技術紹介

表面近傍の残留応力に及ぼす表面加工の影響～表面研磨とブラスト加工～
郡亜美 *1Kohri Ami

鈴木優平 *2

Suzuki Yuhei

高倉大典 *3

Takakura Daisuke

上島秀作 *4

Uejima Hidesaku

表面研磨の方法によっては残留応力が発生する場合があり、計測結果の正しい評価のためにはこれらの影響についての確認が必要である。種々の研磨方法とブラスト加工による残留応力を穿孔法により計測し評価した。
キーワード：残留応力、内部応力、穿孔法、インフラ、橋梁、ブラスト、研磨

対象部にひずみゲージを貼り付ける際、表面に1. はじめにさび錆、凹凸、塗装等があるときは研磨が必要となる穿孔法は ASTM E837 規格にて標準化されていが、研磨の方法によっては表層部に残留応力が発（1）る残留応力計測方法である 。計測原理は、ドリ生する場合がある。計測結果の正しい評価のため

ルで小さな穴をあけ、これによって解放されたひにはこれらの影響についての確認が必要である。

ずみをひずみゲージによって計測し、その値からまた、橋梁で使用されている部材は一般的に防錆応力を算出するという方法である。段階的に穴をのために塗装されており、防錆塗装前には、鋼材あけていくことで、残留応力の深さ分布が計測での黒皮（黒錆）を取除くために素地調整と呼ばれるきる。

ブラスト加工がされている。ブラスト加工は表層

穿孔法は計測部位に穴をあける手法であるが、部に比較的高い圧縮残留応力を発生させる。橋梁

穿孔サイズは f 1 ～ 4mm、深さは 0.5 ～ 2mm であの応力計測において評価したいものが死荷重により、橋梁のような大型構造物では穿孔の影響は小る応力の場合や、FEM 解析値との比較を行うときさいため準非破壊法に分類され、使用中の橋梁には、ブラストの影響を受けている表面部分を除いも適用することができる。なお、穿孔法による応て評価すべきである。

力測定技術は、国土交通省の道路分野における新本稿では、種々の研磨方法とブラスト加工を技術導入促進計画に基づく「点検支援技術性能カ行った鋼材の残留応力を穿孔法によって計測したタログ」の計測・モニタリング技術に 2023 年 3 月

結果について報告する。に登録された（技術番号：BR030051-V0023）。

*1：計測事業部 計測技術部 磯子グループ*2：研究開発センター 研究開発グループ 博士（工学）*3：計測事業部 計測技術部 磯子グループ グループ長*4：計測事業部 計測技術部 部長 博士（工学） 技術士（建設部門）—

9—

IIC REVIEW/2023/10. No.70

法である。今回は、粒度 120 を使用した。フラッ2. 試験体

プホイルの写真を図 3 に、試験体の表面状態を（1）研磨の影響

図 4 に示す。

試験体には一般構造用圧延鋼材の SS400 のミガキ材を用い、事前に応力除去焼鈍（SR）を行った。
寸法は幅 80mm ×長さ 250mm ×板厚 16mm である。ひずみゲージの貼付け前には、サンドペー
パー、リューター、グラインダー等の方法で表面を研磨している。これら研磨の影響を明らかにするため、以下の 5 種類の試験体を用意し計測した。
① 無加工（SR のみ）
試験体を図 1 に示す。通常の計測では、ひずみゲージを貼り付ける前にサンドペーパーで研磨するが、その影響が加わることを避けるため、

図2

サンドペーパーで研磨した試験体表面

本計測では研磨せずひずみゲージを貼り付けた。

図3
図1

フラップホイル

無加工試験体② サンドペーパー
ひずみゲージ貼付け時に用いる #320 のサンドペーパーで試験体の表面を研磨し、ひずみゲージを貼り付けた。サンドペーパーで研磨した試験体の表面状態を図 2 に示す。
③ リューター（フラップホイル）とフラップホイル（アルミナ砥材の研磨布）を用いたリューターによる研磨は紙やすりでは除去
図4

