JP3702203B2 - 連続圧入試験のための圧入試験機、これを用いた物性測定方法及び物性計算方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、連続圧入試験のための圧入試験機、これを用いた物性測定方法及びこれを格納した記録媒体、並びに物性計算方法に関する。より詳しくは、別の引張試験を行う代わりに、圧入試験機を、物性を測定する材料に取り付けて連続圧入試験を行い、物性測定方法を格納した記録媒体を手段にして材料の物性を測定し、本発明によって新しく定義された物性計算方法によって材料の物性を計算して、これをディスプレイすることが現場で実時間にて行われる連続圧入試験のための圧入試験機、これを用いた物性測定方法及びこれを格納した記録媒体、並びに物性計算方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現代の構造物及び各種産業施設に用いられている構造用鋼は、高い圧力及び温度の劣悪な環境により時間の経過に伴って材料の信頼性が低下するという大きい問題点を抱えている。従って、材料の劣化による機械的性質の変化を容易且つ簡便に測定することができ、特定の脆弱部分に対して物性評価可能な非破壊試験法の開発の必要性が認識されてきた。
【０００３】
このような必要性によって、一定サイズの試片を使用することなく現場で物性を評価し、或いは局所部位に対する引張物性を評価することのできる手段が要求された。このような手段として、圧入試験を用いて圧入荷重による圧入深さの変化を測定することにより得られる圧入荷重−変位曲線から、材料の物性に対する情報を予測する圧入試験機が発明された。
【０００４】
このような圧入試験機としては、従来「Field indentation microprobe（ＦＩＭ） for structural integrity evaluation（米国特許第4,852,397号）」があった。しかし、ＦＩＭは、機械のサイズが大きく且つセンサの感知する最大荷重が大きくて分解能が大きいから、精度が低かった。
【０００５】
一方、本発明に係る連続圧入試験のための圧入試験機は、現場で材料の物性を測定し計算するため、物性測定方法を格納した記録媒体とこれを用いた物性測定方法の提示がさらに要求される。
【０００６】
このようなソフトウェア的な面からみて、従来のＦＩＭは、連続試験ではなく断続試験(interrupted test)による圧入試験機であって、試験時間が長く、物性の換算も度実験データに基づいた経験的関係式を用いたので、様々な材料への適用が難しかった。また、測定されたデータを分析するにあたって、実験定数補正のための別個の引張試験が要されたので、多くの試験費用がかかると共に、引張試片を得難い部分に対する測定が難しかった。
【０００７】
他の面からみて、本発明は、圧入試験機を用いて圧入子に圧入荷重を加え、圧入荷重の増加及び減少による圧入深さの変化を連続的に測定して圧入荷重−変位曲線を試験結果として提供することにより、金属の加工硬化指数、応力係数、降伏強度及び引張強度等の金属の物性を把握する方法に関するものである。
【０００８】
従来の金属の物性を把握する方法としては、引張試験による方法及び硬度試験による方法などが挙げられる。
【０００９】
しかし、引張試験による方法は、破壊的で、試片準備及び試験にかかる時間、費用が多くかかるという短所があったので、本発明の如く現場での構造物の物性評価には適しない。
【００１０】
一方、引張試験法の短所を克服するために、硬度試験によって得られた硬度値を、金属の相対的強度を比較する物性として使用する硬度試験法は、硬度値が金属の基本的な物性ではないという短所があった。即ち、硬度値は材料の弾塑性性質、圧入子の幾何学的形態、圧入実験条件、表面状態などによっても影響を受ける。一例として、圧入子の面角が小さくなるほど、硬度値は大きくなる。従って、より標準化された物性を得ようとする試みが行われてきた。
【００１１】
まず、Vickers硬度値Ｈと降伏硬度Ｙとの関係を、金属に対し、単純にＨ／Ｙ＝３にして求める方法があるが、この場合、材料の加工硬化特性に対する考慮がなくて誤差が大きくなる。
【００１２】
次に、 Hertz弾性理論が適用される極めて低い荷重での球形圧入の場合において、初期塑性変形が生じる時点を感知してその時の平均接触圧力を用いる場合もあるが、初期降伏荷重が極めて小さいから、薄膜用として用いられているμＮ単位の荷重感知装置を取り付けているナノ(nano)圧入試験法のみで感知できるという短所がある。
【００１３】
最後に、連続圧入試験法においては、米国のF.M. Haggagによる研究と M.V. Swainによる研究とがある。前者は標準引張試験との比較による定数決定が必要であって圧入試験の効率性が低下し、後者は圧入変形率のみを計算して圧入応力に対する考慮がないという短所がある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる問題点を解決するためのものであって、その第１目的は、体積を小型化して実構造物への取付が容易であり、評価対象材料の種類及び大きさを問わず取り付けて試験することができる連続圧入試験のための圧入試験機を提供することにある。
【００１５】
また、本発明の第２目的は、水平移動を可能にして、材料のいろいろな位置で試験するために本体自体を移動する必要がない連続圧入試験のための圧入試験機を提供することにある。
【００１６】
また、本発明の第３目的は、荷重の印加及び除去を繰り返し、この時に発生する荷重及び変位を連続的に測定する連続圧入試験を可能とする連続圧入試験のための圧入試験機、これを用いた物性測定方法及びこれを格納した記録媒体を提供することにある。
【００１７】
また、本発明の第４目的は、実験定数補正のための別個の引張試験を必要としないから、試験費用を節減すると共に、引張試片の得難い部分に対する測定ができる圧入試験機を用いた物性測定方法を提供することにある。
【００１８】
また、本発明の第５目的は、圧入子を用いた圧入荷重の増加、減少による圧入深さの変化を連続的に測定し、測定されたデータを理論的に解析して金属の加工硬化指数、応力係数、降伏強度、引張強度などを計算することにより、金属の機械的特性を把握する方法を提供することにある。
【００１９】
また、本発明の第６目的は、連続圧入試験において、圧入子と金属試片との接触半径を求めるにあたって、圧入部周囲に発生するパイルアップ／シンクイン（pile-up/sink-in）現象を考慮し、圧入子と金属試片との接触半径及び変形率に対する新しい定義を下すことにより、引張試験によって得られた値に近接する結果を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明は、制御プログラム及び物性分析プログラムが搭載されたコンピュータにインタフェースボードを介して接続された、材料の荷重及び圧入深さを測定する圧入試験機において、材料に加えられる荷重を発生させる、モータと減速器とを有する荷重付加装置と、荷重付加装置から生成された回転力を垂直荷重に変換する荷重伝達装置と、荷重伝達装置に装着され、荷重の変化を連続的に測定する荷重センサと、荷重伝達装置の一端に連結され、荷重センサと同軸で動く連結軸及び圧入子ホルダーと、圧入子ホルダーの先端に露出し、材料に実質的に接触荷重を加える圧入子と、圧入子の圧入による圧入深さの変化を連続的に測定する変位センサとを含む本体を有する連続圧入試験のための圧入試験機を提供する。
【００２１】
また、本発明は、連結軸及び圧入子ホルダーが垂直移動できる空間を有し、前記本体の下方に位置し、本体を固定支持するベースと、ベースに締結され、材料を圧入試験機に固定させる取付装置をさらに含むが、取付装置は磁石、チェーン、Ｕ-ブロックのいずれか一つであることを特徴とする連続圧入試験のための圧入試験機を提供する。
【００２２】
また、本発明は、取付装置とベースが固定された状態で圧入子の取り付けられた本体のみ一軸に水平移動できるようにする水平移動装置をさらに含むが、水平移動装置は、ベースの上部面に締結され、上部面にダブテール(dovetail)が設けられたスライダーベースと、スライダーベースと本体との間に位置し、下部面にスライダーベースのダブテールに嵌合可能なダブテール溝が設けられ、ダブテール溝の方向と同一方向に外周面にねじ山付き溝を有するスライダーと、一端はスライダーの溝のねじ山と共にねじ回転可能なねじ山が設けられ、スライダーの溝のねじ山に螺合され、他端はつまみが設けられており、一端と他端との間はブラケットによってベースまたはスライダーベースに螺合された移動つまみを有することを特徴とする連続圧入試験のための圧入試験機を提供する。
【００２３】
また、本発明は、圧入子と変位センサが安全に移動できるように設定された領域の限界位置に取り付けられる圧入子移動制御センサをさらに含む連続圧入試験のための圧入試験機を提供する。
【００２４】
また、本発明は、圧入子の形状が球形、円錐形、四角錐形のいずれかであり、圧入子ホルダーと圧入子とが一体であることを特徴とする連続圧入試験のための圧入試験機を提供する。
【００２５】
また、本発明は、圧入試験機を用いて材料の物性を測定する測定方法において、圧入子を下方に移動させ、圧入子を圧入試験の開始可能な位置へ移動させるが、圧入荷重が荷重設定値以上であれば、圧入子の移動を止めて圧入子を距離設定値だけ上昇させ、圧入荷重が荷重設定値未満であれば、圧入子を引き続き下方に移動させる圧入子接近段階と、圧入子の移動速度及び圧入子の移動深さを設定し、材料に荷重を加える荷重付加段階と、圧入子の移動深さだけ圧入子が垂直移動した後、圧入子の移動深さの一定荷重除去率だけ圧入子を上方に移動させる荷重除去段階と、荷重付加段階及び荷重除去段階を通じて圧入子の垂直移動による圧入子の圧入深さ及び圧入荷重を測定する測定段階と、荷重付加段階、荷重除去段階及び測定段階とを多数回繰り返し行う連続試験段階と、圧入子を材料から除去する圧入子除去段階と、圧入子除去段階の前後に測定段階で測定した圧入深さ及び圧入荷重からなる圧入荷重−変位曲線によって材料の応力−変形率曲線を求め、この応力−変形率曲線を用いて材料の物性を計算する物性計算段階とを含む、圧入試験機を用いた物性測定方法を提供する。
【００２６】
また、本発明は、圧入子接近段階が、圧入子を下方に移動させる圧入子下方移動段階と、圧入荷重が荷重設定値以上であれば、圧入子の移動を止めて圧入子を距離設定値だけ上方に移動させ、圧入荷重が荷重設定値未満であれば、圧入子下方移動段階を引き続き行う判断段階とからなる、圧入試験機を用いた物性測定方法を提供する。
【００２７】
また、本発明は、荷重設定値が０.２〜２ｋｇｆであり、距離設定値が５〜３０μｍであることを特徴とする圧入試験機を用いた物性測定方法を提供する。
【００２８】
また、本発明は、それぞれの連続試験段階毎に、圧入子の移動速度、圧入子の移動深さ及び荷重除去率の少なくともいずれか一つを変化させることができることを特徴とする圧入試験機を用いた物性測定方法を提供する。
【００２９】
また、本発明は、圧入試験機のうち、圧入子を含むフレームのみを水平移動させると共に圧入試験機のベースまたは取付装置は移動させず、同一材料の一軸の多数の位置で段階を繰り返し行って計算した物性値の平均を出して材料の物性を計算する段階をさらに含む圧入試験機を用いた物性測定方法を提供する。
【００３０】
