(57)【要約】【課題】弾塑性体を破壊することなく、残留応力を測定することができる残留応力の測定方法を提供する。【解決手段】測定対象物の表面の所定の測定領域において、測定対象物に対して応力を与えない状態と与えた状態とで平均高度を測定して単位荷重当たりの平均高度増分を算出することを、応力を段階的に増加させながら行い、単位荷重当たりの平均高度増分が増加したときの応力を測定対象物の弾性限界応力とする。残留応力を有さない弾塑性体と残留応力を有する弾塑性体に対して弾性限界応力の測定を行い、残留応力を有さない弾塑性体の弾性限界応力と、残留応力を有する弾塑性体の弾性限界応力との差を残留応力とする。【選択図】  図１
2016206104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性限界応力の測定であって、
（ａ）測定対象物に荷重を与えた状態で、前記測定対象物の前記荷重の方向と平行な表面の所定の測定領域において、前記測定領域の法線方向の平均高度を測定することを、前記荷重をｎ段階（ｎは２以上の自然数）で増加させながら行い、
（ｂ）（ａ）のそれぞれの段階における平均高度の、荷重を前記測定対象物に与えない状態における基準平均高度からの変位量をそれぞれの段階における荷重で除した単位荷重当たりの平均高度増分を算出することで、それぞれの段階における荷重と単位荷重あたりの平均高度増分とを対応付け、
（ｃ）（ａ）の第ｋ段階（ｋは１以上ｎ−１以下の自然数）における荷重に対応付けられた単位荷重あたりの平均高度増分と、第（ｋ＋１）段階の荷重に対応付けられた単位荷重あたりの平均高度増分との比を算出したとき、前記比が０．９以下又は１．１以上となる最も小さい第ｋ段階の荷重と第（ｋ＋１）段階の荷重の中間値に基づいて、前記測定対象物の弾性限界の応力を算出する、弾性限界応力の測定を、
残留応力を有さない弾塑性体と残留応力を有する弾塑性体を測定対象物として行い、
前記残留応力を有さない弾塑性体の弾性限界応力から、前記残留応力を有する弾塑性体の弾性限界応力を減ずることで、前記残留応力を算出する、残留応力の測定方法。
【請求項２】
残留応力を加える前の弾塑性体を測定対象物として前記弾性限界応力の測定を行い、
次に、前記弾塑性体に対して残留応力を加え、
その後、残留応力を加えた後の弾塑性体を測定対象物として前記弾性限界応力の測定を行い、
残留応力を加える前の弾塑性体の弾性限界応力から、残留応力を加えた後の弾塑性体の弾性限界応力を減ずることで、前記弾塑性体に加えられた残留応力を算出する、請求項１に記載の残留応力の測定方法。
【請求項３】
残留応力を有する弾塑性体を測定対象物として前記弾性限界応力の測定を行い、
次に、前記弾塑性体から残留応力を除去し、
その後、残留応力が除去された後の弾塑性体を測定対象物として前記弾性限界応力の測定を行い、
残留応力が除去された後の弾塑性体の弾性限界応力から、残留応力が除去される前の弾塑性体の弾性限界応力を減ずることで、前記弾塑性体から除去された残留応力を算出する、請求項１に記載の残留応力の測定方法。
【請求項４】
前記測定対象物に対して荷重を与えない状態で前記測定対象物の表面の第１の高度分布を測定し、
前記測定対象物に対して荷重を与えた状態で前記測定対象物の表面の第２の高度分布を測定し、
デジタル高度相関法により、前記第１の高度分布における所定の測定領域と同一の領域を、前記第２の高度分布から探索し、
前記第１の高度分布における所定の測定領域の平均高度を前記基準平均高度とし、前記第２の高度分布における前記同一の領域の平均高度と前記基準平均高度との差を前記荷重で除することにより単位荷重当たりの平均高度増分を算出する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の残留応力の測定方法。
【請求項５】
前記高度分布の測定を、デジタルホログラフィック顕微鏡を用いて行う、請求項４に記載の残留応力の測定方法。
【請求項６】
（ａ）測定対象物に荷重を与えた状態で、前記測定対象物の前記荷重の方向と平行な表面の所定の測定領域において、前記測定領域の法線方向の平均高度を測定することを、前記荷重をｎ段階（ｎは２以上の自然数）で増加させながら行い、
（ｂ）（ａ）のそれぞれの段階における平均高度の、荷重を前記測定対象物に与えない状態における基準平均高度からの変位量をそれぞれの段階における荷重で除した単位荷重当たりの平均高度増分を算出することで、それぞれの段階における荷重と単位荷重あたりの平均高度増分とを対応付け、
（ｃ）（ａ）の第ｋ段階（ｋは１以上ｎ−１以下の自然数）における荷重に対応付けられた単位荷重あたりの平均高度増分と、第（ｋ＋１）段階の荷重に対応付けられた単位荷重あたりの平均高度増分との比を算出したとき、前記比が０．９以下又は１．１以上となる最も小さい第ｋ段階の荷重と第（ｋ＋１）段階の荷重の中間値に基づいて、前記測定対象物の弾性限界の応力を算出する、
弾性限界応力の測定方法。
【請求項７】
