JP6529853B2

JP6529853B2 - 残留応力評価方法

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Publication number: JP6529853B2
Application number: JP2015154939A
Authority: JP
Inventors: 利英福井; 弘行高枩
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2015-08-05
Filing date: 2015-08-05
Publication date: 2019-06-12
Anticipated expiration: 2035-08-05
Also published as: JP2017032478A

Description

本発明は、金属材料などで形成された凸状形状を有する被検体試料の表層に存在する残留応力を、当該被検体試料の表層を伝搬する超音波の音速値（伝搬時間）に基づいて評価する残留応力評価方法に関する。

機械部品や構造体の非破壊での残留応力の測定は、これら部品や構造体の劣化診断等において極めて重要である。従来から、非破壊での残留応力の測定（評価）には、主にＸ線回折法が用いられているが、Ｘ線回折法では、測定対象である被検体試体の表層のうち極めて浅い領域（〜数μｍ）しか評価できないといった制約がある。
そこで、これら制約や懸念を解消可能な超音波を用いた残留応力評価手段（音弾性法）として、特許文献１，２に開示される超音波式応力測定装置及び超音波式応力測定方法が提案されている。

特許文献１に開示の超音波式応力測定装置は、応力測定対象材料の内部を、縦波超音波と、振動方向が互いに直交する２つの横波超音波とが伝播した際に得られる超音波データを用いて、前記応力測定対象材料の残留応力の解析を行う超音波式応力測定装置であって、前記縦波超音波を送受信する縦波探触子Ｐ０を中心に配設し、この縦波探触子Ｐ０の水平方向両側に振動方向が水平方向である横波超音波を送受信する第１及び第２の水平方向横波探触子Ｐ１，Ｐ２を配設すると共に、この縦波探触子Ｐ０の垂直方向両側に振動方向が垂直方向である横波超音波を送受信する第１及び第２の垂直方向横波探触子Ｐ３，Ｐ４を配設して成る探触子組立体と、前記探触子組立体の各探触子に対する超音波の送受信制御を行う超音波送受信制御部と、前記超音波送受信制御部から前記各探触子の超音波データを入力し、各超音波の音速度データを求めて前記応力測定対象材料の残留応力の解析を行う測定データ解析部と、を備えていることを特徴とする。

また、特許文献２に開示の超音波式応力測定装置は、応力測定対象材料の表面上に配置可能な縦波超音波探触子及び横波超音波探触子と、前記両探触子を前記材料の表面に沿って移動又は回転させることが可能な探触子駆動機構と、前記両探触子のうちの一方の探触子に前記材料の測定対象部位に対する超音波の発信・受信動作を行わせた後、前記探触子駆動機構に対する前記移動の制御により一方の探触子と他方の探触子との配置を切り換え、他方の探触子に同一測定対象部位に対する超音波の発信・受信動作を行わせるようにし、前記横波超音波探触子については１８０°／Ｎ（Ｎ：２以上の整数）の回転角度毎のＮ回の回転を行わせ、各回転位置において発信・受信動作を行わせる探触子制御手段と、前記両探触子の発信・受信動作により得られる弾性表面波の音速度データから表面組織音響異方性の定数を求め、この求めた定数に基づき応力測定対象材料の残留応力を演算する測定データ解析手段と、を備えていることを特徴とする。

特開２０１０−２３６８９２号公報特開２００８−７６３８７号公報

特許文献１，２に開示の技術は、被検体試料（測定材料）を伝搬する伝搬超音波の音速が残留応力に応じて変化するという音弾性効果に基づいており、上述のＸ線による被曝の
問題は回避できる。しかし、一般に金属材料における音速の応力依存性（音弾性係数）は小さいため、残留応力の評価の精度を高めるには、被検体試料を伝搬する伝搬超音波の音速を高精度に且つ安定して測定しなくてはならないという課題がある。

そこで、特許文献１，２は、いずれも縦波超音波及び横波超音波を用いてこれら伝搬超音波の音速を測定し、測定された音速の値に基づいて被検体試料中の残留応力を評価することを目的としている。この特許文献１，２は、縦波と横波を併用することで、伝搬超音波の伝搬距離の不確定さに起因する誤差要因を低減して音速（残留応力）の測定精度を高めようと試みている。

