残留応力測定方法
【課題】結晶粒の粗い材料で製造された物品であっても、その表面層の浅い部分の残留応力を、その分布も含めて精度よく測定する。
【解決手段】タービン翼のダブテールの表面から切り出した試験片５の、ダブテールの表面の一部分である被測定面５ａを、層状に順次研磨しつつ、被測定面５ａと対向する試験片５の裏面５ｂに貼付した歪ゲージ７の出力により、裏面５ｂの歪を測定する。この歪と同じ値の歪を解析モデルで再現する。詳しくは、試験片５と同一寸法同一材料の解析モデルにおいて、試験片５で測定した歪変化と一致するように、解析モデルの被測定面側で層状に除去する各層の温度又は線膨張係数を層毎に特定する。そして、特定された温度又は線膨張係数に各層を設定した解析モデルから応力分布を求め、これを、試験片５の被測定面５ａ側で生じる残留応力の深さ方向分布とする。
【解決手段】タービン翼のダブテールの表面から切り出した試験片５の、ダブテールの表面の一部分である被測定面５ａを、層状に順次研磨しつつ、被測定面５ａと対向する試験片５の裏面５ｂに貼付した歪ゲージ７の出力により、裏面５ｂの歪を測定する。この歪と同じ値の歪を解析モデルで再現する。詳しくは、試験片５と同一寸法同一材料の解析モデルにおいて、試験片５で測定した歪変化と一致するように、解析モデルの被測定面側で層状に除去する各層の温度又は線膨張係数を層毎に特定する。そして、特定された温度又は線膨張係数に各層を設定した解析モデルから応力分布を求め、これを、試験片５の被測定面５ａ側で生じる残留応力の深さ方向分布とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の残留応力を測定する方法に係り、特に、被測定物の表面の残留応力を測定する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ジェットエンジンのタービン翼は、結晶粒の粗い多結晶の鋳造材料や、一方向凝固材、単結晶材で製造される。このタービン翼では、特にディスクに嵌合されるダブテールの表面に引っ張りの残留応力が生じていると強度上の問題を生じる可能性がある。そこで、タービン翼の製造に当たっては、機械加工の工程を適切に管理するとともに、場合によっては、ダブテールの表面にショットピーニングを施工し確実に圧縮応力を与えるようにする必要がある。このように、製品の表面付近について、加工による残留応力が適正に与えられているかどうかを確認することは、製品強度を管理する上で非常に重要である。
【０００３】
そして、材料表面の残留応力を測定する方法として、応力開放法を利用した測定方法が提案されている。この測定方法では、被測定物の残留応力測定対象面に歪ゲージを貼付した状態で、被測定物のゲージ貼付面の表層を薄く剥離させ、このときの歪ゲージの出力変化から、被測定物の表面の残留応力を測定するというものである（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−４８０６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した応力開放法を利用した測定方法によって、タービン翼のダブテールの表面付近に加工によって生じている残留応力を測定するのは、極めて困難である。その理由は、機械加工やショットピーニング等によりダブテール表面に与えられる残留応力のピークを含む主要な分布領域が、表面からわずか２００〜３００μｍ程度の深さの範囲内に限られる点にある。つまり、このような極めて薄い表層部分を被測定物から剥離させることが、既存の汎用加工技術では極めて困難なためである。
【０００６】
仮に剥離させることができたとしても、剥離厚が２００〜３００μｍよりも薄いとその取り扱いが極めて困難である。しかも、このような薄さの剥離厚であると、貼付した歪ゲージ自身の剛性が歪ゲージの出力に影響する可能性があるので、被測定物の残留応力を正しく反映した出力を歪ゲージに求めるには無理がある。
【０００７】
このような応力開放法の問題点を解消し得る材料表面の応力測定方法として、非接触の測定法であるＸ線回折法（ｓｉｎ２ ψ法）を挙げることができる。Ｘ線回折法は、被測定物に特定波長のＸ線を照射したときの回折角が、被測定物の応力に応じて、ｓｉｎ２ ψ（ψ（プサイ）；被測定物表面の法線と格子面法線とのなす角度）に対し直線的に変わることを利用した測定方法である。
【０００８】
Ｘ線回折法で被測定物の残留応力を測定する場合は、入射角を変えながら特定波長のＸ線を被測定物に照射し、ψ（プサイ）が異なる各結晶粒における回折角（２θ）を測定する。そして、測定した回折角（２θ）とｓｉｎ２ ψとの複数の組み合わせを最小二乗法により直線近似させる。この直線近似式の傾きを求めることで、被測定物の残留応力を求めることができる。
【０００９】
しかしながら、Ｘ線回折法は結晶粒の細かい多結晶材料の残留応力測定には向いているが、結晶粒の粗い（結晶粒径の大きい）材料で製造されるタービン翼の残留応力測定には向いていない。結晶粒の粗い材料では、Ｘ線が同時に多数の結晶粒には照射されないので、Ｘ線の入射角を変えても回折角（２θ）とｓｉｎ２ ψとの組み合わせを複数組得ることができないからである。
【００１０】
