KR102342923B1 - 잔류 응력 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 X선을 이용한 주단강품의 잔류 응력 측정 방법에 있어서, 주단강품에 X선을 조사하는 공정과, 상기 X선에 유래하는 회절 X선의 강도를 2차원에서 검출하는 공정과, 상기 검출 공정에서 검출된 상기 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절환에 근거하여 잔류 응력을 산출하는 공정을 구비하고, 상기 주단강품의 복수의 측정 위치의 각각에 대하여 잔류 응력을 측정할 때에, 상기 산출 공정에서, 상기 측정 위치마다의 상기 회절환과 상기 측정 위치마다 상이한 X선적 탄성 정수에 근거하여 상기 측정 위치마다의 잔류 응력을 산출한다.

Description

잔류 응력 측정 방법
본 발명은 잔류 응력 측정 방법에 관한 것이다.
최근, X선을 이용한 잔류 응력 측정 기술이 보급되고 있다. 이 기술은 X선을 이용하는 것에 의해 결정 구조를 갖는 피검사체의 내부에 생기는 격자 뒤틀림을 측정하고, 측정 결과를 잔류 응력으로 환산하는 것이다.
X선을 이용한 잔류 응력 측정 방법으로서는, cosα법이 알려져 있다. cosα법은, 피검사체에 대하여 특정의 조사 각도로 X선을 조사하고, 이 X선이 피검사체에서 반사되는 것에 의해 생기는 회절 X선의 강도를 2차원에서 검출하고, 검출된 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절환에 근거하여 잔류 응력을 산출하는 방법이다. 예를 들면 특허문헌 1에는, cosα법에 의한 잔류 응력의 구체적인 산출 순서가 설명되어 있다.
특허문헌 1에 기재된 X선 회절 시스템은, 레일의 임의의 측정 개소에서 X선 회절 장치를 정지시켜 X선을 조사하고, 이미징 플레이트에서 회절 X선을 검출하고, 회절 X선이 형성하는 회절환에 근거하여 잔류 응력을 평가하는 것이다(단락 0025). 특허문헌 1의 X선 회절 시스템은, X선 회절 장치를 탑재한 차량을 이동시키면서 레일의 측정점마다의 측정 데이터를 축적하고, 측정점마다 측정 데이터의 평균값을 평가하는 것에 의해, 레일의 각 부(部)의 경년 열화를 모니터할 수 있다(단락 0057 및 단락 0059).
그런데, 주단강품은 함유 원소의 종류, 함유 원소의 농도, 용강을 응고시킬 때의 냉각 속도 등의 제조 조건에 의해서 내부에 국소적인 화학 성분의 편향을 갖는 경우가 있다. 이 경우에는, 주단강품의 조직 및 경도는 완전히 균질하게 되지 않고, 주단강품의 내부에 생기는 잔류 응력도 국소적으로 변화하는 경향이 있다. 이 경향은 대형 주단강품에 있어서 특히 현저하다.
주단강품을 피검사체로 하여 X선을 이용한 잔류 응력 측정이 실시되는 경우, 주단강품의 불균질한 부분이 측정 위치로서 선택되면, 잔류 응력의 측정 결과가 큰 오차를 포함할 가능성이 있다. 이 때문에, 주단강품의 측정 위치마다 잔류 응력을 적절히 평가할 수 있는 잔류 응력 측정 방법이 요구되고 있다.
일본 특허 공개 제 2005-241308 호 공보
본 발명은 상술과 같은 사정에 근거하여 이루어진 것으로서, 주단강품의 측정 위치마다 잔류 응력을 적절히 평가할 수 있는 잔류 응력 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 발명은, X선을 이용한 주단강품의 잔류 응력 측정 방법에 있어서, 주단강품에 X선을 조사하는 공정과, 상기 X선에 유래하는 회절 X선의 강도를 2차원에서 검출하는 공정과, 상기 검출 공정에서 검출된 상기 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절환에 근거하여 잔류 응력을 산출하는 공정을 구비하고, 상기 주단강품의 복수의 측정 위치의 각각에 대해 잔류 응력을 측정할 때에, 상기 산출 공정에서, 상기 측정 위치마다의 상기 회절환과 상기 측정 위치마다 상이한 X선적 탄성 정수에 근거하여 상기 측정 위치마다의 잔류 응력을 산출한다.
X선을 이용한 잔류 응력 측정에 있어서의 잔류 응력의 산출에는, 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절환과 X선적 탄성 정수가 이용된다. 일반적인 X선을 이용한 잔류 응력 측정 방법은, 피검사체의 재료에 대응한 1개의 표준적인 X선적 탄성 정수를 이용하여 잔류 응력을 산출한다. 그렇지만, X선적 탄성 정수는 피검사체의 화학 성분, 내부 조직, 경도 등에 의해서 정해지는 것이므로, 주단강품의 불균질한 부분의 X선적 탄성 정수는 주단강품의 표준적인 X선적 탄성 정수와는 상이하다. 이 때문에, 일반적인 X선을 이용한 잔류 응력 측정 방법은, 주단강품의 불균질한 부분에 생기는 잔류 응력을 적절히 평가할 수 없다. 한편, 상기 잔류 응력 측정 방법은, 주단강품의 측정 위치마다 상이한 X선적 탄성 정수를 이용하여 잔류 응력을 산출하므로, 주단강품의 측정 위치마다의 화학 성분, 내부 조직, 경도 등에 맞추어 적절한 X선적 탄성 정수를 선택할 수 있다. 따라서, 상기 잔류 응력 측정 방법은, 주단강품의 측정 위치마다 잔류 응력을 적절히 평가할 수 있다.
