JP2018205029A - 応力測定方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】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。【解決手段】金属からなる被検査体の応力を測定する方法であって、照射部（４）から被検査体（１）にＸ線を入射させるとともに、Ｘ線が被検査体（１）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検出工程と、検出工程の検出結果に基づいて被検査体（１）の応力を算出する算出工程と、を含み、検出工程では、被検査体（１）への入射角が５°以上２０°以下の範囲となるように被検査体（１）に対して照射部（４）を傾けた状態で当該照射部（４）から被検査体（１）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線が被検査体（１）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こと。【選択図】図１

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、被検査体に入射させるＸ線の入射角Ψが２５°〜６５°の範囲である場合には、高精度な測定が可能であるものの、被検査体の形状等に起因して適切な入射角を確保することができない場合がある。例えば、Ｘ線の被検査体への入射角Ψが上記の範囲となるようにＸ線を照射可能な照射部を被検査体に対して傾けると、回折Ｘ線又は照射部自体が被検査体と干渉する場合がある。このような場合、被検査体の応力を高精度に測定することが困難である。また、Ｘ線の入射角Ψが大きくなるにしたがって被検査体の表面粗さの影響を受け易くなるため、適切な入射角Ψを確保できない場合もある。さらに、被検査体の深部の応力を測定するためには、入射角Ψを小さくする必要があるが、上述のように、この測定方法の測定精度は概ねｓｉｎ２Ψに比例するため、入射角Ψが小さくなると測定精度が低下する。このため、Ｘ線の被検査体への入射角Ψを２５°〜６５°の範囲に設定することができない場合、特に、入射角Ψが２５°よりも小さな範囲（低入射角）に設定される必要がある場合、通常、２次元検出法の適用は困難である。
本発明の目的は、被検査体へのＸ線の入射角が５°以上２０°以下の範囲でかつ２次元検出法を用いて被検査体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、金属からなる被検査体の応力を測定する方法であって、Ｘ線を照射可能な照射部から前記被検査体にＸ線を入射させるとともに、前記Ｘ線が前記被検査体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被検査体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Ｘ線の前記被検査体への入射角が５°以上２０°以下の範囲となるように前記被検査体に対して前記照射部を傾けた状態で当該照射部から前記被検査体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線が前記被検査体で回折することにより形成される回折環を前記２次元検出器で検出する、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、Ｘ線の被検査体への入射角が５°以上２０°以下の範囲（低入射角）となるように被検査体に対して照射部が傾けられるため、被検査体が、例えば当該被検査体へのＸ線の入射角が２５°よりも大きくなるように被検査体に対して照射部が傾けられたときにこの照射部が被検査体に干渉する形状を有する場合においても、被検査体の応力を有効に測定可能である。さらに、検出工程では、被検査体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検出するので、被検査体に入射した単一の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、算出工程における被検査体の応力の算出の精度が高まる。
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、前記被検査体のうち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、被検査体の応力の測定精度がさらに高まり、かつ、検出工程の作業が簡素化される。具体的に、被検査体の応力は、連続的につながる部位においてほぼ均一であると考えられるため、それら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、被検査体において互いに離間する部位に対して個別にＸ線が照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ので、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に対して連続的に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次元検出器で検出することが好ましい。
このようにすれば、検出工程がさらに簡素化される。
また、前記検出工程では前記検出工程では、前記Ｘ線の前記被検査体への照射面積の合計が前記被検査体の結晶粒の面積の所定倍以上となるように前記被検査体に前記Ｘ線を入射させることが好ましい。
このようにすれば、検出工程の検出結果に含まれる回折情報がより多くなるので、測定精度が一層高まる。
