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論文

中性子回折法による高張力鋼突合せ溶接材の残留応力評価

鈴木 裕士; Holden, T. M.*; 盛合 敦; 皆川 宣明*; 森井 幸生

材料, 54(7), p.685 - 691, 2005/07

本研究では、高張力鋼の一つであるNi-Cr鋼を用いて製作したX開先突合せ溶接試験片の残留応力分布を中性子回折法により測定し、残留応力発生メカニズムを検討した。始めに、無ひずみ状態における格子定数を測定するために、溶接試験片から幾つかの小片試料を切り出した。小片試料を用いて格子定数を測定した結果、溶接過程において生じたマルテンサイト変態などの相変態が影響して、溶接部近傍で格子定数の増加が認められた。次に、$$alpha$$Fe110, $$alpha$$Fe200, $$alpha$$Fe211の三種類の回折により溶接試験片の残留応力分布を測定した。塑性ひずみの影響が無いために、それぞれの回折により評価した残留応力分布はほとんど同様な傾向を示していた。また、溶接部近傍における残留応力はNi-Cr鋼の降伏強さの半分程度の引張残留応力であった。高張力鋼では軟鋼と比べて相変態による膨張量が大きいこと、また、引張残留応力がかなり低い温度となってから発生し始めるために、残留応力が降伏応力に至らなかったと考えられる。したがって、高張力鋼の中性子応力評価では、塑性ひずみの発生を考慮する必要の無いことを確認した。

論文

格子定数の不要な中性子応力測定法の実用材料への応用

鈴木 裕士; 盛合 敦; 皆川 宣明*; 森井 幸生

材料, 54(3), p.339 - 345, 2005/03

中性子応力測定の従来法では、格子ひずみを計算するために、無ひずみ状態の格子定数を正確に把握する必要がある。著者らは、粉末や焼なまし試料などの標準試料を用いて測定した格子定数を用いることなく、三軸残留応力を評価できる中性子応力測定法を開発した。本研究では、この提案した方法を用いて溶接材の残留応力分布を測定した。まず始めに、溶接材料から切り出した小片試料を用いて、溶接材料の格子定数分布を測定した。その結果、HAZ部(熱影響部)に生じたマルテンサイト変態のために、溶接部近傍において格子定数が大きくなる傾向が確認された。提案した方法により評価した格子定数分布もまた、溶接部近傍において大きくなる傾向を示し、また、格子定数の絶対値は、小片試料のそれとほとんど同じであった。したがって、格子定数の分布が存在するような材料であっても、提案した方法を用いることで、格子定数を推定できると考えられる。従来法及び提案した方法により残留応力分布を評価した。その結果、提案した方法により決定した残留応力分布は、従来法により求めた残留応力分布とほとんど同じであった。したがって、提案した方法は、複雑な残留応力状態を有する材料においても、残留応力分布を正確に決定できると考えられる。

論文

Development of new stress measurement method using neutron diffraction

鈴木 裕士; 皆川 宣明*; 盛合 敦; 旗谷 充彦*; 森井 幸生

Materials Science Forum, 490-491, p.245 - 250, 2005/00

中性子回折を用いた応力測定法は、直交する三方向の格子ひずみを測定することにより応力状態を決定する。従来法では、全ての三方向において同型面の格子ひずみを測定する必要がある。しかしながら、集合組織を有する材料においては、全ての方向において同型面の格子ひずみを測定することが困難であったり、試料の大きさや形状により、三方向全ての格子ひずみを測定することができない可能性がある。さらに、従来の残留応力の測定では、無ひずみ状態の格子面間隔d$$_{0}$$が必要不可欠なため、応力測定精度は、粉末試料や焼なまし試料を用いて測定した無ひずみ状態の格子面間隔d$$_{0}$$の正確さに依存した。そこで、本研究では、これらの問題点を解決することを目的とし、三方向全てにおいて同型面でなくても、二方向あるいは三方向における格子ひずみを測定することにより残留応力状態を決定できる高汎用性の応力測定法を提案し、また、無ひずみ状態の格子面間隔がわからなくとも内部残留応力を決定できる応力測定法についても提案した。

論文

Study of residual stress for c/c composite by neutron scattering

馬場 信一; 石原 正博; 皆川 宣明; 鈴木 淳市

Proceedings of International Conference on Advanced Technology in Experimental Mechanics 2003 (ATEM '03) (CD-ROM), 4 Pages, 2003/09

