応力保持装置およびＸ線回折装置
【課題】本発明は、装置の高さが低く、広角度のＸ線が入射でき、かつ、任意の応力が保持できる応力保持装置およびＸ線回折装置を提供することを課題とする。
【解決手段】少なくとも一対の楔１３，１４を用いて荷重方向を変換し、平板状の試験体１に四点曲げの負荷を付与することにより均一な応力状態が保持され、さらに、試験体１と楔１３，１４との間にひずみゲージからなるロードセル１５を取り付けた平板を設置し、試験体１に加わる負荷を任意に設定できる装置を構成する。
【解決手段】少なくとも一対の楔１３，１４を用いて荷重方向を変換し、平板状の試験体１に四点曲げの負荷を付与することにより均一な応力状態が保持され、さらに、試験体１と楔１３，１４との間にひずみゲージからなるロードセル１５を取り付けた平板を設置し、試験体１に加わる負荷を任意に設定できる装置を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線回折などを利用した応力測定に必要な一定荷重を保持する応力保持装置およびＸ線回折装置に関する。
【０００２】
さらに詳しくは、Ｘ線回折などを利用した応力測定に際しては、試験体に任意の荷重が付与された状態において、Ｘ線回折などによる応力測定値に用いる定数を測定し、校正する必要がある。本発明は、試験体に付与される一定の応力を、試験体に貼り付けたひずみゲージあるいはロードセルを用いて決定することが可能な応力保持装置およびＸ線回折装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
試験体に一定の荷重を付与し、維持する手法の一つとして四点曲げ法が知られている。四点曲げ用治具で試験体の表面状態を測定できる装置として、ねじ式により試験体の下方から直接負荷をかける方式が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかし、このねじ式は、バックラッシュの問題があり、精度の高い荷重の設定が困難であるという問題があった。また、ねじ式で直接負荷をかける方式では、装置の高さが大きくなり、Ｘ線回折装置などの分析装置に設置する際の障害となるという問題もあった。
【０００４】
このねじ式のバックラッシュおよび装置の高さの問題を解決する手段として、楔を用いて荷重方向を変換する方式を応用した荷重測定装置がある（例えば、特許文献２参照）。しかし、この装置は、大きな荷重を許容荷重が小さい測定器で測定することを目的としたもので、Ｘ線回折装置などへの搭載を目的としたものではない。
【０００５】
Ｘ線応力測定の定数を求めるために用いられる曲げ負荷装置として、回折光の測定中の負荷を保持でき、かつＸ線照射領域内で均一な応力を負荷できるように、図１０に示すようなカンチレバーとねじとを利用した装置が実用に供されている（例えば、非特許文献１参照）。しかし、図１０に示す装置では、試験体から負荷ねじ中心線までの長さが７８ｍｍであり、装置の高さが大きいため、Ｘ線回折装置に設置する際の制限が大きいこと、さらに、試験体における曲率の精度が低いことが問題となっている。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１３１２０６号公報
【特許文献２】特表２００１−３３３２１号公報
【非特許文献１】日本材料学会Ｘ線材料強度部門委員会、「Ｘ線応力測定法標準（2002年版）-鉄鋼編-」、2001年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
試験体の表面層の応力をＸ線で計測する場合、高精度化のために、試験体表面への入射および試験体表面からの回折の検出を、試験体の表面に対して広い角度で行う必要がある。
【０００８】
Ｘ線回折測定において、図１０に示した非特許文献１に記載の従来の曲げ負荷装置では、以下のような課題がある。
第一に、カンチレバーを利用して平板に曲げを与えるために、負荷荷重および曲率半径に見合ったレバー長さが必要となり、装置の高さが増長する。また、負荷の作用部は強度が必要であり、この部位が試験体表面より張り出す結果、試験体表面に対してＸ線の入射範囲および回折したＸ線の検出の可能な範囲が小さな範囲に限定されてしまうため、Ｘ線回折装置のゴニオステージへの搭載は困難となる。
【０００９】
第二に、負荷の大きさの測定は試験体に貼り付けたひずみゲージによって行われるため、材料の機械的弾性係数が既知であるものにしか適用できない。また、レバー長さが一定であるため、試験体の厳密な曲率の制御は困難である。
第三に、設置位置および方向の課題があり、Ｘ線回折装置に搭載した状態で測定系に対する評価面の垂直設置および負荷の変更などは容易ではない。
【００１０】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、装置の高さを抑制することができ、Ｘ線回折装置に搭載して、試験体に対するＸ線の入射角度や検出角度を拡げることができる応力保持装置およびＸ線回折装置を提供することを目的としている。
【００１１】
また、機械的弾性係数が未知の試験体にも適用することができ、試験体の曲率制御が容易であり、Ｘ線回折装置に搭載した状態での測定系に対する試験体の評価面の垂直設置や負荷の変更が容易である応力保持装置およびＸ線回折装置を提供することも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に係る応力保持装置は、平板状の試験体に四点曲げの負荷を付与する応力保持装置であって、少なくとも一対の楔を設置し、各楔により荷重方向が変換される機構を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る応力保持装置は、各楔により、例えば水平方向の変位を高さ方向に変えて、試験体に与える荷重方向を変換することができる。このため、装置の高さを抑制することができる。また、カンチレバーではなく四点曲げによって曲げ応力を生じさせるため、装置の高さをさらに抑制することができる。これにより、本発明に係る応力保持装置は、前記試験体の表面層の応力状態を測定するよう、Ｘ線回折装置に設置可能である。
【００１４】
本発明に係る応力保持装置は、Ｘ線回折装置に設置されたとき、試験体に対するＸ線の入射角度や検出角度を拡げることができる。本発明に係る応力保持装置は、前記試験体の中央部にＸ線を入射するとき、入射角が前記試験体の表面に対して前記試験体の長手方向で１１度〜９０度、前記試験体の短手方向で０度〜９０度の範囲になるよう設定可能である。また、本発明に係る応力保持装置は、四点曲げであり、負荷の大きさを変更しても試験体の中央は平行に移動するため、Ｘ線回折装置に設置されたとき、測定系に対して評価面を常に垂直に維持できる。また、各楔による負荷機構は、ねじ単体よりもバックラッシュが少ないうえ、試験体の側面から負荷の調整が行えるため、Ｘ線回折装置に搭載したままでの負荷変更が容易である。
【００１５】
本発明に係る応力保持装置は、各楔の角度を調節することにより、試験体に与える負荷変位の範囲や変位の変換倍率を変更することができる。また、試験体に与える変位の変換倍率を大きくすることにより、変位の微調整が容易になり、試験体の曲率制御を容易にすることができる。
【００１６】
本発明に係る応力保持装置で、一方の楔は基準面と、前記基準面の反対側に前記基準面に対して所定の角度で傾斜した傾斜面とを有し、前記基準面が前記試験体に対して固定された設置面に接するよう設置されており、他方の楔はスライド面と、前記スライド面の反対側に位置する作用部とを有し、前記スライド面が前記傾斜面に接するよう設けられ、前記基準面と前記作用部との距離が開くよう、前記スライド面を前記傾斜面に沿って相対的にスライドさせるとき、前記作用部により前記試験体に負荷を付与可能に構成されていることが好ましい。この場合、他方の楔のスライド面を一方の楔の傾斜面に沿って相対的にスライドさせるときの方向と、一方の楔の基準面と他方の楔の作用部との距離が開く方向とが異なるため、各楔により試験体に与える荷重方向を変換することができる。
【００１７】
本発明に係る応力保持装置は、支持台と１対の固定負荷軸と１対の荷重負荷軸とを有し、前記支持台は前記設置面を有し、各固定負荷軸は前記試験体の一方の面側で、所定の間隔で互いに平行を成して前記支持台に設けられ、各荷重負荷軸は前記試験体の他方の面側で、双方が各固定負荷軸の内側または外側で各固定負荷軸に対して平行を成すよう前記所定の間隔と異なる間隔で互いに平行に設けられ、前記試験体の他方の面に対して進退可能、かつ各固定負荷軸とともに前記試験体を挟んで支持可能に構成され、前記他方の楔は、前記作用部により前記試験体の他方の面に対して各荷重負荷軸を押し付けて、前記試験体に負荷を付与可能に構成されていることが好ましい。この場合、各固定負荷軸および各荷重負荷軸により、試験体に四点曲げの負荷を付与することができる。負荷作用点である各固定負荷軸の保持部に門型の構造を採用することにより、強度を高めることができ、かつ、Ｘ線回折装置に搭載されたとき、試験体の表面より測定装置側への部品の張り出しを少なくすることができる。このため、試験体に対するＸ線の入射角度や検出角度をさらに拡げることができる。
