(57)【要約】【課題】ピーニングにより付与された圧縮残留応力の残存を、試験により事前に確認する方法を提供する。【解決手段】ピーニング対象である金属製部材のコーナー部と同一の金属材料で構成されており、且つ当該コーナー部と略同一の形状の切欠きが試験片表面に形成された試験片を製作する。そして、試験片表面のうち、少なくとも切欠き２５を画定する曲面２６に対して、所定の条件のピーニングを行う。その後、ピーニングが行われた試験片１０を、所定の試験温度に保ちながら、所定の試験応力が曲面２６に生じるように試験力を所定の試験時間、負荷する。そして、試験片１０のうち曲面２６の圧縮残留応力を測定することにより、当該試験片１０において圧縮残留応力の残存を確認する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピーニング対象と同一の金属材料で構成されており、且つ当該ピーニング対象と略同一の形状の切欠きが試験片表面に形成された試験片を製作するステップと、
前記試験片表面のうち、少なくとも前記切欠きを画定する曲面に対して、所定の条件のピーニングを行うステップと、
当該ピーニングが行われた試験片を所定の試験温度に保ちながら、所定の試験応力が前記曲面に生じるように試験力を所定の試験時間、負荷するステップと、
前記試験片のうち前記曲面の圧縮残留応力を測定するステップと、
を含み、前記所定の試験温度で前記所定の試験時間経過後において圧縮残留応力の残存を確認することを特徴とする圧縮残留応力の確認方法。
【請求項２】
前記試験片は、略円柱状をなしており、同一の断面寸法で軸方向に延びており、当該軸方向に間隔をあけて同軸に配列されている２つの平行部を有し、
前記曲面は、当該２つの平行部の間において、当該平行部の外面から径方向内側に凹んでおり、前記試験片の軸心を中心とする環状に延びている
ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮残留応力の確認方法。
【請求項３】
前記曲面は、前記試験片の縦断面において、前記ピーニング対象と同一の曲率で湾曲している
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧縮残留応力の確認方法。
【請求項４】
前記試験応力は、前記金属材料の０．２％耐力以上の応力を含む
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の圧縮残留応力の確認方法。
【請求項５】
前記試験応力は、前記金属材料の降伏応力以上の応力を含む
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の圧縮残留応力の確認方法。
【請求項６】
前記試験温度は、絶対温度において前記金属材料の融点の３分の１以上の温度である
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の圧縮残留応力の確認方法。
【請求項７】
金属製部材のコーナー部と同一の金属材料で構成されており、且つ当該コーナー部と略同一の形状の切欠きが試験片表面に形成された試験片を製作するステップと、
前記試験片表面のうち、少なくとも前記切欠きを画定する曲面に対して、所定の条件のピーニングを行うステップと、
当該ピーニングが行われた試験片を所定の試験温度に保ちながら、所定の試験応力が前記曲面に生じるように試験力を所定の試験時間、負荷するステップと、
前記試験片のうち前記曲面の圧縮残留応力を測定することにより、当該試験片において圧縮残留応力の残存を確認するステップと、
前記曲面において圧縮残留応力の残存を確認した条件で、前記コーナー部に対してピーニングを行うステップと、
を含むことを特徴とする金属製部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ピーニングの効果を確認するための方法に関し、特に、ピーニングにより付与された圧縮残留応力の残存を試験により確認する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンホイール等の金属製部材は、その使用環境に応じて、残留応力（引張）に起因して、表面に割れが生じることがある。このような割れには、例えば、高温の環境に曝されることにより生じる高温酸化割れ（hold time cracking）や、応力誘起粒界酸化割れがある。このような割れを防止するために、被加工物（work Piece）の表面に衝撃を繰り返し与えることにより、当該表面の残留応力を、引張応力から圧縮応力に変える加工方法、いわゆるピーニングが従来から提案されている。
