KR20200103836A - 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 X선에서 유래하는 회절 X선의 강도를 이차원으로 검출하는 공정과, 상기 검출 공정에서 검출된 상기 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 산출하는 공정을 구비하고, 상기 조사 공정이 상기 주단강품에 대한 상기 X선의 조사 조건을 변경하는 공정을 갖고, 상기 조사 공정이 상기 주단강품에 상기 X선을 1회 조사할 때마다 상기 변경 공정을 실행하는 공정이며, 상기 산출 공정이 상기 주단강품에 상기 X선을 1회 조사할 때마다 잔류 응력을 산출하는 공정이며, 상기 조사 공정, 상기 검출 공정 및 상기 산출 공정을 이 순서로 복수회 실행한 후, 상기 산출 공정에서 산출된 복수의 상기 잔류 응력을 평균화하는 평균화 공정을 더 구비한다.
Description
본 발명은 잔류 응력 측정 방법에 관한 것이다.
근년, X선을 이용한 잔류 응력 측정 기술이 보급되어 있다. 본 기술은 X선을 이용하는 것에 의해 결정 구조를 갖는 피검사체의 내부에 생겨져 있는 격자 변형을 측정하고, 측정 결과를 잔류 응력으로 환산하는 것이다.
X선을 이용한 잔류 응력 측정 방법으로서는, cosα법이 알려져 있다. cosα법은 피검사체에 대해서 특정의 조사 각도로 X선을 조사하고, 이 X선이 피검사체에서 반사하는 것에 의해 생기는 회절 X선의 강도를 이차원으로 검출하고, 검출된 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 산출하는 방법이다. 예를 들어, 특허문헌 1에는, cosα법에 의한 잔류 응력의 구체적인 산출 순서가 설명되어 있다.
특허문헌 1에 기재된 X선 회절 시스템은, 레일의 임의의 측정 개소에서 X선 회절 장치를 정지시켜서 X선을 조사하고, 이미징 플레이트에서 회절 X선을 검출하고, 회절 X선이 형성하는 회절 환에 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 평가함으로써, 레일의 각 부의 경년 열화(經年劣化)를 모니터할 수 있다(단락 [0057] 및 단락 [0059]).
그런데, 주단강품(鑄鍛綱品)은 함유 원소의 종류, 함유 원소의 농도, 용강(溶綱)을 응고시킬 때의 냉각 속도 등의 제조 조건에 의해서 내부에 국소적인 화학 성분의 편향을 갖는 경우가 있다. 본 경우에는, 주단강품의 조직 및 경도는 완전하게는 균질하게 되지 않고, 주단강품의 내부에 생기는 잔류 응력도 국소적으로 변화하는 경향이 있다. 본 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 내부에 생겨져 있는 잔류 응력을 적절하게 평가할 수 있는 잔류 응력 측정 방법이 요구되고 있다.
본 발명은 상술과 같은 사정에 근거하여 이루어진 것이며, 주단강품의 내부에 생겨져 있는 잔류 응력을 적절하게 평가할 수 있는 잔류 응력 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 본 발명의 일 태양은, X선을 이용한 주단강품의 잔류 응력 측정 방법에 있어서, 주단강품에 X선을 조사하는 공정과, 상기 X선에서 유래하는 회절 X선의 강도를 이차원으로 검출하는 공정과, 상기 검출 공정에서 검출된 상기 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 산출하는 공정을 구비하고, 상기 조사 공정이 상기 주단강품에 대한 상기 X선의 조사 조건을 변경하는 공정을 갖고, 상기 조사 공정이 상기 주단강품에 상기 X선을 1회 조사할 때마다 상기 변경 공정을 실행하는 공정이며, 상기 산출 공정이 상기 주단강품에 상기 X선을 1회 조사할 때마다 잔류 응력을 산출하는 공정이며, 상기 조사 공정, 상기 검출 공정 및 상기 산출 공정을 이 순서로 복수 회 실행한 후, 상기 산출 공정에서 산출된 복수의 상기 잔류 응력을 평균화하는 평균화 공정을 더 구비한다.
해당 잔류 응력 측정 방법은, 주단강품에 대한 X선의 조사 조건을 변경하고, 이 X선의 조사 조건의 변경에 따라 평균화한 잔류 응력을 산출하므로, 주단강품의 불균질한 부분을 포함하는 영역에 X선이 조사되는 경우여도, 잔류 응력의 산출 결과에 대한 이 불균질한 부분으로부터의 영향을 억제할 수 있다. 따라서, 해당 잔류 응력 측정 방법은 주단강품의 잔류 응력을 적절하게 평가할 수 있다. 특히, 해당 잔류 응력 측정 방법은 X선을 1회 조사할 때마다 잔류 응력을 산출하고, 산출된 복수의 잔류 응력을 평균화하므로, X선을 1회 조사할 때마다 잔류 응력을 파악할 수 있는 동시에, 평균화한 잔류 응력을 적절하게 산출할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 본 발명의 다른 일 태양은, X선을 이용한 주단강품의 잔류 응력 측정 방법에 있어서, 주단강품에 X선을 조사하는 공정과, 상기 X선에서 유래하는 회절 X선의 강도를 이차원으로 검출하는 공정과, 상기 검출 공정에서 검출된 상기 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 산출하는 공정을 구비하고, 상기 조사 공정이 상기 주단강품에 대한 상기 X선의 조사 조건을 변경하는 공정을 갖고, 상기 조사 공정이 상기 주단강품에 상기 X선을 1회 조사할 때마다 상기 변경 공정을 실행하는 공정이며, 상기 조사 공정 및 상기 검출 공정을 교대로 복수회 실행한 후, 상기 산출 공정에서, 복수의 상기 회절 X선의 강도가 평균화된 강도 분포에 의해 형성되는 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 산출한다.