【００１８】
本発明に係る応力保持装置は、前記試験体と各楔との間にひずみゲージを取り付けた平板によるロードセルを設置し、前記ひずみゲージの測定値に基づいて前記試験体へ加わる負荷を特定可能であることが好ましい。また、本発明に係る応力保持装置は、ロードセルを有し、前記ロードセルは平板状を成し、前記他方の楔と各荷重負荷軸との間に、一方の面の中央部に前記作用部が配置され、他方の面側の前記作用部を挟む位置に各荷重負荷軸が配置されるよう設けられ、前記作用部による負荷により撓んで各荷重負荷軸を均等に前記試験体の他方の面に押し付け可能に構成されており、少なくとも前記一方の面または前記他方の面のいずれか一方に取り付けられたひずみゲージを有していてもよい。この場合、負荷変位を試験体にあたえることによって生ずる荷重を、ロードセルにより直接測定することができる。このため、荷重−変位曲線あるいは荷重−ひずみ曲線を得ることができ、機械的弾性係数やＸ線的弾性係数が未知である試験体にも適用することができる。
【００１９】
本発明に係る応力保持装置は、弾性係数の異なる材質や異なる板厚の材料を用いた前記ロードセルおよび勾配の異なる各楔を用いることにより、弾性係数が異なる様々な前記試験体の応力状態を測定可能である。
【００２０】
本発明に係るＸ線回折装置は、前記試験体の表面層の応力状態を測定可能に、本発明に係る応力保持装置が設置されていることを、特徴とする。
【００２１】
本発明に係るＸ線回折装置は、本発明に係る応力保持装置を利用するため、試験体に対するＸ線の入射角度や検出角度を拡げることができる。また、応力保持装置が四点曲げであり、負荷の大きさを変更しても試験体の中央は平行に移動するため、測定系に対して評価面を常に垂直に維持できる。また、各楔による負荷機構は、ねじ単体よりもバックラッシュが少ないうえ、試験体の側面から負荷の調整が行えるため、応力保持装置を搭載したままでの負荷変更が容易である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明による応力保持装置では、カンチレバーではなく四点曲げによって曲げ応力を生じさせることにより、高さを抑制している。さらに、負荷作用点の保持部に門型の構造を採用しているため、強度が高く、かつ試験体の表面より測定装置側への部品の張り出しが少ない。
【００２３】
試験体に与える負荷の大きさについては、楔を用いることにより、楔を介して水平方向の変位を高さ方向に変えて負荷変位の調整を行う。楔の角度により、試験体に与える負荷変位の範囲や変位の変換倍率を変更することができる。
【００２４】
負荷変位を試験体にあたえることによって生ずる荷重は、内蔵したロードセルによって直接測定することができ、荷重−変位曲線あるいは荷重−ひずみ曲線を得ることができ、機械的弾性係数やＸ線的弾性係数が未知である材料への適用が可能である。
【００２５】
四点曲げのため、負荷の大きさを変更しても試験体の中央は平行に移動するため、測定系に対して評価面を常に垂直に維持できる。また、楔による負荷機構は、ねじ単体よりもバックラッシュが少ないうえ、試験体の側面から負荷の調整が行えるため、Ｘ線回折装置に搭載したままでの負荷変更が容易である。
【００２６】
本発明によれば、装置の高さを抑制することができ、Ｘ線回折装置に搭載して、試験体に対するＸ線の入射角度や検出角度を拡げることができる応力保持装置およびＸ線回折装置を提供することができる。
【００２７】
また、機械的弾性係数が未知の試験体にも適用することができ、試験体の曲率制御が容易であり、Ｘ線回折装置に搭載した状態での測定系に対する試験体の評価面の垂直設置や負荷の変更が容易である応力保持装置およびＸ線回折装置を提供することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図９は、本発明の実施の形態の応力保持装置およびＸ線回折装置を示している。
図１に、製作した応力保持装置１０の詳細を示す。図１に示すように、応力保持装置１０は、平板状の試験体１に四点曲げの負荷を付与する応力保持装置１０であって、１対の負荷作用ピン（上）１１と支持台１２と１対の楔１３，１４とロードセル１５と１対の負荷作用ピン（下）１６とを有している。
【００２９】
図１に示すように、支持台１２は、矩形板２１と４本の脚２２と１対の梁２３とを有している。各脚２２は、同じ大きさの角柱状を成し、矩形板２１の表面の四隅に、矩形板２１の表面に対して垂直に伸びるよう互いに平行に設けられている。各梁２３は、細長く、矩形板２１の長さ方向に沿った両端の、矩形板２１の幅方向に沿って並んだ２つの脚２２の上部にそれぞれ架け渡されている。各梁２３は、下面に、長さ方向に沿って形成されたＶ字溝２３ａを有している。支持台１２は、矩形板２１の長さ方向に沿った両端の１対の脚２２および梁２３が門型の骨組みを成している。また、支持台１２は、各脚２２に囲まれた矩形板２１の表面が、試験体１に対して固定された設置面２１ａを成している。
【００３０】
各負荷作用ピン（上）１１は、細長い円柱状の棒から成り、中央部が太く、両端部が細く形成されている。各負荷作用ピン（上）１１は、それぞれ各梁２３のＶ字溝２３ａに挿入されており、両端部が各脚２２および梁２３に挟まれて落下しないよう取り付けられている。各負荷作用ピン（上）１１は、それぞれ１対の脚２２に挟まれた中央部で、梁２３の下面より下方に突出している。このように、各負荷作用ピン（上）１１は、試験体１の上面側で、所定の間隔で互いに平行を成して支持台１２に設けられている。なお、各負荷作用ピン（上）１１は、各固定負荷軸を成している。
【００３１】
図１に示すように、各楔１３，１４は、ほぼ同じ六面体形状を成している。各楔１３，１４は、矩形状の基準面と、基準面に対して垂直を成し、基準面の長辺に沿って互いに平行に設けられた１対の側面と、基準面および各側面に対して垂直を成し、基準面の短辺に沿って互いに平行に設けられた１対の端面と、基準面の反対側に、各側面に対して垂直を成し、基準面に対して所定の角度で傾斜した傾斜面とを有している。一方の楔１３は、基準面が設置面２１ａに接し、傾斜面が上方に向くよう、設置面２１ａの中央部に設置されている。他方の楔１４は、傾斜面がスライド面を成し、スライド面の反対側の基準面が作用部を成している。他方の楔１４は、スライド面が一方の楔１３の傾斜面に接し、作用部が上方に向くよう設置されている。
【００３２】
各楔１３，１４は、設置面２１ａに固定された楔スライド用ガイド１７に沿って、一方の楔１３が設置面２１ａに沿ってスライドし、他方の楔１４が上下方向に昇降するようになっている。また、各楔１３，１４は、一方の楔１３の一方の端面側で設置面２１ａに固定された負荷調整めねじ１８に、負荷調整おねじ１９をねじ込むことにより、負荷調整おねじ１９の先端で、一方の楔１３の一方の端面を押して一方の楔１３をスライドさせるようになっている。
【００３３】
図１に示すように、ロードセル１５は、可撓性の矩形の平板状を成し、矩形板２１の長さ方向に沿って矩形板２１に対して平行を成すよう、他方の楔１４の作用部の上に取り付けられている。ロードセル１５は、両端部のバランスをとるよう、下面の長さ方向の中央部に作用部が配置されている。ロードセル１５は、長さ方向の中央部から両端に向かって等距離の位置の両面に取り付けられた４つのひずみゲージを有している。また、ロードセル１５は、上面に載せて設置された中間部材２４を有している。中間部材２４は、直方体状を成し、下面の長さ方向に沿った中央部が凹状に形成され、下面の両端部がロードセル１５の上面の両端部に接するよう設けられている。中間部材２４は、上面が試験体１に対して平行を成し、上面の両端部に各梁２３のＶ字溝２３ａに対して平行を成すよう形成された１対のＶ字状の挿入溝２４ａを有している。
【００３４】
各負荷作用ピン（下）１６は、細長い円柱状の棒から成り、それぞれ中間部材２４の各挿入溝２４ａに挿入されている。各負荷作用ピン（下）１６は、それぞれ中間部材２４の上面より上方に突出している。このように、各負荷作用ピン（下）１６は、試験体１の下面側で、双方が各負荷作用ピン（上）１１の内側で各負荷作用ピン（上）１１に対して平行を成すよう互いに平行に設けられている。各負荷作用ピン（下）１６は、各楔１３，１４により、ロードセル１５および中間部材２４を介して、試験体１の下面に対して進退可能、かつ各負荷作用ピン（上）１１とともに試験体１を挟んで支持可能になっている。なお、各負荷作用ピン（下）１６は、各荷重負荷軸を成している。
