JP5339253B2 - X-ray stress measurement method - Google Patents

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  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a measurement method with higher accuracy, which solves the problem in a conventional area detector type triaxial stress measurement method. <P>SOLUTION: In the method, triaxial stress components are measured on the basis of a diffraction ring obtained by irradiating a specimen with X rays. In a first embodiment, diffraction rings are respectively obtained by conducting oblique X ray irradiation operations in four incident directions (&phiv;<SB>0</SB>=0&deg;, 90&deg;, 180&deg; and 270&deg;), and (&sigma;<SB>x</SB>-&sigma;<SB>z</SB>) and &tau;<SB>yz</SB>are determined in the case of &phiv;<SB>0</SB>=(0&deg;, 180&deg;), and (&sigma;<SB>y</SB>-&sigma;<SB>z</SB>) and &tau;<SB>xz</SB>are determined in the case of &phiv;<SB>0</SB>=(90&deg;, 270&deg;), and &tau;<SB>xy</SB>&sigma;<SB>z</SB>is determined from these diffraction rings, thereby obtaining six triaxial stress components. In a second embodiment, diffraction rings are respectively obtained by conducting a vertical incidence operation and two oblique incidence operations of &phiv;<SB>0</SB>=(0&deg;, 90&deg;), and &tau;<SB>xz</SB>and &tau;<SB>yz</SB>are determined in the case of the vertical incidence, and (&sigma;<SB>x</SB>-&sigma;<SB>z</SB>) and &tau;<SB>xy</SB>are determined in the case of &phiv;<SB>0</SB>=0&deg;, and (&sigma;<SB>y</SB>-&sigma;<SB>z</SB>) and &tau;<SB>xy</SB>are determined in the case of &phiv;<SB>0</SB>=90&deg;, and &sigma;<SB>z</SB>is determined from these diffraction rings, thereby obtaining six triaxial stress components. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、被検物にX線を照射することで、該被検物内に存在する応力(とりわけ3軸応力)を測定するX線応力測定方法に関するものである。   The present invention relates to an X-ray stress measurement method for measuring stress (especially triaxial stress) existing in an object by irradiating the object with X-rays.

X線応力測定法は、材料(特に、金属などの結晶性材料)にX線を照射したときの回折の情報から、材料中の応力の状態を求める方法である。X線応力測定法では、応力によって格子面間隔が変化することを利用し、その変化を、回折X線の角度と強さの関係を測定することで求め、歪や応力を算出する。   The X-ray stress measurement method is a method for obtaining the state of stress in a material from information of diffraction when a material (particularly a crystalline material such as a metal) is irradiated with X-rays. In the X-ray stress measurement method, the fact that the lattice spacing changes due to the stress is used, the change is obtained by measuring the relationship between the angle and intensity of the diffracted X-ray, and the strain and stress are calculated.

X線応力測定法は、被検物の表面部分の測定を行う方法であるため、通常は、平面応力理論が適用され、平面応力測定法が用いられる。
また、研削加工された鋼材などでは、研削の際に工具によって加えられた特定方向への強い変形などに起因して、3軸応力が残留することが知られている(例えば、非特許文献1など)。3軸応力は、被検物の表面(x−y平面)に沿った成分(x軸、y軸方向の成分)と、該表面に対して垂直方向(z軸方向)の成分とを持った、3次元方向の応力を同時に含む応力状態である。
X線照射によって3軸応力を測定する方法(X線3軸応力測定法)の別方式の技術は、デール(Dolle)らによって提案されている。
Since the X-ray stress measurement method is a method of measuring the surface portion of the test object, the plane stress theory is usually applied and the plane stress measurement method is used.
Further, it is known that a triaxial stress remains in a ground steel material or the like due to a strong deformation in a specific direction applied by a tool during grinding (for example, Non-Patent Document 1). Such). The triaxial stress has a component (components in the x-axis and y-axis directions) along the surface (xy plane) of the test object and a component in the direction perpendicular to the surface (z-axis direction). This is a stress state that simultaneously includes stress in a three-dimensional direction.
Another technique of a method of measuring triaxial stress by X-ray irradiation (X-ray triaxial stress measurement method) has been proposed by Dolle et al.

しかしながら、デールらの測定法は、合計6方向の格子ひずみ分布(sin2 Ψ 線図)を用いるために、測定と解析に、複雑な装置と多大な測定時間とを要するという問題がある。このような方法では、実験室での実施では特に問題は生じないが、建設現場、被検物が敷設された現場、生産ラインなど、比較的迅速な測定作業が求められる現場などでは適用が困難である。 However, since the measurement method of Dale et al. Uses a total of six strain lattice distributions (sin 2 Ψ diagram), there is a problem that measurement and analysis require a complicated apparatus and a great amount of measurement time. This method does not cause any particular problems when performed in the laboratory, but is difficult to apply at construction sites, sites where specimens are laid, production lines, etc. where relatively quick measurement work is required. It is.

上記のような従来のX線応力測定方法の問題に対し、本発明者は、X線を照射して得られる回折環の全体の情報を、イメージングプレート(IP)やCCDなどのエリアディテクタによって解析に利用するX線平面応力測定法(特許文献1)、X線3軸応力測定法(非特許文献1)を提案しており、測定と解析の無駄を軽減している。以下、非特許文献1に記載されたX線3軸応力測定法を、従来のエリアディテクタ方式のX線3軸応力測定法と呼んで説明する。
従来のエリアディテクタ方式の3軸応力測定法では、例えば、回折環の中心角を1度間隔に解析すると、回折環全体からは合計360個の格子ひずみが得られるので、6個の3軸応力成分の決定に対して十分なデータが得られる。
In order to solve the problems of the conventional X-ray stress measurement method as described above, the present inventor analyzed the entire information of the diffraction ring obtained by irradiating X-rays by an area detector such as an imaging plate (IP) or CCD. The X-ray plane stress measurement method (Patent Document 1) and the X-ray triaxial stress measurement method (Non-Patent Document 1) used for the above are proposed, and the waste of measurement and analysis is reduced. Hereinafter, the X-ray triaxial stress measurement method described in Non-Patent Document 1 will be referred to as a conventional area detector X-ray triaxial stress measurement method.
In the conventional area detector type triaxial stress measurement method, for example, if the central angle of the diffraction ring is analyzed at intervals of 1 degree, a total of 360 lattice strains are obtained from the entire diffraction ring, so that six triaxial stresses are obtained. Sufficient data is obtained for component determination.

次に、従来のエリアディテクタ方式のX線3軸応力測定法について、その測定の原理を説明する。
尚、現場での測定や実用性を考慮すると、試料の設定の影響を受けやすくなる回折データの絶対値の使用をなるべく避け、相対的な変化を利用することが望ましい。この点から、以下の説明では、平面応力測定法(sin2 Ψ法)のような、回折データの相対的変化を通した3軸応力測定法について述べる。
Next, the measurement principle of the conventional area detector X-ray triaxial stress measurement method will be described.
In consideration of on-site measurement and practicality, it is desirable to avoid the use of absolute values of diffraction data that are easily affected by the setting of the sample, and to use relative changes as much as possible. From this point, in the following description, a triaxial stress measurement method through relative change of diffraction data, such as a plane stress measurement method (sin 2 Ψ method) will be described.

実使用される金属材料の多くは、微細な結晶粒の集合体であり、X線を照射すると、次式(1)のブラッグの条件に従って回折X線が発生する。
〔式(1)〕

ここで、dは格子面間隔、θはブラッグ角、λはX線の波長、nは回折次数である。以下、n=1を用いる。
回折X線は、照射点(X線照射の標的となる測定点)を頂点とする円錐の側面を形成するように発生するため、入射X線に対して垂直にエリアディテクタを置くと、ほぼ円形の回折環が測定される。
デールらの測定方法では、回折環の一端の回折強度分布測定を通してθを決定し、応力計算に用いる。
これに対して、従来のエリアディテクタ方式の3軸応力測定法では、図8のように最初に回折環半径Rが得られ、次いで次式(2)を用いてブラッグ角θ(単位:ラジアン)を得る。
〔式(2)〕

ここで、CL は、X線照射点と検出器との距離である。
Most of the metal materials actually used are aggregates of fine crystal grains, and when irradiated with X-rays, diffracted X-rays are generated according to the Bragg condition of the following formula (1).
[Formula (1)]

Here, d is the lattice spacing, θ is the Bragg angle, λ is the X-ray wavelength, and n is the diffraction order. Hereinafter, n = 1 is used.
Diffracted X-rays are generated so as to form a side surface of a cone whose apex is an irradiation point (measurement point that is the target of X-ray irradiation). Are measured.
In the measurement method of Dale et al., Θ is determined through measurement of the diffraction intensity distribution at one end of the diffraction ring and used for stress calculation.
On the other hand, in the conventional triaxial stress measurement method of the area detector method, the diffraction ring radius R is first obtained as shown in FIG. 8, and then the Bragg angle θ (unit: radians) is obtained using the following equation (2). Get.
[Formula (2)]

Here, C L is the distance between the X-ray irradiation point and the detector.

上記のようにして得られるブラッグ角θの値は、回折に寄与した一群の格子面に対する平均値である。上記式(1)の微分から、格子面の法線方向の縦ひずみεとブラッグ角θとの関係が次式(3)のように導かれる。
〔式(3)〕

ここで、Δdは、格子面間隔dの変化量、即ち、無ひずみ時のdの値をd0 としたときに、Δd=d−d0 である。
また、Δθは、ブラッグ角θの変化量、即ち、無ひずみ時のθの値をθ0 としたときに、Δθ=θ−θ0 である。
The value of the Bragg angle θ obtained as described above is an average value for a group of lattice planes contributing to diffraction. From the differentiation of the above equation (1), the relationship between the longitudinal strain ε in the normal direction of the lattice plane and the Bragg angle θ is derived as in the following equation (3).
[Formula (3)]

Here, [Delta] d is, the amount of change in lattice spacing d, i.e., the value of the undistorted when d is taken as d 0, a [Delta] d = d-d 0.
Δθ is Δθ = θ−θ 0, where the amount of change in the Bragg angle θ, that is, the value of θ when there is no strain is θ 0 .

次に、図9に示すように、被検物表面の照射点に座標系xyzを設定し、原点(=照射点)における3軸方向の各応力(即ち、x軸方向の応力σx 、y軸方向の応力σy、z軸方向の応力σz )と、各せん断応力(τxy 、τxz 、τyz)とを次式(4)のように表記する。尚、τxy は、xy面のずれを生じさせる応力を表し、同様に、τxzは、xz面のずれを生じさせる応力を表し、τyz は、yz面のずれを生じさせる応力を表している。
〔式(4)〕
Next, as shown in FIG. 9, a coordinate system xyz is set at the irradiation point on the surface of the test object, and each stress in the triaxial direction at the origin (= irradiation point) (ie, stress σ x , y in the x-axis direction). Axial stress σ y and z-axis direction stress σ z ) and respective shear stresses (τ xy , τ xz , τ yz ) are expressed by the following equation (4). Note that τ xy represents the stress that causes the displacement of the xy plane, and similarly, τ xz represents the stress that causes the displacement of the xz plane, and τ yz represents the stress that causes the displacement of the yz plane. Yes.
[Formula (4)]

回折環の中心角がαの位置から上記式(3)を用いて得られるひずみをεαと書くと、上記式(4)の応力に対して、次式(5)が成立する。
〔式(5)〕

ここで、Eは縦弾性定数、vはポアソン比である(いずれも回折弾性定数)。
When the strain obtained by using the above equation (3) from the position where the central angle of the diffraction ring is α is written as εα, the following equation (5) is established for the stress of the above equation (4).
[Formula (5)]

Here, E is a longitudinal elastic constant, and v is a Poisson's ratio (both are diffraction elastic constants).

上記式(5)は、従来のエリアディテクタ方式の3軸応力測定法の基礎式である。該式中のn1 〜n3 は、試料座標系に対するεα の方向余弦であり、それぞれ次式(6)で表される。
〔式(6)〕

ここで、
ηは、ブラッグ角θの補角〔(π/2)−θ〕であり、
Ψ0 は、測定点における被検物表面に対する法線と入射ビームとのなす角であり、
φ0 は、被検物表面への入射ビームの投影とx軸とのなす角である。
The above equation (5) is a basic equation of the conventional area detector type triaxial stress measurement method. N 1 ~n 3 in formula is the direction cosine of epsilon alpha relative to the sample coordinate system, respectively represented by the following formula (6).
[Formula (6)]

here,
η is the complementary angle [(π / 2) −θ] of the Bragg angle θ,
Ψ 0 is the angle between the normal to the surface of the specimen at the measurement point and the incident beam,
φ 0 is an angle formed by the projection of the incident beam on the surface of the test object and the x axis.

