日本金属学会誌 第 73 巻 第 3 号(2009)205210

超音波疲労試験時の AE・非線形超音波解析による

高強度鋼の疲労進展評価

志 波 光 晴1 古 谷 佳 之1 山 脇 　 寿1 伊 藤 海 太2 榎 学2

1独立行政法人物質・材料研究機構

2東京大学大学院工学研究科マテリアル工学専攻

J. Japan Inst. Metals, Vol. 73, No. 3 (2009), pp. 205210 2009 The Japan Institute of Metals

Fatigue Process Evaluation of Ultrasonic Fatigue Testing in High Strength Steel Analyzedby Acoustic Emission and NonLinear Ultrasonic

Mitsuharu Shiwa1, Yoshiyuki Furuya1, Hisashi Yamawaki1, Kaita Ito2 and Manabu Enoki2

1National Institute for Materials Science, Tsukuba 30500472Department of Materials Engineering, School of Engineering, The University of Tokiyo, Tokyo 1138685

Nonlinear ultrasonic and acoustic emission (AE) signals during ultrasonic fatigue testing were analyzed by using LaserDoppler Vibrometer (LDV) and continuous AE waveform analysis system (1 MHz/12bit). Notched specimens of a high strengthlow alloy steel were prepared for the ultrasonic fatigue test with exciting vibration frequency of 20 kHz. The detected surfacevelocity was longitudinal direction at the end of the specimen with frequency range from 100 Hz to 500 kHz. During the waveformmonitoring of the fatigue test, a distorted exciting waveform was observed in the final stage of the test. Then the burst type noisemixed with the distorted exciting waveform was obtained just before the final failure in the case of the failure specimens. Contra-ry, the distorted exciting waveform and AE were not observed in the case of nonfailure specimens. AE signal and upper harmon-ics of exciting frequency were analyzed by the FFT method. As the result, after the intensity of 2nd and 3rd harmonics increasedrapidly, AE events were detected continuously in the case of the failure specimens. It can be concluded that nonlinear ultrasonicand AE analysis were effective monitoring tool for fatigue damage progression.

(Received October 22, 2008; Accepted December 9, 2008)

Keywords: ultrasonic fatigue testing, high strength low alloy steel, nonlinear ultrasonic, acoustic emission

1. 緒 言

超音波疲労試験は，ギガサイクル疲労特性評価が問題とな

る引張り強度 1200 MPa を越える高強度鋼を対象に，内部

破壊(フィッシュアイ破壊)の起点となる介在物の寸法を評価

する手法として用いられてきた1)．一方，ばね鋼 SUP7 の高

サイクル疲労の結果では，内部破壊の破面上には直径 30

mm 前後の Al2O3 介在物破壊起点と水素脆化き裂進展領域と

推定される粗い破面様相の ODA(Optical Dark Area)が見ら

れ，疲労き裂進展挙動が複雑であることが報告されてい

る2)．平滑材の疲労進展機構として，破壊起点の生成(ニ

ュークリエーション)，疲労き裂発生(イニシエーション)，

停留(アレスト)，進展(プロパゲーション)が知られている

が，破断寿命のほとんどが疲労き裂の発生に費やされてお

り，これらの挙動のその場観察が疲労破壊メカニズムの解明

と構造物等の疲労損傷の非破壊的な評価には必要不可欠であ

る．

金属の疲労損傷の非破壊評価の研究においては，超音波の

音速および減衰特性による評価が行われてきた．超音波の音

速と減衰の変化は，単結晶においては転位の長さや密度に支

配されることが GranatoL äucke 理論等で知られており，近

年 Cantrel により多結晶金属の塑性変形量を高調波により評

価することで転位の運動を基にした非破壊的な疲労損傷の評

価が行われている3,4)．また，非線形効果として，高調波に

加えてき裂面の生成によるサブハーモニクス波や5)，微視割

れやき裂の進展により発生するアコースティック・エミッシ

ョン(AE)が知られている6)．

そこで，本研究では，広帯域で非接触振動検出可能なレー

ザ振動計を用いることで，超音波疲労試験時において非線形

超音波と AE の同時計測を行う7)．また，き裂進展経路が明

らかである切欠き材を試験片に用いることで非線形超音波に

よる疲労損傷進展評価および AE によるき裂進展評価の可能

性を検討する．

2. 実 験 方 法

実験に用いた試験片は，低合金鋼 SCM440 であり 1153K

(30 min)焼き入れ，473 K(60 min)低温焼き戻しにより高強

度にしており，内部破壊が生じる組織条件となっている2)．

ビッカース硬さは平均で Hv 550～560 である．試験片中央

には，0.3 mmq，長さ 0.3 mm の EDM による人工欠陥が導

206

Fig. 1 Geometry of specimen.

