残留応力の基礎と測定・評価の要点

中代氏 担当講義趣旨

　昨今の高性能工業材料技術開発はめざましいものがあり、従来の金属材料から高分子材料、セラミックス、炭素繊維など多種多様な材料が実用化されるとともに、溶射や表面改質などによる構造部材の高性能化が進んでいる。一方、材料が高強度になるほど、内部応力 (残留応力) 自体も大きくなり、この内部応力を正確に評価・管理することの重要性が増加している。構造部材に的確な残留応力を積極的に利用すれば高性能部材になり得る。例えば機械構成部品の中で、バネ・軸受け・ネジ・歯車などの4大機械要素部品には、残留応力の適用が必須条件であり、製造メーカの重要なノウハウであり、部品の性能・寿命に大きな影響を与える。一方、不用意に残留応力が加算された場合には、部材に設計想定外の負荷応力が発生し、変形・短寿命・損傷等の不具合発生要因にもなる。さらに機械加工過程で機械加工精度向上にも残留応力の管理・把握が重要である。また、使用経過、メンテナンス時、補修時に残留応力が発生する場合もあり、部材の健全性評価、余寿命診断においても残留応力の評価は必要不可欠なものである。 　本講義では、この残留応力の基礎的な技術背景、種々の計測原理・計測方法の解説、最近の計測技術動向、残留応力の活用事例、過去の不具合事例など全般紹介し、残留応力の課題について実践的に対応・運用できることを目標とする。

三上氏 担当講義趣旨

　世界では様々な残留応力測定法が種々の材料に適用されている。残留応力測定法は、非破壊法、準非破壊法および破壊法の3種類に分類される。本講座では、準非破壊法と破壊法に的を絞って解説する。これらは原理的には応力解放法に属し、測定対象物に穴をあけるか、完全に切断することにより残留応力を解放し、その際に解放されるひずみや変形を測定して、元々存在していた残留応力を解析するものである。 　本講座ではそれらの測定原理や測定手順について解説し、受講者が実務で残留応力の問題に遭遇した際に適切な測定方法を選択できるようにする。なお、残留応力測定ではひずみ測定が基本となるので、材料力学の基礎とひずみゲージによるひずみ測定法についても簡単に解説する。また、直交異方性材料 (CFRPなど) の残留応力測定法についても触れる。

1. 残留応力の基礎と背景 (担当講師:中代)
   1. 残留応力とは
   2. 残留応力の管理と運用
   3. FEMなど数値解析による手法との比較
2. 材料力学の基礎とひずみ測定法 (担当講師:三上 氏)
   1. ひずみの定義
   2. 応力の定義
   3. 応力とひずみの関係
   4. 弾性変形と塑性変形の関係
   5. 熱膨張による変形
   6. 疲労
   7. 弾性破壊に関する種々の仮説
   8. ひずみ・応力測定方法
3. X線応力計測法とその他非破壊計測法 (担当講師:中代 氏)
   1. X線による応力計測方法の原理と最近の計測装置 (X線計測方法の実施例)
      1. X線による応力計測方法の原理
      2. X線による計測方法の特徴 (BraggのX線回折)
      3. X線応力測定法 (sin2ψ法) の原理
      4. X線計測方法 (sin2ψ法) の実施例と計測時の注意点
      5. 最近のX線計測装置 (cosα法) の特徴と有効性
   2. その他の残留応力非破壊計測方法
      1. 放射光、中性子による応力計測法
      2. その他材料特性による応力計測法
         1. 磁気特性利用 (磁気特性とバルクハウゼンノイズの利用)
         2. 音弾性利用
         3. 光干渉縞模様利用
         4. 硬さ変化利用
         5. 高分子材料の場合
4. 応力解放法による残留応力の測定法 (担当講師:三上 氏)
   1. 残留応力の定義
   2. 各種測定方法と測定深さ
   3. 応力解放法による残留応力測定
      1. 切断法 (Sectioning)
      2. 穿孔法 (Hole Drilling)
      3. DHD法 (Deep-Hole Drilling)
      4. その他の方法
         • Ring Core法
         • Slitting法
         • Contour法
   4. おわりに
5. 残留応力の利用と損傷事例とその対策 (担当講師:中代 氏)
   1. 残留応力の利用方法
   2. 残留応力による損傷事例と損傷の対策 (応力除去方法など)
6. まとめと質疑応答 (担当講師:中代 氏、三上 氏)