【００３５】
図１に示すように、応力保持装置１０は、試験体１と各楔１３，１４との間にひずみゲージを取り付けたロードセル１５が設置されている。また、ロードセル１５は、他方の楔１４と各負荷作用ピン（下）１６との間に、上面側の作用部を挟む位置に各負荷作用ピン（下）１６が配置されるよう設けられている。応力保持装置１０は、一方の楔１３の基準面と他方の楔１４の作用部との距離が開くよう、スライド面を傾斜面に沿って相対的にスライドさせるとき、ロードセル１５が作用部による負荷により撓んで、各負荷作用ピン（下）１６を均等に試験体１の下面に押し付け、試験体１に負荷を付与可能になっている。また、このとき、ロードセル１５のひずみゲージの測定値に基づいて、試験体１へ加わる負荷を特定可能になっている。
【００３６】
図１に示すように、負荷作用ピン（上）１１は、左右独立した門型の骨組みに付いている。梁２３の下面にはＶ字溝２３ａが加工してあり、段つきの負荷作用ピン（上）１１の細い両端が門型の骨組みの脚２２と梁２３との間にできた三角形の穴に収まることで落下防止になっている。負荷時には、この浮動状態の負荷作用ピン（上）１１がＶ字溝２３ａに沿って移動するため、正確な位置決めが行われる。梁２３の断面は、試験体１の中央に向かって傾斜しており、水平に近い角度でのＸ線の入射および回折Ｘ線の検出の際に陰を作らないようになっている。これらの構造により、図２に示すように、長手方向において水平から最小１１度、短手方向では水平位置（０度）からＸ線の入射が可能となる。
【００３７】
負荷機構は、一対の楔１３，１４を用いて、側面からの押込み荷重を昇降に変換している。図１に示すように、負荷機構は、負荷調整めねじ１８に対して負荷調整おねじ１９をねじ込んで、負荷調整おねじ１９の先端で楔１３の一方を押すことにより、楔スライド用ガイド１７に沿って楔１３の一方をスライドさせ、楔１４の他方に対して一方を昇降させるようになっている。楔１３，１４を利用することにより荷重保持が容易となり、さらには昇降のバックラッシュを無くしている。また、楔１３，１４の勾配を変更することにより試験体１へ与える変位のレンジを変更することができ、試験体１の寸法や剛性が異なる広範囲な材料へ対応を行うことができる。必要に応じ、楔１３，１４の勾配も最適な角度を有するものを選択することが好ましい。
【００３８】
負荷の大きさは、楔１３，１４の上に設けられた４枚のひずみゲージからなるロードセル１５によって測定を行う。また、ロードセル１５のばねの効果によって２本の負荷作用ピン（下）１６に均等な力がかかるようバランスをとっている。弾性係数の異なる材質や異なる板厚の材料を用いることにより、測定荷重のレンジや分解能を変更することができる。
【００３９】
応力保持装置１０は、各楔１３，１４により、水平方向の変位を高さ方向に変えて、試験体１に与える荷重方向を変換することができる。このため、装置の高さを抑制することができる。また、カンチレバーではなく四点曲げによって曲げ応力を生じさせるため、装置の高さをさらに抑制することができる。このため、図３に示すように、応力保持装置１０は、試験体１の表面層の応力状態を測定するよう、Ｘ線回折装置に設置可能である。
【００４０】
図３に示すように、応力保持装置１０は、Ｘ線回折装置に設置されたとき、試験体１に対するＸ線の入射角度や検出角度を拡げることができる。応力保持装置１０は、試験体１の中央部にＸ線を入射するとき、入射角が試験体１の表面に対して試験体１の長手方向で１１度〜９０度、試験体１の短手方向で０度〜９０度の範囲になるよう設定可能である。また、応力保持装置１０は、四点曲げであり、負荷の大きさを変更しても試験体１の中央は平行に移動するため、Ｘ線回折装置に設置されたとき、測定系に対して評価面を常に垂直に維持できる。また、各楔１３，１４による負荷機構は、ねじ単体よりもバックラッシュが少ないうえ、試験体１の側面から負荷の調整が行えるため、Ｘ線回折装置に搭載したままでの負荷変更が容易である。
【００４１】
応力保持装置１０は、各負荷作用ピン（上）１１および各負荷作用ピン（下）１６により、試験体１に四点曲げの負荷を付与することができる。負荷作用点である各負荷作用ピン（上）１１の保持部に門型の構造を採用することにより、強度を高めることができ、かつ、Ｘ線回折装置に搭載されたとき、試験体１の表面より測定装置側への部品の張り出しを少なくすることができる。このため、試験体１に対するＸ線の入射角度や検出角度をさらに拡げることができる。
【００４２】
応力保持装置１０は、負荷変位を試験体１にあたえることによって生ずる荷重を、ロードセル１５により直接測定することができるため、荷重−変位曲線あるいは荷重−ひずみ曲線を得ることができ、機械的弾性係数やＸ線的弾性係数が未知である試験体１にも適用することができる。
【００４３】
応力保持装置１０は、各楔１３，１４の角度を調節することにより、試験体１に与える負荷変位の範囲や変位の変換倍率を変更することができる。また、試験体１に与える変位の変換倍率を大きくすることにより、変位の微調整が容易になり、試験体１の曲率制御を容易にすることができる。応力保持装置１０は、弾性係数の異なる材質や異なる板厚の材料を用いたロードセル１５および勾配の異なる各楔１３，１４を用いることにより、弾性係数が異なる様々な試験体１の応力状態を測定可能である。
【実施例１】
【００４４】
以下に実際の測定手順について説明する。
図３に示すように、三次元ゴニオステージ３０を有するＸ線回折測定装置に応力保持装置１０を取り付け、ロードセル１５の信号を計測装置につないだ後、ロードセル１５の零点およびスパン校正を行い、応力保持装置１０が水平の状態で試験体１を導入し、ピン昇降楔１３，１４を前進させて任意の荷重を与える。回折測定時、試験体１の回転角度が大なる場合は、ロードセル１５のアンプへの結線をはずして巻き込みを防止する。回折測定終了後に再度結線し、荷重の変動の有無を確認する。Ｘ線回折による応力測定に必要なＸ線的弾性定数の測定には、異なる応力を負荷して測定する必要があるため、降伏が起きない弾性の範囲で負荷レベルを５段階程度変更して回折の測定を行う必要がある。
【００４５】
図３に示す測定の座標系において、試験体１の表面の６成分応力を測定するためには、試験体１に対する照射角度χおよびφを変更し、それぞれ回折Ｘ線の計測を行う。得られた回折のパターン（デバイリング：Debye Ring）から格子のひずみを解析し、ロードセル１５の値からは負荷の大きさを読み取る。
【００４６】
以下に実際の測定結果について説明する。
測定には三次元ゴニオステージ３０を有するＸ線回折測定装置（ブルカー・エイエックスエス株式会社製「D8 DISCOVER with GADDS」）を用い、2D-XRD法によって応力測定を行った。長さ80mm、幅20mm、厚さ2.3mmの試験体１に曲げを与え、その表面に対し小さい仰角でコリメーター３１によりＸ線を入射させたときに回折するＸ線の測定を行った。図４および図５は、冷間圧延鋼板（SPCC）の試験体１に対し、試験体１の長手方向およびそれに直角な方向（短手方向）から、基準平面（χ＝０度）に対し水平から３０度でＸ線を入射した時に得られる、α-Feの（211）面の回折角度（θ＝１５６度）のデバイリングの一部である。なお、二次元検出器３２は、回折法線１１０度の位置に設置している。各図の左側には、測定時の試験体１の位置関係を示す。図４の長手方向からの測定結果より、試験体１の表面に対して水平から３０度と小さい角度で入射した測定においても、入射Ｘ線および回折Ｘ線が、負荷装置（梁部）に干渉せず、図５の短手方向の結果と同様に、明瞭なデバイリングが観察できていることが確認される。
【００４７】
次に、試験体１として、冷間圧延鋼板（SPCC）、ニッケル基超合金（Inconel 600）、オーステナイト系ステンレス鋼（SUS316L）の溶接熱影響部、アルミニウム（Al）、銅（Cu）、オーステナイト系ステンレス鋼（SUS304）を用いて、Ｘ線回折による応力測定を行った。図６および図７に、試験体１に負荷を段階的に与えたときの各負荷における試験体１の表面の応力について、ロードセル１５のひずみゲージによる測定とＸ線回折測定による解析とを同時に行った結果を示す。また、図８および図９に、試験体１に負荷を段階的に与えたときの各負荷における試験体１の表面の応力について、直接試験体１の表面に貼ったひずみゲージによる測定とＸ線回折測定による解析とを同時に行った結果を示す。ひずみゲージによる測定結果は、ひずみに縦弾性率を乗じたもの、Ｘ線回折測定による解析結果は、回折装置内のパラメータを利用して算出されたものである。
【００４８】
