JP2016031348A - 残留応力測定装置および残留応力測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属板の残留応力を全幅にわたって非破壊かつ高い精度で測定することができる残留応力測定装置および残留応力測定方法を提供する。【解決手段】金属板２の幅方向に均一に引っ張りまたは圧縮の少なくとも一方の変形を加える加工部１０と、加工部１０による変形が加えられる前の変形前の状態と、変形が加えられた変形後の状態と、における金属板２の幅方向の表面温度を測定する測定部１２と、測定部１２により測定される変形前の状態と変形後の状態とにおける金属板２の温度変化量に基づいて、金属板２の幅方向の残留応力σｒを算出する算出部１４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、金属板の残留応力を測定する残留応力測定装置および残留応力測定方法に関する。

圧延や冷却等の製造工程を経て製造される金属板は、製造工程で残留応力を生じることがある。残留応力が生じた金属板は、切断時に残留応力の方向や分布に応じて曲がり等の変形を生じるため、金属板を用いた製品の形状不良等の原因となる。
例えば、金属板が鉄鋼製品である鋼板の場合、変態組織制御による機械的性質の向上を目的として、熱間圧延工程において加速冷却が行われる場合がある。しかし、加速冷却時に冷却ムラが発生すると、鋼板の幅方向の温度分布が不均一となり、その後の空冷過程において熱収縮量が不均一となるため、温度偏差に応じて幅方向に不均一な長手方向残留応力が発生する。

このように残留応力が発生した鋼板は、残留応力の低減を目的として、ロールが千鳥状に配置されたローラーレベラを用いた冷間矯正が行われる。従来、このような冷間矯正では幅方向に均一に繰返し曲げを加える方法がとられてきた。しかし、幅方向での残留応力分布が分からない場合、１パスの矯正では残留応力が十分に低減されず、複数パスでの矯正が必要となっていた。このため、このような冷間矯正を用いる場合、生産性の低下が問題となっていた。
このような生産性低下の問題に対し、冷間矯正前の鋼板の幅方向の残留応力分布を測定し、残留応力分布に応じてローラーレベラの圧下設定を変えることで、冷間矯正時のパス数を低減する方法が知られている。

金属板の残留応力を測定する方法は、破壊検査と非破壊検査とに大別される。破壊検査としては、金属板の測定部の応力を穿孔や切断等により開放し、開放により生じるひずみをひずみゲージやコンタクトゲージ等で計測することで残留応力を算出する方法がある。しかし、測定対象が製品である場合、このような破壊を伴う測定は不可能となる。
一方、非破壊検査としては、Ｘ線回折法により残留応力を測定する方法（特許文献１）がある。また、金属板を鋼板に限定した場合、熱間圧延された鋼板の熱間矯正前および熱間矯正後の板幅方向の温度分布を測定し、測定された温度から残留応力を推定する方法（特許文献２）がある。

特開２００５−２２７１３８号公報 特開２００５−２５４２６４号公報

しかし、特許文献１に記載の非破壊検査方法では、放射線対策が必要となり、計測装置や遮蔽装置が大掛かりなものとなるため、利便性が悪くなり、さらには装置の導入や維持に掛かるコストが増大する。また、被測定物は、装置の制約によりサイズが小さく表面が平滑なものに限定されるため、製品の加工が必要となる。このため、特許文献１に記載の非破壊検査方法では、完全な非破壊検査ができなかった。
また、特許文献２に記載の非破壊検査方法では、熱間矯正後の空冷過程において鋼板が応力緩和を生じる場合があり、熱間矯正前および熱間矯正後の鋼板温度分布から推定される残留応力と実際に鋼板に生じている残留応力とが一致しない場合があった。

そこで、本発明は、上記課題に着目してなされたものであり、金属板の残留応力を全幅にわたって非破壊かつ高い精度で測定することができる残留応力測定装置および残留応力測定方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る残留応力測定装置は、金属板の幅方向に均一に引っ張りまたは圧縮の少なくとも一方の変形を加える加工部と、上記加工部による変形が加えられる前の変形前の状態と、変形が加えられた変形後の状態と、における上記金属板の幅方向の表面温度を測定する測定部と、上記測定部により測定される上記変形前の状態と上記変形後の状態とにおける上記金属板の温度変化量に基づいて、上記金属板の幅方向の残留応力を算出する算出部と、を備えることを特徴とする。
このように、上記変形前の状態と上記変形後の状態とにおける温度変化量から間接的に残留応力を測定することにより、金属板の残留応力を全幅にわたって非破壊かつ高い精度で測定することが可能となる。

また、上記の残留応力測定装置において、上記測定部は、上記変形後の状態として、上記加工部による変形が加えられた上記金属板の長さ方向の第１の位置における上記金属板の変形後の表面温度を測定し、上記変形前の状態として、上記加工部による変形荷重を受けない上記金属板の長さ方向の第２の位置における表面温度を測定してもよい。
また、上記の残留応力測定装置において、上記測定部は、上記変形後の状態として、上記加工部による変形が加えられた上記金属板の長さ方向の第１の位置における上記金属板の変形後の表面温度を測定し、上記変形前の状態として、上記第１の位置における上記金属板の変形前の表面温度を測定してもよい。

