JP2641953B2 - Method and apparatus for testing physical properties of material with small indentation - Google Patents

Method and apparatus for testing physical properties of material with small indentation

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JP2641953B2
JP2641953B2 JP2021265A JP2126590A JP2641953B2 JP 2641953 B2 JP2641953 B2 JP 2641953B2 JP 2021265 A JP2021265 A JP 2021265A JP 2126590 A JP2126590 A JP 2126590A JP 2641953 B2 JP2641953 B2 JP 2641953B2
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indentation
load
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test material
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敬愛 鈴木
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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N2203/02Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/026Specifications of the specimen
    • G01N2203/0286Miniature specimen; Testing on microregions of a specimen

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  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、各種の固体材料の表面近傍の機械的特性等
の物性を測定する方法および装置に関する。さらに特定
すれば、本発明は圧子を試験材料の表面に微小な荷重で
微小な浅い深さまで押込み、この圧子の押込みおよび引
抜きの際の荷重を変化させ、各荷重と押込み深さを測定
するか、または圧子の押込み深さを変化させながらこの
押込みに要した押込み荷重を測定し、この測定された押
込み荷重と押込み深さとの関係からこの試験材料の表面
近傍の物性を測定するものである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method and an apparatus for measuring physical properties such as mechanical properties near the surface of various solid materials. More specifically, the present invention pushes the indenter to the surface of the test material with a minute load to a minute shallow depth, changes the load at the time of indentation and withdrawal of the indenter, and measures each load and the indentation depth. Alternatively, while changing the indentation depth of the indenter, the indentation load required for the indentation is measured, and the physical properties near the surface of the test material are measured from the relationship between the measured indentation load and the indentation depth.

[従来の技術] 各種の産業分野において、固体材料の表面近傍の数μ
mの部分の機械的特性等の物性を測定することが要望さ
れている。たとえば、原子力産業の分野では、材料の表
面の放射線による劣化、特性の変化等を把握するため
に、この材料の表面近傍の物性を測定することが必要で
ある。また、この他にも、薄い合成樹脂フイルムの物性
を測定したり、被膜、塗料等の物性を測定する場合にも
このような測定が必要である。また、半導体産業の分野
でも、チップの表面に被着した回路パターンの薄膜の物
性を測定することが必要である。
[Prior art] In various industrial fields, several μm near the surface of a solid material is used.
It is desired to measure physical properties such as mechanical properties of the portion m. For example, in the field of the nuclear industry, it is necessary to measure physical properties of the surface of a material in the vicinity of the surface in order to ascertain deterioration of the surface of the material due to radiation, change in characteristics, and the like. In addition to this, such measurement is also required when measuring the physical properties of a thin synthetic resin film or measuring the physical properties of a coating film, a paint, and the like. Also in the field of the semiconductor industry, it is necessary to measure the physical properties of a thin film of a circuit pattern attached to the surface of a chip.

従来、このような試験材料の表面近傍の物性を測定す
るために、微小硬度計が使用される。この微小硬度計
は、基本的には従来の硬度計と同じであるが、圧子に作
用させる荷重を数十mgとし、この圧子の押込み深さを極
めて浅くし、試験材料の表面近傍の物性のみを測定でき
るようにしたものである。
Conventionally, a microhardness tester is used to measure physical properties near the surface of such a test material. This micro hardness tester is basically the same as a conventional hardness tester, except that the load applied to the indenter is tens of mg, the indentation depth of the indenter is extremely shallow, and only the physical properties near the surface of the test material are measured. Can be measured.

しかし、このように圧子の押込み深さが極めて浅くな
ると、測定された硬度の精度が大きく低下する。すなわ
ち、この圧子が試験材料の表面に接触を開始したごく初
期の段階では、この表面の変形は圧子の形状に依存した
もので弾性変形が主成分であり、この圧子に対応した圧
痕が小さくなり、見掛け上硬度が極めて高くなるという
誤差を生じる。また、表面荒さもこのような測定誤差の
原因となる。この圧子の押込み深さが上記のように極め
て浅い場合には、従来の方法によれば、塑性変形分を分
離して見積もることができず、したがって硬度または引
張り強さを正確に評価することができなかった。
However, when the indentation depth of the indenter is extremely small, the accuracy of the measured hardness is greatly reduced. In other words, at the very early stage when this indenter starts to contact the surface of the test material, the deformation of this surface depends on the shape of the indenter, and its main component is elastic deformation, and the indentation corresponding to this indenter becomes smaller. This causes an error that the apparent hardness becomes extremely high. The surface roughness also causes such measurement errors. In the case where the indentation depth of the indenter is extremely shallow as described above, according to the conventional method, it is impossible to separate and estimate the amount of plastic deformation, and therefore it is impossible to accurately evaluate the hardness or tensile strength. could not.

従来の方法に改良を加えたものとして、「特開昭62−
69141号」および「特開昭62−231136号」に開示されて
いるような微小硬度計がある。これらのものは、圧子の
押込み荷重を変化させながら圧子を押込み、各荷重と押
込み深さとの関係を連続的または段階的に測定し、誤差
を少なくすることを目的とするものである。しかし、こ
れらのものは、圧子の荷重と押込み深さがほぼ比例する
こと、すなわち試験材料の表面が圧子の押込みに対応し
て塑性変形することを前提としている。したがって、こ
れらのものは、材料の表面近傍の物性を正確に測定する
ための課題の本質的な解決方法を提供しておらず、材料
の表面の数μmないし数十μmの範囲の測定を対象とし
ている。
As an improvement over the conventional method, Japanese Patent Laid-Open No.
There is a microhardness tester as disclosed in JP-A-69141 and JP-A-62-231136. These objects are intended to reduce the error by pushing the indenter while changing the pushing load of the indenter, continuously or stepwise measuring the relationship between each load and the pushing depth. However, these premise that the load of the indenter and the indentation depth are almost proportional, that is, the surface of the test material is plastically deformed in response to the indentation of the indenter. Therefore, these materials do not provide an essential solution to the problem of accurately measuring physical properties in the vicinity of the surface of the material, and are intended for measurement of the surface of the material in a range of several μm to several tens μm. And

しかし、最近では、材料の表面近傍の物性の測定をさ
らに高精度にすることが要望されている。このような測
定の高精度化の要求に対応するには、材料の表面の1μ
mまたはこれ以下の極めて浅い部分のみの物性を測定す
ることが要求される。このような極めて浅い部分圧子を
押し込む場合には、材料の弾性変形および表面荒さの影
響が極めて大きくなり、圧子の荷重と押込み深さとの関
係は複雑となり、精度が大幅に低下する不具合を生じ
る。
However, recently, there has been a demand for higher-precision measurement of physical properties near the surface of a material. In order to meet such a demand for higher accuracy of measurement, 1 μm
It is required to measure the physical properties of only an extremely shallow portion of m or less. When such an extremely shallow partial indenter is pushed, the influence of elastic deformation and surface roughness of the material becomes extremely large, and the relationship between the load of the indenter and the pushing depth becomes complicated, resulting in a problem that the accuracy is greatly reduced.