측정 위치마다 상이한 상기 X선적 탄성 정수가, 상기 X선에 유래하는 상기 회절 X선의 반값 폭, 상기 주단강품의 화학 성분 및 상기 주단강품의 경도 중 적어도 어느 하나에 근거하여 결정되면 좋다. 이에 의해, 상기 잔류 응력 측정 방법은 주단강품의 측정 위치마다 적절한 X선적 탄성 정수를 이용하여 잔류 응력을 산출할 수 있다.
복수의 상기 측정 위치의 각각이 상기 X선의 조사 직경의 5배 이내의 간격으로 배치되면 좋다. 복수의 측정 위치의 각각이 크게 이격되어 있으면, 측정 위치마다의 화학 성분, 내부 조직, 경도 등이 완전히 상이한 경우가 있다. 상기 잔류 응력 측정 방법은, 복수의 측정 위치를 상기 간격으로 배치하고 있으므로, 측정 위치마다의 화학 성분, 내부 조직, 경도 등의 변화에 추종하여 적절한 X선적 탄성 정수를 선택할 수 있다.
본 발명의 잔류 응력 측정 방법은, 주단강품의 측정 위치마다 잔류 응력을 적절히 평가할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태의 잔류 응력 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 도 1의 시험 공정의 상세를 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시형태의 잔류 응력 측정 방법의 일부를 나타내는 흐름도이다.
도 4는 도 3의 시험 공정의 상세를 나타내는 흐름도이다.
도 5는 편석이 많은 시험편을 이용하여 측정한 X선 응력과 공칭 응력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 편석이 적은 시험편을 이용하여 측정한 X선 응력과 공칭 응력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 회절 X선의 반값 폭과 X선적 탄성 정수의 수정에 이용하는 수정 계수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 주단강품의 탄소 당량과 X선적 탄성 정수의 수정에 이용하는 수정 계수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 주단강품의 비커스 경도와 X선적 탄성 정수의 수정에 이용하는 수정 계수의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 잔류 응력 측정 방법의 실시형태에 대해, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
[제 1 실시형태]
도 1에 나타내는 잔류 응력 측정 방법은, X선을 이용한 주단강품의 잔류 응력 측정 방법에 있어서, 주단강품에 X선을 조사하는 조사 공정과, X선에 유래하는 회절 X선의 강도를 2차원에서 검출하는 검출 공정과, 검출 공정에서 검출된 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절환에 근거하여 잔류 응력을 산출하는 산출 공정을 구비하고 있다. 상기 잔류 응력 측정 방법은 주단강품의 복수의 측정 위치의 각각에 대해 잔류 응력을 측정할 때에, 산출 공정에서, 측정 위치마다의 회절환과 측정 위치마다 상이한 X선적 탄성 정수에 근거하여 측정 위치마다의 잔류 응력을 산출한다. 또한, 상기 잔류 응력 측정 방법은, 검출 공정 후에 검출 공정에서 검출된 회절 X선의 강도를 기록하는 기록 공정을 구비하고 있으며, 산출 공정 전에, 측정 위치마다 X선적 탄성 정수를 수정하기 위한 수정 조건을 취득하는 시험 공정을 구비하고 있다.
상기 잔류 응력 측정 방법에는, X선 조사 장치 및 2차원 검출기를 구비하는 X선 응력 측정 장치가 이용된다. 상기 잔류 응력 측정 방법은, 주단강품에 X선을 1회 조사할 때마다 주단강품에 대한 X선의 조사 위치를 변경한다. 그리고, 상기 잔류 응력 측정 방법은, 조사 위치마다의 회절환과 조사 위치마다 상이한 X선적 탄성 정수에 근거하여 조사 위치마다의 잔류 응력을 산출한다. 즉, 상기 잔류 응력 측정 방법은, 주단강품의 복수의 측정 위치에서 회절환을 각각 취득하고, 측정 위치마다 상이한 X선적 탄성 정수를 이용하여 잔류 응력을 산출하는 것이다.
<조사 공정>
조사 공정은, X선 조사 장치로부터 주단강품에 X선을 조사하는 공정이다. 조사 공정은 1회의 X선 조사에 있어서 조사 위치를 변경하지 않고 주단강품에 X선을 조사한다. 또한, 조사 공정은 2번째 이후의 X선 조사 전에 X선의 조사 위치를 변경한다. X선을 1회 조사할 때마다 실행되는 X선의 조사 위치의 변경은, 예를 들면 X선의 조사 직경의 5배 이내의 거리로 실행되면 바람직하다. 즉, 복수의 측정 위치의 각각이 X선의 조사 직경의 5배 이내의 간격으로 배치되면 바람직하다.
