JP2017090071A - 硬さ試験機及び硬さ試験方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】硬さ試験において、光学的な観察を行うことなく硬さを算出することにより、作業の効率化を図ることを可能とする。【解決手段】硬さ試験機は、基準試料の表面に圧子を押し込んで形成したくぼみの寸法に基づく基準試料の硬さと、基準試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量に基づく基準試料の硬さと、を対応づけた相関性データを記憶する相関性記憶部１３６を備え、ＣＰＵ１１は、測定対象試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量を計測し、計測された試験力及び押込み量に基づいて、測定対象試料の硬さの推定値を算出し、算出された推定値と、相関性データと、に基づいて測定対象試料の硬さを算出する。【選択図】図２
Description
本発明は、硬さ試験機及び硬さ試験方法に関する。
従来、所定の試験力で圧子を試料に押し付けて形成したくぼみの寸法に基づいて当該試料の硬さを計測する硬さ試験機が知られている（例えば、特許文献１参照）。
例えば、ビッカース硬さ試験機は、正四角錐の圧子を試料の表面に押し込んでくぼみを形成した後、くぼみの対角線長さを計測し、この計測したくぼみの対角線長さに基づいて硬さを算出している。
例えば、ビッカース硬さ試験機は、正四角錐の圧子を試料の表面に押し込んでくぼみを形成した後、くぼみの対角線長さを計測し、この計測したくぼみの対角線長さに基づいて硬さを算出している。
しかしながら、このように、硬さを測定するために、形成したくぼみの計測が必須な硬さ算出方法では、くぼみ形成後に光学的な観察装置による観察が欠かせない。このため、硬さの算出までに時間が掛かり、作業効率が良くないという問題があった。
本発明の課題は、光学的な観察を行うことなく硬さを算出することにより、作業の効率化を図ることのできる硬さ試験機及び硬さ試験方法を提供することである。
前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
所定の試験力を負荷した圧子を試料の表面に押し込んでくぼみを形成する硬さ試験機において、
基準となる試料の表面に前記圧子を押し込んで形成したくぼみの寸法に基づく前記基準となる試料の硬さと、前記基準となる試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量に基づく前記基準となる試料の硬さと、を対応づけた相関性データを記憶する記憶部と、
測定対象の試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量を計測する計測部と、
前記計測部により計測された試験力及び押込み量に基づいて、前記測定対象の試料の硬さの推定値を算出する推定値算出部と、
前記推定値算出部により算出された前記推定値と、前記相関性データと、に基づいて前記測定対象の試料の硬さを算出する硬さ算出部と、
を備えることを特徴とする。
所定の試験力を負荷した圧子を試料の表面に押し込んでくぼみを形成する硬さ試験機において、
基準となる試料の表面に前記圧子を押し込んで形成したくぼみの寸法に基づく前記基準となる試料の硬さと、前記基準となる試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量に基づく前記基準となる試料の硬さと、を対応づけた相関性データを記憶する記憶部と、
測定対象の試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量を計測する計測部と、
前記計測部により計測された試験力及び押込み量に基づいて、前記測定対象の試料の硬さの推定値を算出する推定値算出部と、
前記推定値算出部により算出された前記推定値と、前記相関性データと、に基づいて前記測定対象の試料の硬さを算出する硬さ算出部と、
を備えることを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の硬さ試験機において、
基準となる試料の表面に前記圧子を押し込んで形成したくぼみの寸法に基づいて、前記基準となる試料のビッカース硬さを算出するビッカース硬さ算出部を備え、
前記計測部は、前記基準となる試料に形成されたくぼみの形成時の試験力及び押込み量を連続して計測し、
前記推定値算出部は、前記計測部により計測された試験力及び押込み量に基づいて、前記基準となる試料のビッカース硬さに相当する硬さを前記推定値として算出し、
前記記憶部は、前記ビッカース硬さ算出部により算出されたビッカース硬さと、前記推定値算出部により算出された前記推定値とを対応づけ、前記相関性データとして記憶することを特徴とする。
基準となる試料の表面に前記圧子を押し込んで形成したくぼみの寸法に基づいて、前記基準となる試料のビッカース硬さを算出するビッカース硬さ算出部を備え、
前記計測部は、前記基準となる試料に形成されたくぼみの形成時の試験力及び押込み量を連続して計測し、
前記推定値算出部は、前記計測部により計測された試験力及び押込み量に基づいて、前記基準となる試料のビッカース硬さに相当する硬さを前記推定値として算出し、
前記記憶部は、前記ビッカース硬さ算出部により算出されたビッカース硬さと、前記推定値算出部により算出された前記推定値とを対応づけ、前記相関性データとして記憶することを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の硬さ試験機において、
前記推定値算出部による前記推定値の算出式を複数の算出式の中から設定可能な設定部を備え、
前記推定値算出部は、前記設定部により設定された算出式を用いて前記推定値を算出することを特徴とする。
前記推定値算出部による前記推定値の算出式を複数の算出式の中から設定可能な設定部を備え、
