JP2005221389A

JP2005221389A - 金属材料の耐力自動測定方法

Info

Publication number: JP2005221389A
Application number: JP2004029786A
Authority: JP
Inventors: Norihisa Yoshimura; 典久吉邑
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2004-02-05
Filing date: 2004-02-05
Publication date: 2005-08-18

Abstract

【課題】伸び測定の異常を検出することが可能な金属材料の耐力自動測定方法を提供する。
【解決手段】少なくとも比例部分についてはクロスヘッド速度を一定として測定を行う引張試験において、測定データを荷重-時間特性と伸び-時間特性に分離して蓄積し、荷重-時間特性の測定データから荷重の変化に基づき、応力-歪曲線の比例部分の傾斜を算出するための始点と終点とを求め、この始点から終点までの伸び-時間特性の測定データについて、時間に対する伸びの直線性を予め定めた基準により評価を行い、直線性が前記基準に達した場合、伸び-時間特性および対応する荷重-時間特性の測定データを用いて、応力-歪曲線の比例部分の傾斜を算出し、その傾斜を用いて耐力を算出する金属材料の耐力自動測定方法。伸び-時間特性の直線近似の信頼度の値が所定の範囲内のとき、直線性が基準に達したと判定することもできる。
【選択図】図１

Description

この発明は、金属材料の引張試験における耐力を自動的に求める測定方法に関する。

金属材料の引張試験の耐力については、JIS Z2241に規定されており、いわゆる0.2%オフセット耐力と0.5%オンセット耐力が規定されている。この内、0.2%オフセット耐力については、荷重-伸び曲線の比例域の傾き線（曲線の比例域と一致する直線）を伸びが増加する方向に0.2%平行移動し、荷重-伸び曲線と交わる点の荷重から求めた耐力である。また、0.5%オンセット耐力は、伸びが0.5%の直線が荷重-伸び曲線と交わる点の荷重（伸びが0.5%の時の荷重）から求めた耐力である。

特許文献１（特公平6-48233号公報）には、荷重信号を読出し、微分演算して降伏伸びを求める降伏伸び検出装置が提案されている。この技術は、荷重信号と伸びに対応する時間信号とを一対にして引張試験の開始から同期して順次格納し、荷重の微分値と時間とから降伏伸びの終点を演算し、演算では荷重の一次微分値-時間曲線を逆にさかのぼる方向に微分値の変化を演算している。

その際、一定以上の落差を生じる変曲点があるときはそのときの時間に対応する伸びを、また微分値に一定以上の落差を生じないときは微分値が初めて負になるときの時間に対応する伸びを降伏伸びの終点として算出するというものである。

特許文献２（特公平6-78973号公報）には、同様に微分値を読出して演算処理する処理行程によって降伏伸びを求める降伏点伸び検出方法が提案されている。この技術は、まず、荷重信号を微分演算し、引張試験開始時から、降伏点をある程度越える荷重になる終了点Ｅ、終点Ｅから降伏点へむかって微分値が初めてマイナスになる点Ｃ、微分値と終点Ｅ付近の微分値の平均値との差Ｄを求める。

次いで、Ｄと予め設定した予想微分値Ｘとを比較して、Ｄの方が大きい場合はその位置を降伏伸び終点とし、予想微分値Ｘの方が大きい場合はＸを所定値ずつ順に低くしつつ同様な比較判断を繰返し、予想微分値Ｘが差値Ｄよりも小さくなる点を降伏伸び終点として検出するというものである。

特許文献３（特開平10-325787号公報）には、材料試験片の弾性率や耐力を計測可能なデータ処理機能を備えた材料試験が提案されている。この技術は、歪み-応力（ε-σ）曲線に対して３次回帰曲線式を求め、その変曲点の接線となる１次回帰直線式から、弾性率Ｅや耐力を求めるというものである。

特公平6-48233号公報特公平6-78973号公報特開平10-325787号公報

荷重-伸び曲線において、その比例域の傾斜線を求めるには、材料により比例域の範囲内と予測される荷重を2点予め設定しておき、その点の位置（荷重と伸びの値）から直線の傾斜を求めるのが簡単である。

しかし、傾斜を決める2点が、必ずしも比例域の範囲内に入らない場合がある。耐力の値が予測値より低いと、予測値は加工硬化領域に入ることになる。すると、傾斜を決める点も耐力の値より高い点に設定され、実際の耐力より高い値が算出されることになる。そのため、比例域に入れるためには、予め耐力の値を正確に予測しておくことが必要となる。

実用面についても、材料試験では、製品厚のまま、歪み有り、黒皮付きで測定する必要がある場合、伸び計の指示が安定しないことがある。伸びについては、伸び計の装着状態により測定精度に影響することが多い。例えば、測定中に試験片と伸び計の接触部がずれることによる誤差である。また、測定中の試験片の引張軸方向に対する曲げ変形や捩れ変形による試験片平行部内外面の伸び変化の不均一に伴う誤差も伸び測定に影響を及ぼす。