[発明が解決しようとする課題] 本発明は以上の事情に基づいてなされたもので、材料
の表面近傍の極めて浅い部分のみの物性を極めて正確か
つ容易に測定する方法およびその装置を提供するもので
ある。
[Problems to be Solved by the Invention] The present invention has been made based on the above circumstances, and provides a method and an apparatus for extremely accurately and easily measuring the physical properties of only a very shallow portion near the surface of a material. It is.

[課題を解決するための手段] 本発明の測定方法は、試験材料の表面近傍の物性を測
定する場合において、押込み荷重Fまたは押込み深さd
とを変化させながら圧子を試験材料の表面に押し込むと
ともに引き抜き、この押込み過程および引き抜き過程に
おいて上記の押込み荷重Fと押込み深さdとの関係を連
続的または段階的に測定し、これらFとdの関係をこの
試験材料の硬度、引張り強度またはヤング率等の物性に
対応した式に近似した式にあてはめ、これらの式の定数
を算出し、この定数から試験材料の硬度または引っ張り
強さ、またはヤング率等の物性を算定するものである。
[Means for Solving the Problems] The measuring method according to the present invention provides a method for measuring the physical properties of the surface of a test material in the vicinity of the surface.
The indenter is pushed into and pulled out from the surface of the test material while changing the relationship between the indentation load F and the indentation depth d during the indentation process and in the withdrawal process. Is applied to equations approximating equations corresponding to physical properties such as hardness, tensile strength or Young's modulus of the test material, and constants of these equations are calculated, and from this constant the hardness or tensile strength of the test material, or It calculates physical properties such as Young's modulus.

また本発明の装置は、軸受け機構により回転自在に支
承された圧子アームを備え、この圧子アームには圧子ア
ーム部、駆動アーム部、荷重アーム部が突設され、これ
らの先端部にそれぞれ圧子、押込み荷重機構、押し込み
荷重を検出する校正用の荷重検出器が設けられているも
のである。
Further, the device of the present invention includes an indenter arm rotatably supported by a bearing mechanism. The indenter arm has an indenter arm, a drive arm, and a load arm protruding therefrom. An indentation load mechanism and a load detector for calibration for detecting the indentation load are provided.

[作用] 本発明の測定方法は、圧子の押込みおよび引抜きの過
程について測定した押込み荷重Fと押込み深さdとの関
係を、材料の表面近傍における硬度、引張り強さまたは
ヤング率等の物性を定数とする式に近似する式にあては
め、これらの定数を求めて試験材料の物性を算定するも
のであるから、従来では測定できなかった試験材料の表
面近傍のきわめて浅い領域においてもその物性を正確に
測定することができる。
[Operation] The measuring method of the present invention relates the relationship between the indentation load F and the indentation depth d measured in the process of indentation and indentation of the indenter to the physical properties such as hardness, tensile strength or Young's modulus near the surface of the material. Since the physical properties of the test material are calculated by calculating these constants by applying equations that approximate constants, the physical properties of the test material can be accurately measured even in extremely shallow regions near the surface of the test material, which could not be measured conventionally. Can be measured.

また、本発明の装置によれば、上述のような本発明の
測定方法を自動的におこなうことができる。また、上記
の圧子、押し込み荷重機構、荷重検出器などの駆動力や
反力等は、すべて軸受け機構により回転自在に安定して
支承された圧子アームのトルクとして均衡するので、上
記の押し込み過程のみならず引き抜き過程においても、
圧子の押し込み荷重や押し込み深さを安定して制御およ
び検出することができ、また上記の荷重検出器により正
確な校正をおこなうことができ、正確かつ安定した測定
が可能となるものである。
Further, according to the apparatus of the present invention, the measuring method of the present invention as described above can be automatically performed. In addition, the driving force and reaction force of the indenter, the indentation load mechanism, the load detector, and the like are all balanced as the torque of the indenter arm rotatably and stably supported by the bearing mechanism. Not only in the withdrawal process,
It is possible to stably control and detect the indentation load and the indentation depth of the indenter, and to perform accurate calibration with the load detector described above, thereby enabling accurate and stable measurement.

[実施例] 以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

まず、第1図および第2図を参照して本発明の測定方
法を実施するための測定装置を説明する。前述したよう
な測定を行うには、この測定装置自体が高精度でなけれ
ばならず、この測定装置はこの高い精度を達成するため
に各種の考慮が払われている。
First, a measuring apparatus for carrying out the measuring method of the present invention will be described with reference to FIGS. In order to perform the above-described measurement, the measuring device itself must have high accuracy, and various considerations have been given to the measuring device in order to achieve this high accuracy.

第1図には、この測定装置全体を概略的に示す。図中
の1は測定機であり、この測定機は気密容器2内に収容
されている。またこの測定機1には、測定・制御装置3
が接続されており、この測定・制御装置3は上記の気密
容器2の外側に配置されている。また、この気密容器2
には開閉弁5を介して真空ポンプ4が接続されており、
この気密容器2内を減圧または真空に排気するように構
成されている。また、6は開放弁であって、この開放弁
6を開弁することにより、この気密容器2内を大気圧に
戻すことができる。なお、7は圧力計であって、この圧
力計7によってこの気密容器2内の圧力が表示される。
なお、この気密容器2内は、必要に応じて不活性ガスに
置換され、試験材料等の酸化を防止する。
FIG. 1 schematically shows the entire measuring apparatus. In the figure, reference numeral 1 denotes a measuring machine, which is housed in an airtight container 2. The measuring device 1 includes a measuring and controlling device 3
Is connected, and the measurement / control device 3 is disposed outside the airtight container 2. In addition, this airtight container 2
Is connected to a vacuum pump 4 via an on-off valve 5.
The inside of the airtight container 2 is configured to be evacuated or evacuated. Reference numeral 6 denotes an opening valve. By opening the opening valve 6, the inside of the airtight container 2 can be returned to the atmospheric pressure. Reference numeral 7 denotes a pressure gauge, and the pressure inside the airtight container 2 is displayed by the pressure gauge 7.
Note that the inside of the airtight container 2 is replaced with an inert gas as necessary to prevent oxidation of the test material and the like.

上記の測定機1は、上記のような気密容器2内に収容
され、測定時には扉を閉じてこの気密容器2内を真空に
排気するので、空気の振動や揺らぎがなく、測定精度が
向上する。
The measuring device 1 is housed in the airtight container 2 as described above, and during measurement, the door is closed and the inside of the airtight container 2 is evacuated to a vacuum, so that there is no vibration or fluctuation of air, and measurement accuracy is improved. .

