残留応力の測り方——X線・穿孔法の選び方と、外に頼むときに決める位置と深さ

残留応力を測る前に、何を決めたいのかを書く

残留応力は、外から力がかかっていないのに部品の中に残っている応力である。日本材料学会誌の田中啓介氏の総説は、残留応力は部材の破壊や疲労強度に大きな影響を持つだけでなく、寸法や形の安定性も左右し、予期しない変形や破壊が起きたときにその原因が残留応力に行き着くことが多いと書いている。そして、実際の部材の残留応力を予測するのは難しいことが多く、実験で測って実態をつかむことが欠かせない、としている^[1]。

群馬県立産業技術センターの荻野直彦氏らの報告は、一般に引張の残留応力は悪い影響を与え、圧縮の残留応力は疲労強度の向上に良い影響を与えることが多いと整理している^[5]。この向きの違いが、測る目的を分ける。よくある目的は次のとおりである。

• 熱処理や加工のあとで変形した、割れた部品の原因を確かめたい（引張の応力が残っていないか）
• ショットピーニングなどで入れた圧縮の応力が、狙いどおり入っているかを確かめたい
• 応力除去焼なましの前後で、応力がどれだけ下がったかを比べたい
• 工程や仕入先を変えたあとで、残留応力が変わっていないかを確かめたい

どの目的でも、知りたいのは「ある位置の、ある方向の、ある深さの」応力である。これが決まると、測り方が決まる。応力除去の熱処理の指定は応力除去焼なまし・溶接後熱処理の指定、圧縮の応力を入れる処理はショットピーニングと疲労強度で扱っている。

測り方は、深さで選ぶ

前出の群馬県の報告は、残留応力を測る方法を、試料をどれだけ壊すかで三つに分けている。部品を壊さない非破壊法には X 線回折法、中性子回折法、超音波法などがあるが、いずれも表面の近くの測定に使われ、深さ方向を測るには電解研磨などで一部を削る必要がある。部分破壊法と完全破壊法は、部材を切ったり穴をあけたりして解放されるひずみを測り、応力に換算する^[5]。

X 線の深さは資料によって書き方が違う。ばねのショットピーニングの規格 JIS B 2711 は、残留応力の測定で X 線の回折にかかわる原子面は、通常の条件では表面から 5 μm 程度の深さの範囲にあるにすぎない、と注記している^[6]。群馬県の報告は、通常の X 線では測定の深さは鋼で数十 μm 程度、センターの装置では最大で十数 μm の厚さ方向の平均しか測れない、と書いている^[5]。どちらにしても、表面からごく浅い範囲である。穿孔法については、同じ報告が 2〜4 mm の深さまで測定可能とされているとし、実際には穴の径で測れる深さが決まることを示している（後述）^[5]。研磨した面積が広いと応力の分布が変わることも、同じ報告が書いている^[5]。X 線で測った値は、表面のごく薄い層の値である。研削や切削で表面だけ応力が変わっている部品では、表面の値と内部の値がまったく違うことがある。

X 線による測定——標準の方法と、新しい方法

前出の田中氏の総説によれば、X 線応力測定は多結晶材料の残留応力の非破壊測定法として最も広く使われ、現場の技術として定着しており、日本材料学会から「X 線応力測定法標準」も制定されている^[1]。基本になる手法は sin²ψ 法で、X 線の侵入深さが浅いことから平面応力の状態を仮定し、X 線を当てる角度を変えて回折角を測り、その変化の傾きから応力を決める^[1]。応力のない状態の回折角を精密に知らなくても、角度の変化量から応力を決められるので、精度と再現性が保たれる^[1]。

近年は、イメージングプレートなどの 2 次元の検出器を使い、X 線を 1 回当てて得た回折環の全周から応力を求める cosα 法も使われている。この方法は日本で提案され、日本材料学会の活動を中心に発展したもので、これを採用した持ち運べる装置では測定時間が約 1 分に短くなったとされる^[1]。総説のその 2 は、cosα 法の精度が多くの金属で sin²ψ 法と同等であることが確かめられていると書いている^[2]。また、光学系が簡単で装置を小さく軽くでき、狭い所の測定に向くことを特徴に挙げている^[2]。