本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、ジェットエンジンのタービン翼のような結晶粒の粗い材料で製造された物品であっても、その表面層の浅い部分の残留応力を、その分布も含めて精度よく測定することができる残留応力測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、請求項１に記載した本発明の残留応力測定方法は、
被測定物の表面に与えられた残留応力を測定する方法であって、
前記被測定物の残留応力が与えられた部分を含めて該被測定物の表面側から切り出した試験片を、前記被測定物の表面に相当する被測定面側から段階的に層状に研磨しつつ、該被測定面と対向する前記試験片の裏面において歪を測定する測定ステップと、
前記試験片の層状の研磨と前記裏面において測定した歪との関係から、前記被測定物の表面に与えられた残留応力を解析する（例えば、有限要素法による）解析ステップと、
を含むことを特徴とする。
【００１２】
請求項１に記載した本発明の残留応力測定方法によれば、被測定物の表面側から切り出した試験片の被測定面側を段階的に層状に研磨すると、被測定面に対向する裏面には、層状に研磨した後の試験片の被測定面側部分に与えられた残留応力に対応する歪が生じる。
【００１３】
したがって、試験片の被測定面側を層状に研磨しながら測定した試験片の裏面に生じる歪に基づいて、試験片の被測定面側、ひいては、被測定物の表面側に与えられた残留応力の深さ方向における分布を、ＦＥＭ（有限要素法）等による解析モデルを用いて逆解析することで求めることができる。
【００１４】
このように本発明の残留応力測定方法は、残留応力が与えられた試験片の被測定面側を研磨することでその深さ方向における残留応力の分布を求める測定方法であることから、Ｘ線回折法や従来の応力開放法では残留応力を測定できない、結晶粒の粗い材料で製造された物品のごく浅い表面層の残留応力であっても、精度よく測定することができ、かつ、深さ方向の残留応力分布も知ることができる。
【００１５】
また、請求項２に記載した本発明の残留応力測定方法は、請求項１に記載した本発明の残留応力測定方法において、
前記解析ステップが、
前記試験片の解析モデルにおける前記被測定面側の温度又は線膨張係数（線膨張率）を調整することで、該被測定面側から前記解析モデルを段階的に層状に除去する前後の歪出力の変化を、前記試験片の被測定面を層状に研磨した時の前記測定ステップで測定した前記試験片の前記裏面における歪出力の変化の値に合わせ込み、前記解析モデルの前記被測定面側から段階的に除去する各層の温度又は線膨張係数を特定する特定ステップと、
前記特定ステップにより特定した前記温度又は線膨張係数を対応する各層に与えた全体解析モデルにより、前記試験片の深さ方向の残留応力分布を推定する推定ステップと、
を含むことを特徴とする。
【００１６】
請求項２に記載した本発明の残留応力測定方法によれば、請求項１に記載した本発明の残留応力測定方法において、被測定面側から解析モデルを層状に除去することで、被測定面側に残留応力が与えられた状態の試験片を被測定面側から層状に研磨する状態を模擬することになる。
【００１７】
そして、解析モデルの被測定面側を層状に除去したときに解析モデルの裏面に生じる歪の値が、試験片の被測定面側の同じ位置の層を研磨したときに試験片の裏面に生じる歪の値と一致するように、解析モデルの被測定面側の温度又は線膨張係数を設定すると、その温度又は線膨張係数に応じて解析モデルの被測定面側に生じる膨張収縮が、試験片の被測定面側に与えられた残留応力、言い換えると、被測定物の表面側に与えられた残留応力に相当するものとなる。
【００１８】
よって、試験片の被測定面側を層状に研磨したときに試験片の裏面側に生じた歪の値と一致する歪の値が、解析モデルの被測定面側を層状に除去したときに解析モデルの裏面側に生じるときの、解析モデルの被測定面側における温度又は線膨張係数を特定することで、試験片の被測定面側の研磨される層、ひいては、被測定物の表面側の研磨された層に与えられた残留応力を、解析により推定することができる。このため、結晶粒の粗い材料で製造された物品であっても、その表面層の残留応力を、その分布も含めて精度よく測定することができる。
【００１９】
なお、請求項２に記載した本発明の残留応力測定方法における特定ステップで特定するパラメータを線膨張係数とする場合、試験片や解析モデルの材料異方性を考慮することで、試験片や解析モデルの伸び量を方向により変えることができる。そのため、試験片裏面の２軸方向の歪変化を２軸歪ゲージにより取得すれば、解析により深さ方向だけでなく面内のゲージ２軸方向の残留応力分布を推定することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、結晶粒の粗い材料で製造された物品であっても、その表面層の浅い部分の残留応力を、その分布も含めて精度よく測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る残留応力測定方法における試験片の切り出し手順を示す説明図である。
【図２】図１の試験片を用いた残留応力の測定準備の手順を示す説明図である。
【図３】図１の試験片を用いた歪の測定ステップを示す説明図である。
【図４】図１の試験片に与えられた残留応力を試験片の厚さ方向における裏面からの位置との関係で示すグラフである。