Fig. 2 Ultrasonic fatigue testing machine.

Fig. 3 S/N curve of Notched SCM440.

Fig. 4 Resonant frequency and magnitude during ultrasonicfatigue testing of Type I with different FFT conditions, 100Hz/10 ms steps (a), 10 Hz/100 ms steps (b), 1 Hz/10 ms steps(c).

206 日 本 金 属 学 会 誌(2009) 第 73 巻

入されている．試験片の寸法・形状を Fig. 1 に示す．超音

波疲労試験機は，フランス製であり，加振周波数 20 kHz，

応力振幅 180～420 MPa で，Fig. 2 に示すように試験片を

空冷しながら試験を行った．

試験片の振動計測は，レーザ振動計 AT0042＋AT3600L

(グラフテック製)を用い，200 Hz の HPF により 200 Hz～

1.3 MHz の周波数帯域を 1 V/m/s レンジで測定を行った．

試験片の自由端である底面を検出端としてレーザを入射する

ことで，試験片長手方向の振動速度成分の測定を行った．波

形収録解析には，2 ch/12 bit/1 MHz 連続波形収録解析装置

CWM を用いて8)，試験中の波形の連続測定を行った．

3. 実 験 結 果

3.1 周波数解析条件の検討

Fig. 3 に，S/N カーブを示す．疲労限は 190 MPa であっ

た．そこで，380 MPa，220 MPa，180 MPa の試験片を各

々低繰返し数での疲労(Type)，高繰返し数での疲労

(Type )，未破断(Type )として解析を行った．

FFT 解析では，周波数分解能と時間分解能は両立しな

い．そこで，周波数分解能と時間ステップの関係の検討を行

った．たとえば，本計測条件である 1 ms のサンプリングに

おいて 1 Hz の周波数分解能を得ようとすると 1 MW 長が必

要となる．この時間間隔は 1 秒であり，本疲労条件では 2×

104 cycle となる．そのため，疲労損傷の変化に対応した周

波数分解能と時間ステップの検討が必要となる．本超音波疲

労試験では，最終破断を共振周波数の変化により判定を行っ

ていることから共振周波数および加振強度の変化の検出を

FFT の条件として評価を行った．

Fig. 4 に，最も長時間で破断した Type の試験の中盤以

207

Fig. 5 Magnitude of resonant frequency and nonlinear ultra-sonic, 2nd harmonics 3rd harmonics, sub harmonics during ultra-sonic fatigue testing, Type(a), Type (b), Type (c).

207第 3 号 超音波疲労試験時の AE・非線形超音波解析による高強度鋼の疲労進展評価

降において，異なる周波数分解能と時間ステップにおける共

振周波数および加振強度を示す．図中(a)は 100 Hz 分解

能・10 ms(200 cycle)ステップ，(b)は 1 Hz 分解能・100

ms(2000 cycle)ステップ，(c)は 1 Hz 分解能・10 ms(200

cycle)ステップである．共振周波数の変化に着目すると，

100 Hz 分解能では共振周波数の変化が最終破断まで検出で

きなかったのに対し，1 Hz 分解能ではその変化が評価でき

た．次に加振強度の変化に注目すると，100 Hz 分解能では

9×105 cycle から緩やかに上昇する傾向であり，破断直前に

ピークが一つ見られたのに対し，1 Hz 分解能では複数の

ピークとディップが見られ時間ステップにより 9×105 cycle

以降の挙動が異なった．このピークとディップの変化挙動

は，破断に近づくにつれてその激しさを増した．さらに 1

Hz 分解能で Type ，を対象に同様の時間ステップの検

討を，1 s，100 ms，10 ms で行ったところ，破断した Type

では Typeと同様の結果が，未破断の Type では，い

ずれの時間ステップにおいても同様の結果が得られた．そこ

で，Type は，Typeと同様に 1 Hz 分解能 10 ms ステッ

プ，Type は 1 Hz 分解能 1 s ステップで FFT 解析を行っ

た．

3.2 非線形超音波解析(分調波と高調波)

