技術紹介

穿孔法による残留応力測定技術の検証試験（プラスチック材料の場合）
郡亜美 *1Kohri Ami

鈴木優平 *1

三上Suzuki Yuhei

隆男 *2

Mikami Takao

穿孔法によるプラスチック材料の残留応力測定技術の概要については、IIC REVIEW No.55 で紹介してい（1）る 。本稿では、プラスチック板に 4 点曲げ試験により既知の曲げ応力を負荷し、その状態で穿孔法により応力測定した例を紹介する。負荷した応力と穿孔法により測定した値は同等であり、プラスチック材料についても穿孔法が有効であることを実験的に確認した。
キーワード：穿孔法、残留応力、ASTM E837-13a、プラスチック、解放ひずみ、ひずみゲージできる。そのため、プラスチック材料の残留応力

1. はじめに測定には穿孔法が最も有効であると考えられる。

近年、工業製品には耐熱性、強度等に優れたプ

穿孔法は、ASTM E837-13a にて規格化された残ラスチック材料が取り入れられている。残留応力留応力測定手法であり 、これまで金属材料につは、これまで金属材料において不具合を起こす原いて広く使用されてきた因として問題になっていたが、プラスチック材料範囲について“金属のみ”との制限はなく、プラスにおいても残留応力は発生し、製品の不具合の原チック材料にも適用可能となっている。穿孔法に因となっている。そのため、金属のみならずプラよるプラスチック材料の残留応力測定の概要につスチック材料についても、残留応力測定ニーズがいては IIC REVIEW No.55 で紹介したが、本稿で高まってきている。

はプラスチック材料の試験片を用い、4 点曲げ試

（2）（3）（4）。ASTM 規格の適用

残留応力測定方法には種々の手法があり、その験によって既知の応力を負荷した状態で応力測定中で広く用いられているのは XRD 法と穿孔法でし、穿孔法により測定した値と、負荷した応力をある。XRD 法の原理は X 線回折を元としており測比較した結果を報告する。

定対象物は多結晶体である必要がある。プラスチッ

2. 実験内容

クの中には、結晶性を持ったものもあるが、非晶質
2.1 試験片

体のプラスチックも多く、測定できるものが限定される。一方、穿孔法はひずみゲージを貼りつけ、試験片には、PPS（ポリフェニレンサルファイドドリルで穿孔することができれば残留応力が測定樹脂）のダンベル型試験片（多目的試験片 A1：全

*1：計測事業部 計測技術部 福浦グループ*2：フェロー 博士（工学）、技術士（機械部門）、環境計量士（騒音・振動関係）、一般計量士、JSNDI ひずみ測定・レベル 3
明星大学理工学部非常勤講師—33—

IIC REVIEW/2019/10. No.62

長 170mm、中央の平行部の幅 10mm、厚さ 4mm）を使用した。試験片形状は、4 点曲げ試験機の構造上の都合から、タブ部を切り落とした板材を用いた。試験片写真を図 1 に示す。なお、この試験片にはアニール処理は施していない。試験片は、5 本用意し、試験片の残留応力測定用に 3 本、応力負荷用に 2 本使用した。

図2

プラスチック用穿孔装置

は 1mm である。
図1試験片
2.4 4 点曲げ試験

2.2 穿孔法残留応力測定システム

試験は図 3 の 4 点曲げ治具を使用し、負荷応力穿孔法の測定には、図 2 に示すプラスチック用15MPa と 20MPa の 2 ケース実施した。図 1 に示すの穿孔装置を用いた。プラスチック用の穿孔装置

ように、試験片の表面中心部を穿孔法により測定のドリル回転数は 200rpm であり、試験片に熱がし、裏面の単軸ひずみゲージで負荷応力を測定しかからないようゆっくりと穿孔する。システムはた。4 点曲げ試験の測定も、応力がかかる試験片穿孔装置本体、ディジタル静ひずみ計、電子制御の長手方向の応力を測定している。測定時の様子