해당 잔류 응력 측정 방법은 주단강품에 대한 X선의 조사 조건을 변경하고, 이 X선의 조사 조건의 변경에 따라 평균화한 잔류 응력을 산출하므로, 주단강품의 불균질한 부분을 포함하는 영역에 X선이 조사되는 경우여도, 잔류 응력의 산출 결과에 대한 이 불균질한 부분으로부터의 영향을 억제할 수 있다. 따라서, 해당 잔류 응력 측정 방법은 주단강품의 잔류 응력을 적절하게 평가할 수 있다. 특히, 해당 잔류 응력 측정 방법은 복수회의 X선의 조사에 의해 얻어진 회절 X선의 강도를 평균화하고, 평균화된 강도 분포에 의해 형성되는 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 산출하므로, 회절 환마다 잔류 응력을 계산하는 경우에 비해, 단시간에 잔류 응력을 평가할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 본 발명의 또 다른 일 태양은, X선을 이용한 주단강품의 잔류 응력 측정 방법에 있어서, 주단강품에 X선을 조사하는 공정과, 상기 X선에서 유래하는 회절 X선의 강도를 이차원으로 검출하는 공정과, 상기 검출 공정에서 검출된 상기 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 산출하는 공정을 구비하고, 상기 조사 공정이 상기 주단강품에 대한 상기 X선의 조사 조건을 변경하는 공정을 갖고, 상기 조사 공정이 상기 변경 공정을 실행하면서 상기 X선을 연속적으로 조사하는 공정이며, 상기 산출 공정에서, 상기 X선의 연속적인 조사에 의해서 평균화된 상기 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 산출한다.
해당 잔류 응력 측정 방법은, 주단강품에 대한 X선의 조사 조건을 변경하고, 이 X선의 조사 조건의 변경에 따라 평균화한 잔류 응력을 산출하므로, 주단강품의 불균질한 부분을 포함하는 영역에 X선이 조사되는 경우여도, 잔류 응력의 산출 결과에 대한 이 불균질한 부분으로부터의 영향을 억제할 수 있다. 따라서, 해당 잔류 응력 측정 방법은 주단강품의 잔류 응력을 적절하게 평가할 수 있다. 특히, 해당 잔류 응력 측정 방법은 X선의 조사 조건을 변경하면서 X선을 연속적으로 조사하므로, X선을 1회 조사할 때마다 X선의 조사 조건을 변경하는 경우에 비해, 단시간에 잔류 응력을 평가할 수 있다.
해당 잔류 응력 측정 방법은 상기 변경 공정에서, 상기 X선의 조사 면적의 합계가 20㎟ 이상이 되도록 상기 주단강품에 대한 상기 X선의 조사 조건을 변경하는 것이면 좋다. 이에 의해, 해당 잔류 응력 측정 방법은 주단강품의 잔류 응력을 보다 적절하게 평가할 수 있다.
본 발명의 잔류 응력 측정 방법은 주단강품의 잔류 응력을 적절하게 평가할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태의 잔류 응력 측정 방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시형태의 잔류 응력 측정 방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시형태의 잔류 응력 측정 방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 4는 편석(偏析)이 많은 시험편을 이용하여 측정한 X선 응력과 공칭 응력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 편석이 적은 시험편을 이용하여 측정한 X선 응력과 공칭 응력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 X선의 조사 위치를 변경한 경우의 X선의 조사 면적과 X선 응력의 측정 오차의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 X선의 조사 각도를 변경한 경우의 X선의 조사 면적과 X선 응력의 측정 오차의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 X선을 조사하면서 조사 위치를 변경한 경우의 X선의 조사 면적과 X선 응력의 최대 오차의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시형태의 잔류 응력 측정 방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시형태의 잔류 응력 측정 방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 4는 편석(偏析)이 많은 시험편을 이용하여 측정한 X선 응력과 공칭 응력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 편석이 적은 시험편을 이용하여 측정한 X선 응력과 공칭 응력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 X선의 조사 위치를 변경한 경우의 X선의 조사 면적과 X선 응력의 측정 오차의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 X선의 조사 각도를 변경한 경우의 X선의 조사 면적과 X선 응력의 측정 오차의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 X선을 조사하면서 조사 위치를 변경한 경우의 X선의 조사 면적과 X선 응력의 최대 오차의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 잔류 응력 측정 방법의 실시형태에 대해서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
[제 1 실시형태]
도 1에 나타내는 잔류 응력 측정 방법은 X선을 이용한 주단강품의 잔류 응력 측정 방법으로서, 주단강품에 X선을 조사하는 조사 공정과, X선에서 유래하는 회절 X선의 강도를 이차원으로 검출하는 검출 공정과, 검출 공정에서 검출된 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 산출하는 산출 공정을 구비하고 있다. 조사 공정은 주단강품에 대한 X선의 조사 조건을 변경하는 변경 공정을 갖고 있고, 주단강품에 X선을 1회 조사할 때마다 변경 공정을 실행한다. 산출 공정은 주단강품에 X선을 1회 조사할 때마다 잔류 응력을 계산한다. 해당 잔류 응력 측정 방법은 조사 공정, 검출 공정 및 산출 공정을 이 순서로 복수회 실행한 후, 산출 공정에서 산출된 복수의 잔류 응력을 평균화하는 평균화 공정을 더 구비하고 있다.
