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論文

中性子の利用,1; 研究炉JRR-3における中性子応力測定

鈴木 裕士

保全学, 19(1), p.24 - 28, 2020/04

残留応力は、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。しかしながら、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。中性子回折法は、中性子線の電荷を持たない特徴を生かして、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。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。

論文

コンター法を用いた実構造物の残留応力計測

生島 一樹*; 柴原 正和*; 河尻 義貴*; 沖見 優衣*; 内田 友樹*; 秋田 貢一*; 鈴木 裕士; 諸岡 聡

日本船舶海洋工学会論文集, (30), p.123 - 130, 2019/12

本研究では、コンター法を用いてビードオンプレート試験片の残留応力分布を測定した。測定した残留応力分布を中性子回折法で測定した残留応力分布と熱弾性塑性有限要素法で計算した残留応力分布を比較した。その結果、これら3つの方法で得られた残留応力分布は良好に一致していることがわかった。また、実構造物の測定で想定される非対称切削における残留応力を測定するためのコンター法では、切削面上の反力の平衡を考慮した。提案手法をマルチパス溶接継手の残留応力測定に適用した。測定結果から、提案手法は非対称試験片におけるマルチパス溶接継手の残留応力分布を測定できることが示した。

論文

Influence evaluation of loading conditions during pressurized thermal shock transients based on thermal-hydraulics and structural analyses

勝山 仁哉; 宇野 隼平*; 渡辺 正*; Li, Y.

Frontiers of Mechanical Engineering, 13(4), p.563 - 570, 2018/12

 被引用回数:1 パーセンタイル:82.95(Engineering, Mechanical)

加圧水型原子炉(PWR)における原子炉圧力容器(RPV)の構造健全性評価において、加圧熱衝撃(PTS)事象時の荷重条件に影響する冷却水の熱水力挙動は重要な影響因子の1つである。機器の構成と寸法、運転員操作の時間が、冷却水の温度や流量、内圧等に大きく影響する。本研究では、運転員操作の時間がPTS事象中の熱水力挙動に及ぼす影響を調べるため、RPVや1次系及び2次系で構成された国内の代表的PWRプラントに対する解析モデルを整備し、システム解析コードRELAP5による熱水力解析を行った。日本と米国の規則に基づき、PTS事象が発生した後、日本の規則を参考に10分後、米国の規則を参考に30分後に、緊急炉心冷却系を止める運転員操作を想定した。その結果を用いて構造解析を行い、健全性評価における荷重条件評価も行った。以上の結果、運転員操作の時間の差異が熱水力挙動や荷重条件に大きな影響を及ぼし、日本の規則に従ったケースでは、米国のケースに比べてRPVの内圧が低下すること等を明らかにした。保守的な評価を行う観点から、米国の過渡事象は国内RPVの健全性評価に適用できることを示した。

論文

Evaluation of residual stress relaxation in a rolled joint by neutron diffraction

林 眞琴*; Root, J. H.*; Rogge, R. B.*; 徐 平光

Quantum Beam Science (Internet), 2(4), p.21_1 - 21_16, 2018/12

The rolled joint of pressure tube, consisting of three axial symmetric parts, modified SUS403 stainless steel, Zr-2.5Nb pressure tube and Inconel-718, has been examined by neutron diffraction for residual stresses. It was heat treated at 350$$^{circ}$$C for 30, 130 and 635 hours to simulate the thermal aging of the rolled joint over the lifetime of the advanced thermal reactor at 288$$^{circ}$$C for 1, 5 and 30 years. The crystal lattice strains at various locations in the rolled joint before and after the aging treatments were measured by neutron diffraction and the residual stress distribution in the rolled joint was evaluated by using the Kroner elastic model and the generalized Hooke's law. In the crimp region of the rolled joint, it was found that the aging treatment had weak effect on the residual stresses in the Inconel and the SUS403. In the non-aged Zr-2.5Nb, the highest residual stresses were found near its interface with the SUS430. In the Zr-2.5Nb in the crimp region near its interface with the SUS430, the average compressive axial stress was -440 MPa, having no evident change during the long-time aging. In the Zr-2.5Nb outside closest to the crimp region, the tensile axial and hoop stresses were relieved during the 30 hours aging. The hoop stresses in the crimp region evolved from an average tensile stress of 80 MPa to an average compressive stress of 230 MPa after the 635 hours aging, suggesting that the rolled joint had a good long-term sealing ability against the leakage of high temperature water.

論文

Prediction method of improved residual stress distribution by shot peening using large scale analysis method

生島 一樹*; 柴原 正和*; 西川 聡*; 古川 敬*; 秋田 貢一; 鈴木 裕士; 諸岡 聡

E-Journal of Advanced Maintenance (Internet), 9(3), p.NT87_1 - NT87_5, 2017/11

In this work, an analysis system that can analyze the modification of the residual stress distribution by peening is proposed based on IEFEM. In the proposed analysis system, IEFEM is extended to consider the dynamic effect to analyze the dynamic phenomenon with an impulsive load. The impulsive load due to the collision of shots is modeled as an equivalent load model. The equivalent load model is integrated with IEFEM considering the dynamic effect to calculate spatially and temporally random load in dynamic analyses. Using the proposed analysis system, the residual stress distribution modification by shot peening in a multi-pass welded pipe joint is predicted. The residual stress distributions obtained by the analysis are compared with those measured by X-ray diffraction (XRD), and the effect of the number of shot collisions on the change in residual stress distribution is discussed.

