JPH08327471A

JPH08327471A - 残留応力測定方法

Info

Publication number: JPH08327471A
Application number: JP13391095A
Authority: JP
Inventors: Makoto Hayashi; 眞琴林; Kunio Enomoto; 邦夫榎本; Masahiro Otaka; 正廣大高; Shinobu Okido; 忍大城戸
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-05-31
Filing date: 1995-05-31
Publication date: 1996-12-13

Abstract

(57)【要約】【目的】構造物内部の残留応力を精度良く測定するこ
とができるとともに、異方性の強い材料についても残留
応力の測定を行うことができる残留応力測定方法を提供
する。【構成】中性子回折を利用して残留応力を測定する
際、予め試験片を用いて機械的に負荷を加えたときの応
力と前記中性子回折によるひずみを測定し、試験片で測
定された応力とひずみとの関係から、測定する回折面に
対する弾性定数を求め、求められた弾性定数を用いて中
性子回折により測定された３軸方向ひずみをフックの法
則に基づいて３軸方向応力に換算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は溶接構造物などの残留応
力を測定する技術に係り、特に材料内部の残留応力が測
定可能な中性子回折に好適な測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の中性子回折による残留応力測定に
おいては、機械的特性試験から得られるマクロな弾性定
数を用いて、残留ひずみからフックの法則により残留応
力に変換していた。また、圧延変形などにより集合組織
が強い材料では、異方性のため方向によっては回折強度
が弱くて回折ピーク位置を決定できず、残留応力測定が
できない場合があった。

【０００３】なお、中性子回折を利用してひずみを検出
するものとしては例えば特開昭６４−５３１４３号公報
記載のものが知られている。この発明は、物体を中性子
源によって生じる中性子のビームに曝し、その物体から
回折された中性子の角分布を監視してひずみを測定し、
その物体中に含まれる元素の中性子共鳴透過特性を監視
して温度をも測定するように構成されている。しかし、
ひずみと残留応力、ならびに回折面との関係について
は、特に何も触れられていない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、機械的特性
試験から得られるマクロな弾性定数を用いて、残留ひず
みからフックの法則により残留応力に変換すると、弾性
定数が測定する回折面毎に異なり、最大の回折面と最小
の回折面では約１．５倍も差があるため、測定精度が悪
かった。

【０００５】また、圧延変形などにより集合組織が強い
材料では、異方性のため、方向によっては回折強度が弱
くて回折ピーク位置の決定が困難となり、測定精度が悪
かったり、極端に異方性が強い場合には測定できなかっ
た。

【０００６】本発明は、このような従来技術の実情に鑑
みてなされたもので、その目的は、弾性定数の回折面依
存性を考慮して構造物内部の残留応力を精度良く測定す
ることができる残留応力の測定方向を提供することにあ
る。また、他の目的は、異方性を考慮し、異方性の強い
材料についても残留応力の測定を行うことができる残留
応力測定方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】弾性定数の回折面依存性
を考慮した残留応力測定方法については、予め小型試験
片を用いて弾性定数の回折面依存性を測定した結果、弾
性定数は最大の回折面と最小の回折面では約１．５倍も
差があることが分かったが、その回折面依存性は単結晶
における回折面依存性と一致することが分かった。そこ
で、中性子回折により測定された３軸方向ひずみからフ
ックの法則に基づいて３軸方向応力に換算するとき、単
結晶における各回折面に対する弾性定数を機械的に測定
された弾性定数のランダム方位の単結晶の集合体として
求めた平均的弾性定数に対する比で補正した弾性定数を
用いることで上記の弾性定数の誤差の発生を回避するよ
うにした。

【０００８】また、異方性の強い材料に対しては、予め
材料の異方性を測定しておき、３軸方向で方向密度の高
い回折面のひずみを選択して測定し、その回折面でのひ
ずみをその回折面の弾性定数の、基準とする回折面の弾
性定数に対する比で補正し、基準とする回折面のひずみ
に換算して３軸方向の応力を測定するようにした。

【０００９】具体的には、上記目的は、中性子回折を利
用して残留応力を測定する残留応力測定方法において、
予め試験片を用いて機械的に負荷を加えたときの応力と
前記中性子回折によるひずみを測定し、試験片で測定さ
れた応力とひずみとの関係から、測定する回折面に対す
る弾性定数を求め、求められた弾性定数を用いて中性子
回折により測定された３軸方向ひずみをフックの法則に
基づいて３軸方向応力に換算することによって達成され
る。