【図５】図３の測定ステップにおいて測定された試験片の歪と試験片の研磨厚さとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態においては、ジェットエンジンのタービン翼のダブテール表面に与えられた残留応力を測定する場合を例に取って説明する。
【００２３】
図１に示すタービン翼１のダブテール３（請求項中の被測定物に相当）は、結晶粒の粗い多結晶の鋳造材料や、一方向凝固材、単結晶材のような材料で製造される。このタービン翼１では、特にディスク（図示せず）に嵌合されるダブテール３の表面３ａに引っ張りの残留応力が生じていると強度上の問題を生じる可能性がある。そこで、タービン翼１の製造に当たっては、機械加工の工程を適切に管理するとともに、場合によっては、ダブテール３の表面３ａにショットピーニングを施工し確実に圧縮応力を与えている。
【００２４】
このようなダブテール３の表面３ａに与えられた残留応力を測定する際には、まず、タービン翼１のダブテール３の表面３ａから試験片５を切り出す。このとき、試験片５は、残留応力が与えられたダブテール３の表層部分を含むように、ワイヤカット（放電加工の一種）等の新たな残留応力が極力加わらない方法で、薄板状に切り出す。
【００２５】
次に、切り出した試験片５のうち、ダブテール３の表面３ａの一部である被測定面５ａと対向する裏面５ｂに、歪ゲージ７を貼付する。そして、測定ステップに移行する。
【００２６】
測定ステップでは、図３に示すように、試験片５を被測定面５ａ側から、電解研磨等の新たな残留応力が極力加わらない方法で段階的に研磨する。そして、この研磨と並行して、歪ゲージ７の出力を用いて裏面５ｂの歪を測定する。
【００２７】
図４のグラフに例示するように、試験片５（乃至ダブテール３）には、その被測定面５ａ（ダブテール３の表面３ａ）付近の表層部分（図中のＹ座標＝２．５付近の部分）に、機械加工やショットピーニング等により与えられた残留応力が存在する。そのため、図３に示すように試験片５を被測定面５ａ側から層状に順次研磨すると、図５のグラフに示すように、試験片５の裏面５ｂの歪を表す歪ゲージ７の出力が、ε０ ，ε１ ，ε２ ，…，εｎ−２ ，εｎ−１ ，εｎ と順次変化する。
【００２８】
このような歪ゲージ７の出力変化Δε１ （ε１ −ε０ ），Δε２ （ε２ −ε１ ），…，Δεｎ−１ （εｎ−２ −εｎ−１ ），Δεｎ （εｎ−１ −εｎ ）は、研磨した試験片５の被測定面５ａ側の層の部分に与えられていた残留応力が研磨により開放されることに伴って、試験片５の裏面５ｂに生じる歪の量が変化することで生じる。したがって、試験片５を被測定面５ａ側から層状に順次研磨することで得られる歪ゲージ７の出力ε０ ，ε１ ，ε２ ，…，εｎ−２ ，εｎ−１ ，εｎ は、試験片５の研磨後の被測定面５ａ側の部分に与えられている残留応力に対応するものとなる。
【００２９】
そこで、図３に示す手順で試験片５の被測定面５ａを層状に研磨しつつ歪ゲージ７により測定した試験片５の裏面５ｂの歪の値から、試験片５の被測定面５ａ側に与えられている残留応力の分布を逆解析により求めることができる。
【００３０】
以下、残留応力の解析ステップについて説明する。本実施形態では、この解析には、試験片５を有限要素法（ＦＥＭ）でモデリングして得た解析モデルを用いる。
【００３１】
上述した解析モデルは、試験片５と同一寸法同一材料で構成する。なお、ここでは説明を容易にするため、試験片５の被測定面５ａを層状に、１層目（厚さｔ１ ）、２層目（厚さｔ２ ）、３層目（厚さｔ３ ）の３段階で研磨して、歪ゲージ７の出力を測定したものとする。以下、解析の手順（ステップ）を説明する。
【００３２】
解析ステップの前半部分として、特定ステップを行う。なお、ここでは説明の簡単化のため、パラメータとして温度を用いるものとするが、温度の代わりに線膨張係数をパラメータとして用いることもできる。
【００３３】
この特定ステップでは、まず、被測定面側と裏面との間の厚さがｔ３ ＋ｔ０ である解析モデルの被測定面側の厚さｔ３ の部分を一律に温度Ｔ３に調整することで、解析モデルの被測定面側と対向する裏面の、試験片５の裏面５ｂの歪ゲージ７を貼着した箇所に対応する箇所（解析モデルのゲージ対応箇所）に、試験片５の３層目を除去した前後の歪変化Δε３ が現れる温度Ｔ３を、ＦＥＭ解析を繰り返すことにより特定する（手順１）。具体的には、ｔ３ ＋ｔ０ である解析モデルにより計算されるゲージ対応箇所の歪が、Δε３ と一致するようにする。このとき、温度Ｔ３に調整する厚さｔ３ の部分を除く解析モデルの他の厚さｔ０ の部分は、例えば常温であるものとする。これにより、試験片５の被測定面５ａの３層目を研磨した前後の、裏面５ｂに貼付した歪ゲージ７の出力変化を解析モデルにより再現する。
【００３４】
次に、被測定面と裏面との間の厚さがｔ２ ＋ｔ３ ＋ｔ０ である解析モデルの厚さｔ２ の部分を一律に温度Ｔ２に調整することで、解析モデルのゲージ対応箇所に、試験片５の２層目を除去した前後の歪変化Δε２ が現れる温度Ｔ２を、ＦＥＭ解析を繰り返すことにより特定する（手順２）。具体的には、ｔ２ ＋ｔ３ ＋ｔ０ である解析モデルにより計算されるゲージ対応箇所の歪と、前記手順１で特定した、解析モデル（被測定面側と裏面との間の厚さがｔ３ ＋ｔ０ である解析モデル）の同箇所の歪との差が、Δε２ と一致するようにする。このとき、いずれのモデルでもｔ３ の部分の温度は手順１で特定した温度Ｔ３、ｔ２ の部分の温度は手順２で特定した温度Ｔ２とする。これにより、試験片５の被測定面５ａの２層目を研磨した前後の、裏面５ｂに貼付した歪ゲージ７の出力変化を解析モデルにより再現する。