また、上記の残留応力測定装置において、上記加工部は、３秒以内に上記金属板に変形を加えてもよい。
このように、短い時間で変形を加えることにより、上記金属板に生じた温度変化の拡散の影響を低減することができる。
また、上記の残留応力測定装置において、上記加工部は、上記金属板の幅よりも長手方向の長さが長い、第１のロールと第２のロールと第３のロールとを有し、上記第１のロールおよび上記第２のロールは、上記金属板の厚さ方向において互いに位置する上下面のうちの上面側に、上記金属板の長さ方向に互いに離間して設けられ、上記第３のロールは、上記金属板の下面側に、上記第１のロールと上記第２のロールとの間に配されて設けられ、上記第１のロールが上記金属板を圧下させることで上記金属板に変形を加えてもよい。

また、上記の残留応力測定装置において、上記測定部は、０．０２℃以下の分解能を有してもよい。
このように、上記測定部が高い分解能を有することにより、残留応力分布を精度よく測定することができる。
また、上記の残留応力測定装置において、上記算出部は、上記金属板の残留応力を、下記（１）式を用いて算出してもよい。

また、本発明の一態様に係る残留応力測定方法は、金属板の幅方向に均一に引っ張りまたは圧縮の少なくとも一方の変形を加える加工工程と、変形前の状態として上記加工工程による変形荷重を受けない上記金属板の長さ方向の第２の位置における上記金属板の幅方向の表面温度を測定し、変形後の状態として上記加工工程により変形が加えられた上記金属板の長さ方向の第１の位置における上記金属板の幅方向の表面温度を測定する測温工程と、上記測温工程により測定される上記変形前の状態と上記変形後の状態とにおける上記金属板の温度変化量に基づいて、上記金属板の幅方向の残留応力を算出する算出工程と、を備える。

また、本発明の一態様に係る残留応力測定方法は、変形前の状態として金属板の長さ方向の第１の位置における上記金属板の幅方向の表面温度を測定する第１の測温工程と、上記金属板の上記第１の位置の幅方向に均一に引っ張りまたは圧縮の少なくとも一方の変形を加える加工工程と、変形後の状態として上記加工工程により変形が加えられた上記金属板の長さ方向の第１の位置における上記金属板の幅方向の表面温度を測定する第２の測温工程と、上記第１の測温工程と上記第２の測温工程とにより測定される上記変形前の状態と上記変形後の状態とにおける上記金属板の温度変化量に基づいて、上記金属板の幅方向の残留応力を算出する算出工程と、を備える

本発明に係る残留応力測定装置および残留応力測定方法によれば、金属板の残留応力を全幅にわたって非破壊かつ高い精度で測定することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る残留応力測定装置の概略を示す構成図である。 本実施形態に係る残留応力測定装置による曲げ加工を示す側面図である。 本実施形態に係る残留応力測定方法を示すフローチャートである。 残留応力の算出方法を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に残留応力測定装置の概略を示す構成図である。 本実施形態に係る残留応力測定方法を示すフローチャートである。 本実施例における温度変化量の測定結果を示すグラフである。 図７の測定結果を残留応力に換算した結果を示すグラフである。 本実施例と比較例との残留応力の測定結果を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
＜１．第１の実施形態＞
[１−１．残留応力測定装置の構成]
まず、図１〜図２を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る残留応力測定装置１Ａの装置構成について説明する。本実施形態に係る残留応力測定装置１Ａは、３ｍｍ以上の厚みｔを有する金属板２の幅方向の残留応力σ_ｒを測定する。さらに、残留応力測定装置１Ａは、特に金属板２が鉄鋼製品である場合、６ｍｍ以上の厚みを有する金属板２に好適に用いられる。

図１に示すように、本実施形態に係る残留応力測定装置１Ａは、加工部１０と、測定部１２と、算出部１４と、搬送ロール１６ａ〜１６ｄとを備える。
加工部１０は、長手方向の長さが金属板２の幅よりも長い金属製のロールであり、図１および図２に示すように金属板２の長さ方向であるｘ軸および金属板２の厚さ方向であるｙ軸からなるｘ−ｙ平面に対して長手方向が垂直となるように設けられた、第１のロール１０ａと、第２のロール１０ｂと、第３のロール１０ｃとを有する。

第１のロール１０ａおよび第２のロール１０ｂは、金属板２の厚さ方向に対して互いに反対側に位置する上下面のうちの上面側であるｙ軸の正方向側に、ｘ軸方向に互いに離間して設けられる。第３のロール１０ｃは、ｙ軸の負方向側である金属板２の下面側に、ｘ軸方向において第１のロール１０ａと第２のロール１０ｂとの間に配されて設けられる。第１のロール１０ａ、第２のロール１０ｂ、および第３のロール１０ｃは、長手方向の両端部に油圧等により伸縮駆動するシリンダ（不図示）を有し、シリンダが伸縮駆動することでｙ軸方向に昇降可能に構成される。加工部１０は、金属板２の厚さに応じて第１のロール１０ａおよび第２のロール１０ｂが下降して金属板２の上面を抑え、その後第３のロール１０ｃが金属板２の下面側からｙ軸正方向に上昇することで、幅方向に均一な曲げ変形を金属板２に加える。