しかしながら、特許文献１，２は、平板の被検体試料中の深さ方向の残留応力を評価する技術であるので、曲面形状を有する被検体試料の表層に存在する残留応力を評価することはできない。
理由としては、本願発明者らが、鋭意研究を重ねた結果、曲面形状、特に凸状（曲面の半径が小さい）形状を有する被検体試料の表層に存在する残留応力を評価する際に関しては、その表層を伝搬する伝搬超音波の伝搬時間に測定誤差が生じてしまうという課題が存在することを知見したからである。

詳しくは、曲面形状を有する被検体試料の表層を伝搬する伝搬超音波が表面ＳＨ波の場合、曲面形状に沿って表層を伝搬する成分の他に、その被検体試料の曲面形状に沿わずに、内部を直線的に伝搬する成分（表面ＳＨ波のショートカット成分）がある（図２の下側の破線を参照）。これら異なった二つの経路を伝搬した表面ＳＨ波が重なることにより、伝搬信号に測定誤差が含まれることとなる。

図５に示すように、凸形状とされた測定試料の表層を伝搬する表面ＳＨ波の伝搬時間（同図中のグレー色）には、ショートカット成分が含まれる（短絡成分が重畳されている）ので、平板の表層を伝搬する表面ＳＨ波の伝搬時間（同図中の黒色）と比べてみてもわかるように、ショートカット成分の影響が大きく受けた波形となっていることが確認できる。すなわち、凸形状の測定試料における表面ＳＨ波の伝搬時間に測定誤差が生じていることがわかる。

上述の測定誤差により、表面ＳＨ波の伝搬時間が不確定なものとなるので、凸状形状を有する被検体試料の表層に存在する残留応力を高い精度で評価することが困難となる。
従って、曲面形状を有する被検体試料の表層に存在する残留応力を評価する際には、特許文献１，２を採用することはできない。
そこで本発明は、上記問題点に鑑み、曲面形状を有する被検体試料において、伝搬超音波のショートカット成分が含まれることで生じる伝搬時間の測定誤差を補正し、補正された伝搬超音波の伝搬時間に基づいて、被検体試料の表層に存在する残留応力を高い精度で評価することができる残留応力評価方法を提供する。

上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明の残留応力評価方法は、凸形状とされた被検体試料の表層に存在する残留応力を、前記被検体試料の表層を伝搬する超音波の伝搬時間に基づいて評価する残留応力評価方法であって、前記被検体試料の表層に超音波を励振する送出ステップと、前記被検体試料の表層を伝搬した超音波を受信する受信ステップと、前記受信ステップで受信された前記超音波の伝搬時間を算出する伝搬時間算出ステップと、前記伝搬時間算出ステップで算出された前記超音波の伝搬時間を補正する補正量を算出し、算出された補正量で前記超音波の伝搬時間を補正する補正ステップと、前記補正ステップで補正された前記超音波の補正伝搬時間に基づいて、前記被検体試料の表層に存在する残留応力を評価する評価ステップと、を有し、前記超音波は、表面ＳＨ波とレーリ波とであり、前記補正ステップは、前記伝搬時間算出ステップで算出された前記表面ＳＨ波の伝搬時間を補正する補正量を算出し、算出された補正量で前記表面ＳＨ波の伝搬時間を補正するものとされ、前記評価ステップは、前記補正ステップで補正された前記表面ＳＨ波の補正伝搬時間と、前記レーリ波との伝搬時間とに基づいて、前記被検体試料の表層に存在する残留応力を評価するものとされていることを特徴とする。

