技術紹介

ブラスト処理された鋼材の穿孔法による深さ方向残留応力測定
三上隆男 *1

鈴木Mikami Takao

優平 *2

Suzuki Yuhei

夏井一樹 *3

Natsui Kazuki

橋梁などの鉄鋼部材は、防食塗装の定着性を向上させるため、一般的に鋼材表面にブラスト処理を施している。このブラスト処理により鋼材の表層部には残留応力が付与されていると考えられる。筆者らは、ブラスト処理された H 型鋼を試験体として ASTM E837-13a 規格の穿孔法を用いて深さ方向に不均一な残留応力分布を測定した。この際に、同規格で規定されている 3 種類の大きさのロゼットひずみゲージの内の 2 種類を用い、ゲージの大きさが残留応力の測定分解能に及ぼす影響も明らかにした。
キーワード：残留応力測定、穿孔法、ひずみ解放、ロゼットひずみゲージ、穿孔装置、ASTM E837-13a、不均一応力、ブラスト処理、測定分解能

数ある残留応力の測定方法の中で、準非破壊法

1. はじめにに属する穿孔法は ASTM E837-13a 規格で規定さ橋梁などを構成している鉄鋼部材は、防食塗装れており、X 線回折法と並んで世界中で広く使用の定着性を向上させるため、一般的に鋼材表面にされている。

ブラスト処理を施している。このブラスト処理にそこで、筆者らは、ブラスト処理した H 型鋼

より鋼材の表層部には残留応力が付与されているを試験体とし、穿孔法を用いて深さ方向に不均一と考えられる。この残留応力に供用応力が重畳すな残留応力分布を測定した。規格では、測定に使るので、残留応力の符号、大きさおよび分布に応用するロゼットひずみゲージのサイズ（3 種類）じて構造強度的には有益にも不利益にもなる。引に応じて、穿孔径、穿孔深さ（測定深さ）が規定

張残留応力は構造物の疲労寿命を低下させる原因されている。したがって、ロゼットひずみゲージとなり、逆に、圧縮残留応力は疲労寿命を向上さのサイズにより、残留応力の測定分解能が変化すせるので、圧縮残留応力が存在していることが望ることになる。今回の H 型鋼の測定では、2 種類ましい。しかし、ブラスト処理された鋼材の表面のロゼットひずみゲージを適用し、ゲージの大きから深さ方向の残留応力分布についての測定報告

さが残留応力の測定分解能に及ぼす影響を明らか例はほとんどない。にした。

*1：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*2：計測事業部 計測技術部 福浦グループ*3：計測事業部 材料試験部—

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不均一応力分布の場合、穿孔ステップ完了後に（1）2. ASTM E837-13a 規格の概要

測定される表面の解放ひずみは、全ての穿孔ス

この規格は、日本語では「穿孔ひずみゲージ法

テップ において元々材料内に存在していた残留による残留応力測定規格」と訳され、小形ドリル応力に依存し、次式で表すことができる。

を 使 っ て 表 面 か ら 1mm ～ 2mm の 深 さ ま で、

ej =f1mm ～ 4mm 程度の穴を段階的に穿孔する際に、解放されるひずみを穴周囲に配置したロゼットひずみゲージを用いて測定し、その解放ひずみから穴領域に存在していた残留応力を解析する手順を

1+ v j∑ a jk (s x + s y ) / 2 k
E k =1()()+1 j∑ b jk (s x − s y ) / 2 k cos 2q
E k =1+1 j∑ b jk (t xy )k sin 2q
E k =1（1）規定している。穿孔によって解放されたひずみか

ただし、

ら 2 次元線形弾性論に基づく数学的関係を用いて

a jk= 等方応力に対する校正マトリクス評価する。解放ひずみは穴内部の材料に元々存在b jk= せん断応力に対する校正マトリクスしていた残留応力に依存する。

E= ヤング率

本規格では測定対象物の肉厚や応力状態に応じ

j= これまでの穿孔ステップ数（通し番号）て、以下の 3 種類の場合について規定している。

k= 穿孔ステップの順番① 薄肉で深さ方向に均一な応力分布を有するej= j 穿孔ステップが実行された後に測定された解放ひずみ場合（貫通穿孔測定）② 厚肉で深さ方向に均一な応力分布を有する場合（ブラインド穿孔測定）v= ポアソン比q= x 軸からのひずみゲージ角度(sx)k = 穿孔ステップ k 内の x 方向垂直応力③ 厚肉で深さ方向に不均一な応力分布を有す（2）（3）(sy)k = 穿孔ステップ k 内の y 方向垂直応力る場合（ブラインド穿孔測定）

