(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルクハウゼン信号を利用し、応力測定を行うために被測定物へ貼り付けて使用する応力センサー板であって、α−Ｆｅ中に炭化物が析出している組織を有し、且つ、内部に大きさが０．５ｋｇ／ｍｍ2以上である残留応力が存在する領域を有しており、バルクハウゼン信号の検出深さをｄとした場合、前記残留応力の存在する領域が、測定表面から板厚方向へｄ／２までの範囲であることを特徴とする応力センサー板。
【請求項２】
大きさが０．５ｋｇ／ｍｍ2以上である圧縮残留応力が存在する領域の割合が、板厚方向においてｄ／２の厚さに対して５％以上であることを特徴とする請求項１に記載の応力センサー板。
【請求項３】
大きさが０．５ｋｇ／ｍｍ2以上である圧縮残留応力が存在する領域の割合が、板厚方向においてｄ／２の厚さに対して１０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の応力センサー板。
【請求項４】
前記残留応力の方向が少なくとも板面内にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の応力センサー板。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の応力センサー板を被測定物に貼り付け、前記応力センサー板から発生するバルクハウゼン信号を利用して被測定物の応力を測定する方法であって、励磁方向を前記残留応力の方向と一致させてバルクハウゼン信号を検出することを特徴とする応力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定物に負荷される応力を非破壊的に検出するため被測定物へ貼り付ける応力センサー板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
建築物や橋梁等の構造物を構成する構造材料には、風力や温度の変化や自重等により局所的に圧縮や引っ張りの応力が発生する。この応力が限界値を超えると、構造材料の破損や湾曲が発生し、建築物や橋梁の倒壊等の人命に関わる災害につながる場合が多い。このために、自然環境から受ける変化を考慮した構造設計及び施工が行われているが、これらに加えて、構造材料に発生している応力を測定し、それを管理することによって安全性を確保する試みが行われ、一部においては実用化されている。
【０００３】
透磁率やバルクハウゼン信号の様な強磁性体から発生する磁気信号は、強磁性体に応力を負荷させると変化するために、鉄鋼材料等の構造物の応力測定へ適用が試みられている。また、非磁性の構造物の応力測定へ磁気信号を適用できる例として、米国特許３４２７８３２号には、非磁性の構造物へ強磁性体の応力センサー板を貼り付けて、構造物の歪みを応力センサー板へ伝達させ、バルクハウゼン信号の変化として測定することによって、非磁性体でも磁気信号を用いて応力測定が可能であることが開示されている。また、この応力センサー板を利用する技術としては、特開平６−０７０３６７号公報には、応力センサー板を付与させたレールを用いることによって、被測定物内部の残留応力に影響されずに外部応力が測定できることが開示されている。
【０００４】
本発明者らは、特開平６−２３８６９５号公報にバルクハウゼン信号を利用する、α−Ｆｅ中に炭化物が析出している組織を有する応力センサー板を開示している。この応力センサー板から発生するバルクハウゼン信号は測定温度の影響を受けにくいため、測定時に温度による補正を加える必要が無く、熱応力等の測定を簡便に行うために大変有効である。ところが、この応力センサー板の問題点として、同一製造ロットの中でも応力センサー板のバルクハウゼン信号の実効値電圧ばらつきが極めて大きいことがわかった。このばらつき範囲は平均値に対して±２０％にも達し、このままでは応力センサー板ごとに異なる検量線が必要となるために、応力測定の作業が大変煩雑で手間のかかるものとなる。
【０００５】
