技術解説

残留応力測定概論（その 1：残留応力の発生原因と種々の測定法）
高倉大典 *1

Takakura Daisuke

種々の工業製品には、その製造プロセス（機械加工、組立、溶接、熱処理など）において製品内部に残留応力が生じ、部材加工における形状精度や製品寿命に大きく影響を及ぼすことがある。また、近年さまざまな製品に用いられているプラスチックにおいても残留応力が原因となって割れが生じることが知られており、残留応力の適切な予測が非常に重要となる。
本号では残留応力の発生原因やその影響について触れるとともに、種々の残留応力測定法について簡単に説明する。
キーワード：残留応力、測定法、破壊、非破壊、準非破壊、回折法、応力解放法（2）機械的荷重

1. 残留応力の発生原因

角棒の 4 点曲げ試験で、材料が降伏する荷重を残留応力は外力が作用しない状態で部材内部に負荷後に除荷する例を考える。角棒に生じる長手存在する応力のことであり、部材内部で力が釣り方向の応力は、荷重負荷時は上面側が圧縮応力、合った状態（平衡状態）となっている。残留応力は下面側が引張応力となり、荷重が大きくなると上以下に示すように、さまざまなプロセスで局所的下面で降伏応力を超え、応力は Z 字状の分布となに生じる塑性変形や相変態に伴う体積変化、あるる。荷重除荷時には曲げ角が多少戻る変形（スプいは形状差や寸法差が原因となり発生する。

リングバック）を起こし、部材内部では力が釣り（1）熱加工合うように応力分布が変化する（図 1、図 2 参照）。

溶接のように局所的に加熱・溶融、冷却される

また、研削や圧延、ショットピーニングなどの機プロセスにおいては、溶接部周辺に生じる急激な械加工の際には、加工によって生じる塑性ひずみ

温度勾配によって塑性ひずみが生じるほか、溶接のほか、加工誘起変態に伴って生じる体積変化も部の熱収縮が周辺から拘束されることによって残残留応力の原因となる。

留応力が発生する。また、鉄鋼部材の焼入れなど（3）形状差・寸法差の矯正の熱処理においては、冷却工程における部材表面

図 3 に示すように切れ目に目違いのあるリングと内部の冷却速度の差や相変態に伴って生じる体状の部材に外力を加えて目違いを矯正した後で合積変化が残留応力の原因となる。

わせ面を接合したり、図 4 に示すように円筒状の*1：計測事業部

計測技術部

磯子グループグループ長—2—

荷重>03D@

固定対称面（a）解析モデル（1/2 対称モデル）

図1（b）荷重負荷時（c）荷重除荷時

角棒の 4 点曲げ試験模擬解析（解析モデル図および長手方向応力分布図）

部材にその内径よりも一回り大きい外径を持つ円筒を圧入したりする場合、外力を除いた後に部材内部に応力が残留する。
2. 残留応力が及ぼす影響（1）疲労寿命
図2

機械構造物はその供用期間中に受ける荷重が変角棒の 4 点曲げ試験模擬解析結果（対称面における長手方向応力分布）動することで構造物内に生じる応力も変動する。
疲労破壊はこのような変動荷重によって生じたき裂が徐々に進展して破壊に至る現象であり、静的な引張強さや降伏応力よりも低い応力でも破壊してしまうことがある。疲労破壊に至る荷重の繰り返し数（サイクル数）は、変動荷重による応力振幅（sa）だけでなく平均応力（sm）にも影響を受け、機械構造物の設計においては、平均応力の影響を考

図3

目違いのあるリング（1）

慮した疲労限度線図 が用いられる（図 5 参照）。
疲労評価において残留応力は平均応力に算入して影響を考慮する必要があり、一般に引張残留応力は疲労強度を低下させ、圧縮残留応力は疲労強度を向上させる。材料表面に小さな鉄球を打ち付けるショットピーニング、高周波焼入れや浸炭などの表面処理により部材表面には圧縮残留応力が導入されるため疲労強度が向上する効果を持つ。
（2）環境強度金属材料が荷重を受けた状態で腐食環境下にあ

図4

ぜい

寸法差のある円筒状部材の圧入ると著しく脆化して破壊してしまう。これを応力—

3—IIC REVIEW/2023/10. No.70

図5

疲労限度線図（修正 Goodman 線図）

腐食割れ（SCC：Stress Corrosion Cracking）と呼び、

3. 残留応力測定法

炭素鋼だけでなく一般に腐食に強いとされるオーステナイト系ステンレスや Ni 基合金などでも生以上のように、残留応力は機械構造物の疲労強じることが知られている。

度や環境強度に大きな影響を与える。したがっSCC は ① 材料的因子と② 環境因子（腐食環境）、て、構造物の信頼性を確保するには供用期間中の③ 力学的因子（引張応力）の 3 条件がそろったとき荷重による発生応力を適正に見積もるだけでなに生じるため、その予防には① SCC が生じにくい