또한, 주단강품의 내부에 생겨있는 잔류 응력이 넓은 범위에서 크게 상이하지 않은 경우에는, 복수의 측정 위치의 각각이, X선의 조사 직경의 5배보다 큰 간격으로 배치되어도 좋으며, 예를 들면 X선의 조사 직경의 10배 이내의 간격으로 배치되어도 좋다. 또한, 주단강품의 내부에 생겨 있는 잔류 응력이 좁은 범위에서 크게 상이한 경우에는, 복수의 측정 위치의 각각이, X선의 조사 직경과 대략 동일한 간격으로 인접하도록 배치되어도 좋으며, X선의 조사 직경보다 작은 간격으로 일부가 중복되도록 배치되어도 좋다.
<검출 공정>
검출 공정은 주단강품에 조사된 X선에 유래하는 회절 X선의 강도를 2차원 검출기에서 검출하는 공정이다. 주단강품은 다결정체이기 때문에, 주단강품에 조사된 X선은, 다수의 결정에 있어서 브랙의 회절 조건을 만족하는 각도로 회절된다. 다수의 결정에서 회절된 X선은, 회절 X선으로서 2차원 검출기에서 검출된다. 2차원 검출기에서는 회절 X선의 강도가 검출되지만, 이 회절 X선의 강도 분포는 회절환을 형성한다.
<기록 공정>
기록 공정은, 검출 공정에서 검출된 회절 X선의 강도를 X선의 조사 위치마다, 즉 주단강품의 측정 위치마다 기록하는 공정이다. 기록 공정은, 검출 공정에서 검출된 회절 X선의 강도를 기록할 때에, 2차원 검출기에서의 회절 X선의 강도에 관한 X선 회절 정보를 초기화한다.
<시험 공정>
시험 공정은 주단강품의 측정 위치마다 X선적 탄성 정수를 수정하기 위한 수정 조건을 취득하는 공정이다. 시험 공정은 도 2에 나타내는 바와 같이, 시험편을 준비하는 준비 공정과, 시험편에 대하여 부하 테스트를 실시하는 부하 테스트 공정과, 부하 테스트의 결과에 근거하여 X선적 탄성 정수를 수정하는 수정 계수를 계산하는 계산 공정을 갖고 있다.
(준비 공정)
준비 공정은 주단강품으로부터 시험편을 준비하는 공정으로서, 기록 공정에서 회절 X선의 강도를 기록한 복수의 측정 위치가 시험편에 포함되도록 주단강품을 가공한다. 준비 공정은 1개의 시험편에 복수의 측정 위치가 포함되도록 주단강품을 가공하는 공정이어도 좋으며, 복수의 시험편의 각각에 복수의 측정 위치의 각각이 포함되도록 주단강품을 가공하는 공정이어도 좋다. 또한, 주단강품 그 자체에 대한 부하 테스트가 실시 가능하며, 주단강품의 가공이 필요하지 않은 경우에는, 준비 공정은 생략되어도 좋다.
(부하 테스트 공정)
부하 테스트 공정은, 시험편에 대하여 부하 테스트를 실시하는 공정이다. 구체적으로는, 부하 테스트 공정은 인장 시험기 등을 이용하여 시험편에 기지(旣知)의 응력을 부가한 상태에서, 시험편의 복수의 측정 위치에 대하여 X선을 조사하고, 이 X선에 유래하는 회절 X선의 강도를 검출하고, 이 회절 X선의 강도 분포로부터 측정 위치마다의 잔류 응력을 산출한다. 회절 X선의 강도 분포에 근거하여 잔류 응력을 계산하는 방법으로서는, cosα법에 의한 계산 방법이 이용되지만, X선적 뒤틀림으로부터 직접 응력을 계산하는 방법이 이용되어도 좋다. 또한, 이 부하 테스트 공정에 있어서의 잔류 응력의 산출에는 표준적인 X선적 탄성 정수가 이용된다.
(계산 공정)
계산 공정은, 부하 테스트의 결과에 근거하여 X선적 탄성 정수를 수정하는 수정 계수를 계산하는 공정이다. 구체적으로는, 계산 공정은, 부하 테스트에 있어서의 기지의 응력에 대한 측정 위치마다의 잔류 응력의 비를 계산하고, 이 비를 측정 위치마다의 X선적 탄성 정수의 수정 계수로서 취득한다. 또한, 부하 테스트에 있어서, 복수의 기지의 응력이 이용되어 복수의 비가 계산되는 경우에는, 수정 계수는 정밀도 향상의 관점에서 측정 위치마다 복수의 비를 평균화하는 것에 의해 구할 수 있으면 바람직하다.
<산출 공정>
산출 공정은, 2차원 검출기에서 검출된 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절환에 근거하여 X선의 조사 위치마다, 즉 주단강품의 측정 위치마다의 잔류 응력을 산출하는 공정이다. 산출 공정은, 측정 위치마다의 회절환과 측정 위치마다 상이한 X선적 탄성 정수에 근거하여 측정 위치마다의 잔류 응력을 산출한다. 구체적으로는, 산출 공정은 계산 공정에서 취득한 측정 위치마다의 X선적 탄성 정수의 수정 계수에 근거하여 측정 위치마다 X선적 탄성 정수를 수정하고, 이 수정된 X선적 탄성 정수와 회절환을 이용하여 측정 위치마다의 잔류 응력을 산출한다. 회절환에 근거하여 잔류 응력을 계산하는 방법으로서는, cosα법에 의한 계산 방법이 이용되지만, X선적 뒤틀림으로부터 직접 응력을 계산하는 방법이 이용되어도 좋다.
