[0041]質問と回答
X線残留応力測定センター info@x-rsmc.com は、鋼とアルミを対象に安価かつ短納期の応力測定サービスをご提供しています。
これまでにあったご質問をまとめています。ご依頼の際の参考にしてください。
Q41 照射径はどのくらいがいいのでしょうか？
A41 コリメーターでX線を制限して照射範囲を決めます。照射範囲は広い方がX線の強度が上がり測定時間が短くなります。測定する結晶粒の量も増えて誤差が少なくなります。しかしながら照射径大きすぎるとピンホールカメラの穴が大きく像がボケるような現象がおきますので照射径2mmくらいが上限と材料学会の測定標準にはあります。測定物の形状が複雑で平面があまりない場合は、照射範囲を狭くしますが狭くすると照射面積に反比例して測定時間が長くなり、測定する結晶粒の量も減って誤差が大きくなります。平面を測定する場合はφ2mm 曲面の場合は、曲率半径の1/5以下がいいと考えます。
Q40 引張試験しながら試験片の応力測定をしたいのですが。
A40 試験片を長くしていただければ可能です。GLの中心が移動しないタイプの試験機がおすすめです。
Q39 X線の照射面積はどのくらいですか？ 侵入深さは、どのくらいですか？
A39 標準2mmφ (直径2mmの円) で他0.6mmφ と4mmφがあります。標準径2mmでも分解能は、0.1mm位はあります。照射面積を小さくしたから細かく見られるわけでありません。使い分けが必要です。侵入深さは、どのくらいですか？数μm程度ですが、材料によって変わります。
Q38 この部分の応力はどうなっているのでしょうか？
A38 測定してみないとわかりません。
Q37 構造物に不同沈下による変形が発生しており、それに伴う応力を計測できないものか。応用方法、事例等ありましたら、一度ご教示いただけませんでしょうか。
A37 あります。メールまたは電話にてお問合せください。ウェブサイトに掲載されているものは、一般的または公開されている情報で当社の測定ノウハウ、実績等は、直接お問合せください。
Q36 疲労試験をしていて通常は、40時間以上で壊れるのに、今回は、30時間で壊れました。何が原因でしょうか？
A36 これだけの情報で原因を推定するのは、難しいでしょう。疲労試験の条件により様々な解釈ができます。疲労試験条件が実使用条件に近い場合は、寿命が25%以上短くなっていて、かなり問題ですね。しかし、本来は、2000時間使用するのに、疲労試験の振幅を大きくして加速して試験をしている場合は、例えば繰返し荷重が1万回から10万回の結果で判断している場合は、どうしても誤差が大きくなります。10万回から100万回等、実条件に近い疲労試験をお勧めします。
Q35 き裂の周辺は応力が抜けていますか？
A35 応力の発生原因により抜けている場合とあまり抜けていない場合があります。変態膨張によるき裂等はあまり抜けていない場合が多いです。周辺の応力が抜けているかいないかは、発生原因の情報を含んでいますので測定する価値があります。
Q34 アルマイト層の応力測定はできますか？
A34 アルマイトは、主成分は非晶質アルミナ（Al2O3）であると言われています。結晶ではないのでX線回折を用いた方法では測定できないと考えます。参考までに鋼は測定できますが、サビはできません。表面上のサビは、感度の低下、ノイズの要因になりますが、ある程度の厚みがあっても測定は可能です。
Q33 これは応力腐食割れでしょうか？
A33 そうではないでしょう。応力腐食割れ(SCC)には、①引張残留応力 ②腐食環境 ③時間 が必要です。しかし、貴社の使用において①はそこそこ発生していますが、②腐食環境ではありませんし、応力腐食割れにしてはき裂発生までの③時間が短すぎます。
Q32 鋼の伸びは、X線で測定できますか？ 硬さはどうでしょう？