해당 잔류 응력 측정 방법에는, X선 조사 장치 및 이차원 검출기를 구비하는 X선 응력 측정 장치가 이용된다. 해당 잔류 응력 측정 방법은 주단강품에 X선을 1회 조사할 때마다 주단강품에 대한 X선의 조사 조건을 변경하고, 또한 주단강품에 X선을 1회 조사할 때마다 잔류 응력을 계산한다. 그리고, 해당 잔류 응력 측정 방법은 X선의 조사 횟수 또는 X선의 조사 면적의 합계가 일정 값에 도달한 경우에, 이러한 잔류 응력을 평균화한 잔류 응력을 산출한다. 즉, 해당 잔류 응력 측정 방법은 주단강품에 대해서 여러 가지 조사 조건으로 X선을 조사하고, 조사 조건마다 계산된 잔류 응력을 평균화하는 것이다.
<조사 공정>
조사 공정은 X선 조사 장치로부터 주단강품에 X선을 조사하는 공정이며, 주단강품에 대한 X선의 조사 조건을 변경하는 변경 공정을 갖고 있다. 조사 공정은 1회의 X선 조사에 있어서 조사 조건을 변경하지 않고 주단강품에 X선을 조사하고, 변경 공정이 실행될 때에 X선의 조사 조건을 변경한다.
(변경 공정)
변경 공정은 주단강품에 대한 X선의 조사 위치, 조사 각도 또는 조사 면적을 변경하는 것에 의해, X선의 조사 조건을 변경하는 공정이다. 변경 공정은 복수회의 X선 조사에 있어서 X선의 조사 횟수 또는 X선의 조사 면적이 규정 값에 도달하지 않은 조건 하에서, X선을 1회 조사할 때마다 실행된다. 또한, 특별히 한정되지 않지만, 주단강품의 내부에 생겨져 있는 잔류 응력이 부위마다 크게 상위(相違)할 가능성이 있는 경우에는, X선을 1회 조사할 때마다 실행되는 X선의 조사 위치의 변경 거리는 예를 들면, X선의 조사 직경의 5배 이내이면 바람직하다.
X선의 조사 각도는 주단강품에 대한 X선의 입사 각도이며, X선의 조사 위치를 고정한 채로 X선 조사 장치의 조사구 및 주단강품을 상대적으로 회전 이동하는 것에 의해서 변경된다. X선의 조사 위치는 X선의 조사 각도를 고정한 채로 X선 조사 장치의 조사구 및 주단강품을 상대적으로 이동하는 것에 의해서 변경된다. X선의 조사 면적은 주단강품 표면에 있어서의 X선의 조사 영역의 면적이며, 예를 들면, 조사 각도의 변경, X선 조사 장치의 조사구 및 주단강품간 거리의 변경, X선 조사 장치의 콜리메이터 직경의 변경 등에 의해서 변경된다.
<검출 공정>
검출 공정은 주단강품에 조사된 X선에서 유래하는 회절 X선의 강도를 이차원 검출기로 검출하는 공정이다. 주단강품은 다결정체이기 때문에, 주단강품에 조사된 X선은 다수의 결정에 있어서 브래그의 회절 조건을 충족하는 각도로 회절된다. 다수의 결정에서 회절된 X선은 회절 X선으로서 이차원 검출기로 검출된다. 이차원 검출기에서는 회절 X선의 강도가 검출되지만, 이 회절 X선의 강도 분포는 회절 환을 형성한다.
<산출 공정>
산출 공정은 주단강품에 X선을 1회 조사할 때마다, 이차원 검출기로 검출된 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 산출하는 공정이다. 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 계산하는 방법으로서는, cosα법에 의한 계산 방법이 이용되지만, X선적 변형으로부터 직접 응력을 계산하는 방법이 이용되어도 좋다.
<평균화 공정>
평균화 공정은 산출 공정에서 산출된 복수의 잔류 응력을 평균화하는 공정이며, 복수회의 X선의 조사가 완료한 후에 실행된다.
해당 잔류 응력 측정 방법의 각 공정의 실행 순서는 이하대로이다. 우선, 해당 잔류 응력 측정 방법은 조사 공정 및 검출 공정을 실행하고, X선의 조사 및 검출을 정지한 후에 산출 공정을 실행한다. 산출 공정에서 회절 환에 근거하여 잔류 응력이 산출될 때에, 이차원 검출기에 있어서의 회절 X선의 강도에 관한 X선 회절 정보는 초기화된다. 산출 공정이 실행된 후, X선의 조사 횟수 또는 X선의 조사 면적의 합계가 규정 값에 도달하지 않은 경우는, 변경 공정이 실행된다. 변경 공정이 실행되는 경우는 변경 공정에 의한 X선의 조사 조건의 변경이 정지된 후, 다시 조사 공정 및 검출 공정이 실행된다. 한편, X선의 조사 횟수 또는 X선의 조사 면적의 합계가 규정 값에 도달하여 있는 경우는, 산출된 복수의 잔류 응력이 평균화 공정에서 평균화된다.