また、本発明は、圧入試験機を用いて材料の物性を測定する測定方法が記録された記録媒体において、圧入子を下方に移動させて圧入子を圧入試験の開始可能な位置に移動させるが、圧入荷重が荷重設定値以上であれば、圧入子の移動を止めて圧入子を距離設定値だけ上昇させ、圧入荷重が荷重設定値未満であれば、圧入子を引き続き下方に移動させる圧入子接近手段と、圧入子の移動速度及び圧入子の移動深さを設定し、材料に荷重を加える荷重付加手段と、圧入子の移動深さだけ圧入子が垂直移動した後、圧入子の移動深さの一定荷重除去率だけ圧入子を上方に移動させる荷重除去手段と、荷重付加手段及び荷重除去手段を通じて圧入子の垂直移動による圧入子の圧入深さ及び圧入荷重を測定する測定手段と、荷重付加手段と荷重除去手段を多数回繰り返す連続試験手段と、圧入子を材料から除去する圧入子除去手段と、圧入子除去手段の前後に測定手段から測定した圧入深さ及び圧入荷重からなる圧入荷重−変位曲線によって材料の応力−変形率曲線を求め、この応力−変形率曲線を用いて材料の物性を計算する物性計算手段とを含む圧入試験機を用いた物性測定方法を格納した記録媒体を提供する。
【００３１】
また、本発明は、特定金属に対して球形圧入子を用いたｍ回の連続圧入試験において、当該特定の金属の加工硬化指数ｎ値を設定する加工硬化指数設定段階と、前記加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値をｆ(ｎ)に代入してｍ回の連続圧入試験のうち、ｋ番目の圧入試験の際、圧入子が当該特定の金属と接触する接触半径ａkを推定する接触半径推定段階と、前記接触半径推定段階で推定された接触半径ａkを用いて当該特定金属に対するｋ番目の圧入試験時の圧入変形率εk及び圧入応力σkを推定する圧入変形率−応力推定段階と、前記ｍ個のεk及びσkをホロモン(Hollomon)の関係式σ＝Ｋεnに代入して当該特定金属の加工硬化指数ｎをｎjと推定する加工硬化指数推定段階と、前記ｎjを加工硬化指数設定段階で設定されたｎと比較する加工硬化指数判断段階と、前記加工硬化指数判断段階でｎjとｎが相違するものと判断された場合、ｎをｎjにして加工硬化指数設定段階、接触半径推定段階、圧入変形率−応力推定段階、加工硬化指数推定段階及び加工硬化指数判断段階を繰り返し行う反復段階と、前記加工硬化指数判断段階でｎjとｎとが同一であると判断された場合、ｎの最終値ｎjをｎf＝ｎjに決定してこれを当該特定金属の加工硬化指数とする加工硬化指数決定段階と、前記加工硬化指数決定段階で決定されたｎ値及び最後の反復段階で得たεk、σkをホロモンの関係式σ＝Ｋεnに代入して当該特定金属の応力係数Ｋ値を決定する応力係数決定段階とを含んで加工硬化指数及び応力係数を決定する連続圧入試験を用いた物性計算方法を提供する。
【００３２】
ここで、ａk 2＝ｆ(ｎ)(２Ｒｈ0−ｈ0 2)、ｆ(ｎ)は加工硬化指数ｎに関する関数、Ｒは圧入子の半径、ｈ0＝ｈmax−０．７５(ｈmax−ｈi)、ｈmaxは当該特定金属に対するｋ番目の圧入試験時の最大圧入荷重における圧入深さ、ｈiは当該特定金属に対するｋ番目の圧入試験における荷重除去曲線の初期勾配を荷重０まで外挿した深さ、
【００３３】
【数７】
【００３４】
、 αは定数、γは当該特定金属に対するｋ番目の圧入試験時の圧入子と当該特定金属との接触角、
【００３５】
【数８】
【００３６】
、βは定数、Ｌmaxは当該特定金属に対するｋ番目の圧入試験時の圧入子に作用する最大荷重を示す。
【００３７】
また、本発明は、前記物性計算方法において、多様な種類の金属に対する代表的降伏変形率値をεRYとする時、加工硬化指数−応力係数決定段階で決定されたｎ値、Ｋ値及びＹ＝ＫεRY nと定義される降伏強度式を用いて当該特定金属の降伏強度Ｙを決定する降伏強度決定段階をさらに含む連続圧入試験を用いた第１の降伏決定方法を提供する。
【００３８】
また、本発明は、前記第１の降伏強度決定方法において、代表的降伏変形率値εRYは、ｙ個の互いに異なる金属のそれぞれに対する連続圧入試験の際に、ｉ番目の金属に対して前記加工硬化指数−応力係数決定段階で決定された加工硬化指数をｎi、応力係数をＫiとし、前記ｎi値及びＫi値を前記降伏強度式に代入して得た値をＹiとする時、
【００３９】
【数９】
【００４０】
であるｙ個のＹi値がそれぞれ引張試験を経て得たｉ番目の金属の降伏強度値(Ｙi)tにそれぞれ近接するように特定されることを特徴とする連続圧入試験を用いた第２の降伏強度決定方法を提供する。
【００４１】
また、本発明は、前記第１または第２の降伏強度決定方法において、代表的変形率値εRYは０.００７〜０.０１３であることを特徴とする連続圧入試験を用いた第３の降伏強度決定方法を提供する。
【００４２】
また、本発明は、前記物性計算方法において、前記加工硬化指数−応力係数決定段階で決定されたｎ値、Ｋ値及びＵＴＳ＝ＵＴＳ(ｎ，Ｋ)と定義される引張強度式を用いて当該特定金属の引張強度ＵＴＳを決定する引張強度決定段階を有することを特徴とする連続圧入試験を用いた第１の引張強度決定方法を提供する。
【００４３】
また、本発明は、前記第１の引張強度決定方法において、前記特定金属に対する引張変形率補正値εＵをεＵ＝εＵ(ｎ)をとする時、前記加工硬化指数−応力係数決定段階で決定されたｎ値、Ｋ値及びＵＴＳ＝Ｋ(εＵ)nと定義される引張強度式を用いて当該特定金属の引張強度ＵＴＳを決定する引張強度決定段階を有することを特徴とする連続圧入試験を用いた第２の引張強度決定方法を提供する。ここで、εＵは当該特定金属の加工硬化指数ｎの関数である。
【００４４】
また、本発明は、前記第１及び第２の引張強度決定方法において、引張強度式ＵＴＳは、ｙ個の互いに異なる金属それぞれに対する連続圧入試験の際に、ｉ番目の金属に対して前記加工硬化指数−応力係数決定段階で決定された加工硬化指数ｎi、応力係数をＫiとし、前記ｎi値及びＫi値を前記引張強度式に代入して得た値をＵＴＳiとする時、
【００４５】
【数１０】
【００４６】
であるｙ個のＵＴＳi値がそれぞれ引張試験を経て得たｉ番目の金属の引張強度値(ＵＴＳi)tにそれぞれ近接するように特定されることを特徴とする連続圧入試験を用いた第３の引張強度決定方法を提供する。ここで、εＵi＝εＵi(ｎi)であって、ｉ番目の金属に対する加工硬化指数ｎiの関数である。
【００４７】
また、本発明は、前記第２または第３の引張強度決定方法において、引張変形率補正値εＵがεＵ(ｎ)＝Ω1ｎ＋Ω2であることを特徴とする連続圧入試験を用いた第４の引張強度決定方法を提供する。但し、ここで、Ω1は０.３〜０.５の定数、Ω2は−０.１〜０.１の定数である。
【００４８】
また、本発明は、前記連続圧入試験を用いた物性計算方法において、ｆ(ｎ)は、ｘ個の互いに異なる金属のそれぞれに対するｍi回の連続圧入試験の際に、ｉ番目の金属に対するｍi個の応力(σR)i及び変形率(εR)iがｉ番目の金属に対する引張試験を経て得た真応力(true stress)−真変形率(true strain)曲線に近接するようにｉ番目の金属のｆ(ｎ)値であるｆ(ｎi)値を特定するｆ(ｎ)値決定段階と、前記ｆ(ｎ)値決定段階で特定されたｘ個のｆ(ｎi)値を用いてｎに関する関数ｆ(ｎ)を特定するｆ(ｎ)決定段階とによって特定されることを特徴とする連続圧入試験を用いた物性計算方法を提供する。
ここで、
【００４９】
【数１１】
【００５０】
、βは定数、(Ｌmax)iはｉ番目の金属に対するｋ番目の圧入試験時の圧入子に作用する最大荷重、
【００５１】
【数１２】
【００５２】
、αは定数、ａi 2＝ｆ(ｎi)(２Ｒｈ0−ｈ0 2)、ｎiはｉ番目の金属の加工硬化指数、Ｒは圧入子の半径、ｈ0＝ｈmax−０．７５(ｈmax−ｈi)、ｈmaxはｉ番目の金属に対するｋ番目の圧入試験時の最大圧入荷重における圧入深さ、ｈiはｉ番目の金属に対するｋ番目の圧入試験における荷重除去曲線の初期勾配を荷重０まで外挿した深さを示す。
【００５３】
また、本発明は、前記連続圧入試験を用いた物性計算方法において、ｆ(ｎ)＝ｃｎ＋ｄであることを特徴とし、或いはｆ(ｎ)＝ｃｎ＋ｄ、αは０.０５〜０.１５、βは１／２.８〜１／３.２であることを特徴とし、或いはｆ(ｎ)＝ｃｎ＋ｄ、αは０.０５〜０.１５、βは１／２.８〜１／３.２であり、最初の加工硬化指数設定段階におけるｎ値は０.３であることを特徴とする。ここで、ｃは−０.４〜−０.３であり、ｄは１.０５〜１.１５である。
【００５４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明に係る実施例を詳細に説明する。この実施例は本発明の技術的思想を説明するための一実施例に過ぎず、本発明はこの実施例のみに制限されるのではない。
【００５５】
１．連続圧入試験のための圧入試験機
まず、図１乃至図５を参照して本発明に係る連続圧入試験のための圧入試験機（以下、「圧入試験機」という）の一実施例を説明する。
【００５６】
図１は本発明の一実施例に係る圧入試験機の全体構成図、図２は図１の本体の正断面図、図３は図１の本体の側断面図、図４は図１の水平移動装置の部分断面が含まれた本体の平面図、図５は図１の本体の下部一部と取付装置、試片テーブルの断面図を示す。
【００５７】
図１を参照すると、本発明に係る圧入試験機は、基本的に、本体１００と、本体１００に連結されたノートブックコンピュータ２００と、本体１００とノートブックコンピュータ２００とを連結するインタフェースボード３００とから構成される。
【００５８】
本体１００は、物性を測定した材料に取り付けて圧入試験を行うための機器の主要部である。ノートブックコンピュータ２００は、本体１００の作動を制御し、本体１００の測定手段によって測定されたデータを分析するためのプログラムが搭載されている。インタフェースボード３００は本体１００とノートブックコンピュータ２００とを連結して信号値を変換する装置であり、本体１００及びノートブックコンピュータ２００に含まれたコネクタがインタフェースボード３００のコネクタに連結される。
【００５９】
図２及び図３を参照すると、本体１００は、フレーム１０１、荷重付加装置１１０、シリンダ１２１、荷重センサ１２３、圧入子ホルダー１２５、圧入子１２７、水平移動装置１４０、圧入子移動制御センサ１５１、本体コネクタ１６１、１６３、１６５を含む。
【００６０】
フレーム１０１は円筒状であり、内部部品を保護するケーシングである。フレーム１０１は荷重付加装置１１０、シリンダ１２１、荷重センサ１２３及び圧入子１２７の一部分などを含み、高強度アルミニウム軽量合金を用いて重量を減らすことにより、携帯及び搬送を容易にした。
【００６１】
荷重付加装置１１０は、圧入試験の際に材料に加えられる荷重を作り出すところであって、モータ１１１、減速器１１２及びボールネジ１１７に大別される。
【００６２】
モータ１１１は、外部荷重及び過負荷にも安定であり且つ精密制御が可能なＡＣサーボモータを用いて、現場で外部振動など発生可能な危険要素の影響を除去する。減速器１１２はモータ１１１の下方に位置し、モータ１１１によって発生した動力で圧入子１２７を移動させる時、圧入子１２７の移動速度を試験に必要なだけの低速に減少させる。減速器１１２の下方にはカップリング１３があって、減速器１１２とボールネジ１１７とが連結される連結軸１１４を連結し、モータ１１１の動力を連結軸１１４に伝達する。連結軸１１４の周りの所定位置にはベアリング１１５があって、連結軸１１４の回転運動を支持する。支持軸１１６はシリンダ１２１を貫通し、シリンダ１２１が上下に移動する際にシリンダ１２１の移動を案内すると共にシリンダ１２１の外部衝撃または自体揺れを防止する。ボールネジ１１７はモータ１１１からの動力によって回転する部分であり、この際の回転力を用いて荷重センサ１２３に荷重を加える。ボールナット１１８はボールネジ１１７と螺合されており、ボールネジ１７が回転すると、ボールナット１１８は上下方向に垂直移動する。
