Usage 用途(その他)
超音波音速計による黒鉛球状化率の測定原理と測定方法
ダクタイル鋳鉄(FCD材:Ferrum Casting Ductile)とは、組織中の黒鉛(グラファイト)の形状を球状にすることで、ねずみ鋳鉄(FC材)に比べ優れた強度・粘り強さを持つよう改良された鋳鉄のことです。ダクタイル鋳鉄は、球状黒鉛鋳鉄やノデュラー鋳鉄とも呼ばれており、自動車等の強度が必要とされる部品や水道管で使用されています。
ここでは、超音波音速計を用いて黒鉛球状化率を判定する方法について説明します。超音波での黒鉛球状化率の測定は、簡単に短時間で行うことができるため、幅広く行われています。
測定原理
一般的に、黒鉛球状化率80%以上の鋳鉄がダクタイル鋳鉄と規定され、80%未満の鋳鉄はダクタイル鋳鉄として要求される強度・粘り強さを備えていないため、ダグタイル鋳鉄と呼ぶことができません。このため、黒鉛球状化率は、ダクタイル鋳鉄の鋳造において欠かすことができない重要な管理項目です。
黒鉛球状化率と超音波の伝わる速度(音速)との間には、下のグラフのように相関関係があります。超音波音速計による球状化率の測定では、この関係を利用し、超音波で鋳鉄の音速を測定し、音速から黒鉛球状化率を推定します。
黒鉛球状化率と音速の関係
測定方法
まず、超音波音速計に測定箇所の鋳鉄の厚さを入力します。次にトランスデューサー(プローブ・探触子)と呼ばれる超音波センサーを測定箇所に接触させると、瞬時に音速が表示されます。
トランスデューサーを鋳鉄に接触させると、トランスデューサーから鋳鉄に入射した超音波は、鋳鉄の反対面に反射し戻ってきます。超音波音速計では、発信した超音波が戻ってくるまでの時間(伝播時間)と、事前に入力した鋳鉄の厚みを元に、下の計算式から音速を算出します。
音速(C)= 2 × D / t
D:厚さ t:伝播時間
このように超音波音速計では、トランスデューサーを接触させるだけで、瞬時に音速を測定し、黒鉛球状化率を推定することができます。顕微鏡での観察に比べ、熟練が不要で場所を選ばず行うことができるため、現場での測定に適しています。
動画
弾性率(ヤング率、ポアソン比、剛性率)の測定
弾性率とは、弾性体に外力を加えた際に生じるの弾性変形における応力とひずみの割合のことです。
変形の種類により、ヤング率、ポアソン比、体積弾性率、剛性率などがあります。
弾性率は、物質の基本的な材料特性で、材料試験や研究において重要な意味を持ちます。
縦波音速と横波音速、密度を基に、ヤング率、ポアソン比、剛性率を算出することができます。このため、超音波厚さ計を用いて、縦波音速と横波音速を測定することで、弾性率を簡単に測定することができます。ここでは、縦波音速と横波音速の測定方法について説明します。
測定方法
一振動子探触子(トランスデューサー・プローブ)に対応するAスコープ表示付きの超音波厚さ計(CMX DL+、PVX)を使用します。
縦波音速は、一般的な厚さ測定用のトランスデューサー(プローブ・探触子)を用いて測定が可能です。
一方、横波音速の測定では、特殊な横波垂直探触子を用います。横波は縦波に比べて減衰し易いため、底面エコーを検出することができない場合は、2MHzの低周波の探触子を使用します。また、横波音速の測定では、ねり飴のように極めて粘度が高い専用のカプラント(接触媒質)を使用する必要があります。
測定対象物は表面を研磨し、探触子の密着性を確保しておきます。
まず、測定対象物の厚さをノギスやマイクロメーターで計測します。次に、計測した厚さを超音波厚さ計本体に入力し、音速校正を実施します。測定対象物の音速が表示されます。これを縦波垂直探触子と横波垂直探触子のそれぞれで行うことで、縦波音速と横波音速を測定することができます。
それぞれの音速と密度から、以下の式を用いて弾性率の算出します。
縦波音速(m/s)
横波音速(m/s)
密度(g/cm³)
ポアソン比
ヤング率(GPa)
剛性率(GPa)
ポアソン比(v)
=
ヤング率(E)
=
剛性率
=
- 縦波音速
- VL
- 横波音速
- VS
- 密度
- ρ
- ポアソン比
- v
- ヤング率
- E
物質 | 縦波音速(m/s) | 横波音速(m/s) | 密度(g/cm³) |
---|---|---|---|
鋼 | 5,870〜5,950 | 3,190〜3,260 | 7.80 |
鋳鉄 | 3,500〜5,600 | 2,200〜3,200 | 7.20 |
ステンレス鋼(304) | 5,790 | 3,100 | 7.91 |
ステンレス鋼(410) | 7,390 | 2,990 | 7.67 |
アルミニウム | 6,260 | 3,080 | 2.70 |
黄銅 | 4,640 | 2,100 | 8.54 |
銅 | 4,700 | 2,260 | 8.90 |
アクリル樹脂 | 2,730 | 1,430 | 1.18 |
*音速・密度共に代表的な値です。
対応トランスデューサー
周波数 | 径 | 種別 | 探触子 | 対応機種 | 部品番号 |
---|---|---|---|---|---|
2.25MHz | 10×10mm | 横波音速測定用 | 一振動子 | CMX DL+、PVX | 2Z 10X10 SN |
5.0MHz | 10×10mm | 横波音速測定用 | 一振動子 | CMX DL+、PVX | 5Z 10X10 SN |
5.0MHz | 10mm | 縦波音速測定用 | 一振動子 | CMX DL+、PVX | TT-SC5-14 |
10MHz | 10mm | 縦波音速測定用 | 一振動子 | CMX DL+、PVX | TT-SC10-14 |