(이점)
해당 잔류 응력 측정 방법은 주단강품에 대한 X선의 조사 조건을 변경하고, 이 X선의 조사 조건의 변경에 따라 평균화한 잔류 응력을 산출하므로, 주단강품의 불균질한 부분을 포함하는 영역에 X선이 조사되는 경우여도, 잔류 응력의 산출 결과에 대한 이 불균질한 부분으로부터의 영향을 억제할 수 있다. 특히, 해당 잔류 응력 측정 방법은 X선을 1회 조사할 때마다 잔류 응력을 산출하고, 산출된 복수의 잔류 응력을 평균화하므로, X선의 조사 조건의 변경에 따른 잔류 응력을 파악할 수 있는 동시에, 평균화한 잔류 응력을 적절하게 산출할 수 있다.
또한, 해당 잔류 응력 측정 방법은 변경 공정에서 주단강품에 대한 X선의 조사 위치, 조사 각도 또는 조사 면적을 변경하는 것에 의해, X선의 조사 조건을 변경한다. X선의 조사 위치 또는 조사 면적의 변경은 주단강품의 여러 부위의 잔류 응력의 평가를 가능하게 하고, X선의 조사 각도의 변경은 회절에 기여하는 결정의 방향을 바꿔서 잔류 응력의 평가를 가능하게 한다. 이 때문에, 해당 잔류 응력 측정 방법은 주단강품에 대해서 여러 조사 조건으로 X선을 조사함으로써, 주단강품의 잔류 응력을 적절하게 평가할 수 있다.
[제 2 실시형태]
도 2에 나타내는 잔류 응력 측정 방법은 복수회의 X선의 조사에 의해 얻어진 회절 X선의 강도 분포를 평균화하고, 평균화된 강도 분포에 의해 형성되는 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 산출하는 점에서, 제 1 실시형태의 잔류 응력 측정 방법과는 상이하다. 해당 잔류 응력 측정 방법은 조사 공정 및 검출 공정에 대해서는 제 1 실시형태의 잔류 응력 측정 방법과 마찬가지이며, 산출 공정 및 평균화 공정에 대해서는 제 1 실시형태의 잔류 응력 측정 방법과 상이하다.
해당 잔류 응력 측정 방법은 X선을 이용한 주단강품의 잔류 응력 측정 방법이며, 주단강품에 X선을 조사하는 조사 공정과, X선에서 유래하는 회절 X선의 강도를 이차원으로 검출하는 검출 공정과, 검출 공정에서 검출된 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 산출하는 산출 공정을 구비하고 있다. 조사 공정은 주단강품에 대한 X선의 조사 조건을 변경하는 변경 공정을 갖고 있고, 주단강품에 X선을 1회 조사할 때마다 변경 공정을 실행한다. 해당 잔류 응력 측정 방법은 조사 공정 및 검출 공정을 이 순서로 복수회 실행한 후, 검출 공정에서 검출된 복수의 회절 X선의 강도를 평균화하는 평균화 공정을 더 구비하고 있다. 그리고, 해당 잔류 응력 측정 방법은 산출 공정에서, 복수의 회절 X선의 강도가 평균화된 강도 분포에 의해 형성되는 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 산출한다.
해당 잔류 응력 측정 방법은 주단강품에 X선을 1회 조사할 때마다 주단강품에 대한 X선의 조사 조건을 변경하고, 또한 주단강품에 X선을 1회 조사할 때마다 회절 X선의 강도를 검출한다. 해당 잔류 응력 측정 방법은 X선의 조사 횟수 또는 X선의 조사 면적의 합계가 일정 값에 도달한 경우에, 검출된 복수의 회절 X선의 강도를 평균화한다. 그리고, 해당 잔류 응력 측정 방법은 평균화된 강도 분포에 의해 형성되는 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 산출한다. 즉, 해당 잔류 응력 측정 방법은 주단강품에 대해서 여러 가지 조사 조건으로 X선을 조사하고, 조사 조건마다 검출된 회절 X선의 강도를 평균화함으로써 잔류 응력을 평균화하는 것이다.
<평균화 공정>
평균화 공정은 검출 공정에서 검출된 복수의 회절 X선의 강도를 평균화하는 공정이며, 복수회의 X선의 조사가 완료한 후에 실행된다.
<산출 공정>
산출 공정은 평균화 공정에서 평균화된 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 산출하는 공정이다. 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 계산하는 방법으로서는, cosα법이 이용되지만, X선적 변형으로부터 직접 응력을 계산하는 방법이 이용되어도 좋다.
해당 잔류 응력 측정 방법의 각 공정의 실행 순서는 이하대로이다. 우선, 해당 잔류 응력 측정 방법은 조사 공정 및 검출 공정을 실행하고, X선의 조사 및 검출을 정지한다. X선의 조사 횟수 또는 X선의 조사 면적의 합계가 규정 값에 도달하지 않은 경우는 변경 공정이 실행된다. 변경 공정이 실행되는 경우는, 변경 공정에 의한 X선의 조사 조건의 변경이 정지된 후, 다시 조사 공정 및 검출 공정이 실행된다. 이차원 검출기에 있어서의 회절 X선의 강도에 관한 X선 회절 정보는 1회의 X선 조사마다 이차원 검출기로부터 취출된 후 각각 보지된다. 또한, 이차원 검출기로부터 X선 회절 정보가 취출될 때에, 이차원 검출기에 있어서의 X선 회절 정보는 초기화된다. 한편, X선의 조사 횟수 또는 X선의 조사 면적의 합계가 규정 값에 도달하여 있는 경우는, 평균화 공정에서, 보지되어 있는 복수의 X선 회절 정보에 근거하여 복수의 회절 X선의 강도가 평균화된 후, 산출 공정에서 잔류 응력이 산출된다.
