JPS61269032A - 円柱材の残留応力測定法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は円柱材の残留応力測定法に関する。

（従来の技術） 部材の内部に発生する残留応力は部材の製造・加工過程
において生ずる不均一変形、熱応力、変態あるいは析出
による体積変化、化学的変化などが主な発生原因である
。残留応力は部材のそり。

ねじれをはじめとする寸法・形状への影響、疲労、破壊
への影響など極めて重要であり、従来゛より種々の測定
・評価法が考案、実用化されてきた６例えば、機械的な
残留応力測定法の原理は、残留応力を有する部材を機械
加工によって分割　　　□し、応力の解放を行ってこの
際に生ずるひずみを測定し、弾性理論を用い−て残留応
力を推定する。

円柱材の残留応力測定に関しては、５ａｃｋｓ法が良く
知られている。これは円柱材の内層を逐次に除去しなが
ら円筒の軸方向の長さ、および外径の変化を測定して、
その結果から３軸方向（半径方向０円周方向、軸方向）
の残留応力を求める方法である。逆に外層から逐次除去
する方法もあるが、これも原理は５ａｃｋｓ法と同じで
ある（米谷茂著「残留応力の発生と対策」養賢堂、昭和
５０年８月１５日発行、　Ｐ、２３参照）、また、内層
除去と外層除去を組合せて全応力分布を求める方法、あ
るいは、分割と逐次除去を併用するＢｉｒｇｅｒ法（同
上文献２．３８参照）などがある。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上述の方法はいずれの場合も逐次除去、
あるいは円柱全体を加工しなければならないため、測定
作業がかなり困難であり、測定精度も不十分である。特
に圧延ロール等の長大な部材に関しては、工作機械の能
力等から多大の労力が必要になったり、あるいは専用機
械の設置が必要となり経済的にも不利となる欠点があっ
た。

（問題点を解決するための手段） 本発明は上述した欠点を解消する測定法を提供するもの
であり、その特徴とするところは５円柱材から円盤を切
出し、該円盤の外周面における、円盤切出しに伴う軸方
向および周方向の歪量を測定し、次いで前記円盤の半径
方向の１以上の位置から小片（要素）を切出し、該小片
切出しに伴なう、小片の存在していた位置における円盤
の周方向および半径方向の歪量を測定し、これら歪量の
測定結果から円柱材の半径方向各位置にｉける残留応力
を演算々出するようにしたことにある。これにより、測
定に要する加工は大幅に減少すると共に、測定精度も著
しく向上する。

（実施例） 以下に実施例にもとづいて本発明法を説明する。

第１図は測定時の切断方法を示すもので、１は円柱材の
切断前の状態を、２は第１段階の切断結果である、円柱
材から切出した円盤状態を、３は第２段階の切断結果で
ある、円盤の半径方向の１以上の位置から切出した小さ
な要素（小片）の状態を示している。

このような切断は応力の解放と測定面の確保が目的であ
り、第１段階の切断によって軸方向応力が解放されると
共に、測定を必要としている半径方向各位置の測定面が
確保される。また、第２段階の切断によって半径方向、
および円周方向の応力が解放される。

つぎに、本発明を実施するときの態様例について説明す
る０円柱材１にひずみゲージを貼付け、ひずみゲージを
中心に左右を切断し、例えば約３０１１１１１厚の円盤
にする。このときのひずみゲージから測定されるひずみ
は、軸方向応力解放による円柱表面の円周方向と軸方向
の弾性ひずみである０円盤に切断した後、半径方向各位
置にひずみゲージを貼付け、第２段階の要素に切断する
。このときの要素の大きさは例えば約３０■腸φ程度で
よい、微小要素に切断したときの各要素の半径方向及び
円周方向のひずみは、それぞれ半径方向と円周方向の応
力解放によって生じた弾性ひずみである。

上述したように円柱材から円盤に切断したときの円柱表
面の円周方向と軸方向の弾性ひずみ、及び円盤から要素
に切断したときの半径方向各位置の半径方向と円周方向
の弾性ひずみが測定され。

これらのひずみ測定値を用いて円柱材状態の半径方向各
位置の３軸応力（軸方向応力ら、半径方向応力０７９円
周方向応力へ）を弾性理論を用いて求めるものである。

ここで用いる弾性理論は上述の測定値から残留応力を求
めるために発明者らが理論を構築したもので、基本的な
弾性理論式は従来からよく知られているものであるが、
論理構成。

解析手法に特徴がある。

先ず、円盤と要素の関係は応力とひずみの関係式（１−
１）、（１−２）、（１−３）　、変位とひずみの適合
条件式（１−４）、（１−５）を用いて要素状態のひず
みεＸを求める。ここで、各記号は弾性輪でよく使われ
るもので詳細は省略する。