【００６３】
シリンダ１２１は、ボールナット１１８と圧着結合され、ボールナット１１８の垂直移動によって荷重付加装置１１０で作られた回転力を垂直荷重に変換させ、圧入子１２７が材料に荷重を加えることができるようにする。シリンダ１２１には、上述したように支持軸１１６が貫通してある。
【００６４】
荷重センサ１２３は、シリンダ１２１の下方に位置し、シリンダ１２１にネジ１２３ａによって螺合され、シリンダ１２１によって加えられた荷重の変化を連続して測定する。荷重センサ１２３を圧入すると、圧入荷重に比例する変形が発生し、この変形によって荷重センサ１２３に内蔵された変形ゲージの電気抵抗が変わることになり、流れる電流が変化するので、この電流の変化を感知して荷重を連続して測定する。荷重センサ１２３の最大荷重は３００ｋｇｆであり、荷重分解能は０.３ｋｇｆである。最大荷重が増えるにつれて荷重分解能も共に増加するので、精密な分析が難しくなり、最大荷重が低い場合には十分なデータが得られないから、多様な実験を経て最適の荷重範囲を決定する。
【００６５】
荷重センサ１２３の下方にはボールネジ１１７と圧入子１２７とを連結する延長軸１２４がある。延長軸１２４は上端の外周面に雄ネジが設けられ、荷重センサ１２３の下端に設けられた溝の内周面に設けられた雌ネジと螺合されている。
【００６６】
延長軸１２４の末端には圧入子ホルダー１２５と圧入子１２７がある。圧入子１２７は実質的に材料に接触荷重を加える部分であって、球形である。圧入子ホルダー１２５と圧入子１２７とは一体形になっており、圧入子ホルダー１２５の末端には圧入子１２７が成形されている。このように圧入子ホルダー１２５と圧入子１２７とが一体形になっているので、圧入子ホルダー１２５が破損して圧入子１２７が圧入子ホルダー１２５から抜け出す危険性を無くし、圧入子ホルダー１２５と圧入子１２７との間に発生する実験誤差を除去する。この実施例では、圧入子１２７が球形であるが、用途に応じて円錐形または四角錐形のものを使用することもできる。また、圧入子ホルダー１２５と圧入子１２７は一体形ではなく、分離形であってもよい。
【００６７】
変位センサ１２８は、圧入子１２７と平行に接触しているコネクタ１２８ａの下方に位置する。変位センサ１２８は、コネクタ１２８ａの下端に設けられた溝内へ付勢すれば挿入されるが、消勢すれば、溝内に設けられた弾性部材によって元の長さに延長される。センサブラケット１２９は、圧入子１２７に連結された延長軸１２４と、変位センサ１２８に連結されたコネクタ１２８ａとを締結する。圧入子１２７が試片に圧入されると、変位センサ１２８はコネクタ１２８ａの溝内に挿入され、この挿入深さを測定するので、圧入子の圧入長さを測定することができる。変位センサ１２８の最大測定範囲は２ｍｍであり、正確な圧入深さを測定できるようにするため、ＬＶＤＴ(Linear Variable Displacement Transducer)を使用したが、これに制限されるものではない。
【００６８】
荷重付加装置１１０及び荷重センサ１２３とベースとの間には水平移動装置１４０がある。水平移動装置１４０は圧入試験を行った後、同一材料に対して相違する位置で次の圧入試験を行うとき、圧入試験機全体を移動することなく、フレーム１０１のみ水平移動して次の圧入試験を行うための装置である。
【００６９】
図２、図３及び図４を参照するが、主に図４を参照すると、本体１００のフレーム１０１の下方に位置した水平移動装置１４０は、スライダー１４１、スライダーベース１４２、ロック１４３、ロックボルト１４３ａ、移動つまみ１４５からなる。スライダー１４１は、本体１００のフレーム１０１の下方に位置し、スライダーベース１４２はスライダー１４１の下方に位置する。スライダーベース１４２には凹形のダブテール溝(dovetail groove)１４２ａが設けられており、スライダー１４１にはブロック形のダブテール１４１ｂが設けられ、これらが嵌合してある。従って、スライダー１４１がスライダーベース１４２に乗ってダブテール１４１ｂ方向（またはダブテール溝１４２ａ方向）に摺動して本体１００を水平移動するようにすることができる。ロックボルト１４３ａはスライダー１４１に設けられた溝を貫通してスライダーベース１４２と断面接触している。ロック１４３はロックボルト１４３ａと締結され、ロック１４３を回転させると、ロックボルト１４３ａが上下に移動する。ロック１４３をロックボルト１４３ａが延長されるように回転させると、ロックボルト１４３ａがスライダーベース１４２を加圧してスライダー１４１を固定する。この状態でロック１４３をロックボルト１４３ａが短縮されるように回転させると、ロックボルト１４３ａはスライダーベース１４２の加圧を解除し、スライダー１４１に付勢すれば水平移動可能にする。スライダー１４１の水平移動可能な力は、移動つまみ１４５を回転させることにより得られる。移動つまみ１４５にはブラケット１４５ａを貫通してスライド１４１に設けられたナット１４５ｃと螺合されたボルト１４５ｂが存在する。移動つまみ１４５を回転させると、移動つまみボルト１４５ｂも共に回転する。移動つまみボルト１４５ｂの回転によって移動つまみナット１４５ｃ、スライダー１４１及びフレーム１０１がねじ山の方向によって移動つまみ１４５の方向またはその反対方向に移動できるようにする。移動つまみ１４５には移動距離を表わす目盛が付いている。
【００７０】
図３を参照すると、圧入子移動制御センサ１５１は、圧入子１２７と変位センサ１２８の無理な上下移動による機器の破損を防止するために取り付けられる。圧入子１２７と変位センサ１２８とが安全に移動できる領域を設定し、各領域の限界位置に圧入子移動制御センサ１５１を取り付ける。この領域を外れる場合には、モータ１１１の回転が中断されて圧入子１２７と変位センサ１２８の移動が中断する。
【００７１】
本体１００の末端には本体ベース１３３がある。本体ベース１３３は取付装置１３０を本体１００に連結させ、取付装置１３０を締結していない場合には本体１００を支持する。
【００７２】
図５を参照すると、本発明に係る圧入試験機は、本体１００とは別に取付装置１３０を有する。取付装置１３０は磁石１３１、磁石ブラケット１３３ａ、２つのボルト１３３ｂ、１３３ｂ’を有する。磁石１３１と本体ベース１３３は、磁石ブラケット１３ａと２つのボルト１３３ｂ、１３３ｂ’によってそれぞれ螺合されている。磁石１３１は、取り付ける部分が鉄材からなる時に用いられるが、曲率のある材料の場合には磁石の底部を曲率に合わせて加工して使用する。本実施例は取付装置１３０が磁石１３１であるものと説明したが、取り付けるべき材料の種類によってチェーンまたは曲率のあるＵ-ブロックを使用することもできる。チェーンは磁石を使用できない場合に、材料の周りを巻き付けて本体に付着させる。３００ｋｇの高荷重を支持するために、４連チェーンを使用し、本体ベース１３３とチェーンとの間はボルト締結方式と止め具用ネジ締結方式を混用して締結する。Ｕブロックはチューブに使用し、本体１００を支持する両方のブラケットとＵ-ブロックとをボルトで締結して本体１００を固定する。
【００７３】
さらに図１を参照すると、本体１００のフレーム１０１の上端部に位置する本体コネクタは、本体１００とインタフェースボート３００とを信号連結する部分である。本体コネクタにはモータコネクタ１６１、エンコーダコネクタ１６３及び変位コネクタ１６５があって、それぞれインタフェースボード３００のモータコネクタ１６１’、エンコーダコネクタ１６３’及び変位コネクタ１６５’と連結される。
【００７４】
ノートブックコンピュータ２００は、測定した材料の圧入荷重と変位データとを分析するプログラムを搭載し、現場で様々な物性を計算することができる。変換可能な物性値には、硬度、流動曲線、降伏強度、加工硬化指数、引張強度、不均一延伸率などがあり、連続圧入試験を用いた加工硬化指数及び応力係数、降伏強度、引張強度は本発明によって計算可能なものであって、これらの計算方法は後術する。
【００７５】
インタフェースボード３００にはそれぞれ本体１００のモータコネクタ１６１、エンコーダコネクタ１６３及び変位コネクタ１６５に連結されるモータコネクタ１６１’、エンコーダコネクタ１６３’及び変位コネクタ１６５’がある。更に、ノートブックコンピュータ２００の通信ポートに連結されるコンピュータコネクタ１６７がある。また、インタフェースボード３００には圧入子１２７を手動駆動させる時に圧入子１２７を上、下に移動させるためのアップ／ダウンボタン３０１がある。この他にも、初期化ボタン３０３、緊急ボタン３０５、電源ボタン３０７がある。
【００７６】
以下、図１乃至図５を参照して本発明に係る圧入試験機の作動について説明する。
【００７７】
まず、取付装置１３０を本体１００の本体ベース１３３に螺合した後、取付装置１３０を試験する材料に取り付ける。ロック１４３が施錠されていると、ロックボルト１４３ａが下方に移動するようにロック１４３を回転させてロックボルト１４３ａがスライダーベース１４２を加圧するようにすることにより、スライダー１４１及び本体１００などを固定させる。インタフェースボード３００の電源ボタン３０７を押して電源をつけ、ノートブックコンピュータに搭載されたプログラムでモータ１１０を回転させると、減速器１１２で圧入子１２７の移動速度に求められるだけの低速に減速させる。モータ１１１の回転力は、連結軸１１４とボールネジ１１７を回転させてボールナット１１８を下方に垂直移動させる。ボールナット１１８の垂直移動は、シリンダ１２１、荷重センサ１２３、延長軸１２４、圧入子ホルダー１２５、圧入子１２７を同時に下方に移動させる。この際、荷重センサ１２３は、荷重の変化を連続して測定する。前記垂直荷重は圧入子１２７を材料に圧入させる。変位センサ１２８は圧入子１２７が圧入されて圧入深さが延長されると、コネクタ１２８ａの溝に挿入され、挿入深さによって圧入子１２７の圧入深さを連続して測定する。荷重センサ１２３と変位センサ１２８によって荷重及び圧入深さを一定深さまで測定し、モータ１１１を反対方向に回転させ、圧入子１２７の荷重を一定の度合い除去しながら荷重及び圧入深さを測定して応力及び変形率を求める過程を一位置で連続的に行う。改めて、前記方法で圧入子１２７に荷重を加えてさらに圧入深さを延長し、荷重及び圧入深さを測定し、再び荷重を一定の度合い除去して荷重及び厚入深さを連続的に測定することにより応力及び変形率を求める。このような過程を繰り返し行うことにより、一位置における応力及び変形率曲線を完成することができる。
【００７８】
一位置で圧入試験が完了すれば、水平移動装置１４０のロック１４３を解錠し、移動つまみ１４５を回してスライダー１４１を水平移動させた後、次の位置で同圧入試験を行う。
別の材料に対して圧入試験を行うためには、取付装置１３０の磁石１３１を取り外して別の材料に圧入試験機全体を移動させた後、磁石１３１をさらに別の材料に取り付けて圧入試験を行う。また、曲率をもった対象に取り付けるため、磁石を曲率加工して使用することができる。一方、測定材料が磁性体ではない場合には、図５の取付装置１３０の磁石ブラケット１３３ａと本体ベース１３３とを螺合させるボルト１３３ｂを回転させ、取付装置１３０を本体１００から分離した後、別の取付装置、例えばチェーンまたはＵ-ブロックを本体ベース１３３に締結した上、圧入試験を行う。
【００７９】
２．圧入試験機を用いた物性測定方法
図６乃至図８を主に参照し図１乃至図５を付随的に参照して、本発明に係る圧入試験機を用いた物性測定方法の一実施例を説明する。
【００８０】
図６は本発明の一実施例に係る圧入試験機を用いた物性測定方法の流れ図、図７は図６の圧入子移動方法選択段階の詳細流れ図、図８は図６の圧入子接近段階の詳細流れ図を示す。