상기 잔류 응력 측정 방법의 각 공정의 실행 순서는 이하와 같다. 우선, 상기 잔류 응력 측정 방법은 조사 공정, 검출 공정 및 기록 공정을 실행한다. X선의 조사 횟수, 즉 측정 횟수의 합계가 규정값에 도달해 있지 않은 경우는, X선의 조사 위치, 즉 측정 위치가 변경된 후, 다시 조사 공정, 검출 공정 및 기록 공정이 실행된다. 한편, 측정 횟수의 합계가 규정값에 도달해 있는 경우는 시험 공정 및 산출 공정이 실행된다.
(이점)
상기 잔류 응력 측정 방법은, X선을 조사하는 주단강품의 측정 위치마다 상이한 X선적 탄성 정수를 이용하여 잔류 응력을 산출하므로, 주단강품의 불균질한 부분을 포함하는 측정 위치에 X선이 조사되는 경우여도, 주단강품의 측정 위치에 맞추어 적절한 X선적 탄성 정수를 선택할 수 있다. 따라서, 상기 잔류 응력 측정 방법은, 주단강품의 측정 위치마다 잔류 응력을 적절히 평가할 수 있다.
[제 2 실시형태]
상기 잔류 응력 측정 방법은, X선을 이용한 주단강품의 잔류 응력 측정 방법이지만, 시험 공정 전에, 주단강품의 측정 위치마다의 성질을 분석하는 분석 공정을 구비하는 동시에, 시험 공정 후 또한 산출 공정 전에, 측정 위치마다 상이한 수정 계수를 결정하는 수정 계수 결정 공정을 구비하고 있는 점에서 제 1 실시형태의 잔류 응력 측정 방법과는 상이하다. 상기 잔류 응력 측정 방법은 조사 공정, 검출 공정 및 기록 공정에 대해서는 제 1 실시형태의 잔류 응력 측정 방법과 마찬가지이며, 측정 횟수의 합계가 규정값에 도달해 있는 경우에 실행되는 도 3에 나타내는 처리에 대해서는 제 1 실시형태의 잔류 응력 측정 방법과 상이하다. 이하, 제 1 실시형태의 잔류 응력 측정 방법과는 상이한 점에 대하여 설명한다.
<분석 공정>
분석 공정은 주단강품의 측정 위치마다의 성질을 나타내는 파라미터를 분석하는 공정이다. 주단강품의 성질을 나타내는 파라미터로서는, 회절 X선의 반값 폭, 주단강품의 화학 성분 및 주단강품의 경도 중 적어도 어느 하나가 이용된다. 분석 공정은 X선의 조사 위치마다, 즉 측정 위치마다, 회절 X선의 반값 폭, 주단강품의 화학 성분 및 주단강품의 경도 중 적어도 어느 하나를 분석한다.
<시험 공정>
시험 공정은, X선적 탄성 정수를 수정하기 위한 수정 조건을 취득하는 공정이다. 시험 공정은 도 4에 나타내는 바와 같이, 시험편을 준비하는 준비 공정과, 시험편에 대하여 부하 테스트를 실시하는 부하 테스트 공정과, 부하 테스트의 결과에 근거하여 X선적 탄성 정수를 수정하는 수정 계수를 계산하는 계산 공정과, 시험편의 성질을 분석하는 시험편 분석 공정과, 계산 공정에서 계산한 수정 계수 및 시험편 분석 공정에서 분석한 시험편의 성질간의 관계식을 도출하는 도출 공정을 갖고 있다. 또한, 이 시험 공정은 주단강품과는 별체의 시험편을 이용하는 공정이므로, 분석 공정 등의 다른 공정보다 먼저 실행되어도 좋다.
(준비 공정)
준비 공정은, 주단강품과 동등의 시험편을 준비하는 공정이다. 통상, 주단강품에는 제품의 재료 특성을 검사하기 위한 남은 재료가 부속되어 있으므로, 시험편은 이 남은 재료로부터 채취되면 좋다.
(부하 테스트 공정)
부하 테스트 공정은 시험편에 대하여 부하 테스트를 실시하는 공정이다. 구체적으로는, 부하 테스트 공정은 인장 시험기 등을 이용하여 시험편에 기지의 응력을 부가한 상태에서, 시험편의 임의의 복수의 측정 위치에 대하여 X선을 조사하고, 이 X선에 유래하는 회절 X선의 강도를 검출하고, 이 회절 X선의 강도 분포로부터 측정 위치마다의 잔류 응력을 산출한다. 회절 X선의 강도 분포에 근거하여 잔류 응력을 계산하는 방법으로서는, cosα법에 의한 계산 방법이 이용되지만, X선적 뒤틀림으로부터 직접 응력을 계산하는 방법이 이용되어도 좋다. 또한, 이 부하 테스트 공정에 있어서의 잔류 응력의 산출에는 표준적인 X선적 탄성 정수가 이용된다.
(계산 공정)
계산 공정은, 부하 테스트의 결과에 근거하여 X선적 탄성 정수의 수정값을 계산하는 공정이다. 구체적으로는, 계산 공정은 부하 테스트에 있어서의 기지의 응력에 대한 측정 위치마다의 잔류 응력의 비를 계산하고, 이 비를 측정 위치마다의 X선적 탄성 정수의 수정값으로서 취득한다. 또한, 부하 테스트에 있어서, 복수의 기지의 응력이 이용되어 복수의 비가 계산되는 경우에는, 수정값은 정밀도 향상의 관점에서, 측정 위치마다 복수의 비를 평균화하는 것에 의해 구해지면 바람직하다.