上記の駆動アーム部32の先端部に対応して、押込み荷
重機構40が配置されている。この押込み荷重機構40は、
ソレノイド42およびプランジャ41とから構成され、上記
のソレノイド42は上記のフレーム20側に取付けられ、ま
たプランジャ41はこの駆動アーム部32側に取付けられて
いる。このソレノイド42には、第5図に示す負荷電流供
給装置43から電流が給電され、このプランジャ41を吸引
してこの圧子アーム30にトルクを与え、上記の圧子36を
この負荷電流の値に対応した押込み荷重で試験材料に押
し込むように構成されている。なお、この圧子36の押込
み荷重は1mgから数gの範囲で調整することができる。
A pushing load mechanism 40 is arranged corresponding to the tip of the drive arm 32 described above. This indentation load mechanism 40
The solenoid is composed of a solenoid and a plunger 41. The solenoid is mounted on the frame 20 side, and the plunger 41 is mounted on the drive arm 32 side. A current is supplied to the solenoid 42 from a load current supply device 43 shown in FIG. 5, and the plunger 41 is attracted to apply a torque to the indenter arm 30 so that the indenter 36 corresponds to the value of the load current. It is configured to be pushed into the test material with the given pushing load. The indentation load of the indenter 36 can be adjusted within a range from 1 mg to several g.

また、上記の圧子アーム部31の先端部の上方には、押
込み深さ検出器50が配置されている。この押込み深さ検
出器50は、光学形の変位計を使用しており、この圧子ア
ーム部31の先端部の変位をたとえば10nmの精度で検出
し、この圧子の押込み深さを検出し、電気信号に変換す
る。なお、この押込み深さ検出器50はマイクロメータヘ
ッド51,52によって精密に位置決めができるように構成
されている。
Above the tip of the indenter arm 31, a push-in depth detector 50 is disposed. The indentation depth detector 50 uses an optical displacement meter, detects the displacement of the tip of the indenter arm 31 with an accuracy of, for example, 10 nm, detects the indentation depth of the indenter, and Convert to a signal. The indentation depth detector 50 is configured to be able to be accurately positioned by the micrometer heads 51 and 52.

また、上記の荷重アーム部33の先端部に対応して、上
記のフレーム側には荷重検出器60が取付けられている。
またこの荷重アーム部33の先端部には、上記の軸受け機
構70に対して上記の圧子36と対称の位置に突子37が突設
されている。そして、この突子37は上記の荷重検出器60
の接触子62に当接する。この荷重検出器60は荷重をmgの
精度で検出することができるもので、この荷重検出器60
によってこの圧子アーム30のトルクを測定し、上の押込
み荷重機構40の校正をおこなうものである。
Further, a load detector 60 is attached to the frame side corresponding to the tip of the load arm 33.
Further, a protruding member 37 is provided at a distal end portion of the load arm portion 33 at a position symmetrical to the indenter 36 with respect to the bearing mechanism 70. Then, the protrusion 37 is connected to the load detector 60 described above.
Contact 62. This load detector 60 can detect the load with an accuracy of mg.
The indenter arm 30 is used to measure the torque of the indenter arm 30 to calibrate the indentation load mechanism 40.

また、第2図には、上記の測定・制御装置3の構成を
示す。この測定・制御装置3内には、測定・制御回路90
が設けられており、この回路は後に説明するようにこの
測定機1の制御、校正および測定結果の処理をなすもの
である。この測定・制御回路90は、前述した負荷電流供
給装置53に制御信号を送り、上記の押し込み荷重機構40
のソレノイド42に供給する電流を制御し、所定のパター
ンで上記の圧子36の押圧荷重を制御する。また、この負
荷電流供給装置43から供給される負荷電流は、電流検出
器94によって検出され、A/D変換器93でデジタル信号に
変換されたのち上記の測定・制御回路90にフイードバッ
クされる。また、上記の押し込み深さ検出器50および荷
重検出器60からの信号も、それぞれ増幅機92,96で増幅
され、A/D変換器91,95でデジタル信号に変換された後、
上記の測定・制御回路90に送られるように構成されてい
る。
FIG. 2 shows the configuration of the measurement / control device 3 described above. The measurement / control circuit 3 includes a measurement / control circuit 90.
This circuit performs control, calibration, and processing of the measurement result of the measuring device 1 as described later. The measurement / control circuit 90 sends a control signal to the above-described load current supply device 53, and
The current supplied to the solenoid 42 is controlled to control the pressing load of the indenter 36 in a predetermined pattern. The load current supplied from the load current supply device 43 is detected by a current detector 94, converted into a digital signal by an A / D converter 93, and fed back to the measurement / control circuit 90. Further, the signals from the above-described indentation depth detector 50 and load detector 60 are also amplified by the amplifiers 92 and 96, respectively, and are converted into digital signals by the A / D converters 91 and 95.
It is configured to be sent to the measurement / control circuit 90 described above.

また、この測定・制御回路90は、以下のようにして押
し込み荷重機構40の校正をなすようにプログラムされて
いる。まず、測定に先立って、または定期的に、上記の
荷重検出器60を下方に移動し、その接触子62を圧子アー
ム30の突子37に接触させる。そして、この測定・制御装
置3を作動させると、この測定・制御回路90から上記の
負荷電流供給装置43に制御信号が出力され、この負荷電
流供給装置43からソレノイド42に供給される電流iは第
3図に示すように、一定の時間Δtごとに一定のΔiず
つ段階的に増加される。このソレノイド42が付勢される
ことにより、上記の圧子アーム30にトルクが発生し、突
子37が荷重検出器60の接触子62を押圧し、その荷重が検
出される。この突子37は、上記の圧子36と軸受け機構70
に対して対称の位置に配置されているので、この突子37
に作用する荷重は測定の際に圧子36に実際に作用する押
し込み荷重と等しい。そして、この荷重検出器60によっ
て検出される荷重wは、上記の負荷電流iの増加に対応
してΔwずつ段階的に増加する。そして、上記の測定・
制御回路90は、各段階ごとに第4図に示すような負荷電
流i(1…n)および第5図に示すような荷重w
(1…n)をそれぞれ記録し、これらの電流と荷重との
関係を第6図に示すようにw=s・i+Tの式に近似さ
せる。なお、S,Tはそれぞれ定数である。この第6図か
ら明らかなように、上記の定数Sは、この負荷電流iの
増加分に対する荷重Tすなわち押し込み荷重の増加分で
あり、このSはソレノイド42のコイル感度である。した
がって、このようにして、このSおよびTの値を算出し
ておくことにより、任意の押し込み荷重に対応する負荷
電流iを決定する。なお上記のような演算は上記の測定
・制御回路90内で自動的におこなわれ、自動的に記憶さ
れるとともに、必要に応じてこの結果がデイスプレイ表
示またはプリントアウトされる。
The measurement / control circuit 90 is programmed to calibrate the indentation load mechanism 40 as described below. First, prior to the measurement or periodically, the load detector 60 is moved downward, and the contact 62 is brought into contact with the projection 37 of the indenter arm 30. When the measurement / control device 3 is operated, a control signal is output from the measurement / control circuit 90 to the load current supply device 43, and the current i supplied from the load current supply device 43 to the solenoid 42 is As shown in FIG. 3, the value is increased stepwise by a constant Δi at regular time intervals Δt. When the solenoid 42 is energized, torque is generated in the indenter arm 30, and the protrusion 37 presses the contact 62 of the load detector 60, and the load is detected. The protrusion 37 is provided with the indenter 36 and the bearing mechanism 70.
Are located symmetrically with respect to
Is equal to the indentation load actually acting on the indenter 36 during the measurement. The load w detected by the load detector 60 increases stepwise by Δw corresponding to the increase of the load current i. And the above measurement
The control circuit 90 performs a load current i (1... N) as shown in FIG. 4 and a load w as shown in FIG.
(1... N) are respectively recorded, and the relationship between the current and the load is approximated to the equation of w = s · i + T as shown in FIG. S and T are constants, respectively. As is apparent from FIG. 6, the above constant S is the load T, that is, the increase in the pushing load with respect to the increase in the load current i, and this S is the coil sensitivity of the solenoid 42. Therefore, by calculating the values of S and T in this way, the load current i corresponding to an arbitrary pushing load is determined. Note that the above calculation is automatically performed in the measurement and control circuit 90 and is automatically stored, and the result is displayed or printed out as necessary.