또한, 해당 잔류 응력 측정 방법은 1회의 X선 조사마다 이차원 검출기에 있어서의 X선 회절 정보를 초기화하지 않고 중첩되는 순서에 의해서, 복수의 회절 X선의 강도 분포를 평균화해도 좋다. 본 경우, 해당 잔류 응력 측정 방법은 복수회의 X선의 조사가 완료한 시점에서 이차원 검출기로부터 평균화된 X선 회절 정보를 취득할 수 있으므로, 평균화 공정을 생략할 수 있다.
(이점)
해당 잔류 응력 측정 방법은 주단강품에 대한 X선의 조사 조건을 변경하고, 이 X선의 조사 조건의 변경에 따라 평균화한 잔류 응력을 산출하므로, 주단강품의 불균질한 부분을 포함한 영역에 X선이 조사되는 경우여도, 잔류 응력의 산출 결과에 대한 이 불균질한 부분으로부터의 영향을 억제할 수 있다. 특히, 해당 잔류 응력 측정 방법은 복수회의 X선의 조사에 의해 얻어진 회절 X선의 강도를 평균화하고, 평균화된 강도 분포에 의해 형성되는 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 산출하므로, X선을 1회 조사할 때마다 잔류 응력을 계산하는 제 1 실시형태의 잔류 응력 측정 방법에 비해, 단시간에 잔류 응력을 평가할 수 있다.
[제 3 실시형태]
도 3에 나타내는 잔류 응력 측정 방법은 X선의 조사 조건을 변경하면서 X선을 연속적으로 조사하는 점에서, 제 2 실시형태의 잔류 응력 측정 방법과는 상이하다. 해당 잔류 응력 측정 방법은 검출 공정 및 산출 공정에 대해서는 제 2 실시형태의 잔류 응력 측정 방법과 마찬가지이며, 조사 공정에 대해서는 제 2 실시형태의 잔류 응력 측정 방법과 상이하다. 또한, 해당 잔류 응력 측정 방법은 평균화 공정을 구비하지 않은 점에 대해서도 제 2 실시형태의 잔류 응력 측정 방법과는 상이하다.
해당 잔류 응력 측정 방법은 X선을 이용한 주단강품의 잔류 응력 측정 방법이며, 주단강품에 X선을 조사하는 조사 공정과, X선에서 유래하는 회절 X선의 강도를 이차원으로 검출하는 검출 공정과, 검출 공정에서 검출된 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 산출하는 산출 공정을 구비하고 있다. 조사 공정은 주단강품에 대한 X선의 조사 조건을 변경하는 변경 공정을 갖고 있고, 변경 공정을 실행하면서 X선을 연속적으로 조사한다. 그리고, 해당 잔류 응력 측정 방법은 산출 공정에서, X선의 연속적 조사에 의해서 평균화된 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 산출한다.
해당 잔류 응력 측정 방법은 X선의 조사 조건을 변경하면서 주단강품에 대해서 X선을 연속적으로 조사하고, 동시에 회절 X선의 강도를 검출한다. 즉, 해당 잔류 응력 측정 방법은 X선의 조사 조건의 변경에 따라 평균화된 회절 X선의 강도를 검출한다. 그리고, 해당 잔류 응력 측정 방법은 X선의 조사 면적의 합계가 일정 값에 도달한 경우에, 평균화된 강도 분포에 의해 형성되는 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 산출한다. 즉, 해당 잔류 응력 측정 방법은 주단강품에 대해서 조사 조건을 변경하면서 연속적으로 X선을 조사하고, 검출된 회절 X선의 강도를 평균화함으로써 잔류 응력을 평균화하는 것이다.
<조사 공정>
조사 공정은 X선 조사 장치로부터 주단강품에 X선을 조사하는 공정이며, 주단강품에 대한 X선의 조사 조건을 변경하는 변경 공정을 갖고 있다. 조사 공정은 주단강품에 대해서 조사 조건을 변경하면서 연속적으로 X선을 조사한다. 즉, 조사 공정은 변경 공정을 실행하면서 X선을 조사한다. 변경 공정은 제 1 실시형태의 잔류 응력 측정 방법의 변경 공정과 마찬가지이며, 주단강품에 대한 X선의 조사 위치, 조사 각도 또는 조사 면적을 변경한다.
해당 잔류 응력 측정 방법의 각 공정의 실행 순서는 이하대로이다. 우선, 해당 잔류 응력 측정 방법은 변경 공정을 실행하면서 X선을 조사하는 조사 공정을 실행한다. 조사 공정에 맞춰서 검출 공정이 실행된다. X선의 조사 면적의 합계가 규정 값에 도달하지 않은 경우는, 조사 공정 및 검출 공정의 실행이 계속된다. 이 동안, 이차원 검출기에 있어서의 회절 X선의 강도에 관한 X선 회절 정보는 초기화되지 않고 중첩된다. 한편, X선의 조사 면적의 합계가 규정 값에 도달하면, 산출 공정에서 잔류 응력이 산출된다.