論文

Numerical analysis of residual stress distribution on peening process

生島 一樹*; 柴原 正和*; 秋田 貢一; 鈴木 裕士; 諸岡 聡; 西川 聡*; 古川 敬*

Welding in the World, 61(3), p.517 - 527, 2017/05

本研究では、先ず、ショットピーニングプロセスにおける残留応力の挙動を予測するための解析手法を提案した。この手法ではショットの衝突時の荷重分布をモデル化し、さらに、理想化陽解法FEM解析手法(IEFEM)に基づく動的解析法と組み合わせた。提案した解析システムの解析精度は、ショット一発が衝突した際の応力分布をABAQUSによる解析結果と比較することで確認した。IEFEMを用いて熱弾塑性解析を実施し、配管のマルチパス溶接における溶接残留応力の解析を実施し、解析結果をX線回折による残留応力測定結果と比較し、両者がよく一致することを確認した。次いで、ショットピーニングによる溶接残留応力の変化を提案システムによって解析した。その結果、多量のショットを衝突した場合の残留応力は、解析と実験とでよく一致した。

論文

Residual stresses in steel rod with collar formed by partial diameter-enlarging technique

福田 晃二郎*; 友田 陽*; Harjo, S.; Gong, W.*; Woo, W.*; Seong, B. S.*; 桑原 義孝*; 生田 文昭*

Materials Science and Technology, 33(2), p.172 - 180, 2017/01

Residual stress distribution in a carbon steel component with collar manufactured by partial diameter-enlarging (PDE) process was evaluated using the angular dispersion and time-of-flight neutron diffraction methods in the interior and X-ray diffraction method at the surface of the collar. The residual stresses in the PDE specimen were smaller compared with those of a specimen with the similar shape and dimension made by a simple compression (SC) process. The hoop residual stress varied from -98 to 2 MPa around the circumference at the surface of the collar in the PDE specimen, whereas it was nearly constant in the SC one. The residual stresses in the central region of the both specimens were nearly in a hydrostatic compressive stress condition.

論文

Internal stress distribution for generating closure domains in laser-irradiated Fe-3%Si(110) steels

岩田 圭司*; 今福 宗行*; 鈴木 環輝*; 菖蒲 敬久; 折原 秀人*; 酒井 祐介*; 秋田 貢一; 大谷 眞一*; 石山 和志*

Journal of Applied Physics, 117(17), p.17A910_1 - 17A910_4, 2015/03

 被引用回数:5 パーセンタイル:68.64(Physics, Applied)

レーザーを照射した鉄3%シリコン鋼に還流磁区を生じさせる内部応力分布を、高エネルギー放射光X線解析および変分原理に基づく磁区理論によって検討した。測定された試験片内の三軸応力は圧縮で、圧延方向の応力がほかの方向の応力よりも支配的であった。還流磁区に関する磁気エネルギーの変分原理に基づく計算により、測定された三軸応力が、還流磁区が無い場合の主磁区よりも、磁区をより安定させていることが分かった。実験および計算結果から、レーザー誘起内部応力が還流磁区を発生させていることを示した。

論文

X-ray line profile study on shot/laser-peened stainless steel

熊谷 正芳*; 秋田 貢一; 今福 宗行*; 大谷 眞一*

Advanced Materials Research, 996, p.39 - 44, 2014/08

 被引用回数:3 パーセンタイル:9.9

ショットピーニング(SP)およびレーザーピーニング(LP)を施工したオーステナイトステンレス鋼の微視組織をX線ラインプロファイル解析法によって調査した。SP、LPの両試験片ともほぼ同様の残留応力深さ分布を有するが、微視組織はピーニング施工表面のみならず、表面から数ミクロン深さにおいても微視組織は異なっていた。転位密度はSP試験片のほうがLP試験片よりも高く、また、結晶子サイズはSPのほうがLPよりも小さかった。

報告書

HTTR水素製造システム実規模単一反応管試験装置触媒粉塵用フィルタノズル部損傷の原因調査と再発防止対策に関する報告(受託研究)

森崎 徳浩; 林 光二; 稲垣 嘉之; 加藤 道雄; 藤崎 勝夫*; 前田 幸政; 水野 貞男*

JAERI-Tech 2005-009, 37 Pages, 2005/03

JAERI-Tech-2005-009.pdf:14.33MB

実規模単一反応管試験装置の触媒粉塵用フィルタのノズルフランジと鏡の溶接部近傍の損傷(き裂)に関し、損傷の原因調査及び再発防止対策等について審議検討を行った。損傷の原因は、内面側から発生した応力腐食割れ(SCC)によるものと推定された。このため、触媒粉塵用フィルタ内の凝縮水発生防止,溶接残留応力低減,溶接鋭敏化低減を行うためのフィルタの改修を行った。また、試験装置の類似継ぎ手構造部の健全性確認を実施した結果、いずれの箇所にも欠陥は検出されず、健全性が確保されていることを確認した。