特許文献１、２記載の技術は、いずれも降伏点伸びの自動測定技術であり、耐力の自動測定については触れられていない。また、伸び測定における上記問題点についても考慮されていない。

特許文献３記載の技術は、耐力の自動測定を行う際、３次回帰曲線で近似し、その変曲点の接線の勾配を応力-歪曲線の比例部分の勾配とするものである。しかし、金属材料の場合、応力-歪曲線の比例部分は高い精度で直線となる。従って、応力-歪曲線を３次回帰曲線で近似することは不可能であり、無理に近似すると却って測定精度が低下するという問題がある。

また、これらの従来技術では、ベイナイト鋼のように応力-歪曲線の比例部分が必ずしも直線とならないような場合、それが伸び測定の異常によるものか、材料自体の特性であるのか、判別が困難であった。

本発明は、以上の問題点を解決し、伸び測定の異常を検出することが可能な金属材料の耐力自動測定方法を提供することを目的とする。

上記の課題は次の発明により解決される。その発明は、応力-歪曲線のうち少なくとも比例部分についてはクロスヘッド速度を一定として測定を行う引張試験において、測定データを荷重-時間特性と伸び-時間特性に分離して蓄積し、荷重-時間特性の測定データから荷重の変化に基づき、応力-歪曲線の比例部分の傾斜を算出するための始点と終点とを求め、この始点から終点までの伸び-時間特性の測定データについて、時間に対する伸びの直線性を予め定めた基準により評価を行い、直線性が前記基準に達した場合、伸び-時間特性の測定データおよび対応する荷重-時間特性の測定データを用いて、応力-歪曲線の比例部分の傾斜を算出し、その傾斜を用いて耐力を算出することを特徴とする金属材料の耐力自動測定方法である。

この発明において、始点から終点までの伸び-時間特性の測定データを複数の区間に分け、伸びデータの時間に対する直線近似により求められる信頼度の値が、すべてのデータ区間について所定の範囲にあるとき、時間に対する伸びの直線性が基準に達したと判定することを特徴とする請求項１記載の金属材料の耐力自動測定方法とすることもできる。

これらの発明において更に、応力-歪曲線の比例部分の傾斜を算出するための始点と終点とを求める際、荷重-時間特性の測定データから、荷重の値が最大荷重もしくは予想最大荷重の所定の割合以下となるデータを切り捨てるとともに、残ったデータの最初の点を応力-歪曲線の比例部分の傾斜を算出するための始点とし、荷重-時間特性の測定データから荷重の増分ΔWを算出し、ΔWが所定回連続して減少した時点を検出して、それより所定回戻った点を応力-歪曲線の比例部分の傾斜を算出するための終点として確定することを特徴とする金属材料の耐力自動測定方法とすることもできる。

本発明は、引張試験における測定上の種々の異常原因について、分析を重ね鋭意検討する中でなされた。その課程で、伸び測定と荷重測定を分けて検討したところ、これら双方における異常の発生が大きく異なることを見出した。すなわち、荷重測定の異常は殆どなかったのに対して、伸び測定は測定値の急激な変化が見られることがあり、伸びが減少する、即ち縮む場合も見られた。

そこで、本発明では測定データを荷重-時間特性と伸び-時間特性に分離し、荷重-時間特性の測定データからは応力-歪曲線の比例部分の傾斜を算出するための始点と終点とを求める。伸び-時間特性の測定データの内この始点から終点までについて、時間に対する伸びの直線性の評価を行う。直線性が基準に達した場合、応力-歪曲線の比例部分の傾斜を用いて耐力を算出する。

なお、本発明においては、応力-歪曲線の比例部分については、クロスヘッド速度を一定として測定を行うことを前提としている。この条件は、インストロン型試験機では原理的に満たされる。その他の試験機においても、例えばアムスラー型試験機等、荷重制御による場合でも、少なくとも応力-歪曲線の比例部分について荷重の増加速度を一定に制御すれば、試験片の伸びはクロスヘッド速度を一定とした場合と同様の結果となる。

伸びの直線性の評価は、測定データの始点から終点まで全体のデータを用いてR2乗値や相関係数等を算出して評価してもよいが、始点から終点まで複数の区間に分けて評価することもできる。その場合、すべての区間について信頼度の値（R2乗値あるいは相関係数）が所定範囲内であれば正常であり、いずれかの区間について所定範囲から外れれば、伸び測定になんらかの異常があったと判定される。

この場合、伸び-時間特性から伸び測定が正常に行われたことが分かれば、ベイナイト鋼など応力-歪曲線において必ずしも比例部分に対応する部分が直線とならない場合でも、それは材料の特性であり、耐力の測定としては正常に行われたことを保証することができる。

応力-歪曲線の比例部分の始点と終点については、測定データから、荷重の値が最大荷重（又は予想最大荷重）の所定の割合（数％）以下となるデータを切り捨て、残ったデータの最初の点を始点とする。終点については、荷重の増分が連続して減少し始める点を求める。このようにして、比例部分の始点と終点とを自動的に求めることができる。

