JPH026746A - 厚鋼板の機械的強度の推定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、厚鋼板の機械的強度の推定方法に関する。

〈従来の技術〉 鉄鋼業では、高品質の鋼材を効率よく、しかも歩留り高
く生産するために、製造工程中あるいは製造直後に、鋼
材の機械的強度を非破壊で迅速に評価できる方法の確立
が古くから強く要望されてきた。

鋼材での超音波の伝播速度を測定することによって、超
音波の伝播速度と関数関係にあるとされる鋼材の材料特
性値を連続、非破壊的に測定する方法については、既に
例えば特開昭５４−６８６８０号公報に提案されている
。

この方法は、物体中に超音波を送受信して物体中の音速
を測定する方法において、２個の超音波受信器を被検体
の移送方向に一定間隔離して設置し、該一定間隔の範囲
内に超音波送信器を被検体の移送方向に可動なごとく設
置し、前記超音波送信器から超音波が送信されてから前
記各超音波受信器に受信されるまでの時間をそれぞれ計
測し、該２つの計測時間の差にもとづいて前記超音波送
信器を被検体の移送方向に移動させ、前記２つの計測時
間の差が零となった時の計測時間を用いて被検体中の音
速を算出することを特徴とする、物体中の音速を移送中
に測定する方法である。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、上記特開昭５４−６８６８０号において
は、表面波の伝播速度と鋼材の材料特性値との間にどの
ような機構でどのような関数関係が生ずるのかについて
は一切言及しておらず、表面波の伝播速度を測定して鋼
材の材料特性値を測定できる根拠が不明確であり、仮に
、表面波の伝播速度と鋼材の材料特性値との間に関数関
係があったにしても、表面波は鋼材の表面のみを伝播す
るので、したがって鋼材の表面の状態はわかっても内部
の状態は必ずしも正確には測定できない欠点があって実
用上問題があった。

この発明は、上記のような状況に鑑みてなされたもので
あって、その目的とするところは、■測定する超音波の
伝播速度として、鋼材の機械的性質と関係の深いものを
選択することによって根拠の明確な鋼材の機械的性質の
推定方法を提供する。

■測定に用いる超音波は鋼材の板厚方向に伝わる波動と
して、表面層だけでない、鋼材全体の平均的な機械的性
質を推定できる方法を提供する。

ことにある。

〈課題を解決するだめの手段〉 本発明は、超音波を利用して厚鋼板の機械的強度を推定
するに際し、超音波送受信子によって厚鋼板に横波を送
受信して、この厚鋼板の板厚方向に伝わる板圧延方向偏
波の横波の速度（ＶＬ　）と板圧延方向に直角な方向偏
波の横波の速度（ＶＣ）とから横波速度比（ｖＬ／ｖｃ
　）を求め、この横波速度比と予め求められている横波
速度比と機械的強度との関係とを比較して、前記厚鋼板
の機械的強度を求めることを特徴とする厚１ｉｉＩ板の
機械的強度の推定方法である。

〈作　用〉 厚鋼板の機械的強度等の材質は、−船釣に成分組成と組
織構造の２つの要素によって支配されている。

このうち、成分組成は、製鋼におけるレードル分析によ
って詳細に知ることができるから、成分組成の機械的強
度等の材質への寄与は、特に新たに計測を行わなくても
推定することが可能であり、したがって、組織構造の機
械的強度等の材質への寄与を推定することによって、厚
鋼板の機械的強度を推定することが可能となる。さらに
、組織構造として、機械的強度に寄与するものは集合組
織であり、したがって、集合組織の生成の状況を計測す
ることにより、厚鋼板の機械的強度の推定が可能である
。

ここで、集合組織とは、金属組織を形成している個々の
単結晶の特定の方向が材料の特定の方向に集合している
金属組織であって、個々の単結晶は、物理的性質３機械
的性質等の様々な性質が方向によって異なる異方性を有
しているから、集合組織を有する材料は材料全体として
みても各種の性質が異なり、異方性を示す。