A32 X線では、相対的なひずみの分布を測定して、応力を推定します。弾性域では、ひずみと伸びは、比例しますが、塑性変形をするとひずみから伸びを推定することができなくなります。その際に半価幅を使います。半価幅は、転位密度に比例して大きくなりますので硬さとの相関があります。
Q31 cosα法は通常のsin2ψ法による長時間測定と比較すると値や精度は如何でしょうか？
A31 多くの場合測定精度は、被測定材料の組織の状態で決まります。組織の状態がよく十分な測定数を確保すれば、20MPa以内の差を識別することが可能になりますが、表面の粗さや粗大結晶粒によって100MPa以上の標準偏差になることもあります。cosα法とsin2ψ法の材料に求める条件は同じです。その条件を外れると測定誤差になりますが、誤差の発生のしかたがcosα法とsin2ψ法で違う場合があります。
参考文献
田中 啓介
66 巻 (2017) 7 号 p. 470-478 材料
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jsms/66/7/66_470/_pdf/-char/ja
Q30 複雑形状の測定ですが、例えば深絞りやプレスに使用する金型で、応力集中の起きやすいR部周辺部などの三次元分布の測定は可能でしょうか？
A30 本当に一番奥は、X線の入射角度が確保できないの正確な測定（計算）はできませんが、それ以外の場所は、測定が可能です。入射角度が小さくなると誤差が増えますが、応力分布を測定して外挿することによりある程度正確な判断ができます。
Q29 また溶接部の測定などもされていると思いますが、測定の難しさは如何でしょうか？
A29溶接部もオキサイドメタラジー等規格の新しい鋼等は問題なく測定できますが、古い材料は、粗大結晶粒で測定値のばらつきが大きくなります。
Q28 球状黒鉛鋳鉄 FCD550 は測定可能でしょうか？
A28 一般的な炭素が少ない状態では、測定可能です。ただし、組織の状態や粗大結晶粒により誤差が大きくなる場合がありますので事前にお試し測定をお勧めします。
Q27 タングステンカーバイトの超合金は測定できますか？
A27 残念ながら当社の機材では測定できません。
Q13 銅の残留応力測定はできますか？
A13 当社の機材では測定できません。そこで、他の測定機関をご紹介しています。得意な鋼に集中するのが当社の方針です。どうしてもと言われれば測定しますが、他所の装置を出張して使うことになりますので測定費用が割高で、ノウハウもありません。
伸銅協会に確認したところX線での測定標準もないようなので当社の場合は、検証実験から始める必要があります。
現在銅材の応力測定標準は破壊法のようです。
http://www.copper-brass.gr.jp/standard/files/JBMA-T305-1999.pdf
Q26 なぜ主に鋼の測定サービスを提供するのか。
A26 お客様に満足いただく測定のためには、製造方法、組織、加工、溶接、疲労と残留応力の関係の知識が必要です。いや実際に測定をしてみて必要でした。適切なアドバイスには鋼材開発の歴史が必要な場合もあります。例えば、
l 溶接の残留応力を測定する際に、溶接の残留応力の上に加工の応力が重畳されていることがよくあります。双方の残留応力について知識がなければ、その２つを分離することは難しく、混乱がおきます。
l 高い応力をかける溶接継手に粗大結晶粒が発生している場合は、正しく応力を測定する努力する前に、そのような環境で粗大結晶粒が発生する材料を使用してよいのかまず考える必要があります。
l オーステナイト系ステンレスにピーニングをして降伏応力を超える応力が測定された場合は、加工硬化について説明する必要があります。
では、さまざまな金属に関してこのような知識を全て持つことが可能でしょうか？難しいと考えて当社は主に鋼の応力測定サービスをご提供しています。
Q25 応力測定でなぜ電解研磨が必要か?