できない凹凸や錆がある場合に使用している方—

10—

フラップホイルで研磨した試験体表面

（2）ブラストの影響④ リューター（アルミナ質砥石）アルミナ質砥石（PA）の粒度 60 を用いた。砥

SS400 の黒皮材に素地調整のためのブラスト加（2）石を図 5 に、試験体の表面状態を図 6 に示す。

工 を施し、通常の計測時の前処理であるフラップホイルとサンドペーパーでの研磨後にひずみゲージを貼り付けた。ブラストの研削材はスチールグリットである。図 8 にブラスト加工した試験体の表面を示す。

図5アルミナ質砥石

図8

図6

ブラスト加工した試験体表面

アルミナ質砥石で研磨した試験体表面3. 計測条件
穿孔法残留応力計測の条件を表 1 に、穿孔装置⑤ グラインダー
グラインダーの砥石はスキルタッチ（AC）でを図 9 に示す。各試験体の計測位置は図 10 に示

粒度は 120 である。グラインダーで研磨した試

すように 3 箇所で、左端部から 40mm（L）、125mm

験体の状態を図 7 に示す。

（C）、210mm（R）の位置である。試験体の長手方向の応力が sx、その直交方向の応力が sy となるようひずみゲージを貼り付けた。

表1

図7

計測条件

穿孔装置

MTS3000（SINT Technology）

ひずみ測定器MX440B（HBM）

ひずみゲージ

FRS-2（東京測器研究所）

計測深さ

1.0mm

計測ピッチ

0.050mm

穿孔径

2mm

グラインダーで研磨した試験体表面—

11—

IIC REVIEW/2023/10. No.70

図9

図 10

穿孔装置一式

ひずみゲージ貼付後の試験体② サンドペーパー

4. 結果

表面付近の残留応力の変化に着目すると sx、各計測結果を表 2 に示す。

sy ともにその傾きは小さくなっており、0.125mm（1）研磨の影響で残留応力の低下は収まっている。このことから、サンドペーパーによる研磨は、表面の残留① 無加工（SR のみ）応力に影響を与えずに研磨できる方法であると3 箇所とも、sx、sy ともに最表面の残留応力が最も高く、その値は 40 ～ 70MPa であった。引考える。

張残留応力は表面から中に入るにつれ小さくな③ リューター（フラップホイル）
無加工の試験体は sx と sy は深さによらず同り、 深 さ 0.275mm 以 深 は 0MPa 付 近 で 一 定 で等の値であったが、フラップホイルで研磨したあった。

表面の残留応力は、3 箇所とも sx の方が高く—

12—表2200

150

150

150

100

10010050500-50-100-150

σx-2500-50-100-150

σx-200

σy0.1

0.2

0.3

0.4 0.5 0.6
深さ (mm)

0.7

0.8

0.9

10.10.2

0.3

0.4 0.5 0.6
深さ (mm)0.70.80.91100100

1005050500-50-100-150

σx0-50-100-150σx-200

σy-250

残留応力 (MPa)150

残留応力 (MPa)

200

150

0.4 0.5 0.6
深さ (mm)0.7

0.80.9

1-150

00.1

0.20.30.4 0.5 0.6
深さ (mm)

0.7

0.8

0.9

110050σx-2500-50-100-150

σx-200

σy

0.7

0.8

0.9

10.1

0.2

0.3

0.4 0.5 0.6
深さ (mm)0.7

0.80.9-150

残留応力 (MPa)100100500-50-100-150

σx-1500.2

0.3

0.4 0.5 0.6
深さ (mm)0.7

0.80.91

残留応力 (MPa)

100

50

残留応力 (MPa)1000-50-100-150

σx-2000.70.80.9

1-150

0.1

0.2

0.3

0.4 0.5 0.6
深さ (mm)0.7

0.80.910.1

0.20.3-500-100-200-300
σx-400σy-500-600

残留応力 (MPa)

残留応力 (MPa)

100

0

σy

0.8

0.9

1

0.7

0.8

0.9

10-100-200-300
σx-400σy-500-600
0.7

0.4 0.5 0.6
深さ (mm)R

100

0.4 0.5 0.6
深さ (mm)σy00-4001

σx-250

100

σx0.9

0200

-300

0.8

-100

ブラスト
C

-200

0.750

200

-100

0.4 0.5 0.6
深さ (mm)-300

0L

0.30.3-50

2000.20.2-200

σy-250-300

0.10.1R

500

σy01000.4 0.5 0.6
深さ (mm)1-300
0.1

150-300

0.9

σx-250

200

σy0.8

0150

σx0.7-100⑤グラインダー
C-250

0.4 0.5 0.6
深さ (mm)