【００１０】この場合、前記弾性係数として、単結晶に
おける各回折面に対する弾性定数を機械的に測定された
弾性定数のランダム方位の単結晶の集合体として求めた
平均的弾性定数に対する比で補正した値を用いるとよ
い。また、前記回折面を（ｈｈｌ）面、例えば（１１
０）、（２２０）、（２１１）とし、機械的に測定され
た弾性定数を用いて応力に換算するとよい。

【００１１】なお、中性子回折の回折強度曲線を測定す
る際、回折強度曲線のピークの半値幅の少なくとも５倍
の角度範囲を測定するだけでよい。その場合、前記回折
強度曲線のピーク位置をほぼ中心として測定するとよ
い。また、中性子回折の回折強度を測定する際、位置敏
感型中性子検出器を使用してほぼ回折強度曲線のピーク
位置を中心として回折強度曲線のピークの半値幅の２倍
の角度範囲を１０分割程度で分割するようにマルチチャ
ンネルアナライザを設定し、回折ピーク位置を半値幅中
心で決定するとよい。あるいは、回折ピーク位置を半値
幅中心で決定する代わりに、回折ピークの中心位置をガ
ウス曲線近似によって決定するようにすることもでき
る。

【００１２】また、中性子回折の回折強度を測定する
際、中性子回折装置の入射ビームスリット及び回折ビー
ムスリットの形状を円形または正方形として測定するこ
とが望ましく、中性子回折の回折角度２θが約９０度と
なるように、中性子線の波長と回折面を選択するとよ
い。異方性が強い測定材料については予め材料の異方性
を測定しておき、３軸方向で方向密度の高い回折面のひ
ずみをそれぞれ測定する。異方性が強い場合、３軸方向
で方向密度の高い回折面のひずみをそれぞれ測定し、あ
る回折面でのひずみをその回折面の弾性定数の基準とす
る回折面の弾性定数に対する比で補正し、基準とする回
折面のひずみに換算して３軸方向の応力を測定する。な
お、測定に際し、測定材料の目的とする３軸方向で、次
数が低く、回折強度が高いと想定される少なくとも５つ
の回折面の回折強度を測定して３軸方向毎に回折強度が
高い回折面を選択するとよい。

【００１３】また、このような中性子回折に代えて、Ｘ
線回折を使用することもできる。しかし、Ｘ線では材料
の深部まで浸透することはできないので、Ｘ線回折によ
る測定は材料の表面の浅い部分だけでよい場合に中性子
回折と同様にして残留応力測定に適用することができ
る。

【００１４】

【作用】上記のように構成すると、機械的特性試験を行
ってマクロな弾性定数を測定すれば、解析より求められ
る単結晶における各回折面に対する弾性定数をマクロな
弾性定数のランダム方位の単結晶の集合体として求めた
平均的弾性定数に対する比で補正することにより、測定
する回折面の弾性定数が計算される。これによって、測
定の都度、弾性定数の回折面依存性を測定することな
く、弾性定数の回折面依存性を考慮した高精度な残留応
力測定が可能となる。また、従来測定困難であった異方
性の強い材料については、逆にその異方性を利用して、
３軸方向毎に回折強度の高い回折面のひずみを測定する
ことにより測定精度を向上させた残留応力測定が可能と
なる。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照し、本発明の一実施例につ
いて説明する。

【００１６】図２は中性子回折によってひずみを測定す
る装置の全体を示す概略構成図である。同図において、
原子炉１で発生した中性子はガイドチューブ２を通っ
て、モノクロメータ３に入る。モノクロメータ３で中性
子線は回折角度Θで回折されて波長が揃えられ、いわゆ
る単色化される。単色化された中性子線はガイドチュー
ブ４を通り、さらに、カドミウム等の中性子線を吸収し
易い材料で出来た入射ビームスリット５を通って測定試
料６に入射される。入射ビームスリット５には通常１ｍ
ｍ×１ｍｍ程度の矩形の孔が開けてあり、これを通るこ
とにより、中性子線は細く絞られて測定試料に入射す
る。測定試料６に入射した中性子ビームはＸ線回折と同
様に、Ｂraggの回折条件に従って回折する。即ち、 λ＝２ｄ・ｓｉｎθ ・・・（１）が成り立つ。ここで、λは中性子の波長、ｄは（ｈｋ
ｌ）面の面間隔、θは回折角度である。回折した中性子
線は回折ビームスリット７を通って中性子検出器８で検
出される。

