機関誌「非破壊検査」　バックナンバー　2007年度

解説　非線形超音波法による非破壊検査・評価

接触型非線形超音波を用いた工業材料の非破壊評価・検査　−密着き裂と微細損傷の高調波画像化−

　　川嶋紘一郎　（有）超音波材料診断研究所

Nondestructive Evaluation and Testing of Engineering Materials with Contact Acoustic Nonlinearity − Harmonic Imaging of Tight Cracks and Microdamage −
Koichiro KAWASHIMA　Ultrasonic Materials Diagnosis Lab.

キーワード　超音波，画像化，非線形超音波，高調波，密着き裂

１.　線形超音波の問題点
　現在用いられているパルス反射法（以下線形超音波法と呼ぶ）は，主に金属と空気の音響インピーダンスの差により隙間部で発生する反射波を利用する。
　この裏返しとして， 同一物質の隙間0の理想的密着面では，音響インピーダンスの差がないので反射波が生じないことになる。このため，パルス反射法による密着き裂，キッシング ボンドの検出・サイジングの困難さがしばしば指摘されている。さらに，金属溶接部の粗大結晶粒では結晶の異方性主軸の変動による粒界散乱が顕著であるの で，組織ノイズが大きくなりそこに生じた密着き裂の検出はさらに困難となる。
　異種材料の接合界面ではさらに音響インピーダンスの差が大きい。このため，接合界面に存在するあるいは発生した密着き裂あるいは損傷の検出は極めて困難である。
　真空の隙間であれば5 nmでも超音波がほぼ完全に反射される１）。一方，ガラス板に10 nm台の狭い隙間のき裂を導入し，光干渉法により隙間幅を測定し，光弾性法を用いてパルス波の伝搬を可視化した報告２）では，大気中では60 nm以下であればパルス波がき裂面を透過し，160 nm以上では反射される。nm程度の隙間に閉じ込められた空気はMHz台の超音波に対して高い剛性を示すためと考えられる。同様な状況は狭い隙間に液体が 封入された場合にも当然起こる。このように，超音波はサブミクロンの隙間を持つ平滑面をも透過する。さらに，疲労き裂面はストライエーション，粒界応力腐 食割れ面は結晶粒程度の凹凸を持ち，それら先端部では部分的接触が起こるので，そこを超音波が透過できる。
　一方，高温あるいは腐食性雰囲気の下で使用される構造要素では，原子空孔の集合・析出物の生成などによる結晶粒界の弱化，そこでのマイクロボイド・ク ラックの発生，それらの合体による粒界割れなどにより，クリープ，応力腐食割れ，水素脆化などの損傷が発生することがある。このようなミクロンオーダーの 微視損傷を数MHzの線形超音波法で検出することは極めて困難であり，実用化されているのは後方散乱波スペクトル変化を利用するクリープ損傷検出３）だけ といってよい。