前記測定対象物に対して荷重を与えない状態で前記測定対象物の表面の第１の高度分布を測定し、
前記測定対象物に対して荷重を与えた状態で前記測定対象物の表面の第２の高度分布を測定し、
デジタル高度相関法により、前記第１の高度分布における所定の測定領域と同一の領域を、前記第２の高度分布から探索し、
前記第１の高度分布における所定の測定領域の平均高度を前記基準平均高度とし、前記第２の高度分布における前記同一の領域の平均高度と前記基準平均高度との差を前記荷重で除することにより単位荷重当たりの平均高度増分を算出する、請求項６に記載の弾性限界応力の測定方法。
【請求項８】
前記高度分布の測定を、デジタルホログラフィック顕微鏡を用いて行う、請求項７に記載の弾性限界応力の測定方法。
【請求項９】
前記測定対象物に荷重を付与した状態で、前記測定対象物の前記荷重の方向と平行な表面の所定の測定領域において測定された、前記測定領域の法線方向の平均高度と、前記測定対象物に荷重を付与しない状態における前記測定領域の平均高度との差を、前記荷重で除した単位荷重当たりの平均高度増分を算出する平均高度増分算出部と、
前記測定対象物にｎ段階（ｎは自然数）で増加する荷重を付与した状態で、それぞれの段階において算出された単位荷重当たりの平均高度増分を各段階の荷重と対応付ける対応付け部と、
第ｋ段階（ｋは１以上ｎ−１以下の自然数）における荷重に対応付けられた単位荷重あたりの平均高度増分と、第（ｋ＋１）段階の荷重に対応付けられた単位荷重あたりの平均高度増分との比を算出し、前記比が０．９以下又は１．１以上となる最も小さい第ｋ段階の荷重と第（ｋ＋１）段階の荷重の中間値に基づいて、前記測定対象物の弾性限界の応力を算出する弾性限界応力算出部と、
残留応力を有さない弾塑性体を測定対象物として算出された弾性限界応力と、残留応力を有する弾塑性体を測定対象物として算出された弾性限界応力との差を前記残留応力として算出する残留応力算出部と、
を備える、残留応力の測定装置。
【請求項１０】
前記測定対象物に残留応力を付与する残留応力付与装置をさらに備える、請求項９に記載の残留応力の測定装置。
【請求項１１】
前記測定対象物から残留応力を除去する残留応力除去装置をさらに備える、請求項９又は１０に記載の残留応力の測定装置。
【請求項１２】
前記測定対象物に荷重を付与した状態で、前記測定対象物の前記荷重の方向と平行な表面の所定の測定領域において測定された、前記測定領域の法線方向の平均高度と、前記測定対象物に荷重を付与しない状態における前記測定領域の平均高度との差を、前記荷重で除した単位荷重当たりの平均高度増分を算出する平均高度増分算出部と、
前記測定対象物にｎ段階（ｎは自然数）で増加する荷重を付与した状態で、それぞれの段階において算出された単位荷重当たりの平均高度増分を各段階の荷重と対応付ける対応付け部と、
第ｋ段階（ｋは１以上ｎ−１以下の自然数）における荷重に対応付けられた単位荷重あたりの平均高度増分と、第（ｋ＋１）段階の荷重に対応付けられた単位荷重あたりの平均高度増分との比を算出し、前記比が０．９以下又は１．１以上となる最も小さい第ｋ段階の荷重と第（ｋ＋１）段階の荷重の中間値に基づいて、前記測定対象物の弾性限界の応力を算出する弾性限界応力算出部と、
を備える、弾性限界応力の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、残留応力の測定方法、弾性限界応力の測定方法、残留応力の測定装置および弾性限界応力の測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物においては、残留応力が損傷の要因になっていることがあり、部材の健全性評価、余寿命診断を行う上で残留応力の評価を行うことは必要不可欠である。
残留応力の測定方法は様々であり、一般的な方法としては、開放法、穿孔法などの破壊試験法（例えば特許文献１）、Ｘ線や中性子線を利用した非破壊検査法（例えば特許文献２）がある。また、半非破壊的に残留応力を測定する方法として、対象物表面に圧痕を設け、その圧痕形状から残留応力を測定する方法が開発されている（例えば特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２１６５１４号公報
【特許文献２】特許第４７８４９８４号
【特許文献３】特許第４２６１０８０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のような破壊試験法では、測定の際に大きな破壊が生じることから、完成した構造物には使用できないという問題がある。
特許文献２のようにＸ線や中性子線を利用する方法では、プロセス機器などで使用されるチタンなどの結晶配向性が高い材料の測定が困難である。
特許文献３のように圧痕を設ける方法では、構造物の表面に傷が残るという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、測定対象物となる弾塑性体を破壊することなく、残留応力を測定することができる残留応力の測定方法および残留応力の測定に用いることができる弾性限界応力の測定方法、これらの方法を実施するための残留応力の測定装置および弾性限界応力の測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様は、残留応力の測定方法であって、