好ましくは、予め、前記被検体試料と同じ材質を有し且つ平板とされた平板テストピースと、前記被検体試料と同じ材質を有し且つ異なる半径の凸形状とされた複数の凸状テストピースとを用意しておき、前記補正ステップにおいては、前記表面ＳＨ波及びレーリ波の伝搬距離を一定とした上で、前記平板テストピースにおける表面ＳＨ波の伝搬時間を算出して基準伝搬時間とし、前記複数の凸状テストピースにおける表面ＳＨ波の伝搬時間を算出して各半径ごとの凸状伝搬時間としておき、前記被検体試料における凸形状の半径に対応する凸状伝搬時間と、前記基準伝搬時間との差として前記補正量を算出するとよい。

好ましくは、予め、前記被検体試料と同じ材質を有し且つ平板とされた平板テストピースと、前記被検体試料と同じ材質を有し且つ異なる半径の凸形状とされた複数の凸状テストピースとを用意しておき、前記補正ステップにおいては、前記表面ＳＨ波及びレーリ波の伝搬距離を複数のものとした上で、各伝搬距離ごとに、前記平板テストピースにおける表面ＳＨ波の伝搬時間を算出して基準伝搬時間とし、前記複数の凸状テストピースにおける表面ＳＨ波の伝搬時間を算出して各半径ごとの凸状伝搬時間としておき、前記被検体試料におけるレーリ波の伝搬時間を基に、実際の伝搬距離を算出し、算出した実際の伝搬距離に対応する凸状伝搬時間と前記被検体試料における表面ＳＨ波の伝搬時間とから、前記被検体試料の凸形状の半径を推定し、前記被検体試料における表面ＳＨ波の凸状伝搬時間と、推定された前記凸形状の半径に対応する前記基準伝搬時間との差として前記補正量を算出するとよい。

本発明によれば、曲面形状を有する被検体試料において、伝搬超音波のショートカット成分が含まれることで生じる伝搬時間の測定誤差を補正し、補正された伝搬超音波の伝搬時間に基づいて、被検体試料の表層に存在する残留応力を高い精度で評価することができる。

本発明の実施形態による残留応力評価装置の概略構成を示す図である。本実施形態による残留応力評価装置の送信探触子及び受信探触子の概略構成を拡大して示す図である。第１実施形態における、平板テストピース及び凸状テストピースの表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓを測定方法の概略を示した図である。第１実施形態における、平板テストピース及び凸状テストピースの表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓの測定結果をまとめたグラフであり、且つ凸形状の被検体試料における表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓを補正する補正量ΔＴ_Ｓを算出する方法を示した図である。第２実施形態における、平板テストピース及び凸状テストピースの表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓを測定方法の概略を示した図である。第２実施形態における、平板テストピース及び凸状テストピースの表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓの測定結果をまとめたグラフであり、且つ凸形状の被検体試料における表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓを補正する補正量ΔＴ_Ｓを算出する方法を示した図である。平板の表層を伝搬する表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓと、凸形状とされた被検体試料の表層を伝搬する表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓとを比較して示した図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。
まず、図１及び図２を参照しつつ、本発明の実施形態に用いられる残留応力評価装置１の基本的な構成について、説明する。
なお、本発明は、例えば鋼材など金属材料であって、凸形状（曲面形状）に形成された被検体試料（測定試料）Ｗや、複数の部材で構成された機械部品や構造体などに形成されている凸形状の部位（被検体試料Ｗ）を評価対象とする。

残留応力評価装置１は、凸形状の測定試料Ｗ（以降、凸状測定試料と呼ぶ。）以降の表層に超音波を伝搬させて当該伝搬した超音波の伝搬時間を測定し、この超音波の伝搬時間に基づいて、凸状測定試料Ｗの表層に存在する残留応力を評価（測定）装置である。
ここで、表層とは、凸状測定試料Ｗの表面下（表面皮下）所定の深さ範囲の領域であり、例えば深さ数ｍｍより浅い範囲の領域である。

図１に示すように、残留応力評価装置１は、送信探触子２と、受信探触子３と、パルス発生器４と、波形採取装置７とを備える。
図２に示すように、送信探触子２は、例えば平板状の圧電素子２０が超音波伝搬媒体２１の内部に装備された超音波プローブであり、凸状測定試料Ｗの表面上に配置される。送信探触子２は、パルス発生器４から圧電素子２０に所定電圧のパルス電圧が加えられると、所定周波数の超音波を出力し、その超音波を凸状測定試料Ｗの表面へ送出する。