構造部品は一般的に深さ方向に不均一な残留応(txy)k = 穿孔ステップ k 内の xy せん断応力

力分布を有しているので、③の規定が最も重要で

なお、校正マトリクス a jk の定義（ b jk も同様）
については図 1 を参照し、その技術的な意味にある。

図1

校正マトリクス a jk の定義（例：ステップ 4 まで穿孔された状態）—

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ついては参考文献（2）を参照していただきたい。

3. 試験体図 2 に ASTM E837-13a 規格で規定されているロゼットひずみゲージのタイプと、測定座標系の試験体として 200mm × 200mm の H 型鋼を用い定義を示す。これらの中で、Type A と呼ばれるロて、以下の条件でブラスト処理を施した。

ゼットひずみゲージには 3 種類の大きさ（ゲージ・ ブラスト方法：エアブラスト。吹付距離や送円：D が f2.57mm、f5.14mm および f10.28mm）がり速度は手作業で適宜調整。

あり、これらに③の規定を適用する場合の穿孔径、・ 吹付エア圧力：0.5MPa

測定深さおよび測定分解能の関係を表 1 に示す。

・ ブラスト研掃材：グリット

最大測定深さを等間隔の 20 ステップで穿孔した・ 仕上り表面粗さ：Rz = 50 ～ 70mm

ときに、各深さでの残留応力計算に使用する校正

4. 測定位置と測定状況定数が規格で規定されているため、表 1 のような分解能となる。f2.57mm ゲージを用いた場合が本研究では、測定分解能の影響を調べるため、最も測定分解能が高いが、最大測定深さは浅くな

上記の 3 種類のロゼットひずみゲージの内、頻繁る。深さ方向の残留応力分布の変化の程度、測定に使用されている小形と中形のものを用いて測定したい最大深さおよび穿孔径を考慮して適切なした。測定位置を図 3 に示す。小形、中形ゲーゲージ径を採用する必要がある。

ジとも試験体のウエブ中心線から 50mm 離れた位

図2
表1（1）

穿孔測定用ロゼットひずみゲージ

ゲージ円と穿孔径、測定深さおよび測定分解能との関係

—

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（4）

置で 15mm の間隔で各 2 箇所測定した。15mm 間る ので、それよりさらに安全側の間隔とした。

隔とした理由は、測定位置を 6 × D0 以上離せば、

図4 ～図7に小形ロゼットひずみゲージ（f2.57mm）

お互いのひずみ解放の影響を受けないとされてい

図3

図4による測定状況を示す。

測定場所（f2.57mm と f5.14mm ゲージ穿孔後の状況）

穿孔前（f2.57mm ゲージ NO.1）

図5

図6

試験体上の穿孔装置

図7—

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穿孔中の様子（f2.57mm ゲージ）

穿孔後（f2.57mm ゲージ NO.1、NO.2）
IIC REVIEW/2017/10. No.58図8～図10に中形ロゼットひずみゲージ（f5.14mm）

5. 試験結果による測定状況を示す。

f2.57mm ゲージによる累積解放ひずみの測定結果を図 11 と図 12 に、主応力分布の解析結果を
図 13 と図 14 に示す。
f5.14mm ゲージによる累積解放ひずみの測定結果を図 15 と図 16 に、主応力分布の解析結果を
図 17 と図 18 に示す。
6. 考察
（1）小形ロゼットひずみゲージ（f2.57mm）の場合
図8

