステップと、を含むことを特徴とする。
【００２１】
本発明の好ましい非限定的実施形態について、添付図面を参照して例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る、磁化可能な材料で作られた部品の応力を決定する装置の概略図である。
【図２】様々な有効作用応力値についての、図１の装置によって与えられた磁場の振幅の変動に沿った実効バルクハウゼンノイズ信号値のグラフである。
【図３】図２と同じ部品についての、有効作用応力値の変動に沿った図２のバルクハウゼンノイズ信号の実効値のグラフである。
【図４】図２及び図３と同じ部品についての、有効作用応力値の変動に沿った保磁点（coercive point）における非ヒステリシス微分磁化率（nonhysteretic differential susceptibility）の理論的試験グラフである。
【図５】図２、図３及び図４と同じ部品についての、有効作用応力値の変動に沿った非ヒステリシス微分磁化率の逆数の理論的試験グラフである。
【図６】図２〜図５と同じ部品についての、有効作用応力値の変動に沿った最大実効バルクハウゼンノイズ信号値の逆数の理論的試験グラフである。
【図７】様々な材料の部品についての、図１の装置によって与えられた磁場の強さ及び有効残留応力値の変動に沿った実効バルクハウゼンノイズ信号のグラフである。
【図８】様々な材料の部品についての、図１の装置によって与えられた磁場の強さ及び有効残留応力値の変動に沿った実効バルクハウゼンノイズ信号のグラフである。
【図９】図７及び図８と同じ部品についての、有効残留応力値の変動に沿った最大実効バルクハウゼンノイズ信号の逆数のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１において、参照番号１は、磁化可能な材料好ましくは強磁性体で作られた部品２の応力を決定する装置全体を示す。
【００２４】
部品２は、航空機部品であることが好ましい。
部品２は、熱処理、ショットピーニング及び研磨によって硬化されていることが好ましい。
また、部品２は、浸炭鋼または窒化鋼で作られ、焼戻し温度より高い温度で研磨されていることが好ましい。
【００２５】
装置１は、
異なる周波数値ｆ１、ｆ２、．．．ｆｉ、．．．ｆｎ及び異なる振幅値Ｈの交番磁場を部品２上に生成するための磁化要素３と、
部品２内部の磁場の作用から派生するバルクハウゼンノイズの振幅の実効値ＭＢＮを決定するためのプローブ４と、
プローブ４によって捕捉されたバルクハウゼンノイズを処理して、部品２における応力の有効値σを発出するための処理ユニット５と、を実質的に備える。
【００２６】
より具体的に言うと、要素３は、交流ジェネレータ６に接続された巻線２１を備えたフェライト磁心であることが好ましい。
【００２７】
要素３は、Ｕ字形であり、それぞれの端が部品２の自由面８に当接しかつこれと直角を成す２本の平行のアーム７と、前記アーム７の間に延びかつ自由面８に平行で自由面８から所与の距離の横材９とを備える。
【００２８】
要素３によって生成された磁場は、部品２において、離散的に変動する磁束を引き起こす。
【００２９】
プローブ４は巻線１０を備え、前記巻線１０において、２本の対向するアーム７の間の磁束の垂直成分が捕捉される。同じ磁束が、部品２に存在して、実効値ＭＢＮの電圧の離散的ジャンプを生み出す。
【００３０】
各周波数ｆ１、ｆ２、．．．ｆｉ、．．．ｆｎについて、処理ユニット５は、要素３によって与えられた磁場の振幅Ｈの変動に沿った実効値ＭＢＮの最大値ＭＢＮｍａｘを計算する。
【００３１】
また、装置１は、プローブ４によって捕捉された実効値ＭＢＮを増幅するための増幅器１２と、実効値ＭＢＮをフィルタリングするための帯域フィルタ１１とを備える。
【００３２】
