微視損傷の AE モニタリングを利用した高強度金型の信頼性保証技術の開発
首都大学東京大学院理工学研究科教授

機械工学専攻若山修一（平成 21 年度一般研究開発助成 AF-2009023）
キーワード：高強度金型、脆性材料、信頼性、保証試験、微視損傷の AE モニタリング
１．研究の目的と背景

また、超硬合金やサーメットのような多相材料では非破加工の高速化、高応力化に伴い、切削工具等の耐久壊検査による微小な欠陥の検出は容易でない。一方、保性・耐磨耗性を向上させるために超硬合金、サーメット

証試験では、過大な負荷のために損傷が発生・蓄積し強さらにはセラミックスなどの高強度・高硬度の材料の利度が低下した材料が生存品に含まれることが指摘され用が進められている。このような高強度材料の利用によている 1),2)。

り、加工の高効率化・低コスト化が可能となる上、表面このような問題を踏まえ、著者らはセラミックス 3)の平滑度をより高くすることができ、製品の表面性状をおよび超硬合金・サーメット 4),5)の微視破壊過程をアコ向上させることで最終製品の付加価値を高くするといースティック・エミッション(AE)法により評価し、最終う効果もある。しかしながら、超硬合金、サーメット、破断以前にその起点となる主き裂の形成が形成されるセラミックスなどの高強度材料は塑性変形能が低い本ことを明らかにするとともに、AE 発生挙動を解析する質的な脆性材料であり、材料の最終強度がポアや不純物ことでその臨界応力が評価できることを示してきた。などの材料組織の不均一性に起因するマイクロクラッ

本研究では、従来の研究成果を応用し、高強度金型材

クなどの微視損傷に強く支配され、それらを起点とした料に使用される脆性材料の信頼性を向上する技術の開最終破壊が生じる。したがって、それらの微視損傷を的発を目的とし、保証試験の際の損傷の発生・蓄積を AE確に検出・制御することがこれらの材料および金型等の法で監視し、生存品の中の損傷による強度劣化した製品信頼性を確保するためのキーテクノロジーといってもを排除するハイブリッド保証試験を提案する。さらに、

過言ではない。

典型的な脆性材料のセラミックスに対して実証試験を材料の信頼性確保の手段としては、従来から超音波探傷法や放射線透過法などの非破壊検査による損傷の検行い、ハイブリッド保証試験の信頼性確保に及ぼす効果について検証した。

出、および供用前に過大負荷を与え低強度の(すなわち危険な損傷の含まれる)製品を除去する保証試験、が利

２．実験方法

用されてきた。しかしながら、脆性材料では最終破断の2.1 試験片起点となる欠陥の大きさ、すなわち許容欠陥寸法は数

供試材には、密度 3.97 g/cm3 (相対密度>99.9 %)、平均10～数 100µm であり金属材料に比べて極めて小さい。

粒径 1.4 µm、ヤング率 400 GPa の高純度アルミナを用Load
Load Cell
AE Sensor

SpecimeSpecimen
PTFE Tape
Pr -Amp
PreAm .

AEA
AnalyzAnalyzer

Pr -Amp
PreAm .
図 1 曲げ試験および AE 計測システムの模式図

ー 113 ー

PPC

500

Fracture Strength σB30Stress400
Critical Stress forMaincrack For mation σC3002020010010Event

Energy005040302010

Cumulative Event40

Cumulative Energy [V2 ]Bending Stress [MPa]6000～1.0V～1.0V
1.0V～2.0V
1.0V～2.0V
2.0V～5.0V

10Maincrack Formation

0

Microcrack Growth Maincrack& Coalescence
Growth-10Specimen

Location [mm]20-200100200300

T ime [s]図２4 点曲げ試験および AE 計測結果

いた。引張面及び面取り面には、3、1 µm のダイヤモンドスラリーを用い鏡面研磨を施した。また、試験片中の水分による応力腐食割れの影響を抑制するため、真空中、温度 150 ºC、保持時間 2 h で水分除去を行った。