送信探触子２は、超音波として、横波の水平成分であるＳＨ波を出力すると共に、ＳＨ波の振動方向に対して垂直方向に振動する横波の垂直成分であるＳＶ波を出力する。出力されたＳＨ波及びＳＶ波は、凸状測定試料Ｗの表層に振動形態の異なる複数種類の超音波、すなわち表面ＳＨ波及びレーリ波を励振する。
一方、受信探触子３は、例えば平板状の圧電素子３０が超音波伝搬媒体３１の内部に装備された超音波プローブであり、凸状測定試料Ｗの表面上で送信探触子２と異なる位置に配置される。受信探触子３は、圧電素子３０に入射した表面ＳＨ波及びレーリ波（伝搬超音波）を、振動形態の異なる複数種類の伝搬超音波として受信し、受信によって発生した電圧をレーリ波及び表面ＳＨ波の検出信号（伝搬信号）として外部に出力する。

波形採取装置７は、増幅器５，６から出力された表面ＳＨ波及びレーリ波の検出信号を受信して当該検出信号の波形を採取するものであり、トリガ信号の受信からレーリ波の検出信号の受信までの時間を計測してレーリ波の伝搬時間Ｔ_Ｒを算出すると共に、トリガ信号の受信から表面ＳＨ波の検出信号の受信までの時間を計測して表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓを算出する。

さて、表面ＳＨ波及びレーリ波の伝搬距離Ｌ’は、送信探触子２と受信探触子３の距離Ｌに送信探触子２内の伝搬距離と受信探触子３内の伝搬距離を加えたものであり、表面ＳＨ波及びレーリ波の伝搬経路でもある。
上述した残留応力評価装置１を用いた残留応力評価方法について、図を基に説明する。
まず、平板（鋼材）の表層に存在する残留応力を評価するための基本的な考え方を説明し、その後に、本実施形態における、凸状測定試料Ｗの表層に存在する残留応力の評価の方法を説明する。

平板の表層に存在する残留応力σは、下の式（１）に例示するような、表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓ、レーリ波の伝搬時間Ｔ_Ｒの関数を用いて表現することができる。

平板の表層に存在する残留応力σを評価するにあたっては、波形採取装置７から表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓ及びレーリ波の伝搬時間Ｔ_Ｒを取得し、上述の式（１）などを用いて、平板の表層に存在する残留応力σを評価（測定）する。
ところが、凸状測定試料Ｗの表層に存在する残留応力σ’を、上の式（１）を用いて評価すると、残留応力σ’の存在を正確に評価することはできない。

図２に示すように、凸状測定試料Ｗの表層を伝搬する表面ＳＨ波には、凸状形状に沿って伝搬する表面ＳＨ波（同図中の上側破線）の他に、その凸状形状に沿わずに、凸状測定試料Ｗの内部を直線的に伝搬する表面ＳＨ波のショートカット成分（同図中の下側破線）がある。伝搬時間Ｔ_Ｓには、表面ＳＨ波のショートカット成分が含まれており、測定誤差が生じることになる。つまり、算出された伝搬時間Ｔ_Ｓ（実測値）は、不確定なものとなってしまう。

そこで、本発明においては、測定誤差となる表面ＳＨ波のショートカット成分が含まれた伝搬時間Ｔ_Ｓを補正し、補正された表面ＳＨ波の補正伝搬時間Ｔ’_Ｓとレーリ波の伝搬時間Ｔ_Ｒに基づいて、凸状測定試料Ｗの表層に存在する残留応力σ’を評価することとしている。
なお、レーリ波については、測定対象となる試料が凸状（曲面）形状であっても、その凸状の表層を伝搬するレーリ波の伝搬時間Ｔ_Ｒの変化がほとんどない。
［第１実施形態］
本発明における残留応力評価方法の第１実施形態について説明する。