より具体的に言うと、フィルタ１１は、部品２の表面８と検査領域との間のそれぞれの距離ｄ１、ｄ２、．．．ｄｉ、．．．ｄｎに関連付けられる周波数ｆ１、ｆ２、．．．ｆｉ、．．．ｆｎと、表面８からの距離には無関係の閾値周波数ｆ０との間の実効値ＭＢＮの周波数成分を通過させるように設計されている。
【００３３】
より具体的に言うと、周波数ｆｉは、
【数１】
2013526722.tif 000003
に等しい。ここで、μ＝μｏμｒは、透磁率であり、σｅは、導電率であり、ｄｉは、有効応力値σが決定される部品２の表面８からの距離である。
【００３４】
従って、各周波数ｆ１、ｆ２、．．．ｆｉ、．．．ｆｎは、表面８からそれに垂直に測定された様々な距離ｄ１、ｄ２、．．．ｄｉ、．．．ｄｎまでの磁場の所与の浸透に対応する。
【００３５】
より具体的に言うと、周波数ｆ１、ｆ２、．．．ｆｉ、．．．ｆｎが小さくなると、それだけ距離ｄ１、ｄ２、．．．ｄｉ、．．．ｄｎが大きくなる。
【００３６】
処理ユニット５は、それぞれの距離ｄ１、ｄ２、．．．ｄｉ、．．．ｄｎに対応する各周波数ｆ１、ｆ２、．．．ｆｉ、．．．ｆｎについて、磁場の振幅Ｈの変動に沿って実効値ＭＢＮの最大値ＭＢＮｍａｘの逆数１／ＭＢＮｍａｘを計算するように有利に構成されており、各周波数ｆ１、ｆ２、．．．ｆｉ、．．．ｆｎについて、実効値ＭＢＮの最大値ＭＢＮｍａｘの逆数（１／ＭＢＮｍａｘ）と有効応力値σとの間の線形関係（図６及び図９）を記憶するメモリステージ１５を備える。
【００３７】
有効値σは、一軸応力の場合には引張りまたは圧縮応力に等しく、多軸応力の場合には相当応力に等しい。
【００３８】
従って、各線形関係は、表面８からの様々な距離ｄｉにおける最大値ＭＢＮｍａｘの逆数（１／ＭＢＮｍａｘ）と有効応力値σとの間の関係を示す。
【００３９】
装置１は、距離ｄｉにおいて捕捉された実効値ＭＢＮから、距離ｄｉより小さい距離ｄ１、ｄ２、．．．、ｄｉ−１において捕捉された実効値ＭＢＮの有効値を減算するための分析ステージ２０も備える。
【００４０】
前記有効値は、距離ｄｉ−１において捕捉された実効値ＭＢＮに好ましく等しい。
【００４１】
従って、装置１は、表面８と有効応力値σが測定される部品２の領域との間の距離ｄｉに起因する実効値ＭＢＮの減衰を考慮する。
【００４２】
メモリステージ１５は、それぞれの周波数ｆ１、ｆ２、．．．、ｆｉ、．．．ｆｎについて、逆数１／ＭＢＮｍａｘと有効作用応力値σとの間の多数の第一線形関係（その一つが図５に示される）を好ましく記憶する。
【００４３】
また、メモリステージ１５は、それぞれの周波数ｆ１、ｆ２、．．．、ｆｉ、．．．ｆｎについて、逆数１／ＭＢＮｍａｘと有効残留応力値σとの間の多数の第二線形関係（その二つが図９に示される）も記憶する。
【００４４】
前記関係の直線の傾きは、同じ周波数値ｆ１、ｆ２、．．．、ｆｉ、．．．ｆｎについて好ましく等しい。
【００４５】
メモリステージ１５に記憶される各線形関係のグラフは、装置１を較正するときに得られる。
【００４６】
較正ステージにおいて、所与の材料及び所与の距離ｄｉについての有効応力値σがｘ線回析によって決定され、各有効応力値σについて逆数１／ＭＢＮｍａｘが決定される。
【００４７】
増幅器１２、データ収集カード１３及び要素１３用のパワーアンプ１４が、装置１の中央ユニット３０の中に設置される。
【００４８】
ジェネレータ６、フィルタ１１、メモリステージ１５、分析ステージ２０、及び有効値σを表示するための表示ステージ３５が、装置１のパソコンの中に設置される。
【００４９】
処理ユニット５にロードされてここで実行されるソフトウェアは、各周波数ｆｉについて逆数１／ＭＢＮｍａｘの値及び対応する有効値σを生成するアルゴリズムを採用する。
【００５０】
実際の使用において、要素３は、所与の周波数ｆ１、ｆ２、．．．、ｆｉ、．．．ｆｎを有する可変的な磁場を生成する。また、磁場の振幅Ｈは変動するが、周波数ｆ１、ｆ２、．．．、ｆｉ、．．．ｆｎは一定に維持される。
【００５１】
磁場は、部品２にぶつかると部品２の磁区に整列するので、プローブ４の巻線１０において実効値ＭＢＮの離散的電圧パルスを生み出す。