また、本発明は、金属からなる被検査体の応力を測定する方法であって、Ｘ線を照射可能な照射部から前記被検査体にＸ線を入射させるとともに、前記Ｘ線が前記被検査体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、５°以上２０°以下の範囲から選択された特定の入射角を含みかつ互いに異なる複数の入射角で前記照射部から前記被検査体の特定の部位に対してＸ線を入射させるとともに、各Ｘ線が前記特定の部位で回折することにより形成される回折環を前記２次元検出器で検出する、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、５°以上２０°以下の範囲から選択された特定の入射角を含む互いに異なる複数の入射角でＸ線が被検査部に照射されるため、被検査体が、例えば当該被検査体へのＸ線の入射角が２５°よりも大きくなるように被検査体に対して照射部が傾けられたときにこの照射部が被検査体に干渉する形状を有する場合においても、被検査体の応力を有効に測定可能である。さらに、検出工程では、互いに異なる複数の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、被検査体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。
この場合において、前記複数の入射角は、特定の入射角を下限値とし前記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する範囲から選択されることが好ましい。
このようにすれば、検出工程において、特定の入射角で入射したＸ線の照射部位の近傍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、測定精度が向上する。
また、前記応力測定方法において、前記検出工程では、前記被検査体として、前記照射部から照射されるＸ線の当該被検査体への入射角が２５°よりも大きくなるように前記被検査体に対して傾けられた前記照射部又は当該照射部から照射されたＸ線が前記被検査体で回折することにより形成される回折Ｘ線に干渉し、かつ、前記Ｘ線の当該被検査体への入射角が２５°以下となるように前記被検査体に対して傾けられた前記照射部又は当該照射部から照射されたＸ線が前記被検査体で回折することにより形成される回折Ｘ線から離間する形状を有するものが用いられることが好ましい。
以上のように、本発明によれば、被検査体へのＸ線の入射角が５°以上２０°以下の範囲でかつ２次元検出法を用いて被検査体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線の照射面積と傾き誤差との関係（ＣｒＭｏ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）の応力を測定するものである。被検査体１は、Ｘ線を照射可能な照射部４から照射されるＸ線の当該被検査体１への入射角が２５°よりも大きくなるように被検査体１に対して傾けられた照射部４又は当該照射部４から照射されたＸ線が被検査体１で回折することにより形成される回折Ｘ線に干渉し、かつ、前記Ｘ線の当該被検査体１への入射角が２５°以下となるように被検査体１に対して傾けられた照射部４又は当該照射部４から照射されたＸ線が被検査体１で回折することにより形成される回折Ｘ線から離間する形状を有する。具体的に、図１に示されるように、被検査体１は、表面２と、表面２から窪むとともに溝状に延びる形状を有する凹部３と、を有する。本実施形態では、被検査体１の凹部３の応力を測定する場合について説明する。すなわち、本実施形態では、Ｘ線の入射角Ψが２５°よりも大きくなるように凹部３に対して照射部４が傾けられると、照射部４が被検査体１の表面２に干渉するか、回折Ｘ線が凹部３と表面との境界に干渉する。ただし、測定部位は、凹部３に限られない。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、前記Ｘ線の凹部３への入射角Ψが５°以上２０°以下の範囲（低入射角）となるように被検査体１に対して照射部４を傾けた状態で当該照射部４から凹部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１５０００倍）以上に設定されることが好ましい。
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、Ｘ線の被検査体１への入射角が５°以上２０°以下の範囲（低入射角）となるように被検査体１に対して照射部４が傾けられるため、被検査体１が、当該被検査体１へのＸ線の入射角が２５°よりも大きくなるように被検査体１に対して照射部４が傾けられたときにこの照射部４が被検査体１に干渉する形状を有する場合においても、被検査体１の応力を有効に測定可能である。さらに、検出工程では、被検査体１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を検出するので、被検査体１に入射した単一の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。よって、算出工程における被検査体１の応力の算出の精度が高まる。
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、５°以上２０°以下の範囲から選択された特定の入射角Ψを含みかつ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、前記特定の入射角Ψを下限値とし前記特定の入射角Ψに対して所定角度増加させた入射角Ψを上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、５°以上２０°以下の範囲から選択された特定の入射角Ψを含む互いに異なる複数の入射角ΨでＸ線が被検査部１に照射されるため、被検査体１が、当該被検査体１へのＸ線の入射角が２５°よりも大きくなるように被検査体１に対して照射部４が傾けられたときにこの照射部４が被検査体１に干渉する形状を有する場合においても、被検査体１の応力を有効に測定可能である。さらに、検出工程では、互いに異なる複数の入射角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、被検査体１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３の応力の算出の精度が高まる。
また、検出工程では、前記複数の入射角Ψは、特定の入射角Ψを下限値とし前記特定の入射角Ψに対して所定角度増加させた入射角Ψを上限値とする範囲から選択されるので、特定の入射角Ψで入射したＸ線の照射部位の近傍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、測定精度が向上する。