【００１７】中性子回折では侵入深さが十分に深いため
に、Ｘ線回折法によるｓｉｎ²ψ法のような方法はとれ
ない。そこで、（１）式を微分して書換えると、 ε＝Δｄ／ｄ＝（ｄ−ｄ₀)／ｄ＝−ｃｏｔθ・Δθ ・・・（２）と表わされる。回折強度曲線の模式図を図３に示す。同
図において横軸は回折角度２θ、縦軸は回折強度であ
る。無ひずみ状態での回折強度曲線を白丸で、ひずみが
ある状態での回折強度曲線を黒丸で示した。このよう
に、ひずみがあると回折強度曲線はひずみ量に応じてシ
フトする。図３のような回折強度曲線を測定することに
より、回折面間隔の変化Δｄ＝ｄ−ｄ₀、または、回折
角度の変化Δθからひずみεを測定できる。このとき、
（２）式あるいは図３から分かるように、無ひずみ状態
の格子面間隔ｄ₀または回折角度θ₀が必要となる。従
って、中性子回折法による残留応力測定では、測定した
い材料の一部を切り出し、ひずみ取り焼鈍を施して、無
ひずみ状態の格子面間隔ｄ₀または回折角度θ₀を測定
しなければならない。回折プロフィルのピーク位置は、
半値（価）幅中点法または図３に示したように回折プロ
フィルをガウス分布で近似し、その中心によりピーク位
置を決定するガウス分布近似法により決定する。

【００１８】１軸のひずみが測定できただけでは応力は
求まらないため、図４、図５および図６に示すように、
中性子回折法では３軸方向のひずみを測定して応力を求
める。図４には半径方向ひずみε_R、図５には周方向ひ
ずみε_H、図６には軸方向ひずみε_Aを測定している状
況を示した。軸方向ひずみε_A、半径方向ひずみε_R、
周方向ひずみε_Hが測定されると、半径方向応力σ
_Rは、 σ_R＝｛Ｅ／（１＋ν）｝｛ε_R＋ν（ε_A＋ε_R＋ε_H）／（１−２ν）｝・・・（３）で、周方向応力σ_Hは、 σ_H＝｛Ｅ／（１＋ν）｝｛ε_H＋ν（ε_A＋ε_R＋ε_H）／（１−２ν）｝・・・（４）で、軸方向応力σ_Aは、 σ_A＝｛Ｅ／（１＋ν）｝｛ε_A＋ν（ε_A＋ε_R＋ε_H）／（１−２ν）｝・・・（５）でそれぞれ与えられる。主応力方向と主応力を知りたい
場合には６軸方向のひずみ測定が必要となる。

【００１９】（３）ないし（５）式を用いて３軸方向ひ
ずみから応力を計算する場合、縦弾性定数Ｅが必要とな
る。この弾性定数には回折面依存性があり、また、応力
に対する直線性の良さが要求される。炭素鋼を用いて５
つの回折面の弾性定数を測定した結果を図７に示す。測
定した回折面は、（２００）、（２２２）、及び（ｈｈ
ｌ）＝（１１０）、（２２０）、（２１１）の５つであ
る。図７において横軸は負荷応力で、縦軸は測定された
各回折面のひずみである。図７から分かるように、回折
面毎に発生するひずみは異なる。ひずみに対する応力の
変化率である弾性定数は、最も低い（２００）ではＥ＝
１８２ＧＰａであり、最も高い（２２２）ではＥ＝２６
８ＧＰａで、その比は約１．５である。なお、（ｈｈ
ｌ）＝（１１０）、（２２０）、（２１１）の弾性定数
は、それらの中間の値をとり、Ｅ＝２４３ＧＰａで、機
械的特性試験により測定されたバルクの弾性定数Ｅ＝２
２２ＧＰａにほぼ等しい。以上のように、回折面によっ
ては、バルク材の弾性定数を用いて応力を求めると、約
２０％の測定誤差を生じることになる。

