陽電子ビーム法による金属疲労破壊予知に関する研究

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14550687
• 研究機関: 大阪府立大学
• 研究代表者: 堀 史説 大阪府立大学, 先端科学研究所, 助手 (20275291)
• 研究分担者: 谷口 良一 大阪府立大学, 先端科学研究所, 講師 (60155215)
• キーワード: 陽電子消滅法 / 金属疲労 / 陽電子ビーム / 格子欠陥 / 転位 / 原子空孔

研究概要

本実験を行うにあたり、陽電子線源として陽電子ビーム装置の開発を行った。今回、本装置による疲労試験片の測定はできなかったが、50x30x30cm^3程度の小型の陽電子銃を設計・作成し、数10kVの高電圧により陽電子ビームを取り出し、2次元光子計数装置を用いて陽電子イメージングを行った。また、計算機シミュレーションにより本装置を用いて0.23mm程度までビーム系を収束できることがわかった。今回作製した陽電子ビーム装置を用いた疲労試験片の測定はできなかったが、そのシミュレーション実験として従来の薄膜で密封した陽電子線源による測定を行い、以下の結果を得た。
純鉄およびオーステナイトステンレス鋼SS304についてJIS規格疲労試験試料を複数枚作製し、それぞれの試験片を低サイクル疲労させ、陽電子消滅測定を行った。鉄は格子欠陥の素性がわかりやすく陽電子寿命からの欠陥種の特定が可能であり、また実用鋼のシミュレーションとしてSS304を用いた。その結果、両試料における疲労に対する陽電子寿命、ドップラー測定の傾向ともほぼ一致しており、陽電子による疲労欠陥検出に汎用性が高いことが示された。また、0.01%Nf(破断繰返し負荷回数=100%Nf)という疲労量でも敏感に欠陥を検出した。以上から極低疲労量での微小欠陥分布の陽電子による可視化の有効性が示された。一方、疲労初期段階での欠陥の成長過程について以下のことが分かった。
空孔型欠陥が試験片の応力集中箇所と同じ部位に観察され、その後の疲労によって空孔は転位に捕獲され、10%Nf程度のサイクルでそれらと同等の部分に急激に空孔が成長し、そこで破断が起こることがわかった。すなわち陽電子消滅法により亀裂発生の前駆現象を捕らえることが可能であることが示された。これらの欠陥評価方法として、測定の簡単なドップラー拡がりで測定しピークハイトによる解析で比較的簡便に疲労による亀裂発生の前駆現象を部分的に検出することが可能であることを示した。

研究成果

• [文献書誌] F.Hori, R.Oshima: "Positron annihilation study in the early stage of fatigue in type 304 stainless steel"physics status solidi (a). 191, No.2. 409-417 (2002)
• [文献書誌] F.Hori, R.Taniguchi, R.Oshima: "Positron annihilation study of SS304 in the early stage of fatigue"Proceedings of the 4^<th> Symposium on Radiographic Testing. Vol.4. 77-80 (2004)
• [文献書誌] T.Araki, F.Hori, R.Taniguchi, A.Iwase: "Positron annihilation measurement of defects in pure Fe in the early stage of fatigue"Proceedings of the 4^<th> Symposium on Radiographic Testing. Vol.4. 81-84 (2004)
• [文献書誌] 堀史説, 谷口良一, 大嶋隆一郎: "金属中の初期疲労段階における欠陥の陽電子消滅法による検出"非破壊検査に関する研究発表会講演集. 46-49 (2003)
• [文献書誌] 谷口良一, 堀史説, 大嶋隆一郎: "2次元光子計数装置を用いた陽電子イメージング"非破壊検査に関する研究発表会講演集. 50-53 (2003)
• [文献書誌] 谷口良一, 堀史説, 大嶋隆一郎: "陽電子イメージングと電子線イメージング"非破壊検査協会放射線分科会資料. No.10314. 7-10 (2002)