厚鋼板の集合組織はＴ±αの２相域での圧延加工によっ
て生成されることが知られている。したがって、厚鋼板
に生成された集合組織による材料全体の異方性は、圧延
加工の対称性から考えて、材料全体が斜方晶系の単結晶
であるかのような異方性となる。

集合組織の生成されていない通常の圧延鋼材での３次元
での応力とひずみの関係における弾性定数行列は２つの
独立した弾性定数Ｃ＋＋、Ｃ＋□によって記述され、下
記（１）式で表される。

ここで、Ｃａ　１””’　Ｃ＋ Ｉ２ これに対して、集合組織の生成されている厚鋼板での３
次元での応力とひずみの関係における弾性定数行列は、
前記したことから下記（２）式に示す９個の独立した弾
性定数によって記述される。

これら（１）、　（２）式の２つの弾性定数行列を見比
べれば、（２）式における弾性定数のそれぞれの比ＣＩ
ｌ／Ｃａｌ　　Ｃ２２／Ｃ３３，Ｃ３３／Ｃ目、ＣＩ２
／Ｃｌ５Ｃ＋３／Ｃｚａ、Ｃ２３／ＣＩ２．Ｃ４４／Ｃ
５Ｓ、Ｃ５５／Ｃ６６＋　　Ｃ６６／　Ｃ４４＋　は、
（１）式では１であり、したがって、これら弾性定数の
比が１から大きくずれている鋼板はど集合組織による弾
性的な異方性の程度が大きいと結論でき、これら弾性定
数の比をもって、異方性の程度すなわち、集合組織の生
成の程度を評価することができる。

（２）式における９個の弾性定数は、縦波および横波の
伝播速度を測定することによって求めることが可能であ
るが、そのためには複雑な形状の試験片を切り出す必要
があって、容易に迅速には実施することができない。そ
こで、発明者は前記した弾性定数のそれぞれの比のうち
、測定が容易に実施でき、かつ大きな値となるものを検
討した結果、Ｃ４４／Ｃ５５が最も適当であり、かつ、
この比は、板厚方向に伝わる板圧延方向（以下、Ｌ方向
という）偏波の横波の速度ｖＬと、板厚方向に伝わる板
圧延方向に直角な方向（以下、Ｃ方向という）偏波の横
波の速度■。との比Ｖ＋、／Ｖｃ、すなわち横波速度比
と全く同等であることを見出した。

したがって、例えば超音波探触子などの超音波測定装置
を厚鋼板の表面に当てて横波速度比（ＶＬ／ＶＣ）を測
定することにより、各種の機械的強度を推定することが
可能である。

機械的強度として、引張り試験における降伏応力（Ｙ、
）および引張り強さ（ＴＳ）、また、衝撃試験における
延性破面率および衝撃値のそれぞれと横波速度比（ｖＬ
／ｖｃ）との特性の一例を第４〜７図に示す。

これらの図から明らかなように、各種の材料試験におけ
る材料試験値と横波速度比とには、非常に明瞭な相関関
係が得られることがわかる。それ故、厚鋼板の主な鋼種
ごとに、材料試験値と横波速度比との関係を予め調査し
て求めておけば、横波速度比を計測することにより、材
料試験値を推定することができ、また、成分情報と横波
速度比の計測値を総合しても、材料試験値を推定するこ
とができる。

〈実施例〉 以下に、本発明の実施例について図面を参照して詳しく
説明する。

〔実施例１〕 第１図は、本発明方法の実施に横波超音波探触子を用い
て静止した厚鋼板の横波速度比を測定する例を示すブロ
ック図である。

図に示すように、横波超音波探触子１は、被検材である
静止した厚鋼板２の表面に横波が透過可能な粘性の高い
媒質を介して押し当てられる。そして、電気パルス送信
器１１から送信される一定の繰り返し周波数を有する電
気パルスを受信して厚鋼板２の厚さ方向に横波超音波パ
ルスを送信する。