（ａ）測定対象物に荷重を与えた状態で、前記測定対象物の前記荷重の方向と平行な表面の所定の測定領域において、前記測定領域の法線方向の平均高度を測定することを、前記荷重をｎ段階（ｎは２以上の自然数）で増加させながら行い、
（ｂ）（ａ）のそれぞれの段階における平均高度の、荷重を前記測定対象物に与えない状態における基準平均高度からの変位量をそれぞれの段階における荷重で除した単位荷重当たりの平均高度増分を算出することで、それぞれの段階における荷重と単位荷重あたりの平均高度増分とを対応付け、
（ｃ）（ａ）の第ｋ段階（ｋは１以上ｎ−１以下の自然数）における荷重に対応付けられた単位荷重あたりの平均高度増分と、第（ｋ＋１）段階の荷重に対応付けられた単位荷重あたりの平均高度増分との比を算出したとき、前記比が０．９以下又は１．１以上となる最も小さい第ｋ段階の荷重と第（ｋ＋１）段階の荷重の中間値に基づいて、前記測定対象物の弾性限界の応力を算出する、弾性限界応力の測定を、
残留応力を有さない弾塑性体と残留応力を有する弾塑性体を測定対象物として行い、
前記残留応力を有さない弾塑性体の弾性限界応力から、前記残留応力を有する弾塑性体の弾性限界応力を減ずることで、前記残留応力を算出することを特徴とする。
【０００７】
残留応力を加える前の弾塑性体を測定対象物として前記弾性限界応力の測定を行い、
次に、前記弾塑性体に対して残留応力を加え、
その後、残留応力を加えた後の弾塑性体を測定対象物として前記弾性限界応力の測定を行い、
残留応力を加える前の弾塑性体の弾性限界応力から、残留応力を加えた後の弾塑性体の弾性限界応力を減ずることで、前記弾塑性体に加えられた残留応力を算出してもよい。
【０００８】
残留応力を有する弾塑性体を測定対象物として前記弾性限界応力の測定を行い、
次に、前記弾塑性体から残留応力を除去し、
その後、残留応力が除去された後の弾塑性体を測定対象物として前記弾性限界応力の測定を行い、
残留応力が除去された後の弾塑性体の弾性限界応力から、残留応力が除去される前の弾塑性体の弾性限界応力を減ずることで、前記弾塑性体から除去された残留応力を算出してもよい。
【０００９】
前記測定対象物に対して荷重を与えない状態で前記測定対象物の表面の第１の高度分布を測定し、
前記測定対象物に対して荷重を与えた状態で前記測定対象物の表面の第２の高度分布を測定し、
デジタル高度相関法により、前記第１の高度分布における所定の測定領域と同一の領域を、前記第２の高度分布から探索し、
前記第１の高度分布における所定の測定領域の平均高度を前記基準平均高度とし、前記第２の高度分布における前記同一の領域の平均高度と前記基準平均高度との差を前記荷重で除することにより単位荷重当たりの平均高度増分を算出する、ことが好ましい。
【００１０】
前記高度分布の測定を、デジタルホログラフィック顕微鏡を用いて行う、ことが好ましい。
【００１１】
本発明の他の態様は、弾性限界応力の測定方法であって、
（ａ）測定対象物に荷重を与えた状態で、前記測定対象物の前記荷重の方向と平行な表面の所定の測定領域において、前記測定領域の法線方向の平均高度を測定することを、前記荷重をｎ段階（ｎは２以上の自然数）で増加させながら行い、
（ｂ）（ａ）のそれぞれの段階における平均高度の、荷重を前記測定対象物に与えない状態における基準平均高度からの変位量をそれぞれの段階における荷重で除した単位荷重当たりの平均高度増分を算出することで、それぞれの段階における荷重と単位荷重あたりの平均高度増分とを対応付け、
（ｃ）（ａ）の第ｋ段階（ｋは１以上ｎ−１以下の自然数）における荷重に対応付けられた単位荷重あたりの平均高度増分と、第（ｋ＋１）段階の荷重に対応付けられた単位荷重あたりの平均高度増分との比を算出したとき、前記比が０．９以下又は１．１以上となる最も小さい第ｋ段階の荷重と第（ｋ＋１）段階の荷重の中間値に基づいて、前記測定対象物の弾性限界の応力を算出する、
ことを特徴とする。
【００１２】
前記測定対象物に対して荷重を与えない状態で前記測定対象物の表面の第１の高度分布を測定し、
前記測定対象物に対して荷重を与えた状態で前記測定対象物の表面の第２の高度分布を測定し、
デジタル高度相関法により、前記第１の高度分布における所定の測定領域と同一の領域を、前記第２の高度分布から探索し、
前記第１の高度分布における所定の測定領域の平均高度を前記基準平均高度とし、前記第２の高度分布における前記同一の領域の平均高度と前記基準平均高度との差を前記荷重で除することにより単位荷重当たりの平均高度増分を算出する、ことが好ましい。
【００１３】
前記高度分布の測定を、デジタルホログラフィック顕微鏡を用いて行う、ことが好ましい。
【００１４】
本発明の他の態様は、残留応力の測定装置であって、