前記推定値算出部は、前記設定部により設定された算出式を用いて前記推定値を算出することを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、
所定の試験力を負荷した圧子を試料の表面に押し込んでくぼみを形成する硬さ試験機において、
基準となる試料の表面に前記圧子を押し込んで形成したくぼみの寸法に基づく前記基準となる試料の硬さと、前記基準となる試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量に基づく前記基準となる試料の硬さと、を対応づけた相関性データを記憶する記憶部と、
測定対象の試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量を計測する計測部と、
前記計測部により計測された試験力及び押込み量と、前記相関性データと、に基づいて前記測定対象の試料の硬さを算出する硬さ算出部と、
を備えることを特徴とする。
所定の試験力を負荷した圧子を試料の表面に押し込んでくぼみを形成する硬さ試験機において、
基準となる試料の表面に前記圧子を押し込んで形成したくぼみの寸法に基づく前記基準となる試料の硬さと、前記基準となる試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量に基づく前記基準となる試料の硬さと、を対応づけた相関性データを記憶する記憶部と、
測定対象の試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量を計測する計測部と、
前記計測部により計測された試験力及び押込み量と、前記相関性データと、に基づいて前記測定対象の試料の硬さを算出する硬さ算出部と、
を備えることを特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、
所定の試験力を負荷した圧子を試料の表面に押し込んでくぼみを形成する硬さ試験機による硬さ試験方法において、
基準となる試料の表面に前記圧子を押し込んで形成したくぼみの寸法に基づく前記基準となる試料の硬さと、前記基準となる試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量に基づく前記基準となる試料の硬さと、を対応づけた相関性データを取得する取得工程と、
測定対象の試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量を計測する計測工程と、
前記計測工程により計測された試験力及び押込み量に基づいて、前記測定対象の試料の硬さの推定値を算出する推定値算出工程と、
前記推定値算出工程により算出された前記推定値と、前記相関性データと、に基づいて前記測定対象の試料の硬さを算出する硬さ算出工程と、
を有することを特徴とする。
所定の試験力を負荷した圧子を試料の表面に押し込んでくぼみを形成する硬さ試験機による硬さ試験方法において、
基準となる試料の表面に前記圧子を押し込んで形成したくぼみの寸法に基づく前記基準となる試料の硬さと、前記基準となる試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量に基づく前記基準となる試料の硬さと、を対応づけた相関性データを取得する取得工程と、
測定対象の試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量を計測する計測工程と、
前記計測工程により計測された試験力及び押込み量に基づいて、前記測定対象の試料の硬さの推定値を算出する推定値算出工程と、
前記推定値算出工程により算出された前記推定値と、前記相関性データと、に基づいて前記測定対象の試料の硬さを算出する硬さ算出工程と、
を有することを特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の硬さ試験方法において、
前記取得工程は、
基準となる試料の表面に前記圧子を押し込んで形成したくぼみの寸法に基づいて、前記基準となる試料のビッカース硬さを算出するビッカース硬さ算出工程と、
前記基準となる試料に形成されたくぼみの形成時の試験力及び押込み量を連続して計測する予備計測工程と、
前記予備計測工程により計測された試験力及び押込み量に基づいて、前記基準となる試料のビッカース硬さに相当する硬さを推定値として算出する予備推定値算出工程と、
前記ビッカース硬さ算出工程により算出されたビッカース硬さと、前記予備推定値算出工程により算出された前記推定値と、を対応づけた前記相関性データを記憶する記憶工程と、
を有することを特徴とする。
前記取得工程は、
基準となる試料の表面に前記圧子を押し込んで形成したくぼみの寸法に基づいて、前記基準となる試料のビッカース硬さを算出するビッカース硬さ算出工程と、
前記基準となる試料に形成されたくぼみの形成時の試験力及び押込み量を連続して計測する予備計測工程と、
前記予備計測工程により計測された試験力及び押込み量に基づいて、前記基準となる試料のビッカース硬さに相当する硬さを推定値として算出する予備推定値算出工程と、
前記ビッカース硬さ算出工程により算出されたビッカース硬さと、前記予備推定値算出工程により算出された前記推定値と、を対応づけた前記相関性データを記憶する記憶工程と、
を有することを特徴とする。
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の硬さ試験方法において、
前記予備推定値算出工程は、前記圧子の押込み量をくぼみの寸法に換算して前記推定値を求める算出式、又はナノインデンテーションにより規定された押込み硬さを用いて前記推定値を求める算出式を実行することを特徴とする。
前記予備推定値算出工程は、前記圧子の押込み量をくぼみの寸法に換算して前記推定値を求める算出式、又はナノインデンテーションにより規定された押込み硬さを用いて前記推定値を求める算出式を実行することを特徴とする。