【００２０】図８に純鉄と炭素鋼バルク材の弾性定数
と、純鉄に対する弾性定数の回折面依存性の単結晶に対
する計算値と、それのバルク材の弾性定数による補正
値、及び中性子回折実験により求めた弾性定数の測定値
の比較を示す。純鉄に対する弾性定数の回折面依存性の
単結晶に対する計算値をバルク材の弾性定数により補正
した値は、中性子回折による測定値とよく一致すること
が分かる。従って、他の材料においても機械的特性試験
を行い、マクロな弾性定数を測定し、その材料の単結晶
に対する弾性定数を各回折面について計算して単結晶の
弾性定数のバルク材の弾性定数との比により補正すれ
ば、精度良く応力に換算することが可能となる。

【００２１】図１には上記の結果を踏まえた本発明に基
づく各回折面に対する弾性定数の求め方の手順を示すフ
ローチャートを示す。この手順では、まず初めに被測定
材料の結晶系の単結晶モデルにより（ｈｋｌ）面の弾性
定数Ｅ(hkl) ａを計算する（ステップＳ１０１）。次
に、同じ単結晶モデルによりランダム方位の弾性定数Ｅ
ａを計算する（ステップＳ１０２）。そして、被測定材
料と同じ材料、または被測定材料から切出した引張り試
験片を用いて引張り試験を行い（ステップＳ１０３）、
被測定材料の機械的弾性定数Ｅｅを測定する（ステップ
Ｓ１０４）。このようにして得られた単結晶モデルによ
る（ｈｋｌ）面の弾性定数Ｅ(hkl) ａを被測定材料のバ
ルクの機械的弾性定数Ｅｅの単結晶モデルによるランダ
ム方位の弾性定数Ｅａに対する比で補正することによ
り、被測定材料の（ｈｋｌ）面の弾性定数Ｅ(hkl) ｅを
求める。すなわち、Ｅ(hkl) ｅ＝Ｅ(hkl) ａ・Ｅｅ／Ｅａ・・・（６）により計算する（ステップＳ１０５）。

【００２２】前述したように、（１１０）、（２２
０）、（２１１）面の弾性定数はＥ＝２４３ＧＰａで、
引張り試験により測定されたバルクの弾性定数Ｅ＝２２
２ＧＰａにほぼ等しい。従って、測定する回折面を（１
１０）、（２２０）、（２１１）とし、機械的に測定さ
れた弾性定数を用いて応力に換算しても、精度的には１
０％以下で残留応力評価が可能である。

【００２３】図３に示したような、回折強度曲線の測定
においては、効率が要求される。すなわち、前述したよ
うに、回折強度曲線のピーク位置は、半値幅中点法、ま
たは、回折プロフィルをガウス分布で近似し、その中心
によりピーク位置を決定するガウス分布近似法により決
定される。従って、いずれの方法においてもバックグラ
ウンドを決定できる最小の範囲まで中性子検出器を走査
すればよい。その範囲としては、図９に示したように、
ほぼ回折強度曲線のピーク位置を中心として、回折強度
曲線のピークの半値幅ＦＷＨＭの５倍程度の角度で十分
である。なお、Ｘ線回折法では半値幅ＦＷＨＭのことを
半値幅ｂと称しているが、Ｘ線回折法の場合も同じ範囲
で回折強度曲線を測定すれば十分である。

【００２４】次に、中性子回折における回折強度曲線の
決定法に関して、回折強度を回折角度２θに沿って丁寧
に細かいピッチで測定すると、精度良い回折強度曲線が
求まるが、測定時間が長くなるという欠点がある。図３
に示したように、回折強度曲線のピーク位置の決定は半
値幅中点法、あるいはガウス分布近似法でデジタル計算
により行うため、細かいピッチで測定する必要はない。
逆に、細かいピッチで測定すると、前述のように測定時
間が長くなると共に、統計変動が大きいため、却って測
定精度が悪くなるという問題もある。そのため、例え
ば、位置敏感型中性子検出器を用いた回折強度曲線の測
定において、図１０に示したように、ほぼ回折強度曲線
のピーク位置を中心として、回折強度曲線のピークの半
値幅ＦＷＨＭの２倍の角度範囲を１０分割程度で分割す
るように、マルチチャンネルアナライザのチャンネル幅
を設定する。このようにして得られた回折強度曲線のデ
ジタルデータを用いて、回折ピーク位置を半値幅中点
法、あるいはガウス分布近似法より決定する。

【００２５】以上のようにすると、各回折角度における
回折強度を高く設定できるため、統計変動が小さく、短
時間でより精度の高い回折強度曲線が得られ、引いては
回折ピーク位置の決定精度が向上し、ひずみ測定精度が
高くなるという利点がある。