測定部１２は、第１の測定部１２ａと、第２の測定部１２ｂとを有する。第１の測定部１２ａおよび第２の測定部１２ｂは、金属板２の全幅にわたって、金属板２の表面温度を測定可能な赤外線サーモグラフィ等の測温計であり、金属板２の上面側（ｙ軸正方向側）にそれぞれ設けられる。本実施形態に係る残留応力測定装置１Ａは、後述するように曲げ変形に伴う金属板２の表面温度の温度変化量ΔＴを測定する。第１の測定部１２ａおよび第２の測定部１２ｂは、この温度変化量ΔＴを測定可能な分解能を有する。具体的には、曲げ変形に伴う金属板２の温度変化量ΔＴが１℃以下であるため、第１の測定部１２ａおよび第２の測定部１２ｂは、それよりも２オーダー低い程度の分解能を有する必要があり、０．０２℃以下の分解能を有することが好ましい。

第１の測定部１２ａは、ｘ軸方向において第１のロール１０ａと第２のロール１０ｂとの間の位置に設けられ、金属板２の長手方向の第１の位置２１における幅方向の表面温度を測定する。金属板２の長手方向の第１の位置２１は、第３のロール１０ｃと金属板２が接するｘ軸方向の位置であり、加工部１０によって曲げ変形が加えられる位置である。金属板２の第１の位置２１に曲げ変形が加えられることにより、第１の位置２１の上面側では引張りの応力が発生し、第１の位置２１の下面側では圧縮の応力が発生する。第１の測定部１２ａは、加工部１０により引張りの曲げ変形が加えられた金属板２の表面温度を全幅にわたって測定し、測定結果を変形後の状態における金属板２の表面温度として算出部１４に出力する。

第２の測定部１２ｂは、ｘ軸方向において第２のロール１０ｂよりも正方向側に設けられ、金属板２の長手方向の第２の位置２２における幅方向の表面温度を測定する。第２の位置２２は、第２のロール１０ｂよりもｘ軸の正方向側の位置であり、加工部１０による変形が加えられない位置である。第２の測定部１２ｂは、加工部１０により曲げ変形が加えられた金属板２の表面温度を測定し、測定結果を変形前の状態における金属板２の表面温度として、算出部１４に出力する。
算出部１４は、測定部１２から出力された変形前の状態における金属板２の表面温度と、変形後の状態における金属板２の表面温度との温度差から、金属板２の幅方向の残留応力σ_ｒを算出する。残留応力σ_ｒの算出方法の詳細については、後述する。
搬送ロール１６ａ〜１６ｄは、回転駆動することにより金属板２をｘ軸方向に搬送する金属製のロールであり、金属板２のｘ軸方向の位置を調整する。

［１−２．残留応力測定方法］
次に、図１〜図４を参照して、本実施形態に係る残留応力測定方法について説明する。
まず、加工部１０は、金属板２を圧下し、金属板２に曲げ変形を加える（Ｓ１２０）。ステップＳ１２０では、金属板２が搬送ロール６ａ〜１６ｄにより図２に示す金属板２の長手方向の中央付近が第３のロール１０ｃと対向する位置まで搬送された後、第１のロール１０ａおよび第２のロール１０ｂがｙ軸負方向側に降下し、金属板２の上面にそれぞれ着接する。その後、第３のロール１０ｃがｙ軸正方向側に上昇する。このとき、金属板２は、上面側が第１のロール１０ａおよび第２のロール１０ｂにより抑えられているため、第３のロール１０ｃが金属板２の下面と接しながら上昇することにより、ｘ−ｙ平面視で第１の位置２１が凸型となるような幅方向に一様な曲げ変形が加えられる。金属板２の曲げ加工を伴う第３のロール１０ｃの上昇動作は、第１の位置２１におけるｘ−ｙ平面の曲率係数Φが所定の値になるまで行われる。

曲率係数Φは、金属板２の曲げ曲率φ_１［ｍｍ^−１］の金属板２の弾性限曲率φ_２［ｍｍ^−１］に対する比であり、以下に示す（２）式で定義される。曲率係数Φは、１以上であれば金属板２の表面に塑性曲げが付与されたことを意味する。後述するように、曲げ変形が加えられた金属板２は、残留応力σ_ｒが測定された後、冷間矯正により曲げが取り除かれる。このため、曲率係数Φは１以上であればよく、好ましくは１．１程度となる。

本実施形態では、曲率係数Φは、図２に示す金属板２の変形量である圧下量δと、以下の（３）式に示す関係を有する。このため、本実施形態では、第３のロール１０ｃのｙ軸の正方向への上昇量から得られる圧下量δが所定の値となるように調整されることにより、曲率係数Φが調整される。なお、（３）式において、Ｌは第３のロール１０ｃと第１のロール１０ａおよび第２のロール１０ｂとのｙ方向の中心間距離を示すロール半ピッチ［ｍｍ］、ｎは加工部１０の形状等により決まる定数、σ_ｙは降伏応力［ｋｇｆ／ｍｍ^２］、ｔは金属板２の厚み［ｍｍ］、Ｅは金属板２のヤング率［ｋｇｆ／ｍｍ^２］をそれぞれ示す。

