JP6815933B2 - 応力測定方法 - Google Patents

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Description

本発明は、被検査体の応力を測定する方法に関するものである。
近年、非破壊で金属からなる被検査体の応力（残留応力）を測定する方法として、特許文献１等に見られるように、２次元検出器を用いた２次元検出法（いわゆるｃｏｓα法）が普及している。この方法は、特定の入射角Ψで被検査体に入射したＸ線が被検査体での回折により生じる回折Ｘ線の回折環に基づいて応力を測定する方法である。この２次元検出法における測定の精度は、概ねｓｉｎ２Ψに比例するため、被検査体に入射させるＸ線の入射角Ψが４５°から変化するにしたがって測定精度が低下する。このため、２次元検出法では、通常、Ｘ線の被検査体への入射角Ψは、２５°〜６５°に設定される。特許文献１では、入射角Ψは３０°に設定されている。
特開２０１１−２７５５０号公報
２次元検出法は、被検査体のうち比較的平坦な部位の応力については高精度な測定が可能であるものの、被検査体の凹部の応力ついては、高精度に測定することが困難である。具体的に、被検査体の測定部が当該測定部の周囲の部位の表面から凹状に窪んだ形状を有する凹部である場合、入射Ｘ線や回折Ｘ線が被検査体に干渉するので、明確な回折環が検出されないか、回折環が検出されたとしても、その回折環のうち回折Ｘ線が被検査体の近傍を通過した部分については精度が低くなる。そのため、入射Ｘ線の入射角Ψを十分に大きく確保することが困難となる。よって、２次元検出法で高精度に凹部の応力を測定することは困難である。換言すれば、凹部の応力を高精度に測定することが求められる場合、通常、２次元検出法の適用は困難である。
本発明の目的は、２次元検出法を用いて被検査体の凹部の応力を高精度に測定することが可能な応力測定方法を提供することである。
前記課題を解決する手段として、本発明は、金属からなり、表面と当該表面から窪むとともに溝状に延びる形状を有する凹部とを有する被検査体の前記凹部の応力を測定する方法であって、前記凹部にＸ線を入射させるとともに、前記Ｘ線が前記凹部で回折することにより形成される回折Ｘ線の回折環を２次元検出器で検出する検出工程と、前記検出工程の検出結果に基づいて前記凹部の応力を算出する算出工程と、を含み、前記検出工程では、前記被検査体の凹部内の複数の部位に対してそれぞれＸ線を入射させるとともに、各Ｘ線が前記部位で回折することにより形成される複数の回折環を重ね合わせることにより得られる単一の回折環を前記２次元検出器で検出し、かつ、前記凹部への前記Ｘ線の照射面積の合計が前記被検査体の結晶粒の面積の１８０００倍以上となるように前記凹部に前記Ｘ線を入射させる、応力測定方法を提供する。
本応力測定方法では、検出工程において、凹部内の複数の部位のそれぞれに入射した各Ｘ線に対応する複数の回折環を２次元検出器で検出するので、凹部内に入射した単一のＸ線に対応する単一の回折環のみを検出する場合に比べ、検出工程の検出結果に含まれる回折情報（回折に寄与する結晶の情報）が多くなる。よって、算出工程における凹部の応力の算出の精度が高まる。このため、例えば２０°以下の低入射角でＸ線が凹部に入射された場合においても、精度よく凹部の応力を測定することができる。
また、本応力測定方法では、検出工程において、凹部へのＸ線の照射面積の合計が被検査体の結晶粒の面積の１８０００倍以上となるように凹部にＸ線を入射させるので、検出工程の検出結果に含まれる回折情報がより多くなり、測定精度が一層高まる。
この場合において、前記検出工程では、前記複数の部位として、前記凹部内において連続的につながる部位が選択され、その部位に対して連続的にＸ線を入射させることが好ましい。
このようにすれば、凹部内において互いに離間する部位に対して個別にＸ線が入射される場合に比べ、測定部位ごとの測定条件の設定が不要となる。よって、検出工程の作業が簡素化される。
さらにこの場合において、前記検出工程では、前記連続的につながる部位として、前記凹部の延びる方向に沿って連続的につながる部位が選択されることが好ましい。
