(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定体表面の残留応力を非破壊的に測定する残留応力測定方法であって、予め前記被測定体と同種材料に対する一定断面の圧子による基準圧痕の形状を残留応力の無い状態下で実験的または解析により求めるとともに、当該材料に対応する応力の影響による前記圧痕形状の変形度合を方向的および寸法的に求めておき、実際の測定に際し、残留応力のある前記被測定体の表面に前記圧子と同一圧子を用いて同一条件で圧痕を形成し、その際に形成された実圧痕の形状と前記基準圧痕の形状とを比較し、その両形状の方向的および寸法的な差異に基づいて、前記基準圧痕の変形から求めておいた応力の値を用いて前記被測定体の残留応力を求めることを特徴とする残留応力測定方法。
【請求項２】
請求項１記載の残留応力測定方法において、前記基準圧痕の形状および寸法値と負荷した応力との関係をデータベースとして記憶手段に格納し、前記被測定体表面に形成した圧痕の方向的および寸法的な測定値を用いて、前記データベースから前記被測定体の残留応力を計算システムにより求めることを特徴とする残留応力測定方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の残留応力測定方法において、前記被測定体に対する圧痕の形成時の荷重または押し込み深さは、基準圧痕形成時における圧子の押し付け荷重または押し込み深さと同一とすることを特徴とする残留応力測定方法。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれかに記載の残留応力測定方法において、前記被測定体の圧痕寸法を測定した後に、前記被測定体の圧痕形成分を除去することを特徴とする残留応力測定方法。
【請求項５】
被測定体の表面に圧痕を形成し、この被測定体表面の２軸方向における圧痕寸法を測定する工程と、前記被測定体と同質の材料から形成し残留応力が存在しない基準測定体について予め実験的または解析的に１軸以上の方向から単位応力を負荷した場合について圧痕の２軸方向における圧痕寸法を求めておく工程と、前記基準測定体の単位応力を負荷した際の圧痕形状を前記基準測定体表面の２軸方向をそれぞれ表す変数で定式化し、この圧痕形状を示す式に乗じることにより前記被測定体の圧痕寸法となる数値を算出し、前記被測定体の残留応力を求める工程と、を有することを特徴とする残留応力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定体を破壊することなく、被測定体に存在する残留応力を精密に測定できる残留応力測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種構造体に適用される材料の寿命を判断するために、材料の疲労強度や疲労・応力腐食割れによるき裂進展寿命の推定が行われている。材料の表面・内部に存在する残留応力は、材料の疲労強度に影響を与え、また、疲労・応力腐食割れによるき裂進展寿命に多大な影響を与える。従って、材料寿命を精度良く推定するため、材料の表面・内部の残留応力を正確に測定することが、重要な技術課題となっている。
【０００３】
近年、材料の残留応力を測定するために、切断解放法が適用されている。
【０００４】
切断開放法は、被測定体の対象部位に貼付したひずみゲージの周囲を、ひずみゲージとともに小片として切り出し、解放されるひずみから残留応力を計算により求める方法である。
【０００５】
切断解放法による残留応力測定は、ひずみゲージの周囲を切断するため、被測定体を破壊して測定する破壊的な測定方法であった。このため、被測定体の残留応力の測定後は再使用できず、実機そのものに切断開放法を適用することは困難であった。
【０００６】
一方、被測定体の残留応力を測定する際、被測定体を破壊することなく、非破壊的に被測定体の残留応力を測定する方法として、例えば、Ｘ線回折法が挙げられる。
【０００７】