どちらの方法で測ったかは、報告書に必ず書いてもらう。前の測定と比べるときは、同じ方法・同じ条件で測ったものどうしで比べるのが原則である。

材料ごとの「応力定数」で値が変わる

X 線で測った回折角の変化を応力に換算するには、材料ごとの定数（応力定数）が要る。田中氏の総説は、この定数に含まれる弾性定数は機械的なひずみの場合とは異なる X 線的弾性定数であり、測定法標準の値か、計算値を使うことが推奨されるとしている^[1]。新潟県工業技術総合研究所の技術資料は、定数が分からない材料について、試験片に四点曲げで既知の応力をかけながら X 線で測り、応力定数を実験で求めた結果を示している^[4]。

同じ資料は、応力定数は結晶粒の大きさや配向性によって変わることが知られているので、より正確に評価したい場合は実測も有効だとしている^[4]。応力は、測った傾きにこの定数を掛けて求めるので、定数が 1 割違えば応力も 1 割違う。耐熱合金やチタン合金のように、一般的な鋼と違う材料を測るときは、どの定数を使ったかを確かめる。

X 線で測りにくい部品——曲面、粗い結晶粒、溶接部

X 線の測定は手軽に見えるが、部品の形と組織によっては値が実際とずれる。

丸棒や軸のような曲面では、照射する範囲の大きさが効く。大阪府立産業技術総合研究所の小栗泰造氏らの論文は、直径の違う丸棒のブラスト面を cosα 法と sin²ψ 法で測り、X 線の照射の大きさと棒の直径の比が大きくなるほど、測った応力の大きさが実際より小さく出ることを示した。この傾向は円周方向の応力で特に目立ち、照射の大きさが直径の 1/3 より小さければ曲面による誤差は無視できた。この関係について、二つの方法の差は小さかった^[3]。ただし、これはブラストした丸棒を対象にした 1 つの研究の結果である。田中氏の総説は、照射領域が曲率半径の 1/6 以下であれば測定値への影響は小さい、という目安も紹介している^[2]。細い軸やピンを測るときは、照射の大きさと直径を報告書で確かめる。

結晶粒が粗い材料では、回折環が連続した輪にならず斑点状になって、正確な応力の決定を妨げることがある。田中氏の総説その 2 は、焼なましたままの炭素鋼では回折環の強度のむらが大きく測定精度が低かったが、微粒子ピーニングを施した面では連続した輪になり精度が高かった例を示し、ビームや試料を揺動させる方法などの対策を紹介している^[2]。

溶接部は、残留応力を測りたいという要望が大きい一方で、粗い結晶粒や強い集合組織を持つことが多く、連続した回折環を得にくくて測定が難しい場合も多い。これは sin²ψ 法でも共通の課題だとされている^[2]。同じ総説は、グラインダー仕上げをした面では連続した輪になること、ショットピーニングや熱処理をした場合も連続した輪になって高い精度で測れることも書いている^[2]。ただし、グラインダーで仕上げると表面の応力そのものが変わるので、何を測りたいのかと突き合わせて判断する。溶接の割れの原因を調べている場合は溶接割れの原因も参照してほしい。

装置の調整も結果に効く。応力のない粉末を測って装置を確かめる目安は、出典によって違う。JIS B 2711 は、ショットピーニング後のばねを測る装置の検査として、無ひずみの鉄または銀の粉末で ±25 MPa 以下であることを確認するとしている^[6]。田中氏の総説は、装置の最終的な確認として標準粉末の応力を測り、信頼限界が ±10 MPa 以内となることを確かめることが肝要だとしている^[2]。依頼先に、標準試料での確認をどう行っているかを聞いておくと安心である。

深い所を測る——穿孔法の使いどころと限界

穿孔法は、残留応力のある部品に小さな穴をあけ、穴のまわりに貼ったひずみゲージで、穴をあけたことで解放されたひずみを測って応力を求める方法である。測定の手順は ASTM E837 に規定されている^[5]。

群馬県の報告は、SS400 の板（幅 32.1 mm、厚さ 4.3 mm）に四点曲げで既知の応力分布をかけ、直径 2 mm の穴で深さ方向の応力を測って、予測値と比べた。表面に 120 MPa と 300 MPa をかけたどちらの場合も、深さ 1 mm 程度までは予測値によく合ったが、1 mm を超えると予測値から大きく離れた。報告は、ASTM の規格が最大深さを穴の径の 0.4 倍と定めているので、2 mm の穴では 1 mm 以上で感度が下がったと考えている^[5]。