さらに、この測定・制御回路90には、以下のようにし
て上記の押込み深さ検出器50の校正を自動的に行うよう
にプログラムがなされている。まず、校正に先立って圧
子アーム30を回動しないようにロックする。つぎに、上
記の測定・制御回路90に校正の際の上記押込み深さ検出
器の1ステップごとの移動量とステップ回数を入力す
る。なお、このような設定は予めおこなっておいてもよ
い。そして、上記の測定・制御装置3を作動させると、
上記の深さ検出器50からの出力がこの測定・制御回路90
に入力され、記録される。次に、この測定・制御回路90
からの信号によって、次のステップの校正を行う旨の指
令がなされる。作業者は、この指令にしたがって、上記
の直動形のマイクロメータ51を操作し、予め設定された
所定の変位量Δlだけこの深さ検出器50を圧子アーム30
に対して移動させる。次に、この測定・制御回路90で上
記の深さ検出器50からの出力を受け、記録する。以下、
同様にして深さ検出器50の移動量とその出力を測定す
る。このようにして測定された移動量lと出力Vの関係
は、第7図のようになる。このような特性から、これら
lとVの関係を、 V=k・l+M の関係式にあてはめ、この定数kを算出する。この定数
kは、第7図に示す直線の傾斜、すなわちこの押込み深
さ検出器50の感度である。そして、この測定・制御回路
90はこのkの値を記憶し、実際の測定の際にはこの感度
kを使用してこの押込み深さ検出器50からの出力から圧
子36の実際の押込み深さを正確に算出する。
Further, the measurement / control circuit 90 is programmed so as to automatically calibrate the indentation depth detector 50 as described below. First, prior to calibration, the indenter arm 30 is locked so as not to rotate. Next, the amount of movement and the number of steps of the indentation depth detector for each step at the time of calibration are input to the measurement and control circuit 90. Note that such setting may be performed in advance. Then, when the measurement and control device 3 is operated,
The output from the depth detector 50 is the measurement / control circuit 90
Is entered and recorded. Next, the measurement / control circuit 90
Is instructed to perform the calibration in the next step. The operator operates the direct-acting micrometer 51 in accordance with this command, and moves the depth detector 50 to the indenter arm 30 by a predetermined displacement amount Δl.
To move against. Next, the output from the depth detector 50 is received and recorded by the measurement / control circuit 90. Less than,
Similarly, the movement amount of the depth detector 50 and its output are measured. FIG. 7 shows the relationship between the movement amount l and the output V measured in this way. From such characteristics, the relation between l and V is applied to the relational expression of V = k · l + M, and the constant k is calculated. The constant k is the inclination of the straight line shown in FIG. 7, that is, the sensitivity of the indentation depth detector 50. And this measurement and control circuit
90 stores the value of k, and uses the sensitivity k to accurately calculate the actual depth of the indenter 36 from the output from the depth-of-press detector 50 in the actual measurement.

次に、このような測定装置の作動およびこのような測
定装置を使用しておこなう測定方法を説明する。
Next, the operation of such a measuring device and a measuring method performed using such a measuring device will be described.

まず、上記の測定・制御装置3を作動させる。上記の
測定・制御回路90は、予め設定されたパターンにしたが
って上記の負荷電流供給装置43を制御し、上記のソレノ
イド42に供給する負荷電流を連続的または段階的に増加
させ、圧子36に作用する押し込み荷重を連続的または段
階的に増加させてゆく。これによって、この圧子36は、
試験材料の表面に順次押し込まれてゆく。そして、所定
の押し込み深さまで押し込まれたら、この負荷電流を連
続的または段階的に減少させ、圧子36に作用する押し込
み荷重を連続的または段階的に減少させてゆく。これに
よって、この圧子36は、順次引き抜かれてゆく。
First, the measurement / control device 3 is operated. The measurement / control circuit 90 controls the load current supply device 43 according to a preset pattern, increases the load current supplied to the solenoid 42 continuously or stepwise, and acts on the indenter 36. The indentation load is increased continuously or stepwise. Thereby, this indenter 36
It is sequentially pushed into the surface of the test material. Then, when the indenter is pushed to a predetermined indentation depth, the load current is reduced continuously or stepwise, and the pushing load acting on the indenter 36 is reduced continuously or stepwise. As a result, the indenter 36 is sequentially pulled out.

そして、この押し込み過程および引き抜き過程におい
て、上記の負荷電流iからこの圧子36の押し込み荷重F
が、また上記の押込み深さ検出器50からの信号に基づい
て押込み深さdが測定され、これら荷重Fと押込み深さ
dの関係が連続的または段階的に測定され、その結果は
上記の測定・制御回路90内に記憶される。そして、これ
らの測定結果から、この試験材料の表面近傍の引張り強
度やヤング率等の物性が算出される。
In the pushing process and the pulling process, the pushing load F of the indenter 36 is obtained from the load current i.
The indentation depth d is measured based on the signal from the indentation depth detector 50, and the relationship between the load F and the indentation depth d is measured continuously or stepwise. It is stored in the measurement / control circuit 90. From these measurement results, physical properties such as tensile strength and Young's modulus near the surface of the test material are calculated.

次に、上記の測定結果から試験材料の物性を算出する
過程を具体的な幾つかの試験材料についておこなった測
定例を例示して説明する。
Next, the process of calculating the physical properties of the test material from the above measurement results will be described by exemplifying measurement examples performed on some specific test materials.

この例示的な試験において使用しな試験材料は、アル
ミ合金(A2017)、燐青銅、ステンレス鋼(SUS304)、
表面を研磨加工したシリコン、圧延加工した状態の金、
ニッケルおよび白金である。
The test materials not used in this exemplary test were aluminum alloy (A2017), phosphor bronze, stainless steel (SUS304),
Silicon with a polished surface, rolled gold,
Nickel and platinum.