Ｘ線回折法は、被測定体の結晶の格子面間隔をゲージ長さに設定し、これを背面反射Ｘ線回折で精密に測定してひずみを求め、弾性論により応力に変換し、残留応力を求める方法である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記Ｘ線回折法では、材料の結晶組織の状態、例えば、被測定体の結晶粒径や結晶配向の影響を受け、残力応力の測定値にばらつきが生じ、被測定体の残留応力を精密測定することができないという問題を有していた。
【０００９】
従って、被測定体を破壊せず、かつ、被測定体の残留応力を精密測定することが課題となっていた。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、被測定体表面の残留応力を精度良く測定でき、かつ、半非破壊的に被測定体の残留応力を測定できる残留応力測定方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成すべく種々研究した結果、構造物表面に圧痕を付与した際に残留応力が存在する場合と残留応力が存在しない場合とで圧痕形状の方向および変化量の差異があり、この差異に基づき被測定体の残留応力を測定できることを見出し、本発明を完成させたものである。
【００１２】
すなわち、本発明は、被測定体表面の残留応力を非破壊的に測定する残留応力測定方法であって、予め前記被測定体と同種材料に対する一定断面の圧子による基準圧痕の形状を残留応力の無い状態下で実験的または解析により求めるとともに、当該材料に対応する応力の影響による前記圧痕形状の変形度合を方向的および寸法的に求めておき、実際の測定に際し、残留応力のある前記被測定体の表面に前記圧子と同一圧子を用いて同一条件で圧痕を形成し、その際に形成された実圧痕の形状と前記基準圧痕の形状とを比較し、その両形状の方向的および寸法的な差異に基づいて、前記基準圧痕の変形から求めておいた応力の値を用いて前記被測定体の残留応力を求めることを特徴とする。
【００１３】
本発明では、圧痕の深さをごく浅い形状としたため、被測定体の残留応力を測定した後、圧痕を研削等により除去して再使用可能なため、実機に適用できる。このため、被測定体を破壊することなく被測定体の残留応力を精密に測定することができる。
【００１４】
ここで、残留応力がない状態の基準測定体の圧痕形状は実験的に求めても良く、有限要素法（以下、ＦＥＭとする）等の解析的手法により求めても良い。
【００１５】
なお、圧痕を形成するための圧子形状は、球状、円錐形状、楔形形状などのいずれの形状としても良い。
【００１６】
また、上記残留応力測定方法において、前記基準圧痕の形状および寸法値と負荷した応力との関係をデータベースとして記憶手段に格納し、前記被測定体表面に形成した圧痕の方向的および寸法的な測定値を用いて、前記データベースから前記被測定体の残留応力を計算システムにより求めることを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、予め基準測定体の圧痕の単軸方向に負荷した応力と、単軸応力負荷により形成された圧痕寸法との関係をデータベースとして記憶手段に格納しておき、被測定体の圧痕寸法を測定することにより、測定値に用いてデータベースを参照することにより、即時に被測定体の残留応力を算出できる。
【００１８】
上記残留応力測定方法において、前記被測定体に対する圧痕の形成時の荷重または押し込み深さは、基準圧痕形成時における圧子の押し付け荷重または押し込み深さと同一とすることを特徴とする。
【００１９】
また、上記残留応力測定方法において、前記被測定体の圧痕寸法を測定した後に、前記被測定体の圧痕形成分を除去することを特徴とする。
【００２０】
本発明によれば、被測定体に形成された圧痕を除去することにより、圧痕からの割れ発生等を防止できる。また、圧痕の除去方法は、グラインダー等による研削または紙やすり等による研磨としても良い。
【００２１】
さらに、上記残留応力測定方法において、被測定体の表面に圧痕を形成し、この被測定体表面の２軸方向における圧痕寸法を測定する工程と、前記被測定体と同質の材料から形成し残留応力が存在しない基準測定体について予め実験的または解析的に１軸以上の方向から単位応力を負荷した場合について圧痕の２軸方向における圧痕寸法を求めておく工程と、前記基準測定体の単位応力を負荷した際の圧痕形状を前記基準測定体表面の２軸方向をそれぞれ表す変数で定式化し、この圧痕形状を示す式に乗じることにより前記被測定体の圧痕寸法となる数値を算出し、前記被測定体の残留応力を求める工程と、を有することを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る残留応力測定方法について、図１〜図６を用いて説明する。