本実施形態における残留応力評価方法は、送出ステップと、受信ステップと、伝搬時間算出ステップと、補正ステップと、評価ステップと、を有している。
上述の残留応力評価方法を各ステップに基づいて、詳細に説明する。
送出ステップでは、送信探触子２からＳＨ波及びＳＶ波を凸状測定試料Ｗの表面に対して送出する。凸状測定試料Ｗの表面へ送出されたＳＨ波は、図２中破線で示す表面ＳＨ波を励振し、ＳＶ波は図２中実線で示すレーリ波を励振する。

受信ステップにおいては、凸状測定試料Ｗの表層を伝搬した表面ＳＨ波及びレーリ波を、受信探触子３で受信する。このとき、受信によって発生した電圧を、レーリ波及び表面ＳＨ波の検出信号として出力する。出力された検出信号は増幅器５，６で増幅され、増幅された検出信号は波形採取装置７へ出力される。
伝搬時間算出ステップでは、波形採取装置７において、表面ＳＨ波及びレーリ波の検出信号の波形が採取すると共に、パルス発生器４から出力されたトリガ信号を受信する。そして、トリガ信号の受信から表面ＳＨ波の検出信号の受信までの時間を計測して表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓを算出すると共に、トリガ信号の受信からレーリ波の検出信号の受信までの時間を計測してレーリ波の伝搬時間Ｔ_Ｒを算出する。

補正ステップでは、表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓ（実測値）を補正する補正量ΔＴ_Ｓを、予め算出しておいた表面ＳＨ波の基準伝搬時間Ｔ_Ｓ０と、伝搬時間算出ステップで算出された表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓとから算出し、算出された補正量ΔＴ_Ｓで表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓを補正して、表面ＳＨ波の補正伝搬時間Ｔ’_Ｓとする。
評価ステップでは、評価装置８において、補正ステップで算出された補正表面ＳＨ波の補正伝搬時間Ｔ’_Ｓと、伝搬時間算出ステップで算出されたレーリ波との伝搬時間Ｔ_Ｒとに基づいて、下の式（２）などを用いて、凸状測定試料Ｗの表層に存在する残留応力σ’を評価する。

続いて、本実施形態の特徴である、表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓを補正する補正ステップについて、詳細に説明する。
予め、凸状測定試料Ｗと同じ材質を有し、且つ平板とされた平板テストピースＴａと、凸状測定試料Ｗと同じ材質を有し、且つ異なる半径ｒの凸状形状とされた複数（個数は任意）の凸状テストピースＴｂを用意しておく。

図３Ａに示すように、まず、平板テストピースＴａにおける表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓ０とレーリ波の伝搬時間Ｔ_Ｒ０を算出する。ここで、平板テストピースＴａにおける表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓ０を、補正ステップで用いる表面ＳＨ波の基準伝搬時間とする。
次いで、凸状テストピースＴｂにおける表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_ＳＸと、レーリ波の伝搬時間Ｔ_ＲＸ（Ｘ：任意数）を、各半径ｒごと（ｒ_１〜ｒ_Ｘ）に算出する。

例えば、凸状形状の半径がｒ_１の凸状テストピースＴｂの場合、表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓ１と、レーリ波の伝搬時間Ｔ_Ｒ１が算出される。
図３Ｂに示すように、凸状形状の半径ｒごとに対応する、表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_ＳＸをグラフなどにまとめておく。具体的には、横軸を凸状形状の半径ｒ、縦軸を表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_ＳＸとして、表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_ＳＸの算出結果、すなわち各テストピースにおける表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓ０〜Ｔ_Ｓ３をプロットする。伝搬時間Ｔ_Ｓ０〜Ｔ_Ｓ３がプロットされたグラフは、後ほど補正ステップにて、補正量ΔＴ_Ｓを算出する際に用いられる補正グラフとして保存しておく。

なお、各テストピースにおける表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓ０〜Ｔ_Ｓ３をまとめたものを、補正テーブルとして保存していてもよい。すなわち、各テストピースにおける表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓ０〜Ｔ_Ｓ３を補正データとして保存しておく。
補正ステップでは、図３Ｂに示す各テストピースにおける表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓ０〜Ｔ_Ｓ３などが保存されている補正グラフ（補正データ）を用意し、この補正グラフに基づいて、凸状測定試料Ｗにおける表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓの補正量ΔＴ_Ｓを算出する。