また、請求項８に記載の発明は、
所定の試験力を負荷した圧子を試料の表面に押し込んでくぼみを形成する硬さ試験機による硬さ試験方法において、
基準となる試料の表面に前記圧子を押し込んで形成したくぼみの寸法に基づく前記基準となる試料の硬さと、前記基準となる試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量に基づく前記基準となる試料の硬さと、を対応づけた相関性データを取得する取得工程と、
測定対象の試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量を計測する計測工程と、
前記計測工程により計測された試験力及び押込み量と、前記相関性データと、に基づいて前記測定対象の試料の硬さを算出する硬さ算出工程と、
を有することを特徴とする。
所定の試験力を負荷した圧子を試料の表面に押し込んでくぼみを形成する硬さ試験機による硬さ試験方法において、
基準となる試料の表面に前記圧子を押し込んで形成したくぼみの寸法に基づく前記基準となる試料の硬さと、前記基準となる試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量に基づく前記基準となる試料の硬さと、を対応づけた相関性データを取得する取得工程と、
測定対象の試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量を計測する計測工程と、
前記計測工程により計測された試験力及び押込み量と、前記相関性データと、に基づいて前記測定対象の試料の硬さを算出する硬さ算出工程と、
を有することを特徴とする。
本発明によれば、光学的な観察を行うことなく硬さを算出することにより、作業の効率化を図ることができる。
以下、図を参照して、本発明に係る硬さ試験機及び硬さ試験方法について、詳細に説明する。
本実施形態における硬さ試験機１００には、例えば、図１及び図２に示すように、制御部１０と、各構成部材が配設される硬さ試験機本体１と、が備えられている。
試験機本体１は、例えば、試料ＳをＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させるＸＹＺステージ２と、試料Ｓにくぼみを形成する圧子３を一端に有する荷重レバー４と、荷重レバー４に所定の荷重（試験力）を負荷する荷重負荷部５と、圧子３の押込み量を検出する変位計６と、試料Ｓの表面に形成されたくぼみ等を撮影する撮影部７と、表示部８と、設定部９と、を備えて構成される。
試験機本体１は、例えば、試料ＳをＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させるＸＹＺステージ２と、試料Ｓにくぼみを形成する圧子３を一端に有する荷重レバー４と、荷重レバー４に所定の荷重（試験力）を負荷する荷重負荷部５と、圧子３の押込み量を検出する変位計６と、試料Ｓの表面に形成されたくぼみ等を撮影する撮影部７と、表示部８と、設定部９と、を備えて構成される。
ＸＹＺステージ２は、制御部１０から入力される制御信号に従って、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向（水平方向及び垂直方向）に移動するよう構成されており、試料Ｓは、ＸＹＺステージ２によって前後左右及び上下に移動されて、圧子３に対する位置が調整されるようになっている。
また、ＸＹＺステージ２は、試験測定中に上面に載置された試料Ｓがずれないよう、試料保持台２ａにより試料Ｓを保持している。
また、ＸＹＺステージ２は、試験測定中に上面に載置された試料Ｓがずれないよう、試料保持台２ａにより試料Ｓを保持している。
圧子３は、例えば、ダイヤモンド製の、ビッカース用の四角錐圧子（対面角が１３６±０．５°）を使用することができる。かかる圧子３は、所定の荷重が負荷されて試料Ｓの表面に押込まれた際に、当該試料Ｓの表面に、四角形状のくぼみ（圧痕）を形成する。
荷重レバー４は、例えば、略棒状に形成されており、中央部付近が十字バネ４ａを介して台座上に固定されている。
荷重レバー４の一端には、試料保持台２ａ上に載置された試料Ｓの上方から試料Ｓに対して接離自在に設けられ、試料Ｓの表面に押し付けて試料Ｓの表面にくぼみを形成する圧子３が設けられている。
また、荷重レバー４の他端には、荷重負荷部５を構成するフォースコイル５ａが設けられている。
荷重レバー４の一端には、試料保持台２ａ上に載置された試料Ｓの上方から試料Ｓに対して接離自在に設けられ、試料Ｓの表面に押し付けて試料Ｓの表面にくぼみを形成する圧子３が設けられている。
また、荷重レバー４の他端には、荷重負荷部５を構成するフォースコイル５ａが設けられている。
荷重負荷部５は、例えば、フォースモータであり、荷重レバー４に取り付けられたフォースコイル５ａと、フォースコイル５ａに対向するように固定された固定磁石５ｂと、などを備えて構成される。
荷重負荷部５は、例えば、制御部１０から入力される制御信号に従って、固定磁石５ｂがギャップにつくる磁界と、ギャップの中に設置されたフォースコイル５ａに流れる電流と、の電磁誘導により発生する力を駆動力として用い、荷重レバー４を回動させる。これにより、荷重レバー４の圧子３側の端部は下方に傾き、圧子３は試料Ｓに押し込まれることになる。
荷重負荷部５は、例えば、制御部１０から入力される制御信号に従って、固定磁石５ｂがギャップにつくる磁界と、ギャップの中に設置されたフォースコイル５ａに流れる電流と、の電磁誘導により発生する力を駆動力として用い、荷重レバー４を回動させる。これにより、荷重レバー４の圧子３側の端部は下方に傾き、圧子３は試料Ｓに押し込まれることになる。
変位計６は、例えば、静電容量式変位センサであり、荷重レバー４の圧子３側の端部に設けられた可動極板６ａと、可動極板６ａと対向するように固定された固定極板６ｂと、などを備えて構成される。