前記測定対象物に荷重を付与した状態で、前記測定対象物の前記荷重の方向と平行な表面の所定の測定領域において測定された、前記測定領域の法線方向の平均高度と、前記測定対象物に荷重を付与しない状態における前記測定領域の平均高度との差を、前記荷重で除した単位荷重当たりの平均高度増分を算出する平均高度増分算出部と、
前記測定対象物にｎ段階（ｎは自然数）で増加する荷重を付与した状態で、それぞれの段階において算出された単位荷重当たりの平均高度増分を各段階の荷重と対応付ける対応付け部と、
第ｋ段階（ｋは１以上ｎ−１以下の自然数）における荷重に対応付けられた単位荷重あたりの平均高度増分と、第（ｋ＋１）段階の荷重に対応付けられた単位荷重あたりの平均高度増分との比を算出し、前記比が０．９以下又は１．１以上となる最も小さい第ｋ段階の荷重と第（ｋ＋１）段階の荷重の中間値に基づいて、前記測定対象物の弾性限界の応力を算出する弾性限界応力算出部と、
残留応力を有さない弾塑性体を測定対象物として算出された弾性限界応力と、残留応力を有する弾塑性体を測定対象物として算出された弾性限界応力との差を前記残留応力として算出する残留応力算出部と、
を備える、ことを特徴とする。
【００１５】
前記測定対象物に残留応力を付与する残留応力付与装置をさらに備える、ことが好ましい。
【００１６】
前記測定対象物から残留応力を除去する残留応力除去装置をさらに備える、ことが好ましい。
【００１７】
本発明の他の態様は、弾性限界応力の測定装置であって、
前記測定対象物に荷重を付与した状態で、前記測定対象物の前記荷重の方向と平行な表面の所定の測定領域において測定された、前記測定領域の法線方向の平均高度と、前記測定対象物に荷重を付与しない状態における前記測定領域の平均高度との差を、前記荷重で除した単位荷重当たりの平均高度増分を算出する平均高度増分算出部と、
前記測定対象物にｎ段階（ｎは自然数）で増加する荷重を付与した状態で、それぞれの段階において算出された単位荷重当たりの平均高度増分を各段階の荷重と対応付ける対応付け部と、
第ｋ段階（ｋは１以上ｎ−１以下の自然数）における荷重に対応付けられた単位荷重あたりの平均高度増分と、第（ｋ＋１）段階の荷重に対応付けられた単位荷重あたりの平均高度増分との比を算出し、前記比が０．９以下又は１．１以上となる最も小さい第ｋ段階の荷重と第（ｋ＋１）段階の荷重の中間値に基づいて、前記測定対象物の弾性限界の応力を算出する弾性限界応力算出部と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、測定対象物に段階的に応力を付与し、各段階において測定対象物の表面の平均高度を測定し、単位荷重当たりの平均高度増分が大きくなる応力に基づいて弾性限界応力を測定するため、０．２％耐力以上の応力を付与して測定対象物を塑性変形させることなく弾性限界応力を測定することができる。
また、残留応力がない測定対象物の弾性限界応力と残留応力がある測定対象物の弾性限界応力の差に基づいて残留応力を測定するため、測定対象物を破壊することなく、残留応力を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】測定装置１を示すブロック図である。
【図２】解析部３０の機能構成を示すブロック図である。
【図３】残留応力がない測定対象物Ｓ０および残留応力がある測定対象物Ｓ１における平均高度増分Δｈと応力σとの関係を示す図である。
【図４】実施例で用いた試験片を示す平面図である。
【図５】領域Ａにおける複数の結晶粒について、第６段階（４００Ｎ）の単位荷重あたりの平均高度増分を横軸に、第７段階（４５０Ｎ）における単位荷重あたりの平均高度増分を横軸にとり、プロットした散布図である。
【図６】領域Ｂにおける複数の結晶粒について、第２段階（２００Ｎ）の単位荷重あたりの平均高度増分を横軸に、第３段階（２５０Ｎ）における単位荷重あたりの平均高度増分を横軸にとり、プロットした散布図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態に係る測定装置を図面に基づいて説明する。本実施形態の測定装置では、測定対象物の降伏応力（弾性限界応力）を測定することができる。また、本実施形態の測定装置では、残留応力を有さない弾塑性体を測定対象物として算出された弾性限界応力と、残留応力を有する弾塑性体を測定対象物として算出された弾性限界応力との差を残留応力として算出することができる。ここで、「弾塑性体」とは、弾性限界応力以下の応力が負荷されたときは弾性変形し、弾性限界よりも大きな応力が負荷されたときに塑性変形する材質（例えば金属）からなるものをいう。
【００２１】
図１は本実施形態に係る測定装置１を示すブロック図である。測定装置１は、荷重付与部１０と、測定部２０と、解析部３０とを備える。
【００２２】
荷重付与部１０は、基体１１と、固定片１２と、可動片１３とを備える。
固定片１２は基体１１上に固定されており、測定対象物Ｓの一端を保持するチャック１２ａを有する。