く、残留応力を把握しておくことが重要である。

材料を使用する、② 腐食環境に置かない、③応力

また残留応力は部材の加工精度に大きな影響を与状態を改善する、ことが有効である。材料の SCCえるため、部材を精度良く加工するためには残留しんせきの起こしやすさは、試験片を腐食溶液中に浸漬し応力分布を正しく把握し、適切な工作法、工作手て割れを観察する SCC 試験によって確認可能で順を選定する必要がある。

ある。応力状態の改善については、応力除去焼鈍

残留応力測定法にはさまざまな手法が存在すを行って引張応力の値を小さくする方法や、高周る。図 6 に代表的な残留応力測定法を示す。測定

波誘導加熱を用いた残留応力の改善手法（IHSI：法の選定においては、測定に要するコストや期間（2）

Induction Heating Stress Improvement） などがある。

だけでなく、① 現地で測定するか実験室で測定す（3）部材加工精度るか、② 非破壊で測定するか破壊して測定する

残留応力を持った部材は内部において力が釣り合った状態にある。そのため、残留応力を持った素材を加工して製品や部品を製作する場合、力の釣り合いを保っていた断面の形状が変化するため、部材内部で力の釣り合いがとれるように応力の再配分が起こり部材に変形が生じる。この変形を事前に精度良く予測できていないと形状の修正作業を要することがある。
図6—4—

代表的な残留応力測定法

か、③ 表面のみの測定で良いか内部まで測定する

同じく「非破壊」に分類される Magnetic（磁気ひか、などの観点から適切な測定法を選定する必要ずみ法）は、強磁性体に応力が作用すると材料のがある。

透磁率が変化する性質（磁気弾性効果）を利用した（1）非破壊法

測定手法、Ultrasonic（超音波法）は、物質内を超音ぱ

図 6 で「非 破 壊 」に 分 類 さ れ る X-ray（X 線 ）、波が伝播するときの音速が応力状態によって変化

Synchrotron（シンクロトロン放射光）、Neutron（中する性質（音弾性効果）を利用した測定手法 であ性子）は、いわゆる回折法を測定原理とするもの

り、いずれも可搬装置を用いた現地測定も可能でで、原子間距離（結晶格子間距離）を種々の光源をある。

（4）

（3）

（2）完全破壊法

用いて測定する手法（図 7） であり、用いる光源によって測定深さが大きく変わる。X 線は表面の測定対象を完全に破壊、あるいは部分的に破壊測定にしか対応していないが、可搬装置が販売さする手法、すなわち図 6 で「完全破壊」および「準れているため実験室だけでなく現地測定も可能で非破壊」に分類している手法は、いわゆる応力解ある。一方、放射光を用いる場合は大型放射光施放法を測定原理とするもので、測定部周辺の破壊設（日本では国立研究開発法人理化学研究所が運することで解放されるひずみを用いて測定する手営する SPring-8）、中性子を用いる場合は大強度陽法である。Sectioning（切断法）は測定対象に貼った子加速器施設（日本では国立研究開発法人日本原

ひずみゲージの周辺をサイコロ状に切り出す手法

子力研究開発機構（JAEA）と大学共同利用機関法であるのに対し、Slitting（スリッティング法）は人高エネルギー加速器研究機構（KEK）が共同で

図 8 に示すように放電加工で測定対象に溝（ス運営する J-PARC）での測定となるため、施設に測リット）を掘ることで解放されるひずみを溝近傍定対象を持ち込む必要があるほか、公募される研の表裏面に貼ったひずみゲージで測定する手法

究課題に応募するなど利用には制約があるのが現である。

（5）状である（一部有料での一般利用も可能）。X 線回Contour（コンター法）は、Sectioning や Slitting と折法を用いた残留応力測定は、公益社団法人日本

同じ「完全破壊」法であるが、解放されるひずみを材 料 学 会 の X 線 応 力 測 定 標 準（鉄 鋼 編：JSMS-ひずみゲージで測定するのではなく、測定対象をSD-5-02）や日本産業規格のばねのショットピーニ切断（通常はワイヤー放電加工）して生じる切断面ング（JIS B2711:2013）の附属書 JB に規格化されての微小な面外変形形状を詳細に計測し、計測したいる。

切断面形状を平面に戻す計算から切断前の残留応（6）力を測定する手法 である（図 9）。Contour は切断面の法線方向しか測定できないが、切断面全体の応力分布が二次元マップとして得られるという大きな特徴を持つ。また、測定原理上は測定深さや試験体サイズに制限は無く、切断装置および切断面 の 計 測 装 置 の 上 限 サ イ ズ に よ る。 こ れ ら
Sectioning や Slitting、Contour は測定対象を完全に破壊してしまうため、現地測定には対応しておら図7（3）回折法を用いた応力測定