【０００３】
ピーニングには、例えば、金属又はセラミックスの球等、いわゆるショットを、遠心力又は空気圧力で被加工物に投射して、その表面を加工硬化させるショットピーニングや、水中においてキャビテーション（気泡）を伴う噴流を生じさせ、当該キャビテーションが水に戻るときに生じる衝撃波により、対象面に衝撃を付与するウォータジェットピーニング、レーザ光を対象面に断続的（パルス状）に照射することにより、対象面に衝撃を付与するレーザピーニング（例えば、特許文献１参照）、超音波により対象面に衝撃を与える超音波ピーニング等がある。なお、下記の特許文献１においては、タービンホイールに対してピーニングを行い、表面の引張残留応力を、圧縮残留応力に変える技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１４２８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このようなピーニングが施された金属製部材は、その使用環境に応じて、当該表面における残留応力が変化する場合がある。例えば、ピーニングを行うことにより当該表面に圧縮残留応力を付与しても、金属製部材が高温の環境に長時間曝されることにより、付与された圧縮残留応力が低下することがある。場合によっては、ピーニングにより付与された圧縮残留応力が、ほぼ失われてしまう場合がある。
【０００６】
金属製部材においてピーニングにより付与された圧縮残留応力が、所定の温度における使用によって失われると、当該金属製部材のうち比較的応力が高い部分には、き裂等が生じる虞がある。よって、金属製部材のうちピーニングの対象となる部分（以下、単に「ピーニング対象」と記す）に対してピーニングを行う前に、当該ピーニングにより付与される圧縮残留応力が、金属製部材を所定の温度で使用しても残存することを、試験により事前に確認することが要望されている。
【０００７】
本発明の実施形態は、上記事情に鑑みてなされたものであって、ピーニングにより付与された圧縮残留応力の残存を、試験により事前に確認する方法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】
【０００８】
上述の目的を達成するため、本発明の実施形態の圧縮残留応力の確認方法は、ピーニング対象と同一の金属材料で構成されており、且つ当該ピーニング対象と略同一の形状の切欠きが試験片表面に形成された試験片を製作するステップと、前記試験片表面のうち、少なくとも前記切欠きを画定する曲面に対して、所定の条件のピーニングを行うステップと、当該ピーニングが行われた試験片を所定の試験温度に保ちながら、所定の試験応力が前記曲面に生じるように試験力を所定の試験時間、負荷するステップと、前記試験片のうち前記曲面の圧縮残留応力を測定するステップと、を含み、前記所定の試験温度で前記所定の試験時間経過後において圧縮残留応力の残存を確認することを特徴とする。
【０００９】
本発明の実施形態の金属製部材の製造方法は、金属製部材のコーナー部と同一の金属材料で構成されており、且つ当該コーナー部と略同一の形状の切欠きが試験片表面に形成された試験片を製作するステップと、前記試験片表面のうち、少なくとも前記切欠きを画定する曲面に対して、所定の条件のピーニングを行うステップと、当該ピーニングが行われた試験片を所定の試験温度に保ちながら、所定の試験応力が前記曲面に生じるように試験力を所定の試験時間、負荷するステップと、前記試験片のうち前記曲面の圧縮残留応力を測定することにより、当該試験片において圧縮残留応力の残存を確認するステップと、前記曲面において圧縮残留応力の残存を確認した条件で、前記コーナー部に対してピーニングを行うステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の実施形態によれば、ピーニング対象と同一の金属材料で構成されており、且つ当該ピーニング対象と略同一の形状の切欠きが試験片表面に形成された試験片を用いて試験を行うことによって、ピーニングにより付与された圧縮残留応力が残存することを事前に確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】金属製部材の一例であるタービンホイールの部分的な斜視図である。
【図２】図１に示すタービンホイールに形成されている冷却孔を径方向外側から見た図であり、冷却孔の開口縁部に割れが生じた態様を説明する図である。
【図３】タービンホイール（金属製部材）と同じ材料で構成された試験片を用いたクリープ破断試験の試験結果を説明するグラフであり、表面処理ごとに破断時間を示すグラフである。