装置および制御用 PC で構成される。

を図 4 に示す。
3. 試験結果

2.3 初期残留応力の測定

3.1 初期残留応力の測定結果

試験片の製造過程で生成された残留応力を確認するため、無負荷状態で 3 つの試験片の測定を試験片の初期残留応力測定結果を図 5 に示す。

行った。測定位置は 2.4 節の 4 点曲げ試験時と同全ての試験片には、残留応力が存在しており、そ様に試験片の中心であり、穿孔法用のロゼットひの値は一定ではなく、深さ方向で変化しているこずみゲージを貼り測定した。測定した応力の方向とがわかった。また、同様の箇所を測定しているは、4 点曲げで応力がかかる試験片の長手方向でにもかかわらずそれぞれの試験片でばらつきが確ある。ゲージの中心円は f 5.14mm で、穿孔径は認された。

2mm、穿孔ステップは 0.05mm × 20 で、測定深さ—34—

図5

図34 点曲げ冶具

図4測定の様子

試験片の残留応力測定結果

3.2 4 点曲げ試験

示すように、表側の表面で応力が最大、中立軸ではり

4 点曲げ試験 15MPa の結果を図 6 に、20MPa の応力が 0、裏側の表面で応力が最小になる梁 理論

結果を図 7 に示す。図中にある理論値は、図 8 にに従い、試験片裏側で測定したひずみより算出し—35—

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図64 点曲げ試験 15MPa の結果

図74 点曲げ試験 20MPa の結果

図8梁理論の説明図—36—

た。穿孔法による測定値は、理論値に沿って変化

参考文献し、おおむね一致している。理論値から外れているところは、試験片に存在していた初期残留応力（1） 三上隆男、夏井一樹、福本伸太郎：穿孔法にの影響であると考えられる。この結果より、穿孔よるプラスチック材料の残留応力測定技術、法によるプラスチックの残留応力測定の妥当性が

IIC REVIEW、No.55、2016/04、pp.30-37（2） ASTM E837-13a, Standard Test Method for

確認できた。

Determining Residual Stresses by the Hole-

4. まとめDrilling Strain-Gauge Method, 2013

PPS 板材を用いて 4 点曲げ試験を行い、負荷応（3） 三上隆男：穿孔法による残留応力測定につい力と穿孔法による応力測定結果の比較を行った。て（そ の 1 ）、IIC REVIEW、No.48、2012/10、

その結果、両者は同等であり、プラスチック材料

pp.53-65

においても穿孔法の有用性が確認できた。CFRP（4） 三上隆男、松田昌悟：穿孔法による残留応力（炭素繊維強化プラスチック）や、エンジニアリン測定について（その 2 ）、IIC REVIEW、No.49、グプラスチックなどには異方性を有したものもあ2013/04、pp.39-45

（5）
（6）

。

（5） G. S. Schajer, L. Yang：Residual-stress measurement

これについて穿孔法で測定した結果については今

in orthotropic materials using the hole-drilling

り、異方性を考慮した解析方法も可能である（7）

後報告する予定である 。

method, Exp. Mech., 34, 1994, pp.324-333（6） P. Pagliaro, B. Zuccarello：Residual Stress Analysisof Orthotropic Materials by the Through-hole
Drilling Method, Exp. Mech., 47, 2007, pp.217-236（7） A. Kohri, T. Mikami, Y. Suzuki：Residual StressMeasurement of the Engineering Plastics by theHole-Drilling Strain-Gage Method, Materials
Research Proceedings, 6, 2018, pp.101-106

計測事業部 計測技術部
福浦グループ

計測事業部 計測技術部
福浦グループ郡鈴木 優平

亜美

TEL. 045-791-3518
FAX. 045-791-3542

TEL. 045-791-3518
FAX. 045-791-3542

フェロー 博士（工学）、技術士（機械部門）、環境計量士（騒音・振動関係）、一般計量士、JSNDI ひずみ測定・レベル 3
明星大学理工学部非常勤講師

三上 隆男

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FAX. 03-6404-6044
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