本論文の目的は、円筒型の炭素繊維強化炭素複合材料の製造過程で発生した層間剥離(クラック)の原因である残留応力分布を明らかにすることである。残留応力の測定は日本原子力研究所の第3号原子炉に付設した中性子散乱実験施設の残留応力測定装置(RESA)を用いて行った。残留応力測定の結果、円筒型炭素複合材料の内部には圧縮応力が分布しており、その巨視的な残留歪み/応力はおもに材料内部に分布している気孔の変形として吸収されることがわかった。

論文

Liquid-He-free 10-T superconducting magnet for neutron scattering

片野 進; 皆川 宣明; 目時 直人; 長壁 豊隆; 鈴木 淳市; 小池 良浩; 石井 慶信

Applied Physics A, 74(Suppl.1), p.S270 - S272, 2002/12

 被引用回数:14 パーセンタイル:49.58(Materials Science, Multidisciplinary)

液体ヘリウムを使用せず2台の冷凍機で直接冷却する新しいタイプの超伝導マグネットを中性子散乱実験用に開発した。マグネットは中性子ビームを通過させるために上下に分かれたスプリットペア型で、これら上下のマグネットはAl合金製の3つのリングと42.5度のAl合金の板で支えられている。合計厚み52mmのリングによって、中性子の透過度は、20MeVの中性子に対して約60%となる。室温ボアは直径51mmで、この中に4K冷凍機又はヘリウムフリーの希釈冷凍機が入れられる。このマグネットを用いた強相関電子系の磁性に対する強磁場効果の研究結果を報告する。

論文

中性子回折法による試料端部の測定

皆川 宣明; 盛合 敦; 森井 幸生

日本材料学会第38回X線材料強度に関するシンポジウム講演論文集, p.202 - 205, 2002/09

中性子回折法による内部残留応力測定による表面近傍(試料端部)では、測定結果が極端な延び応力又は縮み応力となる。この原因を解明するための測定を行い、測定方法により散乱角の変化があることがわかった。すなわち、反射法による測定,透過法による測定,スリット寸法,試料走査方向により変化する。これらの条件を基に原因解明を行った結果、入射ビーム広がり角に依存することがわかった。ショットピーニングによる数十マイクロメータから百マイクロメータ深さの応力分布測定に中性子回折法を有効的に利用するためこの解明は大いに役立つことを紹介している。

論文

Neutron diffraction experience at RESA for engineering-aided application

土屋 佳則; 菊地 賢司; 皆川 宣明; 森井 幸生; 加藤 崇; 中嶋 秀夫; 辻 博史

Journal of the Physical Society of Japan, Vol.70, Supplement A, p.520 - 522, 2001/05

加工により材料に加えられるひずみ、応力の見積もりは製品設計に重要であり、それに対する中性子回折測定が工業的に期待されている。本研究では中性子回折法の工業的応用として、加工履歴を持つ超伝導コイルコンジット材の中性子回折残留応力測定結果をもとに、内部残留ひずみ、応力の中から特定の加工により発生した成分を抽出し評価した。また、有限要素法との比較により、中性子回折法が単に内部残留応力状態の観測だけではなく、加工が材料に及ぼす影響評価のために有効であることが示された。

論文

Distribution of internal stress by a shink-fit for the aluminum ring and plug

皆川 宣明; 森井 幸生; 盛合 敦; 大友 昭敏; 菊地 賢司

Journal of the Physical Society of Japan, Vol.70, Supplement A, p.517 - 519, 2001/05

アルミニウム合金A6063材を用いて、プラグとリングを設計製作し冷し填めによる境界部に発生する熱応力の内部分散を中性子回折法により測定し、設計値と実測値の比較を行い製作法の評価を行った。その結果設計応力値に等しい応力分布が測定され、標準試料として使用できると判断した。設計により予測された周方向の発生応力は、$$sigma_{H}$$=280MPaであり、測定値は約150MPaであった。しかし、無ひずみ格子面間隔測定の誤差、及び工作寸法精度の誤差によるものであり、周方向,半径方向の内部応力分布は理論的形状となっている。