【図４】クリープ破断試験の前後における残留応力の変化を示すグラフである。
【図５】圧縮残留応力が表面に付与されたブロック材を、所定の時間、熱処理したときの圧縮残留応力の変化を示すグラフである。
【図６】試験応力と試験時間を異ならせた場合の試験前後残留応力比を示すグラフである。
【図７】本実施形態の引張試験において用いられる試験片を説明する外観図である。
【図８】本実施形態の試験片のうち曲面に生じる応力集中を説明する図である。
【図９】本実施形態の引張試験において、試験時間を異ならせた場合の試験前後残留応力比を示すグラフである。
【図１０】本実施形態の金属製部材の製造方法においてピーニングにより圧縮残留応力を付与する方向を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態により、本発明が限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【００１３】
〔実施形態〕
（金属製部材）
まず、ピーニングの対象を含む金属製部材について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、金属製部材の一例であるタービンホイールの部分的な斜視図である。図２は、図１に示すタービンホイールに形成されている冷却孔を径方向外側から見た図であり、冷却孔の開口縁部に割れが生じた態様を説明する図である。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態において、金属製部材は、軸流タービンに用いられるタービンホイールである。タービンホイール１は、比較的高温（例えば、４００℃〜５００℃）の環境下において使用されるものである。タービンホイール１は、Ｎｉ基合金で構成されている。このようなＮｉ基合金には、添加元素として鉄、クロム及びチタンを含有するもの、例えば、インコネル（登録商標）７０６を用いることができる。
【００１５】
タービンホイール１は、図示しない動翼が取り付けられる溝（以下、植込み部と記す）２を有している。当該植込み部２からタービンホイール１の径方向内側には、冷却媒体が流れる冷却孔３が形成されている。植込み部２のうち冷却孔３の開口の縁４からは、その使用環境及び使用履歴によっては、図２に示すように、割れ（cracking）５が生じる場合がある。
【００１６】
本実施形態においては、冷却孔３の開口の縁４のうち、特に、曲率の大きい部分（以下、コーナー部と記す）４ａにおいて、引張残留応力に起因する割れ５が生じる虞がある。このような部分には、タービンホイール１が使用される前に、ピーニングを行って残留応力を引張から圧縮に変えることにより、割れ５の発生を防止する必要がある。
【００１７】
当該割れ５の発生を防止するために、タービンホイール１のうちコーナー部４ａを含む部分にピーニングを行って圧縮残留応力を付与する必要がある。すなわち、本実施形態のピーニング対象には、コーナー部４ａが含まれている。コーナー部４ａに実際にピーニングを行って圧縮残留応力を付与しても、当該タービンホイール１を比較的高温の環境下において継続的に使用することにより、ピーニングにより付与された圧縮残留応力が低下して失われる虞がある。
【００１８】
（クリープ破断試験）
上述したタービンホイール（金属製部材）と同一の材料で構成された試験片を用いたクリープ破断試験について図１〜図４を用いて説明する。図３は、タービンホイール（金属製部材）と同一の材料で構成された試験片を用いたクリープ破断試験の試験結果を説明するグラフであり、表面処理ごとに破断時間を示すグラフである。図４は、クリープ破断試験の前後における残留応力の変化を示すグラフである。
【００１９】
当該クリープ破断試験に用いられる試験片は、略円柱状をなしている金属製の部材、いわゆる丸棒である、当該試験片は、タービンホイール１のコーナー部４ａと同一の材料で構成されており、本実施形態においては、ニッケル基合金で構成されている。試験片は、鋳造や機械加工により同一の形状のものが複数製作されている。
【００２０】
なお、試験片のうち中央部（図８参照）の外表面を、以下の説明において、単に「試験片表面」と記す。試験片表面には、試験片ごとに様々な表面処理が行われる。
【００２１】
図３及び図４に示すクリープ破断試験においては、複数の試験片のうち２つについて、試験片表面に、所定の条件のピーニング（以下、ピーニングＡと記す）が行なわれ、他の２つの試験片については、ピーニングＡとは異なる条件のピーニング（以下、ピーニングＢと記す）が行われている。なお、これらピーニングＡ及びＢには、試験片表面にレーザ光を照射してピーニングを行うレーザピーニングや、試験片表面に鋼球を吹き付けるショットピーニング等、様々なピーニングを用いることが可能である。