【００２３】
被測定体の残留応力測定方法の手順を示す。
【００２４】
まず、図１に示す球状の圧子１を用いて、基準測定体表面に圧痕を形成した。図１に示す（ａ）は球状圧子１の側面図、（ｂ）は球状圧子１の平面図である。なお、基準測定体は、後述する被測定体と同一成分の材料から形成したものであり、残留応力が存在しない材料とした。
【００２５】
図２は、基準測定体２に形成された圧痕形状を示す図であり、（ａ）は、ｘ方向に単位引張応力を負荷した際の圧痕３の形状を示す平面図、（ｂ）はその断面図である。また、（ｃ）はｙ方向に単位引張応力を負荷した際の圧痕４の形状を示す平面図、（ｄ）はその断面図を示す。
【００２６】
図２（ａ）〜図２（ｄ）に示すように、ｘ方向またはｙ方向に単位引張応力を各々負荷して形成された圧痕３，４の形状を測定した。なお、圧痕形状は実験的に求めても良いし、ＦＥＭ等の解析的手法により求めても良い。
【００２７】
各圧痕３，４の形状を測定した結果、ｘ方向に単位引張応力を負荷した際における応力負荷方向における圧痕形状をｕ（ｘ，ｙ）とし、ｙ方向に単位引張応力を負荷したときの圧痕形状をｖ（ｘ，ｙ）とした。
【００２８】
次に、上記球状圧子１を用いて、被測定体である構造物の表面に圧痕を形成した。なお、被測定体への圧痕形成は、上記基準測定体と同一の押し込み荷重を負荷して圧痕形成したものである。これを図３に示す。
【００２９】
図３に示す（ａ）は圧痕５を形成した構造物６の平面図であり、（ｂ）は構造物６の断面図を示す。図３（ａ）に示すように、構造物６の表面方向をｘ方向、ｙ方向とし、図３（ｂ）に示すように圧痕５の深さ方向をｚ方向とした。この圧痕５形状を接触式または非接触式のいずれかの形状測定装置を用いて測定した。具体的には、接触式の形状測定は触針式の三次元形状測定器を用い、非接触式の形状測定はレーザ三次元形状測定器などを用いた。そして、測定した圧痕５の形状をｚ（ｘ，ｙ）とした。
【００３０】
上記方法により得られたｚ（ｘ，ｙ），ｕ（ｘ，ｙ），ｖ（ｘ，ｙ）の測定値から、以下に示す式１の関係式を満たすｋおよびｈを、最小自乗法を用いて算出した。なお、ｋは圧痕のｘ方向の残留応力であり、ｈは圧痕のｙ方向の残留応力である。
【００３１】
【数１】
0004261080.tif 000002
【００３２】
このようにして上記式１に基づきｋ，ｈを算出することにより、ｘ方向およびｙ方向の各残留応力を求めることができる。
【００３３】
さらに、基準測定体に形成した圧痕に単位せん断応力を負荷して圧痕を形成し、この圧痕形状を測定してｗ（ｘ，ｙ）として示した。
【００３４】
上述したｚ（ｘ，ｙ），ｕ（ｘ，ｙ），ｖ（ｘ，ｙ）の測定値と、ｗ（ｘ，ｙ）の測定値に基づき、以下に示す式２の関係式を満たすようなｋ，ｈ，ｍについて、最小自乗法を用いて算出した。なお、ｋは圧痕のｘ方向の残留応力σｘ，ｈは圧痕のｙ方向の残留応力σｙ，ｍはせん断応力τｘｙを示す。
【００３５】
【数２】
0004261080.tif 000003
【００３６】
上記式２に基づきｋ，ｈ，ｍを算出することにより、ｘ方向およびｙ方向の各残留応力およびせん断応力を求めることができる。さらに、ｋ，ｈ，ｍの各値によりモールの応力円を用いて残留応力の最大値、すなわち、主応力とその方向を計算することができる。
【００３７】
なお、上述した被測定体の残留応力測定方法の手順では、球状圧子１を用いたが、圧子は、図４に示す円錐状の圧子７を適用しても良い。図４の（ａ）は圧子の側面図であり、（ｂ）は圧子の平面図である。
【００３８】
図４に示す円錐状の圧子７を用いた場合には、基準測定体に圧痕形成すると、軸対称形状の圧痕とすることができる。このため、ｙ方向に単位引張応力を負荷した際の圧痕形状は、ｘ方向に単位引張応力を負荷した際の圧痕形状を９０゜回転させたものと同一となる。従って、ｘ方向に単位引張応力を負荷した試験を行い、圧痕形状を解析するだけで良く、ｙ方向に単位引張応力を負荷した試験・解析を省略できる。