可動片１３は基体１１上に固定片１２と間隔を空けて、固定片１２との距離が可変となるように、固定片１２に近づく方向（図１の左方向）および固定片１２から遠ざかる方向（図１の右方向）に移動可能に設けられている。可動片１３の動作は解析部３０によって制御される。可動片１３は、測定対象物Ｓの他端を保持するチャック１３ａを有する。チャック１２ａ、１３ａにより測定対象物Ｓの両端が保持された状態で可動片１３を固定片１２に近づく方向（図１の左方向）に移動させることで、測定対象物Ｓに圧縮荷重が作用する。一方、チャック１２ａ、１３ａにより測定対象物Ｓの両端が保持された状態で可動片１３を固定片１２から遠ざかる方向（図１の右方向）に移動させることで、測定対象物Ｓに引張荷重が作用する。
【００２３】
測定部２０は、支持台２１と、測定装置２２とを備える。
支持台２１は基体１１上に設けられたＸＹステージであり、測定装置２２をＸＹ方向（図１の左右方向および紙面と直交する方向）に移動させる。
測定装置２２は、非接触型の顕微鏡であり、例えば、デジタルホログラフィック顕微鏡（Digital Holographic Microscopy、以下「ＤＨＭ」という）、走査型共焦点顕微鏡、走査型プローブ顕微鏡等である。測定装置２２は測定対象物Ｓの上方に離間した状態で支持台２１に支持され、測定対象物Ｓの上面を走査して測定対象物Ｓの上面の高度分布を測定する。なお、測定装置２２を上下方向に移動可能としてもよい。
【００２４】
解析部３０は荷重付与部１０の可動片の動作、測定部２０の支持台２１の動作および測定装置２２を制御するとともに、測定装置２２により得られた測定対象物Ｓの上面の高度分布のデータを解析する。
【００２５】
図２は解析部３０の機能構成を示すブロック図である。解析部３０は、平均高度増分算出部３１と、対応付け部３２と、弾性限界応力算出部３３と、残留応力算出部３４とからなる。
【００２６】
平均高度増分算出部３１は、測定部２０において測定された測定対象物Ｓの上面の高度分布と、荷重付与部１０において測定対象物Ｓに付与した荷重とに基づき、単位荷重あたりの平均高度増分を算出する。
ここで、「平均高度増分」とは、測定対象物Ｓに荷重を与えていない状態における測定領域の平均高度（基準平均高度）に対する、測定対象物Ｓに荷重を与えた状態における測定領域の平均高度の増加量であり、「単位荷重当たりの平均高度増分」は平均高度増分を荷重で除した値である。
具体的には、測定対象物Ｓに荷重を与えていない状態における測定対象物Ｓの上面の平均高度をｈ０とし、測定対象物Ｓに荷重Ｌｎを与えた状態における測定対象物Ｓの上面の平均高度をｈｎとすると、平均高度増分Δｈはｈｎ−ｈ０であり、単位荷重当たりの平均高度増分はΔｈ／Ｌｎである。なお、Δｈは正であってもよいし、負であってもよい。
【００２７】
対応付け部３２は、荷重付与部１０により測定対象物Ｓにｎ段階（ｎは自然数）で増加する荷重を付与した状態で、それぞれの段階において算出された単位荷重当たりの平均高度増分を各段階の荷重と対応付けて記録する。
【００２８】
弾性限界応力算出部３３は、第ｋ段階（ｋは１以上ｎ−１以下の自然数）における荷重に対応付けられた単位荷重あたりの平均高度増分と、第（ｋ＋１）段階の荷重に対応付けられた単位荷重あたりの平均高度増分との比を算出し、この比が０．９以下又は１．１以上となる最も小さい第ｋ段階の荷重と第（ｋ＋１）段階の荷重の中間値に基づいて、測定対象物Ｓの弾性限界の応力を算出する。
【００２９】
なお、平均高度増分算出部３１、対応付け部３２、および、弾性限界応力算出部３３によって、弾性限界応力測定装置が構成される。残留応力の測定においては、残留応力を有さない弾塑性体を測定対象物Ｓとして弾性限界応力の算出が行われるとともに、残留応力を有する弾塑性体を測定対象物Ｓとして弾性限界応力の算出が行われる。
【００３０】
残留応力算出部３４は、残留応力を有さない弾塑性体を測定対象物として算出された弾性限界応力と、残留応力を有する弾塑性体を測定対象物として算出された弾性限界応力との差を残留応力として算出する。
【００３１】
なお、測定装置１は、測定対象物Ｓに残留応力を付与する装置（残留応力付与装置４０）を有していていもよい。残留応力付与装置４０として、例えばレーザーピーニング装置やショットピーニング装置を用いることができる。残留応力付与装置４０は測定対象物Ｓの一部にのみ残留応力を付与してもよいし、測定対象物Ｓの全体に残留応力を付与してもよい。
【００３２】
また、測定装置１は、測定対象物Ｓから残留応力を除去する装置（残留応力除去装置５０）を有していていもよい。残留応力除去装置５０として、例えば焼き鈍しを行うための加熱装置を用いることができる。
【００３３】
〔弾性限界応力の測定方法〕
次に、測定装置１を用いて測定対象物Ｓにおける弾性限界の応力を算出する方法について説明する。
まず、荷重付与部１０により測定対象物Ｓに与える荷重を多段階に増加させながら、各段階において測定装置２２により測定対象物Ｓの上面を走査して測定対象物Ｓの上面の高度分布を測定する。