この送信された横波超音波パルスは厚鋼板２のなかで多
重反射を繰り返すが、界面での反射率および透過率に応
じた振幅で横波超音波探触子１に受信され、再び電気信
号に変換されて受信増幅器１２に送られ、適当に増幅さ
れる。

なお、横波超音波パルスは、超音波振動子の材料を適当
とすることにより、一定の方向に偏波させるようにする
。

受信増幅器１２で増幅された信号は、ゲート回路１３ａ
、１３ｂへ出力される。ゲート回路１３ａでは入力され
た信号から被検材３１の底面で１回反射したエコーＢ１
を、ゲート回路１３ｂでは入力された信号から厚鋼板２
の底面でｎ回反射したエコーＢ、。

をそれぞれ取り出して時間計測器１４の入力端子１４ａ
、１４ｂにそれぞれ出力する。

時間計測器１４では、２つの入力端子１４ａ、１４ｂに
それぞれ加えられた信号の時間差を計測し、演算処理器
１５へ出力する。

上記の過程は、横波超音波探触子１から送信される横波
超音波パルスの偏波方向が、Ｃ方向およびＬ方向の２つ
の場合について行われ、演算処理器１５においてそれぞ
れの場合での時間計測値が記録または記憶される。

いま、横波超音波パルスがＬ方向に偏波している場合の
時間計測値をΔＬＬとし、横波超音波パルスがＣ方向に
偏波している場合の時間計測値をΔｔＣとすると、横波
速度比（ｖｔ　／ｖｃ　）は、下記（３）式によって求
められる。

ＶＬ／ＶＣ＝Δｔｃ／ΔｔＬ　　　−−−−−、（３）
この（３）式で得られた横波速度比（ＶＬ／ＶＣ）は、
演算処理器１５に予め記録または記憶されている横波速
度比と各種の材料試験値との対応関係から、各種の機械
的強度の推定値が表示器１６に表示され、記録媒体１７
に記録されるほか、プリンタなどの出力装置１８に出力
される。

なお、横波超音波パルスの伝播時間の測定において、被
検材の異方性の関係から単一のモードの横波が送受信さ
れるのは横波超音波パルスの偏波方向が、ＬまたはＣ方
間に合った場合のみであること、かつ、板厚方向に伝わ
るし方向偏波の横波速度ｖＬは、板厚方向に伝わるＣ方
向偏波の横波の横波速度ｖｃよりも大きいことの物理的
性質を利用して、横波超音波探触子１を厚鋼板２に対し
て回転させ、単一のモードの横波が送受信される２つの
場合について、前記した伝播時間の測定を行い、伝播時
間測定値の大きい方の値をΔ１゜伝播時間測定値の小さ
い方の値をΔｔ２としたとき、下記（４）式によって横
波速度比を求めるようにしてもよい。

ＶＬ／Ｖ、−Δ１＋／Δｔ２　　−−−−−−−−（４
）上記のように構成した横波速度比測定装置を用いて、
鋼種が５０ｋｇｆ／−クラス鋼（引張り強さが５０ｋｇ
ｆ／−以上の鋼）で板厚が１２〜３４１ｗＩＩ＋の厚鋼
板の各種材料試験値を測定した。測定に用いた横波超音
波探触子にて送受信される横波超音波パルスの周波数は
５ＭＨｚである。

測定した結果を、第１表に示した。

なお、従来法と比較するために、表面波速度を測定した
結果も同表に併せて示し、さらに、材料試験値の中から
降伏応力および引張り試験値との関係を第８，９図に示
した。

これらの第１表、第８図、および第９図から明らかなよ
うに、本発明法による測定値はいずれも引張り試験や衝
撃試験によって得られた値とよく一致しており、従来法
よりもはるかに精度が高いことがわかる。なお、従来法
において材料試験値と表面波速度との関係に大きなばら
つきが存在するのは、材料の表面層のみを伝播する表面
波の速度では、材料全体の材質特性を評価することが難
しいことによると推量される。