なお、本実施形態に係る残留応力測定方法では、後述するように、ステップＳ１２０の後、金属板２の曲げ変形に伴う温度変化量を調べるため、金属板２の表面温度の測定が行われる。この際、金属板２に生じた温度変化が拡散してしまうため、ステップＳ１２０における金属板２の圧下は、短時間で行われることが好ましく、好ましくは３秒以内で行われる。

ステップＳ１２０の後、測定部１２は、金属板２の表面温度を測定する（Ｓ１３０）。この際、第１の測定部１２ａは金属板２の第１の位置２１における全幅にわたる表面温度を測定し、第２の測定部１２ｂは金属板２の第２の位置２２における全幅にわたる表面温度を測定する。なお、上述のように金属板２に生じた温度変化は金属板２の変形後に拡散してしまうため、ステップＳ１３０における表面温度の測定は、ステップＳ１２０の金属板２の圧下が行われた直後に行われることが好ましい。ステップＳ１３０では、金属板２の表面温度が測定された後、第１の測定部１２ａおよび第２の測定部１２ｂは、測定結果を変形後の状態および変形前の状態における金属板２の表面温度として算出部１４にそれぞれ出力する。

次いで、算出部１４は、ステップＳ１３０の測定結果に基づいて金属板２の全幅にわたる残留応力σ_ｒを算出する（Ｓ１４０）。この際、算出部１４は、幅方向の同じ測定位置について、変形前の状態における金属板２の表面温度と変形後の状態における金属板２の表面温度との温度差である温度変化量に基づいて残留応力σ_ｒを算出する。
ここで、残留応力σ_ｒの算出方法について詳細に説明する。金属の弾性限内における応力変化量Δσと温度変化量ΔＴとの関係として、以下の（４）式に示す関係が知られている。なお、（４）式において、ΔＴは温度変化量［Ｋ］、Δσは応力変化量［ｋｇｆ／ｍｍ^２］、Ｋｍは以下の（５）式で示される熱弾性係数［ｍｍ^２／ｋｇｆ］、Ｔ_０は初期温度［Ｋ］をそれぞれ示す。また、（５）式において、αは線膨張係数［Ｋ^−１］、ρは密度［ｋｇ／ｍｍ^３］、Ｃｐは比熱［ｋｇｆ・ｍｍ／（ｋｇ・Ｋ）］をそれぞれ示す。

（４）式に示すように、金属に弾性限内の変形を加えた際、変形が引張変形の場合は吸熱反応により温度が低下し、変形が圧縮変形の場合は放熱反応により温度が上昇する。弾性限内からさらに変形を加え、金属の変形が塑性域に達すると、塑性加工発熱により温度が急激に上昇する。したがって、金属に変形を加え、引張変形が生じる場合には金属の温度変化が低下から増加に転じるまでの温度変化量ΔＴ、圧縮変形が生じる場合には金属の応力変化量に対する温度の傾きが変化するまでの温度変化量ΔＴから応力変化量Δσが推定される。

発明者は、このような温度変化量ΔＴと応力変化量Δσとの関係について、残留応力σ_ｒをさらに考慮することで、残留応力σ_ｒを算出することができることを想到した。
例えば、図４に示すように、残留応力のない金属板２に引張変形を加えた場合、金属板２は、実線で示すように応力σ_２となるまで弾性変形し、吸熱反応により温度が低下する。この際、応力変化量に対して温度変化量は傾きｐで変化する。さらに応力を加えていくと、金属板２は塑性変形し、発熱反応によって温度が上昇する。この際、応力変化量に対して温度変化量は傾きｑで変化する。なお、応力σ_２は、降伏応力σ_ｙと同じである。傾きｐおよび傾きｑは、材料定数なので、対象となる金属板２と同じ材質の金属板を用いて事前に測定しておくものとする。

一方、残留応力のある金属板２に引張変形を加えた場合、金属板２は、図４の実線で示すように応力σ_１となるまで変形し、吸熱反応により温度が低下する。この際、応力変化量に対して温度変化量は傾きｐで変化する。さらに応力を加えていくと、図４の破線で示すように、金属板２は塑性変形し、発熱反応によって温度が上昇する。この際、応力変化量に対して温度変化量は傾きｑで変化する。このように、金属板２に残留応力σ_ｒがある場合、降伏域に達するまでの応力変化量が異なるため、残留応力σ_ｒがない場合に比べ温度変化量ΔＴが異なる。