このように本発明は、測定データを荷重-時間特性と伸び-時間特性に分離して、伸び-時間特性の測定データをコンピュータ処理により分析して、伸び測定が正常に行われたか否かを自動的に判定する。その結果、試験装置そのものに新たに検出機構等を設けることなく、測定データそのものが正常であることが確認され、信頼性の高い耐力測定値を得ることができる。

この発明において、荷重測定については、ロードセルで検出しており、試験片掴み部が試験途中に滑る等の要因を除けば、測定途中で急激に変化することはない。ロードセルの点検を適切に行っていれば、測定中の故障や性能の劣化を未然に防止することは可能である。荷重が測定途中で急激に変化するような場は、測定精度を問題とする前に試験をやり直す必要がある。

しかし、伸び測定については、伸び計自体の精度や性能は点検を適切に行っていれば、やはり測定中の故障や劣化の未然の防止は可能であるが、前述のように伸び計の装着状態によっては測定精度に影響することは避けられない。そこで、伸び測定が正常に行われた否か検討する必要がある。以下、本発明における伸びの計測値の異常を検出するための手段について、詳細に説明する。

本発明における測定のフローは、例えば図１に示すようになる。まず、ステップS1で、伸びEと荷重WのデータE_i,W_iをサンプリングする。ここでiはサンプリング番号で、サンプリング時刻に対応する。ステップS2で、引張開始から初期の非定常範囲（最大荷重に対して数％(α)以下）のデータの番号をデータ下限番号Aとし、それ以下は切り捨てる。

次に、サンプリングされたデータに基づき、比例限を決定する。ステップS3で、荷重Wの増分ΔW_i=W_i-W_i-1を算出する。ステップS4で、荷重の増分ΔW_iから直線部上限（比例限終点）を決定する。具体的には、増分ΔW_iが連続して所定回（例えば5回）減少したところで降伏開始と判定する。

ΔW_i<ΔW_i-1<...<ΔW_i-4
ステップS5で、上記所定回＋β（正確には、所定回-1+β回）戻ったところのデータΔW_i-4-βを、比例限の終点荷重W_Bとする。ここで、比例限終点の番号をBとする。

データの始点Aと終点Bが決まった後、伸びの（時間に対しての）直線性を検証する。ステップS6で、始点Aおよび終点Bの時間に対する伸びのE_AおよびE_Bにおいて、データ区間をn等分し、直線性の検証のためのデータ区間を求める。

ステップS7で、n データ区間すべてに1次回帰線のR2乗値を求め、予め定めた基準、例えば0.95以上（信頼度95％）を示すデータ区間については、その区間は直線性が維持されているとして、応力-歪曲線の比例部分、即ち傾斜線適用が可能な区間と定義する。これとは逆にR2乗値が0.95未満の場合は、直線性が確保されていないとして、傾斜線適用不可能と定義する。

このように伸びの直線性を検証した結果、すべての区間について伸び測定が正常であった場合、ステップS8で傾斜線適用区間において応力‐歪み曲線における傾斜線を適用し、その傾斜線によって耐力を算出する。一方、いずれかのデータ区間においてR2乗値が0.95未満であれば、伸び測定が異常だったと判定する。

本発明の耐力自動測定方法は、金属材料の自動検査に適用できるのみならず、その他の材料における耐力と同様の特性値の測定にも適用することが可能である。

データ処理のフロー図。

Claims

応力-歪曲線のうち少なくとも比例部分についてはクロスヘッド速度を一定として測定を行う引張試験において、測定データを荷重-時間特性と伸び-時間特性に分離して蓄積し、荷重-時間特性の測定データから荷重の変化に基づき、応力-歪曲線の比例部分の傾斜を算出するための始点と終点とを求め、この始点から終点までの伸び-時間特性の測定データについて、時間に対する伸びの直線性を予め定めた基準により評価を行い、直線性が前記基準に達した場合、伸び-時間特性の測定データおよび対応する荷重-時間特性の測定データを用いて、応力-歪曲線の比例部分の傾斜を算出し、その傾斜を用いて耐力を算出することを特徴とする金属材料の耐力自動測定方法。
始点から終点までの伸び-時間特性の測定データを複数の区間に分け、伸びデータの時間に対する直線近似により求められる信頼度の値が、すべてのデータ区間について所定の範囲にあるとき、時間に対する伸びの直線性が基準に達したと判定することを特徴とする請求項１記載の金属材料の耐力自動測定方法。
応力-歪曲線の比例部分の傾斜を算出するための始点と終点とを求める際、荷重-時間特性の測定データから、荷重の値が最大荷重もしくは予想最大荷重の所定の割合以下となるデータを切り捨てるとともに、残ったデータの最初の点を応力-歪曲線の比例部分の傾斜を算出するための始点とし、荷重-時間特性の測定データから荷重の増分ΔWを算出し、ΔWが所定回連続して減少した時点を検出して、それより所定回戻った点を応力-歪曲線の比例部分の傾斜を算出するための終点として確定することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の金属材料の耐力自動測定方法。