【００２２】
さらに、このクリープ破断試験においては、ピーニングＡ及びピーニングＢを行った試験片とは別の２つの試験片について、ピーニングに替えて、試験片表面に鏡面仕上げを行っている。このような鏡面仕上げは、研磨や機械加工により実現されている。
【００２３】
ピーニングＡ及びＢが行われた試験片表面には、圧縮残留応力が付与されている。ピーニングＡとピーニングＢは、互いに異なる条件のピーニングであるため、それぞれ対応する試験片表面に付与された圧縮残留応力の値が異なる。一方、ピーニングに替えて鏡面仕上げが行われた試験片表面には、圧縮残留応力はほとんど付与されていない。
【００２４】
なお、ピーニングに替えて鏡面仕上げが行われた試験片については、以下に「無垢材」と記す。一方、ピーニングＡが行われた試験片については、以下、単に「ピーニングＡ」と記し、ピーニングＢが行われた試験片については、以下、単に「ピーニングＢ」と記す。
【００２５】
図４には、クリープ破断試験を行う前に測定された、無垢材、ピーニングＡ及びＢについて試験片表面の残留応力が示されている。このような残留応力を測定する方法には、Ｘ線回折を用いた応力測定方法（いわゆるＸ線回折法）が用いられる。
【００２６】
図３及び図４には、各試験片についてクリープ破断試験を行った結果が示されている。当該クリープ破断試験においては、各試験片を一定の温度に保ちながら、各試験片に一定の引張の試験力を負荷される。具体的には、２つの無垢材と、２つのピーニングＡと、２つのピーニングＢが、それぞれ炉内に配置される。各試験片が炉内に配置された後、各炉内の温度を一定の試験温度に保つ。なお、試験片を一定の試験温度に保つ炉には、例えば、電気加熱炉を用いることができる。
【００２７】
当該クリープ破断試験において、試験温度は、５００℃である。当該試験温度は、試験片を構成する材料の融点の３分の１以上の温度であり、この試験温度は、タービンホイール１（図１参照）の使用温度（すなわちタービンの運転温度）に比べて５０℃高い温度である。
【００２８】
この試験温度（５００℃）において、各試験片の試験片表面において軸方向に所定の引張応力（以下、試験応力と記す）が生じるように一定の引張の試験力が負荷される。この試験応力は、試験片１０を構成する材料の５００℃における０．２％耐力（８８０ＭＰａ）に比べて、５０ＭＰａ高い応力である９３０ＭＰａに設定されている。
【００２９】
なお、このような試験応力に設定されているのは、タービンホイール１及び試験片１０を構成する材料が、クリープ強度が比較的高いものであり、０．２％耐力のように比較的低い応力が生じるように試験を行ったのでは、試験片１０が破断するのに数年かかると予想されるためである。このため、当該クリープ破断試験においては、０．２％耐力より５０ＭＰａ高い応力が平行部２２（図８参照）に生じるようにする。
【００３０】
クリープ破断試験は、各試験片が破断するまで行われる。クリープ破断試験が行われ、無垢材、ピーニングＡ及びＢについて、それぞれ対応する試験片が破断した後、試験片表面の残留応力が測定される。残留応力は、上述したＸ線回折法が用いられる。
【００３１】
図３には、２つの無垢材と、２つのピーニングＡと、２つのピーニングＢについて、上述したクリープ破断試験の開始から試験片が破断に至るまでの時間（以下、破断時間と記す）が示されている。なお、図３においては、２つの無垢材の破断時間の平均値を「無垢材平均破断時間」と記して、縦軸に１で示している。
【００３２】
ピーニングＡ及びＢの破断時間は、当該無垢材平均破断時間に対する比率で示されている。図３に示すように、ピーニングＡは、無垢材に比べて破断時間が長くなる傾向がある。一方、ピーニングＢの破断時間は、無垢材の破断時間とほぼ同等であることが示されている。
【００３３】
図４には、２つのピーニングＡと、２つのピーニングＢについて、クリープ破断試験前に測定された残留応力（以下、試験前の残留応力と記す）と、クリープ破断試験後に測定された残留応力（以下、試験後の残留応力と記す）がそれぞれ示されている。図４の縦軸は、試験片の軸方向の残留応力を示している。なお、図４には、１つの試験片につき、２か所測定した結果が示されている。
【００３４】
図４に示すように、クリープ破断試験前は、ピーニングＡ及びピーニングＢの双方共に、高い圧縮残留応力が示されている。一方、クリープ破断試験後は、ピーニングＡについては、比較的高い圧縮残留応力が残存しているものの、ピーニングＢについては、圧縮残留応力がほぼ失われている。
