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※一部、英文及び仏文を自動翻訳した日本語訳を使用しています。
導入
残留応力は、外部荷重の存在とは無関係に材料および構造内に存在する「固定された」応力として定義されます。残留応力を生み出すメカニズムは多様で、不均一な塑性変形、表面改質、温度勾配などがあります。
残留応力を評価するために数多くの技術が開発されていますが、それぞれに独自の長所と短所があります。 X 線回折 (XRD) や中性子回折などの物理的方法は、格子パラメータの測定に基づく非破壊検査であるため、結晶材料に限定されます。さらに、微細構造やテスト環境の影響を受けやすくなります。
一方、穴あけ法やセクショニング法などの破壊法では、残留応力を機械的に定量化できるため、参照サンプルは必要ありません。ただし、これらの方法ではサンプルの破壊は避けられず、ひずみゲージの取り付けが必要です。次に、観察されたひずみの変化を応力に変換する必要があります。
残留応力を測定するこれらの方法の結果は異なる場合があります。これは、各方法で残留応力を感知する深さと面積が異なるためです。穴加工では、穴の材料の除去によって生じるひずみ緩和の量を測定します。この方法の空間分解能は、ほぼ穴のサイズ (通常は直径 2 mm) です。 XRDの場合、照射面積が小さいほど測定時間が長くなります。インデンテーション法では、材料から直接応答が得られ、ひずみゲージが不要なため、XRD よりも表面処理の精度が低くなります。 1 点の測定にかかる時間は 30 秒未満であり、現場での適用性が高くなります。この文書では、応力変化を測定するための半破壊的方法を使用しているため、内部または外部応力変化を示す稼働中のコンポーネントや製造された製品からサンプルを機械加工する必要がありません。
押し込み挙動に対する応力の影響を定量化するために、この文書では押し込み方向に沿った偏差応力の概念が提案されています。平均応力変化の計算方法は第 8 項に記載されています。記載された手順は、力-変位曲線で観察された変化が応力変化の結果である場合にのみ適用できます。提案された方法は、試験面に平行な方向の表面近傍の応力変化を測定します。
基準状態とターゲット状態の材料は、ターゲット材料に対する機械的特性の変化が比較的少なく、同一の化学組成を維持するように選択する必要があります。この試験方法は、附属書 A に示された条件に準拠する試験に限定されます。附属書 A は、局所的に硬化する試験点を整理することによって満足のいく結果を達成するための手順を示しています。最大の偏差を示すテスト ポイントは、局所的に大きく変化した領域からのものであると合理的に考えられます。平均値からの最大の偏差を示すテスト ポイントを除外し、基準が満たされるまで残りのテスト ポイントでこのプロセスを繰り返す必要があります。それにもかかわらず、化学組成、粒径、転位密度、集合組織など、測定に誤差が生じる可能性がある、ターゲット状態と基準状態の間の要因を慎重に制御することをお勧めします。
付属書 A の条件を満たさない場合は、付属書 B に従い、放電加工や集束イオンビームによる破壊的応力除去法を組み合わせて、材料特性を変化させずに基準状態（無応力状態）を得ることができます。ここからの応力変化は、 X 線回折法や穴あけ法などの他の方法で測定された基準状態の応力値を考慮することで、文書を目標状態の残留応力に換算できます。
この文書では、基準状態とターゲット状態の間の平均応力変化を測定する方法を提案します。不均一な塑性加工や熱処理によって生じる残留応力は、通常、応力評価が必要な領域では同符号の応力成分を示します。したがって、提案手法は多くの分野で高い需要があります。さらに、応力成分を解決したい場合は、草案の付録 C を利用できます。試験面に垂直な応力はゼロであるため、この方法で測定される平均応力変化は、応力テンソルの最初の不変量の半分の変化になります。言い換えれば、たとえ座標系がサーフェス上で回転したとしても、平均法線応力変化は常に一定です。
草案で提案された方法は、多くの異なる材料および条件に適用および検証されており、付録 D および E に示すように、広範な証拠により、それが合理的で有用であることが示されています。この項目の目的は、次の条件間の応力変化を測定することです。参照状態とターゲット状態。この草案で提案されているように、相対応力変化は定量的に決定でき、関与する応力変化が基準 (初期) 状態と比較して引張 (押し込み曲線が下) であるか、圧縮 (押し込み曲線が上) であるかを決定できます。したがって、初期応力の状態がわかっていれば、変化した応力状態の大きさと符号も決定することができます。
一部の材料は残留応力に対する押し込み力の感度を示し、その結果、圧縮応力状態よりも引張応力状態の方が力の差が大きくなりますが、一般的にその差は大きくありません。圧縮応力と引張応力でピーク荷重の感度が異なる材料であっても、荷重の差は応力変化の単調関数であるため、最大応力の領域を特定できます。さらに、多くの材料では、荷重差の感度は基本概念に大きく違反しません。
このドキュメントは、コンポーネント表面上の局所的なサイズ制御可能なくぼみを使用して、3D 残留応力状態全体の 2 次元表現を抽出する方法に関する有用なガイドラインを提供するために作成されました。バルク残留応力状態全体のより信頼性の高い評価を行うために、試験表面を 1 次元または 2 次元のくぼみアレイでくぼませることができます。提案された方法論によって検出された応力状態により、部品の表面近くの領域からの平面応力残留応力状態が正確に測定されます。
Introduction
Residual stress is defined as the “locked-in” stress that exists in materials and structures independent of the presence of any external loads. The mechanisms that create residual stress are diverse and include non-uniform plastic deformation, surface modification and thermal gradients.