また、使用した圧子は、対稜各115゜の三角錐のダイ
ヤモンド圧子であり、この圧子の押込み荷重の変化率は
10〜100mg/秒である。このような条件で各試験材料に圧
子を押込み、最大荷重1000mgに達した後に1秒間保持
し、この後押込み過程と同じ荷重変化率で圧子を引抜い
た。そして、この押込み過程および引き抜き過程におい
て、圧子の押込み荷重Fと押込み深さdをそれぞれ連続
的に測定した。その結果を第8図に示す。この圧子の先
端形状は予め判明しているので、この圧子の押込み深さ
dからこの圧子が形成したであろう圧痕の寸法が計算で
き、従来の方法にしたがってこれらの試験材料の見掛け
のビッカース硬度Hを算出すると、 H=F/S =0.03784・F/d2 …(1) の式で算出される。
The indenter used was a diamond indenter with a triangular pyramid of 115 mm across each edge, and the rate of change of the indentation load of this indenter was
10-100 mg / sec. Under these conditions, an indenter was pressed into each test material, held for 1 second after reaching a maximum load of 1000 mg, and then pulled out at the same load change rate as in the pressing process. In the pushing process and the pulling process, the pushing load F and the pushing depth d of the indenter were continuously measured. The result is shown in FIG. Since the tip shape of the indenter is known in advance, the indentation depth d of the indenter can be used to calculate the size of the indentation that the indenter would have formed, and the apparent Vickers hardness of these test materials according to the conventional method. When H is calculated, it is calculated by the formula of H = F / S = 0.03784 · F / d 2 (1).

このような従来の方法で各試験材料の硬度Hを算出し
た結果を第9図に示す。この結果から明らかなように、
この例示したような浅い領域では、この見掛けの硬度に
は大きい誤差が生じる。特に、100nm以下の領域では誤
差は極めて大きくなる。この原因は、圧子の先端が必ず
しも幾何学的に尖鋭ではなく、接触の初期では試験材料
の弾性変形が先行すること、また試験材料の表面荒さが
原因である。したがって、従来の方法では、このような
浅い範囲の材料の物性を正確に把握できない。
FIG. 9 shows the result of calculating the hardness H of each test material by such a conventional method. As evident from this result,
In the shallow region as illustrated, a large error occurs in the apparent hardness. In particular, the error becomes extremely large in a region of 100 nm or less. This is due to the fact that the tip of the indenter is not always geometrically sharp, the elastic deformation of the test material precedes the initial stage of contact, and the surface roughness of the test material. Therefore, the conventional method cannot accurately grasp the physical properties of the material in such a shallow range.

そこで本発明では、このような浅い領域すなわち試験
材料の弾性変形や表面荒さの影響の大きい領域での押込
み領域における荷重Fと押込み深さdの関係を、 FA・d+B・d2 …(2) ただし、A,Bは定数; の式に近似させる。なお、A,Bは定数である。この
(2)式の第1項は材料の弾性変形および表面荒さに対
応するものであり、第2項はこの試験材料の塑性変形に
対応するものである。この(2)式は、材料の塑性変形
と弾性変形が混在している場合に成立するものである。
この塑性変形は、圧子の押込み荷重と材料の降伏応力と
が釣り合った状態で生じるものであるから、上記の定数
Bはこの材料のビッカース硬度Hvに対応する。
In this invention, the relationship between the load F and the indentation depth d in the pushing area of a large area of influence of the elastic deformation and surface roughness of such a shallow region or the test material, FA · d + B · d 2 ... (2) Where A and B are constants; A and B are constants. The first term of the equation (2) corresponds to elastic deformation and surface roughness of the material, and the second term corresponds to plastic deformation of the test material. This equation (2) holds when plastic deformation and elastic deformation of the material coexist.
Since this plastic deformation occurs when the indentation load and the yield stress of the material are balanced, the above constant B corresponds to the Vickers hardness Hv of this material.

上記の(2)式をdで除すと、 F/d=A+Bd …(3) となる。上記の各試験材料について実際に測定した測定
結果をこの(3)式のようにF/dとdの関係で図示する
と第10図および第11図のようになる。この第10図と第11
図から明らかなように、このF/dとdとの関係は、100nm
以下の領域まで極めて直線的な関係が維持されている。
そして、第12図に模式的に示すように、この押込み過程
における傾斜すなわちBがビッカース硬度に対応してい
る。なお、材料の引張り強さσとビッカース硬度Hvと
の間には、 Hv0.31σ(MPa) …(4) の関係があるので、このビッカース硬度から容易に引張
り強度が算出できる。なお、第13図には、上記のように
して実際に測定された各試験材料のBとHvの値を示し、
論理値と正確に対応していることが明らかである。
When the above equation (2) is divided by d, F / d = A + Bd (3) FIG. 10 and FIG. 11 show the results of actual measurement of each of the above test materials in the relationship between F / d and d as shown in equation (3). Figures 10 and 11
As is apparent from the figure, the relationship between F / d and d is 100 nm
An extremely linear relationship is maintained up to the following regions.
Then, as schematically shown in FIG. 12, the inclination in the pushing process, that is, B corresponds to the Vickers hardness. Since the tensile strength σ B of the material and the Vickers hardness Hv have a relationship of Hv 0.31 σ B (MPa) (4), the tensile strength can be easily calculated from the Vickers hardness. FIG. 13 shows the values of B and Hv of each test material actually measured as described above.
It is clear that they correspond exactly to logical values.

また、圧子の引抜き過程においては、圧痕部の弾性変
形の回復力と圧子の荷重とが釣り合っているとか考えら
れる。この弾性変形している部分は、塑性変形と異な
り、圧子が直接接触している部分より広い範囲にわたっ
て弾性変形していると考えられる。しかし、いずれにし
ても弾性変形している部分の面積Sは、圧子が直接接触
している面積すなわちd2に比例し、また弾性変形してい
る部分の深さtは圧子の押込み深さdに比例していると
考えられる。また、引抜き過程の初期においては、この
圧子は全面的に試験材料に接触していると考えられるか
ら、最大押込み荷重をFm、最大押込み深さをdm、材料の
ヤング率をEとすると、 (F−Fm)/SE(d−dm)/t …(5) となる。ここで、S=αdm 2、t=βdmとすれば、上記
の(5)式は、 F/dmα/β・E・(d−dm)+Fm/dm …(6) となる。さらに、引抜き過程の初期では、 ddmであるから、上記の(6)式は、D=α/β・
Eとして、 F/d=D(d−dm)+Fm/dm …(7) となる。第10図および第11図の実際の測定結果において
も、この(7)式の関係は極めて直線に近い。したがっ
て、この傾斜すなわちDからこの材料のヤング率Eが求
められる。
Also, in the process of pulling out the indenter, it is considered that the recovery force of the elastic deformation of the indented portion and the load of the indenter are balanced. Unlike the plastic deformation, this elastically deformed portion is considered to have been elastically deformed over a wider range than the portion where the indenter is in direct contact. However, in any case, the area S of the elastically deformed portion is proportional to the area where the indenter is in direct contact, that is, d 2, and the depth t of the elastically deformed portion is the indentation depth d of the indenter. It is considered to be proportional to Also, in the initial stage of the drawing process, it is considered that the indenter is in full contact with the test material, so that the maximum indentation load is F m , the maximum indentation depth is d m , and the Young's modulus of the material is E. , (F−F m ) / SE (d−d m ) / t (5) Here, if S = αd m 2, t = βd m, the equation (5) is, F / d m α / β · E · (d-d m) + F m / d m ... (6) Becomes Furthermore, in the initial pull-out process, because it is dd m, the equation (6) is, D = α / β ·
As E, the F / d = D (d- d m) + F m / d m ... (7). Also in the actual measurement results of FIGS. 10 and 11, the relationship of this equation (7) is extremely close to a straight line. Therefore, the Young's modulus E of the material is determined from the slope, ie, D.