【００８１】
図６を参照すると、本発明に係る圧入試験機を用いた物性測定方法は、圧入子移動方法選択段階Ｓ１０と、圧入子接近段階Ｓ２０と、荷重付加段階Ｓ３０と、荷重除去段階Ｓ４０と、測定段階Ｓ５０と、連続試験段階Ｓ６０と、物性計算段階Ｓ７０と、圧入子除去段階Ｓ８０とを有する。本発明に係る連続圧入試験を用いた物性測定方法は、前記段階のうち物性計算段階Ｓ７０のみを除いた方法により、物性計算のための基礎データを測定する方法である。
【００８２】
圧入子移動方法選択段階Ｓ１０は、圧入試験機の圧入子１２７の移動を手動または自動で選択する段階である。図７を参照すると、まず、圧入試験を開始する前に圧入子２７を材料に接近させるために、圧入子１２７の移動方法を選択する（Ｓ１００）。圧入子１２７の移動を手動にするか否かを尋ね（Ｓ１１０）、手動にするとすれば、圧入子１２７の移動速度を設定する（Ｓ１２０）。圧入子１２７の移動速度を設定した後、アップ（Ｕｐ）を選択すると（Ｓ１３０）、圧入子１２７を上方に移動させる（Ｓ１５０）。一方、ダウン（Ｄｏｗｎ）を選択すると（Ｓ１３５）、圧入子１２７を下方に移動させる（Ｓ１５５）。
【００８３】
圧入子１２７の移動を手動にしないで自動にするとしても（Ｓ１１５）、一応、圧入子１２７の移動速度を設定しなければならない（Ｓ１２０）。その後、移動距離を入力し（S１４０）、移動距離が負数であるか否かを判断し（Ｓ１４５）、移動距離が負数であれば、圧入子１２７を上方に移動させ（Ｓ１５０）、移動距離が正数であれば、圧入子を下方に移動させる（Ｓ１５５）。
【００８４】
圧入子接近段階（Ｓ２０）は、圧入子１２７を圧入試験の開始可能な位置へ移動させて材料に接近させる段階である。図８を参照すると、圧入子１２７を下方に移動させながら（Ｓ２１０）実時間で移動距離及び荷重を表示する（Ｓ２２０）。次に、圧入子１２７に加えられる荷重が１ｋｇｆ以上であるかを判断し（Ｓ２３０）、荷重が１ｋｇｆ以上であれば（はい）、圧入子１２７の下方移動を止めて（Ｓ２４０）上方に１０μｍ移動した後（Ｓ２５０）停止する（Ｓ２６０）。こうなると、圧入子１２７と材料間の距離が試験を開始し得る適切な程度にセットされる。もし荷重が１ｋｇｆ以上でなければ（いいえ）、圧入子１２７の荷重が１ｋｇｆに達するまで圧入子１２を引き続き下方に移動させ、圧入子接近段階を繰り返し行う。この際、１ｋｇｆ、１０μｍという値はそれぞれ荷重設定値と長さ設定値を示し、反復的な実験の結果得られた値であり、データ測定開始範囲が１ｋｇｆ以上であるから、物性測定には影響を与えない。また、本実施例では荷重設定値と長さ設定値がそれぞれ１ｋｇｆと１０μｍであるが、実験の結果、エンゲージの荷重設定値は０.２〜２ｋｇｆ、長さ設定値は５〜３０μｍ内で有効範囲を有するので、この範囲内でのエンゲージの設定は本発明の範囲に属するものと言える。
【００８５】
荷重付加段階（Ｓ３０）は材料に荷重を加えて圧入子１２７を垂直下降させる段階である。この際、垂直下降速度（移動速度）と垂直下降長さ（移動距離）を予め定めておく。圧入子１２７の移動速度と移動距離は、前記圧入試験機のモータ１１１と減速器１１２を制御して得ることができる。例えば、最大移動深さを３００μｍ、反復回数を１０にした時、移動速度を０.１ｍｍ／ｍｉｎ、１回移動深さを３０μｍとすることができる。
【００８６】
荷重除去段階（Ｓ４０）は、圧入子１２７が移動長さだけ下方に移動した後、一定の荷重除去率だけ荷重を除去して圧入子を一定距離だけ上方に移動させる段階である。これも、前記圧入試験機のモータ１１１と減速器１１２を制御して得ることができる。前記例において、荷重除去率が３０％以上の場合、１回の移動深さを得るために加えた荷重の７０％に該当する荷重まで圧入子を上方に移動させる。
【００８７】
測定段階（Ｓ５０）は、荷重付加段階（Ｓ３０）と荷重除去段階（Ｓ４０）とを経て圧入子（１２７）の垂直移動による圧入子（１２７）の圧入深さと圧入荷重とを測定する段階である。この段階（Ｓ５０）は圧入試験機の変位センサ１２８と荷重センサ１２３によって行われる。
【００８８】
連続試験段階（Ｓ６０）は、荷重付加段階（Ｓ３０）、荷重除去段階（Ｓ４０）及び測定段階（Ｓ５０）を一定の回数繰り返し行う段階である。一方、移動速度、圧入子の移動深さ及び荷重除去率を各回数毎に異にすることができる。例えば、回数が低くて付加荷重が少ない場合（第１回〜第３回）には、荷重除去率を大きくし、段々回数が高くなると、荷重除去率を小さくすることもできる。回数が低い場合には、荷重除去率を大きくするので、塑性変形の態様を正確に反映することができる。
【００８９】
物性計算段階（Ｓ７０）は、測定段階（Ｓ６０）で測定して求めた圧入深さに対する圧入荷重曲線を用いて応力−変形率曲線を求め、この応力−変形率曲線を用いて材料の物性を計算する段階である。ここで、物性とは、流動曲線、降伏強度、加工硬化指数、引張強度、不均一延伸率などをいうが、連続圧入試験を用いた加工硬化指数及び応力係数、降伏強度、引張強度は、本発明によって計算可能なものであり、これらの計算方法は後術する。
【００９０】
圧入子除去段階（Ｓ８０）は、圧入子１２７を材料から除去する段階である。勿論、物性計算段階（Ｓ７０）は圧入子除去段階（Ｓ８０）の前後に位置することができる。
【００９１】
以上、添付図を参照して圧入試験機を用いた圧入試験データ測定方法及び物性測定方法を説明したが、本発明はこれに制限されるものではない。
【００９２】
圧入試験機の水平移動装置１４０を用いて圧入子１２７を同一材料に対して一軸方向に水平移動しながら前記物性測定方法を繰り返し行うので、同材料に対して物性値を多数計算することもできる。多数測定された物性値のうち小さ過ぎるか大き過ぎる値を示すデータは捨ててしまい、残り物性値の平均を出すことにより、材料の物性をより正確に求めることができる。
【００９３】
３．圧入試験機を用いた物性測定方法を格納した記録媒体
図９乃至図１２を主に参照し図１乃至図８を付随的に参照して、本発明に係る圧入試験機を用いた物性測定方法を格納した記録媒体（以下、「この記録媒体」という）を説明する。この記録媒体は、コンピュータなどの演算装置で作動させることができる。例えば、この記録媒体は、図１に示すノートブックコンピュータ２００で作動させてインタフェースボード３００を介して圧入試験機を制御し、圧入試験機の測定データを入力として材料の物性値を測定し、特定の物性を計算して出力することができる。
【００９４】
図９は本発明の一実施例による圧入試験機を用いた物性測定方法を格納した記録媒体をコンピュータによって作動させる場合の初期画面、図１０は実験条件設定画面、図１１の(ａ)は本発明の一実施例に係る圧入試験機を用いた物性測定方法を格納した記録媒体によって測定された圧入深さ−圧入荷重曲線の画面、図１１の(ｂ)は同一或いは相違する材料に対して多数測定された圧入深さ−圧入荷重曲線の重畳画面、図１２は図１１の(ａ)の圧入深さ−圧入荷重曲線を用いて誘導された流動曲線分析結果画面を示す。
【００９５】
図９を参照すると、この記録媒体をコンピュータによって作動させた場合の初期画面４００は、上位メニュー４１０、機器の現在状態表示部４２０、モータの手動駆動部４３０、エンゲージボタン４４０、グラフ窓４５０、流動曲線ボタン４６０、硬度分析ボタン４７０から構成される。前記初期画面の構成要素は、マウスまたはキーボードを用いてクリックし、或いはキーボードを用いて手動操作することができる。
【００９６】
上位メニュー４１０には、実験条件設定４１０ａ、機器設定４１０ｂ、グラフ４１０ｃなどの基本メニューを有する。実験条件設定４１０ａのメニューを選択すると、図１０に示す実験条件設定画面が出力される。実験条件は、圧入子の種類、圧入子の半径、多重実験回数、最大変位、荷重除去率、荷重維持時間などである。下部の手動部には最終変位と試験速度を調節することができるようになっている。このような実験条件による実験条件模式図が出力され、実験条件による実験結果を予測して出力する。
【００９７】
機器の現在状態表示部４２０は、現在の、圧入試験機の圧入子１２７の荷重と変位を表示する。
【００９８】
モータの手動駆動ボタン４３０は、試験前に圧入子１２７を材料に接近させるか、或いは圧入試験終了後、次の圧入試験位置へ移動するために圧入子１２７を材料から除去するときに使用するメニューである。図７を参照すると、圧入子１２７の移動速度を設定した後（Ｓ１２０）、手動駆動ボタンのアップ（Ｕｐ）ボタンを押すと（Ｓ１３０）、圧入子が上方に移動する（Ｓ１５０）。一方、ダウン（Ｄｏｗｎ）ボタンを押すと（Ｓ１３５）、圧入子１２７が下方に移動する（Ｓ１５５）。
【００９９】
エンゲージボタン４４０は、材料を試験開始可能な位置に移動させる時、試験者が直接圧入子と材料を観察しながら圧入子を材料に接近させなければならないという不便さを無くすために、自動で材料を試験開始可能な位置へ移動させるメニューである。図８を参照すると、まず、エンゲージボタン４４０を押すと、図６の圧入子接近段階（Ｓ２０）を行って圧入子１２７を圧入試験可能な位置へ移動させる。
【０１００】
初期画面４００に図示されていない開始ボタンをクリックすると、この記録媒体に格納された測定方法に従う測定を行って材料の物性値を測定することができる。現在の圧入子の荷重及び変位が機器の現在状態部４２０に出力されることは上述した。また、現在までの累積圧入深さ（変位）による圧入荷重曲線は、図１１の(ａ)に示すように、グラフ窓４５０に示す。同材料に対し水平移動して圧入深さによる圧入荷重曲線を多数求めた場合、或いは試験部位によって引張物性が変化し、これに対する比較が必要な場合には、同時に、図１１の(ｂ)に示すように曲線を重ね合わせて示すこともできる。
【０１０１】
初期画面４００には、流動曲線ボタン４６０及び硬度分析ボタン４７０があって、流動曲線ボタン４６０をクリックすると、流動曲線分析窓が画面に現われる。流動曲線分析窓で分析開始ボタンを押すと、流動曲線が誘導される。また、硬度分析ボタン４７０をクリックすると、硬度曲線分析窓が画面に現われ、分析開始ボタンを押すと、硬度値が表示される。例えば、流動曲線ボタン４６０をクリックすると、図１２に示すように、横軸を変形率とし縦軸を応力とする流動曲線が現われる。図１２の流動曲線の下部には加工硬化挙動を最適化させたホロモン式が表示され、右側には後術する物性計算方法で計算された降伏強度、引張強度、加工硬化指数が表示される。このような内容を様々な種類のファイル形式、例えばＢＭＰにて保存することができる。
【０１０２】
４．連続圧入試験を用いた物性計算方法
１）加工硬化指数及び応力係数決定方法
連続圧入試験を用いた物性測定方法を格納した記録媒体を作動させたノートブックコンピュータが装着された圧入試験機を用い、物性測定方法によって物性が測定されると、次のような方法で物性を計算することができる。
【０１０３】
図１３を参照すると、連続圧入試験によって金属の応力係数（ホロモンの関係式σ＝ＫεnにおいてＫをいう。以下同一。）及び加工硬化指数（ホロモンの関係式σ＝Ｋεnにおいてｎをいう。以下同一。）を決定するためには、まず、当該金属の圧入荷重−変位曲線(L-h curve)を測定する。
【０１０４】
金属の圧入荷重−変位曲線測定時の圧入子は０.５ｍｍの球形圧入子を利用し、圧入子の圧入速度は０.１ｍｍ／ｍｉｎとする。求めようとする真応力−真変形率曲線の真変形率が大きいほど、小径の圧入子を利用し、求めようとする真応力−真変形率曲線の真変形率が小さいほど、大径の圧入子を利用した方がよい。また、システムのコンプライアンス(compliance)による誤差を減らすために、変位センサとしてのＬＶＤＴと圧入子とを最大限近く位置させる。そして、十分な実験結果を得るために、最終圧入深さは０.３ｍｍ（圧入子半径の６０％）とし、ｍ回の部分荷重除去によって圧入荷重−変位曲線を測定する。