例えば、所定の荷重Ｌ１（Ｌ１＞０）を測定対象物Ｓに負荷した状態で測定対象物Ｓの上面を走査して測定対象物Ｓの上面の高度分布を測定し、次に、荷重Ｌ２（Ｌ２＞Ｌ１）を測定対象物Ｓに負荷した状態で測定対象物Ｓの上面を走査して測定対象物Ｓの上面の高度分布を測定する。以後、同様に、荷重Ｌｎ（Ｌｎ＞Ｌｎ−１）（ｎは２以上の自然数）を測定対象物Ｓに負荷した状態で測定対象物Ｓの上面を走査して測定対象物Ｓの上面の高度分布を測定する。荷重は、少なくとも測定対象物Ｓが降伏するまで（上降伏点の応力まで）増加させることが好ましく、測定対象物Ｓが破断するまで荷重を増加させてもよい。測定対象物Ｓが明確な降伏点を示さない場合には、少なくとも測定対象物Ｓから除荷した時の永久ひずみが０．２％になる応力（０．２％耐力）まで増加させてもよい。
【００３４】
次に、各段階における、単位荷重当たりの平均高度増分を算出する。なお、平均高度増分は、測定対象物Ｓの上面の同一領域における、荷重を与えていない状態における平均高度と荷重を与えた状態における平均高度との差を求めることにより算出することが好ましい。測定対象物Ｓが金属である場合、測定対象物Ｓの上面に露出した金属の同一の結晶粒において、荷重を与えていない状態における平均高度と荷重を与えた状態における平均高度との差を求めることにより平均高度増分を算出することが好ましい。
【００３５】
測定対象物Ｓにおいて同一の領域（同一の結晶粒）を探索する方法として、例えば、デジタル高度相関法がある。具体的には、デジタル高度相関法では、測定装置２２としてＤＨＭを用い、荷重を与える前後においてＤＨＭにより取得した高度分布データ同士を比較して同一領域の認証を行う。同一領域の認証方法としては、残差最小化法、相関係数法等を用いることができる。
【００３６】
残差最小化法では、荷重を与える前の測定対象物Ｓの上面の高度分布において、ある程度の大きさの注目領域を決定する。そして、荷重を与えた後の測定対象物Ｓの上面の高度分布において、注目領域と同じ大きさの任意の領域を選択して荷重を与える前の注目領域の高度分布との残差を求める。注目領域と同じ大きさの任意の領域のうち、残差が最小となる領域を注目領域と同一の領域とする。
相関係数法では、荷重を与える前の測定対象物Ｓの上面の高度分布と、荷重を与えた後の測定対象物Ｓの上面の高度分布との比較を相関係数計算により行い、この相関値が最大となる領域を同一の領域と判断する。
【００３７】
次に、隣接する各段階における単位荷重当たりの平均高度増分の比を求める。具体的には、荷重Ｌｋを与えた状態における単位荷重当たりの平均高度増分（ｈｋ−ｈ０）／Ｌｋと、荷重Ｌｋ＋１を与えた状態における単位荷重当たりの平均高度増分（ｈｋ＋１−ｈ０）／Ｌｋ＋１との比｛（ｈｋ＋１−ｈ０）／Ｌｋ＋１｝／｛（ｈｋ−ｈ０）／Ｌｋ｝（ｋは自然数）を求める。
【００３８】
比｛（ｈｋ＋１−ｈ０）／Ｌｋ＋１｝／｛（ｈｋ−ｈ０）／Ｌｋ｝が約１である場合、測定対象物Ｓに与えられた荷重は弾性限界以下である。
ここで「約１」であるとは、測定対象物Ｓの上面の高さのばらつきおよび測定誤差、測定対象物Ｓに与える荷重の測定誤差等を考慮した誤差をεとしたときに、算出した比が１−εと１＋εの範囲内にあることをいう。例えば、εが０．１として、０．９〜１．１の範囲内にあることをいう。
【００３９】
一方、比｛（ｈｋ＋１−ｈ０）／Ｌｋ＋１｝／｛（ｈｋ−ｈ０）／Ｌｋ｝が１よりも大きい場合、測定対象物Ｓの弾性限界時の荷重がＬｋとＬｋ＋１との間にあると判断する。
弾性限界の応力をσｅとすると、比｛（ｈｋ＋１−ｈ０）／Ｌｋ＋１｝／｛（ｈｋ−ｈ０）／Ｌｋ｝を満たす最も小さいＬｋ＋１およびＬｋを用いて、σｅ＝（Ｌｋ＋１−Ｌｋ）／Ａと算出することができる。ここで、Ａは測定対象物Ｓの荷重方向と垂直な断面積である。
このように、測定対象物Ｓにおける弾性限界の応力σｅを算出することができる。
【００４０】
なお、測定対象物Ｓが金属であり、測定対象物Ｓの上面に露出した金属の結晶粒ごとに平均高度増分を求めた場合、荷重Ｌｋにおける平均高度増分を横軸、荷重Ｌｋ＋１における平均高度増分を縦軸として複数の結晶粒の散布図を描き、回帰直線の傾きを求めてもよい。平均高度増分は結晶粒ごとにばらつく一方、単位荷重当たりの平均高度増分は同一の結晶粒では一定（弾性限界以下の荷重が負荷された場合）であるためである。このため、荷重Ｌｋ＋１が弾性限界時の荷重よりも小さい場合には、回帰直線の傾きが約１となる。一方、性限界時の荷重がＬｋとＬｋ＋１との間にある場合には、回帰直線の傾きは約１よりも大きくなる。弾性限界の応力をσｅとすると、回帰直線の傾きが約１よりも大きくなる最も小さいＬｋ＋１およびＬｋを用いて、σｅ＝（Ｌｋ＋１−Ｌｋ）／Ａと算出することができる。ここで、Ａは測定対象物Ｓの荷重方向と垂直な断面積である。
このように、測定対象物Ｓにおける弾性限界の応力σｅを算出することができる。
【００４１】
〔残留応力の測定方法〕