ず、実験室での測定となる。
—5—

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図8（5）

スリッティング法の概念図および測定風景

Hole Drilling（DHD 法：深穴穿孔法）は、測定部に穴を開けるなど部分的に破壊する手法であり、可搬装置を用いた現地測定が可能である。
Center Hole Drilling は図 10 に示すように測定部にロゼットひずみゲージを貼り、ゲージの中心を徐々に穿孔していくことで最大で 2mm まで深さ方向の応力分布を測定でき、ASTM E837 で規格化（7）（8）されている手法である。この手法は、材料物性（弾性率、ポアソン比）がわかれば金属材料だけでなく樹脂材料やガラスなどにも適用できるという特徴を持つ。
Ring Core は、Center Hole Drilling に似た手法で
図9（6）コンター法の測定原理あるが、図 11 に示すようにロゼットひずみゲージの周りをリング状に穿孔していく手法であり、（3）準非破壊法

5mm 深 さ ま で 測 定 す る こ と が 可 能 で あ る が、

図 6 で「準 非 破 壊 」に 分 類 さ れ る Center Hole

Center Hole Drilling と異なり ASTM などで規格化された手法ではない。

Drilling（穿孔法）、Ring Core（リングコア法）、Deep

図 10穿孔法による残留応力測定システム—6—

（a）Front view

図 11（b）Top view
（9）

リングコア法による残留応力測定

Deep Hole Drilling は、図 12 に示すように測定箇

上は測定深さに制限は無く、これまでの実績では所にガンドリルで参照穴を空け（Step1）、参照穴径750mm 深さまでの計測例が報告されている。応力の深さ方向分布をエアプローブを用いて計測解放法を用いた高応力部の応力測定においては、（Step2）した後、参照穴の周辺を放電加工でコア抜

応力解放のための切断や穿孔の過程で塑性ひずみきし（Step3）、残留応力が解放されることで生じるが生じ、応力測定精度が低下する懸念があるが、参照穴径の変化量を再度エアプローブで計測少しずつコア抜きをし、その都度参照穴を計測す（Step4）することで残留応力の深さ方向分布を測ることで塑性ひずみの影響を考慮できるIncremental定する手法である。Deep Hole Drilling も測定原理

Deep Hole Drilling 法（iDHD 法）が提案されている。

図 12（10）

DHD 法による残留応力測定—

7—

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（4） 岩田ら：新しい残留応力測定技術Ⅱ、溶接学

4. まとめ会誌、Vol.64、No.7、1995

残留応力は、機械構造物の製造時の部材加工精（5） M. B. Prime：Experimental Procedure for Crack

度悪化によるコスト増の要因となるほか、製品のCompliance（Slitting）Measurements of Residual

損傷原因となり得るため、製品の信頼性に多大なStress, LA-UR-03-8629, LANL Report, 2003

影響を及ぼす場合がある。製品の強度評価にあ（6） M. B. Prime：Cross-Sectional Mapping of Residual

たっては、残留応力を適切に予測・評価する必要

Stresses by Measuring the Surface Contour After aがあり、測定対象や目的に合った測定法の選定がCut, Journal of Engineering Materials and重要となる。

Technology, Vol.123, 2001

次号では、今回が測定法の概要を述べた応力測（7） 三上隆男、松田昌悟、夏井一樹：穿孔法による定法のいくつかを取り上げ、より詳細な説明を加残留応力測定技術の検証試験（深さ方向に不えるとともに、測定事例について紹介する予定で均一な応力分布の場合）、IIC REVIEW、No.54、ある。

2015/10、pp.35-45（8） ASTM E837-20：Standard Test Method for

参考文献Determining Residual Stresses by the Hole-（1） 田中：材料強度学、丸善、2008

Drilling Strain-Gage Method, 2020（2） 矢川ら：原子炉一次系配管の高周波加熱によ（9） J. Guo ら：Recent progress of residual stress

る残留応力の改善（IHSI）に関する理論解析とmeasurement methods: A review, Chinese Journal

実験、圧力技術、Vol.21、No.4、1983

of Aeronautics, Vol.34, No.2, 2021

（3） 鈴木：中性子回折法による応力測定技術とそ（10）A. H. Mahmoudi ら：A New Procedure to Measureの応用、Journal of the Vacuum Society of Japan、Near Yield Residual Stresses Using the Deep Hole

Vol.53、No.12、2010

Drilling Technique, Experimental Mechanics,
Vol.49, No.4, 2009

計測事業部 計測技術部
磯子グループグループ長

高倉 大典
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FAX. 045-759-2119—8—