【００３５】
図３及び図４に示すように、試験後においても圧縮残留応力が比較的残存しているピーニングＡについては、破断時間も比較的長いものとなっている。一方、圧縮残留応力が比較的残存していないピーニングＢについては、無垢材と同等の破断時間となっている。この結果より、試験後における圧縮残留応力と破断時間との間には、比較的強い相関があることが分かる。
【００３６】
（圧縮残留応力の熱による変化）
ここで、熱による圧縮残留応力の変化について図５を用いて説明する。図５は、圧縮残留応力が表面に付与されたブロック材を、所定の時間、熱処理したときの圧縮残留応力の変化を示すグラフである。
【００３７】
圧縮残留応力の熱による変化を調べるために、上述した試験片とは別に、ブロック材を複数製作し、各ブロック材のうち所定の表面に同一のピーニングを行って圧縮残留応力を付与した。なお、ブロック材は、タービンホイール（図１参照）及び試験片と同一の金属材料で構成されており、例えば、３０ｍｍの厚さの板状の部材が用いられる。
【００３８】
これらブロック材をそれぞれ炉内に配置して、一定の温度、具体的には５００℃で熱した。当該温度は、タービンの運転温度に比べて５０℃高い温度である。なお、炉内における加熱の開始から各ブロック材を炉から取り出すタイミングを異ならせることにより、様々な熱処理時間のブロック材を得ることができる。
【００３９】
なお、図５において、熱処理時間がゼロのものは、当該熱処理を行う前のブロック材について残留応力を測定したものである。当該熱処理の前後のブロック材の表面の残留応力は、上述したＸ線回折法により測定することが可能である。
【００４０】
図５に示すように、熱処理時間がゼロ、すなわち熱処理を行う前のブロック材５０は、ピーニングにより比較的高い圧縮残留応力が付与されている。これに対して、所定の熱処理時間が経過したブロック材５２、５４、５６は、熱処理前のブロック材５０に比べて圧縮残留応力が低下している。
【００４１】
より詳細には、ブロック材５２，５４，５６のうち、熱処理時間が最も短いブロック材５２は、熱処理前のブロック材５０に比べて圧縮残留応力が低下している。この圧縮残留応力の変化は、ブロック材を加熱したときに生じる機械的性質（例えば、ヤング率や弾性限度）の変化によるものと考えられる。
【００４２】
熱処理時間が比較的長いブロック材５４，５６は、熱処理時間が最も短いブロック材５２に対して圧縮残留応力がほとんど低下していない。これは、熱処理時間の変化によっては、圧縮残留応力が変化しないことを示している。すなわち、熱処理時間が所定の値の試験片においてピーニングによる圧縮残留応力の残存を確認すれば、熱処理時間がより長いものについて確認する必要がないことを示している。
【００４３】
（引張試験）
さらに、上述したクリープ破断試験と同一の試験片を用いて、試験温度（５００℃）はそのままにして、試験応力と、当該試験応力を負荷する時間（以下、試験時間と記す）をそれぞれ異ならせて引張試験を行った。以下に、当該引張試験について、図６を用いて説明する。図６は、試験応力と試験時間を異ならせた場合の試験前後残留応力比を示すグラフである。
【００４４】
なお、図６の縦軸には、当該引張試験前後における残留応力の変化の比率（以下、試験前後残留応力比と記す）が示されている。また、図６の横軸には、試験温度（５００℃）の０．２％耐力（８８０ＭＰａ）に対する試験応力の比率が示されている。
【００４５】
当該引張試験において用いられる試験片は、いわゆる丸棒であり、タービンホイール１のコーナー部４ａ（図１参照）と同一の材料で構成されている。当該試験片は、引張試験の前に、同一形状のものが複数製作されている。各試験片の試験片表面に対して同一の条件のピーニングが行われており、それぞれの試験片表面に同一の圧縮残留応力を付与したものが製作されている。そして、試験温度（５００℃）は同一とし、試験応力及び試験時間のうち少なくとも一方を異ならせて、各試験片について引張試験が行われた。
【００４６】
当該引張試験において、試験応力は、図６に符号６５で示す５００ＭＰａ、符号６６で示す６００ＭＰａ、符号６７で示す７００ＭＰａ、符号６８で示す８００ＭＰａ、符号６９で示す９００ＭＰａの５種類について行われた。また、これら各試験応力について、それぞれ３種類の試験時間１Ｔ，３Ｔ，４Ｔについて行われている。なお、試験時間３Ｔ，４Ｔは、それぞれ試験時間１Ｔの３倍、４倍の時間を示している。なお、試験時間１Ｔは、本実施形態においては、３０００時間である。当該引張試験の試験前後において、各試験片の試験片表面の残留圧縮応力をそれぞれ測定し、これらの値から各試験片について試験前後残留応力比が算出されている。