次に、残留応力の測定方法について説明する。この残留応力の測定方法では、残留応力がない弾塑性体と、残留応力がある弾塑性体とを測定対象物として用意する。以下の説明では、残留応力がない弾塑性体を測定対象物Ｓ０、残留応力がある弾塑性体を測定対象物Ｓ１とする。残留応力がない測定対象物Ｓ０および残留応力がある測定対象物Ｓ１は、残留応力の有無のみに差異があり、材質、形状等の他の条件が等しいものである。例えば、同一材料、同一形状の弾塑性体を２つ用意し、そのうちの一方に残留応力を付与して測定対象物Ｓ１とし、他方を測定対象物Ｓ０としてもよい。測定対象物に残留応力を付与する方法として、例えば、レーザーピーニングやショットピーニングにより測定対象物に圧縮残留応力を付与してもよい。
【００４２】
あるいは、同一の残留応力を有する、同一材料、同一形状の弾塑性体を２つ用意し、そのうちの一方から残留応力を除去して測定対象物Ｓ０とし、他方を測定対象物Ｓ１としてもよい。測定対象物から残留応力を除去する方法として、例えば、焼き鈍しを行う方法がある。
【００４３】
残留応力の測定方法は、以下の通りである。
まず、残留応力がない測定対象物Ｓ０に対して、上述した方法と同様にして、測定対象物Ｓ０における弾性限界の応力σｅを算出する。
次に、残留応力がある測定対象物Ｓ１に対して、上述した方法と同様にして測定対象物Ｓ１における弾性限界の応力σｅ’を算出する。
【００４４】
図３は残留応力がない測定対象物Ｓ０および残留応力がある測定対象物Ｓ１における平均高度増分Δｈと応力σとの関係を示す図であり、平均高度増分Δｈを横軸に、応力σを縦軸にして示している。
ここで、測定対象物Ｓ０における上降伏点の応力（または０．２％耐力）をσｙ、測定対象物Ｓ１における上降伏点の応力（または０．２％耐力）をσｙ’とすると、以下の式（１）が成り立つ。
σｙ’−σｅ’＝σｙ−σｅ              …（１）
【００４５】
測定対象物Ｓ１の残留応力をσｒｅｓとすると、σｒｅｓはσｙとσｙ’との差として算出することができる。すなわち、以下の式（２）が成り立つ。
σｒｅｓ＝σｙ−σｙ’                  …（２）
式（１）、（３）より、以下の式（３）が成り立つ。
σｒｅｓ＝σｅ−σｅ’                  …（３）
【００４６】
このように、残留応力がない測定対象物Ｓ０の弾性限界の応力σｅと、残留応力がある測定対象物Ｓ１の弾性限界の応力σｅ’とを求め、両者の差を算出することにより、測定対象物Ｓ１の残留応力σｒｅｓを算出することができる。このため、測定対象物Ｓ０、Ｓ１に対し、上降伏点（または０．２％耐力）の応力を負荷することなく、測定対象物Ｓ１の残留応力を計測することができる。荷重付与部１０により測定対象物Ｓ０、Ｓ１に与える荷重を段階的に増加させる場合には、各段階における荷重の増加量を極力小さくすると、弾性限界の応力σｅ、σｅ’を僅かに超える応力を測定対象物Ｓ０、Ｓ１に与えることで測定対象物Ｓ１の残留応力σｒｅｓを算出することができるため、測定対象物Ｓ１を破壊することなく残留応力σｒｅｓを算出することができる。
【００４７】
なお、測定対象物Ｓ０における上降伏点の応力（または０．２％耐力）σｙを計測すれば、式（１）により測定対象物Ｓ１における上降伏点の応力（または０．２％耐力）σｙ’を算出することができる。ここで、測定対象物Ｓ０における上降伏点の応力（または０．２％耐力）σｙを計測する代わりに、測定対象物Ｓ０の鋼材検査証明書（Mill Test Report、いわゆる「ミルシート」）に記載された上降伏点の応力（または０．２％耐力）σｙを用いて、測定対象物Ｓ１における上降伏点の応力（または０．２％耐力）σｙ’を算出してもよい。
【００４８】
また、測定対象物Ｓ０に対して弾性限界の応力σｅを負荷したときの平均高度増分Δｈｅ、上降伏点の応力（または０．２％耐力）σｙを負荷したときの平均高度増分Δｈｙ、測定対象物Ｓ１に対して弾性限界の応力σｅ’を負荷したときの平均高度増分Δｈｅ’を算出しておけば、応力σｙ’を測定対象物Ｓ１に負荷したときの平均高度増分Δｈｙ’は、以下の式（４）により算出することができる。
Δｈｙ’＝Δｈｅ’＋（Δｈｙ−Δｈｅ）  …（４）
【００４９】
このように、測定対象物Ｓ１を破壊することなく、測定対象物Ｓ１における上降伏点の応力（または０．２％耐力）σｙ’および応力σｙ’を測定対象物Ｓ１に負荷したときの平均高度増分Δｈｙ’を算出することができる。
【実施例】
【００５０】
〔試験片およびレーザー照射条件〕
試験素材には、厚さ１ｍｍ、純度９９．５ｗｔ％の工業用純チタン板材を用いた。この板材からワイヤーカット放電加工で図４に示す形状・寸法の試験片を切り出した。チャック１１ａ、１２ａにより保持される試験片の両端部の幅は１５ｍｍ、高度分布の測定を行う中央部（試験片平行部）の長さは１８ｍｍ、幅は３ｍｍとした。
その後、表目を１５００番までの耐水研磨紙を用いて研磨を行った。また、残留応力除去および結晶粒径の調整のため、１１４３Ｋ、２時間保持し、１０時間で室温まで冷却する条件で真空中で焼き鈍しを行い、結晶粒の識別を容易にするために電解研磨および化学腐食を行った。