３．結果および考察
3.1 曲げ試験中の AE 発生挙動と主き裂形成臨界応力の評価
図２に 4 点曲げ試験中の典型的な AE 発生挙動、すな

2.2 曲げ試験および AE 計測

わち累積 AE 事象数と累積 AE エネルギーの履歴を示す。

保証応力を決定するため、大気中において、内スパンこれより、最終破断以前に AE エネルギー急増点が認め10mm 、 外 ス パ ン 30mm 、 ク ロ ス ヘ ッ ド ス ピ ー ドられる。図より、曲げ試験の初期ではエネルギーの小さ0.1mm/min で 4 点曲げ試験を行った。試験システムの模い信号が発生し、その後 AE 急増点において大きな信号式図を図１に示す。曲げ試験中の破壊過程は AE 計測にが検出されたことが確認できる。また、2ch センサへのよって評価した。試験片両端に接着した AE センサー(共AE 信号の到達時間差と試験片中の縦波の伝播速度から振周波数 200kHz)から得られた AE 信号は、プリアンプ

AE 発生源の一次元位置標定を行った結果、AE 急増点を介して増幅し AE アナライザーへと転送した。AE 計

以後は大きな信号の発生位置が、図の右方に示した試験

測条件は、ゲインはプリアンプ 40dB、メインアンプ片の最終破断位置付近に集中していることから、セラミ40dB のトータル 80dB、計測しきい値 18µV、測定周波ックスの破壊は、微視的な損傷の蓄積による主き裂の形数範囲 100～500kHz とした。

成、主き裂の進展によって生じることが理解される。

2.3 保証試験および残留強度

図のように、最終破壊時の応力から破壊強度σB を、保証試験は、4 点曲げ試験と同様の方法で行った。ク

また AE 急増点の曲げ応力から主き裂形成臨界応力σC

ロスヘッドスピード 0.2mm/min で保証応力まで負荷し、を決定した。ワイブル統計に従って平均値を算出したと10 分間保持した後、0.1mm/min で除荷した。

ころ、σB、σC の平均値はそれぞれ 501 MPa、238 MPa

保証試験を通過した全ての試験片を、AE エネルギーであった。これらの結果から、後述の保証試験における急増点の有無で分類した。その後、分類したそれぞれの保証応力は破壊強度σB より十分小さく、試験片の 5 割試験片に対し、4 点曲げ試験と同様の方法により残留強に主き裂が形成されると予想される応力 200 MPa に設度測定を行った。

定した。

ー 114 ーEnergy

150100

Event50Location[mm] '0200-10601504010050

Maincrack Formation

20Energy

Event020～1.0V
1.0~2.0V
2.0V

10200080

2604020

Cumulative Event

Proof Stress[MPa]20080

StressCumulative Energy[V ]250Stress0～1.0V
1.0~2.0V
2.0V

10Location[mm]Proof Stress[MPa]2500-10-20-200200400600800010002004006008001000

Time[s]Time[s](b) AE 急増点(損傷発生)なし(a) AE 急増点(損傷発生)あり

保証試験中の AE 発生挙動

図３3.2 保証試験中の AE 発生挙動

たものは主き裂が形成されたと見なし、保証試験を通過

大気中及び PS 中における保証試験時の微視損傷過程

した全ての試験片を、AE エネルギー急増点の確認されを AE 法により監視した。図３に保証試験中の AE 発生たもの、確認されなかったものの 2 種類に分類した。ま挙動を示す。図３(a)では、試験中に AE エネルギー急増た、前者を“損傷あり”、後者を“損傷なし”と定義し点が確認され、この点が主き裂の形成に対応することがた。なお、全部で 39 本の試験片に対して保証試験を行示唆される。一方、図３(b)では、大きな AE 信号は観察ったが、破断した試験片は 0 本であり、損傷なしと判別されなかった。これは、保証試験中にほとんど損傷を受されたものは 22 本、損傷ありは 17 本であった。
3.3 残留強度試験中の AE 発生挙動