このようにすれば、凹部の応力の測定精度がさらに高まる。具体的に、凹部の応力は、当該凹部の延びる方向に沿ってほぼ均一であると考えられるため、その方向に沿って並ぶ複数の部位において回折環を検出することにより、測定精度が向上する。
また、前記検出工程では、前記連続的につながる部位に対して連続的にＸ線を入射させることが好ましい。
このようにすれば、検出工程がさらに簡素化される。
また、前記検出工程では、各Ｘ線を前記凹部に対して２０°以下の低入射角で入射させることが好ましい。
このようにすれば、入射Ｘ線及び回折Ｘ線の被検査体との干渉を有効に回避しつつ、高精度に凹部の応力を測定することが可能となる。
また、本発明は、金属からなり、表面と当該表面から窪むとともに溝状に延びる形状を有する凹部とを有する被検査体の前記凹部の応力を測定する方法であって、前記凹部にＸ線を入射させるとともに、前記Ｘ線が前記凹部で回折することにより形成される回折Ｘ線の回折環を２次元検出器で検出する検出工程と、前記検出工程の検出結果に基づいて前記凹部の応力を算出する算出工程と、を含み、前記検出工程では、前記被検査体の凹部内の単一の部位に対して互いに異なる複数の入射角でＸ線を入射させるとともに、各Ｘ線が前記部位で回折することにより形成される複数の回折環を重ね合わせることにより得られる単一の回折環を前記２次元検出器で検出し、かつ、前記複数の入射角は、特定の入射角に対して所定角度増加させた入射角を上限値とし前記特定の入射角に対して前記所定角度減少させた入射角を下限値とする範囲から選択され、前記所定角度は、３°以上７°以下の範囲内の角度である、応力測定方法を提供する。
本応力測定方法では、検出工程において、凹部の単一の部位に対して互いに異なる入射角で入射した複数のＸ線のそれぞれに対応する複数の回折環を２次元検出器で検出するので、凹部に対して単一の入射角で入射したＸ線に対応する単一の回折環のみを検出する場合に比べ、検出工程の検出結果に含まれる回折情報（回折に寄与する結晶の情報）が多くなる。よって、算出工程における凹部の応力の算出の精度が高まる。このため、例えば２０°以下の低入射角でＸ線が凹部に入射された場合においても、精度よく凹部の応力を測
定することができる。
また、本応力測定方法では、検出工程において、複数の入射角が、特定の入射角に対して所定角度増加させた入射角を上限値とし特定の入射角に対して所定角度減少させた入射角を下限値とする範囲から選択され、所定角度が、３°以上７°以下の範囲内の角度である、こととしているので、特定の入射角で入射したＸ線の照射部位の近傍（応力がほぼ均一と評価可能な領域）において多くの回折情報を得ることが可能となる。よって、測定精度が高まる。
さらにこの場合において、前記検出工程では、前記特定の入射角は、２０°以下の低入射角から選択されることが好ましい。
このようにすれば、入射Ｘ線及び回折Ｘ線の被検査体との干渉を有効に回避しつつ、高精度に凹部の応力を測定することが可能となる。
以上のように、本発明によれば、２次元検出法を用いて被検査体の凹部の応力を高精度に測定することが可能な応力測定方法を提供することができる。
本発明の第１実施形態の応力測定方法の検出工程を示す概略図である。 本発明の第２実施形態の応力測定方法の検出工程を示す概略図である。 第１実施例における入射Ｘ線の移動方向の例を示す図である。 入射Ｘ線の照射面積と信頼度との関係（ＣｒＭｏ系低合金鋼）を示すグラフである。 入射Ｘ線の照射面積と信頼度との関係（ＮｉＣｒＭｏ系低合金鋼）を示すグラフである。 入射Ｘ線の揺動角と信頼度との関係（ＣｒＭｏ系低合金鋼）を示すグラフである。
以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の応力測定方法について、図１を参照しながら説明する。この応力測定方法は、２次元検出器（図示略）を用いて鋼材等の金属からなる被検査体１（クランクシャフト等）の凹部３の応力を測定するものである。図１に示されるように、凹部３は、被検査体１の表面２から窪むとともに溝状に延びる形状を有する。本応力測定方法は、検出工程と、算出工程と、を含む。
