X線による残留応力の測定原理

Question

鍛造素材＋プレスピアスにて加工したワークの残留応力測定を予定しています。
X線による残留応力測定が一般的の様ですが、どの様な原理で残留応力が測定出来るのでしょうか？

ネットで調べると、ベースとなる金属の分子配列距離がすでに定義されており、供試品の分子配列距離をX線で計測して、両者の差より残留応力を計算する。と言うイメージを持ちました。

分子配列とは金属の結晶粒の並びの事でしょうか？
確かに鍛造加工を受けると結晶粒は細かくなるのでイメージに合います。

【疑問点】
応力除去を目的として低温で熱処理を行った場合は結晶粒には変化は起きないと考えます。
この場合でも正しく残留応力の測定は出来るのでしょうか？
具体的には、残留応力除去前後で何を測定してしているのでしょうか？

以上アドバイスをお願いします。

Accepted Answer

X線解析で計測するのは、分子間の距離ではなく、原子間の距離と言った方が正しいでしょう。ご存知かと思いますが、金属は原子が面芯立方、体芯立方、六法稠密といった結晶構造で金属原子が規則正しく並んでおります。残留応力があるとその原子間の距離が応力に応じて伸びちじみしますので、基準となる距離と比較すれば残留応力がわかるという仕組みです。
　ただ、問題は基準となる距離で、これは温度や合金成分の組成、たとえば、鋼中の炭素量によっても変わってきます。そのため、その基準が正しくなければ残留応力は正しく評価できません。それと、小さな残留応力は評価しにくいかと思います。詳しくは、関連学会資料、装置会社等をあたってみてください。

申し訳ございませんが、金属の構造、および変形の機構を理解されていないように思います。金属は結晶の集まりで構成されますが、その結晶はそれぞれに独自の方向で規則正しく並んだ原子より成り立っています。
　さて、金属が変形する場合、弾性変形では力をかけると原子間の距離が変化し、力をのぞくと元ににもどります。さらに力を加えますと、塑性変形がおこりますが、この変形は原子間の距離が変化して起こるのではなく、原子の並びがとなりにずれることによっておこります。この変形は力をのぞいても元にもどりません。残留応力はこのときにずれと同時にひきおこされた原子間距離の変化が内部的につりあってしまい、力を取り除いても残る状態をいいます。
　温度を上げて、ゆっくり冷やせば原子は最も安定した位置にもどり、残留応力はなくなります。このとき、原子間距離も元にもどり、またずれによって作られた転位という欠陥も消滅し、硬くなった金属もまた柔らかくなります。
　分子間距離という言葉を使われていらっしゃいますが、金属の場合、分子という言葉はあまり使いません。分子間距離とは結晶粒子の間の距離という意味
でしょうか？低温の熱処理であっても、材料が再結晶をおこせば結晶間の距離が変わることもあるかと思います。ただ、残留応力の測定に関してはあまり意味のないパラメータかと思います。

返事が遅れたこと、お詫び申しあげます。

上記のご理解でよいかと思います。

Answer

測定は専門ではありませんが、残留応力とは塑性加工などで形状を塑性変化させた時に分子構造内の格子形状に歪みが発生し、その歪みを分子構造自体が「戻そうとする」力が発生することによります。
つまり、「通常の分子間距離」に対し「製品の分子間距離」が大きければ大きいほど、「戻そうとする力」が大きいので残留応力が大きいということになります。
熱処理をすることによってこの分子間のつながりをリセットすることになるため、いびつな状態（各々の分子間距離が違う状態）で安定させることになります。言葉ではちょっと説明が難しいですが・・・

X線による残留応力の測定原理