例えば、実際の計測（被検体試料Ｗの計測）において、凸状形状の半径がｒ_２であって、凸状測定試料Ｗにおける表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓ２と算出された場合、図３Ｂの補正グラフを参照すると、プロット点Ｃに該当することがわかる。このプロット点Ｃと表面ＳＨ波の基準伝搬時間Ｔ_Ｓ０を示すプロット点Ａとから、凸状測定試料Ｗにおける表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓには、表面ＳＨ波のショートカット成分による測定誤差が存在していることがわかる。

そこで、プロット点Ａとプロット点Ｃとの差をとって、この差を凸状測定試料Ｗにおける表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓの補正量ΔＴ_Ｓとして、算出する。
算出された補正量ΔＴ_Ｓを、下の式（３）のように、実測した凸状測定試料Ｗにおける
表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓに加えて、補正伝搬時間Ｔ’_Ｓを算出する。

以上述べたように、事前に、各テストピースにおける表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_ＳＸと算出して、その伝搬時間Ｔ_ＳＸをまとめて補正データとして用意しておくことで、評価対象となる凸状測定試料Ｗの表層を伝搬する表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓを補正する補正量ΔＴ_Ｓを、容易且つ高精度に算出することが可能となる。
［第２実施形態］
本発明における残留応力評価方法の第２実施形態について説明する。

本実施形態における残留応力評価方法は、補正ステップに特徴があり、この補正ステップのみに着目して詳細に説明する。なお、本実施形態における送出ステップ、受信ステップ、伝搬時間算出ステップ、評価ステップに関しては、第１実施形態で述べた手順と同じであるので、説明を省略する。
ところで、本実施形態においては、評価対象が第１実施形態と異なり、例えば構造体などに機械部品が接合されている接合部（溶接箇所）など、凸状形状の半径ｒが正確にわからない凸状測定試料Ｗを、残留応力σ’の評価対象としている。

それ故、本実施形態では、表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓを補正する補正量ΔＴ_Ｓを算出する補正ステップが、第１実施形態の手順と異なる。
予め、凸状測定試料Ｗと同じ材質を有し、且つ平板とされた平板テストピースＴａと、凸状測定試料Ｗと同じ材質を有し、且つ異なる半径ｒの凸状形状とされた複数（個数は任意）の凸状テストピースＴｂを用意しておく。

なお、本実施形態においては、図４Ａに示すように、それぞれのテストピースにおいて、表面ＳＨ波及びレーリ波の伝搬距離Ｌ’が異なるように、送信探触子２と受信探触子３の配置をする。例えば、伝搬距離Ｌ’を５０ｍｍ、１００ｍｍ、２００ｍｍの３種類に設定して、各伝搬距離Ｌ’ごとに、それぞれのテストピースにおける表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_ＳＸとレーリ波の伝搬時間Ｔ_ＲＸを算出する。

具体的には、平板テストピースＴａを用意して、伝搬距離Ｌ’を５０ｍｍと設定する。そして、伝搬距離Ｌ’＝５０ｍｍにおける平板テストピースＴａの表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓ０（５０）とレーリ波の伝搬時間Ｔ_Ｒ０（５０）を算出する。ここで、算出された平板テストピースＴａの表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓ０（５０）を、伝搬距離Ｌ’＝５０ｍｍにおける表面ＳＨ波の基準伝搬時間とする。

続いて、凸状形状の半径がｒ_１の凸状テストピースＴｂを用意して、伝搬距離Ｌ’を５０ｍｍと設定する。伝搬距離Ｌ’＝５０ｍｍにおける凸状形状の半径がｒ_１とされた凸状テストピースＴｂの表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓ１（５０）とレーリ波の伝搬時間Ｔ_Ｒ１（５０）を算出する。このように、伝搬距離Ｌ’＝５０ｍｍに設定した上で、凸状形状の半径がｒ_２の凸状テストピースＴｂ、凸状形状の半径がｒ_３の凸状テストピースＴｂ、それぞれの表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓ２（５０），Ｔ_Ｓ３（５０）と、レーリ波の伝搬時間Ｔ_Ｒ２（５０），Ｔ_Ｒ２（５０）を算出する。