図8に示すように、任意のφ0 に対する回折環において、
εα :中心角α方向のひずみ、
επ+α :εα に対して中心角がπだけ異なる方向のひずみ、
ε−α :中心角−α方向のひずみ、
επ−α :ε−α に対して中心角がπだけ異なる方向のひずみ
について考え、これらを用いて次式(7)で表されるa1 〜a3 を求める。
〔式(7)〕
As shown in FIG. 8, in the diffractive ring for any φ 0 ,
ε α : strain in the central angle α direction,
ε π + α : strain in the direction where the central angle differs from ε α by π,
ε− α : strain in the central angle−α direction,
ε π-α: consider the central angle strain only different directions [pi relative epsilon-.alpha., seeking a 1 ~a 3 represented by the following formula (7) using these.
[Formula (7)]

上記式(7)に上記式(5)を代入すると、φ0 =0°のとき、次式(8)が得られる。
〔式(8)〕

ここで、ΦおよびΨは、それぞれ、次式(9)のとおりである。
〔式(9)〕
Substituting the above equation (5) into the above equation (7), the following equation (8) is obtained when φ 0 = 0 °.
[Formula (8)]

Here, Φ and Ψ are as shown in the following equation (9).
[Formula (9)]

上記式(8)より、a1 およびa2 は、それぞれ、cosα、sinαに関して直線的であることが判明する。また各直線の傾きは次式(10)で表される。
〔式(10)〕
From the above equation (8), it is found that a 1 and a 2 are linear with respect to cos α and sin α, respectively. The slope of each straight line is expressed by the following equation (10).
[Formula (10)]

次に、上記式(10)のそれぞれについて、Ψ0 >0(即ち、φ0 =0°側に傾いた方向からの入射)と、Ψ0<0(即ち、前者とは逆方向の、φ0 =180°側に傾いた方向からの入射)とに関する平均および偏差を求め、次式(11)のように、b1〜b4 と表す。
〔式(11)〕
上記式(10)を上記式(11)へ代入して整理すると、φ0 =0°のとき次式(12)が得られる。
〔式(12)〕

上記式(12)から、全てのせん断応力成分(τxy 、τxz 、τyz )と、x軸z軸の応力関係式(σx−σz )とが得られる。
Next, for each of the above formulas (10), ψ 0 > 0 (that is, incident from a direction inclined to φ 0 = 0 °) and ψ 0 <0 (that is, φ in the direction opposite to the former) 0 = incident from the direction inclined to the 180 ° side) and the deviation are obtained and expressed as b 1 to b 4 as in the following equation (11).
[Formula (11)]
Substituting the above equation (10) into the above equation (11) and rearranging, the following equation (12) is obtained when φ 0 = 0 °.
[Formula (12)]

From the above equation (12), all the shear stress components (τ xy , τ xz , τ yz ) and the stress relational expression (σ x −σ z ) of the x-axis and z-axis are obtained.

一方、上記式(8)、上記式(9)のΦより、y軸z軸の応力関係式(σy −σz )に関する次式(13)の関係が得られる。
〔式(13)〕

ここで、Φは、εα によって求められた上記式(7)のa3 を、cos2 αに対して直線近似したときの傾きであり、測定により得ることができる。
既に、上記式(12)によって、上記式(13)の右辺の(σx −σz )とτxz が判明しているので、上記式(13)とΦとから、(σy−σz )が決定できる。
On the other hand, the relationship of the following equation (13) relating to the stress relationship equation (σ y −σ z ) of the y-axis and the z-axis is obtained from Φ in the above equations (8) and (9).
[Formula (13)]

Here, Φ is an inclination when a 3 in the above equation (7) obtained by ε α is linearly approximated to cos 2 α, and can be obtained by measurement.
Since (σ x −σ z ) and τ xz on the right side of the above equation (13) are already known from the above equation (12), from the above equation (13) and Φ, (σ y −σ z ) Can be determined.

垂直応力成分σz を明らかにするためには、上記式(5)から導出される次式(14)の関係を用いる。
〔式(14)〕

ここで、Xは、次式(15)のように表される。
〔式(15)〕

上記式(15)のとおり、Xは、ここまでに判明した応力成分と既知数だけからなり、計算により値が確定する。従って、得られたXを上記式(14)に代入すると、Eおよびvは既知であるから、σz が判明する。
このようなσz は、回折環全体から得られる360個のデータの1つ1つからσz が得られるが、ばらつきの影響を考慮して、それらの平均値を採用することが好ましい。
σz と、既に得られている応力関係式(σx −σz )と(σy −σz)とから、σx とσy が判明し、その結果、6個の3軸応力成分(σx 、σy、σz 、τxy 、τyz 、τxz )がすべて判明する。
In order to clarify the normal stress component σ z , the relationship of the following equation (14) derived from the above equation (5) is used.
[Formula (14)]

Here, X is expressed as the following equation (15).
[Formula (15)]

As shown in the above equation (15), X is composed of only the stress component and the known number found so far, and the value is determined by calculation. Therefore, if the obtained X is substituted into the above equation (14), E and v are already known, so σ z is determined.
Such sigma z is one from one sigma z 360 pieces of data obtained from the whole diffraction rings are obtained, in consideration of the influence of the variation, it is preferable to employ an average value thereof.
From σ z and the already obtained stress relational expressions (σ x −σ z ) and (σ y −σ z ), σ x and σ y are determined. As a result, six triaxial stress components ( σ x , σ y , σ z , τ xy , τ yz , τ xz ) are all known.

以上が、従来のエリアディテクタ方式の3軸応力測定法における、3軸応力成分決定の原理である。
しかしながら、本発明者が、従来のエリアディテクタ方式による3軸応力測定方法を、詳細に検討したところ、測定精度が不十分な場合があることが新たに判明した。本発明者の研究によれば、上記した従来の方法では、σy 成分についての測定精度がとりわけ低いことがわかった。その原因は、ポアソン効果のために、φ0 =0°および180°方向だけから測定した回折環の半径変化にσyの作用が反映され難く、それによって測定感度が低くなることであると考えられる。
The above is the principle of determining the triaxial stress component in the conventional triaxial stress measurement method of the area detector method.
However, when the present inventor examined the triaxial stress measurement method by the conventional area detector method in detail, it was newly found that the measurement accuracy may be insufficient. According to the inventor's research, it has been found that the measurement accuracy for the σ y component is particularly low in the above-described conventional method. The cause of this is thought to be that due to the Poisson effect, the effect of σ y is hardly reflected in the radius change of the diffraction ring measured from only φ 0 = 0 ° and 180 ° directions, thereby lowering the measurement sensitivity. It is done.

特開2005−241308号公報JP-A-2005-241308

"Sasaki, T. and Hirose, Y., X-Ray Triaxial Stress Analysis Using Whole Diffraction Ring Detected with Imaging Plate, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series A, Vol. 61, No.590 (1995), pp. 2288-2295.""Sasaki, T. and Hirose, Y., X-Ray Triaxial Stress Analysis Using Whole Diffraction Ring Detected with Imaging Plate, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series A, Vol. 61, No.590 (1995), pp 2288-2295. "

本発明の課題は、上記した従来のエリアディテクタ方式の3軸応力測定法の問題点を解決し、より精度の高い測定方法を提供することにある。   An object of the present invention is to solve the above-described problems of the conventional area detector type triaxial stress measurement method and to provide a more accurate measurement method.

本発明は、この問題を解決するために成された発明であって、次の特徴を有するものである。
(1)被検物にX線を照射して得られる回折環に基いて被検物内に存在する応力を測定するX線応力測定方法であって、
被検物表面の測定点に対して、下記(A)で規定される4つの入射方向s1、s2、s3、s4にてX線を照射し、それぞれに回折環を得、
該入射方向s1、s3の回折環の組からは、x軸、z軸方向の応力の関係式(σx −σz )と、せん断応力τyz とを少なくとも求め、
該入射方向s2、s4の回折環の組からは、y軸、z軸方向の応力の関係式(σy −σz )と、せん断応力τxzとを少なくとも求め、
該入射方向s1、s3の回折環の組、および、該入射方向s2、s4の回折環の組のうちの一方または両方から、せん断応力τxy を求め、
以上によって得られた応力の関係式およびせん断応力からz軸方向の応力σz を求め、これらをもって、6個の3軸応力成分σx 、σy 、σz 、τxy、τyz 、τxz を得ることを特徴とする、X線応力測定方法。
(A)測定点における被検物表面の法線から所定の入射角度Ψ0 だけ傾いて測定点へ向かう4つの入射方向s1、s2、s3、s4であって、これらの入射方向は、測定点において直交するxy座標を被検物表面に規定し、これらの入射方向を被検物表面に投影したときに、入射方向s1とs3の投影がx軸に一致しかつ互いに対向し、入射方向s2とs4の投影がy軸に一致しかつ互いに対向するような位置関係にある、前記4つの入射方向s1、s2、s3、s4。
(2)せん断応力τxy を、入射方向s1とs3の回折環のペア、および、入射方向s2とs4の回折環のペアの両方からそれぞれに得られたせん断応力τxyのうちのいずれか一方の値、または、両方の値の平均値とする、上記(1)記載のX線応力測定方法。
(3)被検物が、多結晶性の物質からなる車輪またはコロであるか、多結晶性の物質からなるレールである、上記(1)または(2)記載のX線応力測定方法。
(4)被検物にX線を照射して得られる回折環に基いて被検物内に存在する応力を測定するX線応力測定方法であって、
被検物表面の測定点に対して、下記(B)で規定される3つの入射方向t1、t2、t3にてX線を照射し、それぞれに回折環を得、
入射方向t1の回折環からは、せん断応力τxz 、τyzを求め、
入射方向t2の回折環からは、x軸、z軸方向の応力の関係式(σx −σz )と、せん断応力τxy とを求め、かつ、
入射方向t3の回折環からは、x軸、z軸方向の応力の関係式(σy −σz )と、せん断応力τxy とを求め、
以上によって得られたせん断応力および応力の関係式からz軸方向の応力σz を求め、これらをもって、6個の3軸応力成分σx 、σy 、σz 、τxy、τyz 、τxz を得ることを特徴とする、X線応力測定方法。
(B)測定点における被検物表面の法線に沿って測定点へ向かう入射方向t1と、該法線から所定の入射角度Ψ0 だけ傾いて測定点へ向かう2つの入射方向t2、t3とからなる3つの入射方向t1、t2、t3であって、入射方向t2、t3は、測定点において直交するxy座標を被検物表面に規定し、これらの入射方向を被検物表面に投影したときに、入射方向t2の投影がx軸に一致し、入射方向t3の投影がy軸に一致するような位置関係にある、前記3つの入射方向t1、t2、t3。
(5)せん断応力τxy を、入射方向t2とt3の回折環からそれぞれに得られたせん断応力τxy の平均値とする、上記(4)記載のX線応力測定方法。
(6)当該X線応力測定方法を実施するに際し、先に、被検物表面の測定点に対して上記入射方向t1でのX線の照射を行ない、その回折環から求められるせん断応力τxz またはせん断応力τyz に基いて、被検物内部の応力の状態を判断する、上記(5)記載のX線応力測定方法。
The present invention has been made to solve this problem, and has the following features.
(1) An X-ray stress measurement method for measuring stress existing in a test object based on a diffraction ring obtained by irradiating the test object with X-rays,
The measurement points on the surface of the test object are irradiated with X-rays in the four incident directions s1, s2, s3, and s4 defined in (A) below, and a diffraction ring is obtained for each.
From the set of diffraction rings in the incident directions s1 and s3, at least a relational expression (σ x −σ z ) of stress in the x-axis and z-axis directions and a shear stress τ yz are obtained.
From the set of diffraction rings in the incident directions s2 and s4, at least a relational expression (σ y −σ z ) of stress in the y-axis and z-axis directions and a shear stress τ xz are obtained,
A shear stress τ xy is obtained from one or both of the set of diffraction rings in the incident directions s1 and s3 and the set of diffraction rings in the incident directions s2 and s4,
The stress σ z in the z-axis direction is obtained from the relational expression of stress obtained as described above and the shear stress, and these are used to obtain six triaxial stress components σ x , σ y , σ z , τ xy , τ yz , τ xz. X-ray stress measurement method characterized by obtaining.
(A) Four incident directions s1, s2, s3, and s4 that are inclined by a predetermined incident angle Ψ 0 from the normal of the surface of the test object at the measurement point and head toward the measurement point. Are defined on the surface of the test object, and when these incident directions are projected onto the surface of the test object, the projections of the incident directions s1 and s3 coincide with the x axis and face each other, and the incident direction s2 The four incident directions s1, s2, s3, and s4 are in such a positional relationship that the projections of s4 and s4 coincide with the y-axis and face each other.
(2) One of the shear stress τ xy obtained from each of the pair of diffractive rings in the incident directions s1 and s3 and the pair of diffractive rings in the incident directions s2 and s4 is determined as the shear stress τ xy. The X-ray stress measurement method according to the above (1), wherein the value is an average value of both values or both values.
(3) The X-ray stress measurement method according to (1) or (2) above, wherein the test object is a wheel or roller made of a polycrystalline substance, or a rail made of a polycrystalline substance.
(4) An X-ray stress measurement method for measuring stress existing in a test object based on a diffraction ring obtained by irradiating the test object with X-rays,
The measurement points on the surface of the test object are irradiated with X-rays in the three incident directions t1, t2, and t3 defined in the following (B), and a diffraction ring is obtained for each.
From the diffraction ring in the incident direction t1, shear stresses τ xz and τ yz are obtained,
From the diffraction ring in the incident direction t2, the relational expression (σ x −σ z ) of the stress in the x-axis and z-axis directions and the shear stress τ xy are obtained, and
From the diffraction ring in the incident direction t3, the relational expression (σ y −σ z ) of the stress in the x-axis and z-axis directions and the shear stress τ xy are obtained,
The stress σ z in the z-axis direction is obtained from the relational expression of the shear stress and the stress obtained as described above, and with these, six triaxial stress components σ x , σ y , σ z , τ xy , τ yz , τ xz are obtained. X-ray stress measurement method characterized by obtaining.
(B) An incident direction t1 toward the measurement point along the normal line of the surface of the test object at the measurement point, and two incident directions t2 and t3 that are inclined from the normal line by a predetermined incident angle ψ 0 toward the measurement point. Are incident directions t1, t2, and t3, and the incident directions t2 and t3 define xy coordinates orthogonal to the measurement point on the surface of the test object, and project these incident directions on the surface of the test object. Sometimes the three incident directions t1, t2, and t3 are in such a positional relationship that the projection in the incident direction t2 coincides with the x-axis and the projection in the incident direction t3 coincides with the y-axis.
(5) shear stress tau the xy, an average value of the shear stress tau xy obtained respectively from the diffraction ring in the direction of incidence t2 and t3, the (4) X-ray stress measuring method described.
(6) In carrying out the X-ray stress measurement method, first, X-ray irradiation in the incident direction t1 is performed on the measurement point on the surface of the test object, and the shear stress τ xz obtained from the diffraction ring is obtained. Alternatively , the X-ray stress measurement method according to (5), wherein the state of stress inside the test object is determined based on the shear stress τ yz .