A25 X線で測定できるのは最表面の深さ数μm以内の平均的な応力です。したがって、目的の応力が表面にない場合は、それを表面に露出させる必要があります。しかし、機械的に除去すると機械的除去による新しい応力が発生して何を測定しているかわからなくなります。そこで表面を溶かして新しい応力が加わらないようにしながら目的の応力を表面に露出させます。例えば、疲労試験体の溶接部近傍の残留応力を測定する場合は、50μm〜の電解研磨を行います。溶接の際の磨き等による加工の応力を除去するためです。また電解研磨部分に大きな応力があると厳密な意味で全体の応力分布が変わるのでその考慮も必要です。
Q24 X線応力測定法標準 材料学会には、回折強度曲線からバックグラウンドを除去した後のピーク高さのカウント数が1000以上推奨となっていますが、X線残留応力測定センターの測定ではどうなっていますか？
A24 当社の測定結果では、10K以上となっています。この数字の意味は、X線の強度を０からを増加させると測定のばらつきがだんだん減少します。しかし、ある強度が以上に増加させても、ほとんどばらつきが減少しない強度があり、それが10Kということです。10kに満たない場合はX線の照射時間を自動的に延長して10K以上になるようにしています。
この基準は、材料，試料距離、コリメータサイズ、管球の電圧、電流 照射時間，IP読み取り条件に影響されませんが、センサーの種類や感度や単位系で違うので方式や機器によって違います。1000カウント、10k、60等様々です。
Q23 研磨焼けは残留応力で検出できますか？
A23 研磨焼けは、温度が上がりすぎることにより、圧縮応力が抜けて、硬さが低下します。X線で圧縮応力の低下および半価幅の減少として測定できる場合があります。
Q22 cosα法とsin2ψ法で測った場合は、応力値が違いますか？
A22 cosα法またはsin2ψ法で誤差が少ない場合は、もうひとつの方法でもほぼ同じ結果がでます。でも誤差が大きい場合は、誤差の出方が違う場合があります。
cosα法とsin2ψ法の応力値の違いを参照ください。
Q20 鋼構造物がどの程度劣化しているのか、補修・交換が必要なのかどうかについて、残留応力で判別ができるのか?
A20 設備や施設を作った人または整備する人が、設備の老化、劣化でどのようなことが起きるかを推定します。疲労破壊、腐食減肉、変形等 設計者がそれらの変化により特定の部分の残留応力が変化すると判断した時に測定してみます。測定により劣化の程度を推定し、設計時の計算等を参考に補修・交換の要否を検討します。
Q19 コリメーターの径を小さくして照射面積を小さくすると空間分解能が上がりますか？
A19 応力変化の急峻な溶接部近傍で照射径1mmと3mmで測定した応力測定結果を比較したことがありましたが、測定値は、あまり変わりませんでした。ばらつきは、1mmの方がデータ方が大きいようでした。径を小さくしたことに捕捉できる結晶数が減り測定値のばらつきが大きくなったと考えられます。当社の機材は照射径約2mmですが空間分解能は、0.1mm位あります。照射面積を小さくすると精密な測定ができるとは限らないようです。
Q18 残留オーステナイトの測定はできますか？
A18 残念ながらできません。X線での残留オーステナイト測定では解決できない問題がありサービスを提供していません。
集合組織の影響が考慮できない。
バックグラウンドノイズの影響を把握できない。
X線の到達範囲（表面）の測定で妥当かの判断ができない。
現状でこれらを解決すると思われる装置は、茨城県の材料構造解析装置iMATERIAで、
集合組織と残留オーステナイトの迅速測定が同時にできます。
十分強度のある中性子を使うのでバックグラウンドノイズの影響も少ないし材料全体の測定ができます。(推定)
X線では２個のピークから残留オーステナイトを計算しますが、iMATERIAは、15個のピークで計算しますので高精度です。
時間はかかりますが、メールインサービス等があり試料をまとめると思ったほど高くないのご検討されてはいかがでしょうか。
J-PARCの出力(調子良さ)で料金が全然違うようです。出力が150kW〜1MWと変動して、それに応じて測定時間が変わります。測定時間で値段が決まるので料金が変わるようです。出力が500kw以上で安定するとメリットがでています。
https://j-parc.jp/picture/2015/03/press150327_01.pdf
Q17 ２件続けて破壊原因調査としての応力測定をしたいのですか？が来ました。
A17 破壊原因調査は、難しい問題です。さまざまな原因の仮説をたてて検証または否定していきます。
応力が高すぎる、または、応力の集中が起きているのが原因
