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
E-mail: [email protected]
内線: 6408
材料工学Ⅱ
Ⅶ 非破壊検査
[email protected]テキスト「改訂機械材料学」P.190
12.1. 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
12.2. 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 [email protected]12.3. 超音波探傷法
パルス反射 透過 図12.3 超音波探傷法の原理 図12.5 水浸法 [email protected]超音波顕微鏡観察結果
0゜ 5mm 衝撃前 衝撃後 層間はく離面積: 64.5mm212.4. X線CT法（X ray computed
tomography scanner）
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20
μm程度欠陥検出可．
SMX-160CTS （島津製作所） [email protected]12.5. AE法
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 図12.6 AE信号波形と周 波数スペクトル [email protected]6. その他の探査法
a. 磁粉探傷：漏洩磁束に磁粉が吸着（図12.7）
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
図12.7 漏えい磁束 [email protected]6. その他の探査法
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7. 機器分析
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 図12.10 電子線と物質との相互作用の模式図 [email protected]7. 機器分析
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12.11 Al−Mg−Cu合金の金属格子のTEM像。 母材中にAl2CuMg析出物が観察される． [email protected]
7. 機器分析
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 [email protected]
7. 機器分析
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0.3−2 nm) EPMAに比べて試料の極表面の元素分析
図12.10 電子線と物質と の相互作用の模式図
f. 走査型プローブ顕微鏡
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12.12 走査型トンネル顕微鏡 （STM）の動作模式図 [email protected]
f. 走査型プローブ顕微鏡
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12.13 AFMで 観察したグラファ イトの原子像の 鳥瞰図表示 [email protected]
AFMの原理
ピエゾ加振 機 周波数シンセサイザ 試料 ピエゾスキャナ レーザ ミラー 光検出器 RMS検出器 カンチレバー コントローラ [email protected]走査型レーザー顕微鏡
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
顕微鏡による画像の違い
7075 Al合金の粒界割れ破面
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 [email protected]顕微ラマン分光法
ラマン散乱 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 分子の振動 入射光（ν i） 物質 入射 散乱 散乱光 アンチストークス 散乱光（ν i + ν ） レイリー散乱光 （ν i） ストークス散乱光 （ν i -ν ） [email protected]ラマン分光法による応力測定
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 樹脂 繊維 0 1 2 3 1602 1604 1606 1608 1610 1612 1614 1616Tensile stress GPa
Peak wavenumber cm –1 顕微ラマン分光によるスペクトルの測定 1600 1400 1200 1000 0 5 10 Intensity a.u. Raman shift cm–1 校正直線を用いて 応力に換算 [email protected] 1800 1600 1400 0 Wave number [cm–1] VE–γ–aging γ–aging VE Virgin A b so rb an ce