【００３５】
続いて、被測定面と裏面と厚さｔ１ の部分を一律に温度Ｔ１に調整することで、解析モデルのゲージ対応箇所に、試験片５の１層目を除去した前後の歪変化Δε１ が現れる温度Ｔ１を、ＦＥＭ解析を繰り返すことにより特定する（手順３）。具体的には、ｔ１ ＋ｔ２ ＋ｔ３ ＋ｔ０ である解析モデルにより計算されるゲージ対応箇所の歪と、前記手順２で特定した、解析モデル（被測定面側と裏面との間の厚さがｔ２ ＋ｔ３ ＋ｔ０ である解析モデル）の同箇所の歪との差が、Δε１ と一致するようにする。これにより、試験片５の被測定面５ａの３層目を研磨した前後の、裏面５ｂに貼付した歪ゲージ７の出力変化を解析モデルにより再現する。
【００３６】
以上により、各層毎の温度設定が完了した後、解析モデルの被測定面側の厚さｔ１ ，ｔ２ ，ｔ３ の各部分について、前記手順１〜３で特定した各温度Ｔ３，Ｔ２，Ｔ１をそれぞれ与えた全体ＦＥＭモデルにより、解析を実施する（手順４）。この解析のアウトプットとして得られる応力分布（図４がその一例である）が、試験片５の被測定面５ａ側に生じている残留応力分布である。
【００３７】
前記手順４の解析で得られるのは試験片状態の応力状態であるが、さらに実機状態（タービン翼１のダブテール３）の応力分布を知るためには、試験片モデルを実機製品モデルに組み込んで解析モデルを再構築して（タービン翼１のダブテール３に対応する解析モデルを構築し）解析し、応力分布を求めればよい。
【００３８】
温度に代えて線膨張係数をパラメータとして用いる場合は、前記手順１〜３において温度Ｔ３，Ｔ２，Ｔ１をそれぞれ求める代わりに、手順１〜３でそれぞれ説明した条件を満たす３つの線膨張係数を求めればよい。そして、前記手順４において、前記手順１〜３で求めた３つの線膨張係数を与えた全体ＦＥＭモデルにより、解析を実施すればよい。パラメータを線膨張係数とする場合は、試験片５や解析モデルの材料異方性を考慮することで、解析モデルの伸び量を方向により変えることができる。そのため、試験片５の裏面の２軸方向の歪変化を２軸歪ゲージにより取得すれば、深さ方向だけでなく面内のゲージ２軸方向の残留応力分布を推定することができる。
【００３９】
以上に説明したＦＥＭ解析により、試験片５の被測定面５ａを層状に研磨したときの歪ゲージ７の出力から、試験片５を切り出したダブテール３の表面３ａ側に与えられた残留応力を推定することができる。
【００４０】
以上に説明したように、本実施形態の残留応力測定方法は、残留応力が与えられたダブテール３の表面３ａから切り出した試験片５の被測定面５ａ側を研磨することで、その深さ方向（試験片５の被測定面５ａから裏面５ｂに向かう方向）における残留応力の分布を求める測定方法である。したがって、Ｘ線法や応力開放法では残留応力を測定できない、結晶粒の粗い材料で製造された物品の表面層の残留応力であっても、精度よく測定することができ、かつ、深さ方向の残留応力分布も知ることができる。また、歪計測の精度にもよるが、研磨量を細かくすることで、求める残留応力の分布の推定精度を任意に上げることができる。
【００４１】
なお、本実施形態では、試験片５の残留応力のモデリングにＦＥＭ解析によるモデルを用いる場合について説明したが、解析はＦＥＭ以外の他の方法によって行ってもよい。
【００４２】
即ち、本発明は、表面に応力が与えられた被測定物の表面側から切り出した試験片を、被測定物の表面に相当する被測定面側から段階的に層状に研磨しつつ、被測定面と対向する試験片の裏面において測定した歪と、研磨した層の試験片における位置や研磨厚さとの関係から、被測定物の表面に与えられた残留応力を解析することを、要旨とするものである。
【００４３】
そして、本実施形態では、結晶粒の粗い多結晶材や、一方向凝固材、単結晶材のような鋳造材料で製造されたタービン翼１のダブテール３の表面３ａにおいて、機械加工やショットピーニング等により与えられた残留応力を測定する場合を例に取って説明した。しかし、本発明は、材料や結晶構造を問わず、被測定物の表面に与えられた残留応力を測定する場合に広く適用可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１ タービン翼
３ ダブテール
３ａ 表面
５ 試験片
５ａ 被測定面
５ｂ 裏面
７ 歪ゲージ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の残留応力を測定する方法に係り、特に、被測定物の表面の残留応力を測定する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ジェットエンジンのタービン翼は、結晶粒の粗い多結晶の鋳造材料や、一方向凝固材、単結晶材で製造される。このタービン翼では、特にディスクに嵌合されるダブテールの表面に引っ張りの残留応力が生じていると強度上の問題を生じる可能性がある。そこで、タービン翼の製造に当たっては、機械加工の工程を適切に管理するとともに、場合によっては、ダブテールの表面にショットピーニングを施工し確実に圧縮応力を与えるようにする必要がある。このように、製品の表面付近について、加工による残留応力が適正に与えられているかどうかを確認することは、製品強度を管理する上で非常に重要である。