(이점)
해당 잔류 응력 측정 방법은 주단강품에 대한 X선의 조사 조건을 변경하고, 이 X선의 조사 조건의 변경에 따라 평균화한 잔류 응력을 산출하므로, 주단강품의 불균질한 부분을 포함하는 영역에 X선이 조사되는 경우여도, 잔류 응력의 산출 결과에 대한 이 불균질한 부분으로부터의 영향을 억제할 수 있다. 특히, 해당 잔류 응력 측정 방법은 X선의 조사 조건을 변경하면서 X선을 연속적으로 조사하므로, X선을 1회 조사할 때마다 X선의 조사 조건을 변경하는 제 2 실시형태의 잔류 응력 측정 방법에 비해, 단시간에 잔류 응력을 평가할 수 있다.
<기타 실시형태>
본 발명의 잔류 응력 측정 방법은 상기 실시형태에 한정되지 않는다.
상기 제 1 실시형태 및 상기 제 2 실시형태에서는, X선의 조사 횟수 또는 X선의 조사 면적의 합계가 규정 값에 도달하여 있는 경우에, 평균화한 잔류 응력이 산출되고, 상기 제 3 실시형태에서는, X선의 조사 면적의 합계가 규정 값에 도달하여 있는 경우에, 평균화한 잔류 응력이 산출되는 것에 대해서 설명하였지만, 주단강품의 불균질한 부분으로부터의 영향을 억제하는 관점에서, X선의 조사 면적의 합계가 소정의 하한 이상인 경우에, 평균화한 잔류 응력이 산출되면 바람직하다. 즉, X선의 조사 면적의 합계가 평균화에 있어서 충분한 면적이 되도록, 주단강품에 대한 X선의 조사 조건이 변경되면 좋다. 본 경우, X선의 조사 면적의 합계의 하한으로서는, 20㎟가 바람직하고, 23㎟가 보다 바람직하고, 26㎟가 더욱 바람직하다. X선의 조사 면적의 합계가 상기 하한에 못미치면 주단강품의 불균질한 부분으로부터의 영향이 억제되지 않을 우려가 있다.
또한, 상기 실시형태에서는, 주단강품에 대한 X선의 조사 위치, 조사 각도 또는 조사 면적을 변경하는 것에 의해, X선의 조사 조건을 변경하는 변경 공정에 대해서 설명하였지만, 변경 공정은 조사 위치, 조사 각도 및 조사 면적 중 적어도 어느 하나를 변경하는 것이어도 좋고, 예를 들면, 조사 위치 및 조사 각도를 동시에 변경하는 것이어도 좋다.
실시예
이하, 실시예에 의해서 본 발명을 더 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[시험편에 대한 인장 시험]
우선, 1톤을 넘는 대형 주단강품으로부터 편석이 많은 시험편과 편석이 적은 시험편을 잘라내었다. 대형 주단강품으로서는, 베이나이트 조직을 갖는 크롬-몰리브덴계 특수강을 이용하였다. 또한, 주단강품의 편석이 많은 부분에는 흑색 라인이 보여진다고 하는 지식에 근거하여, 대형 주단강품의 매크로 조직 관찰 사진에 의해서 편석이 많은 부분과 편석이 적은 부분을 구별하였다. 또한, 시험편은 길이 70㎜×폭 12.5㎜×두께 3㎜의 판형상 부분을 중앙에 갖는 봉 형상체로서 잘라내고, 잘라낸 시험편의 판형상 부분에 두께 약 0.1㎜의 전해 연마 처리를 실시하였다.
인장 시험기를 이용하여, 2종류의 시험편 각각에 대해서 길이 방향으로 인장 응력을 부여한 상태로, 인장 시험기의 로드 셀로부터 얻어지는 공칭 응력과 X선을 이용하여 측정한 잔류 응력(이하, X선 응력이라고 적음)을 비교하는 시험을 실행하였다. 또한, X선 응력의 측정 위치는 시험편의 전해 연마 처리가 실시된 판형상 부분의 6㎜×6㎜의 영역 내에 있어서 등간격으로 설정되는 3×3의 9점으로 하였다.
X선으로서는, 크롬의 Kα선을 이용하고, 콜리메이터 직경을 1.0㎜, X선의 조사 거리를 80㎜, 시험편에 대한 X선의 조사 각도를 35도, X선의 조사 면적을 약 6.5㎟로 하였다. 또한, 철의 (211)면으로부터의 회절 X선을 이차원 검출기로 검출하였다. 얻어진 회절 환으로부터 잔류 응력을 산출할 때에 이용하는 X선적 탄성 정수에 대해서는, 철강 재료에 채용되는 표준적인 것을 이용하였다. 구체적으로는, X선적 탄성 정수의 산출에 이용되는 영률(E)을 224㎬로 하고, 푸아송비(ν)를 0.28로 하였다.