図１３を参照すると、本発明によって特定金属の応力係数及び加工硬化指数を決定するためには、当該特定金属に対する加工硬化指数ｎ値を設定する加工硬化指数設定段階と、圧入荷重−変位曲線から特定圧入荷重作用時の圧入子と当該特定金属との接触半径ａを推定する接触半径推定段階と、接触半径推定段階で推定された接触半径を用いて当該特定金属に対する特定圧入荷重作用時の圧入変形率及び圧入応力を推定する圧入変形率−応力推定段階と、当該特定金属に対する圧入変形率−応力推定段階で推定されたｍ個の圧入変形率及び圧入応力をホロモンの関係式σ＝Ｋεnに代入して特定金属の加工硬化指数ｎをｎjと推定する加工硬化指数推定段階と、加工硬化指数推定段階で推定されたｎjと加工硬化指数設定段階で設定されたｎとを比較する加工硬化指数判断段階と、加工硬化指数判断段階でｎjとｎとが相違するものと判断された場合、ｎをｎjにする加工硬化指数設定段階、接触半径推定段階、圧入変形率−応力推定段階及び加工硬化指数推定段階を繰り返し行う反復段階と、加工硬化指数判断段階でｎjとｎとが同一であると判断された場合、加工硬化指数ｎ値をｎjと決定してこれを当該金属の加工硬化指数値にする加工硬化指数決定段階と、加工硬化指数決定段階で決定されたｎ値及び最後の反復段階で得た圧入変形率及び圧入応力をホロモンの関係式σ＝Ｋεn に代入して当該特定金属に対する応力係数Ｋ値を決定する応力係数決定段階を行う。
【０１０５】
＜加工硬化指数設定段階＞
加工硬化指数設定段階では特定金属の加工硬化指数ｎ値が設定される。第１回目の加工硬化指数設定段階におけるｎ値は０.３とし、第２回目以上の加工硬化指数設定段階におけるｎ値は後術する加工硬化指数推定段階で推定されるｎj値とする。
【０１０６】
＜接触半径推定段階＞
圧入子と当該特定金属との接触半径を推定するためには、圧入荷重と圧入荷重作用時の変位とを示す圧入荷重−変位曲線(L-h Curve)を測定しなければならなく、圧入荷重−変位曲線の概略的な図は、図１４に示されている。圧入荷重−変位曲線は連続圧入試験のための圧入試験機を用いて得ることができる。当該特定金属に対する圧入荷重−変位曲線が求められると、当該特定金属に対する圧入荷重−変位曲線からｋ番目の特定圧入荷重作用時の圧入子と当該特定金属との接触半径ａkを次の式(ａ)のように推定する。
【０１０７】
ａk 2＝ｆ(ｎ)(２Ｒｈ0−ｈ0 2) ・・・(ａ)
ここで、ｈ0＝ｈmax−０．７５(ｈmax−ｈi)
式(ａ)において、ｆ(ｎ)は圧入時の圧入部周囲に発生するパイルアップ／シンクイン(pile-up/sink-in)による影響を補正するためのもので、ｎは金属の加工硬化指数を示し、ｆ(ｎ)＝１.１１０８−０.３５５５ｎとする。そして、Ｒは圧入子の半径を示す。
【０１０８】
また、図１４を参照すると、式(ａ)において、ｈ0は金属に対するｍ回の圧入試験のうち、ｋ番目の特定圧入荷重作用時の最大圧入深さｈmaxから弾性屈曲による深さを引いた深さであり、これは圧入弾性理論(W.C. Oliver and G.M. Pharr, J.Mater. Res. 7(6), 1564(1992) 参照)から求められたもので、ｈiは荷重除去曲線の初期勾配Ｓを荷重０まで外挿した深さであり、荷重除去曲線の初期接線が圧入荷重−変位曲線のｈ軸と交差する点によって決定される。
【０１０９】
従って、ｋ番目の特定圧入荷重作用時の圧入子と金属との接触半径ａkを推定するためには、圧入荷重−変位曲線からｈmax、Ｓ及びｈi値を求めなければならない。
【０１１０】
ｈmax及びｈi値が求められると、式(ａ)を用いてｈ0及びｆ(ｎ)値を求めた後、ａkを推定する。ｆ(ｎ)値を求めるにあたって、ｎは加工硬化指数設定段階で設定された値とする。加工硬化指数ｎの関数であるｆ(ｎ)の決定方法は後術する。
一方、当該特定金属には圧入子を介してｍ回にわたって圧入荷重を作用させるので、全てｍ個のａ値が推定される。
【０１１１】
ｆ ( ｎ ) 決定方法
ｆ(ｎ)は金属の物性である加工硬化指数ｎの関数であって、ｆ(ｎ)は実験を経ていろいろの金属に対するｆ(ｎ)値を求めるｆ(ｎ)値決定段階と、ｆ(ｎ)値決定段階で求めたいろいろの金属に対するｆ(ｎ)値を用いて関数ｆ(ｎ)の定数値を決定する関数ｆ(ｎ)決定段階によって特定される。この際、ｆ(ｎ)はｎに関する一定の式と仮定される。
【０１１２】
▲１▼ｆ(ｎ)値決定段階
ｘ個の互いに異なる金属それぞれに対するｍi回の連続圧入試験時、ｉ番目の金属に対するｋ回目の圧入試験時の応力を(σR)iとし、変形率を(εR)iとすると、それぞれの金属に対してｍi時の(σR)i、(εR)iを得る。ここで、
【０１１３】
【数１３】
【０１１４】
、βは定数であって1／３、(Ｌmax)iはｉ番目の金属に対するｋ番目の圧入試験時の圧入子に作用する最大荷重、
【０１１５】
【数１４】
【０１１６】
、αは定数であって０.１、ａi 2＝ｆ(ｎi)(２Ｒｈ0−ｈ0 2)、ｎiはｉ番目の金属の加工硬化指数、Ｒは圧入子の半径、ｈ0＝ｈmax−０．７５(ｈmax−ｈi)、ｈmaxはｉ番目の金属に対するｋ番目の圧入試験時の最大圧入荷重における圧入深さ、ｈiはｉ番目の金属に対するｋ番目の圧入試験において荷重除去曲線の初期勾配を荷重０まで外挿した深さを示す。
【０１１７】
一方、上述したように(Ｌmax)i、Ｒは測定可能であり、ｈiは計算可能なので、(σR)i及び(εR)i値はｆ(ｎi)値によって特定される。
【０１１８】
即ち、ｉ番目の金属に対するｍi個の(σR)i、(εR)iはｆ(ｎi)のみの関数なので、ｍi個の(σR)i、(εR)iがｉ番目の金属に対して引張試験を経て得た真応力−真変形率曲線に近接するようにｆ(ｎi)値を特定すると、ｆ(ｎ)値決定段階が完了する。
【０１１９】
▲２▼関数ｆ(ｎ)決定段階
関数ｆ(ｎ)決定段階では関数ｆ(ｎ)の形態を仮定した後、前記ｆ(ｎ)値決定段階で特定されたｘ個の金属に対するｆ(ｎi)値を用いてｎに関する関数としてのｆ(ｎ)を特定する。従って、関数ｆ(ｎ)は金属試片が多様であるほど、各試片に対する圧入実験回数が多いほど、好ましい関数と特定される。
【０１２０】
図１５を参照すると、関数ｆ(ｎ)はｆ(ｎ)＝ｃｎ+ｄと仮定し、前記ｆ(ｎ)値決定段階で特定されたｘ個の金属に対するｆ(ｎ)値を最も適合に反映するように前記ｃ、ｄの値を特定することにより決定され得る。しかし、関数ｆ(ｎ)の形態は必ず加工硬化指数ｎに関する一次式である必要はなく、ｎに関する多項式またはその他の関数と仮定することができる。
【０１２１】
図１４乃至図２３を参照してAISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼を金属試片にして関数ｆ(ｎ)を決定すると、ｆ(ｎ)＝１.１１０８−０.３５５５ｎになる。
【０１２２】
＜圧入変形率-応力推定段階＞
圧入変形率−応力推定段階では、接触半径推定段階で推定された接触半径ａkを用いて当該特定金属に対するｋ番目の圧入試験時の圧入変形率εk及び圧入応力σkを推定する。圧入変形率εk及び圧入応力σk を推定する方法は、次の式(ｂ)及び式(ｄ)の通りである。
【０１２３】
【数１５】
【０１２４】
式(ｂ)において、εkは金属に対するｋ番目の圧入試験時の圧入変形率、Ｒは圧入子の半径、γは圧入子と金属との接触角であり、ｓｉｎγ＝ａ／Ｒ (D.Tabor, The Hardness of Metals (Clarendon Press, Oxford, 1951) 参照)、αは定数で、０.１である。
【０１２５】
式(ｂ)は次のように誘導される。
【０１２６】
まず、深さ方向の変位がｕz、ｈmaxと等しく或いは小さい任意の深さをｈ、圧入子の半径をＲ、深さｈにおける圧入子と金属との接触半径をｒとすれば、ｕzは次の式(ｃ)のようである。
【０１２７】
【数１６】
【０１２８】
次に、式(ｃ)から得た深さ方向の変位ｕzをｒに対して微分し、代表的な変形率を示すようにこの微分式に定数αを掛け、ｒをａに置換すれば、式(ｂ)を得る。式(ｂ)は既存のε値がε＝０.２ｓｉｎγ＝０.２ａ／Ｒと定義されるものと比較される。
【０１２９】
【数１７】
【０１３０】
式(ｄ)において、σkはｋ番目の圧入試験時の圧入応力、Ｌmaxはｋ番目の圧入試験時の金属に作用する圧入荷重、βは定数で、１／３である。
【０１３１】
従って、圧入変形率εkを推定するためには、式(ｂ)に定数α、圧入子の半径Ｒ 及び式(ａ)から得たａkを代入すればよい。
【０１３２】
また、圧入応力σkを推定するためには、式(ｄ)に金属に作用する圧入荷重Ｌmax、式(ａ)から得たａkを代入すれば良い。
【０１３３】
＜加工硬化指数推定段階＞
加工硬化指数推定段階では、圧入変形率−応力推定段階で得たｍ個のεk 及びσkをホロモン(Hollomon)の関係式σ＝Ｋεnに代入して加工硬化指数ｎをｎ＝ｎjと推定する。
加工硬化指数ｎ値を推定する方法は、ホロモンの関係式σ＝Ｋεnが圧入変形率−応力推定段階で推定されたｍ個の(σk, εk)を最もよく反映されるようにするＫ値及びｎ値を求めることにより行われる。即ち、ホロモンの関係式σ＝Ｋεnに圧入変形率−応力推定段階で推定されたεk値を代入して得た応力値をσkjとする時、ｍ個のσkj値が圧入変形率−応力推定段階で推定されたｍ個のσk値を最もよく反映するＫ値及びｎ値を求めることにより行われる。
【０１３４】
加工硬化指数推定段階の代表的方法は次の通りである。
【０１３５】
方法１
１) 圧入変形率−応力推定段階で推定されたｍ個のεkをホロモンの関係式σ＝Ｋεnに代入してｍ個のσkj＝Ｋεk nを得る。
【０１３６】
２) ｇ(Ｋ，ｎ)＝(σ1−σ1j)2＋(σ2−σ2j)2＋・・・＋(σk−σkj)2＋・・・＋(σm−σmj)2のｇ(Ｋ，ｎ)を求める。
【０１３７】
３) ｇ(Ｋ，ｎ)値が最小となるＫ及びｎを求めてこれをＫj及びｎjとする。
【０１３８】
方法２
１) 圧入変形率−応力推定段階で推定されたｍ個のεkをホロモンの関係式σ＝Ｋεnに代入してｍ個のσkj＝Ｋεk nを得る。
【０１３９】
２) ｈ(Ｋ，ｎ)＝(lnσ1−lnσ1j)2＋(lnσ2−lnσ2j)2＋・・・＋(lnσk−lnσkj)2＋・・・＋(lnσm−lnσmj)2のｈ(Ｋ，ｎ)を求める。
【０１４０】
３) ｈ(Ｋ，ｎ)値が最小となるＫ及びｎを求め、これをＫj及びｎjとする。
【０１４１】
＜加工硬化指数判断段階＞
加工硬化指数判断段階では、加工硬化指数推定段階で推定されたｎj値が加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値と同じ値か或いは異なる値かを判断する。
【０１４２】
＜反復段階＞
反復段階では、加工硬化指数判断段階でｎj値とｎ値とが相違するものと判断された場合、ｎ値をｎjと設定する加工硬化指数設定段階、接触半径推定段階、圧入変形率−応力推定段階、加工硬化指数推定段階及び加工硬化指数判断段階を繰り返し行う。
即ち、最初ｎ＝０.３にして加工硬化指数設定段階、接触半径推定段階、圧入変形率−応力推定段階及び加工硬化指数推定段階を行って加工硬化指数値をｎjと推定する。
【０１４３】