さらに、各伝搬距離Ｌ’（Ｌ’＝１００ｍｍ、２００ｍｍ）をそれぞれ設定した上で、平板テストピースＴａと凸状テストピースＴｂとを用いて、表面ＳＨ波の伝搬時間とレーリ波の伝搬時間を求める。すなわち、Ｔ_Ｓ０（１００）〜Ｔ_Ｓ３（１００）とＴ_Ｒ０（１００）〜Ｔ_Ｒ３（１００）、及びＴ_Ｓ０（２００）〜Ｔ_Ｓ３（２００）とＴ_Ｒ０（２００）〜Ｔ_Ｒ３（２００）を求める。

その上で、図４Ｂに示すように、各伝搬距離Ｌ’（Ｌ’＝５０ｍｍ〜２００ｍｍ）で且つ凸状形状の半径ｒ（ｒ_０〜ｒ_３）ごとに対応する、表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_ＳＸとレーリ波の伝搬時間Ｔ_ＲＸをグラフなどにまとめて、補正グラフ（補正データ）として保存しておく。図４Ｂにおいては、Ｌ’＝５０ｍｍの場合が×印のグラフで表され、Ｌ’＝１００ｍｍの場合が△印のグラフで表され、Ｌ’＝２００ｍｍの場合が□印のグラフで表されている。

図４Ｂに示す補正グラフに基づいて、凸状測定試料Ｗにおける表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓの補正量ΔＴ_Ｓを算出する。
具体的には、実際の計測（凸状測定試料Ｗの計測）において、凸状測定試料Ｗにおける表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓと、レーリ波の伝搬時間Ｔ_Ｒが算出されたとする。
まず、表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓを、図４Ｂの補正グラフに当てはめて参照すると、プロット点Ｅ（△印のグラフ）、プロット点Ｆ（□印のグラフ）の２点に該当することが判る。

次に、算出されたレーリ波の伝搬時間Ｔ_Ｒを、図４Ｂの補正グラフに当てはめて参照すると、△印のグラフが対応することが判る。このグラフは伝搬距離Ｌ’が１００ｍｍのものであるため、凸状測定試料Ｗの測定では、Ｌ’＝１００ｍｍと推定される。
このように、図４Ｂの補正グラフを参照すると、表面ＳＨ波において、伝搬時間Ｔ_Ｓが同じとなる複数の伝搬距離Ｌが存在したとしても、レーリ波の伝搬時間Ｔ_Ｒの値から伝搬距離Ｌが一意に決まる。すなわち、図４Ｂの補正グラフを用いることで、伝搬距離Ｌを一義的に絞り込むことができるともいえる。

以降、図４Ｂの補正グラフにおいては、△印のグラフに着目することになる。
△印のグラフに対して、算出された表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓを当てはめて参照して、凸状測定試料Ｗにおける凸状形状の半径がｒ’_２（プロット点Ｅ）であると推定する。
この推定された半径がｒ’_２における表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓ（１００）を示すプロット点Ｅと、伝搬距離Ｌ’ ＝１００ｍｍにおける表面ＳＨ波の基準伝搬時間Ｔ_Ｓ０（１
００）を示すプロット点Ｇとの差をとって、この差を凸状測定試料Ｗにおける表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓ（１００）の補正量ΔＴ_Ｓとして、算出する。

算出された補正量ΔＴ_Ｓを、式（３）のように、実測した凸状測定試料Ｗにおける表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓ（１００）に加えて、補正伝搬時間Ｔ’_Ｓ（１００）を算出する。
以上述べたように、事前に、各伝搬距離Ｌ’ごとに、各テストピースの表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_ＳＸと、レーリ波の伝搬時間Ｔ_ＲＸを算出して、その各伝搬時間Ｔ_ＳＸ，Ｔ_ＲＸをまとめて補正データとして用意しておいた上で、凸状形状の半径ｒの大きさによって変わる表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓと、凸状形状の半径ｒの大きさ拘わらずほとんど変化しないレーリ波の伝搬時間Ｔ_Ｒとを利用することで、凸状形状の半径ｒの値が不明である凸状測定試料Ｗの表層を伝搬する表面ＳＨ波の伝搬時間Ｔ_Ｓを補正する補正量ΔＴ_Ｓを、容易且つ高精度に算出することが可能となる。