【００５２】
フィルタ１１は実効値ＭＢＮの電圧信号をフィルタリングする。
【００５３】
各周波数値ｆ１、ｆ２、．．．、ｆｉ、．．．ｆｎについて、処理ユニット５は、磁場の振幅Ｈの変動に沿って実効値ＭＢＮの最大値ＭＢＮｍａｘを計算し、及びメモリステージ１５の中の線形関係（図５及び図９）に基づいて、周波数ｆ１、ｆ２、．．．、ｆｉ、．．．ｆｎに関連付けられる距離ｄｉにおける部品２の有効応力値σを生成する。
【００５４】
次に、周波数ｆ１、ｆ２、．．．、ｆｉ、．．．ｆｎは変更されて、メモリステージ１５に記憶された異なる線形関係を用いて異なる距離ｄ１、ｄ２、．．．、ｄｉ、．．．、ｄｎにおける部品２の有効応力値σを得るために、上述したように測定が繰り返される。
【００５５】
各距離ｄｉについて、分析ステージ２０は、表面８からの距離がｄｉより小さい距離ｄ１、ｄ２、．．．、ｄｉ−１における部品２の材料によるバルクハウゼンノイズ減衰を考慮するため、距離ｄｉにおいて捕捉した実効値ＭＢＮから距離ｄ１、ｄ２、．．．、ｄｉ−１において捕捉した実効値ＭＢＮの有効値を減算する。
【００５６】
前記有効値は、距離ｄｉ−１において捕捉された実効値ＭＢＮに好ましく等しい。
【００５７】
装置１は、有効応力値σを測定する前に、メモリステージ１５に線形関係を記憶することによって較正される。
【００５８】
より具体的に言うと、部品２と同じ材料で作られた試験片に応力が与えられて、表面８からの各距離ｄｉについて、ｘ線回析によって有効応力値σが測定され、プローブ４によって最大値ＭＢＮｍａｘが測定される。
【００５９】
図５及び図９に線形関係が示されるが、これは、下記のように出願者による調査の結果である。
【００６０】
要約すると、出願者は、下記のこと、即ち、
所与の材料の場合、所与の周波数ｆｉにおける実効値ＭＢＮの最大値ＭＢＮｍａｘは、最大微分磁化率χ’ｍａｘに依存すること、
ほとんどの材料の場合、非ヒステリシス微分磁化率χ’ａｎは、最大微分磁化率χ’ｍａｘに等しいこと、及び
非ヒステリシス微分磁化率χ’ａｎの逆数１／χ’ａｎは、材料の有効応力値σの一次関数であることに気づいた。
【００６１】
より具体的に言うと、通常、保磁点（coercive point）においてすなわち作用磁場の振幅Ｈがゼロのとき、最大非ヒステリシス微分磁化率χ’ａｎに達し、部品２は部品２のヒステリシスサイクルに起因する残留磁化を含む。
【００６２】
従って、出願者は、最大値ＭＢＮｍａｘの逆数１／ＭＢＮｍａｘと有効値σとの間の線形関係の存在を推定し、試験によってこれを確認した。
【００６３】
より具体的に言うと、出願者は、加工面において異なる条件を得るために、円筒形のＳＡＥ９３１０及びＳＡＥ３２ＣＤＶ１３鋼の試験片を、丸みのあるドッグボーン形（dog-bone-shaped）ＳＡＥ９３１０鋼の引張り試験片と一緒に研磨した。
【００６４】
その化学組成を表１に示す。
【表１】
2013526722.tif 000004
【００６５】
次に、３つの３２ＣＤＶ１３試験片及び引張り試験片をショットピーニングして、高圧縮応力領域を調べた。寸法、研磨及びショットピーニング条件の詳細及びその結果生じたこれら試験片の残留表面応力を、表２及び３に示す。
【表２】
2013526722.tif 000005
【表３】
2013526722.tif 000006
【００６６】
引張り試験時に、試験片は、機械的サーボ水圧試験装置を用いて、弾性限界の範囲内で様々な有効応力値σにかけられて、増分５０ＭＰａの単調増加荷重について実効値ＭＢＮが測定された。
【００６７】
浸炭ＳＡＥ９３１０試験片について、及びこの場合には引張り応力である様々な有効作用応力値σについて、実効値ＭＢＮの配列の包絡曲線を図２に示す。前記包絡曲線は、２０〜１２５０ＫＨｚの周波数範囲における実効値ＭＢＮを表す。
【００６８】