【００４７】
図６に符号６５，６６，６７，６８で示すように、試験応力が０．２％耐力を下回る場合、試験応力の大小にかかわらず、試験前後残留応力比が比較的高い値を維持している。すなわち、０．２％耐力を下回る場合、ピーニングにより付与された圧縮残留応力が比較的高い割合で残存することが示されている。
【００４８】
一方、図６に符号６９で示すように、試験応力が０．２％耐力以上である場合、上述した場合に比べて、試験前後残留応力比が大幅に低下する。すなわち０．２％耐力以上の場合、ピーニングにより付与された圧縮残留応力が、所定の時間（例えば、１Ｔ）経過すると失われることが示されている。
【００４９】
上述した各種の試験においては、試験片として、いわゆる丸棒やブロック材が用いられるものとしたが、実際のピーニング対象であるタービンホイールにおいては、冷却孔３の開口の縁４のコーナー部４ａのように屈曲している部分に応力が集中する。このため、タービンホイール１のうちコーナー部４ａを画定する表面には、０．２％耐力を超えるような応力が生じる場合がある。このような場合において、タービンホイール１の内部の応力は、コーナー部４ａの表面に比べて低いことが考えられ、図６に示すような試験前後の残留応力の変化をしないことが考えられる。
【００５０】
（本実施形態の試験片）
そこで、本実施形態においては、上述した試験片とは形状が異なる試験片を用いて引張試験を行っている。まず、本実施形態の試験片の構成について、図７及び図８を用いて説明する。図７は、本実施形態の引張試験において用いられる試験片を説明する外観図である。図８は、本実施形態の試験片のうち曲面に生じる応力集中を説明する模式的な断面図である。なお、図８においては、理解を容易にするため、ハッチングを省略している。
【００５１】
図７に示すように、試験片１０は、断面が円形をなしており、図７に矢印Ａで示す所定の方向（以下、軸方向と記す）に軸心（図８に一点鎖線Ａ２参照）が延びている。試験片１０のうち軸方向の両側には、試験機のつかみ装置（図示せず）によりつかまれる２つの端部１２が設けられている。これら端部１２は、試験機のつかみ装置（図示せず）につかまれる部分、いわゆる「つかみ部（grip section）」である。
【００５２】
なお、以下の説明において、試験片１０の軸方向を、単に「軸方向」と記し、当該軸方向と直交する方向を、単に「径方向」と記す。また、試験片１０の軸心（図８の一点鎖線Ａ２）を中心とする周方向を、単に「周方向」と記す。
【００５３】
試験片１０は、タービンホイール１のコーナー部４ａと同一の金属材料で構成されており、本実施形態において、当該金属材料には、上述した各種の試験と同様に、Ｎｉ（ニッケル）基合金が用いられる。
【００５４】
また、試験片１０は、軸方向において２つの端部１２の間に中央部２０を有している。中央部２０の外面が、いわゆる試験片表面である。本実施形態においては、試験片表面全体に亘ってピーニングが行われる。なお、図７には、ピーニングが行われる試験片表面がハッチングで示されている。
【００５５】
なお、本実施形態において、試験片１０には、端部１２と中央部２０との間に、これらを接続する接続部１５が設けられている。中央部２０は、端部１２及び接続部１５に比べて断面積が小さくなるよう構成されている。本実施形態において中央部２０は、２つの接続部１５の軸方向内側に配置されている。後述する引張試験において試験片１０のひずみは、ほぼ中央部２０において生じる。
【００５６】
中央部２０は、接続部１５の軸方向内側に設けられて軸方向内側に向かうに従って断面積が小さくなる２つの肩部２１と、これら肩部２１の軸方向内側に設けられて略円柱状をなしており、同一の断面寸法で軸方向に延びている２つの平行部２２を有している。２つの平行部２２は、軸方向に間隔をあけて、同軸に配列されている。各平行部２２の軸方向に直交する断面（横断面）は、円形をなしている。各平行部２２の外面を符号２２ａで示す。本実施形態において、平行部２２の円形断面の直径は、６ｍｍである。
【００５７】
中央部２０の試験片表面には、ピーニング対象であるタービンホイール１のコーナー部４ａ（図２参照）と略同一の形状（同一の曲率半径を有する形状）の切欠き２５が形成されている。なお、試験片表面のうち、当該切欠き２５を画定する面を、単に「曲面」と記して符号２６を付す。
【００５８】
曲面２６は、軸方向において２つの平行部２２の間に配置されており、より具体的には、２つの平行部２２の外面２２ａに接続されている。曲面２６は、ぞれぞれの外面２２ａから径方向内側に凹んでいる。曲面２６は、試験片１０の周方向に延びており、軸心Ａ２（図８参照）を中心とする環状に延びている。本実施形態において、曲面２６は、図８に示す試験片１０の縦断面において、ピーニング対象であるコーナー部４ａ（図２参照）と同一の曲率で湾曲している。