検出工程では、Ｘ線を照射可能な照射部４から照射されたＸ線を凹部３に入射させるとともに、前記Ｘ線が凹部３で回折することにより形成される回折Ｘ線の回折環Ｒを２次元検出器で検出する。具体的に、この検出工程では、凹部３内の複数の部位に対して一定の入射角ΨでそれぞれＸ線を入射させるとともに、各Ｘ線が凹部３で回折することにより形成される回折環Ｒを２次元検出器で検出する。なお、このとき、被検査体１を固定した状態で照射部４を移動させてもよいし、照射部４を固定した状態で被検査体１を移動させてもよい。また、前記複数の部位として、凹部３内において連続的につながる部位が選択される。より好ましくは、前記複数の部位として、凹部３の延びる方向に沿って連続的につながる部位が選択される。この検出工程では、前記連続的につながる部位に対して照射部４から一定の入射角Ψで連続的にＸ線を入射させるとともに、各Ｘ線が前記部位で回折することにより形成される複数の回折環Ｒを重ね合わせることにより得られる単一の回折環Ｒを２次元検出器で検出する。また、凹部３内の連続的につながる部位に照射するＸ線の面積は、被検査体１の結晶粒の面積の所定倍（例えば１８０００倍）以上に設定されることが好ましい。また、本実施形態では、凹部３へのＸ線の入射角Ψは、５°以上２０°以下の低入射角に設定される。
算出工程では、検出工程の検出結果（前記単一の回折環Ｒ）に基づいて凹部３の応力が算出される。
以上に説明したように、本実施形態の応力測定方法では、検出工程において、凹部３内の複数の部位のそれぞれに入射した各Ｘ線に対応する複数の回折環Ｒを２次元検出器で検出するので、凹部３内に入射した単一のＸ線に対応する単一の回折環のみを検出する場合に比べ、検出工程の検出結果に含まれる回折情報（回折に寄与する結晶の情報）が多くなる。よって、算出工程における凹部３の応力の算出の精度が高まる。このため、例えば５°以上２０°以下の低入射角でＸ線が凹部３に入射された場合においても、精度よく凹部３の応力が測定される。よって、本実施形態の応力測定方法では、被検査体１が、凹部３への入射Ｘ線の入射角Ψを十分に大きく確保することが困難な形状を有する場合（入射角Ψを大きくすると入射Ｘ線又は回折Ｘ線が被検査体１と干渉する場合や、照射部４と被検査体１とが干渉する場合等）であったとしても、入射Ｘ線及び回折Ｘ線の被検査体１との干渉を有効に回避しつつ、高精度に凹部３の応力を測定することが可能となる。
また、検出工程では、前記複数の部位として、凹部３の延びる方向に沿って連続的につながる部位が選択されるので、凹部３の応力の測定精度がさらに高まる。具体的に、凹部３の応力は、当該凹部３の延びる方向に沿ってほぼ均一であると考えられるため、その方向に沿って連続的につながる部位についての回折環Ｒを検出することにより、測定精度が向上する。
なお、検出工程では、Ｘ線が入射される凹部３内の複数の部位として、凹部３の延びる方向に沿って間欠的に並ぶ部位が選択され、各部位で入射Ｘ線が回折することにより形成された複数の回折環Ｒを検出してもよい。この場合、算出工程では、各回折環Ｒから求められる複数の検出値（応力の値）の平均値が算出される。ただし、上記実施形態のように、前記複数の部位として、凹部３の延びる方向に沿って連続的につながる部位が選択され、その部位に対して連続的にＸ線が入射されることにより、凹部３内において間欠的に並ぶ複数の部位にＸ線を入射させる場合に比べ、測定部位ごとの測定条件の設定が不要となるため、検出工程の作業が簡素化される。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態の応力測定方法について、図２を参照しながら説明する。なお、第２実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明を行い、第１実施形態と同じ構造、作用及び効果の説明は省略する。
本実施形態では、図２に示されるように、検出工程では、凹部３内の単一の部位に対し、互いに異なる複数の入射角Ψで照射部４からＸ線を入射させるとともに、各Ｘ線が凹部３で回折することにより形成される回折環Ｒを２次元検出器で検出する。前記複数の入射角Ψは、前記低入射角（５°以上２０°以下）から選択された特定の入射角Ψに対して所定角度（３°〜７°程度）増加させた入射角を上限値とし前記特定の入射角に対して前記所定角度減少させた入射角を下限値とする範囲から選択される。本実施形態では、検出工程において、凹部３に対して前記範囲の下限値から上限値まで、あるいは上限値から下限値まで連続的にＸ線を入射させるとともに、各Ｘ線が凹部３で回折することにより形成される複数の回折環を重ね合わせることにより得られる単一の回折環を２次元検出器で検出する。