(시험편 분석 공정)
시험편 분석 공정은, 시험편의 성질을 나타내는 파라미터를 분석하는 공정이다. 구체적으로는, 분석 공정은 측정 위치마다, 회절 X선의 반값 폭, 시험편의 화학 성분 및 시험편의 경도 중 적어도 어느 하나를 분석한다.
(도출 공정)
도출 공정은, 계산 공정에서 계산한 수정값과 시험편 분석 공정에서 분석한 시험편의 성질 사이의 관계식을 도출하는 공정이다. 수정값과 시험편의 성질을 나타내는 파라미터는 측정 위치를 거쳐서 연결되어 있다. 도출 공정은 수정값을 종축으로 하고, 성질을 나타내는 파라미터를 횡축으로 한 데이터 그룹에 대하여, 2차 함수로 최소제곱 근사하는 것에 의해 근사 곡선을 구하고, 이 근사 곡선을 나타내는 식을 관계식으로 하여 도출한다.
<수정 계수 결정 공정>
수정 계수 결정 공정은, 주단강품의 측정 위치마다 X선적 탄성 정수를 수정하기 위한 수정 계수를 결정하는 공정이다. 수정 계수 결정 공정은, 분석 공정에서 분석한 주단강품의 측정 위치마다의 성질을 나타내는 파라미터와, 시험 공정의 도출 공정에서 도출된 관계식에 근거하여 주단강품의 측정 위치마다 상이한 수정 계수를 결정한다. 구체적으로는, 수정 계수 결정 공정은 도출 공정에서 도출된 관계식에 대하여, 분석 공정에서 분석한 주단강품의 성질을 나타내는 파라미터를 측정 위치마다 대입하는 것에 의해, 측정 위치마다 상이한 수정 계수를 결정한다.
<산출 공정>
산출 공정은, 2차원 검출기에서 검출된 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절환에 근거하여 X선의 조사 위치마다, 즉 주단강품의 측정 위치마다의 잔류 응력을 산출하는 공정이다. 산출 공정은, 측정 위치마다의 회절환과 측정 위치마다 상이한 X선적 탄성 정수에 근거하여 측정 위치마다의 잔류 응력을 산출한다. 구체적으로는, 산출 공정은, 수정 계수 결정 공정에서 결정된 측정 위치마다 상이한 수정 계수에 근거하여 측정 위치마다 X선적 탄성 정수를 수정하고, 이 수정된 X선적 탄성 정수와 회절환을 이용하여 측정 위치마다의 잔류 응력을 산출한다.
(이점)
상기 잔류 응력 측정 방법은 주단강품의 X선의 조사 위치마다, 회절 X선의 반값 폭, 주단강품의 화학 성분 및 주단강품의 경도 중 적어도 어느 하나를 분석한다. 그리고, 상기 잔류 응력 측정 방법은, 이 분석 결과에 근거하여 조사 위치마다 상이한 X선적 탄성 정수를 계산하고, 이들 X선적 탄성 정수에 근거하여 조사 위치마다의 잔류 응력을 산출한다. 이 때문에, 상기 잔류 응력 측정 방법은 주단강품의 불균질한 부분을 포함하는 영역에 X선이 조사되는 경우여도, 주단강품의 조사 위치마다 적절한 X선적 탄성 정수를 이용하여 잔류 응력을 산출할 수 있다. 따라서, 상기 잔류 응력 측정 방법은, 주단강품의 측정 위치마다 잔류 응력을 적절히 평가할 수 있다.
또한, 회절 X선의 반값 폭, 주단강품의 화학 성분 및 주단강품의 경도는 비파괴로 측정 가능한 파라미터이므로, 상기 잔류 응력 측정 방법은, 측정 대상으로 하는 주단강품을 파괴하는 일이 없이 측정 위치마다 잔류 응력을 적절히 평가할 수 있다. 또한, 상기 잔류 응력 측정 방법은 주단강품의 성질을 나타내는 파라미터로서 회절 X선의 반값 폭을 선택하면, 분석 공정에 있어서 기록 공정에서 기록된 측정 위치마다의 회절 X선의 강도를 분석하는 것만으로도 충분하기 때문에, 분석을 간략화할 수 있다.
<그 외의 실시형태>
금회 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각할 수 있어야 한다. 본 발명의 범위는 상기 실시형태의 구성으로 한정되는 것이 아니며, 청구의 범위에 의해 나타나며, 청구의 범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
상기 제 1 실시형태 및 상기 제 2 실시형태에서는, X선의 조사 횟수, 즉 측정 횟수의 합계가 규정값에 도달한 후에, 산출 공정이 실행되는 것에 대하여 설명했지만, 산출 공정은 X선을 1회 조사할 때마다 실행되는 것이어도 좋다. 즉, 잔류 응력 측정 방법은, 조사 공정, 검출 공정 및 산출 공정을 실행하고, 측정 횟수의 합계가 규정값에 도달해 있지 않은 경우는, 측정 위치를 변경한 후, 다시 조사 공정, 검출 공정 및 산출 공정을 실행하는 것이어도 좋다. 이 경우, 잔류 응력 측정 방법은 기록 공정을 구비하고 있지 않아도 좋다.