変位計６は、例えば、可動極板６ａと固定極板６ｂとの間の静電容量の変化を検出することによって、圧子３が試料Ｓにくぼみを形成する際に移動した変位量（圧子３を試料Ｓに押し込んだ際の押込み量）を検出する。そして、変位計６は、検出した変位量のデータを制御部１０に出力する。
なお、変位計６として、静電容量式変位センサを例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、光学式変位センサやうず電流式変位センサであっても良い。
変位計６は、例えば、可動極板６ａと固定極板６ｂとの間の静電容量の変化を検出することによって、圧子３が試料Ｓにくぼみを形成する際に移動した変位量（圧子３を試料Ｓに押し込んだ際の押込み量）を検出する。そして、変位計６は、検出した変位量のデータを制御部１０に出力する。
なお、変位計６として、静電容量式変位センサを例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、光学式変位センサやうず電流式変位センサであっても良い。
撮影部７は、例えば、デジタルカメラ等を備え、制御部１０から入力される制御信号に従って、例えば、圧子３により試料Ｓの表面に形成されたくぼみの映像等を撮影する。また、撮影部７は、撮影した画像データを制御部１０に出力する。
表示部８は、例えば液晶表示パネルであって、制御部１０から入力される制御信号に従って、撮影部７により撮影された試料Ｓの表面画像や、各種試験結果等の表示処理を行う。
設定部９は、例えば、キーボードなどの操作キー群であって、ユーザにより操作されると、その操作に伴う操作信号を制御部１０に出力する。なお、設定部９は、マウスやタッチパネルなどのポインティングデバイスやリモートコントローラなど、その他の操作装置を備えるようにしてもよい。
この設定部９は、ユーザが試料Ｓの硬さ試験を開始する指示入力を行う際、圧子３に負荷する試験力すなわち荷重を設定する際などに操作される。
また、設定部９は、実際の硬さ試験に先行して行われる予備試験を実行する予備試験モード、又は実際の硬さ試験を実行する本試験モードの、何れかの処理モードを設定する際などにも操作される。
この設定部９は、ユーザが試料Ｓの硬さ試験を開始する指示入力を行う際、圧子３に負荷する試験力すなわち荷重を設定する際などに操作される。
また、設定部９は、実際の硬さ試験に先行して行われる予備試験を実行する予備試験モード、又は実際の硬さ試験を実行する本試験モードの、何れかの処理モードを設定する際などにも操作される。
制御部１０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)１１と、ＲＡＭ(Random Access Memory)１２と、記憶部１３と、等を備えて構成され、システムバスなどを介して、ＸＹＺステージ２と、荷重負荷部５と、変位計６と、撮影部７と、表示部８と、設定部９と、等と接続されている。
ＣＰＵ１１は、例えば、記憶部１３に記憶されている硬さ試験機用の各種処理プログラムに従って、各種制御処理を行う。
ＲＡＭ１２は、例えば、ＣＰＵ１１によって実行される処理プログラムなどを展開するためのプログラム格納領域や、入力データや処理プログラムが実行される際に生じる処理結果などを格納するデータ格納領域などを備えている。
記憶部１３は、例えば、硬さ試験機１００で実行可能なシステムプログラムや、そのシステムプログラムで実行可能な各種処理プログラム、これら各種処理プログラムを実行する際に使用されるデータ、ＣＰＵ１１によって演算処理された各種処理結果のデータなどを記憶する。なお、プログラムは、コンピュータが読み取り可能なプログラムコードの形で記憶部１３に記憶されている。
具体的に、記憶部１３には、例えば、くぼみ形成プログラム１３１、計測プログラム１３２、ビッカース硬さ算出プログラム１３３、推定値算出プログラム１３４、相関性算出プログラム１３５、相関性記憶部１３６、硬さ算出プログラム１３７、等が格納されている。各プログラムの内容は後述する。
具体的に、記憶部１３には、例えば、くぼみ形成プログラム１３１、計測プログラム１３２、ビッカース硬さ算出プログラム１３３、推定値算出プログラム１３４、相関性算出プログラム１３５、相関性記憶部１３６、硬さ算出プログラム１３７、等が格納されている。各プログラムの内容は後述する。
次に、本実施形態の硬さ試験機１００による硬さ試験方法について説明する。
本実施形態の硬さ試験機１００においては、実際の硬さ試験を実行する前に、一乃至複数の種類の基準となる試料（基準試料Ｓ１）に対して後述する相関性データを求め、この相関性データと基準試料Ｓ１の材質等の特徴とを紐づけて記憶する予備試験を行っている。そして、実際の硬さ試験（本試験）の実行にあたって、測定対象となる試料（測定対象試料）Ｓ２が、相関性データと紐づけられて記憶されている基準試料Ｓ１と同一の特徴を有する場合、相関性データを用いて硬さを算出している。
［予備試験：取得工程］
以下、予備試験について詳細に説明する。図３は、予備試験の流れを示すフローチャートである。
以下、予備試験について詳細に説明する。図３は、予備試験の流れを示すフローチャートである。
まず、ユーザの設定部９への操作により、予備試験モードが選択され、試料保持台２ａに基準試料Ｓ１をセットした状態で、予備試験を開始する指示が出される。
すると、ＣＰＵ１１は、くぼみ形成プログラム１３１を実行し、所定の試験力にて圧子３を基準試料Ｓ１の表面に押し込んで、基準試料Ｓ１の表面にくぼみを形成する（ステップＳ１１）。
図４は、四角形状のくぼみを示す模式図である。図４においては、くぼみの対角線長さをｄ、押込み量をｈで示している。
すると、ＣＰＵ１１は、くぼみ形成プログラム１３１を実行し、所定の試験力にて圧子３を基準試料Ｓ１の表面に押し込んで、基準試料Ｓ１の表面にくぼみを形成する（ステップＳ１１）。
図４は、四角形状のくぼみを示す模式図である。図４においては、くぼみの対角線長さをｄ、押込み量をｈで示している。