［応力・歪の関係］ ＝”Ｈ（０ｒ’−ａｔ″）−−［（へ°−偽゛）＋（へ
°−へり　）　　　　　　　　　　　　−−−（１−１
）シミ二Ｊミ＝百　幅−偽り　−−（（σ！’−（＆”
）＋（ｗ″−〇−）　）　　　　　　　　−０−（１−
２）εＩ−ε査＝−！−（偽’−ｃｒｚ”）　＋＋　（
（σ、′−σ１勺十Ｅ　　　　　　　Ｅ （偽−ｑ））　　　　　　　　−・（１−３）ただしυ
線箇所は測定値 εへ＝εｘ０＝ε−；εＸ σ、′＝へ輻へ輻Ｏ へ’＝　。

［変位と歪の適合条件］ ９　　ｕ’ εｒ’＝　−−−−（１−４） θ　ｒ εｅ’＝　　　　　　　　　　　　　　　　−−−（１
−５）さらに、円柱と要素の関係は釣合方程式（２−１
）、応力・ひずみの関係式（２−２）、（２−３）、（
２−４）　、および変位とひずみの適合条件式（２−５
）　、（２−８）　、（２−７）を用いて円柱状態の応
力、すなわち残留応力の解析解（３−１）　、（３−２
）　、（３−３）が得られる。

本発明の解析法の特徴は、円盤と要素の関係、円柱と要
素の関係を理論的に構築したことと、微小要素の状態で
ひずみεＸを導入し、これを用いて解析解を導出したこ
とである。

［釣合方程式］ ［応力・歪の関係］ εＹ−ε東＝±（σｒ−ｖ　（（ｒｅ＋ｃＩｔ）１　　
−（２−２）ε、−εＸ＝−（偽−υ（へ＋σｒ）　）
−−−（２−３）εニーεＸ；−（ら−υ（σ、十へ）
）−・（２−０Ｅ ［変位と歪の適合条件］ ｕ εｙ　＝　　　　　　　　　　　　　　　　−（２−５
）ｒ ε＃　”　−−−−（２−１１１） ε、　＝　−＝　ｃｏｎｓｔ　　（Ｓ、Ｇ、　ｒｃｌｒ
　＝　０より）−（２−７）　ｚ ［解析解］ ・−（３−１） ・−・（３−２） ８′５： う＝□（−εＸ＋−ε”　ｒｄｒ　）　　　−（３−３
）ｌ−υ　　　　ｂｌ つぎに、本発明法による残留応力測定結果例について述
べる。ホットストリップ圧延ロールは、ロール製造時に
生じた残留応力と圧延過程の昇温による熱応力が付加さ
れて、圧延中に胴中央部で折損することがある。これは
丁度大根を包丁で割ったような割れ方で、ロールの大根
割れなどとも呼ばれている。この原因は、上述のように
残留応力と熱応力の和がロールの破断応力に到達するた
めに生ずるもので、特に軸方向の応力が主因である。

第２図は熱延ロールの製造条件として炭素当量ＧＥを変
えたもの、及び内層鋳造時に７工ロシリコン接種したも
のなどの４種類のロールについて、本発明法により軸方
向残留応力分布を求めた結果を示す、大根割れに最も重
要なロール中心部の残留応力が炭素当量、接種などによ
って大幅に変化していることが明らかである。

この他に本発明法により内層材の黒鉛化度、鋳込み温度
の影響など定量的に明らかにすることができた。

（発明の効果） 以上述べたように、本発明法は圧延ロールをはじめとす
る大型円柱材の残留応力測定法として、従来法よりはる
かに簡便で設備拳骨力の大幅な削減と高精度の測定値が
得られるので、ロール等の製造技術、製造条件の最適化
が可能となり１品質１歩留りの向上は勿論、製造コスト
の顕著な低減が可能となり、経済的メリットは極めて大
きい。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）（口１９ｔ）は本発明方法における円柱材
切断方式を示す説明図、第２図は本発明法にょる熱延ロ
ール残留応力分布測定結果を示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 円柱材から円盤を切出し、該円盤の外周面における、円
   盤切出しに伴う軸方向および周方向の歪量を測定し、次
   いで前記円盤の半径方向の１以上の位置から小片（要素
   ）を切出し、該小片切出しに伴なう、小片の存在してい
   た位置における円盤の周方向および半径方向の歪量を測
   定し、これら歪量の測定結果から円柱材の半径方向各位
   置における残留応力を演算々出するようにしたことを特
   徴とする円柱材の残留応力測定法。