【０００３】
そして、材料表面の残留応力を測定する方法として、応力開放法を利用した測定方法が提案されている。この測定方法では、被測定物の残留応力測定対象面に歪ゲージを貼付した状態で、被測定物のゲージ貼付面の表層を薄く剥離させ、このときの歪ゲージの出力変化から、被測定物の表面の残留応力を測定するというものである（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−４８０６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した応力開放法を利用した測定方法によって、タービン翼のダブテールの表面付近に加工によって生じている残留応力を測定するのは、極めて困難である。その理由は、機械加工やショットピーニング等によりダブテール表面に与えられる残留応力のピークを含む主要な分布領域が、表面からわずか２００〜３００μｍ程度の深さの範囲内に限られる点にある。つまり、このような極めて薄い表層部分を被測定物から剥離させることが、既存の汎用加工技術では極めて困難なためである。
【０００６】
仮に剥離させることができたとしても、剥離厚が２００〜３００μｍよりも薄いとその取り扱いが極めて困難である。しかも、このような薄さの剥離厚であると、貼付した歪ゲージ自身の剛性が歪ゲージの出力に影響する可能性があるので、被測定物の残留応力を正しく反映した出力を歪ゲージに求めるには無理がある。
【０００７】
このような応力開放法の問題点を解消し得る材料表面の応力測定方法として、非接触の測定法であるＸ線回折法（ｓｉｎ２ ψ法）を挙げることができる。Ｘ線回折法は、被測定物に特定波長のＸ線を照射したときの回折角が、被測定物の応力に応じて、ｓｉｎ２ ψ（ψ（プサイ）；被測定物表面の法線と格子面法線とのなす角度）に対し直線的に変わることを利用した測定方法である。
【０００８】
Ｘ線回折法で被測定物の残留応力を測定する場合は、入射角を変えながら特定波長のＸ線を被測定物に照射し、ψ（プサイ）が異なる各結晶粒における回折角（２θ）を測定する。そして、測定した回折角（２θ）とｓｉｎ２ ψとの複数の組み合わせを最小二乗法により直線近似させる。この直線近似式の傾きを求めることで、被測定物の残留応力を求めることができる。
【０００９】
しかしながら、Ｘ線回折法は結晶粒の細かい多結晶材料の残留応力測定には向いているが、結晶粒の粗い（結晶粒径の大きい）材料で製造されるタービン翼の残留応力測定には向いていない。結晶粒の粗い材料では、Ｘ線が同時に多数の結晶粒には照射されないので、Ｘ線の入射角を変えても回折角（２θ）とｓｉｎ２ ψとの組み合わせを複数組得ることができないからである。
【００１０】
本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、ジェットエンジンのタービン翼のような結晶粒の粗い材料で製造された物品であっても、その表面層の浅い部分の残留応力を、その分布も含めて精度よく測定することができる残留応力測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、請求項１に記載した本発明の残留応力測定方法は、
被測定物の表面に与えられた残留応力を測定する方法であって、
前記被測定物の残留応力が与えられた部分を含めて該被測定物の表面側から切り出した試験片を、前記被測定物の表面に相当する被測定面側から段階的に層状に研磨しつつ、該被測定面と対向する前記試験片の裏面において歪を測定する測定ステップと、
前記試験片の層状の研磨と前記裏面において測定した歪との関係から、前記被測定物の表面に与えられた残留応力を解析する（例えば、有限要素法による）解析ステップと、
を含むことを特徴とする。
【００１２】
請求項１に記載した本発明の残留応力測定方法によれば、被測定物の表面側から切り出した試験片の被測定面側を段階的に層状に研磨すると、被測定面に対向する裏面には、層状に研磨した後の試験片の被測定面側部分に与えられた残留応力に対応する歪が生じる。
【００１３】
したがって、試験片の被測定面側を層状に研磨しながら測定した試験片の裏面に生じる歪に基づいて、試験片の被測定面側、ひいては、被測定物の表面側に与えられた残留応力の深さ方向における分布を、ＦＥＭ（有限要素法）等による解析モデルを用いて逆解析することで求めることができる。
【００１４】
このように本発明の残留応力測定方法は、残留応力が与えられた試験片の被測定面側を研磨することでその深さ方向における残留応力の分布を求める測定方法であることから、Ｘ線回折法や従来の応力開放法では残留応力を測定できない、結晶粒の粗い材料で製造された物品のごく浅い表面層の残留応力であっても、精度よく測定することができ、かつ、深さ方向の残留応力分布も知ることができる。
【００１５】
また、請求項２に記載した本発明の残留応力測定方法は、請求項１に記載した本発明の残留応力測定方法において、
前記解析ステップが、
前記試験片の解析モデルにおける前記被測定面側の温度又は線膨張係数（線膨張率）を調整することで、該被測定面側から前記解析モデルを段階的に層状に除去する前後の歪出力の変化を、前記試験片の被測定面を層状に研磨した時の前記測定ステップで測定した前記試験片の前記裏面における歪出力の変化の値に合わせ込み、前記解析モデルの前記被測定面側から段階的に除去する各層の温度又は線膨張係数を特定する特定ステップと、
