導電率・透磁率テンソルを用いたSUS316鋼の疲労過程モニタリングシステムの開発

• 研究課題/領域番号: 21K04093
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分21030:計測工学関連
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 木下 勝之 京都大学, エネルギー科学研究科, 准教授 (80325240)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2023年度: 260千円 (直接経費: 200千円、間接経費: 60千円); 2022年度: 260千円 (直接経費: 200千円、間接経費: 60千円); 2021年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
• キーワード: 非破壊評価 / 電気伝導率テンソル / 透磁率テンソル / SUS316鋼 / SUS216鋼

研究開始時の研究の概要

本研究は，燃料電池，水素ステーションや原子力発電所といったエネルギー機器にとって非常に重要な材料であるSUS316鋼の電気伝導率および透磁率テンソルを推定し，転位密度の増加，マルテンサイト相の発生，マイクロクラックの発生と進行していく疲労過程をモニタリングできるシステムを開発することを目的とする．特に，電気伝導率・透磁率テンソルから転位密度，マルテンサイト相の体積分率やアスペクト比，き裂密度やそのアスペクト比といった材料内部の構造変化に関する情報への変換システムの構築をメインに研究を行っていく．

研究実績の概要

本研究の目的は，SUS316鋼の電気伝導率と透磁率テンソルを推定することによって，その疲労劣化過程をモニタリングできる計測システムを開発することである．目的を実現するために以下の研究を行った．
①クリギング法を用いた磁気特性推定システムの構築：EI値を用いたサンプル点の追加も行えるクリギング応答曲面法を用いた磁気特性推定システムを開発した．開発したシステムを用いて推定精度の高いクリギング応答曲面を構築するのに必要なデータ数および応答値を検討した結果，シミュレーション値を用いた検証では10%以下の誤差で比抵抗と透磁率を推定可能であることがわかった．ただし，実測値を用いて推定精度を検証した結果，応答値として位相角を用いることができなくなる問題が生じた．
②SUS316鋼の転位密度の計測：SUS316鋼試験片に平面曲げ疲労試験機を用いて，繰り返し変形を与え，X線プロファイル計測を行った．実験条件としては，昨年度の平行ビーム光学系から集中光学系に変更し，蛍光X線低減モードを採用した．また，検出器を0次元検出器から1次元検出器に変更した．その結果，昨年度まで計測が不可能であった(2,2,2)面の回折曲線が得られるようになった．さらに，擬Voigt関数を用いたKα1,2線の分離および半価幅を計算できるプログラムを開発した．
③走査型コイルインピーダンス計測システムの構築：x，y，z軸についてμｍレベルで位置制御可能な走査型コイルインピーダンス計測装置を製作した．作製した計測装置と①で構築した推定システムを用いて，予ひずみを与えたSUS316試験片の比抵抗と透磁率を推定した結果，①で述べた問題が生じた．

現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

使用予定であったX線計測装置が，故障により数か月使用できなかったため実験条件が詰められず計画に遅れが生じた．さらに，位相角が正常に計測できない問題が生じた．

今後の研究の推進方策

①走査型コイルインピーダンス計測システムの改良：開発したシステムでは，位相角を十分な精度で計測できないことがわかった．この問題は，コイルとLCRメータを繋ぐ同軸ケーブルの抵抗，インダクタンス，コンダクタンス成分を除去できていないためだと考えられる．そのため，同軸ケーブルもコイルの等価回路モデルの一部として扱うことでケーブル成分の除去を行う．
②SUS316鋼の転位密度の計測：引張変形を与えた試験片と繰り返し変形を与えた試験片について，X線プロファイル解析によって，転位密度や転位配列を計測し，電気伝導率との関係を定式化する．
③疲労過程モニタリングシステムの開発
開発したモニタリングシステムを用いて，繰り返し変形を与えたSUS316鋼試験片の比抵抗および透磁率を推定し，転位密度の変化をモニタリング可能か検証する．