Numerous techniques have been developed for evaluating residual stress, each with their own merits and drawbacks. Physical methods such as X-ray diffraction (XRD) and neutron diffraction are non-destructive tests based on measuring lattice parameters, and thus they are restricted to crystalline materials; in addition, they are sensitive to microstructure and to the test environment.
On the other hand, destructive methods such as hole drilling and sectioning method let us quantify the residual stress mechanically and require no reference sample. However, these methods cannot avoid destruction of the sample and require a strain gauge attachment. Then the observed change in strain must be converted to the stress.
The results of these methods for determining residual stress can differ because the residual stress sensing depth and area in each method are different. The hole-drilling measures the amount of strain relaxation caused by the removal of the hole material. The spatial resolution of the method is approximately the size of the hole (typically 2 mm diameter). In case of XRD, the smaller size of irradiated area requires a longer measurement time. The indentation method requires less precise surface preparation than XRD because it obtains a direct response from the material, and strain gauges are unnecessary. It takes less than 30 s to measure one point and has high in-field applicability. This document, using a semi-destructive method for measuring stress change, makes it unnecessary to machine samples from in-service components or manufactured products exhibiting internal or external stress changes.
To quantify the effect of stress on indentation behaviour, the deviatoric stress concept along the indenting direction is proposed in this document. The method for calculation of the average stress change is given in Clause 8. The described procedure can be applied only when the observed change in force-displacement curves is a result of stress change. The proposed method measures the near-surface stress change in the direction parallel to the test surface.
The material for the reference and target states should be selected so as to maintain identical chemical composition with relatively little change of mechanical properties to the target material. This test method is limited to examinations that conform to the conditions given in Annex A. Annex A provides a procedure to achieve satisfactory results by sorting out locally hardening test points. The test point showing the largest deviation is reasonably considered as being from a locally severely changed region. The test point showing the greatest deviation from the average value should be screened out and this process be repeated with remaining test points until the criterion is met. Nevertheless, it is recommended to carefully control the factors between the target and reference states, such as chemical composition, grain size, dislocation density and texture, which can cause errors in measurements.
If the condition given in Annex A is not satisfied, destructive stress relief methods by electrical discharge machining or focused ion beam can be combined to obtain the reference state (stress-free state) without changing material properties following Annex B. The stress change from this document can be converted to the residual stress of the target state by considering the stress value of the reference state measured by other methods, such as X-ray diffraction and hole-drilling method.
This document proposes a method to measure the average stress change between reference and target states. Residual stress caused by non-uniform plastic forming and heat treatment usually shows stress components of the same sign in the region requiring stress evaluation. Therefore, there is high demand for the proposed method in many fields. Additionally, if the user wants to resolve stress components, Annex C in the draft can be utilized. The average stress change measured by this method is change of half the first invariant of stress tensor because the stress normal to the test surface is zero. In other words, the average normal stress change is always constant, even if the coordinate system is rotated on the surface.
The method proposed in the draft has been applied and verified for many different materials and conditions, and extensive evidence shows that it is both reasonable and useful, as shown in Annex D and E. The purpose of this item is to measure the stress change between reference and target states. As proposed in this draft, the relative stress change can be quantitatively determined and whether the stress change involved is tensile (indentation curve down) or compressive (indentation curve up) compared to the reference (initial) state. Thus, if the state of initial stress is known, it is possible to determine the magnitude and sign of the altered stress state as well.
Some materials show the sensitivity of indentation force to residual stress, which results the force difference greater in a tensile stress state than a compressive stress state, although the difference is in general not large. Even for materials showing different sensitivity of peak load in compressive vs. tensile stress, the load difference is a monotone function of stress change, so that the region of maximum stress can be identified. Furthermore, for many materials, the load difference sensitivity does not significantly violate the fundamental concept.
This document has been prepared to provide useful guidelines on how to extract a two-dimensional representation of the entire 3D residual stress state by means of local size-controllable indentations over the component surface. The testing surface may be indented in one-dimensional or two-dimensional indentation arrays for a more reliable evaluation of the entire bulk residual stress state. The stress state detected by the proposed methodology provides accurate measurement of the plane stress residual stress state from the near-surface region in the component.