なお、今回開示された各実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された各実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体
積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

１残留応力評価装置
２送信探触子
３受信探触子
４パルス発生器
５，６増幅器
７波形採取装置
８評価装置
２０，３０圧電素子
２１，３１超音波伝搬媒体
Ｗ凸状測定試料（凸形状とされた被検体試料）
Ｔａ平板テストピース
Ｔｂ凸状テストピース

Claims

凸形状とされた被検体試料の表層に存在する残留応力を、前記被検体試料の表層を伝搬する超音波の伝搬時間に基づいて評価する残留応力評価方法であって、
前記被検体試料の表層に超音波を励振する送出ステップと、
前記被検体試料の表層を伝搬した超音波を受信する受信ステップと、
前記受信ステップで受信された前記超音波の伝搬時間を算出する伝搬時間算出ステップと、
前記伝搬時間算出ステップで算出された前記超音波の伝搬時間を補正する補正量を算出し、算出された補正量で前記超音波の伝搬時間を補正する補正ステップと、
前記補正ステップで補正された前記超音波の補正伝搬時間に基づいて、前記被検体試料の表層に存在する残留応力を評価する評価ステップと、
を有し、
前記超音波は、表面ＳＨ波とレーリ波とであり、
前記補正ステップは、前記伝搬時間算出ステップで算出された前記表面ＳＨ波の伝搬時間を補正する補正量を算出し、算出された補正量で前記表面ＳＨ波の伝搬時間を補正するものとされ、
前記評価ステップは、前記補正ステップで補正された前記表面ＳＨ波の補正伝搬時間と、前記レーリ波との伝搬時間とに基づいて、前記被検体試料の表層に存在する残留応力を評価するものとされている
ことを特徴とする残留応力評価方法。
予め、前記被検体試料と同じ材質を有し且つ平板とされた平板テストピースと、前記被検体試料と同じ材質を有し且つ異なる半径の凸形状とされた複数の凸状テストピースとを用意しておき、
前記補正ステップにおいては、
前記表面ＳＨ波及びレーリ波の伝搬距離を一定とした上で、前記平板テストピースにおける表面ＳＨ波の伝搬時間を算出して基準伝搬時間とし、前記複数の凸状テストピースにおける表面ＳＨ波の伝搬時間を算出して各半径ごとの凸状伝搬時間としておき、
前記被検体試料における凸形状の半径に対応する凸状伝搬時間と、前記基準伝搬時間との差として前記補正量を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の残留応力評価方法。
予め、前記被検体試料と同じ材質を有し且つ平板とされた平板テストピースと、前記被検体試料と同じ材質を有し且つ異なる半径の凸形状とされた複数の凸状テストピースとを用意しておき、
前記補正ステップにおいては、
前記表面ＳＨ波及びレーリ波の伝搬距離を複数のものとした上で、各伝搬距離ごとに、前記平板テストピースにおける表面ＳＨ波の伝搬時間を算出して基準伝搬時間とし、前記複数の凸状テストピースにおける表面ＳＨ波の伝搬時間を算出して各半径ごとの凸状伝搬時間としておき、
前記被検体試料におけるレーリ波の伝搬時間を基に、実際の伝搬距離を算出し、
算出した実際の伝搬距離に対応する凸状伝搬時間と前記被検体試料における表面ＳＨ波の伝搬時間とから、前記被検体試料の凸形状の半径を推定し、
前記被検体試料における表面ＳＨ波の凸状伝搬時間と、推定された前記凸形状の半径に対応する前記基準伝搬時間との差として前記補正量を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の残留応力評価方法。