論文

Measurement of internal stress distributions in a high-pressure cell cylinder

盛合 敦; 小野寺 昭史*; 網田 富士嗣*; 大友 昭敏; 皆川 宣明

Journal of the Physical Society of Japan, Vol.70, Supplement A, p.531 - 533, 2001/05

極限条件下中性子散乱実験で使用される試料加圧装置(高圧セル)の加圧状態におけるシリンダー内部の応力分布を、中性子回折法によって非破壊的に調べた。高圧セルをはじめとする中性子散乱実験で用いられる試料環境を制御する補助機器の設計製作においては、その構造材料としてまず中性子をよく透過する材料を選択しなければならない。高圧セルでは、この条件に加えて、ギガパスカルオーダーの高圧力に耐える材料を選ぶ必要がある。一般的にこのような条件を満たす材料はほとんどないため、材料の選択のみによって高性能の装置を製作をすることは極めて難しく、応力解析がいっそう重要になる。応力解析は有限要素法などの数値シミュレーションが一般的であるが、本研究では近年材料内部の応力状態を非破壊で観察できる方法として注目されている上記の方法によって実測することを試みた。

論文

Residual stress measurement by the neutron diffractometer in Japan

皆川 宣明; 森井 幸生; 盛合 敦; 菊地 賢司

Material Evaluation by X-Ray and Neutron Diffraction, p.H_19_1 - H_19_5, 2001/05

日本における材料内部応力測定用中性子回折装置が設置されたのが1992年であり日本での研究がスタートした。現在まで行われていた研究を紹介するとともに、技術開発についても紹介している。最近の研究として、冷し填めアルミ材プラグとリングについて加工残留応力,組立後の熱膨張による境界部分の発生応力を精密に測定し、予測発生応力が周方向で280MPaに対し組立後の測定応力が420MPaであり、事前に測定したリング内径部の周方向残留応力が、150MPaであった。この結果から冷し填めのような製作過程では、部品加工時の残留応力は、最終製品において加算されることが確認された。実際の製品製作工程で各部品の加工残留応力を無視することは、最終製品の残留応力を予測ないし寿命計算を行ううえで無視できないことを意味する。

論文

Measurement of residual stress in structural components by neutron diffraction

林 眞琴*; 大城戸 忍*; 森井 幸生; 皆川 宣明

Materials Science Research International, Special Technical Publication, 1, p.418 - 423, 2001/05

中性子の進入深さは、X線に比べ大きい。ステンレス鋼の配管等では10mm厚の管壁は十分に測定可能である。そのため、中性子回折法により応力腐食割れ、疲労き裂進展の応力による変化を求め寿命予測を行うことができる。日本では、このような目的研究を含んで、日本原子力研究所のJRR-3M原子炉中に残留応力解析用中性子回折装置が設置され研究が進展している。ここでは、今まで行われてきた研究として、弾性定数の指数依存性に伴う弾性定数の求め方、き裂進展に伴う応力再分配の測定,集合組織を持つ材料で作られたアルミニウム冷やし填め試料の残留応力評価方法について発表する。

論文

Thermal residual stresses in ceramic composites measured by neutron diffraction

秋庭 義明*; 田中 啓介*; 皆川 宣明; 森井 幸生

Materials Science Research International, Special Technical Publication, 1, p.427 - 430, 2001/05

アルミナを基材として、酸化ジルコニウムを分級物として製作したAl$$_{2}$$O$$_{3}$$/ZrO$$_{2}$$及び炭化シリコンを分級物としたAl$$_{2}$$O$$_{3}$$/SiCは、セラミックス複合材として知られている。これらは製作過程で熱応力が残留する。各材料関の応力を中性子回折により測定した。各相関応力は、Zr(202),Al$$_{2}$$O$$_{3}$$(113),Al$$_{2}$$O$$_{3}$$(116),SiC(220),及びSiC(311)の中性子回折測定結果から確定した。その結果、Al$$_{2}$$O$$_{3}$$/ZrO$$_{2}$$の複合材での残留応力は、アルミナ相で圧縮、酸化ジルコニウム相で引張であることがわかった。一方、Al$$_{2}$$O$$_{3}$$/SiCでは、アルミナ相での残留応力は引張りでありSiC分級物の容積により増大することがわかった。これは、Eshelbyの含有モデル理論による予測と一致した。

