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1 第十四回目 12 非破壊検査と機器分析 生命医科学部医工学科バイオメカニクス研究室 ( 片山 田中研 ) IN116N 田中和人 内線 : 6408 テキスト 改訂機械材料学 P 非破壊検査の意義と目的欠陥の存在を考慮して設計応力を決定 K =σ(πa) 1/2 製品の信頼性破壊力学 放射線による非破壊検査放射線透過検査の原理 X 線,g 線, 濃淡像, 欠陥検出能 = 被検体厚さの 2 3% X 線による応力測定も可能 図 12.1 透過 X 線のコントラスト 材料工学 Ⅱ Ⅶ 非破壊検査 パルス反射透過 0 衝撃前衝撃後 5mm 図 12.3 超音波探傷法の原理 図 12.5 水浸法 層間はく離面積 : 64.5mm 超音波探傷法 超音波顕微鏡観察結果

2 コンピュータ断層撮影装置複雑な被検査物体の内部の欠陥を三次元的に観察. セラミックスなどでは 20μm 程度欠陥検出可. アコースティックエミッション (acoustic emission)(ae 法 ) 材料が外力を受けて変形や割れが発生したときに蓄積されていたひずみエネルギーが弾性波として放出される現象材料内を伝ぱする波が AE 波圧力容器, 製作時の耐圧試験, 溶接部分における異常検知位置の評定 : 複数個の AE 検出子 SMX-160CTS ( 島津製作所 ) 図 12.6 AE 信号波形と周波数スペクトル X 線 CT 法 (X ray computed tomography scanner) AE 法 a. 磁粉探傷 : 漏洩磁束に磁粉が吸着 ( 図 12.7) 図 12.7 漏えい磁束 b. 浸透探傷法開口している欠陥に浸透液 (penetrant) を塗布現像材を供試体の表面に塗布, 黄緑色の蛍光または赤色の指示模様, 蛍光 c. 電気抵抗法 ( 電位差法 ) 欠陥やき裂の大きさに対応する電位差 (electric potential) の変化を測定直流, および交流電流を用いる 2 種類の方法 d. 渦電流法 ( 図 12.9) 材料に渦電流 (eddy current) を発検査対象の材料に欠陥, 材質的な変化, 形状の変化があるとコイルのインピーダンスが変化鋼管やチタン管の探傷に利用され, 品質保証において不可欠の技術 e. 熱的方法外力による仕事が熱になって消費 材料の温度上昇応力集中部や欠陥の位置を非破壊的に検出 図 12.9 渦電流の発生状況 6. その他の探査法 6. その他の探査法

3 a. 機器分析とは材料科学で欠くことのできない評価元素 化学状態や微細構造を nm mm オーダレベルで評価電子線, イオンあるいは X 線などの粒子線を試料に照射して, その粒子線と試料の相互作用により生じる種々の物理現象を解析 b. 粒子線と物質との相互作用試料に電子, あるいは X 線やイオンを照射表面の形態観察, 元素分析, 化学状態解析, 構造解析 c. 電子顕微鏡 (electron microscope) 透過型電子顕微鏡 (TEM:transmission electron microscope) 透過電子. 分解能 : 約 0.3 nm (100 kv),0.1 nm 程度 (1000 kv) 回折図形より試料の結晶方位や面間隔などを測定 : 電子回折 図 電子線と物質との相互作用の模式図 図 Al Mg Cu 合金の金属格子の TEM 像 母材中に Al 2 CuMg 析出物が観察される. c. 電子顕微鏡 (electron microscope) 走査型電子顕微鏡 (SEM:scanning electron microscope) 二次電子などを半導体検出器 電界放射型電子銃を用いた最新の SEM( 電界放射型 SEM とよばれ, 通常の熱電子放射型 SEM とは区別される.) では, 面内分解能が約 1.0 nm 特徴厚い試料でもそのまま観察可能焦点深度が深い d. 電子線マイクロアナライザー電子線マイクロアナライザー (EPMA:electron probe microanalyzer) 特性 X 線による試料表面部の元素分析. 波長, エネルギーで元素の種類を決定 μm オーダで点分析, 線分析, 面分析が可能 EPMA: 表面からおよそ μm オーダ オージェ電子分光法 (AES:Auger electron spectroscopy) オージェ電子の脱出深さは数原子層 ( 約 nm) EPMA に比べて試料の極表面の元素分析 図 電子線と物質との相互作用の模式図

4 走査型トンネル顕微鏡 (STM:scanning tunneling microscope) 1982 年に発表真空中, 大気中, 液中でも観察可能バイアス電圧により生じるトンネル電流 ( トンネル効果 ) nm オーダーの表面性状を三次元で観察可能 図 走査型トンネル顕微鏡 (STM) の動作模式図 原子間力顕微鏡 (AFM:atomic force microscope) マイクロマシーニング技術により作製したばね定数の小さいカンチレバーの突起の先端と試料表面の原子の間の斥力によってカンチレバーがたわむ. 試料表面の凹凸が測定可能種々のモードコンタクトモード : 探針と試料が接触タッピングモード : 探針が試料の上で振動特徴原子像の観察可 ( 図 12.13) SEM と比較して高い垂直方向分解能真空中, 大気中, 液中で観察可 図 AFM で観察したグラファイトの原子像の鳥瞰図表示 f. 走査型プローブ顕微鏡 f. 走査型プローブ顕微鏡 RMS 検出器レーザミラー試料光検出器 周波数シンセサイザ ピエゾ加振機 カンチレバー コントローラ コンフォーカル光学系合焦位置と光学的に共役な位置 ( 共焦点面 ) にピンホールを設置. ピンホールを通過した像だけを取得走査 : スキャニングすることで画像を構築 ピエゾスキャナ AFM の原理 走査型レーザー顕微鏡

5 7075 Al 合金の粒界割れ破面 ラマン散乱 アンチストークス散乱光 (ν i + ν ) レイリー散乱光 光学顕微鏡像 走査型レーザー顕微鏡像 電解放射型走査電子顕微鏡像 入射光 (ν i ) 入射 分子の振動物質 散乱 ラマンシフト : ν 物質の同定, 構造非破壊, 非接触顕微ラマン分光法レーザ光を絞る : 微小領域 (1μm 程度 ) の測定が可能 散乱光 ( ν i ) ストークス散乱光 (ν i - ν ) 顕微鏡による画像の違い 顕微ラマン分光法 顕微ラマン分光によるスペクトルの測定 樹脂 Intensity a.u 赤外吸収分光法 照射した赤外線の吸収スペクトルから物質内の分子結合を同定 繊維 Raman shift cm cm -1 C=O 伸縮振動 VE γ aging 樹脂中の繊維の応力測定残留応力測定応力伝達長さの測定 校正直線を用いて応力に換算 Peak wavenumber cm Tensile stress GPa Absorbance VE γ aging Virgin Wave number [cm 1 ] フーリエ変換赤外分光光度計 (FTIR) ラマン分光法による応力測定 赤外吸収分光法

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