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及び図４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°、２０°及び３５°の場合におけるＸ線の照射面積と傾き誤差との関係を示すグラフである。なお、傾き誤差は、実際に付加されている応力（試験片に取り付けられたひずみゲージの値）に対する測定値の誤差を意味する。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。
この図４に示されるように、低入射角（５°、１０°及び２０°）では、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傾き誤差が低減する（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、低入射角において、Ｘ線の照射面積が１５ｍｍ２以上の範囲の傾き誤差は、比較的高精度であると評価可能な高入射角（３５°）の傾き誤差と同程度であることが分かる。つまり、入射Ｘ線の入射角Ψが低入射角であっても、本実施例の場合、１５ｍｍ２以上の面積に対してＸ線を照射することにより、高入射角で単一のＸ線を照射した場合と同程度の精度で測定できることが分かった。この照射面積は、試験片の結晶粒の面積（本実施例では約０．００１ｍｍ２）の約１５０００倍以上に相当する。すなわち、Ｘ線の照射面積の合計が試験片の結晶粒の面積の約１５０００倍以上となるように試験片にＸ線を入射させることにより、高入射角で単一のＸ線を照射した場合と同程度の精度で測定できることが分かった。
（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５を参照しながら説明する。図５は、入射Ｘ線の入射角Ψが低入射角及び高入射角の場合における入射Ｘ線の入射角Ψの変更量（入射角Ψに対して増加させる角度）と傾き誤差との関係を示すグラフである。例えば、入射角の変更量が６°の場合の傾き誤差の値は、入射角Ψを低入射角から選択された特定の入射角から当該特定の入射角に６°加えた入射角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に基づく算出値のひずみゲージの値からのずれを意味する。
この図５から、低入射角では、入射角Ψの変更量が増加するにしたがって傾き誤差が減少している（測定精度が向上している）ことが分かる。これは、入射角Ψを前記範囲で変更す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、低入射角において、入射角Ψの変更量が６°以上の範囲の傾き誤差は、比較的高精度であると評価可能な高入射角の傾き誤差と同程度であることが分かる。つまり、入射Ｘ線の入射角Ψが低入射角であっても、この入射角Ψに対して６°以上増加させた範囲で入射角Ψを変更させながらＸ線を照射することにより、高入射角で単一の（揺動角が０°の）Ｘ線を照射した場合と同程度の精度で測定できることが分かった。
１ 被検査体
２ 表面
３ 凹部
４ 照射部
Ｒ 回折環

Claims (7)

  1. 金属からなる被検査体の応力を測定する方法であって、
    Ｘ線を照射可能な照射部から前記被検査体にＸ線を入射させるとともに、前記Ｘ線が前記被検査体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被検査体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Ｘ線の前記被検査体への入射角が５°以上２０°以下の範囲となるように前記被検査体に対して前記照射部を傾けた状態で当該照射部から前記被検査体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線が前記被検査体で回折することにより形成される回折環を前記２次元検出器で検出する、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、前記被検査体のうち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に対して連続的に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次元検出器で検出する、応力測定方法。
  4. 請求項１ないし３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、前記Ｘ線の前記被検査体への照射面積の合計が前記被検査体の結晶粒の面積の所定倍以上となるように前記被検査体に前記Ｘ線を入射させる、応力測定方法。
  5. 金属からなる被検査体の応力を測定する方法であって、
    Ｘ線を照射可能な照射部から前記被検査体にＸ線を入射させるとともに、前記Ｘ線が前記被検査体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、５°以上２０°以下の範囲から選択された特定の入射角を含みかつ互いに異なる複数の入射角で前記照射部から前記被検査体の特定の部位に対してＸ線を入射させるとともに、各Ｘ線が前記特定の部位で回折することにより形成される回折環を前記２次元検出器で検出する、応力測定方法。
  6. 請求項５に記載の応力測定方法において、
    前記検出工程では、前記複数の入射角は、前記特定の入射角を下限値とし前記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する範囲から選択される、応力測定方法。
  7. 請求項１ないし６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、前記被検査体として、前記照射部から照射されるＸ線の当該被検査体への入射角が２５°よりも大きくなるように前記被検査体に対して傾けられた前記照射部又は当該照射部から照射されたＸ線が前記被検査体で回折することにより形成される回折Ｘ線に干渉し、かつ、前記Ｘ線の当該被検査体への入射角が２５°以下となるように前記被検査体に対して傾けられた前記照射部又は当該照射部から照射されたＸ線が前記被検査体で回折することにより形成される回折Ｘ線から離間する形状を有するものが用いられる、応力測定方法。
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