この際、ＣＰＵ１１は、計測プログラム１３２を実行し、くぼみ形成過程において、圧子３に負荷された試験力と、圧子３の押込み量の値を連続的に取得し、試験力と押込み量のデータを計測する（ステップＳ１２：予備計測工程）。
図５は、取得した試験力と押込み量のデータをグラフ化した、試験力−押込み量曲線（押込み曲線）の一例である。
押込み曲線は、くぼみの形成時において、設定した最大試験力（Ｆmax）に到達するまで圧子３に負荷する荷重を漸増させていく荷重負荷工程にて計測される荷重負荷曲線と、圧子３に負荷された荷重が最大試験力に到達した後、圧子３に負荷する荷重を漸減させる荷重除荷工程にて計測される荷重除荷曲線と、を備える。
図５は、取得した試験力と押込み量のデータをグラフ化した、試験力−押込み量曲線（押込み曲線）の一例である。
押込み曲線は、くぼみの形成時において、設定した最大試験力（Ｆmax）に到達するまで圧子３に負荷する荷重を漸増させていく荷重負荷工程にて計測される荷重負荷曲線と、圧子３に負荷された荷重が最大試験力に到達した後、圧子３に負荷する荷重を漸減させる荷重除荷工程にて計測される荷重除荷曲線と、を備える。
そして、くぼみ形成終了後、ＣＰＵ１１は、ビッカース硬さ算出プログラム１３３を実行し、ビッカース硬さを算出する（ステップＳ１３：ビッカース硬さ算出工程）。
具体的に、ＣＰＵ１１は、撮影部７によりくぼみの画像データを撮影し、公知の画像処理によりくぼみの対角線長さを計測して、下記の式（１）により、ビッカース硬さを算出する。
ＨＶ＝０．１８９４×Ｆ／ｄ２・・・（１）
ここで、ＨＶはビッカース硬さ、Ｆは試験力、ｄはくぼみの対角線長さ、である。
具体的に、ＣＰＵ１１は、撮影部７によりくぼみの画像データを撮影し、公知の画像処理によりくぼみの対角線長さを計測して、下記の式（１）により、ビッカース硬さを算出する。
ＨＶ＝０．１８９４×Ｆ／ｄ２・・・（１）
ここで、ＨＶはビッカース硬さ、Ｆは試験力、ｄはくぼみの対角線長さ、である。
また、ＣＰＵ１１は、推定値算出プログラム１３４を実行し、上記ステップＳ１２において計測した試験力と押込み量のデータを用いて、硬さを算出する（ステップＳ１４：予備推定値算出工程）。
具体的に、ＣＰＵ１１は、押込み量を、下記の式（２）によりくぼみの対角線長さに換算し、上記の式（１）に当てはめて、硬さを算出する。
ｈ＝１／７ｄ・・・（２）
ここで、ｈは押込み量、ｄはくぼみの対角線長さ、である。
このように、推定値算出プログラム１３４を実行して算出した硬さは、押込み量を用いてビッカース硬さを推定した値であって、以下、ステップＳ１４にて算出した硬さを、「ビッカース硬さの推定値」と呼ぶ。
具体的に、ＣＰＵ１１は、押込み量を、下記の式（２）によりくぼみの対角線長さに換算し、上記の式（１）に当てはめて、硬さを算出する。
ｈ＝１／７ｄ・・・（２）
ここで、ｈは押込み量、ｄはくぼみの対角線長さ、である。
このように、推定値算出プログラム１３４を実行して算出した硬さは、押込み量を用いてビッカース硬さを推定した値であって、以下、ステップＳ１４にて算出した硬さを、「ビッカース硬さの推定値」と呼ぶ。
次に、ＣＰＵ１１は、相関性算出プログラム１３５を実行し、上記ステップＳ１３にて算出したビッカース硬さと、上記ステップＳ１４にて算出したビッカース硬さの推定値とを対応させて相関性データを求め、基準試料Ｓ１の材質などの特徴と紐づけて、相関性記憶部１３６に記憶する（ステップＳ１５：記憶工程）。
図６は、相関性データの一例を示す図である。図６では、上記ステップＳ１３にて算出したビッカース硬さを縦軸、上記ステップＳ１４にて算出したビッカース硬さの推定値を横軸として、相関性を示す関数データが示されている。
図６は、相関性データの一例を示す図である。図６では、上記ステップＳ１３にて算出したビッカース硬さを縦軸、上記ステップＳ１４にて算出したビッカース硬さの推定値を横軸として、相関性を示す関数データが示されている。
以上のような予備試験では、基準試料Ｓ１に対する一度のくぼみ形成にて、ビッカース硬さと、ビッカース硬さの推定値を算出できるので、相関性データは比較的短時間で求めることができる。
［本試験］
次に、実際の硬さ試験（本試験）について詳細に説明する。図７は、本試験の流れを示すフローチャートである。
ここでは、測定対象試料Ｓ２は、相関性記憶部１３６に相関性データが記憶されている基準試料Ｓ１と同一の特徴を有するものとする。
次に、実際の硬さ試験（本試験）について詳細に説明する。図７は、本試験の流れを示すフローチャートである。
ここでは、測定対象試料Ｓ２は、相関性記憶部１３６に相関性データが記憶されている基準試料Ｓ１と同一の特徴を有するものとする。
まず、ユーザの設定部９への操作により、本試験モードが選択され、試料保持台２ａに測定対象試料Ｓ２をセットした状態で、本試験を開始する指示が出される。
すると、ＣＰＵ１１は、くぼみ形成プログラム１３１を実行し、所定の試験力にて圧子３を測定対象試料Ｓ２の表面に押し込んで、測定対象試料Ｓ２の表面にくぼみを形成する（ステップＳ２１）。
すると、ＣＰＵ１１は、くぼみ形成プログラム１３１を実行し、所定の試験力にて圧子３を測定対象試料Ｓ２の表面に押し込んで、測定対象試料Ｓ２の表面にくぼみを形成する（ステップＳ２１）。
この際、ＣＰＵ１１は、計測プログラム１３２を実行し、くぼみ形成過程において、圧子３に負荷された試験力と、圧子３の押込み量の値を連続的に取得し、試験力と押込み量のデータを計測する（ステップＳ２２：計測工程）。
次に、ＣＰＵ１１は、推定値算出プログラム１３４を実行し、上記ステップＳ２２において計測した試験力と押込み量のデータを用いて、硬さを算出する（ステップＳ２３：推定値算出工程）。
具体的な硬さの算出方法は、上記ステップＳ１４と同様であり、ステップＳ２３にて算出した硬さは、押込み量を用いたビッカース硬さの推定値である。
具体的な硬さの算出方法は、上記ステップＳ１４と同様であり、ステップＳ２３にて算出した硬さは、押込み量を用いたビッカース硬さの推定値である。