〔実施例２〕 第２図は、本発明方法の実施に電磁式横波超音波送受信
装置を用いて搬送される厚鋼板の横波速度比を測定する
例を示すブロック図である。

図に示すように、被検材である厚鋼板２は、搬送ローラ
３によって矢示方向に搬送されるのであるが、その表面
に、電磁式横波超音波送受信子２１が適当なエアギャッ
プをおいて図示しない支持手段によって配置される。

この電磁式横波超音波送受信子（以下、単に送受信子と
いう）２１は、磁界発生用コイルと鉄心および超音波発
生検出用コイルで構成される。そして、磁界発生用電源
２２から送受信子２１の磁界発生用コイルに電流が通電
されると、厚鋼板２の表面近傍に磁界が発生する。一方
、送受信子２１の超音波発生検出用コイルに高周波パル
ス信号源２３からパルス状の電流が流れて、厚鋼板２の
表面近傍に電磁誘導によって渦電流が励起され、この渦
電流と前記磁界との相互作用の結果、フレミングの法則
によって運動力が生じ、厚鋼板２の板厚方向に横波超音
波が送信される。この横波超音波の送信において、送受
信子２１を構成する磁界発生用コイル、鉄心、および超
音波発生検出用コイルの形状および配置を適当とするこ
とにより、放射状に偏波した横波超音波を送信すること
ができる。送信された横波超音波は厚鋼板２のなかで多
重反射を繰り返すが、厚鋼板２の送受信子２１を設置し
た側の表面に達した時、送信とは全く逆の過程によって
、超音波発生検出用コイルに受信され、このコイルに接
続された受信増幅器２４によって増幅される。

この受信増幅器２４によって増幅された横波超音波の信
号波形の一例を第３図に示す。この信号は、厚鋼板２の
異方性の関係から、速度ＶＬ　　（板厚方向に伝わるし
方向に偏波した横波の速度）のモードの横波と、速度Ｖ
、（板厚方向に伝わるＣ方向に偏波した横波の速度）の
モードの横波とが加え合わされたものとなっている。

この信号は、３個のゲート回路２５ａ、　２５ｂ、　２
５Ｃに出力され、ゲート回路２５ａでは前記２つのモー
ドの横波が厚鋼板２の底面で１回反射したエコー３１ａ
、３１ｂが取り出され、信号３３として時間計測器２６
の入力端子２６ａに出力される。また、ゲート回路２５
ｂでは、前記２つのモードの横波が厚鋼板２の底面で２
回反射したエコー３２ａ、３２ｂが取り出され、時間計
測器２６の入力端子２６ｂおよび時間計測器２７の入力
端子２７ａに信号３４として出力される。さらに、デー
１〜回路２５ｃでは、前記２つのモードの横波が厚鋼板
２の底面で２回反射したエコーのうち、速度Ｖ、のモー
ドの横波によるエコー３２ｂが取り出され、時間計測器
２７の入ツノ端子２７ｂに信号３５として出力される。

時間計測器２６では、入力端子２６ａ、２６ｂに入力さ
れた信号の立上がりの時間差を計測して、演算処理器１
５に出力するが、この時間差の計測値ΔＬ１は、速度■
、のモードの横波の伝播時間をΔム１、速度■。のモー
ドの横波の伝播時間をΔむ。とじたとき、 Δｔ、−八ｔ　へ　　　　　　　　　　　　　　（５）
となる。

また、時間計測器２７では、入力端子２７ａ、２７ｂに
入力された信号の立上がりの時間差を計測して、演算処
理器１５に出力するが、この時間差の計測値ΔＬ２は、 Δｔｚ　＝２　（Δｔｃ−ΔｔＬ）　　　　　（６）と
なる。

演算処理器１５では入力された時間差の計測値から、横
波速度比（ＶＬ　／ｖｃ　）を ＶＬ／ＶＣ−（（Δｔｚ／２）＋Δｔ、）／Δｔ。

によって求め、予め記録または記憶されている横波速度
比と各種の材料試験値との対応関係から、各種の機械的
強度の推定値が算出される。その結果は表示器１６に表
示され、記録媒体１７に記録されるほか、プリンタなど
の出力語！１Ｂに出力される。