ここで、本実施形態に係る残留応力測定方法では、塑性変形域となる応力σ_３まで金属板２を変形させ、変形後の金属板２の表面温度Ｔ_４を測定する。また、変形前の金属板２の表面温度である初期温度Ｔ_０を測定する。金属板２の残留応力σ_ｒは、応力σ_２と応力σ_１との差分で表され、測定される金属板２の表面温度Ｔ_４と初期温度Ｔ_０との温度変化量ΔＴ_ａから得られる温度変化量ΔＴ_ｒを用いて算出される。具体的には、金属板２の残留応力σ_ｒは、温度変化量ΔＴ_ｒまたは応力σ_１，σ_２を用いて下記（６）式で示される。なお、（６）式において、σ_ｒは残留応力［ｋｇｆ／ｍｍ^２］、ｐは金属板２が弾性変形する際の応力変化量に対する温度変化量の傾き、ΔＴ_ｒは残留応力がある場合と残留応力がない場合とにおいて塑性変形域となる応力（σ_１，σ_２）をそれぞれ加えた時の表面温度（Ｔ_１，Ｔ_２）の温度差を示す温度変化量［Ｋ］、σ_１およびσ_２は応力［ｋｇｆ／ｍｍ^２］を示す。

さらに、残留応力のある金属板２および残留応力のない金属板２に、応力σ_３をそれぞれ加えた場合における表面温度の温度変化量ΔＴ_ａ，ΔＴ_ｂは、下記（７）式および（８）式でそれぞれ示される。なお、（７）式および（８）式において、ｑは塑性変形する際の応力変化量に対する温度変化量の傾き、Ｔ_ｙは初期温度Ｔ_０から、応力σ_１を加えて表面温度がＴ_１となるまでの温度変化量、σ_３は応力［ｋｇｆ／ｍｍ^２］をそれぞれ示す。また、（７）式および（８）式を変形することで、下記（９）式および（１０）式がそれぞれ算出される。

さらに、（６）式、（９）式および（１０）式から、温度変化量ΔＴ_ｒを示す下記（１１）式が算出される。なお、温度変化量ΔＴ_ａは、変形前の状態における表面温度Ｔ_０と、変形後の状態における表面温度Ｔ_４との差分である。ここで、圧延工程や冷却工程で生じる金属板２の残留応力σ_ｒは、基本的に金属板２の長さ方向に均一で、幅方向に不均一な分布となる。このため、ステップＳ１３０で測定される、第１の位置２１での変形前の状態における表面温度（初期温度Ｔ_０）は、金属板２に変形が加えられた後の第２の位置２２における表面温度と同じになる。このため、温度変化量ΔＴ_ａは、ステップＳ１３０の測定結果から算出することができる。また、温度変化量ΔＴ_ｂは、残留応力σ_ｒがない同じ材質の金属板について、応力σ_３を加えたときの温度変化量を予め計算または測定することで得ることができる。

したがって、本発明者らは、金属板２の表面温度の測定結果から残留応力σ_ｒ相当の弾性変形に伴う温度変化量であるΔＴ_ｒを算出できることを知見し、下記（１）式を用いることで、残留応力σ_ｒが算出されることを想到した。

（１）式に示す熱弾性係数Ｋｍは、ステップＳ１２０の前に予め算出可能な値である。また、温度変化量ΔＴ_ｒは、（１１）式に示すようにステップＳ１２０の前に予め測定または算出される温度変化量ΔＴ_ｂおよび傾きｐ，ｑと、ステップＳ１３０の測定結果から算出される温度変化量ΔＴ_ａとから得られる。このため、本実施形態では、予め得られるこれらの値と、ステップＳ１３０の測定結果とから、残留応力σ_ｒを容易に算出することが可能となる。
以上のステップＳ１２０〜Ｓ１４０により、金属板２の残留応力σ_ｒを測定することが可能となる。なお、本実施形態に係る残留測定方法では、ステップＳ１２０で金属板２に曲げ変形が加えられており、金属板２は若干の塑性曲げを有している。このため、ステップＳ１３０の後、冷間矯正にて曲げ変形を取り除くことが必要となる。

以上のように、本実施形態に係る残留応力測定方法は、金属板２に曲げ変形を加える加工工程（Ｓ１２０）と、金属板２の表面温度を測定する測温工程（Ｓ１３０）と、残留応力σ_ｒを算出する算出工程（Ｓ１４０）とを備える。測温工程（Ｓ１３０）では、変形前の状態の表面温度として、変形後の第２の位置２２における表面温度を全幅にわたって測定し、変形後の状態の表面温度として、変形後の第１の位置２１における表面温度を全幅にわたって測定する。さらに、算出工程（Ｓ１４０）では、変形前および変形後の状態における金属板２の表面温度から残留応力σ_ｒを算出する。これにより、本実施形態に係る残留応力測定方法では、熱間矯正後に測定が行われ、測定前後における金属板２の応力緩和が生じないため、金属板２の全幅にわたる残留応力σ_ｒを高い精度で測定することが可能となる。また、本実施形態に係る残留応力測定方法では、加工工程（Ｓ１２０）により加えられた曲げ変形は、後の冷間矯正にて取り除くことができるため、金属板２の破壊を伴わずに残留応力σ_ｒを測定することが可能となる。
また、本実施形態に係る残留応力測定方法は、測定精度の高い従来の測定方法である、ひずみゲージやコンタクトゲージ等で計測する測定方法、およびＸ線回折法による測定方法に比べ、測温工程（Ｓ１３０）〜算出工程（Ｓ１４０）に掛かる時間が短いことから、測定時間を短縮することができる。