편석이 많은 시험편의 X선 응력은 공칭 응력을 0㎫, 269㎫, 312㎫, 409㎫로 하여 측정하였다. 또한, 편석이 적은 시험편의 X선 응력은 공칭 응력을 0㎫, 197㎫, 396㎫로 하여 측정하였다. 편석이 많은 시험편을 이용하여 측정한 X선 응력과 공칭 응력의 관계를 나타내는 그래프를 도 4에 나타내고, 편석이 적은 시험편을 이용하여 측정한 X선 응력과 공칭 응력의 관계를 나타내는 그래프를 도 5에 나타낸다. 또한, 그래프의 실선은 9점의 측정 위치에 있어서의 X선 응력의 평균값을 나타내고, 그래프의 파선은 공칭 응력을 나타내며, 세로로 연장되는 선분의 단부는 9점의 측정 위치에 있어서의 X선 응력의 최대 값 및 최소 값을 나타내고 있다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 편석이 많은 시험편에 있어서의 X선 응력의 최댓값 및 최솟값의 차이는, 공칭 응력이 0㎫일 때에 약 80㎫, 공칭 응력이 0㎫ 이외일 때에 100㎫ 이상이며, 매우 큰 것이 확인되었다. X선 응력의 최댓값 및 최솟값의 차이를 공칭 응력으로 나눈 비율을 X선 응력의 측정 오차로서 더 검증하면, 편석이 많은 시험편에 있어서의 측정 오차는, 공칭 응력이 269㎫ 시에 약 49%이며, 매우 큰 값이 되는 것이 확인되었다. 또한, 도 5에 도시되는 바와 같이, 편석이 적은 시험편에 대해서도 X선 응력의 최댓값 및 최솟값의 차이는 작지 않은 것이 확인되었다. 편석이 적은 시험편에 대해서도 X선 응력의 측정 오차를 검증하면, 측정 오차는 공칭 응력이 197㎫시에 약 17%이며, 작지 않은 것이 확인되었다.
한편, 편석이 많은 시험편 및 편석이 적은 시험편의 양쪽 모두에 있어서, 9점의 X선 응력의 평균값은 공칭 응력에 가까운 값을 나타내는 것이 확인되었다. 이러한 것으로부터, X선의 조사 위치를 변경하여 얻어진 복수의 X선 응력을 평균화하면, X선 응력의 산출에 있어서 주단강품의 불균질한 부분으로부터의 영향을 억제할 수 있다고 말할 수 있다.
다음에, X선의 조사 면적을 증가시켜서, X선 응력의 최댓값 및 최솟값의 차이의 변화에 대해서 검증하였다. 본 검증에는, 상술의 2종류의 시험편에 더하여, 마텐자이트 조직을 갖는 니켈-크롬-몰리브덴계 특수강의 편석이 적은 부분으로부터 잘라낸 시험편을 이용하였다. 상술한대로, 1회의 X선의 조사 면적은 약 6.5㎟이며, X선의 조사 면적은 X선의 조사 위치를 변경하는 것에 의해 증가시켰다. X선의 조사 면적의 합계와 X선 응력의 측정 오차의 관계를 나타내는 그래프를 도 6에 나타낸다. 도 6의 기호 △는 베이나이트 조직을 갖는 편석이 많은 시험편의 데이터를 나타내고, 기호 □는 베이나이트 조직을 갖는 편석이 적은 시험편의 데이터를 나타내며, 기호 ○은 마텐자이트 조직을 갖는 편석이 적은 시험편의 데이터를 나타내고 있다. 또한, X선 응력의 측정 오차란, X선 응력의 최댓값 및 최솟값의 차이를 공칭 응력으로 나눈 비율을 나타낸다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 모든 시험편에 있어서, X선의 조사 면적의 합계가 증가하면 X선 응력의 측정 오차가 감소하는 경향을 볼 수 있었다. 또한, X선의 조사 면적의 합계가 20㎟에 도달하면 X선 응력의 측정 오차가 충분히 감소하고, X선의 조사 면적의 합계가 26㎟ 이상이 되면 X선 응력의 측정 오차가 10% 이하가 되는 것이 확인되었다.
[시험편에 대한 굽힘 시험]
상술의 베이나이트 조직을 갖는 편석이 적은 시험편을 이용하여 4점 굽힘 시험을 실행하였다. 4점 굽힘 시험에 이용하는 시험편의 형상은 길이 150㎜×폭 20㎜×두께 3㎜의 판 형상으로 하였다. 시험편의 중앙 부분에는 두께 약 0.1㎜의 전해 연마 처리를 실시하였다.
4점 굽힘 시험기를 이용하여, 시험편의 두께 방향으로 굽힘 응력을 부여한 상태로, 4점 굽힘 시험기의 로드 셀로부터 얻어지는 공칭 응력과 X선 응력을 비교하는 시험을 실행하였다. X선으로서는, 크롬의 Kα선을 이용하여, 콜리메이터 직경을 1.0㎜, X선의 조사 거리를 80㎜로 하였다. 또한, 철의 (211)면으로부터의 회절 X선을 이차원 검출기로 검출하였다. 얻어진 회절 환으로부터 잔류 응력을 산출할 때에 이용하는 X선적 탄성 정수는 인장 시험에서 이용한 것과 동일하게 하였다.
4점 굽힘 시험은 시험편에 대한 X선의 조사 각도를 35도, X선의 조사 면적을 약 6.5㎟로 하여 X선을 시험편의 전해 연마 처리가 실시된 중앙 부분에 조사한 후, 1회의 X선의 조사마다 조사 각도를 5도씩 작게 하는 것에 의해 실시하였다. X선의 조사 면적의 합계와 X선 응력의 측정 오차의 관계를 나타내는 그래프를 도 7에 나타낸다. 도 7의 기호 ×는 X선의 조사 각도를 35도로부터 20도까지 변경하여 조사 면적의 합계를 증가시켰을 때의 측정 오차의 데이터를 나타내고, 기호 ○은 도 6의 X선의 조사 위치를 변경한 인장 시험에 있어서의 동일한 시험편의 측정 오차의 데이터를 나타내고 있다.