この応力センサー板のもう一つの問題点は、バルクハウゼン信号の応力依存性において引っ張り応力側の応力感受性が著しく低下することである。引っ張り側で＋３ｋｇ／ｍｍ2 以上の応力を負荷させると、バルクハウゼン信号の実効値電圧の応力感受性は０．５％／ｋｇ／ｍｍ2 程度まで低下し、それ以上の引っ張り応力側では精度良く応力を測定することができなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来の鋼中に炭化物を析出させた応力センサー板では初期値のばらつきが大きいために、応力センサー板ごとにバルクハウゼン信号の実効値電圧の初期値を管理する必要があった。また、引っ張り応力側の応力測定可能な範囲も狭かった。
【０００７】
本発明の目的は、製造ロットの中で複数の応力センサー板のバルクハウゼン信号の実効値電圧ばらつきが小さく、さらに引っ張り応力側においても高い応力感受性を有する応力センサー板及びそれを用いた応力測定方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の応力センサー板は、バルクハウゼン信号を利用し、応力測定を行うために被測定物へ貼り付けて使用する応力センサー板であって、α−Ｆｅ中に炭化物が析出している組織を有し、且つ、内部に大きさが０．５ｋｇ／ｍｍ2以上である残留応力が存在する領域を有しており、バルクハウゼン信号の検出深さをｄとした場合、前記残留応力の存在する領域が、測定表面から板厚方向へｄ／２までの範囲である。
【００１０】
本発明の応力センサー板の一態様例においては、大きさが０．５ｋｇ／ｍｍ2 以上である圧縮残留応力が存在する領域の割合が、板厚方向においてｄ／２の厚さに対して５％以上である。
【００１１】
本発明の応力センサー板の一態様例においては、大きさが０．５ｋｇ／ｍｍ2 以上である圧縮残留応力が存在する領域の割合が、板厚方向においてｄ／２の厚さに対して１０％以上である。
【００１２】
本発明の応力センサー板の一態様例においては、前記残留応力の方向が少なくとも板面内にある。
【００１３】
本発明の応力測定方法は、上述の応力センサー板を被測定物に貼り付け、前記応力センサー板から発生するバルクハウゼン信号を利用して被測定物の応力を測定する方法であって、励磁方向を前記残留応力の方向と一致させてバルクハウゼン信号を検出する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
本発明者らは、α−Ｆｅ中に炭化物を析出させた組織を有する応力センサー板の内部に、大きさが０．５ｋｇ／ｍｍ2 以上である残留応力を付与させると、バルクハウゼン信号の実効値電圧ばらつきを極めて小さくできることを見いだした。
【００１６】
応力センサー板を製造する場合には、まず鋼板をオーステナイト温度以上の温度で均質化処理し、急冷させてマルテンサイト組織を得て、次にオーステナイト温度直下のα領域で炭化物を析出させて応力センサー板を得ていた。急冷後の鋼板には大きな残留応力が存在するが、炭化物を析出させる熱処理においてこの残留応力は緩和され、巨視的な残留応力は存在しなくなる。ところが鋼中の炭化物とα−Ｆｅの界面のような微小領域には、わずかな局所歪みが残留し、同じロット内でも場所によって急冷直後のマルテンサイト組織における残留応力が異なることや、熱処理後の冷却履歴が異なることが原因して、この局所歪みの大きさがばらつくと考えられる。バルクハウゼン信号は、この局所歪みのばらつきに極めて敏感であり、これが原因でバルクハウゼン信号のばらつきが生じると考えられる。
【００１７】
そこで、本発明者らは意図的に応力センサー板内部に残留応力を導入して、局所歪みの影響を打ち消し、バルクハウゼン信号のばらつきが低減できると考えた。そして、詳細に検討した結果、応力センサー板の内部に大きさが０．５ｋｇ／ｍｍ2 以上の残留応力を存在させると、バルクハウゼン信号に対する局所歪みの影響が消失でき、たとえ該局所歪みの大きさがばらついていたとしても、応力センサー板に意図的に一定値の残留応力を付与すれば、バルクハウゼン信号のばらつきを低減できることを明らかにし、本発明を完成するに至った。残留応力の大きさが０．５ｋｇ／ｍｍ2 未満であると、該局所歪みの影響を無くすことができないためにバルクハウゼン信号のばらつきは低減できず、このため０．５ｋｇ／ｍｍ2 以上は必要である。
【００１８】
以下に、本発明の効果が十分に発揮されるために必要な残留応力が存在する領域について詳細に説明する。
【００１９】