次に、ＣＰＵ１１は、硬さ算出プログラム１３７を実行し、上記ステップＳ２３にて算出した硬さと、相関性記憶部１３６に記憶された相関性データに基づいて測定対象試料Ｓ２の硬さを算出する（ステップＳ２４：硬さ算出工程）。
具体的に、ＣＰＵ１１は、測定対象試料Ｓ２の特徴から当該測定対象試料Ｓ２に対応する基準試料Ｓ１を検出し、その基準試料Ｓ１に紐づけられた相関性データを取得する。そして、上記ステップＳ２３にて算出した硬さの値を相関性データに当てはめて、ビッカース硬さを算出する。
具体的に、ＣＰＵ１１は、測定対象試料Ｓ２の特徴から当該測定対象試料Ｓ２に対応する基準試料Ｓ１を検出し、その基準試料Ｓ１に紐づけられた相関性データを取得する。そして、上記ステップＳ２３にて算出した硬さの値を相関性データに当てはめて、ビッカース硬さを算出する。
以上のような本試験では、上記ステップＳ２１〜上記ステップＳ２３は、くぼみ形成過程において、ほとんど同時に行うことができる。このため、くぼみ形成後にくぼみを観察する作業を行うことなく、くぼみ形成過程にビッカース硬さが算出できるため、作業の効率化を図ることができる。
なお、上記ステップＳ１４及び上記ステップＳ２３における推定値算出プログラム１３４の押込み量に基づく硬さの算出方法は一例であって、これに限定されない。ここで、他の算出方法を例示する。
（ナノインデンテーションによる押込み硬さ（ＨIT）を用いる算出方法）
圧子３に負荷された試験力と、圧子３の押込み量の値を連続的に取得し、得られた押込み曲線（図８参照）を解析することにより、材料の機械的性質を求める試験方法は、ナノインデンテーションと呼ばれ、国際規格ＩＳＯ１４５７７により、押込み硬さ（ＨIT）と呼ばれる硬さのパラメータが規定されている。押込み硬さ（ＨIT）は、ビッカース硬さと相関がある値として扱われることがあり、ここでは、かかる押込み硬さ（ＨIT）の解析方法を用いてビッカース硬さの推定値を算出する方法を示す。
圧子３に負荷された試験力と、圧子３の押込み量の値を連続的に取得し、得られた押込み曲線（図８参照）を解析することにより、材料の機械的性質を求める試験方法は、ナノインデンテーションと呼ばれ、国際規格ＩＳＯ１４５７７により、押込み硬さ（ＨIT）と呼ばれる硬さのパラメータが規定されている。押込み硬さ（ＨIT）は、ビッカース硬さと相関がある値として扱われることがあり、ここでは、かかる押込み硬さ（ＨIT）の解析方法を用いてビッカース硬さの推定値を算出する方法を示す。
図８は、縦軸が試験力（Ｆ）、横軸が押込み量（ｈ）である。
押込み硬さ（ＨIT）は、最大試験力（設定試験力）（Ｆmax）を最大押込み時の圧子の試料の接触投影面積（Ａp(ｈc)）で除した値として下記の式（３）で定義される。
ＨIT＝Ｆmax／Ａp(ｈc)・・・（３）
そして、例えばベルコビッチ圧子に対して、Ａp(ｈc)は圧子の幾何学形状から下記の式（４）のように表わされる。
Ａp(ｈc)＝２３．９６ｈc２・・・（４）
また、ｈcは接触深さと呼ばれ、最大押込み量（ｈmax）及び荷重除荷曲線初期部の接線と押込み量軸との交点（ｈr）を用いて下記の式（５）で表わされる。
ｈc＝ｈmax−０．７５（ｈmax−ｈr）・・・（５）
ＨIT＝Ｆmax／Ａp(ｈc)・・・（３）
そして、例えばベルコビッチ圧子に対して、Ａp(ｈc)は圧子の幾何学形状から下記の式（４）のように表わされる。
Ａp(ｈc)＝２３．９６ｈc２・・・（４）
また、ｈcは接触深さと呼ばれ、最大押込み量（ｈmax）及び荷重除荷曲線初期部の接線と押込み量軸との交点（ｈr）を用いて下記の式（５）で表わされる。
ｈc＝ｈmax−０．７５（ｈmax−ｈr）・・・（５）
更に、ビッカース硬さの幾何学形状より、ビッカース硬さ（ＨＶ）と押込み硬さ（ＨIT）との関係は下記の式（６）で表わされる。
ＨＶ＝０．９０６５ＨIT・・・（６）
ＨＶ＝０．９０６５ＨIT・・・（６）
以上のように、式（３）〜式（６）を用いて、ビッカース硬さの推定値を算出することができる。
（ブリネル硬さを用いる算出方法）
また、試験力と押込み量のデータに基づいてブリネル硬さを求め、これをビッカース硬さの代わりとして用いることとしても良い。
ここで、ブリネル硬さの算出に用いられる圧子の球直径をＤ、圧子を押し付けてできたくぼみの直径をｌとすると、圧子の押込み量ｈは、下記の式（７）で求めることができる。
また、試験力と押込み量のデータに基づいてブリネル硬さを求め、これをビッカース硬さの代わりとして用いることとしても良い。
ここで、ブリネル硬さの算出に用いられる圧子の球直径をＤ、圧子を押し付けてできたくぼみの直径をｌとすると、圧子の押込み量ｈは、下記の式（７）で求めることができる。
ブリネル硬さは、ＪＩＳ Ｚ ２２４３により定義され、下記の式（８）により、押込み量ｈを用いてブリネル硬さ（ＨＢ）を求めることができる。
以上のように、式（７）、式（８）を用いて、ブリネル硬さの推定値（ビッカース硬さの推定値に相当）を算出することができる。
なお、これらの複数のビッカース硬さの推定値の算出方法を実行するプログラムを記憶部１３に記憶させ、ユーザが、設定部９により、任意で算出方法を設定する構成としても良い。
つまり、ビッカース硬さの推定値を算出する複数の異なるプログラムが記憶部１３に記憶され、ユーザが、例えば、基準試料Ｓ１や測定対象試料Ｓ２の特性に応じて何れかの算出方法を指定し、ＣＰＵ１１は、指定されたプログラムを実行して、予備試験及び本試験を行う構成となる。
つまり、ビッカース硬さの推定値を算出する複数の異なるプログラムが記憶部１３に記憶され、ユーザが、例えば、基準試料Ｓ１や測定対象試料Ｓ２の特性に応じて何れかの算出方法を指定し、ＣＰＵ１１は、指定されたプログラムを実行して、予備試験及び本試験を行う構成となる。