加工硬化指数判断段階において、最初の加工硬化指数推定段階で推定されたｎj値と最初の加工硬化指数段階で設定されたｎ＝０.３とが互いに異なる値と判断されると、ｎ値をｎjと設定する加工硬化指数設定段階、接触半径推定段階、圧入変形率−応力推定段階、加工硬化指数推定段階及び加工硬化指数判断段階を行って、改めて加工硬化指数ｎjが２番目の加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値と同じ値か或いは異なる値かを判断する。この際、ｎj値がｎ値と異なるものと判断されると、ｎ値をｎjと設定する加工硬化指数設定段階、接触半径推定段階、圧入変形率−応力推定段階、加工硬化指数推定段階及び加工硬化指数判断段階を行う。
【０１４４】
このような方法によりｌ番目の加工硬化指数推定段階で推定された加工硬化指数値ｎjがｌ番目の加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値と同一になるまで加工硬化指数設定段階、接触半径推定段階、圧入変形率−応力推定段階、加工硬化指数推定段階及び加工硬化指数判断段階を行う。
【０１４５】
＜加工硬化指数決定段階＞
加工硬化指数決定段階では、ｌ番目の加工硬化指数推定段階で推定された加工硬化指数値ｎjがｌ番目の加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値と同一であると判断されると、ｎの最終値ｎjをｌ番目の加工硬化指数推定段階で推定された加工硬化指数値ｎjまたはｌ番目の加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値として決定する。
【０１４６】
＜応力係数決定段階＞
応力係数決定段階では、ｌ番目の加工硬化指数推定段階で推定された加工硬化指数値ｎjがｌ番目の加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値と同一であると判断された場合、加工硬化指数決定段階で決定されたｎ＝ｎj値及びｌ番目の圧入変形率−応力推定段階で得たεk、σkをホロモンの関係式σ＝Ｋεnに代入して当該特定金属の応力係数Ｋ値を決定する。
一方、加工硬化指数推定段階では、ｎ値の他にＫ値も推定されるので、ｌ番目の加工硬化指数推定段階で推定された応力係数値ＫjをＫの最終値と決定することもできる。
【０１４７】
２）降伏強度決定方法
図１３を参照すると、前記加工硬化指数及び応力係数が決定されると、これを用いて降伏強度を計算することができる。降伏強度決定方法は、加工硬化指数及び応力係数を導出する方法を含むが、これは前述した通りなので、説明を略する。
【０１４８】
＜降伏強度決定段階＞
降伏決定段階では、加工硬化指数−応力係数決定段階で決定された当該特定金属に対する加工硬化指数ｎ値、応力係数Ｋ値をＹ＝ＫεRY nと定義される降伏強度式に代入して当該特定金属に対する降伏強度Ｙ値を決定する。
【０１４９】
ホロモンの関係式σ＝Ｋεnは弾性領域に対して適用されるが、引張試験を経て弾性領域の限界点である限界弾性点は、降伏点とほぼ一致することが知られているので、金属に対する降伏強度を示す降伏強度式Ｙはホロモンの式を用いてＹ＝ＫεRY nと定義することができる。
【０１５０】
一方、εRYは、いろいろな種類の金属試片のそれぞれに対して前記降伏強度式を用いてそれぞれの金属の降伏強度を求める場合に共通的に適用される固定された値であって、代表的降伏変形率と定義し、代表的降伏変形率εRYを決定する代表的降伏変形率決定方法は次の通りである。
【０１５１】
代表的降伏変形率決定方法
代表的降伏変形率εRYを決定するためには、互いに異なる種類のｙ個の金属それぞれに対し、連続圧入試験を経て前記加工硬化指数−応力係数決定段階を行ってｉ番目の金属に対する加工硬化指数ｎi値及び応力係数Ｋi値を決定する。
【０１５２】
ｉ番目の金属に対する加工硬化指数ｎi値及び応力係数Ｋi値が決定されると、ｙ個の金属に対するこれらの値を降伏強度式Ｙ＝ＫεRY nにそれぞれ代入して
【０１５３】
【数１８】
【０１５４】
であるｙ個のＹiを得る。この際、それぞれのＹiは代表的変形率εRYのみの関数になる。
【０１５５】
ｙ個のＹiが得られると、それぞれのＹiが引張試験を経て得たｉ番目の金属の降伏強度値(Ｙi)tにそれぞれ近接するようにεRY値を特定する。εRY値を特定する代表的方法は、前記加工硬化指数推定段階で用いられた方法と同一である。
【０１５６】
３）引張強度決定方法
図１３を参照すると、前記加工硬化指数及び応力係数が決定されると、これを用いて引張強度を計算することができる。引張強度決定方法は、加工硬化指数及び応力係数を導出する方法を含むが、これは前述した通りなので、説明を略する。
【０１５７】
＜引張強度決定段階＞
引張強度決定段階では、加工硬化指数−応力係数決定段階で決定された当該特定金属に対する加工硬化指数ｎ値、応力係数Ｋ値をＵＴＳ＝Ｋ(εＵ)nと定義される引張強度式に代入して当該特定金属に対する引張強度ＵＴＳ値を決定する。一般的に、最大荷重における変形率は加工硬化指数と同一であると知られているので、引張強度の作用する領域が弾性領域であれば、ホロモンの関係式σ＝Ｋεnを用いて引張強度ＵＴＳはＵＴＳ＝Ｋｎnであると定義することができる。しかし、引張強度の作用する領域は、弾性領域の範囲の外に在るので、引張強度をホロモンの関係式を用いて定義する場合、一定の補正定数値が必要とされる。従って、金属に対する引張強度を示す引張強度式ＵＴＳはＵＴＳ＝Ｋ[εＵ(ｎ)]n＝Ｋ[Ω1ｎ＋Ω2]nと定義することができる。ここで、εＵ(ｎ)は補正定数Ω1及びΩ2を含むので、これを引張変形率補正値とする。
【０１５８】
一方、Ω1 及びΩ2は、いろいろな種類の金属試片それぞれに対して前記引張強度式を用いてそれぞれの金属の引張強度を求める場合に共通的に適用される固定された値であって、代表的な引張変形率補正定数値と定義し、代表的引張変形率補正定数値Ω1及びΩ2を決定する引張変形率補正値決定方法は、次の通りである。
【０１５９】
引張変形率補正値決定方法
代表的引張変形率補正定数値Ω1及びΩ2を決定するためには、互いに異なる種類のｙ個の金属それぞれに対して、連続圧入試験を経て前記加工硬化指数−応力係数決定段階を行ってｉ番目の金属に対する加工硬化指数ｎi値及び応力係数Ｋi値を決定する。
【０１６０】
ｉ番目の金属に対する加工硬化指数ｎi値及び応力係数Ｋi値が決定されると、ｙ個の金属に対するこれら値を引張強度式ＵＴＳ＝Ｋ[Ω1ｎ＋Ω2]nにそれぞれ代入して
【０１６１】
【数１９】
【０１６２】
であるｙ個のＵＴＳiを得る。この際、それぞれのＵＴＳiは代表的引張変形率補正定数値としてのΩ1及びΩ2のみの関数となる。
【０１６３】
ｙ個のＵＴＳiが得られると、それぞれのＵＴＳiが引張試験を経て得たｉ番目の金属の引張強度値(ＵＴＳi)tにそれぞれ近接するようにΩ1、Ω2値を特定する。Ω1、 Ω2値を特定する代表的方法は、上述した加工硬化指数推定段階で用いられた方法と同一である。
【０１６４】
以下、上述した構成を有する一般的実施例の作用について説明する。
【０１６５】
＜加工硬化指数設定段階＞
加工硬化指数設定段階では、特定金属の加工硬化指数ｎ値が設定される。第１回目の加工硬化指数背低段階におけるｎ値は０.３とし、第２回目以上の加工硬化指数設定段階におけるｎ値は後術する加工硬化指数推定段階で推定されるｎj値とする。
【０１６６】
＜接触半径推定段階＞
まず、当該特定金属に対して圧入荷重と圧入荷重作用時の変位を示す圧入荷重−変位曲線(L-h curve)を測定する。圧入荷重−変位曲線が求められると、圧入荷重−変位曲線からｋ番目の特定圧入荷重作用時の圧入子と当該特定金属との接触半径ａkを式(ａ)のように推定する。
【０１６７】
ｋ番目の特定圧入荷重作用時の圧入子と当該特定金属との接触半径ａkを推定するためには、圧入荷重−変位曲線からｈmax、Ｓ及びｈi値を求める。ｈmax及びｈi値が求められると、式(ａ)を用いてｈ0及びｆ(ｎ)値を求めた後、ａkを推定する。ｆ(ｎ)値を求めるにあたって、関数ｆ(ｎ)は、AISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼を金属試片にして前記ｆ(ｎ)決定方法によって求められたｆ(ｎ)＝１.１１０８−０.３５５５ｎとし、ｎは加工硬化指数設定段階で設定された値とする。
【０１６８】
一方、当該特定金属には圧入子を介してｍ回にわたって圧入荷重を作用させるので、全部合わせてｍ個のａ値が推定される。
【０１６９】
＜圧入変形率−応力推定段階＞
圧入変形率εkを推定するためには、式(ｂ)に定数α、 圧入子の半径Ｒ及び式(ａ)から得たａkを代入する。
【０１７０】
また、圧入応力σkを推定するためには、式(ｃ)に試片に作用する圧入荷重Ｌmax、式(ａ)から得たａkを代入する。
【０１７１】
圧入変形率-応力推定段階では、合わせてｍ個のεk及びσkが得られる。
【０１７２】
＜加工硬化指数推定段階＞
加工硬化指数推定段階では、ホロモンの関係式σ＝Ｋεnに圧入変形率−応力推定段階から得たｍ個のεkを代入して得たそれぞれのσkj値が、平均的にそれぞれ圧入変形率−応力推定段階で得たσk値に最も近接するようにＫ値及びｎ値を推定する。
【０１７３】
加工硬化指数推定段階の代表的方法は、前記一般的実施例の構成において説明した通りである。
【０１７４】
＜加工硬化指数判断段階＞
加工硬化指数判断段階では、加工硬化指数推定段階で推定されたｎj値が加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値と同じ値か異なる値かを判断する。
【０１７５】
＜反復段階＞
反復段階ではｎj値が加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値と異なるものと判断された場合、加工硬化指数判断段階でｎj値がｎ値と同じ値と判断されるまでｎをｎjとする加工硬化指数設定段階、接触半径推定段階、圧入変形率−応力推定段階、加工硬化指数推定段階及び加工硬化指数判断段階を繰り返し行う。
【０１７６】
反復段階の詳細な内容は、前記一般的実施例の構成で説明した通りである。
【０１７７】
＜加工硬化指数決定段階＞
加工硬化指数決定段階では、ｌ番目の加工硬化指数推定段階で推定された加工硬化指数値ｎjがｌ番目の加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値と同一であると判断されると、ｎの最終値ｎjをｌ番目の加工硬化指数推定段階で推定された加工硬化指数値ｎjまたはｌ番目の加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値として決定する。
【０１７８】
＜応力係数決定段階＞
応力係数決定段階では、ｌ番目の加工硬化指数推定段階で推定された加工硬化指数値ｎjがｌ番目の加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値と同一であると判断された場合、加工硬化指数決定段階で決定されたｎ＝ｎj値及びｌ番目の圧入変形率−応力推定段階で得たεk、σkをホロモンの関係式σ＝Ｋεnに代入して当該特定金属に対する応力係数Ｋ値を決定する。
【０１７９】
一方、加工硬化指数推定段階ではｎ値の他にＫ値も推定されるので、ｌ番目の加工硬化指数推定段階で推定された応力係数値ＫjをＫの最終値として決定することもできる。
【０１８０】
＜降伏強度決定段階＞
降伏強度決定段階では、加工硬化指数-応力決定段階で決定された当該特定金属に対する加工硬化指数ｎ値、応力係数Ｋ値をＹ＝ＫεRY nと定義される降伏強度式に代入して当該特定金属に対する降伏強度Ｙ値を決定する。
【０１８１】
εRYは、いろいろな種類の金属試片それぞれに対して前記降伏強度式を用いてそれぞれの金属の降伏強度を求める場合に共通的に適用される固定された式であって、代表的降伏変形率と定義し、これの決定方法は前述した構成で説明した通りである。