なお、図６（ａ）および図８（ａ）に示すsin2ψ法（sin2ψmethod）は、従来のＸ線回折測定手法の一つであり、光学系がゴニオステージ３０によって動くが試料は動かない一般的なＸ線応力測定装置（株式会社リガク製「MSF-3M」）によって計測したものである。sin2ψ法では、平面応力場の条件で計算されるという制約に加えて、一次元的に計測された回折Ｘ線より計算されるため、応力の誤差は大きい。一方、図６乃至図９に示すように、二次元検出器３２で回折Ｘ線を計測し６成分応力を解析する2D Triaxial法（2D Triaxial nethod）では誤差が小さく、ひずみゲージによる測定値（σLまたはσS）に近い値が得られている。この結果は、応力保持装置１０が三次元ゴニオステージ３０の上で精度よく応力を保持でき、かつ設計的制約を満たすために二次元検出器３２を用いた測定が可能となった結果、極めて簡便に得られたものである。図１０に代表される従来装置では、測定装置への設置の寸法・姿勢の制限や応力値の変更に伴う測定位置および測定面方位のズレが発生し、図６乃至図９のような測定結果を得ることは困難である。
【００４９】
以上、本発明に係る応力保持装置１０として好ましい実施形態を例示して説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で他の実施形態に適用できることはいうまでもないことである。
本発明に係る応力保持装置は、例えば、測定系としてＸ線回折にかぎらずラマン分光、放射光測定、赤外分光、中性子回折、超音波などを用いた分析に際しても適用可能である。さらには、測定対象は金属以外にもセラミックス、ゴム、プラスチックなどでもよく、分析方法との組み合わせにより広範囲な材料の表面の応力あるいは応力を負荷した状態で物理量の分析を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態の応力保持装置を示す（ａ）平面図、（ｂ）正面図、（ｃ）右側面図である。
【図２】図１に示す応力保持装置の、試験体に入射するＸ線の入射角の範囲を示す正面図である。
【図３】図１に示す応力保持装置の、Ｘ線回折装置に設置したときのＸ線の照射角度を示す斜視図である。
【図４】図１に示す応力保持装置の、試験体の長手方向からＸ線を入射したときのＸ線回折測定装置による（ａ）Ｘ線の試験体への照射状態を示す斜視図、（ｂ）測定結果を示す解析結果図である。
【図５】図１に示す応力保持装置の、試験体の短手方向からＸ線を入射したときのＸ線回折測定装置による（ａ）Ｘ線の試験体への照射状態を示す斜視図、（ｂ）測定結果を示す解析結果図である。
【図６】図１に示す応力保持装置の、試験体に負荷を与えたときの試験体の表面の応力の、ロードセルのひずみゲージによる測定結果（Measured stress from load cell σL MPa）とＸ線回折測定による解析結果（Measured stress from X-ray diffraction σ MPa）との関係を示す、試験体が（ａ）冷間圧延鋼板（SPCC）、（ｂ）ニッケル基超合金（Inconel 600）、（ｃ）オーステナイト系ステンレス鋼（SUS316L）の溶接熱影響部のときのグラフである。
【図７】図１に示す応力保持装置の、試験体に負荷を与えたときの試験体の表面の応力の、ロードセルのひずみゲージによる測定結果（Measured stress from load cell σL MPa）とＸ線回折測定による解析結果（Measured stress from X-ray diffraction σ MPa）との関係を示す、試験体が（ａ）アルミニウム（Al）、（ｂ）銅（Cu）、（ｃ）オーステナイト系ステンレス鋼（SUS304）のときのグラフである。
【図８】図１に示す応力保持装置の、試験体に負荷を与えたときの試験体の表面の応力の、試験体の表面に貼ったひずみゲージによる測定結果（Measured stress from strain gage σS MPa）とＸ線回折測定による解析結果（Measured stress from X-ray diffraction σ MPa）との関係を示す、試験体が（ａ）冷間圧延鋼板（SPCC）、（ｂ）ニッケル基超合金（Inconel 600）、（ｃ）オーステナイト系ステンレス鋼（SUS316L）の溶接熱影響部のときのグラフである。
【図９】図１に示す応力保持装置の、試験体に負荷を与えたときの試験体の表面の応力の、試験体の表面に貼ったひずみゲージによる測定結果（Measured stress from strain gage σS MPa）とＸ線回折測定による解析結果（Measured stress from X-ray diffraction σ MPa）との関係を示す、試験体が（ａ）アルミニウム（Al）、（ｂ）銅（Cu）、（ｃ）オーステナイト系ステンレス鋼（SUS304）のときのグラフである。
【図１０】従来の曲げ負荷装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ 試験体
１０ 応力保持装置
１１ 負荷作用ピン（上）
１２ 支持台
１３，１４ 楔
１５ ロードセル
１６ 負荷作用ピン（下）
１７ 楔スライド用ガイド
１８ 負荷調整めねじ
１９ 負荷調整おねじ
２１ 矩形板
２１ａ 設置面
２２ 脚
２３ 梁
２３ａ Ｖ字溝
２４ 中間部材
２４ａ 挿入溝
３０ 三次元ゴニオステージ
３１ コリメーター
３２ 二次元検出器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線回折などを利用した応力測定に必要な一定荷重を保持する応力保持装置およびＸ線回折装置に関する。
【０００２】
さらに詳しくは、Ｘ線回折などを利用した応力測定に際しては、試験体に任意の荷重が付与された状態において、Ｘ線回折などによる応力測定値に用いる定数を測定し、校正する必要がある。本発明は、試験体に付与される一定の応力を、試験体に貼り付けたひずみゲージあるいはロードセルを用いて決定することが可能な応力保持装置およびＸ線回折装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
試験体に一定の荷重を付与し、維持する手法の一つとして四点曲げ法が知られている。四点曲げ用治具で試験体の表面状態を測定できる装置として、ねじ式により試験体の下方から直接負荷をかける方式が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかし、このねじ式は、バックラッシュの問題があり、精度の高い荷重の設定が困難であるという問題があった。また、ねじ式で直接負荷をかける方式では、装置の高さが大きくなり、Ｘ線回折装置などの分析装置に設置する際の障害となるという問題もあった。
【０００４】
このねじ式のバックラッシュおよび装置の高さの問題を解決する手段として、楔を用いて荷重方向を変換する方式を応用した荷重測定装置がある（例えば、特許文献２参照）。しかし、この装置は、大きな荷重を許容荷重が小さい測定器で測定することを目的としたもので、Ｘ線回折装置などへの搭載を目的としたものではない。
【０００５】
Ｘ線応力測定の定数を求めるために用いられる曲げ負荷装置として、回折光の測定中の負荷を保持でき、かつＸ線照射領域内で均一な応力を負荷できるように、図１０に示すようなカンチレバーとねじとを利用した装置が実用に供されている（例えば、非特許文献１参照）。しかし、図１０に示す装置では、試験体から負荷ねじ中心線までの長さが７８ｍｍであり、装置の高さが大きいため、Ｘ線回折装置に設置する際の制限が大きいこと、さらに、試験体における曲率の精度が低いことが問題となっている。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１３１２０６号公報
【特許文献２】特表２００１−３３３２１号公報
【非特許文献１】日本材料学会Ｘ線材料強度部門委員会、「Ｘ線応力測定法標準（2002年版）-鉄鋼編-」、2001年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
試験体の表面層の応力をＸ線で計測する場合、高精度化のために、試験体表面への入射および試験体表面からの回折の検出を、試験体の表面に対して広い角度で行う必要がある。
【０００８】
Ｘ線回折測定において、図１０に示した非特許文献１に記載の従来の曲げ負荷装置では、以下のような課題がある。
第一に、カンチレバーを利用して平板に曲げを与えるために、負荷荷重および曲率半径に見合ったレバー長さが必要となり、装置の高さが増長する。また、負荷の作用部は強度が必要であり、この部位が試験体表面より張り出す結果、試験体表面に対してＸ線の入射範囲および回折したＸ線の検出の可能な範囲が小さな範囲に限定されてしまうため、Ｘ線回折装置のゴニオステージへの搭載は困難となる。
