穴あけ方法

穴あけ法は、材料中の残留応力を測定する方法です。 ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}残留応力は、外部荷重がない状態で材料中に発生します。残留応力は、材料に加わる荷重と相互作用し、材料の全体的な強度、疲労、および腐食性能に影響を与えます。残留応力は実験によって測定されます。穴あけ法は、残留応力測定に最もよく使用される方法の1つです。^{[ 3 ]}

穴あけ法は、材料表面付近の巨視的な残留応力を測定できる手法です。この原理は、材料に小さな穴を開けることに基づいています。残留応力を含む材料が除去されると、残りの材料は新たな平衡状態に達します。この新たな平衡状態には、穴の周囲に変形が生じます。この変形は、穴あけによって除去された材料の体積内の残留応力と関連しています。実験では、ひずみゲージまたは光学的手法を用いて、穴の周囲の変形を測定します。測定された変形から、材料の元の残留応力を算出します。穴あけ法は、その簡便さから広く用いられており、幅広い用途や材料に適しています。

穴あけ法の主な利点としては、迅速な試料準備、様々な材料への適用性の高さ、そして信頼性の高さが挙げられる。一方、穴あけ法は分析深度や試料形状に制限があり、少なくとも半破壊的な方法である。

歴史と発展

穴を開けて穴径の変化を記録することで残留応力を測定するというアイデアは、1934年にMatharによって初めて提案されました。1966年にRendlerとVignisは、残留応力を測定するための体系的で再現性のある穴あけ手順を導入しました。その後、この方法は、穴あけ技術、解放された変形の測定、および残留応力評価自体に関してさらに発展しました。非常に重要なマイルストーンは、有限要素法を使用して校正係数を計算し、測定された解放された変形から残留応力を評価することです（Schajer、1981）。これにより、特に深さ方向に一定でない残留応力の評価が可能になりました。また、この方法は、例えば不均質な材料やコーティングなどにも適用できる可能性を広げました。測定および評価手順は、米国材料試験協会の規格ASTM E837 ^{[ 4 ]}によって標準化されており、この方法の普及にも貢献しました。穴あけは現在、残留応力を測定する最も広く普及している方法の1つです。評価には最新の計算手法が用いられています。この手法は、特に掘削技術と変形測定の可能性という観点から開発が進められています。MELIAD社などの一部の研究所は、ASTM E837規格に準拠した残留応力測定サービスと測定機器の販売を提供しています。現在、この手法はエネルギーおよび航空宇宙分野の多くの大手企業に導入されています。

基本原則

残留応力を測定する穴あけ法は、材料表面に小さな穴を開けることに基づいています。これにより、穴周辺の残留応力とそれに伴う変形が緩和されます。緩和された変形は、穴の周囲の少なくとも3つの独立した方向で測定されます。その後、測定された変形と、いわゆる校正係数を用いて、材料の元の残留応力が評価されます。穴は、円筒エンドミルまたは他の技術によって開けられます。変形は、多くの場合、ひずみゲージ（ひずみゲージロゼット）を使用して測定されます。

表面平面における二軸応力を測定することができる。この方法は、材料への損傷が少ないため、しばしば半破壊的方法と呼ばれる。方法は比較的単純で迅速であり、測定装置は通常持ち運び可能である。欠点としては、この手法が破壊的であること、分解能が限られていること、応力が不均一であったり材料特性が不均一であったりする場合の評価精度が低いことなどが挙げられる。

いわゆる校正係数は、残留応力評価において重要な役割を果たします。これらは、解放された変形を材料の元の残留応力に変換するために使用されます。これらの係数は、貫通穴と均質な応力に対して理論的に導出できます。その場合、係数は材料特性、穴の半径、および穴からの距離のみに依存します。しかし、実際の用途の大部分では、理論的に導出された係数を使用するための前提条件が満たされません。たとえば、張力計領域全体の積分変形が含まれない、穴が貫通穴ではなく盲穴である、などです。そのため、測定の実際的な側面を考慮した係数が使用されます。これらは主に有限要素法を用いた数値計算によって決定されます。これらの係数は、穴のサイズ、穴の深さ、張力計ロゼットの形状、材料、およびその他のパラメータを考慮して、解放された変形と残留応力の関係を表します。

残留応力の評価は、測定された解放変形から残留応力を算出する方法によって異なります。すべての評価方法は基本的な原理に基づいています。違いは、使用条件、校正係数の精度要件、または追加的な影響を考慮できるかどうかです。一般的に、穴あけは段階的に行われ、各段階の後に解放変形が測定されます。

残留応力の評価方法

解放された変形による残留応力の評価には、いくつかの方法が開発されています。基本的な方法は、等価均一応力法です。特定の穴径、ロゼットタイプ、および穴の深さに対する係数は、規格ASTM E837に掲載されています。^{[ 4 ]}この方法は、深さ方向の応力が一定またはわずかに変化する場合に適しています。一定でない応力のガイドラインとして使用できますが、この方法では大きく歪んだ結果が生じる可能性があります。

最も一般的な方法は積分法です。これは、与えられた深さにおける緩和応力の影響を計算しますが、これは穴の全深さによって変化します。校正係数は行列で表されます。評価により、特定の深さにおける残留応力のベクトルとなる方程式系が得られます。校正係数を得るには数値シミュレーションが必要です。積分法とその係数は、ASTM E837 規格で定義されています。^{[ 4 ]}

校正係数や評価プロセス自体に対する要求が低い評価方法もいくつかあります。これには、平均応力法と増分ひずみ法が含まれます。これらの方法はどちらも、変形の変化はドリル加工された増分にかかる応力緩和のみによって引き起こされるという仮定に基づいています。これらの方法は、応力プロファイルの変化が小さい場合にのみ適しています。どちらの方法も、均一応力に対しては数値的に正しい結果を与えます。

べき級数法とスプライン法は、積分法の改良版です。どちらも、応力影響が表面からどれだけ離れているかと、穴の深さ全体の両方を考慮に入れています。積分法とは異なり、得られる応力値は多項式またはスプラインで近似されます。べき級数法は非常に安定していますが、急速に変化する応力値を捉えることはできません。スプライン法は、積分法よりも安定しており、誤差の影響を受けにくいです。また、べき級数法よりも実際の応力値をより正確に捉えることができます。主な欠点は、非線形方程式系を解くために必要な複雑な数学的計算です。