前記特定ステップにより特定した前記温度又は線膨張係数を対応する各層に与えた全体解析モデルにより、前記試験片の深さ方向の残留応力分布を推定する推定ステップと、
を含むことを特徴とする。
【００１６】
請求項２に記載した本発明の残留応力測定方法によれば、請求項１に記載した本発明の残留応力測定方法において、被測定面側から解析モデルを層状に除去することで、被測定面側に残留応力が与えられた状態の試験片を被測定面側から層状に研磨する状態を模擬することになる。
【００１７】
そして、解析モデルの被測定面側を層状に除去したときに解析モデルの裏面に生じる歪の値が、試験片の被測定面側の同じ位置の層を研磨したときに試験片の裏面に生じる歪の値と一致するように、解析モデルの被測定面側の温度又は線膨張係数を設定すると、その温度又は線膨張係数に応じて解析モデルの被測定面側に生じる膨張収縮が、試験片の被測定面側に与えられた残留応力、言い換えると、被測定物の表面側に与えられた残留応力に相当するものとなる。
【００１８】
よって、試験片の被測定面側を層状に研磨したときに試験片の裏面側に生じた歪の値と一致する歪の値が、解析モデルの被測定面側を層状に除去したときに解析モデルの裏面側に生じるときの、解析モデルの被測定面側における温度又は線膨張係数を特定することで、試験片の被測定面側の研磨される層、ひいては、被測定物の表面側の研磨された層に与えられた残留応力を、解析により推定することができる。このため、結晶粒の粗い材料で製造された物品であっても、その表面層の残留応力を、その分布も含めて精度よく測定することができる。
【００１９】
なお、請求項２に記載した本発明の残留応力測定方法における特定ステップで特定するパラメータを線膨張係数とする場合、試験片や解析モデルの材料異方性を考慮することで、試験片や解析モデルの伸び量を方向により変えることができる。そのため、試験片裏面の２軸方向の歪変化を２軸歪ゲージにより取得すれば、解析により深さ方向だけでなく面内のゲージ２軸方向の残留応力分布を推定することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、結晶粒の粗い材料で製造された物品であっても、その表面層の浅い部分の残留応力を、その分布も含めて精度よく測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る残留応力測定方法における試験片の切り出し手順を示す説明図である。
【図２】図１の試験片を用いた残留応力の測定準備の手順を示す説明図である。
【図３】図１の試験片を用いた歪の測定ステップを示す説明図である。
【図４】図１の試験片に与えられた残留応力を試験片の厚さ方向における裏面からの位置との関係で示すグラフである。
【図５】図３の測定ステップにおいて測定された試験片の歪と試験片の研磨厚さとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態においては、ジェットエンジンのタービン翼のダブテール表面に与えられた残留応力を測定する場合を例に取って説明する。
【００２３】
図１に示すタービン翼１のダブテール３（請求項中の被測定物に相当）は、結晶粒の粗い多結晶の鋳造材料や、一方向凝固材、単結晶材のような材料で製造される。このタービン翼１では、特にディスク（図示せず）に嵌合されるダブテール３の表面３ａに引っ張りの残留応力が生じていると強度上の問題を生じる可能性がある。そこで、タービン翼１の製造に当たっては、機械加工の工程を適切に管理するとともに、場合によっては、ダブテール３の表面３ａにショットピーニングを施工し確実に圧縮応力を与えている。
【００２４】
このようなダブテール３の表面３ａに与えられた残留応力を測定する際には、まず、タービン翼１のダブテール３の表面３ａから試験片５を切り出す。このとき、試験片５は、残留応力が与えられたダブテール３の表層部分を含むように、ワイヤカット（放電加工の一種）等の新たな残留応力が極力加わらない方法で、薄板状に切り出す。
【００２５】
次に、切り出した試験片５のうち、ダブテール３の表面３ａの一部である被測定面５ａと対向する裏面５ｂに、歪ゲージ７を貼付する。そして、測定ステップに移行する。
【００２６】
測定ステップでは、図３に示すように、試験片５を被測定面５ａ側から、電解研磨等の新たな残留応力が極力加わらない方法で段階的に研磨する。そして、この研磨と並行して、歪ゲージ７の出力を用いて裏面５ｂの歪を測定する。
【００２７】
図４のグラフに例示するように、試験片５（乃至ダブテール３）には、その被測定面５ａ（ダブテール３の表面３ａ）付近の表層部分（図中のＹ座標＝２．５付近の部分）に、機械加工やショットピーニング等により与えられた残留応力が存在する。そのため、図３に示すように試験片５を被測定面５ａ側から層状に順次研磨すると、図５のグラフに示すように、試験片５の裏面５ｂの歪を表す歪ゲージ７の出力が、ε０ ，ε１ ，ε２ ，…，εｎ−２ ，εｎ−１ ，εｎ と順次変化する。
【００２８】
このような歪ゲージ７の出力変化Δε１ （ε１ −ε０ ），Δε２ （ε２ −ε１ ），…，Δεｎ−１ （εｎ−２ −εｎ−１ ），Δεｎ （εｎ−１ −εｎ ）は、研磨した試験片５の被測定面５ａ側の層の部分に与えられていた残留応力が研磨により開放されることに伴って、試験片５の裏面５ｂに生じる歪の量が変化することで生じる。したがって、試験片５を被測定面５ａ側から層状に順次研磨することで得られる歪ゲージ７の出力ε０ ，ε１ ，ε２ ，…，εｎ−２ ，εｎ−１ ，εｎ は、試験片５の研磨後の被測定面５ａ側の部分に与えられている残留応力に対応するものとなる。