論文

Evaluation of residual stress redistribution behavior with crack extension

大城戸 忍*; 林 眞琴*; 森井 幸生; 皆川 宣明

Materials Science Research International, Special Technical Publication, 1, p.435 - 438, 2001/05

き裂進展が発生することにより、その材料内部の応力が再分布することは知られている。中性子回折法によりステンレス鋼304パイプ(内径$$phi$$=97.1mm,厚さt=8.9nm)で作られた突合せ溶接継手配管を用い、放電加工により導入したき裂により再応力分布の状態を測定し評価した。導入したき裂は、配管内部にき裂深さaと試料厚さtの比率a/tが0.25及び0.5でアスペクト比a/cが0.1と0.5(cはき裂1/2長さ)である。き裂導入前の応力分布と、導入後の応力分布を比較するとともに、有限要素法による予測分布を比較し評価を行った。その結果き裂の最も深い点でのき裂に沿った残留応力分布がき裂先端部分で変化したにもかかわらずき裂途中部分では大きな変化がないことがわかった。

論文

残留応力の中性子回折による測定と有限要素法による計算

井上 和子*; 中村 宏*; 堀川 武*; 河嶋 壽一*; 辻上 哲也*; 皆川 宣明

日本材料学会第50期学術講演会講演論文集, p.415 - 416, 2001/05

(1)疲労させた切欠炭素鋼棒材,(2)継目なし油井管,(3)三層傾斜機能材料[WC-10%Ni]-[Ni]-[WC-10%Ni]の内部ひずみを測定した。(1)については、196MPaで2.5$$times$$10$$^{5}$$回の繰返し応力を負荷し、さらに、172MPaで10$$^{7}$$回繰り返し応力を負荷した材料の切欠き部8nm$$phi$$の全断面積応力分布である。(2),(3)については、あらかじめ有限要素法(FEM)による配管肉厚部予測を行い、傾斜機能材についても、各種材料の応力分布を予測した。その結果、油井管での軸方向残留応力が配管内側で-400MPa外周で500MPaでありFEM結果と程々一致した。傾斜機能材料の複合材[WC-10%Ni]のFEMは測定値と良く一致した。中性子回折法による内部応力測定は、FEMの検証のため有効的方法である。

論文

大強度陽子加速器用中性子冷減速材容器の残留応力測定

盛合 敦; 粉川 広行; 山本 和喜; 神永 雅紀; 皆川 宣明; 堀口 洋二

日本材料学会第37回X線材料強度に関するシンポジウム講演論文集, p.35 - 37, 2001/00

原研と高エネルギー加速器研究機構が共同で推し進めている大強度陽子加速器建設計画(統合計画)の、中性子散乱実験施設に設置される中性子減速材容器の残留応力について測定した。本容器は、アルミニウム合金から機械加工によって部品ごとに削出し成形し、溶接によって接合されている。溶接付近の母材は、製造段階のこのような加工や溶接入熱によって導入される残留応力により、材質の機械的変化が著しく劣化することがある。そこで、容器の健全性の確認の一つとして、最近、材料の内部の応力状態を非破壊的で観測ができる方法として注目されている中性子回折法を用いて残留応力測定を行い、その定量的な把握を試みた。その結果、溶接線に比較的近い溶接熱影響を受けやすい位置では、容器材料の室温での引張強さ360MPaより低い、最高で250MPa程度の引張残留応力の状態であることが確認できた。また、この位置から20mmまで離れたところでは、逆に、-100MPa程度の圧縮応力状態であることが確認できた。

論文

無ひずみ格子面間隔測定装置の製作と、一般構造材の測定

皆川 宣明; 盛合 敦; 森井 幸生; 斎藤 徹*

日本材料学会第37回X線材料強度に関するシンポジウム講演論文集, p.220 - 222, 2001/00

中性子回折法によるひずみ測定では$$varepsilon$$=$$Delta$$d/d=(d-d$$_{o}$$)/d$$_{o}$$によりひずみが求められる。無ひずみ状態における格子面間隔d$$_{o}$$は材料を熱処理や粉末化して測定を行うが、手間と時間を必要とする。われわれは、一般構造材が、アルミ,鉄をベースとした正方晶系に着目し、ランダムな回転をさせながら中性子回折測定を行うことにより、d$$_{o}$$(hkl)を行う連続$$chiphi$$軸回転ゴニオメーターを製作し測定を試みた。その結果、A7075材を粉末化したものを中性子回折法及びX線回折法で測定し得られた格子定数a$$_{o}$$と開発ゴニオメーターにより測定した結果が10$$^{-5}$$nmで一致し、実用になることを立証できたので報告する。

