概要
残留応力とは、読んで字のごとく、外力を負荷しない状況においても、物体内部に存在し続ける応力のことを言う。この残留応力は、例えば、工業製品の製造工程における、機械加工、塑性加工、接合、組み立てなどに起因して発生し、機械部品の寸法精度や、その疲労強度などに影響することが知られている。時に、疲労破壊を原因とした事故が報道されることがあるが、こういった疲労破壊の多くは、その破壊起点周辺の引張残留応力に起因するものが多い [1]。このように、人命にも関わる重大事故にも繋がりかねない残留応力は、「ものづくり」の分野において重要な力学パラメータの一つであり、残留応力を知ること、そしてそれを制御することは、信頼性の高い製品開発に重要である。しかし、残留応力は直接目に見ることはできないために、どこにどれだけの大きさの残留応力が発生しているかを把握することは難しい。そのため、何らかの方法により、その残留応力を定量化し可視化することが必要になる。 残留応力測定に対するニーズには、ものを壊すことなく非破壊で測定できること、実機そのもの、あるいは実機にできるだけ近い状態で測定できること、数 mm以下の高い空間分解能で応力分布の測定ができること、深さ方向に残留応力分布が測定できること、実機の使用環境を模した様々な環境で測定できることなどが挙げられる。残留応力測定技術には、ひずみゲージなどを利用した穴あけ法やそり変形法といった破壊的計測法の他に、 X線や中性子線などの回折現象を利用した物理的な非破壊計測法があるが、上述した残留応力測定ニーズを満足するのは、後者の X線や中性子回折法の他にはない。特に、中性子線は電荷を持たないため、電子との相互作用により散乱する X線に比べると、材料への侵入深さはけた違いに大きく、例えば、鉄鋼材料などの金属材料に対し、材料表面から数十 mm深さの領域の残留応力を非破壊で測定することができる [2,3]。 現在、日本国内で中性子回折法による残留応力測定が可能な施設は、国立研究開発法人日本原子力研究開発機構の研究炉 JRR-3にある中性子応力測定装置 RESA-1[4,5]と、大強度陽子加速器施設 J-PARCの物質・生命科学実験施設 MLFにある工学材料回折装置 TAKUMI[6]の 2台である。本稿では、中性子回折法による残留応力測定について、主に JRR-3の RESA-1を利用した残留応力測定技術を中心に、角度分散型中性子回折法による残留応力測定原理について簡単に解説するとともに、これまでの応用例の紹介と将来展望について述べる。