＜２．第２の実施形態＞
[２−１．残留応力測定装置の構成]
次に、図５を参照して、本発明の第２の実施形態に係る残留応力測定装置１Ｂについて説明する。本実施形態に係る残留応力測定装置１Ｂは、測定部１２の構成が第１の実施形態に係る残留応力測定装置１Ａと異なるが、その他の構成および動作については第１の実施形態と同様である。すなわち、本実施形態に係る残留応力測定装置１Ａは、加工部１０と、測定部１２と、算出部１４と、搬送ロール１６ａ〜１６ｄとを備える。加工部１０は、第１のロール１０ａと、第２のロール１０ｂと、第３のロール１０ｃとを有する。

測定部１２は、ｙ軸の正方向側である金属板２の上面側に設けられる第１の測定部１２ａを有する。第１の測定部１２ａは、ｘ軸方向において第１のロール１０ａと第２のロール１０ｂとの間に設けられ、第１の位置２１における金属板２の表面温度を全幅にわたって測定する。この際、第１の測定部１２ａは、加工部１０により変形が加えられる前の金属板２の表面温度と、加工部１０により変形が加えられた後の金属板２の表面温度とを測定する。さらに、第１の測定部１２ａは、変形が加えられる前の表面温度の測定結果を変形前の状態における金属板２の表面温度とし、変形が加えられた後の表面温度の測定結果を変形後の状態における金属板２の表面温度として算出部１４に出力する。

[２−２．残留応力測定方法]
次に、図６を参照して、本実施形態に係る残留応力測定方法について詳細に説明する。
まず、測定部１２は、金属板２の表面温度を測定する（Ｓ２１０）。この際、第１の測定部１２ａは、金属板２の第１の位置２１における表面温度を全幅にわたって測定し、測定結果を変形前の状態における金属板２の表面温度として算出部１４に出力する。
次いで、加工部１０は、金属板２を圧下し、金属板２に曲げ変形を加える（Ｓ２２０）。ステップＳ２２０は、第１の実施形態におけるステップＳ１２０と同様である。

さらに、測定部１２は、金属板２の表面温度を測定する（Ｓ２３０）。この際、第１の測定部１２ａは、金属板２の第１の位置２１における表面温度を全幅にわたって測定し、測定結果を変形後の状態における金属板２の表面温度として算出部１４に出力する。なお、ステップＳ１３０で説明したように、金属板２に生じた温度変化は金属板２の変形後に拡散してしまうため、ステップＳ２３０における表面温度の測定は、ステップＳ２２０の金属板２の圧下が行われた直後に行われることが好ましい。

次いで、算出部１４は、ステップＳ２１０およびステップＳ２３０の測定結果に基づいて金属板２の幅方向の残留応力σ_ｒを算出する（Ｓ２４０）。この際、算出部１４は、幅方向の同じ測定位置について、変形前の状態における金属板２の表面温度（ステップＳ２１０の測定結果）と変形後の状態における金属板２の表面温度（ステップＳ２３０の測定結果）との温度変化量ΔＴ_ａから（１１）式を用いて温度変化量ΔＴ_ｒを算出する。その後、算出部１４は、（１）式を用いて、温度変化量ΔＴ_ｒから金属板２の全幅にわたる残留応力σ_ｒを算出する。残留応力σ_ｒの算出方法は、第１の実施形態のステップＳ１４０と同様である。

以上のように、本実施形態に係る残留応力測定方法は、金属板２の表面温度を測定する第１の測温工程（Ｓ２１０）と、金属板２に曲げ変形を加える加工工程（Ｓ２２０）と、金属板２の表面温度を測定する第２の測温工程（Ｓ２３０）と、残留応力σ_ｒを算出する算出工程（Ｓ２４０）とを備える。本実施形態に係る残留応力測定方法は、第１の測温工程（Ｓ２１０）では、変形前の金属板２の第１の位置２１における表面温度を測定し、第２の測温工程（Ｓ２２０）では、変形後の金属板２の第１の位置２１における表面温度を測定する。このため、本実施形態に係る残留応力測定方法は、測定部１２が第２の測定部１２ｂを有する必要がないため、第１の実施形態に比べ装置構成を簡略化することが可能となる。

＜３．変形例＞
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、測定部１２の構成は、金属板２の変形箇所の温度が全幅にわたって測定できるものであれば、上記実施形態に限定されない。例えば、測定部１２は、第１の位置２１において圧縮変形が起こる金属板２の下面側の表面温度を測定してもよい。また、測定部１２は、赤外線サーモグラフィに限らず、放射温度計等の他の非接触式の温度計や、熱電対等の接触式の温度計でもよい。
また、加工部１０の構成は、金属板２の幅方向に均一に引っ張りまたは圧縮の少なくとも一方の変形を加えられれば、上記実施形態に限定されない。