以上、本実施形態によれば、硬さ試験機１００は、基準試料Ｓ１の表面に圧子３を押し込んで形成したくぼみの寸法に基づく基準試料Ｓ１の硬さと、基準試料Ｓ１へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量に基づく基準試料Ｓ１の硬さと、を対応づけた相関性データを記憶する相関性記憶部１３６を備え、ＣＰＵ１１は、測定対象試料Ｓ２へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量を計測し、計測された試験力及び押込み量に基づいて、測定対象試料Ｓ２の硬さの推定値を算出し、算出された推定値と、相関性データと、に基づいて測定対象試料Ｓ２の硬さを算出する。
このため、押込み量を用いて測定対象試料Ｓ２の硬さが算出できることとなるので、くぼみ形成後にくぼみを観察する作業を行うことなく、くぼみ形成過程に硬さが算出でき、作業の効率化を図ることができる。
このため、押込み量を用いて測定対象試料Ｓ２の硬さが算出できることとなるので、くぼみ形成後にくぼみを観察する作業を行うことなく、くぼみ形成過程に硬さが算出でき、作業の効率化を図ることができる。
また、本実施形態によれば、ＣＰＵ１１は、基準試料Ｓ１の表面に圧子３を押し込んで形成したくぼみの寸法に基づいて基準試料Ｓ１のビッカース硬さを算出し、基準試料Ｓ１に形成されたくぼみの形成時の試験力及び押込み量を連続して計測し、計測された試験力及び押込み量に基づいて、基準試料Ｓ１のビッカース硬さに相当する硬さを推定値として算出する。そして、相関性記憶部１３６には、その算出されたビッカース硬さと、算出された推定値とを対応づけた相関性データが記憶される。
このため、押込み量に基づく硬さをビッカース硬さに換算できる。よって、くぼみ形成後にくぼみを観察する作業を行うことなく、くぼみ形成過程にビッカース硬さが算出でき、作業の効率化を図ることができる。
このため、押込み量に基づく硬さをビッカース硬さに換算できる。よって、くぼみ形成後にくぼみを観察する作業を行うことなく、くぼみ形成過程にビッカース硬さが算出でき、作業の効率化を図ることができる。
また、本実施形態によれば、推定値の算出式を複数の算出式の中から設定可能な設定部９を備え、ＣＰＵ１１は、設定部９により設定された算出式を用いて推定値を算出する。
このため、ユーザが、例えば基準試料Ｓ１や測定対象試料Ｓ２の特性等に応じて、推定値の算出方法を設定できることとなるので、より精度よく硬さを算出することができる。
このため、ユーザが、例えば基準試料Ｓ１や測定対象試料Ｓ２の特性等に応じて、推定値の算出方法を設定できることとなるので、より精度よく硬さを算出することができる。
［変形例］
なお、上記実施形態では、本試験において、測定対象試料Ｓ２へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量に基づいて、測定対象試料Ｓ２の硬さの推定値を算出し、その推定値と相関性データに基づいて測定対象試料Ｓ２の硬さを算出している。
しかしながら、測定対象試料Ｓ２へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量と、ビッカース硬さとを対応づけた相関性データに基づいて、測定対象試料Ｓ２の硬さを算出する構成としても良い。
なお、上記実施形態では、本試験において、測定対象試料Ｓ２へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量に基づいて、測定対象試料Ｓ２の硬さの推定値を算出し、その推定値と相関性データに基づいて測定対象試料Ｓ２の硬さを算出している。
しかしながら、測定対象試料Ｓ２へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量と、ビッカース硬さとを対応づけた相関性データに基づいて、測定対象試料Ｓ２の硬さを算出する構成としても良い。
具体的に、図９に示すように、予備試験（取得工程）において、ＣＰＵ１１は、基準試料Ｓ１にくぼみを形成し（ステップＳ３１）、そのくぼみ形成過程において試験力と押込み量のデータを計測し（ステップＳ３２）、くぼみ形成終了後にビッカース硬さを算出する（ステップＳ３３）。次いで、ＣＰＵ１１は、基準試料Ｓ１のビッカース硬さと、基準試料Ｓ１へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量とを対応づけた相関性データを求め、基準試料Ｓ１の材質などの特徴と紐づけて相関性記憶部１３６に記憶する（ステップＳ３４）。
その後、図１０に示すように、本試験において、ＣＰＵ１１は、測定対象試料Ｓ２にくぼみを形成し（ステップＳ４１）、そのくぼみ形成過程において試験力と押込み量のデータを計測し（ステップＳ４２：計測工程）、ステップＳ４２にて計測したデータと、相関性記憶部１３６に記憶された相関性データに基づいて測定対象試料Ｓ２の硬さを算出する（ステップＳ４３：硬さ算出工程）。
その後、図１０に示すように、本試験において、ＣＰＵ１１は、測定対象試料Ｓ２にくぼみを形成し（ステップＳ４１）、そのくぼみ形成過程において試験力と押込み量のデータを計測し（ステップＳ４２：計測工程）、ステップＳ４２にて計測したデータと、相関性記憶部１３６に記憶された相関性データに基づいて測定対象試料Ｓ２の硬さを算出する（ステップＳ４３：硬さ算出工程）。
１ 試験機本体
２ ステージ
３ 圧子
４ 荷重レバー
５ 荷重負荷部
６ 変位計
７ 撮影部
８ 表示部
９ 設定部
１０ 制御部
１１ ＣＰＵ
１２ ＲＡＭ
１３ 記憶部
１３１ くぼみ形成プログラム
１３２ 計測プログラム
１３３ ビッカース硬さ算出プログラム
１３４ 推定値算出プログラム
１３５ 相関性算出プログラム
１３６ 相関性記憶部
１３７ 硬さ算出プログラム
Ｓ 試料
Ｓ１ 基準試料
Ｓ２ 測定対象試料
１００ 硬さ試験機
２ ステージ
３ 圧子
４ 荷重レバー
５ 荷重負荷部
６ 変位計
７ 撮影部
８ 表示部
９ 設定部
１０ 制御部
１１ ＣＰＵ
１２ ＲＡＭ
１３ 記憶部