このようにして、鋼板の搬送ライン上で横波速度比を計
測して、各種の機械的強度の値を推定することができる
。

上記のように構成した横波速度比測定装置を用いて、鋼
種が５０ｋｇｆ／−クラス鋼で板厚が８〜３２鴫の厚鋼
板の各種材料試験値を測定した。測定に用いた電磁式横
波超音波送受信子にて送受信される横波高周波パルスの
周波数は５ＭＩＩｚである。

測定した結果を、第２表に示した。

この表から明らかなように、本発明法による測定値はい
ずれも引張り試験や衝撃試験によって得られた値とよく
一致していることがわかる。

〈発明の効果〉 以上説明したように、この発明によれば、厚鋼板の機械
的強度を、製造工程中あるいは製造直後に、非破壊で迅
速に精度高く推定でき、この情報はすぐさま製造条件に
フィードバックして、高品質の鋼材を効率よく生産する
ことができるなど、その工業的な価値は絶大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明方法の実施に横波超音波探触子を用い
て、静止した厚鋼板の横波速度比を測定する例を示すブ
ロック図、第２図は、本発明方法の実施に電磁式横波超
音波送受信子を用いて、搬送される厚鋼板の横波速度比
を測定する例を示すブロック図、第３図は、横波超音波
の信号波形の一例を示す特性図、第４図は、横波速度比
と引張り試験における降伏応力（ＹＰ　）との関係を示
す特性図、第５図は、横波速度比と引張り試験における
引張り強さ（Ｔ３）との関係を示す特性図、第６図は、
横波速度比と衝撃試験における延性破面率との関係を示
す特性図、第７図は、横波速度比と衝撃試験における衝
撃値との関係を示す特性図、第８図は、表面波速度と引
張り試験における降伏応力（ＹＰ　）との関係を示す特
性図、第９図は、表面波速度と引張り試験における引張
り強さ（Ｔ、）との関係を示す特性図である。 １・・・横波超音波探触子、　　２・・・厚鋼板３・・
・搬送ローラ。 １１・・・電気パルス送信器、１２・・・受信増幅器。 １３・・・ゲート回路、１４・・・時間計測器１５・・
・演算処理器、１６・・・表示器。 １７・・・記録媒体、１８・・・出力装置。 ２１・・・電磁式横波超音波送受信子。 ２２・・・磁界発生用電源。 ２３・・・高周波パルス信号源、２４・・・受信増幅器
２５・・・ゲート回路、　　　　２６．２７・・・時間
計測器。 ３Ｌ　３２・・・超音波エコー ３３、３４．３５・・・超音波エコーを含む電気信号。 特許出願人　　　川崎製鉄株式会社 第 図 第 図 時 間 （ＦＭ／ＪｆｔＭ） １人ｑ望Ｙ）姻 （門／Ｊ均） ９↓ ９％（、（、坐１１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超音波を利用して厚鋼板の機械的強度を推定するに
   際し、超音波送受信子によって厚鋼板に横波を送受信し
   て、この厚鋼板の板厚方向に伝わる板圧延方向偏波の横
   波の速度（Ｖ＿Ｌ）と板圧延方向に直角な方向偏波の横
   波の速度（Ｖ＿Ｃ）とから横波速度比（Ｖ＿Ｌ／Ｖ＿Ｃ
   ）を求め、この横波速度比と予め求められている横波速
   度比と機械的強度との関係とを比較して、前記厚鋼板の
   機械的強度を求めることを特徴とする厚鋼板の機械的強
   度の推定方法。 ２、前記機械的強度は、引張り試験における降伏応力と
   引張り強さおよび衝撃試験における延性破面率と衝撃値
   であることを特徴とする請求項１記載の厚鋼板の機械的
   強度の推定方法。