応力センサー板の内部で発生するバルクハウゼン信号の中では、発生位置が測定表面に近いバルクハウゼン信号ほど渦電流による減衰が小さいので、検出の際には強度が高い。したがって、局所歪みの影響は測定表面に近い部位で発生するバルクハウゼン信号ほど受けやすく、該局所歪みの影響を打ち消すための残留応力の導入位置は測定表面の近くほど効果的である。本発明の効果を得るためには、応力センサー板においてバルクハウゼン信号の検出深さをｄとすると、測定表面から板厚方向へｄ／２の領域に残留応力が存在させる必要がある。ｄ／２を越える領域のみに残留応力を存在させても、測定表面付近で発生するバルクハウゼン信号の強度は大きく、かつ、そのばらつきが大きいために本発明の効果は得られない。ここで、バルクハウゼン信号の検出深さｄの定義としては、応力センサー板の板厚ｄ１とスキンデプスｄ２を比較した場合に大きくない一方の値である。スキンデプスｄ２とは、応力センサー板の電気抵抗をρ、透磁率をμ、バルクハウゼン信号を検出する際の最低検出周波数をｆとすると、ｄ２＝（ρ／πｆμ）1/2 で表記される。
【００２０】
残留応力の中で、圧縮残留応力が該局所歪みの影響を消失させる効果が高く、測定表面から板厚方向にｄ／２までの領域の中で圧縮残留応力が存在する範囲の割合が大きいほど、本発明によるより高い効果が得られる。その圧縮残留応力の範囲が５％未満であると、該局所歪みの影響を十分に消失できなくなり、バルクハウゼン信号の実効値電圧ばらつきを十分に低減させることはできない。ここで、圧縮残留応力の存在する範囲の割合がｄ／２の厚みに対して５％以上であると、バルクハウゼン信号の実効値電圧ばらつきは従来の１／３以下の±５％以下となる。ｄ／２に対する圧縮残留応力の存在する範囲の割合を１０％以上にするとばらつきをさらに低減することができ、±２．０％以下のばらつきの応力センサー板が得られる。この効果は、応力センサー板の大量製造時の同一ロット内に限らず、製造条件が同一のロット間でも得られる。
【００２１】
また、バルクハウゼン信号の実効値電圧の絶対値は圧縮残留応力の存在する範囲が増加するほど低下し、その値は残留応力の分布に対して一義的に決まる。したがって、残留応力を制御して付与することによって、バルクハウゼン信号の実効値電圧の絶対値を自在にコントロールできる。
【００２２】
さらに、応力センサー内部に上記の圧縮残留応力を付与させる効果として、本発明者らはバルクハウゼン信号の引っ張り応力側における応力感受性が向上することを見いだした。バルクハウゼン信号が応力に依存して変化するのは、応力を負荷することによってバルクハウゼン信号の発生に寄与する磁壁の数が変化することが原因であると考えている。引っ張り応力が増加すると、この磁壁の数が増えてバルクハウゼン信号の電圧値は増加するが、従来の応力センサー板では３ｋｇ／ｍｍ2 以上の引っ張り応力を負荷すると、この磁壁の数の増加が飽和してしまうと考えられ、このことが原因して３ｋｇ／ｍｍ2 以上の引っ張り応力では、応力感受性が低下したと考えられる。
【００２３】
そこで、圧縮残留応力を導入させて無負荷の状態におけるバルクハウゼン信号の発生に寄与する磁壁の数を減少させることによって、引っ張り応力を増加して磁壁の数が増加していっても無負荷時での磁壁の数が少ないために、磁壁の数が飽和する引っ張り応力を引き上げることができた。この効果が得られるためには、圧縮残留応力の方向は少なくともバルクハウゼン信号を検出する際に励磁磁場を印加する方向と一致させる必要がある。この理由は、バルクハウゼン信号の発生に寄与する磁壁とは励磁方向に対して平行な磁壁であり、これらの磁壁の数を減少させるためには磁壁と平行方向すなわち励磁方向へ圧縮残留応力が存在する必要があるからである。このために、残留応力の方向は励磁方向と一致させるために少なくとも応力センサー板の板面内に向いている必要がある。ここで、実用的に測定が必要となる１０ｋｇ／ｍｍ2 までの引っ張り応力範囲において１％／ｋｇ／ｍｍ2 以上の応力感受性を得るためには、圧縮残留応力の範囲がｄ／２に対して１０％以上必要である。１０％未満であると、５〜１０ｋｇ／ｍｍ2 の引っ張り側の応力範囲において応力感受性が１％／ｋｇ／ｍｍ2 を越えないからである。
【００２４】
応力センサー板面内での残留応力分布については、バルクハウゼン信号が検出される領域の一部もしくは全部の板厚方向に上記の残留応力が存在すれば、本発明の効果は得られる。
【００２５】