Fig. 5 に，Type(a)，Type (b)，Type (c)の加振

振幅と非線形超音波の挙動を示す．対象とした非線形超音波

パラメータは，分調波(加振周波数の 1/2)および二次並びに

三次高調波である．破断しなかった Type では，加振振幅

の低下が見られず，非線形超音波の強度にも大きな変化は見

られなかった．一方，破断した Type，では，いずれも

試験の中盤以降に加振強度が上昇しその後に複数のピークと

ディップが見られ，破断に近づくにつれてその変化の激しさ

を増した．一方，非線形超音波では，Type，とも加振

振幅のピークとディップの変化が激しくなると，まず二次高

調波が徐々に増加し，破断直前に三次高調波および分調波が

急増した．

3.3 AE 解析

試験中の加振波形を観察したところ，Type では変化が

見られなかったが，Type，では，試験の後半にパルス

状のノイズが混入し破断直前には大きく波形が乱れた．Fig.

6 に試験中に代表的な加振波形を全体の振幅と個々の波形に

分けて示す．図中(a)の Stageは，Type，では試験の

はじめから三次高調波の上昇が見られる前までであり，

Type では全領域である．Stage 以降は Type，のみ

見られた波形であり，図中(b)の Stage は，三次高調波の

上昇時に見られ，全体の波形の振幅がわずかに波打つととも

に，個々の波形の中にパルス状の波形の混入が見られた．図

中(c)の Stage は，破断直前に見られ，全体の波形が大き

く乱れてパルス状の波形が混入し，個々の波形を見るとその

主な周期は加振周波数の 1/2 になっていた．Stage 以降の

周波数スペクトラムでは高調波成分が六次程度まで見られ

た．そこで，この高調波を含む加振信号からパルス成分を抽

出するために 100 kHz ハイパスフィルター(HPF)処理を行

った．その結果，Fig. 7 に示すようなバースト波形が抽出さ

れ，アコースティック・エミッション(AE)波形と考えられ

た．そこで，Type，の HPF 波形に対して，しきい値を

100 mV に設定して AE 事象の抽出を行った．

Fig. 8 に，各々 Type(a)，Type (b)における破断前

の加振振幅，分調波，高調波(二次および三次)，累積 AE 事

象数を示す．このときの FFT の周波数分解能は 1 kHz，時

間分解能は 1 ms であり 20 Cycle ごとの変化を意味する．

Type，とも，加振強度に不連続的な変化が始まると同

時に高調波が増加し AE 事象が検出された．また，加振強度

が大幅に低下したときに分調波が急上昇し，分調波強度の上

昇に対応して AE 事象数も急増した．なお，Typeでは，

1.203×106 cycle において加振振幅が大幅低下したのち，

208

Fig. 6 Detected typical waveforms during ultrasonic fatigue testing, Stage I (a), Stage (b), Stage (c).

Fig. 7 Typical 100 kHz HPF waveform of Stage .

208 日 本 金 属 学 会 誌(2009) 第 73 巻

1.215×106 cycle まで再度上昇し停止するといった Type

には見られなかった挙動が見られた．そこで，Fig. 9 に

Typeの破面の SEM 写真を示す．試験片のノッチからき

裂が発生したが，ストライエーションはほとんど見られなか

った．き裂進展初期の破面は組織依存型の典型的な疲労破面

の様相を呈し，数は少ないがファセットも観察された．中期

以降の破面ではディンプルが混在し，終期の破面では大半が

ディンプルとなった．さらに，最終不安定破壊の前に，中期

と同様な破面が見られ，一度き裂が停止し再度進展したと思

われる痕跡が見られた．

4. 考 察

超音波疲労試験は，繰り返し速度が通常の疲労試験に比べ

て 2～3 桁以上速いことから，転位の運動や内部摩擦による

発熱の問題があり，疲労試験中に塑性変形等によるヒステリ

209

Fig. 8 Magnitude of resonant frequency and nonlinear ultra-sonic (2nd harmonics 3rd harmonics, sub harmonics) and cu-mulative AE counts by each 20 cycles of 1 kHz FFT resolution,Type(a), Type (b).

Fig. 9 Fracture surface of Type by SEM.