【０００９】
第二に、負荷の大きさの測定は試験体に貼り付けたひずみゲージによって行われるため、材料の機械的弾性係数が既知であるものにしか適用できない。また、レバー長さが一定であるため、試験体の厳密な曲率の制御は困難である。
第三に、設置位置および方向の課題があり、Ｘ線回折装置に搭載した状態で測定系に対する評価面の垂直設置および負荷の変更などは容易ではない。
【００１０】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、装置の高さを抑制することができ、Ｘ線回折装置に搭載して、試験体に対するＸ線の入射角度や検出角度を拡げることができる応力保持装置およびＸ線回折装置を提供することを目的としている。
【００１１】
また、機械的弾性係数が未知の試験体にも適用することができ、試験体の曲率制御が容易であり、Ｘ線回折装置に搭載した状態での測定系に対する試験体の評価面の垂直設置や負荷の変更が容易である応力保持装置およびＸ線回折装置を提供することも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に係る応力保持装置は、平板状の試験体に四点曲げの負荷を付与する応力保持装置であって、少なくとも一対の楔を設置し、各楔により荷重方向が変換される機構を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る応力保持装置は、各楔により、例えば水平方向の変位を高さ方向に変えて、試験体に与える荷重方向を変換することができる。このため、装置の高さを抑制することができる。また、カンチレバーではなく四点曲げによって曲げ応力を生じさせるため、装置の高さをさらに抑制することができる。これにより、本発明に係る応力保持装置は、前記試験体の表面層の応力状態を測定するよう、Ｘ線回折装置に設置可能である。
【００１４】
本発明に係る応力保持装置は、Ｘ線回折装置に設置されたとき、試験体に対するＸ線の入射角度や検出角度を拡げることができる。本発明に係る応力保持装置は、前記試験体の中央部にＸ線を入射するとき、入射角が前記試験体の表面に対して前記試験体の長手方向で１１度〜９０度、前記試験体の短手方向で０度〜９０度の範囲になるよう設定可能である。また、本発明に係る応力保持装置は、四点曲げであり、負荷の大きさを変更しても試験体の中央は平行に移動するため、Ｘ線回折装置に設置されたとき、測定系に対して評価面を常に垂直に維持できる。また、各楔による負荷機構は、ねじ単体よりもバックラッシュが少ないうえ、試験体の側面から負荷の調整が行えるため、Ｘ線回折装置に搭載したままでの負荷変更が容易である。
【００１５】
本発明に係る応力保持装置は、各楔の角度を調節することにより、試験体に与える負荷変位の範囲や変位の変換倍率を変更することができる。また、試験体に与える変位の変換倍率を大きくすることにより、変位の微調整が容易になり、試験体の曲率制御を容易にすることができる。
【００１６】
本発明に係る応力保持装置で、一方の楔は基準面と、前記基準面の反対側に前記基準面に対して所定の角度で傾斜した傾斜面とを有し、前記基準面が前記試験体に対して固定された設置面に接するよう設置されており、他方の楔はスライド面と、前記スライド面の反対側に位置する作用部とを有し、前記スライド面が前記傾斜面に接するよう設けられ、前記基準面と前記作用部との距離が開くよう、前記スライド面を前記傾斜面に沿って相対的にスライドさせるとき、前記作用部により前記試験体に負荷を付与可能に構成されていることが好ましい。この場合、他方の楔のスライド面を一方の楔の傾斜面に沿って相対的にスライドさせるときの方向と、一方の楔の基準面と他方の楔の作用部との距離が開く方向とが異なるため、各楔により試験体に与える荷重方向を変換することができる。
【００１７】
本発明に係る応力保持装置は、支持台と１対の固定負荷軸と１対の荷重負荷軸とを有し、前記支持台は前記設置面を有し、各固定負荷軸は前記試験体の一方の面側で、所定の間隔で互いに平行を成して前記支持台に設けられ、各荷重負荷軸は前記試験体の他方の面側で、双方が各固定負荷軸の内側または外側で各固定負荷軸に対して平行を成すよう前記所定の間隔と異なる間隔で互いに平行に設けられ、前記試験体の他方の面に対して進退可能、かつ各固定負荷軸とともに前記試験体を挟んで支持可能に構成され、前記他方の楔は、前記作用部により前記試験体の他方の面に対して各荷重負荷軸を押し付けて、前記試験体に負荷を付与可能に構成されていることが好ましい。この場合、各固定負荷軸および各荷重負荷軸により、試験体に四点曲げの負荷を付与することができる。負荷作用点である各固定負荷軸の保持部に門型の構造を採用することにより、強度を高めることができ、かつ、Ｘ線回折装置に搭載されたとき、試験体の表面より測定装置側への部品の張り出しを少なくすることができる。このため、試験体に対するＸ線の入射角度や検出角度をさらに拡げることができる。
【００１８】
本発明に係る応力保持装置は、前記試験体と各楔との間にひずみゲージを取り付けた平板によるロードセルを設置し、前記ひずみゲージの測定値に基づいて前記試験体へ加わる負荷を特定可能であることが好ましい。また、本発明に係る応力保持装置は、ロードセルを有し、前記ロードセルは平板状を成し、前記他方の楔と各荷重負荷軸との間に、一方の面の中央部に前記作用部が配置され、他方の面側の前記作用部を挟む位置に各荷重負荷軸が配置されるよう設けられ、前記作用部による負荷により撓んで各荷重負荷軸を均等に前記試験体の他方の面に押し付け可能に構成されており、少なくとも前記一方の面または前記他方の面のいずれか一方に取り付けられたひずみゲージを有していてもよい。この場合、負荷変位を試験体にあたえることによって生ずる荷重を、ロードセルにより直接測定することができる。このため、荷重−変位曲線あるいは荷重−ひずみ曲線を得ることができ、機械的弾性係数やＸ線的弾性係数が未知である試験体にも適用することができる。
【００１９】
本発明に係る応力保持装置は、弾性係数の異なる材質や異なる板厚の材料を用いた前記ロードセルおよび勾配の異なる各楔を用いることにより、弾性係数が異なる様々な前記試験体の応力状態を測定可能である。
【００２０】
本発明に係るＸ線回折装置は、前記試験体の表面層の応力状態を測定可能に、本発明に係る応力保持装置が設置されていることを、特徴とする。
【００２１】
本発明に係るＸ線回折装置は、本発明に係る応力保持装置を利用するため、試験体に対するＸ線の入射角度や検出角度を拡げることができる。また、応力保持装置が四点曲げであり、負荷の大きさを変更しても試験体の中央は平行に移動するため、測定系に対して評価面を常に垂直に維持できる。また、各楔による負荷機構は、ねじ単体よりもバックラッシュが少ないうえ、試験体の側面から負荷の調整が行えるため、応力保持装置を搭載したままでの負荷変更が容易である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明による応力保持装置では、カンチレバーではなく四点曲げによって曲げ応力を生じさせることにより、高さを抑制している。さらに、負荷作用点の保持部に門型の構造を採用しているため、強度が高く、かつ試験体の表面より測定装置側への部品の張り出しが少ない。
【００２３】
試験体に与える負荷の大きさについては、楔を用いることにより、楔を介して水平方向の変位を高さ方向に変えて負荷変位の調整を行う。楔の角度により、試験体に与える負荷変位の範囲や変位の変換倍率を変更することができる。
【００２４】
負荷変位を試験体にあたえることによって生ずる荷重は、内蔵したロードセルによって直接測定することができ、荷重−変位曲線あるいは荷重−ひずみ曲線を得ることができ、機械的弾性係数やＸ線的弾性係数が未知である材料への適用が可能である。
【００２５】
四点曲げのため、負荷の大きさを変更しても試験体の中央は平行に移動するため、測定系に対して評価面を常に垂直に維持できる。また、楔による負荷機構は、ねじ単体よりもバックラッシュが少ないうえ、試験体の側面から負荷の調整が行えるため、Ｘ線回折装置に搭載したままでの負荷変更が容易である。
【００２６】
本発明によれば、装置の高さを抑制することができ、Ｘ線回折装置に搭載して、試験体に対するＸ線の入射角度や検出角度を拡げることができる応力保持装置およびＸ線回折装置を提供することができる。
【００２７】
また、機械的弾性係数が未知の試験体にも適用することができ、試験体の曲率制御が容易であり、Ｘ線回折装置に搭載した状態での測定系に対する試験体の評価面の垂直設置や負荷の変更が容易である応力保持装置およびＸ線回折装置を提供することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図９は、本発明の実施の形態の応力保持装置およびＸ線回折装置を示している。