図9穿孔前（f5.14mm ゲージ）

図 11 と図 12 の累積解放ひずみを比較すると、穿孔中の様子（f5.14mm ゲージ）

図 11

図 10

穿孔後（f5.14mm ゲージ NO.1、NO.2）

累積解放ひずみ（f2.57mm ゲージ NO.1）
—

22—

図 12

累積解放ひずみ（f2.57mm ゲージ NO.2）

図 13主応力分布（f2.57mm ゲージ NO.1）

図 14主応力分布（f2.57mm ゲージ NO.2）—

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図 15 累積解放ひずみ（f5.14mm ゲージ NO.1）

図 16 累積解放ひずみ（f5.14mm ゲージ NO.2）

図 17 主応力分布（f5.14mm ゲージ NO.1）—

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図 18 主応力分布（f5.14mm ゲージ NO.2）

両者のパターンが若干異なっている。これは、測が捉えられているが、測定分解能の影響で、深さ定場所の違いによるものである。図 13 と図 140.15mm 付近での圧縮応力のピークは捉えることの主応力分布の解析結果を比較すると、両者ともができていない。しかし、深さ約 0.4mm で残留深さ約 0.1mm までは複雑な変化をしている。ロ応力がゼロになることは捉えられている。

ゼットひずみゲージを接着するために前処理とし7. おわりにて表面をサンドペーパーで研磨しているが、これによる残留応力が元々存在しているブラスト処理

H 型鋼にブラスト処理を施した試験体についによる残留応力に重畳しているためである。深さて、穿孔法により深さ方向に不均一な残留応力分0.1mm 以降は、両者とも圧縮応力から引張応力にを測定した。ASTM E837-13a 規格で Type A と呼移行していく様子が捉えられている。深さ 0.15mm

ばれる 3 種類のサイズのロゼットひずみゲージので圧縮応力のピークが存在しており、深さ 0.4mm

内、2 種類のゲージを用いて、測定分解能の影響程度で残留応力はゼロになることがわかる。

も比較した。

（2）中形ロゼットひずみゲージ（f5.14mm）のブラスト処理により、表層部に大きな圧縮の残場合留応力が付与され、疲労強度の面からは有益であ

図 15 と図 16 の累積解放ひずみを比較すると、ることが明らかとなった。この圧縮残留応力の大両者のパターンが若干異なっている。これは、測きさや分布を精度良く測定したい場合は、小形ロ定場所の違いによるものである。図 17 と図 18ゼットひずみゲージを適用することを推奨する。の主応力分布の解析結果を比較すると、両者ともブラスト処理されていない一般的な測定対象物に

深 さ 約 0.1mm ま で は 前 述 の よ う に サ ン ド ペ ー

ついては、中形または大形ロゼットひずみゲージ

パーによる研磨の影響を受けているが、f2.57mmを適用して深層部（最大 2mm）まで残留応力分ゲージに比べると測定分解能が 1/2 になっている布を測定することが望ましい。ただし、大形ロゼッ

ため、測定値が平均化され、なだらかな応力変化

トひずみゲージの場合は、約 f4mm の穴を穿孔すとして捉えられている。深さ 0.1mm 以降は、両る必要があり、測定対象物が比較的大きいものに者とも圧縮応力から引張応力に移行していく様子限定されることに注意する必要がある。

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参考文献（1） ASTM E837-13a, Standard Test Method for
Determining Residual Stresses by the HoleDrilling Strain-Gauge Method, 2013（2） 三上隆男、松田昌悟：穿孔法による残留応力測定について（その 2 ）、IIC REVIEW、No.49、2013/04、pp.39-45（3） 三上隆男、松田昌悟、夏井一樹：穿孔法による残留応力測定技術の検証試験（深さ方向に不 均 一 な 応 力 分 布 の 場 合 ）、IIC REVIEW、No.54、2015/10、pp.35-45（4） P V Grant, J D Lord, P S Whitehead：The
Measurement of Residual Stresses by theI n c r e m e n t a l H o l e D r i l l i n g Te c h n i q u e ,Measurement Good Practice Guide No.53,
National Physical Laboratory, 2002

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

計測事業部
計測技術部
福浦グループ

鈴木 優平

三上 隆男

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

TEL. 03-6404-6583
FAX. 03-6404-6044
計測事業部
材料試験部

夏井 一樹
TEL. 045-791-3519
FAX. 045-791-3542—26—