上記したように、従来のエリアディテクタ方式による3軸応力測定法では、測定点における被検物表面の法線について対称な一対の入射方向だけを用いている。図9に示すように、この一対の入射方向は、これらを被検物表面に投影したとき、測定点において被検物表面上に規定したxy直交座標のx軸に一致し(その投影方向をx軸とすると考えることもできる)、互いに対向する方向である。即ち、一対の入射方向の投影の一方を規準方向としてφ0 =0°の方向としたとき、他方はφ0 =180°の方向である。以下、もとの斜めの入射方向についても、φ0=0°の入射方向、φ0 =180°の入射方向などと、被検物表面に投影したときの方向を用いて区別する。 As described above, in the conventional triaxial stress measurement method using the area detector method, only a pair of incident directions that are symmetric with respect to the normal of the surface of the test object at the measurement point are used. As shown in FIG. 9, when the pair of incident directions are projected onto the surface of the test object, they coincide with the x-axis of the xy orthogonal coordinates defined on the surface of the test object at the measurement point (the projection direction is the same). It can also be considered to be the x-axis), the directions facing each other. That is, when one of a pair of projections in the incident direction is a direction of φ 0 = 0 ° as a reference direction, the other is a direction of φ 0 = 180 °. Hereinafter, the original oblique incident direction is also distinguished from the incident direction of φ 0 = 0 °, the incident direction of φ 0 = 180 °, and the like using the direction projected on the surface of the test object.

図9のような互いに反対側に位置する2方向のX線照射による3軸応力測定では、10-7 〜10-6 の桁で四捨五入したひずみデータに対しては有効な応力計算結果を与えるが、それよりも誤差を多く含むデータ(例えば、10-5の桁で四捨五入したデータ)に対してはσy 成分を中心に応力計算誤差が増加し、測定値のばらつきにもよるが、例えば45%もの誤差に達する場合もある。
上記したように、その原因は、ポアソン効果のために、φ0 =0°およびφ0 =180°の方向からのX線照射による回折環の半径変化にσy の作用が反映され難く、よって測定感度が低くなるからであると考えられる。
In the triaxial stress measurement by X-ray irradiation in two directions located on opposite sides as shown in FIG. 9, an effective stress calculation result is given for strain data rounded off to the order of 10 −7 to 10 −6. For data including more errors than that (for example, data rounded off to the order of 10 −5 ), the stress calculation error increases centering on the σ y component, and for example 45 % Error may be reached.
As described above, because of the Poisson effect, the effect of σ y is difficult to be reflected in the radius change of the diffraction ring due to X-ray irradiation from the directions of φ 0 = 0 ° and φ 0 = 180 °. This is probably because the measurement sensitivity is lowered.

これに対して、本発明の測定方法の第一の態様では、上記(A)のとおり、従来どおりの2つの入射方向s1(φ0 =0°の方向)、s3(φ0=180°の方向)に加えて、入射方向s2(φ0 =90°の方向)、s4(φ0=270°の方向)からもX線を照射し、計4方向からの照射で得られるそれぞれの回折環を用いて3軸応力測定を決定する。
このとき、単に測定を多方向から行うというだけなく、少なくとも(σx −σz)、τyz については、入射方向a1、a3による回折環の組から得たものを用い、また、少なくとも(σy−σz )、τxz については、入射方向a2、a4による回折環の組から得たものを用い、これらを用いて新たな応力と関係式のセットσz 、(σx −σz)、(σy −σz )、τxy 、τxz 、τyzを構成し、ここから、6個の3軸応力成分σx 、σy 、σz 、τxy 、τyz、τxz を求めている。
その結果、10-7 〜10-6 の桁で四捨五入したひずみデータに対しては実用範囲内の応力計算結果を与え、さらに、10-5の桁で四捨五入したデータに対しても誤差が10%台に留まり、従来の方法よりも誤差が少なくなることが判明した。
On the other hand, in the first aspect of the measurement method of the present invention, as in (A) above, two conventional incident directions s1 (direction of φ 0 = 0 °) and s3 (φ 0 = 180 °) In addition to the incident direction s2 (direction of φ 0 = 90 °) and s4 (direction of φ 0 = 270 °), each diffraction ring obtained by irradiation from a total of four directions. To determine the triaxial stress measurement.
At this time, the measurement is not simply performed from multiple directions, but at least (σ x −σ z ) and τ yz are obtained from a set of diffraction rings in the incident directions a1 and a3, and at least (σ y− σ z ) and τ xz are obtained from a set of diffraction rings with incident directions a2 and a4, and are used to set a new stress and a relational set σ z and (σ x −σ z ). , (Σ y −σ z ), τ xy , τ xz , τ yz , from which six triaxial stress components σ x , σ y , σ z , τ xy , τ yz , τ xz are obtained. ing.
As a result, the stress calculation result within the practical range is given to the strain data rounded off to 10 −7 to 10 −6 , and the error is 10% even to the data rounded off to 10 −5. It was found that the error stayed on the table and there were fewer errors than the conventional method.

また、本発明の測定方法の第二の態様では、3つの入射方向によるX線照射で得られるそれぞれの回折環を用いて3軸応力測定を決定する。
この3つの入射方向とは、上記(B)のとおり、測定点における被検物表面の法線に沿って測定点へ向かう入射方向t1(以下、垂直入射方向とも呼び、その方向からの入射を垂直入射とも呼ぶ)と、該法線から所定の入射角度Ψ0 だけ傾いて測定点へ向かう2つの入射方向t2(φ0 =0°の方向)、t3(φ0 =90°の方向)である。
その結果、3個の回折環から全3軸応力成分が決定できると共に、第一の態様を上回る測定精度が得られ、とりわけσy の測定精度が向上することが判明した。
In the second aspect of the measurement method of the present invention, triaxial stress measurement is determined using each diffraction ring obtained by X-ray irradiation in three incident directions.
These three incident directions are, as described in (B) above, incident direction t1 (hereinafter also referred to as a normal incident direction) toward the measurement point along the normal of the surface of the test object at the measurement point. 2), two incident directions t2 (φ 0 = 0 ° direction) and t3 (φ 0 = 90 ° direction) that are inclined from the normal by a predetermined incident angle Ψ 0 toward the measurement point. is there.
As a result, it was found that all triaxial stress components can be determined from the three diffraction rings, and measurement accuracy exceeding the first aspect is obtained, and in particular, measurement accuracy of σ y is improved.

またさらに、本発明の測定方法の第二の態様では、垂直入射だけを先に行ない、その回折環から得られるせん断応力τxz 、τyz に基いて、被検物内部の応力の状態を判断することを提案している。
X線の垂直入射だけによって被検物内部の応力の状態を判断するという手法は、簡略的であり、かつ、X線応力測定ではもっぱら斜め照射を行っていた従来の方法とは全く異なるものであるが、レールなどにおける転動接触によって生じる独特の応力に対しては、その状態を大まかに判定する方法として格別なる意義をもつ。
よって、例えば、鉄道レールの長い区間に対して、X線の垂直照射を先に行って内部応力の概要的な判断を行ない、再検査を要する部位を見つけ出してから、その部分に対してX線の斜め照射を行ない、詳細な3軸応力測定を行うことも可能となる。
また、鉄道レールでは、せん断応力τxz を測定することで、レールの初期の劣化の状態、および、き裂発生を検出でき、レールの検査方法の基準として有効である。
Furthermore, in the second aspect of the measurement method of the present invention, only normal incidence is performed first, and the state of stress inside the test object is determined based on the shear stress τ xz and τ yz obtained from the diffraction ring. Propose to do.
The method of judging the state of stress inside the test object only by normal incidence of X-rays is simple and completely different from the conventional method in which X-ray stress measurement is mainly performed obliquely. However, the unique stress caused by rolling contact on a rail or the like has a special significance as a method for roughly determining the state.
Therefore, for example, for a long section of a railroad rail, vertical irradiation of X-rays is performed first to make a general determination of internal stress, and a part requiring reexamination is found. It is also possible to perform detailed triaxial stress measurement by performing oblique irradiation.
In addition, by measuring the shear stress τ xz in a railroad rail, it is possible to detect the initial deterioration state of the rail and the occurrence of cracks, which is effective as a reference for the rail inspection method.

図1は、本発明によるX線応力測定方法の構成を説明する図であって、図1(a)は本発明の第一の態様、図1(b)は本発明の第二の態様を示している。FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of an X-ray stress measurement method according to the present invention. FIG. 1 (a) shows a first aspect of the present invention, and FIG. 1 (b) shows a second aspect of the present invention. Show. 図2(a)〜(c)は、斜め入射(φ0 =0°、90°)、垂直入射(Ψ0 =0°)における、ひずみεαと、応力σy 、τxz τyz との関係を示すグラフ図である。FIGS. 2A to 2C show the strain ε α and the stresses σ y and τ xz τ yz at oblique incidence (φ 0 = 0 °, 90 °) and normal incidence (Ψ 0 = 0 °). It is a graph which shows a relationship. 図3は、順解析計算により得られた(入射方向φ0 =0°、傾きΨ0 =30°)でのX線照射に対するεα分布を示すグラフ図である。3 was obtained by sequentially analysis calculation (incident direction φ 0 = 0 °, the inclination Ψ 0 = 30 °) is a graph showing the epsilon alpha distribution for X-ray irradiation at. 図4は、本発明の実施例1のシミュレーションにおける応力計算結果を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing stress calculation results in the simulation of Example 1 of the present invention. 図5は、本発明の実施例2において、測定された回折環の画像の例を示す写真図である。FIG. 5 is a photograph showing an example of a measured diffraction ring image in Example 2 of the present invention. 図6は、本発明の実施例2において、レール試料の回折おいて求めたa1 線図である。FIG. 6 is an a 1 diagram obtained by diffraction of a rail sample in Example 2 of the present invention. 図7は、測定データに対して、従来のエリアディテクタ方式の3軸応力測定法、本発明の測定方法の第一、第二の態様を適用したときに得られた応力成分を比較した図である。FIG. 7 is a diagram comparing the stress components obtained when the conventional area detector type triaxial stress measurement method and the first and second aspects of the measurement method of the present invention are applied to the measurement data. is there. 図8は、従来のエリアディテクタ法における、エリアディテクタと被検物の配置関係、および、回折環(Debye-Scherrer 環)と、応力計算に用いるための4つの歪の定義を説明する図である。FIG. 8 is a diagram for explaining the positional relationship between the area detector and the test object, the diffraction ring (Debye-Scherrer ring), and the definition of four strains used for stress calculation in the conventional area detector method. . 図9は、従来のエリアディテクタにおける、回折環の測定法を説明する図である。FIG. 9 is a diagram for explaining a method of measuring a diffraction ring in a conventional area detector.