図１に、製作した応力保持装置１０の詳細を示す。図１に示すように、応力保持装置１０は、平板状の試験体１に四点曲げの負荷を付与する応力保持装置１０であって、１対の負荷作用ピン（上）１１と支持台１２と１対の楔１３，１４とロードセル１５と１対の負荷作用ピン（下）１６とを有している。
【００２９】
図１に示すように、支持台１２は、矩形板２１と４本の脚２２と１対の梁２３とを有している。各脚２２は、同じ大きさの角柱状を成し、矩形板２１の表面の四隅に、矩形板２１の表面に対して垂直に伸びるよう互いに平行に設けられている。各梁２３は、細長く、矩形板２１の長さ方向に沿った両端の、矩形板２１の幅方向に沿って並んだ２つの脚２２の上部にそれぞれ架け渡されている。各梁２３は、下面に、長さ方向に沿って形成されたＶ字溝２３ａを有している。支持台１２は、矩形板２１の長さ方向に沿った両端の１対の脚２２および梁２３が門型の骨組みを成している。また、支持台１２は、各脚２２に囲まれた矩形板２１の表面が、試験体１に対して固定された設置面２１ａを成している。
【００３０】
各負荷作用ピン（上）１１は、細長い円柱状の棒から成り、中央部が太く、両端部が細く形成されている。各負荷作用ピン（上）１１は、それぞれ各梁２３のＶ字溝２３ａに挿入されており、両端部が各脚２２および梁２３に挟まれて落下しないよう取り付けられている。各負荷作用ピン（上）１１は、それぞれ１対の脚２２に挟まれた中央部で、梁２３の下面より下方に突出している。このように、各負荷作用ピン（上）１１は、試験体１の上面側で、所定の間隔で互いに平行を成して支持台１２に設けられている。なお、各負荷作用ピン（上）１１は、各固定負荷軸を成している。
【００３１】
図１に示すように、各楔１３，１４は、ほぼ同じ六面体形状を成している。各楔１３，１４は、矩形状の基準面と、基準面に対して垂直を成し、基準面の長辺に沿って互いに平行に設けられた１対の側面と、基準面および各側面に対して垂直を成し、基準面の短辺に沿って互いに平行に設けられた１対の端面と、基準面の反対側に、各側面に対して垂直を成し、基準面に対して所定の角度で傾斜した傾斜面とを有している。一方の楔１３は、基準面が設置面２１ａに接し、傾斜面が上方に向くよう、設置面２１ａの中央部に設置されている。他方の楔１４は、傾斜面がスライド面を成し、スライド面の反対側の基準面が作用部を成している。他方の楔１４は、スライド面が一方の楔１３の傾斜面に接し、作用部が上方に向くよう設置されている。
【００３２】
各楔１３，１４は、設置面２１ａに固定された楔スライド用ガイド１７に沿って、一方の楔１３が設置面２１ａに沿ってスライドし、他方の楔１４が上下方向に昇降するようになっている。また、各楔１３，１４は、一方の楔１３の一方の端面側で設置面２１ａに固定された負荷調整めねじ１８に、負荷調整おねじ１９をねじ込むことにより、負荷調整おねじ１９の先端で、一方の楔１３の一方の端面を押して一方の楔１３をスライドさせるようになっている。
【００３３】
図１に示すように、ロードセル１５は、可撓性の矩形の平板状を成し、矩形板２１の長さ方向に沿って矩形板２１に対して平行を成すよう、他方の楔１４の作用部の上に取り付けられている。ロードセル１５は、両端部のバランスをとるよう、下面の長さ方向の中央部に作用部が配置されている。ロードセル１５は、長さ方向の中央部から両端に向かって等距離の位置の両面に取り付けられた４つのひずみゲージを有している。また、ロードセル１５は、上面に載せて設置された中間部材２４を有している。中間部材２４は、直方体状を成し、下面の長さ方向に沿った中央部が凹状に形成され、下面の両端部がロードセル１５の上面の両端部に接するよう設けられている。中間部材２４は、上面が試験体１に対して平行を成し、上面の両端部に各梁２３のＶ字溝２３ａに対して平行を成すよう形成された１対のＶ字状の挿入溝２４ａを有している。
【００３４】
各負荷作用ピン（下）１６は、細長い円柱状の棒から成り、それぞれ中間部材２４の各挿入溝２４ａに挿入されている。各負荷作用ピン（下）１６は、それぞれ中間部材２４の上面より上方に突出している。このように、各負荷作用ピン（下）１６は、試験体１の下面側で、双方が各負荷作用ピン（上）１１の内側で各負荷作用ピン（上）１１に対して平行を成すよう互いに平行に設けられている。各負荷作用ピン（下）１６は、各楔１３，１４により、ロードセル１５および中間部材２４を介して、試験体１の下面に対して進退可能、かつ各負荷作用ピン（上）１１とともに試験体１を挟んで支持可能になっている。なお、各負荷作用ピン（下）１６は、各荷重負荷軸を成している。
【００３５】
図１に示すように、応力保持装置１０は、試験体１と各楔１３，１４との間にひずみゲージを取り付けたロードセル１５が設置されている。また、ロードセル１５は、他方の楔１４と各負荷作用ピン（下）１６との間に、上面側の作用部を挟む位置に各負荷作用ピン（下）１６が配置されるよう設けられている。応力保持装置１０は、一方の楔１３の基準面と他方の楔１４の作用部との距離が開くよう、スライド面を傾斜面に沿って相対的にスライドさせるとき、ロードセル１５が作用部による負荷により撓んで、各負荷作用ピン（下）１６を均等に試験体１の下面に押し付け、試験体１に負荷を付与可能になっている。また、このとき、ロードセル１５のひずみゲージの測定値に基づいて、試験体１へ加わる負荷を特定可能になっている。
【００３６】
図１に示すように、負荷作用ピン（上）１１は、左右独立した門型の骨組みに付いている。梁２３の下面にはＶ字溝２３ａが加工してあり、段つきの負荷作用ピン（上）１１の細い両端が門型の骨組みの脚２２と梁２３との間にできた三角形の穴に収まることで落下防止になっている。負荷時には、この浮動状態の負荷作用ピン（上）１１がＶ字溝２３ａに沿って移動するため、正確な位置決めが行われる。梁２３の断面は、試験体１の中央に向かって傾斜しており、水平に近い角度でのＸ線の入射および回折Ｘ線の検出の際に陰を作らないようになっている。これらの構造により、図２に示すように、長手方向において水平から最小１１度、短手方向では水平位置（０度）からＸ線の入射が可能となる。
【００３７】
負荷機構は、一対の楔１３，１４を用いて、側面からの押込み荷重を昇降に変換している。図１に示すように、負荷機構は、負荷調整めねじ１８に対して負荷調整おねじ１９をねじ込んで、負荷調整おねじ１９の先端で楔１３の一方を押すことにより、楔スライド用ガイド１７に沿って楔１３の一方をスライドさせ、楔１４の他方に対して一方を昇降させるようになっている。楔１３，１４を利用することにより荷重保持が容易となり、さらには昇降のバックラッシュを無くしている。また、楔１３，１４の勾配を変更することにより試験体１へ与える変位のレンジを変更することができ、試験体１の寸法や剛性が異なる広範囲な材料へ対応を行うことができる。必要に応じ、楔１３，１４の勾配も最適な角度を有するものを選択することが好ましい。
【００３８】
負荷の大きさは、楔１３，１４の上に設けられた４枚のひずみゲージからなるロードセル１５によって測定を行う。また、ロードセル１５のばねの効果によって２本の負荷作用ピン（下）１６に均等な力がかかるようバランスをとっている。弾性係数の異なる材質や異なる板厚の材料を用いることにより、測定荷重のレンジや分解能を変更することができる。
【００３９】
応力保持装置１０は、各楔１３，１４により、水平方向の変位を高さ方向に変えて、試験体１に与える荷重方向を変換することができる。このため、装置の高さを抑制することができる。また、カンチレバーではなく四点曲げによって曲げ応力を生じさせるため、装置の高さをさらに抑制することができる。このため、図３に示すように、応力保持装置１０は、試験体１の表面層の応力状態を測定するよう、Ｘ線回折装置に設置可能である。
【００４０】
図３に示すように、応力保持装置１０は、Ｘ線回折装置に設置されたとき、試験体１に対するＸ線の入射角度や検出角度を拡げることができる。応力保持装置１０は、試験体１の中央部にＸ線を入射するとき、入射角が試験体１の表面に対して試験体１の長手方向で１１度〜９０度、試験体１の短手方向で０度〜９０度の範囲になるよう設定可能である。また、応力保持装置１０は、四点曲げであり、負荷の大きさを変更しても試験体１の中央は平行に移動するため、Ｘ線回折装置に設置されたとき、測定系に対して評価面を常に垂直に維持できる。また、各楔１３，１４による負荷機構は、ねじ単体よりもバックラッシュが少ないうえ、試験体１の側面から負荷の調整が行えるため、Ｘ線回折装置に搭載したままでの負荷変更が容易である。
【００４１】