＜４．まとめ＞
以上のように、本発明の一態様に係る残留応力測定装置１Ａは、金属板２の幅方向に均一に引っ張りまたは圧縮の少なくとも一方の変形を加える加工部１０と、加工部１０による変形が加えられる前の変形前の状態と、変形が加えられた変形後の状態と、における金属板２の幅方向の表面温度を測定する測定部１２と、測定部１２により測定される変形前の状態と変形後の状態とにおける金属板２の温度変化量ΔＴ_ｒに基づいて、金属板２の幅方向の残留応力σ_ｒを算出する算出部１４と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る残留応力測定方法は、金属板２の幅方向に均一に引っ張りまたは圧縮の少なくとも一方の変形を加える加工工程（Ｓ１２０）と、変形前の状態として上記加工工程による変形荷重を受けない金属板２の長さ方向の第２の位置２２における金属板２の幅方向の表面温度を測定し、変形後の状態として加工工程により変形が加えられた金属板２の長さ方向の第１の位置２１における金属板２の幅方向の表面温度を測定する測温工程（Ｓ１３０）と、測温工程により測定される変形前の状態と変形後の状態とにおける金属板２の温度変化量に基づいて、金属板２の幅方向の残留応力を算出する算出工程（Ｓ１４０）と、を備える。

また、本発明の一態様に係る残留応力測定方法は、変形前の状態として金属板２の長さ方向の第１の位置２１における金属板２の幅方向の表面温度を測定する第１の測温工程（Ｓ２１０）と、金属板２の第１の位置２１の幅方向に均一に引っ張りまたは圧縮の少なくとも一方の変形を加える加工工程（Ｓ２２０）と、変形後の状態として加工工程により変形が加えられた金属板２の長さ方向の第１の位置２１における金属板２の幅方向の表面温度を測定する第２の測温工程（Ｓ２３０）と、変形前の状態と変形後の状態とにおける金属板２の温度変化量に基づいて、金属板の幅方向の残留応力を算出する算出工程（Ｓ２４０）と、を備える

このような、残留応力測定装置１Ａ，１Ｂおよび残留応力測定方法は、金属板２の変形前の状態と変形後の状態とにおける温度差から間接的に残留応力σ_ｒを測定することにより、金属板２の残留応力σ_ｒを全幅にわたって非破壊かつ高い精度で測定することができる。
また、金属板２が工業的に大量製造される場合、残留応力を短時間で測定できることが求められる。本発明に係る残留応力測定装置１Ａ，１Ｂおよび残留応力測定方法は、ひずみゲージやコンタクトゲージ等で計測する測定方法、およびＸ線回折法による測定方法に比べ、測温工程（Ｓ１３０，Ｓ２１０，Ｓ２３０），加工工程（Ｓ１２０，Ｓ２２０）および算出工程（Ｓ１４０，Ｓ２４０）に掛かる時間が短いことから測定時間を短縮することができる。

次に、本発明者が行った実施例を説明する。
実施例では、金属板２として熱間圧延後に加速冷却された鋼板について残留応力を測定した。鋼板の圧延・加速冷却後のサイズは板厚１４ｍｍ、板幅２５００ｍｍであり、機械的特性は降伏強度５０ｋｇｆ／ｍｍ^２、ヤング率２１０００ｋｇｆ／ｍｍ^２である。この鋼板を長手方向中央部で２枚に切断し、切断した一方の鋼板の残留応力を第１の実施形態に係る残留応力測定方法で測定し、他方の鋼板の残留応力を比較としてコンタクトゲージ法による残留応力測定方法で測定した。

はじめに、本実施例による鋼板の残留応力測定方法について説明する。本実施例では、図３に示す第１の残留応力測定方法にて鋼板の残留応力を測定した。まず、ステップＳ１２０で説明したように、鋼板を圧下した。本実施例では、圧下量が１．４ｍｍ、ロール半ピッチが１５０ｍｍの条件で圧下を行った。
次いで、ステップＳ１３０で説明したように、鋼板の第１の位置２１および第２の位置２２における表面温度を測定した。本実施例では、以下の仕様の赤外線サーモグラフィを用いた。
測定温度：５〜１５００℃
精度：０．０２℃
撮像速度：最大２００００コマ／ｓｅｃ
撮像素子：インジウムアンチモン

さらに、ステップＳ１４０で説明したように、鋼板の第１の位置２１および第２の位置２２における表面温度の温度差である温度変化量ΔＴ_ａを算出し、温度変化量ΔＴ_ａと（１１）式および（１）式とを用いて温度変化量ΔＴ_ｒおよび残留応力σ_ｒを算出した。本実施例における鋼板の幅方向での温度変化量ΔＴ_ａおよび残留応力σ_ｒの算出結果を図７および図８にそれぞれ示す。

次に、比較例であるコンタクトゲージ法による残留応力測定方法について説明する。比較例では、切断後の鋼板の長手方向中央部付近に長手方向に並んだ２つの鋼球を１組として、幅方向に５５点打ち込み、各組の鋼球間の距離を測定した。この際、加速冷却後の鋼板の温度分布は、幅方向端部側で急峻な温度勾配となっている。したがって、幅方向端部側での残留応力分布を詳細に調査するため、幅方向の鋼球の各組の間隔は、幅方向の両端部から６点が２５ｍｍ間隔、それ以外が５０ｍｍ間隔となるように鋼球を打ち込んだ。その後、鋼板を長手方向に条切りし、再度各組の鋼球間の距離を測定し、条切り前後の各組の鋼球間の距離の差から残留応力を算出した。