先ず、本発明のX線応力測定方法の第一の態様(本発明の第一の方法とも呼ぶ)について説明する。
本発明の第一の態様は、少なくとも、次の操作を有する。
先ず、図1(a)に示すように、被検物表面の測定点に対して、上記(A)で規定される4つの入射方向s1、s2、s3、s4にてX線を照射し、それぞれに回折環を得る。
ここで、4つの入射方向s1、s2、s3、s4は、これらを被検物表面に投影したとき、測定点において直交する被検物表面上のxy座標に対して、入射方向s1、s3の投影がx軸に一致しかつ互いに対向する方向であり、入射方向s2、s4の投影がy軸に一致しかつ互いに対向する方向である。即ち、入射方向s1を規準方向としてφ0 =0°の方向としたとき、入射方向s3はφ0 =180°の方向であり、これらs1、s3に対して、入射方向s2をφ0=90°の方向としたとき、入射方向s4はφ0 =270°の方向である。
First, the first aspect of the X-ray stress measurement method of the present invention (also referred to as the first method of the present invention) will be described.
The first aspect of the present invention has at least the following operations.
First, as shown in FIG. 1A, the measurement points on the surface of the test object are irradiated with X-rays in the four incident directions s1, s2, s3, and s4 defined in (A) above. Each obtains a diffractive ring.
Here, when the four incident directions s1, s2, s3, and s4 are projected onto the surface of the test object, the incident directions s1 and s3 correspond to the xy coordinates on the test object surface orthogonal to the measurement point. The projections coincide with the x axis and face each other, and the projections in the incident directions s2 and s4 coincide with the y axis and face each other. That is, when the incident direction s1 is the reference direction and φ 0 = 0 °, the incident direction s3 is φ 0 = 180 °, and the incident direction s2 is φ 0 = 90 with respect to these s1 and s3. When the direction is °, the incident direction s4 is a direction of φ 0 = 270 °.

次に、入射方向s1、s3の回折環の組、および、該入射方向s2、s4の回折環の組から、それぞれ、応力および応力の関係式σz 、(σx −σz )、(σy −σz )、τxy、τxz 、τyz を求める。
入射方向s1、s3の回折環の組から、応力のセットを求める計算手法それ自体は、従来のエリアディテクタ方式の3軸応力測定法と同様である。
一方、入射方向s2(φ0 =90°の方向)、s4(φ0 =270°の方向)の回折環の組から、応力のセットを求める手法についても、基本的には、従来の方法と同様であるが、この場合、上記式(10)に対応する式として、次式(16)が上記式(5)〜(7)より得られる。
〔式(16)〕

上記式(16)を、上記式(11)のb1 〜b4 に代入して応力成分を求めると、次式(17)のように、τyz 、(σy −σz )、τxz 、τxy が得られる。
〔式(17)〕
また、従来の方法と同様に、上記式(13)、(14)によって、(σx −σz)、(σy −σz )、τxz が決定でき、また、τxy も決定できる。
Next, from the set of diffraction rings in the incident directions s1 and s3 and the set of diffraction rings in the incident directions s2 and s4, stresses and stress relational expressions σ z , (σ x −σ z ), (σ y− σ z ), τ xy , τ xz , τ yz are obtained.
The calculation method itself for obtaining the set of stress from the set of diffraction rings in the incident directions s1 and s3 is the same as the conventional triaxial stress measurement method of the area detector method.
On the other hand, a method for obtaining a stress set from a set of diffraction rings in the incident direction s2 (φ 0 = 90 °) and s4 (φ 0 = 270 °) is basically the same as the conventional method. In this case, the following equation (16) is obtained from the equations (5) to (7) as an equation corresponding to the equation (10).
[Formula (16)]

When the stress component is obtained by substituting the above equation (16) into b 1 to b 4 of the above equation (11), τ yz , (σ y −σ z ), τ xz as shown in the following equation (17). , Τ xy is obtained.
[Formula (17)]
Similarly to the conventional method, (σ x −σ z ), (σ y −σ z ), and τ xz can be determined by the above equations (13) and (14), and τ xy can also be determined.

以上のようにして、入射方向s1、s3の回折環の組、および、該入射方向s2、s4の回折環の組から、応力および応力の関係式、即ち、σz 、(σx −σz )、(σy −σz )、τxy、τxz 、τyz が求められる。
本発明では、ここで、それぞれの応力のセットに含まれる応力のうち、少なくとも(σx −σz )、τyz については、入射方向s1、s3の回折環の組から得られた応力を採用し、少なくとも(σy −σz)、τxz については、入射方向s2、s4の回折環の組から得られた応力を採用し、これらを組み合わせて〔(σx−σz )、(σy −σz )、σz 、τxy 、τyz、τxz 〕を構成し、そこから、6個の3軸応力成分σx 、σy 、σz、τxy 、τyz 、τxz を求める。
これによって、本発明において新たに加えた入射方向s2、s4の回折環の組から得た応力(σy −σz )、τxz が計算に用いられ、測定精度が向上する。
As described above, from the set of diffraction rings in the incident directions s1 and s3 and the set of diffraction rings in the incident directions s2 and s4, the relational expression of stress and stress, that is, σ z , (σ x −σ z ), (Σ y −σ z ), τ xy , τ xz , τ yz .
In the present invention, the stress obtained from the set of diffraction rings in the incident directions s1 and s3 is adopted for at least (σ x −σ z ) and τ yz out of the stress included in each stress set. For at least (σ y −σ z ) and τ xz , the stress obtained from the set of diffraction rings in the incident directions s2 and s4 is adopted, and these are combined to [(σ x −σ z ), (σ y −σ z ), σ z , τ xy , τ yz , τ xz ], from which six triaxial stress components σ x , σ y , σ z , τ xy , τ yz , τ xz Ask.
As a result, the stress (σ y −σ z ) and τ xz obtained from the set of diffraction rings in the incident directions s2 and s4 newly added in the present invention are used in the calculation, and the measurement accuracy is improved.

本発明の第一の態様では、4方向の回折環測定が必要であり、これは、図9に示した従来のエリアディテクタ3軸応力測定法における2方向の測定に比べ2倍となる。しかし、σy の測定精度が向上し、かつ、それに影響を受けるσx 、σzの測定精度の向上も期待できる。 In the first aspect of the present invention, four-direction diffraction ring measurement is required, which is twice as much as the two-direction measurement in the conventional area detector triaxial stress measurement method shown in FIG. However, the measurement accuracy of σ y can be improved, and the measurement accuracy of σ x and σ z affected by the measurement accuracy can also be expected.

せん断応力τxy については、入射方向s1、s3の回折環の組、および、該入射方向s2、s4の回折環の組からそれぞれに得られるτxy のどちらを採用してもよいが、それぞれに得られたτxy の平均値を用いることが好ましい。
また、この時点までで得られている応力成分を用いて、回折環上の1つ1つの点から、σz が決定される。回折環の全周360°から360個のσzが得られるので、平均値を求め、信頼性を向上させることが好ましい。
As the shear stress τ xy, any of the set of diffraction rings in the incident directions s1 and s3 and τ xy obtained from the set of diffraction rings in the incident directions s2 and s4 may be adopted. It is preferable to use the average value of the obtained τ xy .
Also, σ z is determined from each point on the diffraction ring using the stress component obtained up to this point. Since 360 σ z are obtained from 360 ° to the entire circumference of the diffraction ring, it is preferable to obtain an average value and improve the reliability.

次に、本発明によるX線応力測定方法の第二の態様について説明する。
本発明の第二の態様では、図1(b)に示すように、被検物表面の測定点に対して、上記(B)で規定される3つの入射方向t1、t2、t3にてX線を照射し、それぞれに回折環を得る。入射方向t1をφ0 =0°または180°の方向とするとき、入射方向t3はφ0 =90°または270°の方向であるが、それらの組合せは、入射方向t1をφ0 =0°の方向とし、t3をφ0 =90°の方向とする組合せと等価である。
Next, a second aspect of the X-ray stress measurement method according to the present invention will be described.
In the second aspect of the present invention, as shown in FIG. 1 (b), X is measured in the three incident directions t1, t2, and t3 defined in (B) above with respect to the measurement points on the surface of the test object. Irradiate a line to obtain a diffractive ring for each. When the incident direction t1 is a direction of φ 0 = 0 ° or 180 °, the incident direction t3 is a direction of φ 0 = 90 ° or 270 °, but a combination of them makes the incident direction t1 φ 0 = 0 °. This is equivalent to a combination in which t3 is a direction of φ 0 = 90 °.

第二の態様では、第一の態様におけるs1(φ0=0°)とs3(φ0 =180°)との対、s2(φ0 =90°)とs4(φ0 =270°)との対といった対向方向からのX線照射を用いず、その代わりに、Ψ0 =0°の法線方向にX線を入射させて得られる回折環を使用し、それによって、必要な回折環の測定数を減らしている。 In the second mode, the pair of s1 (φ 0 = 0 °) and s3 (φ 0 = 180 °), s2 (φ 0 = 90 °) and s4 (φ 0 = 270 °) in the first mode Instead of using X-ray irradiation from the opposite direction, such as a pair of diffractors, a diffractive ring obtained by making X-rays incident in the normal direction of Ψ 0 = 0 ° is used instead. The number of measurements is reduced.

第二の態様における、3つの入射方向によるX線照射の回折環から応力を求める計算手法は次のとおりである。
X線を垂直入射させる場合(Ψ0 =0の場合)、上記式(10)中の2つの式は、それぞれ、次式(18)の2つの式のようになる。
〔式(18)〕
上記式より、せん断応力τxz 、τyz が、次式(19)のように得られる。
〔式(19)〕
In the second embodiment, the calculation method for obtaining the stress from the diffraction ring of the X-ray irradiation by the three incident directions is as follows.
In the case where X-rays are vertically incident (when Ψ 0 = 0), the two expressions in the above expression (10) are respectively the following two expressions (18).
[Formula (18)]
From the above equations, shear stresses τ xz and τ yz are obtained as in the following equation (19).
[Formula (19)]

本発明者は、鋭意研究を行ない、回折環形状に対するτxz 、τyzの影響は、Ψ0 =0のときが最も大きく、従って、応力測定には最適な条件であることを知見した。この点については、φ0 方向と、ひずみεαの変化についての説明において後述する。
τxz が得られると、Ψ0 ≠0のときが、即ち、t2の方向の斜め照射において、上記式(10)の第一式からσx −σzが次式(20)のように得られる(Ψ0 は、45°であるときが最も高精度であり、0°、90°に近くなると、精度が低下する)。
〔式(20)〕
The present inventor has conducted extensive research and found that the influence of τ xz and τ yz on the diffraction ring shape is greatest when Ψ 0 = 0, and is therefore the optimum condition for stress measurement. In this regard, a phi 0 direction will be described later in the descriptions of the change in strain epsilon alpha.
When τ xz is obtained, when Ψ 0 ≠ 0, that is, in oblique irradiation in the direction of t2, σ x −σ z is obtained from the first expression of the above expression (10) as the following expression (20). ([Psi] 0 is the most accurate when it is 45 [deg.], And the accuracy decreases when it approaches 0 [ deg.] And 90 [deg.]).
[Formula (20)]