또한, 상기 제 1 실시형태에서는, 시험 공정을 구비하고 있는 잔류 응력 측정 방법에 대해 설명했지만, 제 1 실시형태는 시험 공정을 구비하고 있지 않아도 좋다. 즉, 제 1 실시형태의 잔류 응력 측정 방법은 조사 공정과, 검출 공정과, 산출 공정을 구비하고 있으면 좋다. 예를 들면, 주단강품과 실질적으로 동등한 재료 특성을 갖는 다른 주단강품을 준비할 수 있는 경우에는, 시험 공정과 동일한 순서에 의해 동등한 주단강품의 측정 위치와 X선적 탄성 정수의 수정 계수의 관계가 미리 도출 가능해진다. 동등한 주단강품을 이용하여 측정 위치와 수정 계수의 관계가 미리 도출되어 있는 경우에는, 제 1 실시형태의 잔류 응력 측정 방법은, 미리 도출된 관계에 근거하여 산출 공정에서 이용되는 X선적 탄성 정수를 측정 위치마다 수정할 수 있기 때문에, 시험 공정을 없앨 수 있다. 또한, 이와 같은 경우가 아니어도, 미리 준비된 복수의 X선적 탄성 정수 중에서 측정 위치마다 매우 바람직한 X선적 탄성 정수가 선택되는 것에 의해, 시험 공정이 생략되어도 좋다. 단, 정밀도가 양호하고 적절한 X선적 탄성 정수를 선택하는 관점에서, 제 1 실시형태의 잔류 응력 측정 방법은 시험 공정을 구비하고 있으면 바람직하다.
또한, 상기 제 2 실시형태에서는 분석 공정, 시험 공정 및 수정 계수 결정 공정을 구비하고 있는 잔류 응력 측정 방법에 대하여 설명했지만, 제 2 실시형태는 시험 공정을 구비하고 있지 않아도 좋다. 제 2 실시형태의 시험 공정은 도출 공정에서, X선적 탄성 정수의 수정값과 시험편의 성질 사이의 관계식을 도출하지만, 이 관계식은 한 번 도출되면 재이용하는 것이 가능하기 때문에, 이미 관계식이 도출되어 있는 경우는, 제 2 실시형태는 시험 공정을 생략할 수 있다.
상기 제 1 실시형태에서는, 시험 공정이 주단강품으로부터 시험편을 준비하는 준비 공정을 갖는 것에 대하여 설명했지만, 주단강품 그 자체에 대한 부하 테스트가 실시 가능하며, 준비 공정이 생략되는 경우에는, 제 1 실시형태는 산출 공정보다 전의 임의의 타이밍에 시험 공정을 실행하는 것이면 좋다. 예를 들면, 제 1 실시형태는 조사 공정 전에 시험 공정을 실행하는 것이어도 좋다.
상기 제 2 실시형태에서는, 시험 공정이 주단강품과 동등의 시험편을 준비하는 준비 공정을 갖는 것에 대하여 설명했지만, 제 2 실시형태는, 수정 계수 결정 공정보다 전의 임의의 타이밍에 시험 공정을 실행하는 것이면 좋다. 예를 들면, 제 2 실시형태는 조사 공정 전에 시험 공정을 실행하는 것이어도 좋다.
상기 제 2 실시형태에서는, 측정 횟수의 합계가 규정값에 도달해 있는 경우에 분석 공정이 실행되는 것에 대하여 설명했지만, 제 2 실시형태는 수정 계수 결정 공정보다 전의 임의의 타이밍에 분석 공정을 실행하는 것이면 좋다. 예를 들면, 제 2 실시형태는 조사 공정 전에, 분석 공정을 실행하는 것이어도 좋으며, 검출 공정 후에, 분석 공정을 실행하는 것이어도 좋다.
상기 제 2 실시형태에서는, 준비 공정에 있어서 주단강품과 동등의 시험편을 준비하는 것에 대하여 설명했지만, 상기 제 1 실시형태와 마찬가지로, 준비 공정에 있어서 회절 X선의 강도를 기록한 복수의 측정 위치가 시험편에 포함되도록 주단강품을 가공하는 것에 의해, 주단강품으로부터 시험편을 준비하여도 좋다. 이 경우, 분석 공정에 있어서 주단강품의 성질을 나타내는 파라미터는 분석이 종료된 상태가 되기 때문에, 제 2 실시형태는 시험편 분석 공정을 생략할 수 있다.
실시예
이하, 실시예에 의해서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
[시험편에 대한 인장 시험]
우선, 1톤을 초과하는 대형 주단강품으로부터 편석이 많은 시험편과 편석의 적은 시험편을 절출했다. 대형 주단강품으로서는, 베이 나이트 조직을 갖는 크롬-몰리브덴계 합금강을 이용했다. 또한, 주단강품의 편석이 많은 부분에는 검은 라인이 보여진다는 지식에 근거하여, 대형 주단강품의 매크로 조직 관찰 사진에 의해 편석이 많은 부분과 편석이 적은 부분을 구별했다. 또한, 시험편은 길이 70㎜×폭 12.5㎜×두께 3㎜의 판형상 부분을 중앙에 갖는 봉형상으로 하여 절출하고, 절출한 시험편의 판형상 부분에 두께 약 0.1㎜의 전해 연마 처리를 실시했다.