以上に説明したように、本実施形態の応力測定方法では、検出工程において、凹部３の単一の部位に対して互いに異なる入射角Ψで入射した複数のＸ線のそれぞれに対応する複数の回折環Ｒを２次元検出器で検出するので、凹部３に対して単一の入射角で入射したＸ線に対応する単一の回折環Ｒのみを検出する場合に比べ、検出工程の検出結果に含まれる回折情報（回折に寄与する結晶の情報）が多くなる。具体的に、入射Ｘ線の入射角Ψが異なれば、凹部３へのＸ線の侵入深さが異なるため、凹部３に対して複数の入射角ΨでＸ線を入射させることにより、検出工程の検出結果に含まれる回折情報が多くなる。よって、算出工程における凹部３の応力の算出の精度が高まる。
続いて、上記各実施形態の実施例について順に説明する。この実施例では、被検査体１の一部が切り出された試験片（１０ｍｍ×１０ｍｍ）が用いられた。また、被検査体１としては、ＣｒＭｏ系低合金鋼からなるものとＮｉＣｒＭｏ系低合金鋼からなるものとが用いられた。この試験片に対して照射部４から入射させるＸ線として、波長が０．１１７ｍｍのＣｒ−Ｋαが用いられ、また、このＸ線のビーム径φは、約１．５ｍｍとされた。なお、照射部４として、パルステック社製のμ−Ｘ３６０が用いられた。
この実施例の検出工程では、前記試験片に対し４点曲げ試験機で応力を印加した状態で当該試験片に前記Ｘ線を入射させ、Ｆｅ（２，１，１）の回折面における回折環（２θ≦１５６°）を２次元検出器で検出した。なお、θは、回折角である。そして、算出工程では、その検出結果に基づいて応力を算出した。
（第１実施形態の実施例）
まず、第１実施形態の実施例について、図３〜図５を参照しながら説明する。図３は、試験片に入射させる入射Ｘ線の移動方向の例を示している。図４は、入射Ｘ線の入射角Ψが５°、１０°及び３５°の場合におけるＸ線の照射面積と信頼度との関係を示すグラフである。この図４は、試験片としてＣｒＭｏ系低合金鋼からなるものが用いられた場合の結果である。図５は、入射Ｘ線の入射角Ψが７°、１０°及び３０°の場合におけるＸ線の照射面積と信頼度との関係を示すグラフである。この図５は、試験片としてＮｉＣｒＭｏ系低合金鋼からなるものが用いられた場合の結果である。なお、信頼度は、ｃｏｓα線図（特許文献１の図６に示される図に相当する図）の直線性に関する誤差（測定された回折環に基づく算出値と理論値とのフィッティングの誤差）を応力換算した値を意味する。よって、この値が小さい程、高精度に測定が行われたと評価できる。
図４及び図５に示されるように、単一のＸ線による照射面積（本実施例では約１．８ｍｍ２）から照射面積が増えるにしたがって信頼度が低減する（測定精度が向上する）傾向にあることが分かる。これは、Ｘ線の照射面積が大きくなるにしたがって回折Ｘ線から得られる回折情報が多くなるからである。また、上記傾向は、特に、低入射角（図３では５°及び１０°、図４では７°及び１０°）において顕著であることが分かる。また、図５から、Ｘ線の照射面積が１１ｍｍ２以上の範囲では、信頼度の値が一定の値に飽和する傾向が確認された。
また、Ｘ線の照射面積は、被検査体１の結晶粒の面積の所定倍（本実施例における測定では１８０００倍）以上に設定されることが好ましい。この理由は、次のとおりである。例えば、被検査体１の結晶粒の面積が０．００１ｍｍ２であり、単一の入射Ｘ線の照射面積が１．８ｍｍ２である場合、約１８００個の結晶粒からの回折環Ｒに基づいて応力が評価される。ここで、入射角Ψが１０°である場合、入射角Ψが４５°である場合に比べて測定精度が約０．３４倍になるため、入射角Ψが１０°である場合において入射角Ψが４５°である場合と同程度の精度を得るためには、回折情報を約１０倍（０．３４の二乗倍）にする、つまり、約１８０００個の結晶粒からの回折環Ｒに基づいて応力を評価する必要がある。そのため、Ｘ線の照射面積は、単一の入射Ｘ線の照射面積の１０倍の１８ｍｍ２にする必要がある。この照射面積は、結晶粒の面積の約１８０００倍に相当する。