同様に、上記式(19)の第二式から得られるτyz を用いると、t2の方向の斜め照射において、上記式(16)の第一式から、σy −σzが、次式(21)のように得られる。
〔式(21)〕
Similarly, when τ yz obtained from the second equation of the above equation (19) is used, in the oblique irradiation in the direction of t2, from the first equation of the above equation (16), σ y −σ z is expressed by the following equation ( 21).
[Formula (21)]

次に、τxy については、φ0 =0°、および、φ0 =90°におけるa2 の関係を用いる。即ち、τxz、τyz は、既に式(19)から得られているので、式(10)および式(16)のそれぞれ第二式より、次式(22)の関係が得られる。
〔式(22)〕
τxy については、上記式(22)の2つの式の計算精度は等価であり、上記のいずれを用いてもよいが、両者を平均することで信頼性が向上する。
以上の結果から、本発明の第一の態様と同様に、上記式(14)を用いてσz が決定できる。また、σz が得られると、(σx−σz )と(σy −σz )の値から、σx とσyが直ちに判明し、6個の3軸応力成分σx 、σy 、σz 、τxy 、τyz、τxz が得られる。
本発明の第二の態様では、図1(b)からも明らかなとおり、3方向の回折環測定を行っており、上述の第一の態様よりも回折環測定が1方向少ないという利点がある。
Next, for τ xy , the relationship of a 2 at φ 0 = 0 ° and φ 0 = 90 ° is used. That is, since τ xz and τ yz are already obtained from the equation (19), the relationship of the following equation (22) is obtained from the second equations of the equations (10) and (16).
[Formula (22)]
Regarding τ xy , the calculation accuracy of the two equations (22) is equivalent, and any of the above may be used, but reliability is improved by averaging both.
From the above results, σ z can be determined using the above formula (14), as in the first aspect of the present invention. When σ z is obtained, σ x and σ y are immediately determined from the values of (σ x −σ z ) and (σ y −σ z ), and six triaxial stress components σ x and σ y are obtained. , Σ z , τ xy , τ yz , τ xz are obtained.
In the second aspect of the present invention, as is clear from FIG. 1B, three-direction diffraction ring measurement is performed, and there is an advantage that the diffraction ring measurement is smaller in one direction than the first aspect described above. .

ここで、φ0 方向と、ひずみεα の変化について説明する。
下記式(23)のように、σy (一例として、100MPa)のみが作用するときの回折環全周におけるεαの分布、および、それに対するφ0 の影響を、図2(a)のグラフ図に示す。計算条件は後述のシミュレーションと同様である(X線入射角度Ψ0 を30°とし、第二の態様ではΨ0 =0°の場合を含む)。
〔式(23)〕

図2(a)のグラフに示すとおり、εα の変化幅は、φ0 =90°で大きく、φ0 =0°のときの約8.2倍を示している。また、φ0=0°では、φ0 =90°よりやや複雑な変化を呈している。
よって、σy を測定する場合は、φ0 =90°のひずみ分布を用いる方が有利であることが分かる。
Here, a phi 0 direction, the change in strain epsilon alpha explained.
As shown in the following formula (23), the distribution of ε α in the entire circumference of the diffraction ring when only σ y (for example, 100 MPa) acts, and the influence of φ 0 on the distribution are shown in the graph of FIG. Shown in the figure. The calculation conditions are the same as in the simulation described later (including the case where the X-ray incident angle Ψ 0 is 30 ° and Ψ 0 = 0 in the second mode).
[Formula (23)]

As shown in the graph of FIG. 2 (a), the variation width of the epsilon alpha is greater at φ 0 = 90 °, shows about 8.2 times the time of φ 0 = 0 °. Further, φ 0 = 0 ° exhibits a slightly more complicated change than φ 0 = 90 °.
Therefore, when measuring σ y , it can be seen that it is more advantageous to use a strain distribution of φ 0 = 90 °.

上記と同様に、τxz について、次式(24)を仮定して検討する。
〔式(24)〕

図2(b)は、τxz に対するεα である。φ0 =90°でのεα の変化幅は、φ0 =0°のときの約1.75倍となり、τxz を測定するときはφ0 =90°のひずみ分布を用いるべきであると言える。
尚、図2(b)に示されるように、垂直入射(Ψ0 =0°)の場合には、φ0 =0°のときの2.0倍、また、φ0 =90°のときの1.15倍のひずみ変化となり測定に有利であることが分かる。
Similarly to the above, τ xz is examined assuming the following equation (24).
[Formula (24)]

FIG. 2B shows ε α with respect to τ xz . variation of epsilon alpha at φ 0 = 90 ° becomes about 1.75 times in the case of φ 0 = 0 °, and when to measure tau xz should be used strain distribution of φ 0 = 90 ° I can say that.
As shown in FIG. 2B, in the case of normal incidence (Ψ 0 = 0 °), it is 2.0 times that when φ 0 = 0 °, and when φ 0 = 90 °. It can be seen that the strain change is 1.15 times, which is advantageous for measurement.

上記と同様に、τyz について、下記式(25)を仮定して検討する。
〔式(25)〕

図2(c)に示すように、τxz の場合と類似した傾向が見られ、φ0 =0°でのεαは、φ0 =90°でのεα の約1.75倍大きいことが分かる。よって、τyz に対する逆解析にはφ0=0°の条件を用いることが望ましい。
垂直入射の場合に最も感度が高くなる点もτxz と同様(φ0 =90°方向の2.0倍、φ0=0°方向の1.15倍)である。
Similarly to the above, τ yz is examined on the assumption of the following formula (25).
[Formula (25)]

As shown in FIG. 2C, a tendency similar to that in the case of τ xz is observed, and ε α at φ 0 = 0 ° is approximately 1.75 times larger than ε α at φ 0 = 90 °. I understand. Therefore, it is desirable to use the condition of φ 0 = 0 ° for the inverse analysis with respect to τ yz .
The point that the sensitivity is highest in the case of normal incidence is also the same as τ xz0 = 2.0 times in the 90 ° direction and 1.15 times in the φ 0 = 0 direction).

本発明の測定方法を適用すべき被検物は、多結晶性の材料(例えば、金属、セラミックス、特定のプラスチックなど)からなるものであればよく、特に限定はされないが、鉄道などの車輪やコロ(特にその外周面)、レール、ベアリングなどといった、転動接触を繰り返し受けるような物品に対して、また、研削加工された部品、析出相が存在する材料などに対して、3軸応力を測定する本発明の有用性は顕著になる。
尚、本発明の応力測定方法は、3軸応力を求めるステップを有するので、X線3軸応力測定方法と呼ぶことができるが、当然に、1軸、2軸の応力測定に利用してもよい。
The test object to which the measurement method of the present invention is applied is not particularly limited as long as it is made of a polycrystalline material (for example, metal, ceramics, specific plastic, etc.). Triaxial stress is applied to articles that are repeatedly subjected to rolling contact, such as rollers (especially their outer peripheral surfaces), rails, bearings, etc., and to ground parts and materials with precipitated phases. The utility of the present invention to measure becomes significant.
The stress measurement method of the present invention has a step of obtaining triaxial stress, and can be called an X-ray triaxial stress measurement method. Good.

本発明の第二の態様では、発明の効果の説明において述べたとおり、垂直入射だけを先に行ない、その回折環から得られるせん断応力τxz 、τyz に基いて、被検物内部の応力の状態を判断する。この判断手法は、レールなどにおける転動接触によって生じる応力や、疲労の有無の判断に対しては、格別なる意義をもつ。
鉄道のレールなど、転動接触を受ける物品の内部に生じる応力は特殊であり、とりわけ、せん断応力τxz 、τyz の性質は特異である。
転動接触疲労の初期亀裂は、せん断応力τxz によって発生する。そして、せん断応力は、車輪の通過により負から正へ変化する。これに対して、他の応力成分は、車輪の通過によっても符号が変らない。
また、せん断応力τxz が最大となるのは、接触面ではなく内部である。これに対して、他の応力成分は接触面で最大となる。
このような転動接触を受ける物品に対して、従来公知の応力測定法によって平面応力を測定したのでは、3軸応力状態かつ擬静水圧状態のときσx −σz =0、σx −σz=0である。即ち、σx 、σ 、σz が、顕著な値を有していても、平面応力を測定するだけの方法ではゼロ応力を与えてしまい、応力が無く危険は無いと誤解して判断してしまう可能性がある。
これに対して、本発明の方法をレールや車輪などの表面に適用すれば、正しい残留応力がより高い精度にて求められる。
In the second aspect of the present invention, as described in the description of the effect of the invention, only normal incidence is performed first, and the stress inside the test object is based on the shear stress τ xz and τ yz obtained from the diffraction ring. Determine the state. This determination method has a special significance for the determination of the stress caused by rolling contact on a rail or the like and the presence or absence of fatigue.
Stresses generated in articles such as railroad rails that undergo rolling contact are special, and in particular, the properties of shear stress τ xz and τ yz are unique.
The initial crack of rolling contact fatigue is generated by the shear stress τ xz . The shear stress changes from negative to positive as the wheel passes. On the other hand, the sign of other stress components does not change even when the wheels pass.
Further, the shear stress τ xz is maximized not in the contact surface but in the interior. On the other hand, other stress components become maximum at the contact surface.
When the plane stress is measured by a conventionally known stress measurement method for an article subjected to such rolling contact, σ x −σ z = 0, σ x − in the triaxial stress state and the pseudohydrostatic pressure state. σ z = 0. In other words, even if σ x , σ y , and σ z have significant values, the method of measuring only plane stress gives zero stress and misunderstands that there is no stress and there is no danger. There is a possibility that.
On the other hand, if the method of the present invention is applied to the surfaces of rails, wheels, etc., the correct residual stress can be obtained with higher accuracy.

また、本発明の第二の態様において垂直入射だけを行えば、前記した転動接触における特殊なせん断応力τxz についての評価を、簡単にかつ効果的に知ることができ、さらなる精密検査を行うべきか否かを判断することが可能になる。
この垂直入射だけを行ない、それによって得られる回折環からせん断応力τxz を求め、被検物の内部応力を評価する方法は、本発明の第二の態様の一部としてだけでなく、それだけで独立したX線応力測定方法とみなすことも可能である。
In addition, if only normal incidence is performed in the second aspect of the present invention, the evaluation of the special shear stress τ xz in the rolling contact can be easily and effectively known, and further detailed inspection is performed. It is possible to determine whether or not it should be.
The method of performing the normal incidence only, obtaining the shear stress τ xz from the resulting diffraction ring, and evaluating the internal stress of the test object is not only as part of the second aspect of the present invention, It can also be regarded as an independent X-ray stress measurement method.

本発明によるX線3軸応力測定方法を実施するための測定装置の態様は、特に限定は、されず、当該測定方法に必要な方向からのX線照射とそれによって生じる回折環を解析しえる手段とを有して構成すればよい。
照射に用いられるX線は、従来公知のX線応力測定法に用いられる特性X線であってよく、例えば、Crターゲットを有するX線管球によるCrKα特性X線などが挙げられる。
The aspect of the measuring apparatus for carrying out the X-ray triaxial stress measurement method according to the present invention is not particularly limited, and X-ray irradiation from the direction necessary for the measurement method and the diffraction ring generated thereby can be analyzed. And means.
X-rays used for irradiation may be characteristic X-rays used in a conventionally known X-ray stress measurement method, and examples thereof include CrKα characteristic X-rays by an X-ray tube having a Cr target.

回折環を解析するための手段は特に限定はされないが、例えば、イメージングプレートや、CCD(charge coupled device)、半導体検出器、C−Mosイメージセンサー等のエリアディテクタによって回折環を全体的に検地し解析する装置が好ましいものとして挙げられる。
イメージングプレートは、上記特許文献1に記載されたとおり、X線エネルギーをいったん蓄積した後に、光による励起によって蛍光を発生する光輝尽性発光現象を利用して回折環の全体画像を撮像する放射線画像センサであって、例えば、BaFBr:Eu2+ などの輝尽性蛍光体の微結晶を、プラスチックフィルムの表面に塗布して形成され、X線が入射すると輝尽性蛍光体中にこのX線エネルギーが蓄積される。
イメージングプレートの中心部には、図1に示すように、通常、X線照射管が貫通する貫通孔が形成されており、そこから測定点に向かって特性X線を照射し、回折環となって戻ってきた反射X線を、その周囲で受光する構成となっている。
The means for analyzing the diffraction ring is not particularly limited. For example, the diffraction ring is generally detected by an area detector such as an imaging plate, a CCD (charge coupled device), a semiconductor detector, or a C-Mos image sensor. An apparatus for analysis is preferable.
As described in Patent Document 1, the imaging plate once accumulates X-ray energy and then captures an entire image of the diffraction ring using a photostimulable luminescence phenomenon in which fluorescence is generated by excitation with light. A sensor, for example, formed by applying a fine crystal of a stimulable phosphor such as BaFBr: Eu 2+ on the surface of a plastic film, and when X-rays enter the X-ray Energy is stored.
As shown in FIG. 1, a through-hole through which an X-ray irradiation tube passes is usually formed at the center of the imaging plate, and a characteristic X-ray is irradiated from there to a measurement point to form a diffraction ring. The reflected X-rays that have returned in this way are configured to receive light around them.