論文

中性子回折法による無ひずみ状態の格子面間隔測定に関する測定技術の開発

皆川 宣明; 斎藤 徹; 森井 幸生; 佐々木 敏彦*; 広瀬 幸雄*

日本材料学会第36回X線材料強度に関するシンポジウム講演論文集, p.253 - 258, 2000/09

中性子回折法による残留応力測定では格子面間隔の変化($$Delta$$d=d-d$$_{0}$$)を回折角の変化$$Deltatheta$$から三軸方向のひずみを測定することによって残留応力値を求める。したがって、材料の無ひずみ状態時の格子面間隔d$$_{0}$$を知ることが重要である。これまではd$$_{0}$$の測定に関して粉末材を用いてd$$_{0}$$を測定していた。しかし、アルミ合金等を粉末状態にするには時間と労力がかなり必要となる。そこで、本研究ではd-d$$_{0}$$を測定するためにランダム回転に近い形態で試料を回転させて得られるd$$_{AVe}$$をd$$_{0}$$として用いる簡便な方法を開発した。この方法によつて得られる格子面間隔と粉末法によって得られる値とを比較し、ほぼ同じような結果を得ることができたので報告する。

論文

IN718ショットピーニングの中性子回折法による残留応力測定

皆川 宣明; 盛合 敦; 斎藤 徹; 田中 啓介*; 秋庭 義明*; 林 眞琴*; 大城戸 忍*

日本材料学会第36回X線材料強度に関するシンポジウム講演論文集, p.263 - 265, 2000/09

中性子回折法により、VAMAS TWA-20で作成したインコロイIN718材両表面にショットピーニング加工を施したRound Robin試料の測定を行い、50~100$$mu$$mの表面深さに残留する応力を測定した。VAMASは国際標準化のためのプロジェクトであり、測定方法、手順等を決めるための一環として各国研究機関で同一試料を持廻りで測定を行っている。その測定手法等を含み、本文中で紹介している。

論文

中性子イメージングプレートを用いた中性子応力測定,3

佐々木 敏彦*; 皆川 宣明; 森井 幸生; 新村 信雄; 広瀬 幸雄*

日本材料学会第36回X線材料強度に関するシンポジウム講演論文集, p.259 - 262, 2000/09

中性子イメージングプレート(IP)は、新しい中性子用二次元検出器である。本研究は工業的利用に対し重要な応力測定技術開発の一環であり応力解析に必要な中性子回折環画像の解析に関する検討を行い、解析ソフトウェアの開発を行った。中性子イメージングプレート用中性子応力測定装置を開発作成し、日本原子力研究所JRR-3Mに設置された残留応力解析用中性子回折装置(RESA)を用いて実験を行い、厚さ2mmの鋼材に対し単軸引張応力を加え得られた画像の解析を今回開発したソフトウェアにより処理し良好な結果を得た。

論文

中性子回折法によるFe-Cr/TiN系焼結複合材料内部の残留応力測定

鷹合 滋樹*; 佐々木 敏彦*; 皆川 宣明; 森井 幸生; 広瀬 幸雄*

日本材料学会第36回X線材料強度に関するシンポジウム講演論文集, p.266 - 271, 2000/09

Fe-Cr/TiNは、分散強化形材料として、優れた耐摩耗性材料として知られている。複合材料の残留応力は構成材料相互間に微視的応力が働き複雑な応力状態となる。介在物を有する材料の応力解析方法には、“Eshalby"の等価介在物法や、“森,田中"の理論による方法により行われる。これらの解析法はX線回折法により実験検証されているが、X線の侵入深さは数10$$mu$$mと極表面近傍であり、自由表面による応力緩和の影響は無視できない。中性子回折法による測定は中性子の侵入深さがFe,Crにおいては波長にもよるがX線に比べ数百から数千倍と深い。内部応力状態及び分散体の平均応力測定が可能である。今回Fe-Cr/TiNを用いTiNの残留応力、変形挙動の解析を中性子回折法が優位な手法である結果を得た。

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