なお、第14図には、実際に測定した結果から算出した
Dとヤング率Eの関係を示し、この図からも明らかなよ
うに実際の測定値が論理値と正確に対応している。な
お、このDとEとの関係は、 D3.61・E(MPa) …(8) である。
FIG. 14 shows the relationship between D and Young's modulus E calculated from the result of the actual measurement. As is clear from FIG. 14, the actual measured value exactly corresponds to the logical value. The relationship between D and E is D3.61 · E (MPa) (8).

以上のように、本発明の方法によれば、試験材料の表
面近傍の100nm以下の極めて浅い領域においても、この
物性を極めて正確に測定することができる。
As described above, according to the method of the present invention, even in a very shallow region of 100 nm or less near the surface of the test material, the physical properties can be measured very accurately.

また本発明の装置は、上記のような測定を自動的かつ
正確におこなうものである。すなわち、上述したような
本発明の測定方法では、圧子の押込み荷重および押込み
深さが微小であり、これらを正確に制御しかつ測定する
必要がある。
The apparatus of the present invention performs the above-mentioned measurement automatically and accurately. That is, in the above-described measuring method of the present invention, the indentation load and the indentation depth of the indenter are minute, and it is necessary to accurately control and measure these.

したがって、この圧子を支持する機構に微小なガタや
変形が生じても、これらが圧子の押込み深さの測定に影
響を与え、測定精度を低下させる原因となる。このよう
に圧子を正確に支持する手段として、従来からナイフエ
ッジにより回動自在に支承されたレバーに圧子を取り付
け、このレバーを介して押込み機構から押込み荷重を作
用させるものがある。
Therefore, even if a slight backlash or deformation occurs in the mechanism for supporting the indenter, these influence the measurement of the indentation depth of the indenter and cause a decrease in measurement accuracy. As a means for accurately supporting the indenter as described above, there is a conventional means in which an indenter is attached to a lever rotatably supported by a knife edge, and a pushing load is applied from a pushing mechanism via the lever.

しかしながら、このナイフエッジによる支障は、回動
抵抗が極めて小さいという利点はあるが、その反面、尖
鋭なエッジ部により荷重が支持されるので、その支障荷
重が変化するとこのエッジ部分の変形量が変化したり、
またその回動の際の抵抗も変化することがある。よっ
て、本発明の測定方法を実施する装置にナイフエッジ形
の支承機構を採用した場合には、圧子の引き抜き過程と
引き抜き過程とではこのナイフエッジが支承する荷重が
変化するので、このナイフエッジの支承特性にヒシテリ
シス的な変化が生じ、上記のアームに作用する各種の荷
重のバランスや圧子の押込み深さに影響を与え、測定に
誤差が生じることになる。
However, the hindrance caused by the knife edge has the advantage of extremely small turning resistance, but on the other hand, the load is supported by the sharp edge, so that if the hindrance load changes, the amount of deformation of the edge changes. Or
Also, the resistance at the time of the rotation may change. Therefore, when a knife-edge-type support mechanism is employed in the apparatus for performing the measurement method of the present invention, the load supported by the knife edge changes during the indenter withdrawing process and the withdrawing process. A hysteretic change occurs in the bearing characteristics, which affects the balance of the various loads acting on the arm and the indentation depth of the indenter, causing an error in the measurement.

本発明の装置では、このような影響を排除するため、
上述のように圧子アーム30を軸受け機構70により回転自
在に支承し、この圧子アーム30の圧子アーム部31には圧
子36を取り付け、また駆動アーム部32には押込み駆動機
構40のソレノイド42を接続し、また荷重アーム部33には
校正用の荷重検出器60を接続し、この圧子アーム30に作
用する各種の荷重がすべてこの圧子アーム30のトルクと
して均衡するように構成されている。
In the device of the present invention, in order to eliminate such effects,
As described above, the indenter arm 30 is rotatably supported by the bearing mechanism 70, the indenter 36 is attached to the indenter arm 31 of the indenter arm 30, and the solenoid 42 of the pushing drive mechanism 40 is connected to the drive arm 32. In addition, a load detector 60 for calibration is connected to the load arm section 33 so that various loads acting on the indenter arm 30 are all balanced as the torque of the indenter arm 30.

上記のような軸受け機構70は、精密なボールベアリン
グ等高い精度のものが容易に得られ、かつその支承面積
が広く支承荷重のわずかの変化に対してはその変形、回
動の際の抵抗等の支承特性はほとんど変化せず、またこ
の支承特性は荷重の方向とは無関係である。よって、押
込み過程および引き抜き過程の両方の過程において、上
記の各種荷重の均衡状態に変化が生じても、この軸受け
機構70の支承特性はほとんど変化せず、正確な測定が可
能となる。
The bearing mechanism 70 as described above can easily obtain a high-precision one such as a precision ball bearing, has a large bearing area, and is resistant to a slight change in the bearing load due to deformation, rotation resistance, and the like. The bearing characteristics of this are hardly changed, and this bearing characteristic is independent of the direction of the load. Therefore, in both the pushing process and the pulling process, even if a change occurs in the equilibrium state of the various loads described above, the bearing characteristics of the bearing mechanism 70 hardly change, and accurate measurement can be performed.

しかし、上記のような軸受け機構70は、上述のナイフ
エッジよりその回動抵抗がはるかに大きいので、これを
校正する必要がある。この装置では、圧子アーム30の荷
重アーム部33に対応して設けられた荷重検出器60により
この校正をおこなう。この校正は前述のように圧子36を
試験材料に接触させていない状態において、上記の押込
み荷重機構40により与えられる押込み荷重と、この荷重
検出器60に作用する荷重との関係を求めておくことによ
りなされる。これにより、前述のように押込み荷重機構
40のソレノイド42のコイル感度Sの校正と同時に、上記
の軸受け機構70の回動抵抗等の誤差分を排除してその校
正をしておくことができる。なお、この装置では、圧子
に作用する押込み荷重、押込み荷重機構の荷重、荷重検
出器に作用する荷重等は、すべてこの圧子アーム30のト
ルクとして作用しバランスするので、上記の校正の際に
荷重検出器により荷重を検出する場合と、実際の測定で
圧子に押込み荷重が作用する場合とは、この圧子アーム
30に等しいトルクが作用しているほとんど同一の状態で
あり、この校正を正確におこなうことができる。
However, the bearing mechanism 70 as described above has much greater rotational resistance than the above-mentioned knife edge, and therefore, it is necessary to calibrate it. In this device, this calibration is performed by the load detector 60 provided corresponding to the load arm 33 of the indenter arm 30. In this calibration, the relationship between the indentation load applied by the indentation load mechanism 40 and the load acting on the load detector 60 in a state where the indenter 36 is not in contact with the test material as described above is determined. Made by As a result, the indentation load mechanism
At the same time as the calibration of the coil sensitivity S of the 40 solenoids 42, the calibration can be performed by eliminating errors such as the rotational resistance of the bearing mechanism 70 described above. In addition, in this device, the indentation load acting on the indenter, the load of the indentation load mechanism, the load acting on the load detector, etc. all act as torque of the indenter arm 30 and are balanced. The indenter arm is used when detecting the load with the detector and when the indenter applies a pushing load in actual measurement.
This is almost the same state where a torque equal to 30 is acting, and this calibration can be performed accurately.