CCD、半導体検出器、C−Mosイメージセンサーなどは、それ自体から、コンピュータによる画像処理や演算処理が可能な回折環の画像データについての出力信号を得ることが可能である。一方、イメージングプレートなどの記録媒体は、該プレートに記録された回折環画像を読み取るための読取装置(イメージングプレート・リーダ)と共に用いられる。該読取装置は、He−Neレーザなどの励起光をイメージングプレート上に走査して照射し、このイメージングプレート内のX線エネルギーの蓄積部分から発生する蛍光を光電子倍増管によって増幅し、X線の強度を測定して回折環画像を読み出すように構成され、該読取装置を通じて、回折環の画像データについての出力信号が得られる。   A CCD, a semiconductor detector, a C-Mos image sensor, or the like can obtain an output signal for image data of a diffraction ring that can be subjected to image processing and arithmetic processing by a computer. On the other hand, a recording medium such as an imaging plate is used together with a reading device (imaging plate reader) for reading a diffraction ring image recorded on the plate. The reader scans and irradiates excitation light such as a He-Ne laser on the imaging plate, amplifies the fluorescence generated from the X-ray energy accumulation portion in the imaging plate by a photomultiplier tube, The apparatus is configured to read the diffraction ring image by measuring the intensity, and an output signal for the image data of the diffraction ring is obtained through the reading device.

図8に示す回折環上のひずみを解析するに際しては、回折環全周を細かく分解しより多くのデータを得ることが好ましく、例えば、角度αの間隔(インターバル)を1°とし、回折環全周にわたって計360個のデータを得ることが好ましい態様である。   When analyzing the distortion on the diffraction ring shown in FIG. 8, it is preferable to finely decompose the entire circumference of the diffraction ring to obtain more data. For example, the angle α interval is set to 1 °, It is a preferred embodiment to obtain a total of 360 data over the circumference.

イメージングプレートやCCD等を被検物の表面に対して所定の角度にて保持するための装置構成は、本発明の第一、第二の態様において必要な入射方向を達成し得るものを、適宜製作すればよい。
イメージングプレートとその中央に位置するコリメーターとの組は、1組だけを用意し、必要な入射方向へと配置位置を変えて、即ち、1組で多方向の測定を兼用して、測定を行うように構成してもよいし、第一の態様の4方向、第二の態様の3方向に対して、必要な全ての照射方向の分だけの組を用意してもよいし、また、これらの中間的な構成として、兼用可能な配置位置だけを兼用する構成としてもよい。
The apparatus configuration for holding the imaging plate, the CCD, etc. at a predetermined angle with respect to the surface of the test object is one that can achieve the incident direction required in the first and second aspects of the present invention. Just make it.
Prepare only one pair of imaging plate and collimator located in the center of the plate and change the arrangement position to the required incident direction, that is, use one set for multi-directional measurement. It may be configured to perform, and for the four directions of the first aspect and the three directions of the second aspect, a set corresponding to all necessary irradiation directions may be prepared, As an intermediate configuration between these, only a configuration position that can be used in combination may be used.

被検物表面の測定点への斜め照射の角度(即ち、測定点における法線からの傾きの角度Ψ0 )は、上記した従来のエリアディテクタ方式による3軸応力測定法における照射角度を参照してよい。
Ψ0 は、45°が最も好ましく、他のΨ0 の場合には、Ψ0 =45°の場合に対して(sin2Ψ0 )倍の測定感度(精度)となる。Ψ0 <45°では、Ψ0 が0°に近いほど、X線吸収の影響が少なく、良好な回折環が得られる。45°<Ψ0では、Ψ0 が90°に近ずくと、X線浸入深さを浅くできるため、表面部の測定に適する。
The angle of oblique irradiation to the measurement point on the surface of the test object (that is, the angle Ψ 0 of the inclination from the normal line at the measurement point) refers to the irradiation angle in the triaxial stress measurement method by the conventional area detector method described above. It's okay.
[Psi 0 is most preferably 45 °, in the case of other [psi 0 becomes Ψ 0 = 45 (sin 2 Ψ 0) for the case of ° fold measurement sensitivity (accuracy). When ψ 0 <45 °, the closer ψ 0 is to 0 °, the less the influence of X-ray absorption and the better a diffractive ring can be obtained. When 45 ° <ψ 0 , the depth of X-ray penetration can be reduced when ψ 0 approaches 90 °, which is suitable for measurement of the surface portion.

実施例1
本実施例では、本発明による応力測定法(第一の態様、第二の態様)の検証のため、シミュレーションを行った結果を示す。当該シミュレーションは、実際の被検物とX線とを用いたものではないが、充分に一実施例として示すことができるものである。
また、非特許文献1に記載されたエリアディテクタ方式の3軸応力測定法(即ち、従来技術の説明において、式(1)〜式(15)を用いて3軸応力成分決定の原理を説明した3軸応力測定法、以下「従来法」と呼ぶ)による結果も示し、本発明の第一の態様、第二の態様と比較する。
Example 1
In this example, the result of simulation is shown for verification of the stress measurement method (first aspect, second aspect) according to the present invention. The simulation does not use an actual test object and X-rays, but can be sufficiently shown as an example.
Further, the principle of the triaxial stress component determination using the area detector type triaxial stress measurement method described in Non-Patent Document 1 (that is, in the description of the prior art, using equations (1) to (15)). The results of the triaxial stress measurement method (hereinafter referred to as “conventional method”) are also shown and compared with the first and second aspects of the present invention.

〔計算条件〕
先ず、次式(21)のような、単純な応力成分を仮定した。
〔式(21)〕
〔Calculation condition〕
First, a simple stress component such as the following equation (21) was assumed.
[Formula (21)]

次に、標準的な特性X線であるCrKα線の照射による鋼(フェライト)の211回折の測定を想定して、以下に示す計算条件を設定した。
材料 :鋼(フェライト)
ヤング率 :206.0(GPa)
ポアソン比 :0.28
回折面のミラー指数(hkl) :211
応力の無い状態での回折角度 :156.4(度)
X線入射角度(法線との間の角度)Ψ0 :30.0(度)、 0.0(度)
材料とディテクタとの間の距離 :100.0(mm)
計算に用いたひずみεα の数 :360
角度αの間隔(インターバル) :1.0(度)
Next, assuming the measurement of 211 diffraction of steel (ferrite) by irradiation with CrKα ray, which is a standard characteristic X-ray, the following calculation conditions were set.
Material: Steel (ferrite)
Young's modulus: 206.0 (GPa)
Poisson's ratio: 0.28
Miller index of diffraction surface (hkl): 211
Diffraction angle without stress: 156.4 (degrees)
X-ray incident angle (angle between normal) Ψ 0 : 30.0 (degrees), 0.0 (degrees)
Distance between material and detector: 100.0 (mm)
Number of strains ε α used for calculation: 360
Angle α interval (interval): 1.0 (degrees)

こうして回折環上のひずみεα を角度αに関して1度ずつ求めた。このεαを仮想的に測定データと見なして、上述の各応力計算法を適用し、応力値が正しく逆解析できるかを検証した。
図3は、順解析計算により得られた(入射ビームの方位(φ0 =0°、および、Ψ0 =30°)でのX線照射に対するεα分布を示すグラフ図である。同図には、ひずみを、10-7 の桁(破線で示したグラフ線)、10-6 の桁(実線で示したグラフ線)、10-5の桁(一点鎖線で示したグラフ線)でそれぞれ四捨五入した場合の結果を示している。本シミュレーションでは、このように四捨五入する桁を変えることで、実際の測定で想定される測定誤差の混入を簡便的に模擬した。
In this way, the strain ε α on the diffraction ring was determined by 1 degree with respect to the angle α. This ε α is virtually regarded as measurement data, and the above-described stress calculation methods are applied to verify whether the stress value can be correctly back-analyzed.
3 was obtained by sequentially analysis computation (the incident beam of azimuth (φ 0 = 0 °, and is a graph showing the epsilon alpha distribution for X-ray irradiation at Ψ 0 = 30 °). In Fig. Rounds the strain to the 10 -7 digit (graph line indicated by a dashed line), 10 -6 digit (graph line indicated by a solid line), 10 -5 digit (graph line indicated by a one-dot chain line), respectively. In this simulation, mixing of the measurement error assumed in actual measurement was simply simulated by changing the rounding digit in this way.

結果の比較
得られた応力計算結果を、図4(a)〜(c)のグラフ図に示す。黒色の棒グラフが第一の態様、破線の棒グラフが第二の態様を表している。また、同グラフ図には、従来法による応力測定結果をも、網掛の棒グラフで示している。
図4(a)は、10-7 の桁で四捨五入したデータに対する応力計算結果を示し、図4(b)は、10-6 の桁で四捨五入したデータに対する応力計算結果を示し、図4(c)は、10-5の桁で四捨五入したデータに対する応力計算結果を示している。
図4(a)に示す比較的高精度な10-7 の桁で四捨五入したひずみデータ(以下、10-7 データと呼ぶ)を用いた場合は、入射ビームの方位がφ0=0°、180である従来法が0.02〜0.36%の誤差範囲、本発明の方法の第一の態様が0.0〜0.05%、本発明の方法の第二の態様が0.09〜0.47%となり、3種類の方法は共に、実使用上、充分に高精度であることが分かる。
次に、図4(b)に示す10-6 の桁で四捨五入したデータ(以下、10-6 データ)に対する応力計算結果では、従来法が0.19〜3.5%の誤差範囲、本発明の方法の第一の態様が0.19〜0.65%の誤差範囲、本発明の方法の第二の態様が0.83〜3.8%の誤差範囲となっており、本発明の方法の第一の態様の測定精度が充分に高いことがわかった。
また、図4(c)に示す、10-5 の桁で四捨五入したデータ(以下、10-5 データ)に対する応力計算結果では、従来法が0.6〜46.0%の誤差範囲、本発明の方法の第一の態様が0.56〜2.7%の誤差範囲、本発明の方法の第二の態様が1.8〜16.0%の誤差範囲となった。10-5データでは、従来法によるσy の誤差が顕著になっている。第二法は全ての応力成分において比較的高精度である。
Comparison of results The obtained stress calculation results are shown in the graphs of FIGS. The black bar graph represents the first mode, and the broken bar graph represents the second mode. In addition, in the same graph, the stress measurement result by the conventional method is also shown by a shaded bar graph.
FIG. 4A shows the stress calculation result for the data rounded to the 10 −7 digit, FIG. 4B shows the stress calculation result for the data rounded to the 10 −6 digit, and FIG. ) Shows the stress calculation results for the data rounded to the nearest 10 -5 .
In the case of using strain data rounded off to a relatively high precision of 10 −7 shown in FIG. 4A (hereinafter referred to as 10 −7 data), the direction of the incident beam is φ 0 = 0 °, 180 The conventional method is 0.02 to 0.36% error range, the first embodiment of the method of the present invention is 0.0 to 0.05%, the second embodiment of the method of the present invention is 0.09 to It becomes 0.47%, and it can be seen that the three methods are sufficiently accurate in actual use.
Next, in the stress calculation result for the data rounded off to the 10 −6 digit shown in FIG. 4B (hereinafter referred to as “10 −6 data”), the conventional method has an error range of 0.19 to 3.5%. The first embodiment of the method has an error range of 0.19 to 0.65%, and the second embodiment of the method of the present invention has an error range of 0.83 to 3.8%. It has been found that the measurement accuracy of the first aspect is sufficiently high.
Further, in the stress calculation result for the data rounded to the 10 −5 digit shown in FIG. 4C (hereinafter referred to as “10 −5 data”), the conventional method has an error range of 0.6 to 46.0%. The first embodiment of the method had an error range of 0.56 to 2.7%, and the second embodiment of the method of the present invention had an error range of 1.8 to 16.0%. In 10 −5 data, the error of σ y by the conventional method is significant. The second method is relatively accurate for all stress components.