209第 3 号 超音波疲労試験時の AE・非線形超音波解析による高強度鋼の疲労進展評価

シスエネルギーが小さい試験片が実験に用いられてきた．本

高強度鋼は，低温焼き戻しによりこのヒステリシスエネル

ギーが小さくなり，転位の移動度が低下することが報告され

ている2)．さらに，繰り返し速度の影響として，一般に転位

の移動速度は 1000 m/s 以下と超音波の音速に比べて遅く，

高速繰り返し負荷条件では，転位の移動が拘束される可能性

がある．

一方，非線形超音波で用いられる高調波は，転位の運動に

対応しており，時間領域における変形様式(転位の運動様式)

とその周波数領域の解析より，偶数項は転位の増殖に対応し

奇数項は転位のピン止め離脱に対応するとされている9)．高

調波の測定では，その強度の強さから二次および三次の高調

波が実験に用いられることが多い．ステンレス鋼等のヒステ

リシスエネルギーが大きい材料における一般の疲労試験で

は，疲労試験中の途中止め試験片の高調波を測定して b パ

ラメータとして求めることで，硬さや塑性変形量，疲労寿命

と良い対応が見られている3,4)．

本超音波疲労試験の測定結果では，Fig. 4 に示したように

破断した Type，とも破断寿命の 60前後の繰り返し数

より共振周波数の低下がみられ，二次高調波の増加が見られ

たことは，この段階から転位の増殖が始まったと考えられ

る．一方，それとともに加振強度の周期的な変化が見られた

が，これは共振周波数の変化に追随するための試験機側の制

御機能であると考えられる．また，三次高調波は，破断した

Type，とも試験の最終段階で急増したことは，この段

階で転位のピン止め離脱が生じたと考えられる．このことは，

Fig. 8 に示した累積 AE 事象にも表れており，高調波強度の

増加と AE 発生挙動がよく一致している．さらにき裂面の衝

突等により発生するとされている分調波の強度は累積 AE 事

象数の急増点と対応することから，き裂の進展時にき裂面の

生成と転位の増殖および離脱が連続して起こっていると考え

られる．また，Fig. 9 に示した Typeの破面観察結果と

Fig. 8(a)の非線形超音波挙動は良い一致を示し，試験中の

き裂の進展，停止，再進展状況を検出しているといえる．

以上より，超音波疲労試験において，広帯域レーザ振動計

を用いて試験片の振動を測定し，非線形超音波と AE 解析の

検討を行った結果，疲労損傷および疲労き裂進展を非破壊的

にその場観察できる可能性が示されたといえる．

5. 結 言

高強度鋼の超音波疲労試験時の振動波形を広帯域レーザ振

動計で検出し，非線形超音波として高調波および分調波，ア

コースティック・エミッション(AE)解析による疲労進展挙

動のその場観察を試み，低繰返し数での疲労(Type)，高

繰返し数での疲労(Type )，未破断(Type )の 3 種類の

試験片について解析を行い以下の結論を得た．

非線形超音波の強度は，破断しなかった Type では

大きな変化は見られなかったが，破断した Type， で

は，いずれも破断寿命の半ば以降の繰返し数になると二次高

調波が徐々に増加し，破断直前に三次高調波および分調波が

急増した．

100 kHz HPF で抽出した AE 信号は，Type では

検出されず，Type，とも，高調波の増加時に AE 事象

が検出され，分調波強度の上昇に対応して AE 事象数も急増

した．

非線形超音波と AE 解析により，超音波疲労試験時の

疲労損傷および疲労き裂進展を非破壊的にその場観察できる

可能性が示された．

210210 日 本 金 属 学 会 誌(2009) 第 73 巻

文 献

1) Y. Furuya, S. Matsuoka and T. Abe: Erectric Furnace Steel 75(2004) 5560.

2) Y. Furuya, S. Matsuoka, T. Abe and K. Yamaguchi: Trans. Jpn.Soc. Mech. Eng. A, 68(2002) 477483.

3) J. H. Cantrell and W. T. Yost: J. Appl. Phys. 81(1997) 29572962.

4) J. H. Cantrell: J. Appl. Phys. 100(2006) 06350817.5) K. Yamanaka, Y. Ohara, S. Yamamoto and T. Mihara: J. JSNDI

56(2007) 280285.6) M. Shiwa, S. Carpenter and T. Kishi: J. Compos. Mater.

30(1996) 20192041.7) M. Shiwa, Y. Furuya, H. Yamawaki, K. Ito and M. Enoki: Review

of Quantitative Nondestructive Evaluation, 28B, (American In-stitute of Physics, 2009), To be published.

8) K. Ito and M. Enoki: Mater. Trans. 48(2007) 12211226.9) T. Imanaka: J. JSNDI 56(2007) 286291.