도 7에 도시되는 바와 같이, 시험편에 대한 X선의 조사 각도를 변경한 경우에 있어서도, X선의 조사 면적의 합계가 증가하면 X선 응력의 측정 오차가 감소하는 경향을 볼 수 있었다. 또한, X선의 조사 면적의 합계가 20㎟에 도달하면 X선 응력의 측정 오차가 충분히 감소하고, X선의 조사 면적의 합계가 26㎟ 이상이 되면 X선 응력의 측정 오차가 7% 정도까지 감소하는 것이 확인되었다.
또한, 별도의 4점 굽힘 시험으로서, 시험편에 대해서 X선을 조사하면서 시험편을 이동하는 것에 의해 X선의 조사 위치를 변경하는 시험을 실행하였다. 본 시험에서는, X선의 조사 면적의 합계가 각각 6.5㎟, 27.1㎟, 44.8㎟가 되도록 X선의 조사 위치를 변경하였다. X선의 조사 면적의 합계와 X선 응력의 최대 오차의 관계를 나타내는 그래프를 도 8에 나타낸다. 도 8의 기호 △는 X선을 조사하면서 X선의 조사 위치를 변경하여, 조사 면적의 합계를 증가시켰을 때의 최대 오차의 데이터를 나타내고, 기호 ○은 도 6의 X선의 조사 위치를 변경한 인장 시험에 있어서의 동일한 시험편의 최대 오차의 데이터를 나타내고 있다. 또한, X선 응력의 최대 오차란, X선 응력의 최댓값과 공칭 응력의 차이를 공칭 응력으로 나눈 비율을 나타내고, 상술의 X선 응력의 측정 오차의 약 반분의 값에 상당한다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 시험편에 대해서 X선을 조사하면서 시험편을 이동한 경우에 있어서도, X선의 조사 면적의 합계가 증가하면 X선 응력의 최대 오차가 감소하는 경향을 볼 수 있었다. 또한, X선의 조사 면적의 합계가 27.1㎟에 도달하면 X선 응력의 최대 오차가 5% 이하까지 감소하는 것이 확인되었다. 이 최대 오차를 측정 오차로 환산하면, 측정 오차가 10% 이하인 것에 상당한다.
본 발명의 잔류 응력 측정 방법은 주단강품의 잔류 응력을 적절하게 평가할 수 있다.
Claims (4)
- X선을 이용한 주단강품의 잔류 응력 측정 방법에 있어서,
주단강품에 X선을 조사하는 공정과,
상기 X선에서 유래하는 회절 X선의 강도를 이차원으로 검출하는 공정과,
상기 검출 공정에서 검출된 상기 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 산출하는 공정을 구비하고,
상기 조사 공정이 상기 주단강품에 대한 상기 X선의 조사 조건을 변경하는 공정을 갖고,
상기 조사 공정이 상기 주단강품에 상기 X선을 1회 조사할 때마다 상기 변경 공정을 실행하는 공정이며,
상기 산출 공정이 상기 주단강품에 상기 X선을 1회 조사할 때마다 잔류 응력을 산출하는 공정이며,
상기 조사 공정, 상기 검출 공정 및 상기 산출 공정을 이 순서로 복수회 실행한 후, 상기 산출 공정에서 산출된 복수의 상기 잔류 응력을 평균화하는 평균화 공정을 더 구비하는
잔류 응력 측정 방법. - X선을 이용한 주단강품의 잔류 응력 측정 방법에 있어서,
주단강품에 X선을 조사하는 공정과,
상기 X선에서 유래하는 회절 X선의 강도를 이차원으로 검출하는 공정과,
상기 검출 공정에서 검출된 상기 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 산출하는 공정을 구비하고,
상기 조사 공정이 상기 주단강품에 대한 상기 X선의 조사 조건을 변경하는 공정을 갖고,
상기 조사 공정이 상기 주단강품에 상기 X선을 1회 조사할 때마다 상기 변경 공정을 실행하는 공정이며,
상기 조사 공정 및 상기 검출 공정을 교대로 복수회 실행한 후, 상기 산출 공정에서, 복수의 상기 회절 X선의 강도가 평균화된 강도 분포에 의해 형성되는 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 산출하는
잔류 응력 측정 방법. - X선을 이용한 주단강품의 잔류 응력 측정 방법에 있어서,
주단강품에 X선을 조사하는 공정과,
상기 X선에서 유래하는 회절 X선의 강도를 이차원으로 검출하는 공정과,
상기 검출 공정에서 검출된 상기 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 산출하는 공정을 구비하고,
상기 조사 공정이 상기 주단강품에 대한 상기 X선의 조사 조건을 변경하는 공정을 갖고,
상기 조사 공정이 상기 변경 공정을 실행하면서 상기 X선을 연속적으로 조사하는 공정이며,
상기 산출 공정에서, 상기 X선의 연속적인 조사에 의해서 평균화된 상기 회절 X선의 강도 분포에 의해 형성되는 회절 환에 근거하여 잔류 응력을 산출하는
잔류 응력 측정 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변경 공정에서, 상기 X선의 조사 면적의 합계가 20㎟ 이상이 되도록 상기 주단강품에 대한 상기 X선의 조사 조건을 변경하는
잔류 응력 측정 방법.
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