（第２実施形態の実施例）
次に、第２実施形態の実施例について、図６を参照しながら説明する。図６は、入射Ｘ線の入射角Ψが１０°、１５°、２０°及び３５°の場合における入射Ｘ線の揺動角（入射角Ψに対して増加及び減少させる角度）と信頼度との関係を示すグラフである。この図６は、試験片としてＣｒＭｏ系低合金鋼からなるものが用いられた場合の結果である。例えば、入射角Ψが１０°で揺動角が３°の場合の信頼度の値は、入射角Ψを７°から１３°の範囲で連続的に変化させることにより得られた回折環Ｒに基づく算出値である。
この図６から、単一の（揺動角が０°の）Ｘ線に基づく信頼度の値よりも、入射角Ψを所定の角度範囲で揺動させた場合の信頼度の値の方が小さい（測定精度が高い）ことが分かる。これは、入射角Ψを所定角度増減させることによって回折Ｘ線から得られる回折情報が多くなるからである。また、このことは、特に、低入射角（１０°、１５°及び２０°）において顕著である。
１ 被検査体
２ 表面
３ 凹部
４ 照射部
Ｒ 回折環

Claims (7)

  1. 金属からなり、表面と当該表面から窪むとともに溝状に延びる形状を有する凹部とを有する被検査体の前記凹部の応力を測定する方法であって、
    前記凹部にＸ線を入射させるとともに、前記Ｘ線が前記凹部で回折することにより形成される回折Ｘ線の回折環を２次元検出器で検出する検出工程と、
    前記検出工程の検出結果に基づいて前記凹部の応力を算出する算出工程と、を含み、
    前記検出工程では、前記被検査体の凹部内の複数の部位に対してそれぞれＸ線を入射させるとともに、各Ｘ線が前記部位で回折することにより形成される複数の回折環を重ね合わせることにより得られる単一の回折環を前記２次元検出器で検出し、かつ、前記凹部への前記Ｘ線の照射面積の合計が前記被検査体の結晶粒の面積の１８０００倍以上となるように前記凹部に前記Ｘ線を入射させる、応力測定方法。
  2. 請求項１に記載の応力測定方法において、
    前記検出工程では、前記複数の部位として、前記凹部内において連続的につながる部位が選択され、その部位に対して連続的にＸ線を入射させる、応力測定方法。
  3. 請求項２に記載の応力測定方法において、
    前記検出工程では、前記連続的につながる部位として、前記凹部の延びる方向に沿って連続的につながる部位が選択される、応力測定方法。
  4. 請求項２又は３に記載の応力測定方法において、
    前記検出工程では、前記連続的につながる部位に対して連続的にＸ線を入射させる、応力測定方法。
  5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の応力測定方法において、
    前記検出工程では、各Ｘ線を前記凹部に対して２０°以下の低入射角で入射させる、応力測定方法。
  6. 金属からなり、表面と当該表面から窪むとともに溝状に延びる形状を有する凹部とを有する被検査体の前記凹部の応力を測定する方法であって、
    前記凹部にＸ線を入射させるとともに、前記Ｘ線が前記凹部で回折することにより形成される回折Ｘ線の回折環を２次元検出器で検出する検出工程と、
    前記検出工程の検出結果に基づいて前記凹部の応力を算出する算出工程と、を含み、
    前記検出工程では、前記被検査体の凹部内の単一の部位に対して互いに異なる複数の入射角でＸ線を入射させるとともに、各Ｘ線が前記部位で回折することにより形成される複数の回折環を重ね合わせることにより得られる単一の回折環を前記２次元検出器で検出し、かつ、前記複数の入射角は、特定の入射角に対して所定角度増加させた入射角を上限値とし前記特定の入射角に対して前記所定角度減少させた入射角を下限値とする範囲から選択され、
    前記所定角度は、３°以上７°以下の範囲内の角度である、応力測定方法。
  7. 請求項６に記載の応力測定方法において、
    前記検出工程では、前記特定の入射角は、２０°以下の低入射角から選択される、応力測定方法。
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