【００２６】図１１には中性子回折法による残留応力測
定における構造物内部の測定位置を示す。測定位置は、
入射側のＣｄスリット（入射ビームスリット５に相当）
５ａで決まる中性子入射ビームＢ_inと、回折側のＣｄス
リット（回折ビームスリット６に相当）６ａで決まる中
性子回折ビームＢ_outの交差する領域１０が測定部分と
なる。図１１では黒く塗り潰した部分がその測定部分に
相当する。従って、実際の測定に当っては、測定試料６
の基準となる部位を選定し、そこで回折強度を測定して
基準位置を定め、後は試料台をコンピュータ制御により
３軸方向に平行移動、あるいは回転させて測定位置を自
動的に設定する。なお、図において符号１１はビームス
トップを示し、符号１２は³Ｈｅ検出器を示す。

【００２７】図４ないし図６、および（３）ないし
（５）式に示したように中性子回折法による残留応力測
定では、３軸方向のひずみを測定しなければ、応力値を
決定出来ない。そのため、測定試料６は試料台の上で、
ある方向のひずみを測定すると、２軸廻りに９０度ずつ
回転させて、他の２方向のひずみを測定する。このと
き、応力測定精度の点からは、２軸廻りに回転させても
測定領域の３次元形状が同一であることが望ましい。そ
こで、先ず、図２に示した中性子回折装置の入射ビーム
スリット５と回折ビームスリット７、または、図１１に
示したＣｄスリット５ａ，７ａの中性子線が通過する孔
の形状を円形にする。それと同時に、中性子線の波長と
回折面を選択して、中性子線の回折角度２θが約９０度
となるようにする。このようにすると、測定領域１０は
球形となり、２軸廻りに回転させても全く同じ領域を測
定することが可能となる。

【００２８】もし、図１２に示したように回折角度２θ
が９０度でなければ、入射ビームＢ_inと回折ビームＢ
_outが交差する測定領域１０の形状は、ハッチングで断
面を示したような回転楕円体１３となる。更に、他の２
軸方向のひずみを測定するために２軸廻りに回転させる
と、回転楕円体１３の長短軸が９０度回転するために、
３軸方向のひずみを共通に測定している領域は、３軸方
向に配置したときに共通する中央の球の部分だけとな
り、３軸方向で測定している領域に不一致が生じる。し
かし、図１３に示したように、入射ビームスリット５ａ
と回折ビームスリット７ａの中性子線が通過する孔の形
状が円形で、且つ、回折角度２θが９０度であれば、測
定領域１０の形状はハッチングで断面を示したように球
形となる。この球形の測定領域１０は他の２軸方向のひ
ずみを測定するために、２軸廻りに回転させても変わら
ない。

【００２９】また、入射ビームスリット５ａと回折ビー
ムスリット７ａの中性子線が通過する孔の形状を正方形
とし、中性子線の回折角度２θを９０度とすれば、図１
３に示した測定領域１０の形状は立方体となり、他の２
軸方向のひずみを測定するために、２軸廻りに回転させ
ても同じ立方体となる。以上のように、３軸方向のひず
みを測定するときの測定領域１０を全く同一にするため
には、中性子回折装置の入射ビームスリット５ａ及び回
折ビームスリット７ａの中性子線が通過する孔の形状を
円形または正方形とし、更に、回折角度２θが９０度と
なるように、中性子線の波長と回折面１４を選択するこ
とが必要である。実際には、回折角度を正確に９０度に
設定することはできないので、出来るだけ９０度に近く
なるように中性子線の波長と回折面１４を選択すること
が望まれる。

【００３０】圧延材あるいは溶接継手における溶着金属
部のように集合組織の強い材料では、方向によっては回
折強度が弱くてひずみを測定出来ない場合がある。その
ような場合に対して、逆にその集合組織による異方性を
利用して残留応力を測定することができる。この方法
は、３軸方向で方向密度の高い回折面のひずみを測定
し、そのひずみをある特定の回折面のひずみに換算する
ことにより、その回折面の３軸方向ひずみを求め、求め
られた３軸方向ひずみから３軸方向の応力を計算すると
いう方法である。