【００２９】
そこで、図３に示す手順で試験片５の被測定面５ａを層状に研磨しつつ歪ゲージ７により測定した試験片５の裏面５ｂの歪の値から、試験片５の被測定面５ａ側に与えられている残留応力の分布を逆解析により求めることができる。
【００３０】
以下、残留応力の解析ステップについて説明する。本実施形態では、この解析には、試験片５を有限要素法（ＦＥＭ）でモデリングして得た解析モデルを用いる。
【００３１】
上述した解析モデルは、試験片５と同一寸法同一材料で構成する。なお、ここでは説明を容易にするため、試験片５の被測定面５ａを層状に、１層目（厚さｔ１ ）、２層目（厚さｔ２ ）、３層目（厚さｔ３ ）の３段階で研磨して、歪ゲージ７の出力を測定したものとする。以下、解析の手順（ステップ）を説明する。
【００３２】
解析ステップの前半部分として、特定ステップを行う。なお、ここでは説明の簡単化のため、パラメータとして温度を用いるものとするが、温度の代わりに線膨張係数をパラメータとして用いることもできる。
【００３３】
この特定ステップでは、まず、被測定面側と裏面との間の厚さがｔ３ ＋ｔ０ である解析モデルの被測定面側の厚さｔ３ の部分を一律に温度Ｔ３に調整することで、解析モデルの被測定面側と対向する裏面の、試験片５の裏面５ｂの歪ゲージ７を貼着した箇所に対応する箇所（解析モデルのゲージ対応箇所）に、試験片５の３層目を除去した前後の歪変化Δε３ が現れる温度Ｔ３を、ＦＥＭ解析を繰り返すことにより特定する（手順１）。具体的には、ｔ３ ＋ｔ０ である解析モデルにより計算されるゲージ対応箇所の歪が、Δε３ と一致するようにする。このとき、温度Ｔ３に調整する厚さｔ３ の部分を除く解析モデルの他の厚さｔ０ の部分は、例えば常温であるものとする。これにより、試験片５の被測定面５ａの３層目を研磨した前後の、裏面５ｂに貼付した歪ゲージ７の出力変化を解析モデルにより再現する。
【００３４】
次に、被測定面と裏面との間の厚さがｔ２ ＋ｔ３ ＋ｔ０ である解析モデルの厚さｔ２ の部分を一律に温度Ｔ２に調整することで、解析モデルのゲージ対応箇所に、試験片５の２層目を除去した前後の歪変化Δε２ が現れる温度Ｔ２を、ＦＥＭ解析を繰り返すことにより特定する（手順２）。具体的には、ｔ２ ＋ｔ３ ＋ｔ０ である解析モデルにより計算されるゲージ対応箇所の歪と、前記手順１で特定した、解析モデル（被測定面側と裏面との間の厚さがｔ３ ＋ｔ０ である解析モデル）の同箇所の歪との差が、Δε２ と一致するようにする。このとき、いずれのモデルでもｔ３ の部分の温度は手順１で特定した温度Ｔ３、ｔ２ の部分の温度は手順２で特定した温度Ｔ２とする。これにより、試験片５の被測定面５ａの２層目を研磨した前後の、裏面５ｂに貼付した歪ゲージ７の出力変化を解析モデルにより再現する。
【００３５】
続いて、被測定面と裏面と厚さｔ１ の部分を一律に温度Ｔ１に調整することで、解析モデルのゲージ対応箇所に、試験片５の１層目を除去した前後の歪変化Δε１ が現れる温度Ｔ１を、ＦＥＭ解析を繰り返すことにより特定する（手順３）。具体的には、ｔ１ ＋ｔ２ ＋ｔ３ ＋ｔ０ である解析モデルにより計算されるゲージ対応箇所の歪と、前記手順２で特定した、解析モデル（被測定面側と裏面との間の厚さがｔ２ ＋ｔ３ ＋ｔ０ である解析モデル）の同箇所の歪との差が、Δε１ と一致するようにする。これにより、試験片５の被測定面５ａの３層目を研磨した前後の、裏面５ｂに貼付した歪ゲージ７の出力変化を解析モデルにより再現する。
【００３６】
以上により、各層毎の温度設定が完了した後、解析モデルの被測定面側の厚さｔ１ ，ｔ２ ，ｔ３ の各部分について、前記手順１〜３で特定した各温度Ｔ３，Ｔ２，Ｔ１をそれぞれ与えた全体ＦＥＭモデルにより、解析を実施する（手順４）。この解析のアウトプットとして得られる応力分布（図４がその一例である）が、試験片５の被測定面５ａ側に生じている残留応力分布である。
【００３７】
前記手順４の解析で得られるのは試験片状態の応力状態であるが、さらに実機状態（タービン翼１のダブテール３）の応力分布を知るためには、試験片モデルを実機製品モデルに組み込んで解析モデルを再構築して（タービン翼１のダブテール３に対応する解析モデルを構築し）解析し、応力分布を求めればよい。
【００３８】
温度に代えて線膨張係数をパラメータとして用いる場合は、前記手順１〜３において温度Ｔ３，Ｔ２，Ｔ１をそれぞれ求める代わりに、手順１〜３でそれぞれ説明した条件を満たす３つの線膨張係数を求めればよい。そして、前記手順４において、前記手順１〜３で求めた３つの線膨張係数を与えた全体ＦＥＭモデルにより、解析を実施すればよい。パラメータを線膨張係数とする場合は、試験片５や解析モデルの材料異方性を考慮することで、解析モデルの伸び量を方向により変えることができる。そのため、試験片５の裏面の２軸方向の歪変化を２軸歪ゲージにより取得すれば、深さ方向だけでなく面内のゲージ２軸方向の残留応力分布を推定することができる。
【００３９】
以上に説明したＦＥＭ解析により、試験片５の被測定面５ａを層状に研磨したときの歪ゲージ７の出力から、試験片５を切り出したダブテール３の表面３ａ側に与えられた残留応力を推定することができる。