その後、試験片平行部の一部にレーザーを照射し、試験片平行部のレーザーを照射していない領域（領域Ａ）およびレーザーを照射した領域（領域Ｂ）を観察対象とした。領域Ｂに照射したレーザーの出力は０．２ｋＷ、照射時間は２．０ｍ秒、レーザーにより照射した総熱量は０．４Ｊであった。レーザーは照射領域の法線から１０°傾いた方向から照射した。
【００５１】
〔引張り試験〕
引張り試験には定格容量２ｋＮの引張・圧縮小型材料試験機（（株）井元製作所、ＩＭＣ−９０Ｆ１型）を用いた。試験片に段階的に引張り荷重の負荷と除荷を与える試験を実施し、荷重時と除荷時の各段階でデジタルホログラフィック顕微鏡（ＤＨＭ、スイスＬｙｎｅｅ  Ｔｅｃ社、反射型ＤＨＭ  Ｒ１１００）を用いて表面の高度測定を行った。試験片表面の観察を行った各段階の荷重（Ｎ）を表１に示す。
【００５２】
【表１】
2016206104.tif 000003
【００５３】
〔デジタル高度相関法〕
デジタル高度相関法を用いて、負荷時と除荷時の試験片を撮影したデジタル輝度画像を対比して、試験片の表面上の同一点を探索した。輝度画像データをＤＨＭにより取得した高度分布に置き換えて同一領域の認証を行い、段階的な引張り変形の前後における同一領域を特定し、その領域内の高度分布変化について検討した。
【００５４】
〔単位荷重あたりの平均高度増分〕
０〜１３の各段階において、領域Ａから探索した同一領域および領域Ｂから探索した同一領域において、複数の結晶粒の平均高度を算出した。各結晶粒における平均高度は、その結晶粒の中心に位置する２１×２１画素（結晶粒が小さい場合は１１×１１画素）の正方形領域の高度の平均値とした。
１〜１３の各段階における各結晶粒の平均高度と、０段階における同一の結晶粒の平均高度との差を１〜１３の各段階における荷重で徐することにより、１〜１３の各段階における各結晶粒の単位荷重あたりの平均高度増分を算出した。
【００５５】
〔弾性限界応力の算出〕
隣接する２段階のうち、低荷重側における単位荷重あたりの平均高度増分を横軸に、高荷重側における単位荷重あたりの平均高度増分を縦軸にとり、同一領域における複数の結晶粒をプロットし、回帰直線の傾きを算出した。
【００５６】
図５は、領域Ａにおける複数の結晶粒について、第６段階（４００Ｎ）の単位荷重あたりの平均高度増分を横軸に、第７段階（４５０Ｎ）における単位荷重あたりの平均高度増分を横軸にとり、プロットした散布図である。回帰直線の傾きは１．０８であった。
一方、第７段階（４５０Ｎ）の単位荷重あたりの平均高度増分を横軸に、第８段階（５００Ｎ）における単位荷重あたりの平均高度増分を横軸にとり、プロットしたときの回帰直線の傾きは１．３６であった。したがって、４５０Ｎと５００Ｎの間に領域Ａにおける降伏応力に対応する荷重があると考えられる。
試験片平行部の断面積は３ｍｍ２であるので、領域Ａにおける降伏応力σｙは、以下の範囲であると考えられる。
１５０［ＭＰａ］＜σｙ＜１６７［ＭＰａ］  …（５）
【００５７】
図６は、領域Ｂにおける複数の結晶粒について、第２段階（２００Ｎ）の単位荷重あたりの平均高度増分を横軸に、第３段階（２５０Ｎ）における単位荷重あたりの平均高度増分を横軸にとり、プロットした散布図である。回帰直線の傾きは１．２５であった。なお、第１段階（１００Ｎ）の単位荷重あたりの平均高度増分を横軸に、第２段階（２００Ｎ）の単位荷重あたりの平均高度増分を縦軸にとり、プロットしたときの回帰直線の傾きは０．９３であった。したがって、２００Ｎと２５０Ｎの間に領域Ｂにおける降伏応力に対応する荷重があると考えられる。
試験片平行部の断面積は３ｍｍ２であるので、領域Ｂにおける降伏応力σｙ’は、以下の範囲であると考えられる。
６７［ＭＰａ］＜σｙ’＜８３［ＭＰａ］      …（６）
（５）、（６）式より、領域Ｂにおける残留応力σｒｅｓは、以下の範囲であると考えられる。
６７［ＭＰａ］＜σｒｅｓ＜１００［ＭＰａ］    …（７）
以上のように、残留応力の範囲を算出することができた。
【符号の説明】
【００５８】
１          測定装置
１０        荷重付与部
１１        基体
１２        固定片
１２ａ      チャック
１３        可動片
１３ａ      チャック
２０        測定部
２１        支持台
２２        測定装置
３０        解析部
３１        平均高度増分算出部
３２        対応付け部
３３        弾性限界応力算出部
３４        残留応力算出部
４０        残留応力付与装置
５０        残留応力除去装置
【図１】
2016206104.tif 000004
【図２】
2016206104.tif 000005
【図３】
2016206104.tif 000006
【図４】
2016206104.tif 000007
【図５】
2016206104.tif 000008
【図６】
2016206104.tif 000009