50

150

0.3

0.3

-50

200

0.20.2-200

σyL0.1

σy0.1

R
150

200

0

σx0

200

0-200

1

01-300-1500.9-100

150-250-1000.8

50200

-200

-500.7-50④リューター（アルミナ質砥石）CL

00.4 0.5 0.6
深さ (mm)-300
0残留応力 (MPa)0.4 0.5 0.6
深さ (mm)0.3-250-3000.30.2-200

σy-250-3000.20.1

200

残留応力 (MPa)150100
残留応力 (MPa)150500.1

σyR

100-2001σx0150-1500.90③リューター（フラップホイル）
C-1000.8-50

200

00.7-300

L-50

0.4 0.5 0.6
深さ (mm)-100

200

00.3-250-300

0.30.2-200
σy-250-300

0.20.1

R

200

1500.1σy02000σx②サンドペーパー
C-200

残留応力 (MPa)-150-3000L

残留応力 (MPa)0-100-250-300

050-50-200

σy-250-300

残留応力 (MPa)200-200

残留応力 (MPa)R200

残留応力 (MPa)

残留応力 (MPa)

L残留応力 (MPa)

各計測結果①無加工（SRのみ）
C-60000.10.20.3—

0.4 0.5 0.6
深さ (mm)13—0.70.80.9

100.10.20.30.4 0.5 0.6
深さ (mm)0.70.80.91IIC REVIEW/2023/10. No.70

なっている。また、C、R の箇所は sy が約 −50MPa

5. まとめあり圧縮側に高くなっている。深さによる残留応力変化は 3 箇所とも 0.225mm 付近で飽和した種々の研磨方法、ブラスト加工による残留応力ことから、フラップホイルによる研磨の影響はの影響について、穿孔法の計測により定量的に評0.2mm 程度であることがわかった。

価することができた。ひずみゲージ貼付けの際に④ リューター（アルミナ質砥石）行う、サンドペーパーによる研磨は表面の残留応

計測位置 L は、計測中にドリルが破損したため力にほぼ影響しないことがわかった。また、残留計測不可となった。sx、sy とも表面は −100MPa

応力計測する際の表面の錆、凹凸、塗料等の研磨以上と高い圧縮残留応力になっている。圧縮残には、表層の残留応力への影響が比較的小さいフ

留応力は深さ 0.3mm 以深で 0MPa 付近に落ち着ラップホイルやグラインダーによる研磨が好ましいていることから、砥石による研磨の影響はいことがわかった。

0.3mm 程度であることがわかった。

橋梁において死荷重による応力を計測する場合⑤ グラインダーや、FEM 解析値との比較を行う場合は、ブラスト

3 箇所でばらつきはあるが、最表面の残留応力加工の影響を受けている部分の結果は使用せず、の値はリューター砥石よりも小さく、影響が入っ深さ 0.5mm 以深の結果を用いて評価する。ていると考えられる深さも 0.225mm 程度であっ

参考文献

た。
（2）ブラストの影響（1） ASTM E 837-20：Standard Test Method for

3 箇所とも最も高い圧縮残留応力は表面～

Determining Residual Stresses by the Hole

0.075mm であり、その値も −400MPa 前後と場所によ

Drilling Strain-Gauge Method、2020（2） 公益社団法人日本道路協会：鋼道路橋防食便

るばらつきが小さかった。深さに伴う圧縮残留応力

覧、平成 26 年 3 月の減少は 0.4 ～ 0.5mm 程度で落ち着いており、ブラストの影響は 0.5mm 程度まで及ぶことがわかった。

計測事業部
計測技術部
磯子グループ

研究開発センター
研究開発グループ
博士（工学）

郡鈴木 優平

亜美

TEL. 045-759-2085
FAX. 045-759-2119

TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547

計測事業部
計測技術部
磯子グループ グループ長

計測事業部
計測技術部 部長
博士（工学） 技術士（建設部門）

高倉 大典

上島 秀作

TEL. 045-759-2085FAX. 045-759-2119

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