材料が弱いのが原因
疲労破壊や応力腐食割れ等の応力が原因である可能性が高い場合は、応力測定をしますが、
一般的な破壊検査は、
①割れの起点で材料の健全性の調査をします。1.異物 2.成分 3.組織 4.機械的な性質(強度) を調べて 事故品と正常品の比較をします。事故品が弱ければそれが原因です。
②破面観察をして破壊の原因を推定します。例えば、ビーチマークが出て原因は疲労破壊であろうということになります。
数万回以上の応力がかかったのちに破壊したものは、応力改善で原因を取り除くことができる場合があります。ご連絡ください。
破壊原因調査を行う会社は、「金属破壊原因調査」で検索してみてください。
Q16 ピーニングや表面加工による深さによる応力分布の測定はどのようにしますか？
A16 ショットピーニングの残留応力測定 内部応力測定
ショットピーニングは、入る圧縮応力の深さをショットピーニングの材料の粒径から推定できます。
また、粒径が大きいと表面に凸凹ができて圧縮応力のピークが少し内部に移動します。
微粒子ショットは、表面が最大の圧縮応力となります。微粒子ショットでもキレツ発生の抑制効果が認められます。
表面研磨とショットピーニングでは、表面の応力はほぼ同じでも疲労寿命が違います。
残留応力と疲労寿命の関係を参照ください。
電解研磨表面を除去しながら深さ方向の分布を測定する場合は、
摩耗時のシミュレーションであれば、電解研磨領域を十分広くとればうまく測定できます。
内部応力を知る場合には、表面除去による残留応力分布の補正が必要です。ただし、全体の深さ（長さ）に比べて電解研磨の深さが十分小さい場合は補正が小さくなり必要がありません。電解研磨の補正式を計算してみました。を参照ください。
深さ方向の応力の勾配が大きい場合は、X線の入射角度により応力が変わります。
表面が最大の圧縮場で内部へ向かって減衰する場合は、入射角度ψ0が小さな場合は、圧縮応力が小さく、入射角度ψ0が大きな場合は圧縮応力が大きくなります。
cosα法とsin2ψ法の応力値が違う場合のB.応力勾配がある場合を参照ください。
Q15 当社ウェブサイトにキーワード「グラインダー加工 応力変化 なぜ」「加工熱による残留応力発生」で検索して来られた方 目的の回答はございましたか？
A15 もしなかった場合は、以下の文献の５章の解説２はどうでしょう？グラインダーで引張応力が発生する理由、研磨で圧縮応力が発生する理由があります。
予防保全工法ガイドライン [研磨による応力改善工法]
http://www.gengikyo.jp/archive/pdf/ronaiguidline/VIP-10.pdf
基本的には表面に塑性加工が入った場合圧縮、引張りの両方の応力が入る可能性があります。参照 加工研磨による表面応力の変化
研磨焼けのように研磨の熱により硬度が低下して圧縮応力が抜ける現象もあります。
Q14 構造物の外部応力の測定はできますか？
A14 建物や配管に高い応力がかかっている可能性があるので測定したいというお話をたまにいただきますが、X線で現場で測定できるのは残留応力プラス外部応力でしかも部材全体にかかっている応力ではなく測定部分にかかっている応力です。外部応力がない状態でX線で残留応力を測定しておけば供用中に再度測定して、差し引き外部応力を計算できますが、外部応力がない状態でX線で残留応力がわからない場合は外部応力がわかりません。
供用中に測定される応力＝外部応力がない状態での残留応力＋外部応力
ただ、供用中に測定される応力が降伏点に近い場合は疲労破壊や変形が起きやすい状態にあることがわかります。 外部応力と残留応力の分離のアイディアはあります。スポンサーになっていただける方がいらっしゃたらご連絡ください。
Q12 電解研磨をしながら、深さ方向の応力分布を測定する際には、 電解研磨により取り除かれた層の影響を補正する式があると思いますが。それを教えてください。
A12 以下に補正式の例があります。
Residual Stress
Measurement by Diffraction and Interpretation
Dr. Ismail C. Noyan, Prof. Jerome B. CohenISBN: 978-1-4613-9571-3
P206-207 に 6.9 Corrections for Layer Removal
電解研磨の補正式を計算してみました をみてください。ショットピーニングの例です。
Q11溶接部疲労破壊の原因はなんですか。
A11 応力集中と残留応力によっておきます 応力集中は、形状のによるものの他に、溶接時の欠陥も原因になります。グラインダーの削り跡も応力集中の原因になります。溶接部熱影響部は、溶接により発生する残留応力が大きくなります。