【００３１】集合組織の強い材料の一例としてＺｒ合金
管の（１００）面と（００２）面の極点図を図１４と図
１５に示す。図の水平方向は管の周方向、垂直方向は管
の軸方向、紙面に垂直な方向が半径方向である。図１４
の（１００）面では軸方向での密度が高く、半径方向は
やや弱く、周方向は非常に弱い。一方、図１５の（００
２）面の場合、軸方向密度が非常に高く、周方向もかな
り高いが、半径方向は非常に弱い。このように、異方性
が強い材料の残留応力測定においては、予め材料の異方
性を調べておき、３軸方向で方向密度の高い回折面のひ
ずみをそれぞれ測定し、それを用いて応力に換算する。
しかし、図７に示したように同じ応力に対して発生する
ひずみが回折面毎に異なるため、３軸方向で測定された
ひずみから応力を計算するには、非常に複雑な計算式が
必要となる。そこで、簡便的な残留応力評価方法を以下
に示す。

【００３２】図１６は集合組織が強い材料における残留
応力測定の測定手順を示すフローチャートである。この
測定手順では、まず最初に、図１４、図１５のような極
点図を測定して測定材料の異方性を調べておき（ステッ
プＳ２０１）、３軸方向で方向密度の高い回折面を選定
する（ステップＳ２０２）。次に、３軸方向で方向密度
の高い回折面のひずみをそれぞれ測定する。そして、
（３）ないし（５）式を用いて３軸方向ひずみから応力
を計算する場合、図７に示したように縦弾性定数が異な
る、言い替えれば、同じ応力に対して発生しているひず
みが異なるため、（３）ないし（５）式を用いて直接応
力値を計算することはできない。そこで、３軸方向で測
定されたひずみをどれか１つの回折面のひずみに換算し
て応力値を計算する簡易的方法を採用した。すなわち、
３軸方向で方向密度の高い回折面のひずみをそれぞれ測
定し（ステップＳ２０３）、ある回折面でのひずみをそ
の回折面の弾性定数の、基準とする回折面の弾性定数に
対する比で補正し（ステップＳ２０４）、基準とする回
折面のひずみに換算して３軸方向の応力を測定（計算）
する（ステップＳ２０５）。

【００３３】例えば、管の軸方向、半径方向、周方向で
方向密度の高い回折面のひずみを、それぞれε(AAA）、
ε(RRR）、ε(HHH）とする。ここで、AAA 、RRR 、HHH
は回折面のｈｋｌ指数である。軸方向の回折面のひずみ
を基準にすると仮定すると、軸方向ひずみεA は、 εA ＝ε(AAA) ・・・（７）となる。図７に示したように、発生するひずみは弾性定
数分だけ異なるので、軸方向、半径方向、周方向で測定
した回折面の弾性定数をＥ(AAA) 、Ｅ(RRR) 、Ｅ(HHH)
とすると、半径方向ひずみεR と周方向ひずみεH は、
それぞれ、 εR ＝ε(RRR)・Ｅ(AAA) ／Ｅ(RRR) ・・・（８） εH ＝ε(HHH)・Ｅ(AAA) ／Ｅ(HHH) ・・・（９）となる。そこで、これらのεA 、εR 、εH と、基準と
した軸方向での回折面の弾性定数Ｅ(AAA) を（３) ない
し（５）式に代入すれば、図６のステップＳ２０５で示
したようにして３軸方向の残留応力が計算できる。

【００３４】以上の方法では、集合組織を調べるため
に、極点図を作成しているが、全方位の極点図を作成す
るには時間がかかるため、簡便的には測定材料の目的と
する３軸方向で次数が低く回折強度が高いと想定される
少なくとも５つの回折面の回折強度を測定し、３軸方向
毎に回折強度が高い回折面を選択するのが望ましい。こ
れらの回折面は、例えば測定材料が面心立方晶金属であ
れば、（１１１）（２００）（２２０）（３１１）（２
２２）（４００）などであり、体心立方晶金属であれ
ば、（１１０）（２００）（２１１）（２２０）（３１
０）（２２２）などである。このようにすれば、例え
ば、極点図を軸と周の面内で２度毎に、半径方向に向か
っては２度毎に測定する場合に比して、単純計算では２
７００分の１の時間で方向密度の高い回折面を決定する
ことができる。

【００３５】

【発明の効果】これまでの説明で明らかなように、本発
明によれば、中性子回折により構造物内部の残留応力を
精度良く測定できると共に、圧延などによる集合組織に
より異方性の強い材料についても残留応力が測定可能と
なる。

【００３６】さらに、具体的には、請求項１記載の発明
によれば、弾性定数の回折面依存性を試験片から求め、
この求められた弾性定数を用いて３軸方向ひずみから３
軸方向応力に換算するので、構造物内部の残留応力を精
度よく測定することができる。

