試験・調査報告

試験・調査報告●解説コーナー深穴穿孔法による内部残留応力測定1.はじめに残留応力とは、外力が作用していない状態で材料や構造物の内部に存在する隠れた力(応力)のことです。構造物によって残留応力は様々な分布を持ちますが、平衡状態を保つために引張応力と圧縮応力の総和はゼロになります。この残留応力の存在は、好ましい場合と好ましくない場合があります。一般的に部材表面の圧縮残留応力は亀裂の開口を抑える方向に作用するため、応力腐食割れの耐性や疲労強度の向上に繋がり、好ましい場合が多いです。一方、部材表面の引張残留応力は、亀裂の開口を助長する方向に作用するため予想もしなかった破壊の原因となることもあり、好ましくありません。これら表面の残留応力に対し、内部の残留応力は、その分布状態によって亀裂の伝搬進路や変形に影響することが知られています。このため、構造物の設計において、溶接部周辺等大きな力が作用すると思われる箇所の内部残留応力分布を知ることは、極めて重要となります。残留応力を実測する方法はいろいろとありますが(図1)、板厚内部の残留応力を測定できる方法は多くありません。取り分け50mm以上の厚板となると、ひずみゲージ切断法、Contour法、深穴孔法〔以下、DHD(DeepHoleDrilling)法〕の3手法に限られます。これら3手法は破壊法となり実構造物への適用はできませんが、モックアップ試験体に対し活用されています。ひずみゲージ切断法は、ひずみゲージを貼り付けた部分をブロック状に切断していき、その際に解放された応力を測定する手法ですが、測定対象となる試験体形状に制限があります。Contour法は、純粋な実測ではなく、切断による変形計測とFEM解析の組合せで応力を算出する手法となります。DHD法は、ドリル加工した穴の直径変化量から解放前後の応力を算出する手法で、手順が比較的簡便で複雑な形状への適用も可能となっています。今回は、板厚内部の残留応力測定方法の一つであるDHD法をご紹介します。また、DHD法をベースとし、より高精度化を達成した改良型深穴孔法も合わせてご紹介させて頂きます。〈参考文献〉・北野ら:溶接学会全国大会講演概要、91(2012)、284-285・北野ら:溶接学会論文集、31-4(2013)・河合ら:溶接学会全国大会講演概要、95(2014)、368-369・永井ら:溶接学会全国大会講演概要、95(2014)、370-371・河合ら:溶接技術、63(2015)、109-1132.DHD法(深穴穿孔法)DHD法の測定は以下の手順で行います(図2)。測定穴径の変化量から残留応力を算出します。①ドリリング測定したい位置にドリル加工により測定穴をあけます。②計測測定穴径をエアプローブにより計測します。③トレパニング測定穴回りを放電加工により円筒状に切出します。(応力解放)④再計測測定穴径を再計測します。このDHD法は、イギリスのBristol大学の教授等により開発された手法で、同大学から派生した会社が測定事業を世界で唯一実施しております。現在、国内企業を含め、各国から内部残留応力の測定依頼がこの会社へ集中しております。図1試験体形状非破壊法部分破壊法完全破壊法X線回折法放射光X線回折法中性子回折法磁歪法超音波法穿孔法Ringcore法深穴穿孔法(DHD法)ひずみゲージ切断法Contour法0.0010.010.1110100測定位置の深さ(鉄鋼材料)mm図2DHD法の測定手順ドリリング計測トレパニング再計測ドリル加工内径計測(エアプローブ)放電加工内径再計測(エアプローブ)穴径変化量から残留応力を算出表1DHD法と開発法の比較(一例)項目DHD法開発法評価式導出のための応力状態の仮定二次元応力状態三次元応力状態(実現象)DHDプロセス中に生じる塑性変形の影響×(考慮なし)○(考慮あり)神鋼溶接サービス(株)技術調査部技術室永井卓也トレパニング後の計測測定穴径の計測のみ測定穴径+円筒倒れ+円筒伸びの計測152015Spring