以上より、10-6 データより高い精度の測定データ(εα )が得られる場合は、従来法、本発明の方法ともに、いずれも実用範囲内の応力精度を与えるが、εαのバラツキが10-5 データに近づくと、従来法のσy の誤差が大きくなることが判明した。また、後者の場合には、本発明の第一のまたは第二の態様を用いることで、誤差を大幅に抑えることができることがわかった。
従来法の測定精度が低い理由は、X線入射方向と直交する方位に関係する応力成分において、ポアソン効果による感度低下が起きたためであると考えられる。これに対して本発明の第一のまたは第二の態様では、φ0 =90°の回折データを使用しているため、比較的良好な精度が得られたと考えられる。
なお、どの計算結果においても、本発明の第一の態様が、最も高精度の結果を示しているが、応力決定精度は、初期値や計算条件によってある程度変動する。
As described above, when measurement data (ε α ) with higher accuracy than 10 −6 data is obtained, both the conventional method and the method of the present invention provide stress accuracy within the practical range, but the variation in ε α is 10 As we approached -5 data, the error of σ y in the conventional method was found to increase. In the latter case, it has been found that the error can be greatly suppressed by using the first or second aspect of the present invention.
The reason why the measurement accuracy of the conventional method is low is thought to be because sensitivity reduction due to the Poisson effect occurred in the stress component related to the direction orthogonal to the X-ray incident direction. On the other hand, in the first or second aspect of the present invention, since diffraction data of φ 0 = 90 ° is used, it is considered that relatively good accuracy was obtained.
In any calculation result, the first aspect of the present invention shows the most accurate result, but the stress determination accuracy varies to some extent depending on the initial value and calculation conditions.

実施例2
本実施例では、在来線で使用され保守により交換されたレールを被検物として用い、
従来法、本発明の方法の第一、第二の態様を適用して、それぞれの測定精度を比較した。
被検物のレールは、JIS E 1101に規定された60kg普通レールの一部分である。その標準的な化学成分および機械的性質は、次のとおりである。
炭素(C) :0.63〜0.75(重量%)
ケイ素(Si) :0.15〜0.30(重量%)
マンガン(Mn):0.70〜1.10(重量%)
リン(P) :0.030(重量%)未満
イオウ(S) :0.025(重量%)未満
引張り強さ :800(MPa)以上
試料のレールは、車輪による転動接触疲労によって踏面(車輪との接触面)近傍に金属組織の塑性流動が形成され、X線応力測定を行うと3軸残留応力が観察される。
本実施例では、実験装置にセット可能なようにレールの頭頂部を、〔レール表面から深さ10mm、もとのレールの長手方向に10mm〕の寸法を有する試料となるよう切断した後に、踏面の中心点についてX線測定を行った。
Example 2
In this example, a rail used on a conventional line and replaced by maintenance is used as a test object.
The measurement accuracy was compared by applying the first and second aspects of the conventional method and the method of the present invention.
The rail of the test object is a part of a 60 kg normal rail defined in JIS E 1101. Its standard chemical composition and mechanical properties are as follows.
Carbon (C): 0.63-0.75 (% by weight)
Silicon (Si): 0.15 to 0.30 (% by weight)
Manganese (Mn): 0.70 to 1.10 (% by weight)
Phosphorus (P): Less than 0.030 (% by weight) Sulfur (S): Less than 0.025 (% by weight) Tensile strength: 800 (MPa) or more A plastic flow of the metal structure is formed near the contact surface), and triaxial residual stress is observed when X-ray stress measurement is performed.
In this example, the top of the rail was cut so as to be a sample having a dimension of [10 mm in depth from the rail surface and 10 mm in the longitudinal direction of the original rail] so that it could be set in the experimental apparatus, and then the tread. X-ray measurement was performed on the center point.

試料の切断は、自動鋸盤によりレール頭頂部をスライス状(厚さ10mm、長さ165mm)とした後、精密切断機にて水冷しながらレールの長手方向に10mmの幅となるように行った。その際、レール踏面に切断過程での残留応力の付与が生じないように配慮した。尚、測定結果は、車輪による転動接触によってレール踏面直下に形成された局部的な残留応力と、切断による応力解放とが重畳した結果に対応するものと考えられる。
主なX線条件は、次のとおりである。
特性X線 :CrKα
回折面のミラー指数(hkl) :αFe−211
X線管の電圧 :30(kV)
X線管の電流 :10(mA)
コリメーターの直径 :1(mm)
試料に対するX線の入射角度Ψ0 :30(度)
Fe粉末に対するX線の入射角度 :0(度)
試料とディテクタとの間の距離 :100(mm)
Fe粉末とディテクタとの間の距離:43(mm)
The sample was cut into a slice shape (thickness: 10 mm, length: 165 mm) by an automatic sawing machine, and then cooled to a width of 10 mm in the longitudinal direction of the rail while cooling with a precision cutting machine. . At that time, consideration was given to the application of residual stress to the rail tread during the cutting process. The measurement result is considered to correspond to the result of superimposing the local residual stress formed immediately below the rail tread by the rolling contact with the wheel and the stress release by cutting.
The main X-ray conditions are as follows.
Characteristic X-ray: CrKα
Miller index (hkl) of diffraction surface: αFe-211
X-ray tube voltage: 30 (kV)
X-ray tube current: 10 (mA)
Collimator diameter: 1 (mm)
X-ray incident angle Ψ 0 : 30 (degrees) on the sample
X-ray incident angle on Fe powder: 0 (degrees)
Distance between sample and detector: 100 (mm)
Distance between Fe powder and detector: 43 (mm)

回折環測定には、127mm×127mmのイメージングプレート(IP)を使用した。
回折環画像を構成する各画素は、設計上、一辺100μmの正方形であり、縦横共に約1000画素(合計100万画素)である。各画素の輝度分解能は8bitである。
回折環画像の処理方法は、従来法と同様である。
試料座標系は、レールの踏面中央のX線照射点を原点とし、レールの長手側(走行方向)をx軸(φ0 =0°)に設定した。
A 127 mm × 127 mm imaging plate (IP) was used for the diffraction ring measurement.
Each pixel constituting the diffraction ring image is, by design, a square having a side of 100 μm, and approximately 1000 pixels (1 million pixels in total) both vertically and horizontally. The luminance resolution of each pixel is 8 bits.
The processing method of the diffraction ring image is the same as the conventional method.
In the sample coordinate system, the X-ray irradiation point at the center of the tread surface of the rail was set as the origin, and the longitudinal side (traveling direction) of the rail was set to the x axis (φ 0 = 0 °).

測定結果
図5(a)〜(e)に、測定された回折環画像の例を示す。いずれも内側の回折環が基準材(焼鈍した鋼)の211回折であり、その次がレール試料の211回折である。さらにその外側の弱い回折は基準材の220回折である。
測定した回折環画像から、半径方向に関する回折強度分布を求めた。
次に、レール試料の回折について、半価幅中点法によってピーク位置を決定し、次いでa1 線図を求めた。その一例を、図6のグラフ図に示す。
Measurement Results FIGS. 5A to 5E show examples of measured diffraction ring images. In both cases, the inner diffraction ring is 211 diffraction of the reference material (annealed steel), and the next is 211 diffraction of the rail sample. Furthermore, the weak diffraction outside thereof is 220 diffraction of the reference material.
The diffraction intensity distribution in the radial direction was determined from the measured diffraction ring image.
Next, for the diffraction of the rail sample, the peak position was determined by the half-width midpoint method, and then the a 1 diagram was obtained. An example thereof is shown in the graph of FIG.

図7は、測定データに対して、従来法、本発明の測定方法の第一、第二の態様を適用したときに得られた応力成分を比較した図であり、6個の応力成分と、(σx −σz )、(σy −σz)の結果が示されている。黒色の棒グラフが第一の態様、破線の棒グラフが第二の態様、網掛の棒グラフが従来法の応力成分を示している。
図7に示すとおり、せん断応力については、ほぼ、いずれの測定方法ともに、同様の一致した傾向を示している。一方、垂直応力、とくに、σy および(σy −σz )に関しては、従来法の結果が、本発明の測定方法の結果と異なる傾向を示している。
FIG. 7 is a diagram comparing the stress components obtained when the conventional method and the first and second aspects of the measurement method of the present invention are applied to the measurement data. The results of (σ x −σ z ) and (σ y −σ z ) are shown. The black bar graph represents the first embodiment, the broken bar graph represents the second embodiment, and the shaded bar graph represents the stress component of the conventional method.
As shown in FIG. 7, with respect to the shear stress, almost the same consistent tendency is shown in any of the measurement methods. On the other hand, with respect to normal stress, particularly σ y and (σ y −σ z ), the results of the conventional method show a tendency different from the results of the measurement method of the present invention.

各応力計算法に対する比較結果は、上記実施例1のシミュレーションにおける図4(c)の傾向と概ね類似している。この原因は、ポアソン効果によるひずみ感度の差に関係していることが推測される。(σy −σz )の誤差はσz の決定に影響し、その後のσxの決定にも影響を与える。
これに対して、本発明の測定方法の第一、第二の態様では、φ0 =90°方向の回折環データを用いることで、こうした影響を低減している。
本発明の測定方法の第一、第二の態様による応力値の差は、比較的小さい結果となったが、両者は互いにX線侵入深さの異なる回折データを用いており、各測定結果は応力状態によっては厳密には一致しない場合があり得ると考えられる。即ち、第一の態様では、4種類の入射角Ψ0 は皆同一であるが、第二の態様では、一部にΨ0 =0°のデータを用いている。そのため、Ψ0 =0における実験誤差の影響と共に、Ψ0 によるX線侵入深さの相違によって材料内の測定範囲が異なる。
The comparison result for each stress calculation method is almost similar to the tendency of FIG. 4C in the simulation of the first embodiment. It is surmised that this cause is related to the difference in strain sensitivity due to the Poisson effect. The error of (σ y −σ z ) affects the determination of σ z and also affects the subsequent determination of σ x .
On the other hand, in the first and second aspects of the measuring method of the present invention, such influence is reduced by using diffraction ring data in the direction of φ 0 = 90 °.
The difference in stress value between the first and second aspects of the measurement method of the present invention was relatively small, but both used diffraction data with different X-ray penetration depths, and each measurement result was Depending on the stress state, it may be possible that they do not exactly match. That is, in the first mode, the four types of incident angles Ψ 0 are all the same, but in the second mode, data of Ψ 0 = 0 ° is used in part. For this reason, the measurement range in the material differs depending on the difference in the X-ray penetration depth due to Ψ 0 together with the influence of the experimental error at Ψ 0 = 0.

レール頭頂面では、Hertzの接触応力が発生し、X線侵入深さ領域を含む頭頂面近傍には応力勾配が発生し、残留応力状態にも影響していることが考えられる。両方法の応力計算結果における誤差の原因の一つには、このようなX線侵入深さの差が関与していることが考えられる。   It is considered that Hertz contact stress is generated on the rail top surface, a stress gradient is generated in the vicinity of the top surface including the X-ray penetration depth region, and the residual stress state is also affected. One of the causes of errors in the stress calculation results of both methods may be due to the difference in the X-ray penetration depth.

本発明の第二の態様では、垂直入射(Ψ0 =0)の回折環からτxz 、τyz が得られ、斜め入射(Ψ0 =30°、φ0=0°、φ0 =90°)の回折環からそれぞれ(σx −σz )および(σy −σz)が決定できる。これに対して、第一の態様では、(φ0 =0°、φ0 =180°)の組、および、(φ0=90°、φ0 =270°)の組の、計2組の回折環を利用することで同様な応力成分が決定される。その結果、計算過程の増加による新たな誤差の発生が考えられる。
このように、各態様の使用に対しては、回折環の測定精度や応力勾配の程度に応じて適切な選択が必要である。
In the second aspect of the present invention, τ xz and τ yz are obtained from the diffraction ring with normal incidence (Ψ 0 = 0), and oblique incidence (Ψ 0 = 30 °, φ 0 = 0 °, φ 0 = 90 °). ) Can be determined from (σ x −σ z ) and (σ y −σ z ), respectively. On the other hand, in the first aspect, a total of two sets of (φ 0 = 0 °, φ 0 = 180 °) and (φ 0 = 90 °, φ 0 = 270 °) are combined. Similar stress components are determined by using a diffraction ring. As a result, a new error may occur due to an increase in the calculation process.
Thus, for use of each aspect, an appropriate selection is required according to the measurement accuracy of the diffraction ring and the degree of the stress gradient.