【００３７】請求項２記載の発明によれば、弾性定数の
回折面依存性が単結晶における回折面依存性と一致する
ことから、３軸方向ひずみから３軸方向応力に換算する
とき、本請求項のような値を補正値として使用すること
により弾性定数の誤差の発生を最小限に抑え、これによ
り構造物内部の残留応力を精度よく測定することができ
る。

【００３８】請求項３記載の発明によれば、機械的特性
試験によって測定されたバルク材の弾性係数が（ｈｈ
ｌ）面を回折面としたときの弾性定数に近いので、（ｈ
ｈｌ）面を回折面としたときにはバルク材の弾性定数を
使用することができる。

【００３９】請求項４記載の発明によれば、回折強度曲
線のピークの半値幅の少なくとも５倍の角度範囲を測定
するだけでよいので、測定範囲が狭くて済み、これによ
って短時間で測定を行える。

【００４０】請求項５記載の発明によれば、回折強度曲
線のピークの半値幅のピーク位置を中心とするので、測
定範囲と測定位置の設定が容易になり、短時間での測定
が可能になる。

【００４１】請求項６および７記載の発明によれば、各
回折角度における回折強度を高く設定できるので、統計
変動が小さく、短時間で精度の高い回折強度曲線を得る
ことができ、これによって回折ピーク位置の決定精度が
向上し、ひずみの測定精度が高くなる。

【００４２】請求項８記載の発明によれば、測定領域が
球形もしくは立方体となるので、ひずみを測定するため
に２軸回りに回転させたとき、全く同じ領域を測定する
ことが可能になり、精度のよい測定を行うことができ
る。

【００４３】請求項９記載の発明によれば、測定領域が
球形もしくは立方体であって、回折角度２θが約９０度
となるように中性子線の波長と回折面を選択すると、３
軸方向のひずみを測定するときに測定領域が３軸で全く
同一になる。これによって精度のよい測定を行うことが
できる。

【００４４】請求項１０記載の発明によれば、回折強度
が弱くてひずみを測定できない場合に、３軸方向で方向
密度の高い回折面のひずみを測定し、そのひずみをある
特定の回折面のひずみに換算することによって３軸方向
の応力を計算することができ、これによって異方性の強
い材料についても残留応力の測定を行うことが可能とな
る。

【００４５】請求項１１記載の発明によれば、異方性が
強く、ひずみから直接応力を計算することが難しい場合
に、３軸方向で方向密度の高い回折面のひずみをそれぞ
れ測定し、ある回折面でのひずみをその回折面の弾性定
数の基準とする回折面の弾性定数に対する比で補正する
ことによって基準とする回折面のひずみに換算し、３軸
方向の応力を測定するので、異方性の強い材料について
も残留応力の測定を比較的簡単に行うことが可能とな
る。

【００４６】請求項１２記載の発明によれば、残留応力
の測定を従来は角度２度ごとにほぼ２７００回測定する
必要があったものを、５つの回折面についての５回の測
定だけで行えるので、短時間で簡単に精度のよい測定が
行える。

【００４７】請求項１３記載の発明によれば、中性子回
折に代えてＸ線回折を使用するので、構造物表面部の残
留応力の測定を簡単な装置で行うことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る弾性係数の決定の手順を
示すフローチャートである。