【００５９】
なお、中央部２０のうち当該曲面２６から径方向内側にある部分を、特に「小径部」と記して符号２４を付す。図７及び図８に示すように、小径部２４は、軸方向において２つの平行部２２の間においてこれら平行部２２と同軸に配置されている。小径部２４の径方向外側の面が、切欠き２５を画定する曲面２６である。小径部２４は、横断面が円形をなしており、平行部２２に比べて断面積が小さい部分である。
【００６０】
このように構成された試験片１０は、図７に矢印Ａで示す軸方向に引張の試験力が負荷されると、小径部２４は、平行部２２に比べて応力が高くなる。図８に示すように、小径部２４においては、試験片１０の軸心Ａ２から径方向外側に向かうに従って応力は高くなる。特に矢印σで示すように、小径部２４のうち径方向外側にある曲面２６近傍において応力集中が生じる。
【００６１】
（本実施形態の圧縮残留応力の確認方法）
本実施形態の圧縮残留応力の確認方法は、まず、上述した切欠き２５が試験片表面に形成された試験片１０を複数製作する。本実施形態においては、タービンホイール１のコーナー部４ａと同一の金属材料で構成されており、且つ当該コーナー部４ａと略同一の形状の切欠き２５を試験片表面に形成する。
【００６２】
そして、各試験片１０において、少なくとも、切欠き２５を画定する曲面２６に対して、所定の条件のピーニングを行う。本実施形態においては、図７に示すように中央部２０の試験片表面全体に亘ってピーニングが行われる。なお、当該ピーニングには、レーザピーニングやショットピーニング等、様々なものを用いることができる。なお、試験片１０ごとに、ピーニングの条件を異ならせることも好適である。
【００６３】
なお、本実施形態においては、試験片表面にピーニングを行った後、試験片１０のうち曲面２６の圧縮残留応力を測定している。後述する引張試験を行った後の曲面２６の圧縮残留応力の測定結果と比較を行い、試験前後残留応力比を調べるためである。なお、圧縮残留応力の測定には、上述したＸ線回折法が用いられる。
【００６４】
その後、各試験片１０について引張試験を行う。当該引張試験は、それぞれ所定の条件のピーニングが行われた各試験片１０を、所定の試験温度に保ちながら、所定の試験応力が曲面２６に生じるように試験力を、所定の試験時間、負荷する。
【００６５】
試験温度は、絶対温度においてコーナー部４ａ（図１及び図２参照）の金属材料の融点の３分の１以上の温度であり、且つタービンホイールが使用される温度（タービンの運転温度）に比べて高い温度である。本実施形態の試験温度は、５００℃であり、タービン運転温度に比べて５０℃高い温度である。
【００６６】
試験応力は、試験片１０のうち曲面２６、より詳細には、当該曲面２６のうち最も径方向内側の部位において生じる応力（図８の矢印σ参照）である。試験片１０の２つの端部１２の間に負荷される試験力は、曲面２６において生じる試験応力が所望の値となるように制御される。２つの端部１２間に負荷される試験力と、曲面２６に生じる試験応力との関係は、慣用されている計算式やシミュレーション等により求めることが可能である。
【００６７】
本実施形態の引張試験において、試験応力は、タービンホイール１のコーナー部４ａを構成する金属材料の０．２％耐力（８８０ＭＰａ）以上の応力であり、具体的には、９００ＭＰａである。なお、試験応力は、０．２％耐力以上の応力を含んでいれば良く、図６において説明した引張試験と同様に、０．２％耐力を下回る複数の応力について行われることも好適である。
【００６８】
また、本実施形態の引張試験は、２種類の試験時間１Ｔ，２Ｔについて行われている。なお、試験時間２Ｔは、試験時間１Ｔの２倍の時間を示している。なお、試験時間１Ｔは、本実施形態において、３０００時間である。
【００６９】
上述した引張試験を行った後、試験片１０のうち曲面２６の圧縮残留応力を測定する。なお、試験前と同じ方法で、曲面２６の圧縮残留応力の測定を行った。その結果を、図９に示す。
【００７０】
図９は、本実施形態の引張試験において、試験時間を異ならせた場合の試験前後残留応力比を示すグラフである。本実施形態の引張試験の結果は、図９に符号９Ｃで示されている。符号６５，６６，６７，６８，６９については、比較のために図６に示す引張試験の結果が示されている。
【００７１】