報告書

柏崎刈羽原子力発電所1号機再循環系配管サンプル(K1-PLR)に関する調査報告書(受託研究)

シュラウド・再循環系配管サンプル調査チーム

JAERI-Tech 2004-049, 44 Pages, 2004/06

JAERI-Tech-2004-049.pdf:7.21MB

柏崎刈羽原子力発電所1号機において、原子炉再循環系配管の溶接継手部にひび割れ(以下、き裂)が確認された。本調査は、東京電力(株)が日本核燃料開発(株)にて実施するき裂を含む材料サンプルの調査・評価に関して、原研が第三者機関として調査計画の策定段階から加わり、調査中に随時試験データの評価や試験現場への立会を実施し、最終的に得られた調査データを入手し原研独自の調査報告書を作成することにより、調査の透明性を確保することを目的として実施した。本調査により、以下のことが明らかとなった。(1)き裂は、管内表面の溶接部近傍に発生しており、深さは7mm程度であった。(2)き裂部破面のほぼ全体が粒界割れであった。(3)管内表面のき裂開口部には深さ100$$mu$$m程度の範囲で粒内割れを含む部分があり、その部分には加工により形成された金属組織及び硬さの上昇が見られ、き裂は硬さの最も高い部分の付近で発生していた。(4)き裂近傍の結晶粒界近傍においてごくわずかにCr濃度が低下していた。本調査の結果と、溶接によりき裂部付近で発生したと考えられる引張残留応力及び炉水中の溶存酸素濃度等を考慮すると、このき裂は応力腐食割れ(SCC)であり、材料の硬さと関係があると結論される。

報告書

女川原子力発電所1号機再循環系配管サンプル(O1-PLR)に関する調査報告書(受託研究)

女川1号機再循環系配管サンプル調査実施チーム

JAERI-Tech 2004-003, 74 Pages, 2004/02

JAERI-Tech-2004-003.pdf:30.08MB

本調査は、女川原子力発電所1号機原子炉再循環系配管を切断し採取したき裂を含む材料サンプルについて、日本原子力研究所東海研究所の照射後試験施設において各種の検査を実施し、き裂発生の原因究明に資する知見を取得することを目的として実施したものである。本調査の結果、以下のことが明らかとなった。(1)き裂は、管内表面の溶接部近傍に発生しており、深さは約5$$sim$$7mm程度であった。(2)き裂部破面のほぼ全体が粒界割れであるが、管内表面のき裂開口部には約100$$mu$$m程度の粒内割れを含む部分が観察された。また、その部分には、加工により形成された金属組織及び硬さの上昇が見られ、き裂は硬さの最も高い部分の付近から発生していた。本調査の結果と、溶接によりき裂部付近で発生したと考えられる引張残留応力及び炉水中の溶存酸素濃度等を考慮すると、このき裂は、加工層を有する管内表面で応力腐食割れ(SCC)により発生後、SCCとして結晶粒界を経由して進展したと結論される。

報告書

柏崎刈羽原子力発電所3号機シュラウドサンプル(K3-H7a)に関する調査報告書(受託研究)

シュラウド・再循環系配管サンプル調査チーム

JAERI-Tech 2004-002, 58 Pages, 2004/02

JAERI-Tech-2004-002.pdf:15.44MB

柏崎刈羽原子力発電所3号機において、シュラウド下部胴とシュラウドサポートリングの内側溶接部(H7a内側)近傍のシュラウドサポートリングにひび割れ(以下、き裂)が確認された。本調査は、東京電力(株)が日本核燃料開発(株)にて実施するき裂を含む材料サンプルの調査・評価に関して、原研が第三者機関として調査計画の段階から加わり、最終的に得られたデータを入手し、原研独自の調査報告書を作成することにより、調査の透明性を確保することを目的として実施した。本調査により、以下のことが明らかとなった。(1)ボートサンプルの表面においてグラインダー加工痕と機械加工痕が見られた。(2)き裂部の破面は、ほぼ全体が粒界割れであった。表面近傍において粒内割れと考えられる箇所が確認された。この箇所では、加工により形成されたと考えられる金属組織及び硬さの上昇が見られた。(3)溶接金属端から約3mmの範囲では、溶接の熱影響により表面近傍の硬さが低下していた。(4)結晶粒界の狭い範囲でわずかなCr濃度の低下が認められた。本調査の結果と、き裂付近に発生していたと考えられる溶接引張残留応力及び炉水中の溶存酸素濃度等を考慮すると、このき裂は応力腐食割れ(SCC)であり、材料の硬さと関係があると結論された。

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 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

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

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。

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