【００４０】
以上に説明したように、本実施形態の残留応力測定方法は、残留応力が与えられたダブテール３の表面３ａから切り出した試験片５の被測定面５ａ側を研磨することで、その深さ方向（試験片５の被測定面５ａから裏面５ｂに向かう方向）における残留応力の分布を求める測定方法である。したがって、Ｘ線法や応力開放法では残留応力を測定できない、結晶粒の粗い材料で製造された物品の表面層の残留応力であっても、精度よく測定することができ、かつ、深さ方向の残留応力分布も知ることができる。また、歪計測の精度にもよるが、研磨量を細かくすることで、求める残留応力の分布の推定精度を任意に上げることができる。
【００４１】
なお、本実施形態では、試験片５の残留応力のモデリングにＦＥＭ解析によるモデルを用いる場合について説明したが、解析はＦＥＭ以外の他の方法によって行ってもよい。
【００４２】
即ち、本発明は、表面に応力が与えられた被測定物の表面側から切り出した試験片を、被測定物の表面に相当する被測定面側から段階的に層状に研磨しつつ、被測定面と対向する試験片の裏面において測定した歪と、研磨した層の試験片における位置や研磨厚さとの関係から、被測定物の表面に与えられた残留応力を解析することを、要旨とするものである。
【００４３】
そして、本実施形態では、結晶粒の粗い多結晶材や、一方向凝固材、単結晶材のような鋳造材料で製造されたタービン翼１のダブテール３の表面３ａにおいて、機械加工やショットピーニング等により与えられた残留応力を測定する場合を例に取って説明した。しかし、本発明は、材料や結晶構造を問わず、被測定物の表面に与えられた残留応力を測定する場合に広く適用可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１ タービン翼
３ ダブテール
３ａ 表面
５ 試験片
５ａ 被測定面
５ｂ 裏面
７ 歪ゲージ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の表面に与えられた残留応力を測定する方法であって、
前記被測定物の残留応力が与えられた部分を含めて該被測定物の表面側から切り出した試験片を、前記被測定物の表面に相当する被測定面側から段階的に層状に研磨しつつ、該被測定面と対向する前記試験片の裏面において歪を測定する測定ステップと、
前記試験片の層状の研磨と前記裏面において測定した歪との関係から、前記被測定物の表面に与えられた残留応力を解析する解析ステップと、
を含むことを特徴とする残留応力測定方法。
【請求項２】
前記解析ステップは、
前記試験片の解析モデルにおける前記被測定面側の温度又は線膨張係数を調整することで、該被測定面側から前記解析モデルを段階的に層状に除去する前後の歪出力の変化を、前記試験片の被測定面を層状に研磨した時の前記測定ステップで測定した前記試験片の前記裏面における歪出力の変化の値に合わせ込み、前記解析モデルの前記被測定面側から段階的に除去する各層の温度又は線膨張係数を特定する特定ステップと、
前記特定ステップにより特定した前記温度又は線膨張係数を対応する各層に与えた全体解析モデルにより、前記試験片の深さ方向の残留応力分布を推定する推定ステップと、
を含むことを特徴とする請求項１記載の残留応力測定方法。
【請求項１】
被測定物の表面に与えられた残留応力を測定する方法であって、
前記被測定物の残留応力が与えられた部分を含めて該被測定物の表面側から切り出した試験片を、前記被測定物の表面に相当する被測定面側から段階的に層状に研磨しつつ、該被測定面と対向する前記試験片の裏面において歪を測定する測定ステップと、
前記試験片の層状の研磨と前記裏面において測定した歪との関係から、前記被測定物の表面に与えられた残留応力を解析する解析ステップと、
を含むことを特徴とする残留応力測定方法。
【請求項２】
前記解析ステップは、
前記試験片の解析モデルにおける前記被測定面側の温度又は線膨張係数を調整することで、該被測定面側から前記解析モデルを段階的に層状に除去する前後の歪出力の変化を、前記試験片の被測定面を層状に研磨した時の前記測定ステップで測定した前記試験片の前記裏面における歪出力の変化の値に合わせ込み、前記解析モデルの前記被測定面側から段階的に除去する各層の温度又は線膨張係数を特定する特定ステップと、
前記特定ステップにより特定した前記温度又は線膨張係数を対応する各層に与えた全体解析モデルにより、前記試験片の深さ方向の残留応力分布を推定する推定ステップと、
を含むことを特徴とする請求項１記載の残留応力測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２５２８１１（Ｐ２０１１−２５２８１１Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２７３１５（Ｐ２０１０−１２７３１５）
【出願日】平成２２年６月２日（２０１０．６．２）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２日（２０１０．６．２）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
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