実効バルクハウゼンノイズ値ＭＢＮの漸進的変化が、増大する実効応力値σを生み出す荷重に反応して観察された。この性質は、等価磁場Ｈσに関して作用応力の効果を説明する理論に一致する。この付加的磁場は、磁気弾性結合から派生し、下記の式で表される。
【数２】
2013526722.tif 000007
ここで、σは有効応力値であり、λは磁気ひずみであり、μ０は、真空透磁率であり、θは応力軸（例えば、引張り応力の場合引張り軸）とＨσの方向との間の角度であり、νはポアソン比である。従って、実効値ＭＢＮは、下記のように表すことができる実際の磁場に対する反応である。
【数３】
2013526722.tif 000008
ここで、Ｈｅは全体磁場であり、αは磁区結合を表す平均磁場パラメータであり、Ｈσは等価応力場である。出願者の測定において、印加された外部磁場Ｈは、有効作用応力値σと同軸なので、有効作用応力値σの増大は、磁区においてより高い全体磁場Ｈｅを引き起こす。
【００６９】
その結果として、磁壁は、印加磁場のより低い振幅値Ｈにおいて局部的エネルギーバリアを壊す。これは、実効値ＭＢＮの振幅の増大と矛盾しない。
【００７０】
最大値ＭＢＮｍａｘが有効値σの増大と共に増大する傾向が、図３に示される。この有効値σへの依存は、図４に示されるようなＡＩＳＩ４１３０鋼の保磁点非ヒステリシス微分磁化率Χ’ａｎ（Ｈ＝０）において出願者によって観察された。
【００７１】
より具体的に言うと、保磁点非ヒステリシス微分磁化率Χ’ａｎ（Ｈ＝０）は、ゼロ磁場振幅Ｈでかつ部品のヒステリシスサイクルに起因して残留磁化が残っているとき測定された非ヒステリシス微分磁化率χ’ａｎである。
【００７２】
有効応力値σと保磁点非ヒステリシス微分磁化率χ’ａｎ（Ｈ＝０）、すなわち、ゼロ振幅Ｈ、との間のこの関係を示す式が、磁化に関するランジュバン関数から得られた。この式において、等価応力場Ｈσが作用磁場Ｈに及び内部結合磁場αＭに加えられた。
【００７３】
非ヒステリシス磁化Ｍanを表すために使用されたランジュバン関数は下記の通りである。
【数４】
2013526722.tif 000009
ここで、Ｍｓは飽和磁化、すなわち部品２の材料が達することが出来る最大磁化であり、及び、ａは、部品２の材料の温度及び磁区のサイズを考慮した形状パラメータである。
【００７４】
等価磁場Ｈσ（数式３）の効果を考慮すると、応力が存在するとき、非ヒステリシス磁化Ｍanの式は下記のようになる。
【数５】
2013526722.tif 000010
【００７５】
λがＭにおいて対称であるより低い磁化値における磁気ひずみは下式で近似される。
【数６】
2013526722.tif 000011
従って、
【数７】
2013526722.tif 000012
である。
【００７６】
磁気ひずみ係数ｂの値は、磁気ひずみ測定によって実験的に決定できる。非ヒステリシス磁化は、元来、振幅Ｈに対して線形であり、低いＨ値については下記の式で表せる。
【数８】
2013526722.tif 000013
これは、下記のオリジナルの微分磁化式を与える。
【数９】
2013526722.tif 000014
この式は下記のように書き換えることができる。
【数１０】
2013526722.tif 000015
【００７７】
様々な有効値σ及びゼロ振幅Ｈの非ヒステリシス微分磁化率χ’ａｎ（Ｈ＝０）の試験データ及び磁気ひずみ係数ｂを用いて、ＡＩＳＩ４１３０鋼について、ゼロ磁場振幅Ｈのときの有効応力値σへの非ヒステリシス微分磁化率χ’ａｎ（Ｈ＝０）の依存度を計算することができた。また、出願者は、多くの材料について、最大非ヒステリシス微分磁化率χ’ａｎ（Ｈ＝０）が、保磁点、すなわちゼロ振幅Ｈのときの最大微分磁化率χ’ｍａｘに等しいことにも気づいた。
【００７８】
数式１０に基づいて、保磁点において通常測定される最大微分磁化率χ’ｍａｘは、従って下記の式により有効応力値σに関連付けられる。
【数１１】
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【００７９】