１３１ くぼみ形成プログラム
１３２ 計測プログラム
１３３ ビッカース硬さ算出プログラム
１３４ 推定値算出プログラム
１３５ 相関性算出プログラム
１３６ 相関性記憶部
１３７ 硬さ算出プログラム
Ｓ 試料
Ｓ１ 基準試料
Ｓ２ 測定対象試料
１００ 硬さ試験機
Claims (8)
- 所定の試験力を負荷した圧子を試料の表面に押し込んでくぼみを形成する硬さ試験機において、
基準となる試料の表面に前記圧子を押し込んで形成したくぼみの寸法に基づく前記基準となる試料の硬さと、前記基準となる試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量に基づく前記基準となる試料の硬さと、を対応づけた相関性データを記憶する記憶部と、
測定対象の試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量を計測する計測部と、
前記計測部により計測された試験力及び押込み量に基づいて、前記測定対象の試料の硬さの推定値を算出する推定値算出部と、
前記推定値算出部により算出された前記推定値と、前記相関性データと、に基づいて前記測定対象の試料の硬さを算出する硬さ算出部と、
を備えることを特徴とする硬さ試験機。 - 基準となる試料の表面に前記圧子を押し込んで形成したくぼみの寸法に基づいて、前記基準となる試料のビッカース硬さを算出するビッカース硬さ算出部を備え、
前記計測部は、前記基準となる試料に形成されたくぼみの形成時の試験力及び押込み量を連続して計測し、
前記推定値算出部は、前記計測部により計測された試験力及び押込み量に基づいて、前記基準となる試料のビッカース硬さに相当する硬さを前記推定値として算出し、
前記記憶部は、前記ビッカース硬さ算出部により算出されたビッカース硬さと、前記推定値算出部により算出された前記推定値とを対応づけ、前記相関性データとして記憶することを特徴とする請求項１に記載の硬さ試験機。 - 前記推定値算出部による前記推定値の算出式を複数の算出式の中から設定可能な設定部を備え、
前記推定値算出部は、前記設定部により設定された算出式を用いて前記推定値を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の硬さ試験機。 - 所定の試験力を負荷した圧子を試料の表面に押し込んでくぼみを形成する硬さ試験機において、
基準となる試料の表面に前記圧子を押し込んで形成したくぼみの寸法に基づく前記基準となる試料の硬さと、前記基準となる試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量に基づく前記基準となる試料の硬さと、を対応づけた相関性データを記憶する記憶部と、
測定対象の試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量を計測する計測部と、
前記計測部により計測された試験力及び押込み量と、前記相関性データと、に基づいて前記測定対象の試料の硬さを算出する硬さ算出部と、
を備えることを特徴とする硬さ試験機。 - 所定の試験力を負荷した圧子を試料の表面に押し込んでくぼみを形成する硬さ試験機による硬さ試験方法において、
基準となる試料の表面に前記圧子を押し込んで形成したくぼみの寸法に基づく前記基準となる試料の硬さと、前記基準となる試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量に基づく前記基準となる試料の硬さと、を対応づけた相関性データを取得する取得工程と、
測定対象の試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量を計測する計測工程と、
前記計測工程により計測された試験力及び押込み量に基づいて、前記測定対象の試料の硬さの推定値を算出する推定値算出工程と、
前記推定値算出工程により算出された前記推定値と、前記相関性データと、に基づいて前記測定対象の試料の硬さを算出する硬さ算出工程と、
を有することを特徴とする硬さ試験方法。 - 前記取得工程は、
基準となる試料の表面に前記圧子を押し込んで形成したくぼみの寸法に基づいて、前記基準となる試料のビッカース硬さを算出するビッカース硬さ算出工程と、
前記基準となる試料に形成されたくぼみの形成時の試験力及び押込み量を連続して計測する予備計測工程と、
前記予備計測工程により計測された試験力及び押込み量に基づいて、前記基準となる試料のビッカース硬さに相当する硬さを推定値として算出する予備推定値算出工程と、
前記ビッカース硬さ算出工程により算出されたビッカース硬さと、前記予備推定値算出工程により算出された前記推定値と、を対応づけた前記相関性データを記憶する記憶工程と、
を有することを特徴とする請求項５に記載の硬さ試験方法。 - 前記予備推定値算出工程は、前記圧子の押込み量をくぼみの寸法に換算して前記推定値を求める算出式、又はナノインデンテーションにより規定された押込み硬さを用いて前記推定値を求める算出式を実行することを特徴とする請求項６に記載の硬さ試験方法。
- 所定の試験力を負荷した圧子を試料の表面に押し込んでくぼみを形成する硬さ試験機による硬さ試験方法において、
基準となる試料の表面に前記圧子を押し込んで形成したくぼみの寸法に基づく前記基準となる試料の硬さと、前記基準となる試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量に基づく前記基準となる試料の硬さと、を対応づけた相関性データを取得する取得工程と、
測定対象の試料へのくぼみ形成時の試験力及び押込み量を計測する計測工程と、
前記計測工程により計測された試験力及び押込み量と、前記相関性データと、に基づいて前記測定対象の試料の硬さを算出する硬さ算出工程と、
を有することを特徴とする硬さ試験方法。
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