【０１８２】
AISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼を代表的降伏変形率決定のための金属試片にして、本発明によって決定される代表的変形率値εRYは０.０１とする。
【０１８３】
＜引張強度決定段階＞
引張強度決定段階では、加工硬化指数−応力決定段階で決定された当該特定金属に対する加工硬化指数ｎ値、応力係数Ｋ値をＵＴＳ＝Ｋ[εＵ(ｎ)]n＝Ｋ[Ω1ｎ＋Ω2]nと定義される引張強度式に代入して当該特定金属に対する引張強度ＵＴＳ値を決定する。
【０１８４】
Ω1、Ω2は、いろいろな種類の金属試片それぞれに対して前記引張強度式を用いてそれぞれの金属の降伏強度を求める場合に共通的に適用される固定された式であって、代表的引張変形率補正定数値と定義し、これの決定方法は前述した構成で説明した通りである。
【０１８５】
AISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼を代表的引張変形率補正定数値決定のための金属試片にして、本発明によって決定される代表的引張変形率補正定数値Ω1は０.４１７１、Ω2は０.０４３とする。
【０１８６】
以上、本発明を前記実施例によって説明したが、本発明はこれに制限されるものではない。
例えば、前記一般的一実施例では、金属の圧入荷重−変位曲線測定時、圧入子は０.５ｍｍの球形圧入子を用い、圧入子の圧入速度は０.１ｍｍ／ｍｉｎとしたが、他の実施例では圧入子の半径と圧入速度のいずれか一方或いは両方を異にすることもできる。
【０１８７】
また、前記一般的一実施例では圧入子の最終圧入深さを０.３ｍｍ（圧入子半径の６０％）としたが、他の実施例では圧入子の最終圧入深さを異にすることもできる。
【０１８８】
また、前記一般的一実施例では代表的変形率値εRYを０.０１としたが、他の実施例では代表的変形率値εRYを０.００７〜０.０１３とすることもできる。
また、前記一般的一実施例で代表的変形率値εRYを求めるに際して、金属試片の組合をAISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼の組合としたが、他の実施例ではその他の組合にすることもできる。即ち、前述した一部の鋼を別の鋼に置き換え、或いは別の鋼を追加し、或いは別の鋼のみで金属試片の組合を構成することができる。
【０１８９】
また、前記一般的一実施例では代表的引張変形補正定数値Ω1を０.４１７１、Ω2は０.０４３としたが、他の実施例では代表的引張変形率補正定数値Ω1を０.３〜０.５、Ω2を−０.１〜−０.１とすることもできる。
【０１９０】
また、前記一般的一実施例で代表的引張変形率補正定数値Ω1、Ω2を求めるに際して、金属試片の組合をAISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼の組合としたが、他の実施例ではその他の組合にすることもできる。即ち、前述した一部の鋼を別の鋼に置き換え、或いは別の鋼を追加し、或いは別の鋼のみで金属試片の組合を構成することができる。
【０１９１】
また、前記一般的一実施例では、代表的引張強度式をＵＴＳ(ｎ，Ｋ)＝Ｋ(εＵ)nとしたが、他の実施例では、引張強度式をＵＴＳ(ｎ，Ｋ)＝Ｋｎn＋Ω3とすることもできる。 ここで、Ω3は前記一般的一実施例におけるΩ1、Ω2と同じ意味を有する補正定数値であって、これの決定方法はΩ1、Ω2の決定方法と同一である。
【０１９２】
また、前記一般的一実施例においてｆ(ｎ)＝１.１１０８−０.３５５５ｎとしたが、他の実施例でｆ(ｎ)＝ｃｎ＋ｄとし、或いは特にｆ(ｎ)＝ｃｎ＋ｄ、ｃは−０.４〜−０.３、ｄは１.０５〜１.１５とし、或いはｆ(ｎ)をｎに関する２次以上の多項式またはその他の関数とすることもできる。
【０１９３】
また、前記一般的一実施例で関数ｆ(ｎ)を特定するにあたって、金属試片の組合をAISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼の組合としたが、他の実施例ではその他の組合にすることもできる。即ち、前述した一部の鋼を別の鋼に置き換え、或いは別の鋼を追加し、或いは別の鋼のみで金属試片の組合を構成することができる。
【０１９４】
また、前記一般的一実施例においてαは定数であって、０.１としたが、他の実施例においてαは０.０５〜０.１５の定数とすることもできる。
【０１９５】
また、前記一般的一実施例においてβは定数であって、１／３としたが、他の実施例においてβは１/２.８〜１/３.２の定数とすることもできる。
【０１９６】
また、前記一般的一実施例において加工硬化指数推定段階を行う時、圧入変形率−応力推定段階で得た全てのεkを用いて加工硬化指数を推定したが、他の実施例において加工硬化指数推定段階を行う場合、εk≦ｎのεkのみを用いて加工硬化指数を推定することもできる。一般に、最大荷重における変形率は加工硬化指数と同一であると知られているので、引張試験を用いて真応力−真変形率を測定する場合に、意味のある変形率の範囲は加工硬化指数値と同じか或いは小さい値とされるのがその理由である。
【０１９７】
また、前記一般的一実施例において第１回目の加工硬化指数設定段階を行う時のｎ値は０.３としたが、他の実施例において第１回目の加工硬化指数設定段階遂行時のｎ値は異にすることもできる。
【０１９８】
一方、前記一般的一実施例は、真応力−真変形率決定段階を有しないものとしたが、他の実施例は真応力−真変形決定段階を有するものとすることもできる。
【０１９９】
この際、真応力−真変形率は最後の圧入変形率−応力推定段階で得たεk、σk値がそれぞれ真変形率、真応力になる。
【０２００】
以下、球形圧入子を用いてAISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP、超細粒鋼に対して本発明によって決定された加工硬化指数及び応力係数とこれらを決定するために必要なデータを表で示した。
【０２０１】
【表１】
【０２０２】
【表２】
【０２０３】
【表３】
【０２０４】
【表４】
【０２０５】
【表５】
【０２０６】
【表６】
【０２０７】
【表７】
【０２０８】
表においてｈmax、ｈf及びＬmaxは圧入荷重−変位曲線から直接測定され、Ｓは圧入荷重−変位曲線上の荷重除去曲線から計算される。残り変数は前記一般的実施例によって決定される。
【０２０９】
ここで、球形圧入子の半径Ｒは０.５ｍｍ、圧入子の圧入速度は０.１ｍｍ／ｍｉｎ、圧入子の最終圧入深さは0.３ｍｍ（圧入子の半径の６０％）とし、ｆ(ｎ)＝１.１１０８−０.３５５５ｎ、α＝０.０１とした。但し、超細粒鋼の場合、変形率がより小さい範囲の実験データを得るために、球形圧入子の半径Ｒは０.７９３７５ｍｍとした。
【０２１０】
また、ａ、εR、σRは、加工硬化指数決定段階で決定された加工硬化指数値がｎjの場合、最後の接触半径推定段階、圧入変形率−応力推定段階で推定された接触半径、圧入変形率、圧入応力であって、ｋ番目の圧入時の真接触半径、真圧入変形率、真圧入応力を示す。
【０２１１】
本実施例による応力係数及び加工硬化指数の決定において、表１、表２、表３、表５、表６では第２〜９回目の圧入時のデータのみを使用し、表４では第４〜８回目の圧入時のデータのみを使用し、表７では第５〜９回目の圧入時のデータのみを使用した。初期段階の圧入時のデータは、実験試片の表面部位が硬化または軟化された場合、間違った情報を提供する虞があって除去され、後期段階の圧入時のデータは圧入変形率が加工硬化指数より大きいので除去された。特に、最終段階の圧入時のデータは、荷重除去曲線においてｈf点の決定がその以前段階の場合と異なるので除去された。
【０２１２】
以下、球形圧入子を用いてAISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP、超細粒鋼に対し、前記表１乃至表７に示した加工硬化指数、応力係数と、これらを用いて本発明によって決定された降伏強度及び引張試験を経て測定された加工硬化指数、応力係数及び降伏強度を表８に示す。
【０２１３】
【表８】
【０２１４】
表８において、降伏強度は前記一般的一実施例によって求められた値であり、この時、代表的降伏変形率値εRYも前記一般的一実施例によって０.０１とした。 以下、球形圧入子を用いてAISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP、超細粒鋼に対し、前記表１乃至表７に示した加工硬化指数、応力係数とこれらを用いて本発明によって決定された引張強度及び引張試験を経て測定された加工硬化指数、応力係数及び引張強度を表９に示す。
【０２１５】
【表９】
【０２１６】
表９において、引張強度は前記一般的一実施例によって求められた値であり、この時、代表的引張強度補正値εＵは前記一般的一実施例によってΩ1を０.４１７１、Ω2を０.０４３とした。
【０２１７】
図１６にはAISI1025、SA106、SA213鋼に対し、図１７にはSA508、SM50、TMCP鋼に対し、図１８には超細粒鋼に対し、球形圧入子を用いて測定された圧入荷重−変位曲線が示されている。
【０２１８】
図１９にはAISI1025鋼に対し、図２０にはSA106鋼に対し、図２１にはSA213鋼に対して、図２２にはSA508鋼に対し、図２３にはSM50鋼に対し、図２４にはTMCP鋼に対し、図２５には超細粒鋼に対し、本発明によって得られた真応力−真変形率が点で表れ、一軸引超試験によって得られた真応力−真変形率が実線で表れている。
【０２１９】
図２６にはAISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼に対し、本発明によって得られた加工硬化試験と引張試験によって加工硬化指数が点で表れているが、縦軸は本発明によって得られた加工硬化指数値を、横軸は引張試験によって得られた加工硬化指数値を意味する。引張試験を経て得た加工硬化指数値は、AISI1025鋼に対しては０.２７１５、SA106鋼に対しては０.２３８２、SA213鋼に対しては０.２０３８６７、SA508鋼に対しては０.１７７０５、SM50鋼に対しては０.２２８２６７、TMCP鋼に対しては０.１９７５５、超細粒鋼に対しては０.１３８７である。
【０２２０】
図２７にはAISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼に対し、本発明によって得られた降伏強度と引張試験によって得られた降伏強度が点で表れているが、縦軸は本発明によって得られた降伏強度値を、横軸は引張試験によって得られた降伏強度値を意味する。
【０２２１】
図２８にはAISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼に対し、本発明によって得られた引張強度と引張試験によって得られた引張強度が点で表れているが、縦軸は本発明によって得られた引張強度値を、横軸は引張試験によって得られた引張強度値を意味する。
【０２２２】
表８、表９、図１９乃至図２５及び図２６を参照すると、本発明によって得られた真応力−真変形率、加工硬化指数値は、引張試験によって得られた真応力−真変形率、加工硬化指数値に近接することが分かる。
【０２２３】
【発明の効果】
本発明は、体積を小型化して実構造物への付着を容易にした圧入試験機を提供する。
【０２２４】
また、本発明は、取付装置を多様化し、対象材料の大きさと種類に関係無く様々な材料に取り付けて試験することができるという効果がある。