同じ報告は、穿孔法は部分的な破壊を伴うので、穴をあけたあとの断面積の減少の影響が大きい薄い物や、応力が大きすぎる物では注意が要ると書いている^[5]。また、電解研磨で表面を削りながら X 線で測る方法については、精度を上げるために研磨する面積を広くとる必要があり、それが応力の分布に影響して精度が下がる要因になるとし、表面の影響を取り除く目的での利用に適しているとまとめている^[5]。深く測りたいほど、穴の大きさ、部品の厚さ、測る方法の組み合わせを、依頼先と事前に詰める必要がある。

外に頼むときに渡すもの・受け取るもの

残留応力の測定は、公設の試験研究機関や、X 線応力測定装置を持つ分析会社・熱処理会社などで受けている。頼むときは、次の表の項目を揃えておくと、測り方の提案と見積が早く出る。

表面の処理をした部品は、受け取ってから測るまでの扱いにも気を付ける。測る面をやすりで磨いたり、強くこすったりすると、表面の応力が変わってしまう。測る面は触らず、錆止めの油を塗る場合はその旨を伝える。

どの方法で、どこを測ればよいか決めかねるときは → 残留応力について相談する

壊れた部品の解析全体の進め方は故障解析を外部に依頼するとき、疲労強度そのものを試験で確かめる場合は疲労試験の依頼で決めることで扱っている。

よくある質問

X 線で圧縮の応力が出ました。部品の中も圧縮と考えてよいですか

そうとは限らない。X 線で分かるのは表面のごく浅い範囲の値で、通常の条件で 5 μm 程度とする規格の注記もある^[6]。表面に圧縮の応力があると、内部ではそれとつり合う引張の応力が残っていることがある。内部が問題になる部品では、穿孔法や削りながらの測定を組み合わせる。削りながら測る場合は、依頼先の装置で深さ方向の分布まで測れるかを確かめる。研磨する面積が広いと分布そのものが変わり、深さ方向の分布の測定には向かなかった報告もある^[5]。

細いピンの残留応力を測りたいのですが、測れますか

ブラストした丸棒の研究では、照射する範囲を直径の 1/3 より小さくできれば曲面による誤差は無視できたという報告がある^[3]。一方、総説はより小さい目安（照射領域が曲率半径の 1/6 以下）も紹介している^[2]。依頼先に、照射の大きさをどこまで絞れるかを確かめる。絞れない場合は、値が実際より小さく出る可能性を前提に、比較の目的に限って使う。

同じ部品を 2 か所で測ってもらったら、値が違いました

測定方法、使った応力定数、照射の大きさ、測った方向と位置のどれかが違う可能性がある。応力定数は材料の組織で変わり^[4]、装置の調整の確認も結果に効く^[2]。報告書の条件を突き合わせ、同じ条件で測ったものどうしで比べる。

まとめ

残留応力の測り方は、知りたい深さで決まる。X 線は部品を壊さずに表面の薄い層を測り、穿孔法はもう少し深い所まで、切断はさらに内部まで測れる。X 線の値は、材料ごとの応力定数、曲面での照射の大きさ、結晶粒の粗さで変わるので、方法と条件を報告書に残してもらう。外に頼むときは、測る位置・方向・深さと比べる相手を先に決めて伝え、同じ条件で測ったものどうしで比べる。

関連する記事として、ショットブラストの指定、非破壊検査の指定も参照してほしい。

出典・参考資料

1. 2次元検出器を用いたcosα法によるX線応力測定 その１ 測定の基礎（田中啓介／材料 66 巻 7 号・日本材料学会／2017 年）
2. 2次元検出器を用いたcosα法によるX線応力測定 その２ 測定の実際と応用（田中啓介／材料 66 巻 7 号・日本材料学会／2017 年）
3. cosα法による円筒面のX線応力測定（小栗泰造ほか／材料 66 巻 7 号・日本材料学会／2017 年）
4. X線応力測定における応力定数の測定（新潟県工業技術総合研究所 技術トピックス／2017 年 2 月）
5. 深さ方向の残留応力分布の測定（荻野直彦・矢澤歩／群馬県立産業技術センター研究報告（2016））
6. JIS B 2711:2013 ばねのショットピーニング（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／附属書 JB）

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