応力保持装置１０は、各負荷作用ピン（上）１１および各負荷作用ピン（下）１６により、試験体１に四点曲げの負荷を付与することができる。負荷作用点である各負荷作用ピン（上）１１の保持部に門型の構造を採用することにより、強度を高めることができ、かつ、Ｘ線回折装置に搭載されたとき、試験体１の表面より測定装置側への部品の張り出しを少なくすることができる。このため、試験体１に対するＸ線の入射角度や検出角度をさらに拡げることができる。
【００４２】
応力保持装置１０は、負荷変位を試験体１にあたえることによって生ずる荷重を、ロードセル１５により直接測定することができるため、荷重−変位曲線あるいは荷重−ひずみ曲線を得ることができ、機械的弾性係数やＸ線的弾性係数が未知である試験体１にも適用することができる。
【００４３】
応力保持装置１０は、各楔１３，１４の角度を調節することにより、試験体１に与える負荷変位の範囲や変位の変換倍率を変更することができる。また、試験体１に与える変位の変換倍率を大きくすることにより、変位の微調整が容易になり、試験体１の曲率制御を容易にすることができる。応力保持装置１０は、弾性係数の異なる材質や異なる板厚の材料を用いたロードセル１５および勾配の異なる各楔１３，１４を用いることにより、弾性係数が異なる様々な試験体１の応力状態を測定可能である。
【実施例１】
【００４４】
以下に実際の測定手順について説明する。
図３に示すように、三次元ゴニオステージ３０を有するＸ線回折測定装置に応力保持装置１０を取り付け、ロードセル１５の信号を計測装置につないだ後、ロードセル１５の零点およびスパン校正を行い、応力保持装置１０が水平の状態で試験体１を導入し、ピン昇降楔１３，１４を前進させて任意の荷重を与える。回折測定時、試験体１の回転角度が大なる場合は、ロードセル１５のアンプへの結線をはずして巻き込みを防止する。回折測定終了後に再度結線し、荷重の変動の有無を確認する。Ｘ線回折による応力測定に必要なＸ線的弾性定数の測定には、異なる応力を負荷して測定する必要があるため、降伏が起きない弾性の範囲で負荷レベルを５段階程度変更して回折の測定を行う必要がある。
【００４５】
図３に示す測定の座標系において、試験体１の表面の６成分応力を測定するためには、試験体１に対する照射角度χおよびφを変更し、それぞれ回折Ｘ線の計測を行う。得られた回折のパターン（デバイリング：Debye Ring）から格子のひずみを解析し、ロードセル１５の値からは負荷の大きさを読み取る。
【００４６】
以下に実際の測定結果について説明する。
測定には三次元ゴニオステージ３０を有するＸ線回折測定装置（ブルカー・エイエックスエス株式会社製「D8 DISCOVER with GADDS」）を用い、2D-XRD法によって応力測定を行った。長さ80mm、幅20mm、厚さ2.3mmの試験体１に曲げを与え、その表面に対し小さい仰角でコリメーター３１によりＸ線を入射させたときに回折するＸ線の測定を行った。図４および図５は、冷間圧延鋼板（SPCC）の試験体１に対し、試験体１の長手方向およびそれに直角な方向（短手方向）から、基準平面（χ＝０度）に対し水平から３０度でＸ線を入射した時に得られる、α-Feの（211）面の回折角度（θ＝１５６度）のデバイリングの一部である。なお、二次元検出器３２は、回折法線１１０度の位置に設置している。各図の左側には、測定時の試験体１の位置関係を示す。図４の長手方向からの測定結果より、試験体１の表面に対して水平から３０度と小さい角度で入射した測定においても、入射Ｘ線および回折Ｘ線が、負荷装置（梁部）に干渉せず、図５の短手方向の結果と同様に、明瞭なデバイリングが観察できていることが確認される。
【００４７】
次に、試験体１として、冷間圧延鋼板（SPCC）、ニッケル基超合金（Inconel 600）、オーステナイト系ステンレス鋼（SUS316L）の溶接熱影響部、アルミニウム（Al）、銅（Cu）、オーステナイト系ステンレス鋼（SUS304）を用いて、Ｘ線回折による応力測定を行った。図６および図７に、試験体１に負荷を段階的に与えたときの各負荷における試験体１の表面の応力について、ロードセル１５のひずみゲージによる測定とＸ線回折測定による解析とを同時に行った結果を示す。また、図８および図９に、試験体１に負荷を段階的に与えたときの各負荷における試験体１の表面の応力について、直接試験体１の表面に貼ったひずみゲージによる測定とＸ線回折測定による解析とを同時に行った結果を示す。ひずみゲージによる測定結果は、ひずみに縦弾性率を乗じたもの、Ｘ線回折測定による解析結果は、回折装置内のパラメータを利用して算出されたものである。
【００４８】
なお、図６（ａ）および図８（ａ）に示すsin2ψ法（sin2ψmethod）は、従来のＸ線回折測定手法の一つであり、光学系がゴニオステージ３０によって動くが試料は動かない一般的なＸ線応力測定装置（株式会社リガク製「MSF-3M」）によって計測したものである。sin2ψ法では、平面応力場の条件で計算されるという制約に加えて、一次元的に計測された回折Ｘ線より計算されるため、応力の誤差は大きい。一方、図６乃至図９に示すように、二次元検出器３２で回折Ｘ線を計測し６成分応力を解析する2D Triaxial法（2D Triaxial nethod）では誤差が小さく、ひずみゲージによる測定値（σLまたはσS）に近い値が得られている。この結果は、応力保持装置１０が三次元ゴニオステージ３０の上で精度よく応力を保持でき、かつ設計的制約を満たすために二次元検出器３２を用いた測定が可能となった結果、極めて簡便に得られたものである。図１０に代表される従来装置では、測定装置への設置の寸法・姿勢の制限や応力値の変更に伴う測定位置および測定面方位のズレが発生し、図６乃至図９のような測定結果を得ることは困難である。
【００４９】
以上、本発明に係る応力保持装置１０として好ましい実施形態を例示して説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で他の実施形態に適用できることはいうまでもないことである。
本発明に係る応力保持装置は、例えば、測定系としてＸ線回折にかぎらずラマン分光、放射光測定、赤外分光、中性子回折、超音波などを用いた分析に際しても適用可能である。さらには、測定対象は金属以外にもセラミックス、ゴム、プラスチックなどでもよく、分析方法との組み合わせにより広範囲な材料の表面の応力あるいは応力を負荷した状態で物理量の分析を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態の応力保持装置を示す（ａ）平面図、（ｂ）正面図、（ｃ）右側面図である。
【図２】図１に示す応力保持装置の、試験体に入射するＸ線の入射角の範囲を示す正面図である。
【図３】図１に示す応力保持装置の、Ｘ線回折装置に設置したときのＸ線の照射角度を示す斜視図である。
【図４】図１に示す応力保持装置の、試験体の長手方向からＸ線を入射したときのＸ線回折測定装置による（ａ）Ｘ線の試験体への照射状態を示す斜視図、（ｂ）測定結果を示す解析結果図である。
【図５】図１に示す応力保持装置の、試験体の短手方向からＸ線を入射したときのＸ線回折測定装置による（ａ）Ｘ線の試験体への照射状態を示す斜視図、（ｂ）測定結果を示す解析結果図である。
【図６】図１に示す応力保持装置の、試験体に負荷を与えたときの試験体の表面の応力の、ロードセルのひずみゲージによる測定結果（Measured stress from load cell σL MPa）とＸ線回折測定による解析結果（Measured stress from X-ray diffraction σ MPa）との関係を示す、試験体が（ａ）冷間圧延鋼板（SPCC）、（ｂ）ニッケル基超合金（Inconel 600）、（ｃ）オーステナイト系ステンレス鋼（SUS316L）の溶接熱影響部のときのグラフである。
【図７】図１に示す応力保持装置の、試験体に負荷を与えたときの試験体の表面の応力の、ロードセルのひずみゲージによる測定結果（Measured stress from load cell σL MPa）とＸ線回折測定による解析結果（Measured stress from X-ray diffraction σ MPa）との関係を示す、試験体が（ａ）アルミニウム（Al）、（ｂ）銅（Cu）、（ｃ）オーステナイト系ステンレス鋼（SUS304）のときのグラフである。
【図８】図１に示す応力保持装置の、試験体に負荷を与えたときの試験体の表面の応力の、試験体の表面に貼ったひずみゲージによる測定結果（Measured stress from strain gage σS MPa）とＸ線回折測定による解析結果（Measured stress from X-ray diffraction σ MPa）との関係を示す、試験体が（ａ）冷間圧延鋼板（SPCC）、（ｂ）ニッケル基超合金（Inconel 600）、（ｃ）オーステナイト系ステンレス鋼（SUS316L）の溶接熱影響部のときのグラフである。