【００３９】
さらに、楔形形状とした圧子を用いて、被測定体の残留応力測定方法を以下に示す。
【００４０】
図５は、楔形形状の圧子８を示す図である。楔形形状の圧子８を適用した場合には、残留応力存在下における圧痕９の形状変化は、図５に示すＡ方向の応力成分の影響を最も強く受ける。このため、図５に示す応力成分、すなわち、上述した式１に示すｘ方向またはｙ方向のいずれか（なお、ここではｘ方向をＡ方向とみなして測定した。）に単位引張応力を負荷した際の圧痕形状を測定し、下記に示す式３に基づきｋを算出することにより、ｘ方向、すなわち、Ａ方向の残留応力を求めることができる。
【００４１】
【数３】
ｚ（ｘ，ｙ）＝ｋ・ｕ（ｘ，ｙ）    ……（式３）
【００４２】
この楔形形状の圧子８を使用して形成された圧痕に応力を負荷した後の中央開口量δと、Ａ方向の残留応力との関係を各種測定し、これをデータベース化し、圧痕の中央開口量δからＡ方向の残留応力を測定することもできる。これを図６に示す。
【００４３】
まず、図６（ａ）に示すように、基準測定体２に楔形形状の圧子８を用いて圧痕９を形成し、この圧痕９の単軸方向に応力σを負荷した。次に、図６（ｂ）に示すように、圧痕の中央開口量δを測定した。さらに、基準測定体２の単軸方向に負荷する応力σの大きさを種々変えて、圧痕の中央開口量δをそれぞれ測定した。その後、図６（ｃ）に示すように、基準測定体２の単軸方向に負荷する応力σを横軸とし、圧痕の中央開口量δを縦軸にとり、両者の相関関係を示し、これをデータベース化し、記憶手段に格納した。
【００４４】
その後、被測定体である構造物６表面に楔形形状の圧子８により圧痕を形成し、圧痕の中央開口量δを測定した。そして、この測定値δから上記データベースに基づき応力を算出し、構造物６表面に付与された楔形のＡ方向の残留応力を測定した。
【００４５】
なお、上記応力測定方法において、被測定体および基準測定体に同一押し付け荷重を負荷して圧痕形成をした場合には、圧痕中央の開口量δは残留応力による変形のし易さを示す。また、被測定体および基準測定体に同一押し込み深さにより圧痕形成をした場合には、圧痕中央の開口量δは除荷時の弾性変形、すなわち、残留応力によるスプリングバック量を示すことになる。本実施形態においては、同一押し付け荷重を負荷するか、あるいは、同一押し込み深さにより圧痕形成をしても、いずれの方法を用いても良い。
【００４６】
本実施形態によれば、被測定体表面の残留応力を精度良く測定でき、かつ、残留応力測定により被測定体表面に形成する圧痕を微小とし、この圧痕を研削等により容易に除去できるため、半破壊的に被測定体の残留応力を測定でき、構造物の運用に支障をきたすことなく残留応力の測定後においても被測定体を再使用できる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る残留応力測定方法によれば、構造物の表面に微小な圧痕を付与するのみで半非破壊的に残留応力の測定が可能となり、実構造物に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における、球状の圧子を示す図。
【図２】本発明の実施形態における、基準測定体に圧痕形成した基準測定体を示す図。
【図３】本発明の実施形態を説明する図。
【図４】本発明の実施形態における、円錐状の圧子を示す図。
【図５】本発明の実施形態における、楔形の圧子を示す図。
【図６】本発明の実施形態における、残留応力と圧痕形状との関係をデータベース化する手順図。
【符号の説明】
１…球状圧子，２…基準測定体，３…ｘ方向に単位引張応力を負荷した際の圧痕，４…ｙ方向に単位引張応力を負荷した際の圧痕，５…圧痕，６…構造物，７…円錐状の圧子，８…楔形形状の圧子，９…圧痕。
【図１】
0004261080.tif 000004
【図２】
0004261080.tif 000005
【図３】
0004261080.tif 000006
【図４】
0004261080.tif 000007
【図５】
0004261080.tif 000008
【図６】
0004261080.tif 000009