図９に符号９Ｃで示すように、曲面２６における試験前後残留応力比は、符号６９で示す応力集中を生じさせないものに比べて大幅に高くなっている。本実施形態の引張試験においては、曲面２６には、応力集中により０．２％耐力以上の試験応力が生じているものの、図８に示すように小径部２４のうち曲面２６より径方向内側の部位には、当該曲面２６に比べて低い応力が生じている。このため、曲面２６における圧縮残留応力の低下が抑制されている。以上のようにして、曲面２６における圧縮残留応力の残存を確認することができる。
【００７２】
（本実施形態の金属製部材の製造方法）
本実施形態の金属製部材の製造方法は、上述した圧縮残留応力の確認方法により、曲面２６における圧縮残留応力の残存を確認したものと同じ条件で、実際に、図１０に示すタービンホイール１のコーナー部４ａの表面に対してピーニングを行う。なお、図１０において、ピーニングにより圧縮残留応力を高くする方向を矢印Ａ３で示している。このように、試験片１０を用いて事前に圧縮残留応力の残存を確認した上で、実際の機器にピーニングを行うことにより、実際の機器においてピーニングにより付与された圧縮残留応力が失われて、割れ等が生じることを抑制することができる。
【００７３】
〔他の実施形態〕
上述した実施形態において、ピーニング対象である金属製部材（タービンホイール１）及び切欠き２５付き試験片１０は、Ｎｉ基合金で構成されているものとしたが、本発明に係る金属製部材及び試験片は、これに限定されるものではない。金属製部材及び試験片は、金属材料で構成されていれば良く、例えば、鋼で構成されているものとしても良い。
【００７４】
また、上述した実施形態において、切欠き２５付き試験片１０を用いた引張試験の試験応力は、金属材料の０．２％耐力以上の応力を含むものとしたが、本発明に係る試験応力は、これに限定されるものではない。金属製部材及び試験片を構成する金属材料が、例えば、鋼のように降伏現象を示すものである場合、切欠きを画定する曲面に生じさせる試験応力は、金属材料の降伏応力（降伏点）以上の応力を含むことが好適である。
【００７５】
また、上述した実施形態において、試験片１０の切欠き２５を画定する曲面２６は、当該試験片１０の縦断面において、ピーニング対象であるコーナー部４ａと同一の曲率で湾曲しているものとしたが、本発明に係る試験片の曲面は、所定の曲率で湾曲しているものに、限定されるものではない。切欠きを画定する曲面は、試験片の縦断面において、曲率が変化するものや屈曲したものなど、様々な形状のものとすることができる。
【００７６】
また、上述した実施形態において、試験片１０を用いた引張試験において、試験温度は、絶対温度において試験片１０を構成する金属材料の融点の３分の１以上の温度であるものとしたが、本発明に係る試験温度は、これに限定されるものではない。試験温度は、ピーニング対象を含む金属製部材が、使用される温度、例えば、タービンの運転温度に比べて高い温度であれば良く、金属材料の融点の３分の１以上の温度であれば、様々な温度を試験温度に設定することができる。
【００７７】
また、上述した実施形態において、曲面２６等、試験片の外面の残留応力の測定方法には、Ｘ線回折を用いた応力測定方法が用いられるものとしたが、本発明において用いられる残留応力の測定方法は、これに限定されるものではない。残留応力の測定には、中性子回折を用いたものや、放射光を用いたものなど、様々な応力測定方法を用いることができる。
【００７８】
上述した各実施形態において、タービンホイール１のコーナー部４ａ及び試験片表面には、レーザピーニングやショットピーニングを行うものとしたが、本発明に係るピーニングは、これに限定されるものではない。本発明に係るピーニングには、上述したものの他、ウォータジェットピーニング、超音波ピーニング（超音波衝撃処理）等、様々な処理方法を用いることができる。
【００７９】
本発明のいくつかの実施形態について説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態はその他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８０】
１  タービンホイール（金属製部材、ピーニング対象）
２  植込み部
３  冷却孔
４  開口の縁
４ａ  コーナー部（ピーニング対象）
５  割れ
１０  試験片
１２  端部
１５  接続部
２０  中央部
２１  肩部
２２  平行部
２２ａ  平行部の外面（外面）
２４  小径部
２５  切欠き
２６  切欠きを画定する面（曲面）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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