인장 시험기를 이용하여 2종류의 시험편의 각각 대하여 길이방향으로 인장 응력을 부여한 상태에서, 인장 시험기의 로드 셀로부터 얻어지는 공칭 응력과 X선을 이용하여 측정한 잔류 응력(이하, "X선 응력"이라 기재함)을 비교하는 시험을 실행했다. 또한, X선 응력의 측정 위치는, 시험편의 전해 연마 처리가 실시된 판형상 부분의 6㎜×6㎜의 영역 내에서 등간격으로 설정되는 3×3의 9점으로 했다.
X선으로서는, 크롬의 Kα선을 이용하여, 콜리메이터 직경을 1.0㎜, X선의 조사 거리를 80㎜, 시험편에 대한 X선의 조사 각도를 35도, X선의 조사 면적을 약 6.5㎟로 했다. 또한, 철의 (211) 면으로부터의 회절 X선을 2차원 검출기에서 검출했다. 얻어진 회절환으로부터 잔류 응력을 산출할 때에 이용하는 X선적 탄성 정수에 대해서는, 철강 재료에 채용되는 표준적인 것을 이용했다. 구체적으로는, X선적 탄성 정수의 산출에 이용되는 영률 E를 224㎬로 하고, 포아손 비(poisson's ratio) ν를 0.28로 했다.
편석이 많은 시험편의 X선 응력은 공칭 응력을 0㎫, 269㎫, 312㎫, 409㎫로 하여 측정했다. 또한, 편석이 적은 시험편의 X선 응력은, 공칭 응력을 0㎫, 197㎫, 396㎫로 하여 측정했다. 편석이 많은 시험편을 이용하여 측정한 X선 응력과 공칭 응력의 관계를 나타내는 그래프를 도 5에 나타내고, 편석이 적은 시험편을 이용하여 측정한 X선 응력과 공칭 응력의 관계를 나타내는 그래프를 도 6에 나타낸다. 또한, 그래프의 실선은 9점의 측정 위치에 있어서의 X선 응력의 평균값을 나타내며, 그래프의 파선은 공칭 응력을 나타내며, 세로로 연장되는 선분의 단부는 9점의 측정 위치에 있어서의 X선 응력의 최대값 및 최소값을 나타내고 있다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 편석이 많은 시험편에 있어서의 X선 응력의 최대값 및 최소값의 차이는, 공칭 응력이 0㎫일 때에 약 80㎫, 공칭 응력이 0㎫ 이외일 때에 100㎫ 이상이며, 매우 큰 것이 확인되었다. X선 응력의 최대값 및 최소값의 차이를 공칭 응력으로 나눈 비율을 X선 응력의 측정 오차로서 더 검증하면, 편석이 많은 시험편에 있어서의 측정 오차는, 공칭 응력이 269㎫일 때에 약 49%이며, 매우 큰 값이 되는 것이 확인되었다. 또한, 도 6에 나타내는 바와 같이, 편석이 적은 시험편에 대해서도 X선 응력의 최대값 및 최소값의 차이는, 작지 않은 것이 확인되었다. 편석이 적은 시험편에 있어서도 X선 응력의 측정 오차를 검증하면, 측정 오차는 공칭 응력이 197㎫일 때에 약 17%이며, 작지 않은 것이 확인되었다.
이상과 같이, X선 응력은 측정 위치마다 크게 편차를 갖는 것이 확인되었다. 특히 편석이 많은 시험편에 있어서의 X선 응력의 편차는 매우 크다고 할 수 있다. 이 편차는, 측정 위치마다 상이한 X선적 탄성 정수를 이용하여 X선 응력을 산출하는 것에 의해 저감할 수 있다. 그래서, 측정 위치마다 상이한 X선적 탄성 정수를 계산하고, 이 X선적 탄성 정수를 이용하여 X선 응력을 산출하는 방법에 대해 검토했다.
[시험편의 분석]
상술의 편석이 많은 시험편에 대해서, 9점의 측정 위치마다의 성질을 분석했다. 시험편의 성질을 나타내는 파라미터로서는, 회절 X선의 반값 폭, 시험편의 화학 성분 및 시험편의 경도를 채용했다. 회절 X선의 반값 폭으로서는, 상술의 X선을 이용한 측정으로 얻어진 측정 위치마다의 회절 X선의 반값 폭의 평균값과 측정 위치마다의 회절 X선의 반값 폭의 차이 ΔB를 채용했다. 시험편의 화학 성분으로서는, 하기 식 (1)을 이용하여 계산된 탄소 당량 Ceq를 채용했다. 또한, 시험편의 경도으로서는, 비커스 경도 Hｖ를 채용했다.
[수식 1]
Figure 112020089201590-pct00001
여기에서, C는 탄소의 함유량, Mn은 망간의 함유량, Si는 규소의 함유량, Ni는 니켈의 함유량, Cr은 크롬의 함유량, Mo는 몰리브덴의 함유량, V는 바나듐의 함유량을 나타내며, 각 원소의 함유량은 질량%로 나타낸다.