実施例1の数値的シミュレーションと実施例2の実測とを通して、本発明による測定方法が理論的に正しいものであることが確認できた。また、格子ひずみεαの精度が10-6 データ(10-6の桁で四捨五入したひずみデータ)の場合以上であるときは、第一、第二の態様のいずれを用いても正しい結果が得られることが判明した。
従来法では2方向からの回折環を用い、第一の態様では4方向、第二の態様では3方向からの回折環をそれぞれ用いている。よって、格子ひずみεαの精度が高い場合には、測定量の少ない従来法が実用上有効である。
しかし、格子ひずみの精度が10-6 データより低下する場合は、ポアソン効果の影響によってX線入射方向と直交する方向に作用する応力成分σy に誤差が現れやすい傾向が認められた。この影響を回避するためには、φ0=90°方向の測定データを用いる本発明の第一、第二の態様を適用する必要がある。
Through the numerical simulation of Example 1 and the actual measurement of Example 2, it was confirmed that the measurement method according to the present invention was theoretically correct. In addition, when the accuracy of the lattice strain ε α is 10 −6 data (strain data rounded to the nearest 10 −6 ), correct results can be obtained using either the first or second mode. Turned out to be.
The conventional method uses diffractive rings from two directions, the first mode uses four directions, and the second mode uses diffractive rings from three directions. Therefore, when the accuracy of the lattice strain epsilon alpha is high, the measured quantity less conventional method is practically effective.
However, when the accuracy of the lattice strain was lower than 10 −6 data, it was recognized that an error tends to appear in the stress component σ y acting in the direction orthogonal to the X-ray incident direction due to the Poisson effect. In order to avoid this influence, it is necessary to apply the first and second aspects of the present invention using measurement data in the direction of φ 0 = 90 °.

また、本発明の第二の態様では、第一の態様の有する特長を保持しながら、必要な回折環データを1方向分減らすことが可能である。そのため、測定時間の減少が期待でき、敷設レールのような現地測定での3軸応力測定において効果が期待される。
また、第二の態様では、垂直入射による測定だけを先行して単独で行うことによって、被検物全体の内部応力の概要、精密検査が必要な箇所を、簡単な装置構成かつ簡単な演算内容にて知ることができる。
Further, in the second aspect of the present invention, it is possible to reduce the required diffraction ring data by one direction while maintaining the features of the first aspect. Therefore, a reduction in measurement time can be expected, and an effect is expected in the triaxial stress measurement in the field measurement such as a laying rail.
In the second mode, only the normal incidence measurement is performed alone in advance, so that the outline of the internal stress of the entire test object and the location that requires a detailed inspection can be obtained. You can find out at

なお、現地測定が求められる屋外の構造物には鋼材が多く、その内部にはフェライトおよびセメンタイトを含んでいる。そのため、両相の弾性定数差による微視的な付加応力が一般に発生し、巨視的な応力が単軸応力あるいは平面応力状態であっても微視的なスケールにおいては3軸応力状態となる。
このような場合に対して回折法による応力は、巨視的な平均応力(マクロ応力)と上述の微視的な相互作用応力(ミクロ応力)の和からなる相応力となる。よって、鋼材のX線応力測定においては潜在的に3軸応力解析の必要性が少なくない可能性が考えられる。特に、結晶粒が微細化する場合には、X線侵入深さ範囲において3軸応力の影響が現れやすいとされている。
本発明で示した方法は、このような場合に対して比較的実用的な評価方法となる。
In addition, there are many steel materials in outdoor structures that require on-site measurement, and the inside contains ferrite and cementite. For this reason, microscopic additional stress due to the difference in elastic constants between the two phases is generally generated, and even if the macroscopic stress is a uniaxial stress or a plane stress state, the microscopic scale is in a triaxial stress state.
In such a case, the stress by the diffraction method is a phase stress composed of the sum of the macroscopic average stress (macro stress) and the above-described microscopic interaction stress (micro stress). Therefore, there is a possibility that the necessity of triaxial stress analysis is not limited in X-ray stress measurement of steel materials. In particular, when crystal grains become finer, it is said that the influence of triaxial stress is likely to appear in the X-ray penetration depth range.
The method shown in the present invention is a relatively practical evaluation method for such a case.

本発明によって、従来法、即ち、従来のエリアディテクタ方式の3軸応力測定法における問題点として挙げた、σy 成分についての測定精度が改善され、レールなどの転動接触を受ける物品に対するX線3軸応力測定法の有用性がより高くなった。また、レールなどに垂直方向のX線照射を行うことで、せん断応力τxyの状態を簡単に知ることができるようになった。 According to the present invention, the measurement accuracy for the σ y component, which is cited as a problem in the conventional method, that is, the conventional triaxial stress measurement method of the area detector method, is improved, and X-rays are applied to an article subjected to rolling contact such as a rail. The usefulness of the triaxial stress measurement method became higher. In addition, the state of the shear stress τ xy can be easily known by performing vertical X-ray irradiation on a rail or the like.

Claims (6)

被検物にX線を照射して得られる回折環に基いて被検物内に存在する応力を測定するX線応力測定方法であって、
被検物表面の測定点に対して、下記(A)で規定される4つの入射方向s1、s2、s3、s4にてX線を照射し、それぞれに回折環を得、
該入射方向s1、s3の回折環の組からは、x軸、z軸方向の応力の関係式(σx −σz )と、剪断応力τyz とを少なくとも求め、
該入射方向s2、s4の回折環の組からは、y軸、z軸方向の応力の関係式(σy −σz )と、剪断応力τxzとを少なくとも求め、
該入射方向s1、s3の回折環の組、および、該入射方向s2、s4の回折環の組のうちの一方または両方から、剪断応力τxy を求め、
以上によって得られた応力の関係式および剪断応力からz軸方向の応力σz を求め、これらをもって、6個の3軸応力成分σx 、σy 、σz 、τxy、τyz 、τxz を得ることを特徴とする、X線応力測定方法。
(A)測定点における被検物表面の法線から所定の入射角度Ψ0 だけ傾いて測定点へ向かう4つの入射方向s1、s2、s3、s4であって、これらの入射方向は、測定点において直交するxy座標を被検物表面に規定し、これらの入射方向を被検物表面に投影したときに、入射方向s1とs3の投影がx軸に一致しかつ互いに対向し、入射方向s2とs4の投影がy軸に一致しかつ互いに対向するような位置関係にある、前記4つの入射方向s1、s2、s3、s4。
An X-ray stress measurement method for measuring stress existing in a test object based on a diffraction ring obtained by irradiating the test object with X-rays,
The measurement points on the surface of the test object are irradiated with X-rays in the four incident directions s1, s2, s3, and s4 defined in (A) below, and a diffraction ring is obtained for each.
From the set of diffraction rings in the incident directions s1 and s3, at least a relational expression (σ x −σ z ) of stress in the x-axis and z-axis directions and a shear stress τ yz are obtained.
From the set of diffraction rings in the incident directions s2 and s4, at least a relational expression (σ y −σ z ) of stress in the y-axis and z-axis directions and a shear stress τ xz are obtained,
A shear stress τ xy is obtained from one or both of the set of diffraction rings in the incident directions s1 and s3 and the set of diffraction rings in the incident directions s2 and s4,
The stress σ z in the z-axis direction is obtained from the stress relational expression and the shear stress obtained as described above, and six triaxial stress components σ x , σ y , σ z , τ xy , τ yz , τ xz are obtained from these. X-ray stress measurement method characterized by obtaining.
(A) Four incident directions s1, s2, s3, and s4 that are inclined by a predetermined incident angle Ψ 0 from the normal of the surface of the test object at the measurement point and head toward the measurement point. Are defined on the surface of the test object, and when these incident directions are projected onto the surface of the test object, the projections of the incident directions s1 and s3 coincide with the x axis and face each other, and the incident direction s2 The four incident directions s1, s2, s3, and s4 are in such a positional relationship that the projections of s4 and s4 coincide with the y-axis and face each other.
剪断応力τxy を、入射方向s1とs3の回折環のペア、および、入射方向s2とs4の回折環のペアの両方からそれぞれに得られた剪断応力τxy のうちのいずれか一方の値、または、両方の値の平均値とする、請求項1記載のX線応力測定方法。 The shear stress τ xy is a value of one of the shear stress τ xy obtained from both the pair of diffraction rings in the incident directions s1 and s3 and the pair of diffraction rings in the incident directions s2 and s4, Or the X-ray-stress measuring method of Claim 1 made into the average value of both values. 被検物が、多結晶性の物質からなる車輪またはコロであるか、多結晶性の物質からなるレールである、請求項1または2記載のX線応力測定方法。   The X-ray stress measurement method according to claim 1 or 2, wherein the test object is a wheel or roller made of a polycrystalline material, or a rail made of a polycrystalline material. 被検物にX線を照射して得られる回折環に基いて被検物内に存在する応力を測定するX線応力測定方法であって、
被検物表面の測定点に対して、下記(B)で規定される3つの入射方向t1、t2、t3にてX線を照射し、それぞれに回折環を得、
入射方向t1の回折環からは、剪断応力τxz 、τyzを求め、
入射方向t2の回折環からは、x軸、z軸方向の応力の関係式(σx −σz )と、剪断応力τxy とを求め、かつ、
入射方向t3の回折環からは、x軸、z軸方向の応力の関係式(σy −σz )と、剪断応力τxy とを求め、
以上によって得られた剪断応力および応力の関係式からz軸方向の応力σz を求め、これらをもって、6個の3軸応力成分σx 、σy 、σz 、τxy、τyz 、τxz を得ることを特徴とする、X線応力測定方法。
(B)測定点における被検物表面の法線に沿って測定点へ向かう入射方向t1と、該法線から所定の入射角度Ψ0 だけ傾いて測定点へ向かう2つの入射方向t2、t3とからなる3つの入射方向t1、t2、t3であって、入射方向t2、t3は、測定点において直交するxy座標を被検物表面に規定し、これらの入射方向を被検物表面に投影したときに、入射方向t2の投影がx軸に一致し、入射方向t3の投影がy軸に一致するような位置関係にある、前記3つの入射方向t1、t2、t3。
An X-ray stress measurement method for measuring stress existing in a test object based on a diffraction ring obtained by irradiating the test object with X-rays,
The measurement points on the surface of the test object are irradiated with X-rays in the three incident directions t1, t2, and t3 defined in the following (B), and a diffraction ring is obtained for each.
From the diffraction ring in the incident direction t1, shear stress τ xz and τ yz are obtained,
From the diffraction ring in the incident direction t2, the relational expression (σ x −σ z ) of the stress in the x-axis and z-axis directions and the shear stress τ xy are obtained, and
From the diffraction ring in the incident direction t3, the relational expression (σ y −σ z ) of the stress in the x-axis and z-axis directions and the shear stress τ xy are obtained,
The stress σ z in the z-axis direction is obtained from the relational expression of the shear stress and the stress obtained as described above, and with these, six triaxial stress components σ x , σ y , σ z , τ xy , τ yz , τ xz are obtained. X-ray stress measurement method characterized by obtaining.
(B) An incident direction t1 toward the measurement point along the normal line of the surface of the test object at the measurement point, and two incident directions t2 and t3 that are inclined from the normal line by a predetermined incident angle ψ 0 toward the measurement point. Are incident directions t1, t2, and t3, and the incident directions t2 and t3 define xy coordinates orthogonal to the measurement point on the surface of the test object, and project these incident directions on the surface of the test object. Sometimes the three incident directions t1, t2, and t3 are in such a positional relationship that the projection in the incident direction t2 coincides with the x-axis and the projection in the incident direction t3 coincides with the y-axis.
剪断応力τxy を、入射方向t2とt3の回折環からそれぞれに得られた剪断応力τxy の平均値とする、請求項4記載のX線応力測定方法。 The shear stress tau xy, the average value of the resulting shear stress tau xy respectively from the diffraction ring in the direction of incidence t2 and t3, X-ray stress measuring method according to claim 4, wherein. 当該X線応力測定方法を実施するに際し、先に、被検物表面の測定点に対して上記入射方向t1でのX線の照射を行ない、その回折環から求められる剪断応力τxz または剪断応力τyz に基いて、被検物内部の応力の状態を判断する、請求項5記載のX線応力測定方法。 When performing the X-ray stress measurement method, X-ray irradiation in the incident direction t1 is first performed on the measurement point on the surface of the test object, and the shear stress τ xz or shear stress obtained from the diffraction ring is obtained. The X-ray stress measurement method according to claim 5, wherein the state of stress inside the test object is determined based on τ yz .
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