図８に示した本実施例における残留応力の測定結果と、比較例における残留応力の測定結果との比較を図９に示す。図９に示すように、本実施例の測定結果と、比較例の測定結果とがほぼ一致し、本実施例が高い精度で残留応力を測定できていることが確認された。
また、比較例の残留応力測定方法では、測定に掛かる時間が３日間であった。これに対して、本実施例における残留応力測定方法では、測定に掛かる時間が３秒以下であり、比較例の残留応力測定方法に比べ測定時間を大幅に低減することができ、工業的に有用な測定方法であることが確認された。
以上の結果から、本発明に係る残留応力測定装置および残留応力測定方法により、金属板２の残留応力を全幅にわたって非破壊かつ高い精度で測定することができることが確認できた。

１ ：残留応力測定装置
２ ：金属板
６ａ ：搬送ロール
１０ ：加工部
１０ａ ：第１のロール
１０ｂ ：第２のロール
１０ｃ ：第３のロール
１２ ：測定部
１２ａ ：第１の測定部
１２ｂ ：第２の測定部
１４ ：算出部
１６ａ〜１６ｄ ：搬送ロール
２１ ：第１の位置
２２ ：第２の位置

Claims (9)

1. 金属板の幅方向に均一に引っ張りまたは圧縮の少なくとも一方の変形を加える加工部と、
   前記加工部による変形が加えられる前の変形前の状態と、変形が加えられた変形後の状態と、における前記金属板の幅方向の表面温度を測定する測定部と、
   前記測定部により測定される前記変形前の状態と前記変形後の状態とにおける前記金属板の温度変化量に基づいて、前記金属板の幅方向の残留応力を算出する算出部と、
   を備えることを特徴とする残留応力測定装置。
2. 前記測定部は、
   前記変形後の状態として、前記加工部による変形が加えられた前記金属板の長さ方向の第１の位置における前記金属板の変形後の表面温度を測定し、
   前記変形前の状態として、前記加工部による変形荷重を受けない前記金属板の長さ方向の第２の位置における表面温度を測定することを特徴とする請求項１に記載の残留応力測定装置。
3. 前記測定部は、
   前記変形後の状態として、前記加工部による変形が加えられた前記金属板の長さ方向の第１の位置における前記金属板の変形後の表面温度を測定し、
   前記変形前の状態として、前記第１の位置における前記金属板の変形前の表面温度を測定することを特徴とする請求項１に記載の残留応力測定装置。
4. 前記加工部は、３秒以内に前記金属板に変形を加えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の残留応力測定装置。
5. 前記加工部は、前記金属板の幅よりも長手方向の長さが長い、第１のロールと第２のロールと第３のロールとを有し、
   前記第１のロールおよび前記第２のロールは、前記金属板の厚さ方向において互いに位置する上下面のうちの上面側に、前記金属板の長さ方向に互いに離間して設けられ、
   前記第３のロールは、前記金属板の下面側に、前記第１のロールと前記第２のロールとの間に配されて設けられ、
   前記第１のロールが前記金属板を圧下させることで前記金属板に変形を加えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の残留応力測定装置。
6. 前記測定部は、０．０２℃以下の分解能を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の残留応力測定装置。
7. 前記算出部は、前記金属板の残留応力を、下記（１）式を用いて算出することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の残留応力測定装置。
   

   
8. 金属板の幅方向に均一に引っ張りまたは圧縮の少なくとも一方の変形を加える加工工程と、
   変形前の状態として前記加工工程による変形荷重を受けない前記金属板の長さ方向の第２の位置における前記金属板の幅方向の表面温度を測定し、変形後の状態として前記加工工程により変形が加えられた前記金属板の長さ方向の第１の位置における前記金属板の幅方向の表面温度を測定する測温工程と、
   前記測温工程により測定される前記変形前の状態と前記変形後の状態とにおける前記金属板の温度変化量に基づいて、前記金属板の幅方向の残留応力を算出する算出工程と、を備えることを特徴とする残留応力測定方法。
9. 変形前の状態として金属板の長さ方向の第１の位置における前記金属板の幅方向の表面温度を測定する第１の測温工程と、
   前記金属板の前記第１の位置の幅方向に均一に引っ張りまたは圧縮の少なくとも一方の変形を加える加工工程と、
   変形後の状態として前記加工工程により変形が加えられた前記金属板の長さ方向の第１の位置における前記金属板の幅方向の表面温度を測定する第２の測温工程と、
   前記第１の測温工程と前記第２の測温工程とにより測定される前記変形前の状態と前記変形後の状態とにおける前記金属板の温度変化量に基づいて、前記金属板の幅方向の残留応力を算出する算出工程と、を備えることを特徴とする残留応力測定方法。

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