けていないことを示唆している。

保証試験中に AE モニタリングで損傷の有無を判別

100

Event500Location[mm]20～1.0V
1.0~2.0V
2.0V

100-10Maincrack Formation

50060400

Stress

30020020Energy

100

Event020-2040

σC0～1.0V
1.0~2.0V
2.0V

100-10Maincrack Growth-200200

400600800

1000050100150

Time[s]Time[s](a) 保証試験(b) 残留強度試験

図４

同一試験片の保証試験および残留強度試験中の AE 発生挙動

ー 115 ー80280

σB6040200200

Cumulative Event

Energy150600Specimen

200

Bending Stress[MPa]StressLocation[mm] 'Proof Stress[MPa]250

Cumulative Energy[V ]以上から、本研究では 1 V 以上の AE 信号が検出されした試験片に対し、残留強度測定を行った。図４に同一４．結び試験片の保証試験および残留強度試験中の AE 発生挙本研究では、保証試験の際の損傷の発生・蓄積を AE動を示す。図４(a)は図３(a)と同一であり、200MPa の保法で監視し、生存品の中の損傷による強度劣化した製品

証応力保持中に主き裂の形成に対応する AE 信号の急を排除するハイブリッド保証試験を提案し、典型的な脆増が認められる。一方図４(b)から同じ試験片の残留強性材料であるアルミナセラミックスの曲げ試験に適用度試験の際には、保証応力と同じ約 200 MPa まで AEしてその効果を実証した。すなわち、損傷の発生を AE信号は検出されず、200 MPa 以降に大振幅の AE 信号が検出することで、残留応力が向上することを明らかにで検出されている。また、残留強度試験中に検出された大きた。

振幅の AE 源の位置は保証試験中とほぼ同じであり、図今後、実製品に応用するための課題としては、保証応の右方に示した試験片の最終破断位置と一致している。

力の大きさや負荷時間の最適化、負荷方法、ノイズ対策

以上から、残留強度試験では、その前の保証試験で負荷や判別条件の決定法などが挙げられ、さらに研究を進めされた最大応力(＝保証応力)までは微視損傷の発生はる所存である。

なく、保証試験中に形成された主き裂がその応力で進展謝を開始し最終破断に至っていることが理解される。
3.4 ハイブリッド保証試験の効果

辞本研究の遂行に対し、天田金属加工機械技術振興財団保証試験を行った 39 本の試験片すべてが生存したが、それらの残留強度を測定し、ワイブル統計に従って平均から研究助成金によってご支援いただいたことを記し、心より謝意を表します。

値を算出した。保証試験中に損傷ありと判別された試験片の平均残留強度は 491 MPa であり、損傷がなかった

参考文献

ものでは 569 MPa であった。また、両者を合わせた平1）J. E. Ritter Jr, P. B. Oates, E. R. Fuller Jr and M.

均値は損傷の有無を判別しない従来の保証試験の生存Wiederhorn: J. Mater. Sci., 15, (1980), 2275.

品の平均強度に対応するが、529 MPa であった。

2) E. R. Fuller Jr and M. Wiederhorn: J. Mater. Sci., 15,以上より、損傷の発生・蓄積を AE 法で監視するハイ(1980), 2282.

ブリッド保証試験により、従来の保証試験よりも高い残3) 若山修一, 小路孝志, 西村尚: 日本機械学会論文集,留強度を保証できることが示された。すなわち、本研究

A57, (1991), 504.

により、従来の保証試験の生存品に含まれている損傷に

4) K. YAMADA and S. WAKAYAMA: Proc. Internationalより強度が低下した製品を、ハイブリッド保証試験ではCongress and Exhibition EURO PM 2009, (2009), 247.

判別して排除できる可能性が明らかになったと結論で

5) 若山 修一: 天田金属加工機械技術振興財団 第 22

きる。

回研究概要報告書, (2010), 101.
6) W. Weibull: J. Appl. Mech., 18, (1951), 293

ー 116 ー