【図９】図１に示す応力保持装置の、試験体に負荷を与えたときの試験体の表面の応力の、試験体の表面に貼ったひずみゲージによる測定結果（Measured stress from strain gage σS MPa）とＸ線回折測定による解析結果（Measured stress from X-ray diffraction σ MPa）との関係を示す、試験体が（ａ）アルミニウム（Al）、（ｂ）銅（Cu）、（ｃ）オーステナイト系ステンレス鋼（SUS304）のときのグラフである。
【図１０】従来の曲げ負荷装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ 試験体
１０ 応力保持装置
１１ 負荷作用ピン（上）
１２ 支持台
１３，１４ 楔
１５ ロードセル
１６ 負荷作用ピン（下）
１７ 楔スライド用ガイド
１８ 負荷調整めねじ
１９ 負荷調整おねじ
２１ 矩形板
２１ａ 設置面
２２ 脚
２３ 梁
２３ａ Ｖ字溝
２４ 中間部材
２４ａ 挿入溝
３０ 三次元ゴニオステージ
３１ コリメーター
３２ 二次元検出器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の試験体に四点曲げの負荷を付与する応力保持装置であって、
少なくとも一対の楔を設置し、各楔により荷重方向が変換される機構を有することを
特徴とする応力保持装置。
【請求項２】
一方の楔は基準面と、前記基準面の反対側に前記基準面に対して所定の角度で傾斜した傾斜面とを有し、前記基準面が前記試験体に対して固定された設置面に接するよう設置されており、
他方の楔はスライド面と、前記スライド面の反対側に位置する作用部とを有し、前記スライド面が前記傾斜面に接するよう設けられ、前記基準面と前記作用部との距離が開くよう、前記スライド面を前記傾斜面に沿って相対的にスライドさせるとき、前記作用部により前記試験体に負荷を付与可能に構成されていることを、
特徴とする請求項１記載の応力保持装置。
【請求項３】
支持台と１対の固定負荷軸と１対の荷重負荷軸とを有し、
前記支持台は前記設置面を有し、
各固定負荷軸は前記試験体の一方の面側で、所定の間隔で互いに平行を成して前記支持台に設けられ、
各荷重負荷軸は前記試験体の他方の面側で、双方が各固定負荷軸の内側または外側で各固定負荷軸に対して平行を成すよう前記所定の間隔と異なる間隔で互いに平行に設けられ、前記試験体の他方の面に対して進退可能、かつ各固定負荷軸とともに前記試験体を挟んで支持可能に構成され、
前記他方の楔は、前記作用部により前記試験体の他方の面に対して各荷重負荷軸を押し付けて、前記試験体に負荷を付与可能に構成されていることを、
特徴とする請求項２記載の応力保持装置。
【請求項４】
前記試験体と各楔との間にひずみゲージを取り付けた平板によるロードセルを設置し、前記ひずみゲージの測定値に基づいて前記試験体へ加わる負荷を特定可能であることを、特徴とする請求項１、２または３記載の応力保持装置。
【請求項５】
ロードセルを有し、
前記ロードセルは平板状を成し、前記他方の楔と各荷重負荷軸との間に、一方の面の中央部に前記作用部が配置され、他方の面側の前記作用部を挟む位置に各荷重負荷軸が配置されるよう設けられ、前記作用部による負荷により撓んで各荷重負荷軸を均等に前記試験体の他方の面に押し付け可能に構成されており、少なくとも前記一方の面または前記他方の面のいずれか一方に取り付けられたひずみゲージを有することを、
特徴とする請求項３記載の応力保持装置。
【請求項６】
前記試験体の表面層の応力状態を測定するよう、Ｘ線回折装置に設置可能であることを、特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の応力保持装置。
【請求項７】
前記試験体の中央部にＸ線を入射するとき、入射角が前記試験体の表面に対して前記試験体の長手方向で１１度〜９０度、前記試験体の短手方向で０度〜９０度の範囲になるよう設定可能であることを、特徴とする請求項６記載の応力保持装置。
【請求項８】
弾性係数の異なる材質や異なる板厚の材料を用いた前記ロードセルおよび勾配の異なる各楔を用いることにより、弾性係数が異なる様々な前記試験体の応力状態を測定可能であることを、特徴とする請求項４、５、６または７記載の応力保持装置。
【請求項９】
前記試験体の表面層の応力状態を測定可能に、請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載の応力保持装置が設置されていることを、特徴とするＸ線回折装置。
【請求項１】
平板状の試験体に四点曲げの負荷を付与する応力保持装置であって、
少なくとも一対の楔を設置し、各楔により荷重方向が変換される機構を有することを
特徴とする応力保持装置。
【請求項２】
一方の楔は基準面と、前記基準面の反対側に前記基準面に対して所定の角度で傾斜した傾斜面とを有し、前記基準面が前記試験体に対して固定された設置面に接するよう設置されており、
他方の楔はスライド面と、前記スライド面の反対側に位置する作用部とを有し、前記スライド面が前記傾斜面に接するよう設けられ、前記基準面と前記作用部との距離が開くよう、前記スライド面を前記傾斜面に沿って相対的にスライドさせるとき、前記作用部により前記試験体に負荷を付与可能に構成されていることを、
特徴とする請求項１記載の応力保持装置。
【請求項３】
支持台と１対の固定負荷軸と１対の荷重負荷軸とを有し、
前記支持台は前記設置面を有し、
各固定負荷軸は前記試験体の一方の面側で、所定の間隔で互いに平行を成して前記支持台に設けられ、
各荷重負荷軸は前記試験体の他方の面側で、双方が各固定負荷軸の内側または外側で各固定負荷軸に対して平行を成すよう前記所定の間隔と異なる間隔で互いに平行に設けられ、前記試験体の他方の面に対して進退可能、かつ各固定負荷軸とともに前記試験体を挟んで支持可能に構成され、
前記他方の楔は、前記作用部により前記試験体の他方の面に対して各荷重負荷軸を押し付けて、前記試験体に負荷を付与可能に構成されていることを、
特徴とする請求項２記載の応力保持装置。
【請求項４】
前記試験体と各楔との間にひずみゲージを取り付けた平板によるロードセルを設置し、前記ひずみゲージの測定値に基づいて前記試験体へ加わる負荷を特定可能であることを、特徴とする請求項１、２または３記載の応力保持装置。
【請求項５】
ロードセルを有し、
前記ロードセルは平板状を成し、前記他方の楔と各荷重負荷軸との間に、一方の面の中央部に前記作用部が配置され、他方の面側の前記作用部を挟む位置に各荷重負荷軸が配置されるよう設けられ、前記作用部による負荷により撓んで各荷重負荷軸を均等に前記試験体の他方の面に押し付け可能に構成されており、少なくとも前記一方の面または前記他方の面のいずれか一方に取り付けられたひずみゲージを有することを、
特徴とする請求項３記載の応力保持装置。
【請求項６】
前記試験体の表面層の応力状態を測定するよう、Ｘ線回折装置に設置可能であることを、特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の応力保持装置。
【請求項７】
前記試験体の中央部にＸ線を入射するとき、入射角が前記試験体の表面に対して前記試験体の長手方向で１１度〜９０度、前記試験体の短手方向で０度〜９０度の範囲になるよう設定可能であることを、特徴とする請求項６記載の応力保持装置。
【請求項８】
弾性係数の異なる材質や異なる板厚の材料を用いた前記ロードセルおよび勾配の異なる各楔を用いることにより、弾性係数が異なる様々な前記試験体の応力状態を測定可能であることを、特徴とする請求項４、５、６または７記載の応力保持装置。
【請求項９】
前記試験体の表面層の応力状態を測定可能に、請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載の応力保持装置が設置されていることを、特徴とするＸ線回折装置。
【図２】
【図１０】
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−８６６５（Ｐ２００９−８６６５Ａ）
【公開日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１３３８２６（Ｐ２００８−１３３８２６）
【出願日】平成２０年５月２２日（２００８．５．２２）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２２日（２００８．５．２２）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
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