ここで、応力センサー板に圧縮残留応力を付与させる方法としては、エメリー紙、回転砥石、ベルトサンダー、バレル等で表面を研磨する方法、ショットブラスト加工、スキンパス圧延等で表層部を変形する方法、メッキ等の表面応力で残留応力を発生する方法がある。本発明の応力センサー板の大量製造方法としては、鋼帯状の応力センサー帯に連続的に圧縮残留応力を付与し、その後に所望の長さに切断して応力センサー板を得る方法が挙げられる。この際に、処理直後にオンラインでバルクハウゼン信号を測定して、その情報をフィードバックさせてバルクハウゼン信号の実効値電圧を一定値にするように残留応力付与条件を制御すれば、ばらつきが極めて低いレベルである応力センサー板を大量生産できる。
【００２６】
【実施例】
（実施例１）
エメリー紙で応力センサー板の表面を研磨し、応力センサー板の内部に圧縮残留応力を発生させた。出発材料にはセメンタイトを鋼中に粒子状に析出させた組織を有し、測定面の寸法が幅２５ｍｍ×長さ４５ｍｍであり、板厚ｄ１が０．２００ｍｍである応力センサー板を用意した。本実験のバルクハウゼン信号を検出する条件は励磁周波数が１００Ｈｚであり、最低検出周波数が１０ｋＨｚであることから、この材料のスキンデプスｄ２は０．１８０ｍｍであり、ｄ１とｄ２を比較した場合の大きくない値ｄとしては０．１８０ｍｍを採用した。
【００２７】
まず、応力センサー板を６枚用意して、それらのバルクハウゼン信号を測定した。次に、砥粒の大きさの異なる三種類のエメリー紙を用意し、応力センサー板の長さ方向に測定面とその裏面を同じ回数だけ研磨した。ここでエメリー紙の番数は＃６００、＃２４０、＃１２０であり、この順に砥粒は大きくなっている。
【００２８】
＃６００、＃２４０、＃１２０のエメリー紙でそれぞれ２枚の応力センサー板を研磨していき、研磨回数を増やしていく途中でバルクハウゼン信号を測定した。バルクハウゼン信号を検出する際の励磁方向は、応力センサー板の長さ方向である。
【００２９】
図１には、研磨回数とバルクハウゼン信号の実効値電圧の関係を示す。研磨する前の応力センサー板ではバルクハウゼン信号の実効値電圧が±１２％と大きくばらついているのがわかる。エメリー紙で研磨するとバルクハウゼン信号の実効値電圧は低下し、研磨回数が増加すると実効値電圧の低下は飽和してエメリー紙＃６００、＃２４０、＃１２０ごとに一定値に落ちつく。この一定となる実効値電圧は砥粒の粗くなる＃６００、＃２４０、＃１２０の順に小さくなる。
【００３０】
次に、抵抗線歪みゲージを利用して、板厚方向の残留応力分布を測定した。測定面を電解法で研磨して、裏面に貼り付けた歪みゲージで研磨に伴う変形を測定して測定表面から板厚方向への残留応力分布を算出した。ここで測定した残留応力の方向は応力センサー板の長さ方向であることを確認した。この方法で研磨を施す前の応力センサー板について測定したが、その結果では残留応力は±０．５ｋｇ／ｍｍ2 未満であった。
【００３１】
図２には、エメリー紙＃６００、＃２４０、＃１２０でそれぞれ１００回研磨を施した３枚の応力センサー板の板厚方向への残留応力分布を示した。ここで、横軸はｄ／２に対する板厚方向への距離の割合である。何れの応力センサー板でも内部に圧縮残留応力が存在することがわかる。また、圧縮残留応力の存在する範囲はエメリー紙の砥粒が粗くなる＃６００、＃２４０、＃１２０の順に広くなり、ｄ／２に対する圧縮残留応力の大きさが０．５ｋｇ／ｍｍ2 以上の領域の範囲の割合は順に、９．０％、１３．１％、２２．０％である。
【００３２】
エメリー紙＃６００、＃２４０、＃１２０でそれぞれ１０枚の応力センサー板を研磨し、同じ残留応力分布を有する１０枚でのバルクハウゼン信号のばらつきを調べた。図３には０．５ｋｇ／ｍｍ2 以上の大きさの圧縮残留応力の存在する範囲のｄ／２に対する割合と、バルクハウゼン信号の実効値電圧のばらつき幅の関係を示した。圧縮残留応力が存在しない応力センサー板では、ばらつきが±１８％にも達することがわかる。圧縮残留応力の領域が増加するのにしたがって、ばらつきは減少し、圧縮残留応力の範囲の割合が５％以上であると、応力センサー板のばらつきを±５％以下にすることができる。さらに、圧縮残留応力の範囲の割合を１０％以上にするとばらつきを±２．０％以下にできる。
【００３３】