[効果] 上述の如く本発明の測定方法は、圧子の押込みおよび
引抜きの過程について測定した押込み荷重Fと押込み深
さdとの関係を測定し、材料の表面近傍における硬度、
引張り強さまたはヤング率等の物性を定数とする前述の
式に近似する式にあてはめ、これらの定数を求めて試験
材料の物性を算定するものである。この式は前述のよう
に材料の浅い領域においてもその材料の物性に正確に対
応しているので、この測定方法によれば従来では測定で
きなかった試験材料の表面近傍のきわめて浅い領域にお
いてもその物性を正確に測定することができるととも
に、その測定も容易におこなうことができる等の効果が
ある。
[Effects] As described above, the measuring method of the present invention measures the relationship between the indentation load F and the indentation depth d measured in the process of indentation and indentation of the indenter, and determines the hardness,
The physical properties such as tensile strength or Young's modulus are applied to the above-mentioned equations which are constants, and the physical properties of the test material are calculated by obtaining these constants. As described above, this equation accurately corresponds to the physical properties of the material even in a shallow region of the material, and therefore, even in an extremely shallow region near the surface of the test material, which could not be measured by the conventional method, this formula can be used. The physical properties can be accurately measured, and the measurement can be easily performed.

また、本発明の装置は、圧子アームを軸受け機構によ
り回転自在に支承するとともに、この圧子アームのこの
圧子アーム部の先端部に圧子を取り付け、また上記の駆
動アーム部の先端部に押し込み荷重機構を設けるととも
に上記の荷重アーム部の先端部に校正用の荷重検出器を
設けたものである。したがって、この圧子アームは軸受
け機構により回動自在に安定して支承されているので、
圧子の押し込み過程のみならず、その引き抜き過程にお
いてもその押し込み荷重や押し込み深さを正確かつ安定
して制御および検出することができる。また、この軸受
け機構の回動抵抗等の誤差分は上記の荷重検出器により
校正され、この際に、上記の圧子、押し込み駆動機構、
荷重検出器の駆動力や反力等の力はすべてこの圧子アー
ムのトルクとしてバランスするので、この校正を正確に
おこなうことができる等の効果がある。
Further, the apparatus of the present invention is arranged such that the indenter arm is rotatably supported by a bearing mechanism, an indenter is attached to the tip of the indenter arm of the indenter arm, and a push mechanism is inserted into the tip of the drive arm. And a load detector for calibration is provided at the tip of the load arm. Therefore, since this indenter arm is rotatably and stably supported by the bearing mechanism,
It is possible to accurately and stably control and detect the indentation load and the indentation depth not only in the indenter pushing process but also in the pulling process. Further, an error component such as a rotation resistance of the bearing mechanism is calibrated by the load detector, and at this time, the indenter, the pushing drive mechanism,
Since forces such as the driving force and the reaction force of the load detector are all balanced as the torque of the indenter arm, there is an effect that this calibration can be performed accurately.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の装置全体の概略図、第2図は測定・制
御装置の概略構成図、第3図は供給される負荷電流の変
化を示す線図、第4図は電流検出器で検出された電流の
状態を示す線図、第5図は荷重検出器で検出された荷重
の状態を示す線図、第6図は負荷電流と荷重との関係を
示す線図、第7図は深さ検出器の移動量と出力との関係
を示す線図、第8図は各種の試験材料の荷重と押込み深
さの関係を示す線図、第9図は各試験材料の見掛けの硬
度を示す線図、第10図および第11図は各種の試験材料の
F/dとdとの関係を示す線図、第12図は第10図および第1
1図の関係を模式的に説明する線図、第13図は各種の試
験材料の硬度とBとの関係を示す線図、第14図は各種の
材料のヤング率とDとの関係を示す線図である。 1……測定機、2……気密容器、3……測定・制御装
置、4……真空ポンプ、30……圧子アーム、40……押込
み荷重機構、50……押込み深さ検出器、60……荷重検出
器、70……軸受け機構。
FIG. 1 is a schematic diagram of the entire apparatus of the present invention, FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a measurement / control device, FIG. 3 is a diagram showing changes in load current supplied, and FIG. 4 is a current detector. FIG. 5 is a diagram showing the state of the load detected by the load detector, FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the load current and the load, and FIG. FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the displacement of the depth detector and the output, FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the load of various test materials and the indentation depth, and FIG. 9 is a graph showing the apparent hardness of each test material. The diagrams shown, FIGS. 10 and 11 show the various test materials.
FIG. 12 is a diagram showing the relationship between F / d and d, FIG.
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating the relationship of FIG. 1, FIG. 13 is a diagram illustrating the relationship between hardness of various test materials and B, and FIG. 14 is a diagram illustrating the relationship between Young's modulus and D of various materials. FIG. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Measuring machine, 2 ... Airtight container, 3 ... Measurement / control device, 4 ... Vacuum pump, 30 ... Indenter arm, 40 ... Push load mechanism, 50 ... Push depth detector, 60 ... … Load detector, 70… Bearing mechanism.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−39743(JP,A) 特開 昭59−3340(JP,A) 特開 昭62−69141(JP,A) 実開 昭57−101950(JP,U) 実開 平3−101447(JP,U) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-62-39743 (JP, A) JP-A-59-3340 (JP, A) JP-A-62-69141 (JP, A) 101950 (JP, U) Real opening Hei 3-101447 (JP, U)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】圧子を試験材料の表面に押し込むことによ
ってこの試験材料の表面の物性を測定する方法であっ
て、 圧子に加える押し込み荷重Fまたは押し込み深さdを変
化させながら試験材料の表面にこの圧子を押し込む過程
と、 この押し込み過程において、上記の押し込み荷重Fと上
記の押し込み深さdの関係を連続的または段階的に測定
する過程と、 圧子に加える押し込み荷重Fまたは押し込み深さdを変
化させながらこの圧子を試験材料の表面から引き抜く過
程と、 この引き抜き過程において、上記の押し込み荷重Fと上
記の押し込み深さdとの関係を連続的または段階的に測
定する過程と、 上記の圧子の押し込み過程における上記の押し込み荷重
Fと押し込み深さdとの関係を次の式 F/d=A+B・d ただし、A、Bはそれぞれ定数; の関係に近似させ、上記の定数Bに比例した量として上
記の試験材料の硬度または引張り強さを求める過程、 とを具備したことを特徴とする測定方法。