[시험편의 부하 테스트]
상술의 편석이 많은 시험편에 대해, 기지의 응력을 부가한 상태에서, 9점의 측정 위치의 X선 응력을 측정했다. 그리고, 기지의 응력과 측정 위치마다의 X선 응력의 비를 계산하고, 이 비에 근거하여 측정 위치마다의 X선적 탄성 정수의 수정 계수 λ를 취득했다. 또한, X선 응력의 산출에는, 상술의 표준적인 영률 E 및 포아손 비 ν를 이용했다.
[관계식의 도출]
측정 위치마다 얻어진 X선적 탄성 정수의 수정 계수 λ를 종축으로 하고, 측정 위치마다 얻어진 회절 X선의 반값 폭의 평균값 및 반값 폭의 차이 ΔB, 시험편의 탄소 당량 Ceq 또는 시험편의 비커스 경도 Hｖ를 횡축으로 한 데이터 그룹에 대해, 2차 함수로 최소제곱 근사하는 것에 의해 관계식이 되는 근사 곡선을 도출했다. 수정 계수 λ와 상기 차이 ΔB의 관계를 나타내는 그래프를 도 7에 나타내고, 수정 계수 λ와 탄소 당량 Ceq의 관계를 나타내는 그래프를 도 8에 나타내고, 수정 계수 λ와 비커스 경도 Hｖ의 관계를 나타내는 그래프를 도 9에 나타낸다. 도 7에 있어서는, 상기 차이 ΔB를 "기준 반값 폭과의 차이"라 표기했다. 도 7에 의해 얻어진 관계식은 하기 식 (2)이며, 도 8에 의해 얻어진 관계식은 하기 식 (3)이며, 도 9에 의해 얻어진 관계식은 하기 식 (4)였다.
Figure 112020089201590-pct00002
[X선 응력의 산출]
측정 위치마다의 차이 ΔB와 상기 식 (2)에서 나타나는 관계식에 근거하여, 측정 위치마다의 수정 계수 λ를 결정하고, 이 수정 계수 λ에 근거하여 측정 위치마다의 X선적 탄성 정수를 계산했다. 그리고, X선을 이용한 측정에서 얻어진 측정 위치마다의 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절환과 얻어진 측정 위치마다의 X선적 탄성 정수에 근거하여 측정 위치마다의 X선 응력을 산출했다. 산출된 X선 응력은, 표준적인 X선적 탄성 정수를 이용하여 산출한 X선 응력에 비해 측정 오차가 작고, 편차가 저감된 것이 확인되었다.
측정 위치마다의 탄소 당량 Ceq와 상기 식 (3)에서 나타나는 관계식에 근거하여, 측정 위치마다의 수정 계수 λ를 결정하고, 이 수정 계수 λ에 근거하여 측정 위치마다의 X선적 탄성 정수를 계산했다. 그리고, X선을 이용한 측정에서 얻어진 측정 위치마다의 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절환과 얻어진 측정 위치마다의 X선적 탄성 정수에 근거하여 측정 위치마다의 X선 응력을 산출했다. 산출된 X선 응력은, 표준적인 X선적 탄성 정수를 이용하여 산출한 X선 응력에 비해 측정 오차가 작고, 편차가 저감된 것이 확인되었다.
측정 위치마다의 비커스 경도 Hｖ와 상기 식 (4)에서 나타나는 관계식에 근거하여, 측정 위치마다의 수정 계수 λ를 결정하고, 이 수정 계수 λ에 근거하여 측정 위치마다의 X선적 탄성 정수를 계산했다. 그리고, X선을 이용한 측정에서 얻어진 측정 위치마다의 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절환과 얻어진 측정 위치마다의 X선적 탄성 정수에 근거하여 측정 위치마다의 X선 응력을 산출했다. 산출된 X선 응력은, 표준적인 X선적 탄성 정수를 이용하여 산출한 X선 응력에 비해 측정 오차가 작고, 편차가 저감된 것이 확인되었다.
[산업상 이용가능성]
본 발명의 잔류 응력 측정 방법은, 주단강품의 측정 위치마다 잔류 응력을 적절히 평가할 수 있다.

Claims (3)

  1. X선을 이용한 주단강품의 잔류 응력 측정 방법에 있어서,
    주단강품에 X선을 조사하는 공정과,
    상기 X선에 유래하는 회절 X선의 강도를 2차원에서 검출하는 공정과,
    상기 검출 공정에서 검출된 상기 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절환에 근거하여 잔류 응력을 산출하는 공정을 구비하고,
    상기 주단강품의 복수의 측정 위치의 각각에 대하여 잔류 응력을 측정할 때에 상기 산출 공정에서, 상기 측정 위치마다의 상기 회절환과 상기 측정 위치마다 상이한 X선적 탄성 정수에 근거하여 상기 측정 위치마다의 잔류 응력을 산출하는
    잔류 응력 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    측정 위치마다 상이한 상기 X선적 탄성 정수가, 상기 X선에 유래하는 상기 회절 X선의 반값 폭, 상기 주단강품의 화학 성분 및 상기 주단강품의 경도 중 적어도 어느 하나에 근거하여 결정되는
    잔류 응력 측정 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    복수의 상기 측정 위치의 각각이 상기 X선의 조사 직경의 5배 이내의 간격으로 배치되는
    잔류 응력 측정 방법.
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