溶接部の止端線は、溶接による残留応力が極大で形状により応力集中がおきますので疲労破壊がよく起こります。
疲労破壊を防ぐために溶接部は、まずは正常であることが重要です。
①検査をして欠陥がないようにします。
②応力集中が起こる形状を修正します。溶接のオーバーラップ等がそれにあたります。
それでも疲労破壊が発生する場合は、
応力集中の緩和
③グラインダー等で形状を滑らか、なだらかにして応力集中を緩和します。グラインダーの削り傷は、疲労破壊の起点となりますし、削り跡が引張応力になることがありますので、使用するグラインダー、検索方向、研磨材の種類に注意が必要です。
④構造を変えて応力集中を防ぐ方法もあります。荷重が変わらなければ面積を大きくすると応力は小さくなります。隅肉溶接を完全溶け込みするのも有効です。
溶接の残留応力の低減には、
⑤StressRelease (ひずみ取り)焼鈍を行う。
⑥溶接残留応力が小さい溶接材料を使用する。
⑦ピーニングを行う。
⑧ 圧縮応力が発生する研磨材で磨く
⑨溶接の順序や拘束条件を変える。
当社では、
溶接残留応力
グラインダーで発生する応力(参考 加工・研磨による表面応力の変化)
熱処理後の応力分布
ピーニング後の応力分布
をラボおよび現場で測定できます。
例によって、以上の文章はわかりやすくするために正確さをある程度犠牲にしております。ご承知おきください。
残留応力と疲労寿命の関係も参照ください。
Q10 ショットピーニング応力測定で検索して当ウェブサイトを訪れた方がいらっしゃいますのでショットピーニングと残留応力について解説します。
A10 ショットピーニングでもピンでもハンマーでも同じだと思いますが、ピーニングと応力測定は相性がよく、得意な測定です。理由は、打撃、衝突により組織が微細化して方位がランダムになる からです。こうなると理論式に近くなり良い測定ができます。ただし、表面に凹凸がある場合は、応力の絶対値が小さくなります。先日は５μm毎の深さ方向の分布を測定しました。
Q9 熱処理と応力測定で検索して当ウェブサイトを訪れた方がいらっしゃいますので熱処理と残留応力について参考文献を示します。
A9 アグネ技術センターの「鋼の熱処理と残留応力」磯村良蔵の本には、様々な例が載っていますの参考になります。私の経験では、焼入れをして圧縮応力がどのように入っているかを確かめるご要望が多かったと思います。その後の研削や研磨で温度が上がりすぎて焼きなまし状態(研磨焼け)になると圧縮応力が低下して硬度がさがります。パイプ状のものですと、９０度毎に測定して後で応力不均一による曲がりが発生しないようにする。深さ方向に電解研磨をしながら測定する際には、解放された応力を考慮するのがポイントになります。
Q8 測定機器のレンタルはできますか？
A8 ご要望にお答えできずに申し訳ありませんが、測定者付きで測定サービスを提供する会社です。機器レンタルは定款にありませんのでレンタルはご提供できません。機器の発売元のパルステック工業殿がレンタルにも対応していただけると思いますのでそちらにお問い合わせください。
Q7 SUS630の正しい残留応力を教えてください。
A7 鋼は、加工により大きく表面の応力が変化します。ある種の研磨剤で磨くと圧縮の降伏近くの応力が入ってたり、切削加工では大きな引張応力が入ったりします。加工・研磨による表面応力の変化参照。正しい応力はありません。たとえば、回転軸に使用する部品の場合は、棒材または粗削りの段階で加工層を電解研磨で取り除き内部に残留応力が残っていないか測定します。
Q４ 測定精度は大丈夫ですか？
A4 毎日機器の精度確認、校正を行っています。また、精度は、機器の精度とお客様の材料の組織による精度の悪い方で決まります。ほとんどの場合精度は、お客様の材料組織で決まります。応力測定の理想状態からどのくらい外れているかで決まります。
材料組織が理想に近い場合は、方式による差はほとんどありませんし、理想から遠い場合は、誤差が大きくなります。まずは、サンプルをお送りください。測定してみます。当社では、測定値の妥当性チェックをしています。
Q３ なぜ安価な残留応力測定サービスが重要ですか？
A3 依頼者の技術者の方は、条件の異なるサンプルの様々な場所を数多く測定したいと考えていらっしゃいますが、予算の制限で実現できません。その予算の制約をなくすためには安価でサービスを提供するのことが大切です。
Q２ 一番の特徴はなんですか？
A2 最新の機器とシンプルなビジネスモデルで安価な残留応力測定サービスを提供します。
Q1 X線残留応力測定センターは何をする会社ですか？
A1お客様に代わって鋼製品、部品の残留応力を測定して報告書を提出します。