図５に示すように、非ヒステリシス微分磁化率χ’ａｎの逆数対有効応力値σをプロットすることによって、理論の真実性が確認された。
【００８０】
図５に示すように、線形関係によって表される理論的予測は、測定において示される傾向と一致するので、測定可能な体積の磁気特性から、特に応力が不在の場合の最大微分磁化率χ’ｍａｘから有効応力値σを決定する便利な方法として数式１１の線形関係を確認する。別のしばしばより実用的である選択肢は、数式１１に示すように保磁点における最大微分磁化率χ’ｍａｘの使用である。
【００８１】
出願者は、最大微分磁化率χ’ｍａｘと同様に、最大値ＭＢＮｍａｘが有効応力値σと一緒に変動することに注目した。
【００８２】
従って、これら２つの結果の間にはなんらかの関係が存在するはずである。１つの理論は、両方が磁化プロセスにおける同じ位相に一致するというものであり、そこではｄＭ／ｄＨの値従ってｄＢ／ｄＨの値は最大である。これらの領域は、保磁点における磁化曲線の一番鋭い傾斜によって表される。もう１つの理論は、所与の時間間隔におけるバルクハウゼン活動のレベルｄＭＪＳ／ｄｔが磁化の変化速度ｄＭ／ｄｔ＝（ｄＭ／ｄＨ）（ｄＨ／ｄｔ）＝χ’ｄＨ／ｄｔに比例するというものである。この関係については、ヒステリシス理論に基づくバルクハウゼン測微活動モデルにおいてすでに説明されている。このモデルによれば、所与の時間Δｔにおいてバルクハウゼンノイズによって発生する電圧の合計は、同じ時間における磁化の合計変化ΔＭに比例する。これは下記の式で表せる。
【数１２】
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ここで、γは、単に磁化の不連続変動対合計変動の比率を表す比例係数（０≦γ≦１）である。この式は、ヒステリシスサイクルの任意の点における実効値ＭＢＮと微分磁化率χ’との間の関連を定義するので、最大値ＭＢＮｍａｘと最大微分磁化率χ’ｍａｘとの間の直接的関係を確認する。従って、逆数１／ＭＢＮｍａｘのグラフは、図５に示すように、有効作用応力値σの線形関係として表すこともできる。
【００８３】
２つのグループの試験片について、実効値ＭＢＮ対有効残留応力値σを図６及び図７に示す。
【００８４】
本発明に係る装置１及び方法の利点は、上の説明から明らかになるだろう。
【００８５】
特に、この装置及び方法は、実効値ＭＢＮの最大値ＭＢＮｍａｘの逆数１／ＭＢＮｍａｘと有効作用応力値または有効残留応力値σとの間の線形関係を採用する。
【００８６】
従って、本発明に係る装置１及び方法は、簡単かつ客観的に有効値σを決定できるようにする。より具体的に言うと、部品２が窒化鋼または浸炭鋼で作られて、焼戻し温度より上の温度でショットピーニング及び研磨されたとき、装置１は、部品２の表面８の真下の領域における残留応力を正確に決定する。
【００８７】
さらに、様々な周波数ｆ１、ｆ２、．．．、ｆｉ、．．．、ｆｎで磁場を生成することによって、本発明に係る装置１及び方法は、表面８からの様々な距離ｄ１、ｄ２、．．．、ｄｉ、．．．、ｄｎにおける有効値σを決定する。
【００８８】
最後に、本発明に係る装置１及び方法は、周波数ｆｉ、すなわち表面８からの距離ｄｉに関連付けられる周波数において決定された実効値ＭＢＮから周波数ｆ１、ｆ２、．．．、ｆｉ−１で決定された実効値ＭＢＮを減算する。
【００８９】
従って、本発明に係る装置１及び方法は、より大きな計算力を必要とする複雑な数学的計算の必要なく、容易に部品２の材料による減衰を考慮する。
【００９０】
特許請求の範囲から逸脱することなく、上述の装置１及び方法に変更が加えられてよいことは明白である。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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