1. A method for measuring physical properties of a surface of a test material by pushing an indenter into the surface of the test material, wherein the indenter applies a force F or an indentation depth d to the surface of the test material while changing the indentation load F or the indentation depth d. A step of continuously or stepwise measuring the relationship between the indentation load F and the indentation depth d in the indentation step, and the indentation load F or the indentation depth d applied to the indenter. A step of pulling out the indenter from the surface of the test material while changing it; a step of continuously or stepwise measuring the relationship between the indentation load F and the indentation depth d in the withdrawal step; The relationship between the indentation load F and the indentation depth d in the indentation process is expressed by the following equation: F / d = A + B · d Obtaining a hardness or tensile strength of the test material as an amount proportional to the constant B.
【請求項2】圧子を試験材料の表面に押し込むことによ
ってこの試験材料の表面の物性を測定する方法であっ
て、 圧子に加える押し込み荷重Fまたは押し込み深さdを変
化させながら試験材料の表面にこの圧子を押し込む過程
と、 この押し込み過程において、上記の押し込み荷重Fと上
記の押し込み深さdの関係を連続的または段階的に測定
する過程と、 圧子に加える押し込み荷重Fまたは押し込み深さdを変
化させながらこの圧子を試験材料の表面から引き抜く過
程と、 この引き抜き過程において、上記の押し込み荷重Fと上
記の押し込み深さdとの関係を連続的または段階的に測
定する過程と、 上記の圧子の引き抜き過程における上記の押し込み荷重
Fと押し込み深さdの関係を次の式 F/dmF/d=D(d−dm)+Fm/dm ただし、Fmは最大押し込み時の押し込み荷重、dmは最大
押し込み時の押し込み深さ、Dは定数; の関係式に近似させ、上記の定数Dに比例した量として
上記の試験材料のヤング率を求める過程、 とを具備したことを特徴とする測定方法。
2. A method for measuring physical properties of a surface of a test material by pushing an indenter into the surface of the test material, wherein the indenter applies a force F or an indentation depth d applied to the indenter to the surface of the test material. A step of continuously or stepwise measuring the relationship between the indentation load F and the indentation depth d in the indentation step, and the indentation load F or the indentation depth d applied to the indenter. A step of pulling out the indenter from the surface of the test material while changing it; a step of continuously or stepwise measuring the relationship between the indentation load F and the indentation depth d in the withdrawal step; above indentation load formula F / d m relationship for the next F and an indentation depth d F / d = D (d -d m) + F m / d m However in pulling the course of, F m is the outermost Indentation load during pushing, d m is the maximum indentation when the indentation depth, D is a constant; is approximated to the relationship, process of obtaining the Young's modulus of the test material as a quantity proportional to the constant D, and capital A measuring method characterized by comprising:
【請求項3】圧子に加える押込み荷重または押込み深さ
を変化させながらこの圧子を試験材料の表面に押し込む
とともに引き抜き、この押し込み過程および引き抜き過
程において押込み荷重と押込み深さの関係を連続的に検
出してこれらの関係から上記の試験材料の表面の物性を
測定する方法を実施するための測定装置であって、 軸受け機構により回転自在に支承されるとともに圧子ア
ーム部、駆動アーム部および荷重アーム部がそれぞれ放
射状に突設された圧子アームを備え、 上記の圧子アームの圧子アーム部の先端部に設けられた
所定の先端形状を有する圧子を備え、 上記の圧子アームの駆動アーム部の先端部を設けられこ
の圧子アームに連続的または段階的に変化するトルクを
加え上記の圧子に連続的または段階的に変化する押込み
荷重機構と、 上記の圧子アームの荷重アーム部の先端部に設けられこ
の圧子アームに加えられたトルクを検出して上記の圧子
アーム部の先端部の圧子に加えられる押込み荷重を検出
する校正用の荷重検出器と、 上記の圧子を押込み深さを検出する押込み深さ検出機構
と、 上記の押込み荷重機構の荷重を制御して上記の圧子に作
用する押込み荷重または押込み深さを変化させながら上
記の圧子を試験材料の表面に押込み、またこの押込んだ
圧子を押込み荷重または押込み深さを変化させながら引
き抜くとともに、上記の押込み深さ検出機構からの信号
を受け、上記の押込み荷重と圧子の押込み深さとの関係
からこの試験材料の物性を算出するとともに、上記の荷
重検出器からの信号によりこの装置の校正をおこなう測
定・制御装置とを具備したことを特徴とする測定装置。
3. The indenter is pushed into the surface of the test material and pulled out while changing the indentation load or indentation depth applied to the indenter, and the relationship between the indentation load and the indentation depth is continuously detected in the indentation process and in the withdrawal process. A measuring device for implementing the method for measuring the physical properties of the surface of the test material from the above relationship, wherein the measuring device is rotatably supported by a bearing mechanism and has an indenter arm, a drive arm, and a load arm. The indenter arm includes a radially protruding indenter arm, and includes an indenter having a predetermined tip shape provided at a distal end portion of the indenter arm portion of the indenter arm, and a distal end portion of the drive arm portion of the indenter arm. A continuously or stepwise pushing of the indenter by applying a continuously or stepwise torque to the indenter arm provided; A weight mechanism, provided at the tip of the load arm of the indenter arm, for detecting the torque applied to the indenter arm and detecting the indentation load applied to the indenter at the tip of the indenter arm. A load detector, a pressing depth detecting mechanism for detecting the pressing depth of the indenter, and controlling the load of the pressing load mechanism to change the pressing load or the pressing depth acting on the indenter. The above-mentioned indenter is pushed into the surface of the test material, and the pushed-in indenter is pulled out while changing the indentation load or the indentation depth, and receives the signal from the indentation depth detection mechanism, and receives the indentation load and the indenter. And a measurement and control device for calculating the physical properties of the test material from the relationship with the indentation depth of the test material and for calibrating the device based on the signal from the load detector. Measuring device characterized in that.
【請求項4】前記の押込み荷重機構はソレノイドであ
り、また前記の測定・制御装置はこのソレノイドに供給
する電流を制御して押込み荷重を制御するものであるこ
とを特徴とする請求項3の測定装置。
4. The indentation load mechanism according to claim 3, wherein said indentation load mechanism is a solenoid, and said measurement and control device controls an indentation load by controlling a current supplied to said solenoid. measuring device.
【請求項5】前記の押込み深さ検出機構は、光学形の変
位計を備えており、この光学形の変位計は上記の圧子ア
ームのうち前記の圧子が取り付けられた部分の変位を検
出するものであることを特徴とする請求項3記載の測定
装置。
5. The indentation depth detection mechanism includes an optical displacement gauge, and the optical displacement gauge detects displacement of a portion of the indenter arm to which the indenter is attached. The measuring device according to claim 3, wherein the measuring device is a device.
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