【図２】実施例に係る中性子回折に使用される回折装置
を示す概略構成図である。

【図３】応力による中性子回折強度曲線のシフトの状態
を示す図である。

【図４】管の半径方向ひずみを測定するときの中性子入
射ビームと回折ビームの位置関係を示す説明図である。

【図５】管の周方向ひずみを測定するときの中性子入射
ビームと回折ビームの位置関係を示す説明図である。

【図６】管の軸方向ひずみを測定するときの中性子入射
ビームと回折ビームの位置関係を示す説明図である。

【図７】炭素鋼における弾性定数の回折面依存性を示す
負荷応力とひずみの測定図である。

【図８】弾性定数の回折面依存性の単結晶に対する計算
値と、それのバルク材の弾性定数による補正値と、実験
により求めた測定値とを比較した図である。

【図９】実施例に係る中性子回折強度曲線の測定方法を
示す説明図である。

【図１０】実施例に係る中性子回折強度曲線の測定方法
を示す説明図である。

【図１１】中性子回折装置を使用してひずみを測定する
ときの残留応力測定領域を示す説明図である。

【図１２】回折角度が９０度でないときの残留応力測定
領域を示す説明図である。

【図１３】回折角度が９０度のときの残留応力測定領域
を示す説明図である。

【図１４】ジルコニウム合金の（１００）極点図であ
る。

【図１５】ジルコニウム合金の（００２）極点図であ
る。

【図１６】集合組織（異方性）の強い材料における残留
応力の決定の手順を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１原子炉２ガイドチューブ３モノクロメータ４ガイドチューブ５入射ビームスリット５ａＣｄスリット６測定試料７回折ビームスリット７ａＣｄスリット８中性子検出器９ディフラクトメータ１０測定領域１１ビームストップ１２³Ｈｅ検出器１３回転楕円体１４回折面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大城戸忍茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中性子回折を利用して残留応力を測定す
る残留応力測定方法において、予め試験片を用いて機械的に負荷を加えたときの応力と
前記中性子回折によるひずみを測定し、試験片で測定された応力とひずみとの関係から、測定す
る回折面に対する弾性定数を求め、求められた弾性定数を用いて中性子回折により測定され
た３軸方向ひずみをフックの法則に基づいて３軸方向応
力に換算することを特徴とする残留応力測定方法。
【請求項２】前記弾性係数として、単結晶における各
回折面に対する弾性定数を機械的に測定された弾性定数
のランダム方位の単結晶の集合体として求めた平均的弾
性定数に対する比で補正した値を用いることを特徴とす
る請求項１に記載の残留応力測定方法。
【請求項３】前記回折面を（ｈｈｌ）面とし、機械的
に測定された弾性定数を用いて応力に換算することを特
徴とする請求項１に記載の残留応力測定方法。
【請求項４】中性子回折の回折強度曲線を測定する
際、回折強度曲線のピークの半値幅の少なくとも５倍の
角度範囲を測定することを特徴とする請求項１に記載の
残留応力測定方法。
【請求項５】前記回折強度曲線のピーク位置をほぼ中
心として測定することを特徴とする請求項４に記載の残
留応力測定方法。
【請求項６】中性子回折の回折強度曲線を測定する
際、位置敏感型中性子検出器を使用してほぼ回折強度曲
線のピーク位置を中心として回折強度曲線のピークの半
値幅の２倍の角度範囲を１０分割程度で分割するように
マルチチャンネルアナライザを設定し、回折ピーク位置
を半値幅中心で決定することを特徴とする請求項４に記
載の残留応力測定方法。
【請求項７】中性子回折の回折強度を測定する際、位
置敏感型中性子検出器を使用してほぼ回折強度曲線のピ
ーク位置を中心として回折強度曲線のピークの半値幅の
２倍の角度範囲を１０分割程度で分割するようにマルチ
チャンネルアナライザを設定し、回折ピークの中心位置
をガウス曲線近似によって決定することを特徴とする請
求項４に記載の残留応力測定方法。
【請求項８】中性子回折の回折強度を測定する際、中
性子回折装置の入射ビームスリット及び回折ビームスリ
ットの形状を円形または正方形として測定することを特
徴とする請求項１、４、５、６および７のいずれか１に
記載の残留応力測定方法。
【請求項９】中性子回折の回折角度が約９０度となる
ように、中性子線の波長と回折面を選択することを特徴
とする請求項１に記載の残留応力測定方法。
【請求項１０】異方性が強い測定材料については予め
材料の異方性を測定しておき、３軸方向で方向密度の高
い回折面のひずみをそれぞれ測定することを特徴とする
請求項１または２に記載の残留応力測定方法。
【請求項１１】３軸方向で方向密度の高い回折面のひ
ずみをそれぞれ測定し、ある回折面でのひずみをその回
折面の弾性定数の基準とする回折面の弾性定数に対する
比で補正し、基準とする回折面のひずみに換算して３軸
方向の応力を測定することを特徴とする請求項１０に記
載の残留応力測定方法。
【請求項１２】測定材料の目的とする３軸方向で次数
が低く回折強度が高いと想定される少なくとも５つの回
折面の回折強度を測定して、３軸方向毎に回折強度が高
い回折面を選択することを特徴とする請求項１０または
１１に記載の残留応力測定方法。
【請求項１３】前記中性子回折に代えて、Ｘ線回折を
使用することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれ
か１に記載の残留応力測定方法。