応力センサー板を鋼材に貼り付けて、鋼材へ外力を負荷させた場合のバルクハウゼン信号の変化を調べた。応力センサーには、研磨を行っていないもの、エメリー紙＃６００および＃１２０でそれぞれ１００回研磨したもの、計３枚を使用した。外力は応力センサー板の長さ方向へ負荷され、バルクハウゼン信号の検出の際には励磁方向と外力の方向が一致するようにした。
【００３４】
図４にそれぞれの応力センサー板について応力とバルクハウゼン信号の実効値電圧の変化率の関係を示した。実効値電圧の変化率は応力が０の場合の実効値電圧を基準にしたものである。エメリー紙＃１２０で研磨した応力センサー板の場合には、−１０〜＋１０ｋｇ／ｍｍ2 の応力範囲における応力感受性が２％／ｋｇ／ｍｍ2 以上であり、実用的にも高い精度で応力測定が可能である。研磨を施さない応力センサー板では、引っ張り側の＋２ｋｇ／ｍｍ2 以上の応力でバルクハウゼン信号の変化が鈍り、そこでの応力感受性は０．５％／ｋｇ／ｍｍ2 程度の低い値である。また、エメリー紙＃６００で研磨した応力センサー板でも引っ張り応力側＋６ｋｇ／ｍｍ2 以上の応力でバルクハウゼン信号の応力感受性は著しく低下する。
【００３５】
以上の結果から分かるように、本発明の応力センサー板ではバルクハウゼン信号の実効値電圧ばらつきが小さく、また、本発明の応力測定法を利用することによって、高い応力感受性で応力測定が可能なことがわかる。
【００３６】
（実施例２）
セメンタイトを鋼中に析出させた炭素鋼からなる応力センサー板に研磨法で残留応力を付与させて、１０枚の応力センサー板のバルクハウゼン信号のばらつき、および、負荷応力が０〜１０ｋｇ／ｍｍ2 の引っ張り応力範囲での応力感受性の最低値について調べた。研磨については応力センサー板の測定面およびその裏面を同様に行った。応力センサー板の板厚d1およびスキンデプスｄ２について、各種の組み合わせを用意した。なお、残留応力の測定には実施例１で示した歪みゲージ法を利用した。その結果、何れの場合にも、圧縮残留応力はｄ／２までの領域に存在することがわかった。これらの結果を表１にまとめる。
【００３７】
【表１】
0003759289.tif 000002
【００３８】
上記の実験以外に、測定面の裏面のみ研磨を行い、測定面からｄ／２の厚みの領域外に０．５ｋｇ／ｍｍ2 以上の圧縮残留応力が存在する応力センサー板を作製した。この応力センサー板では圧縮残留応力が存在する領域のｄ／２に対する割合は１５％であったが、バルクハウゼン信号の実効値電圧のばらつきは±１１．３％と大きかった。このように、本発明の効果を得るためには、少なくとも測定面からｄ／２の厚みの領域に、圧縮残留応力が存在する必要がある。
【００３９】
以上の結果から分かるように、本発明では大量に応力センサー板を製造した場合のバルクハウゼン信号の実効値電圧のばらつきが小さく、また、広い応力範囲で高い応力感受性を有する応力センサー板が得られる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の応力センサー板及びそれを用いた応力測定方法によれば、応力センサー板毎のバルクハウゼン信号のばらつきが小さいため、応力センサー板ごとの初期値を管理する必要がなくなる。また、広い応力測定範囲で高い応力感受性を得ることができるので、精度の高い応力測定が可能となる。したがって、本発明の応力センサー板を用いることによって、構造物等の応力監視を低いコストで高い信頼性をもって実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】エメリー紙による研磨において、研磨回数とバルクハウゼン信号の実効値電圧の関係を示す特性図である。
【図２】エメリー紙研磨を施した応力センサー板について、測定表面から板厚方向へ測定した残留応力分布を示す特性図である。
【図３】エメリー紙研磨を施した応力センサー板において、圧縮残留応力の領域のｄ／２に対する割合と、バルクハウゼン信号のばらつきの関係を示す特性図である。
【図４】発明例および比較例の応力センサー板について、バルクハウゼン信号の実効値電圧の応力依存性を示す特性図である。
【図１】
0003759289.tif 000003
【図２】
0003759289.tif 000004
【図３】
0003759289.tif 000005
【図４】
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