【０２２５】
また、本発明は、水平移動を可能にして、材料のいろいろな位置を試験するために本体自体を移動する必要がないという効果がある。
【０２２６】
また、本発明は、一度の連続圧入試験を可能にして試験時間を節約することができるという効果がある。
【０２２７】
また、本発明は、測定されたデータを分析するにあたって、実験定数補正のための別の引張試験が不要であって試験費用を節減し、引張試片を得難い部分に対して測定することができるという効果がある。
【０２２８】
また、本発明は、特定金属に対して連続圧入試験による圧入荷重−変位曲線を測定し、この変位曲線を分析して加工硬化指数及び応力係数を導出し、これらの値を用いて当該金属に対する降伏強度及び引張強度を導出することにより、引張試験を代替するという効果がある。
【０２２９】
また、本発明は、加工硬化指数及び応力係数の導出時、圧入部周囲に発生するパイルアップ／シンクイン(pile-up/sink-in)現象を考慮して、圧入子と金属試片との接触半径及び変形率を新しく定義することにより、引張試験を経て得る値に近い結果が得られるという効果がある。
【０２３０】
また、本発明は、降伏強度式を定義し、降伏強度式における代表的変形率値εRYを引張試験によるデータに近接するように決定することにより、引張試験から得る降伏強度に近接する降伏強度が得られるという効果がある。
【０２３１】
また、本発明は、引張強度式を定義し、引張強度式における代表的変形率値εRYを引張試験によるデータに近接するように決定することにより、引張試験から得る引張強度に近接する引張強度が得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る圧入試験機の全体構成図である。
【図２】図１の本体の正断面図である。
【図３】図１の本体の側断面図である。
【図４】図１の水平移動装置の部分断面が含まれた本体の平面図である。
【図５】図１の本体の下部一部と取付装置、試片テーブルの断面図である。
【図６】本発明の一実施例に係る圧入試験機を用いた物性測定方法の流れ図である。
【図７】図６の圧入子移動方法選択段階の詳細流れ図である。
【図８】図６の圧入子接近段階の詳細流れ図である。
【図９】本発明の一実施例に係る圧入試験機を用いた物性測定方法を格納した記録媒体をコンピュータによって作動させた場合の初期画面である。
【図１０】実験条件の設定画面である。
【図１１】 (a)は、本発明の一実施例に係る圧入試験機を用いた物性測定方法を格納した記録媒体によって測定された圧入深さ−圧入荷重曲線を示す画面であり、(ｂ)は、同一材料または相違材料に対して多数測定された圧入深さ−圧入荷重曲線の重畳を示す画面である。
【図１２】図１１の(ａ)の圧入深さ−圧入荷重曲線を用いて誘導された流動曲線分析結果を示す画面である。
【図１３】本発明に係る連続圧入試験を用いた物性計算方法の一般的実施例の流れ図である。
【図１４】圧入荷重−変位曲線の概略図である。
【図１５】関数ｆ(ｎ)の決定段階を示す概略図である。
【図１６】 AISI1025、SA106、SA213鋼に対して、球形圧入子を用いて測定した圧入荷重−変位曲線である。
【図１７】 SA508、SM50、TMCP鋼に対して、球形圧入子を用いて測定した圧入荷重−変位曲線である。
【図１８】超細粒鋼に対して、球形圧入子を用いて測定した圧入荷重−変位曲線である。
【図１９】 AISI1025鋼に対して、本発明によって得られた真応力−真変形率と、一軸引張試験によって得られた真応力−真変形率を示す比較図である。
【図２０】 SA106鋼に対して、本発明によって得られた真応力-真変形率と、一軸引張試験によって得られた真応力−真変形率を示す比較図である。
【図２１】 SA213鋼に対して、本発明によって得られた真応力−真変形率と、一軸引張試験によって得られた真応力−真変形率を示す比較図である。
【図２２】 SA508鋼に対して、本発明によって得られた真応力−真変形率と、一軸引張試験によって得られた真応力−真変形率を示す比較図である。
【図２３】 SM50鋼に対して、本発明によって得られた真応力−真変形率と、一軸引張試験によって得られた真応力−真変形率を示す比較図である。
【図２４】 TMCP鋼に対して、本発明によって得られた真応力−真変形率と、一軸引張試験によって得られた真応力−真変形率を示す比較図である。
【図２５】超細粒鋼に対して、本発明によって得られた真応力−真変形率と、一軸引張試験によって得られた真応力−真変形率を示す比較図である。
【図２６】 AISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼に対して、本発明によって得られた加工硬化指数と、引張試験によって得られた加工硬化指数を示す比較図である。
【図２７】 AISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼に対して、本発明によって得られた降伏強度と、引張試験によって得られた降伏強度を示す比較図である。
【図２８】 AISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼に対して、本発明によって得られた引張強度と、引張試験によって得られた引張強度を示す比較図である。
【符号の説明】
１００ 本体
１０１ フレーム
１１０ 荷重付加装置
１１１ モータ
１１２ 減速器
１１３ カップリング
１１４ 連結軸
１１５ ベアリング
１１６ 支持軸
１１７ ボールネジ(ball screw)
１１８ ボールナット
１２１ シリンダ
１２３ 荷重センサ
１２５ 圧入子ホルダー
１２７ 圧入子
１２８ 変位センサ
１３０ 取付装置
１３１ 磁石
１３３ 本体ベース
１４０ 水平移動装置
１４１ スライダー
１４３ ロック
１５１ 圧入子位置制御センサ
１６１、１６１’ モータコネクタ
１６３、１６３’ エンコーダコネクタ
１６５、１６５’ 変位コネクタ
２００ ノートブックコンピュータ
３００ インタフェースボード
４００ 初期画面
４３０ モータの手動駆動部
４４０ エンゲージボタン
４５０ グラフ窓
【発明の属する技術分野】
本発明は、連続圧入試験のための圧入試験機、これを用いた物性測定方法及びこれを格納した記録媒体、並びに物性計算方法に関する。より詳しくは、別の引張試験を行う代わりに、圧入試験機を、物性を測定する材料に取り付けて連続圧入試験を行い、物性測定方法を格納した記録媒体を手段にして材料の物性を測定し、本発明によって新しく定義された物性計算方法によって材料の物性を計算して、これをディスプレイすることが現場で実時間にて行われる連続圧入試験のための圧入試験機、これを用いた物性測定方法及びこれを格納した記録媒体、並びに物性計算方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現代の構造物及び各種産業施設に用いられている構造用鋼は、高い圧力及び温度の劣悪な環境により時間の経過に伴って材料の信頼性が低下するという大きい問題点を抱えている。従って、材料の劣化による機械的性質の変化を容易且つ簡便に測定することができ、特定の脆弱部分に対して物性評価可能な非破壊試験法の開発の必要性が認識されてきた。
【０００３】
このような必要性によって、一定サイズの試片を使用することなく現場で物性を評価し、或いは局所部位に対する引張物性を評価することのできる手段が要求された。このような手段として、圧入試験を用いて圧入荷重による圧入深さの変化を測定することにより得られる圧入荷重−変位曲線から、材料の物性に対する情報を予測する圧入試験機が発明された。
【０００４】
このような圧入試験機としては、従来「Field indentation microprobe（ＦＩＭ） for structural integrity evaluation（米国特許第4,852,397号）」があった。しかし、ＦＩＭは、機械のサイズが大きく且つセンサの感知する最大荷重が大きくて分解能が大きいから、精度が低かった。
【０００５】
一方、本発明に係る連続圧入試験のための圧入試験機は、現場で材料の物性を測定し計算するため、物性測定方法を格納した記録媒体とこれを用いた物性測定方法の提示がさらに要求される。
【０００６】
このようなソフトウェア的な面からみて、従来のＦＩＭは、連続試験ではなく断続試験(interrupted test)による圧入試験機であって、試験時間が長く、物性の換算も度実験データに基づいた経験的関係式を用いたので、様々な材料への適用が難しかった。また、測定されたデータを分析するにあたって、実験定数補正のための別個の引張試験が要されたので、多くの試験費用がかかると共に、引張試片を得難い部分に対する測定が難しかった。
【０００７】
他の面からみて、本発明は、圧入試験機を用いて圧入子に圧入荷重を加え、圧入荷重の増加及び減少による圧入深さの変化を連続的に測定して圧入荷重−変位曲線を試験結果として提供することにより、金属の加工硬化指数、応力係数、降伏強度及び引張強度等の金属の物性を把握する方法に関するものである。
【０００８】
従来の金属の物性を把握する方法としては、引張試験による方法及び硬度試験による方法などが挙げられる。
【０００９】
しかし、引張試験による方法は、破壊的で、試片準備及び試験にかかる時間、費用が多くかかるという短所があったので、本発明の如く現場での構造物の物性評価には適しない。
【００１０】
一方、引張試験法の短所を克服するために、硬度試験によって得られた硬度値を、金属の相対的強度を比較する物性として使用する硬度試験法は、硬度値が金属の基本的な物性ではないという短所があった。即ち、硬度値は材料の弾塑性性質、圧入子の幾何学的形態、圧入実験条件、表面状態などによっても影響を受ける。一例として、圧入子の面角が小さくなるほど、硬度値は大きくなる。従って、より標準化された物性を得ようとする試みが行われてきた。
【００１１】
まず、Vickers硬度値Ｈと降伏硬度Ｙとの関係を、金属に対し、単純にＨ／Ｙ＝３にして求める方法があるが、この場合、材料の加工硬化特性に対する考慮がなくて誤差が大きくなる。
【００１２】
次に、 Hertz弾性理論が適用される極めて低い荷重での球形圧入の場合において、初期塑性変形が生じる時点を感知してその時の平均接触圧力を用いる場合もあるが、初期降伏荷重が極めて小さいから、薄膜用として用いられているμＮ単位の荷重感知装置を取り付けているナノ(nano)圧入試験法のみで感知できるという短所がある。
【００１３】
最後に、連続圧入試験法においては、米国のF.M. Haggagによる研究と M.V. Swainによる研究とがある。前者は標準引張試験との比較による定数決定が必要であって圧入試験の効率性が低下し、後者は圧入変形率のみを計算して圧入応力に対する考慮がないという短所がある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる問題点を解決するためのものであって、その第１目的は、体積を小型化して実構造物への取付が容易であり、評価対象材料の種類及び大きさを問わず取り付けて試験することができる連続圧入試験のための圧入試験機を提供することにある。
【００１５】
また、本発明の第２目的は、水平移動を可能にして、材料のいろいろな位置で試験するために本体自体を移動する必要がない連続圧入試験のための圧入試験機を提供することにある。
【００１６】
また、本発明の第３目的は、荷重の印加及び除去を繰り返し、この時に発生する荷重及び変位を連続的に測定する連続圧入試験を可能とする連続圧入試験のための圧入試験機、これを用いた物性測定方法及びこれを格納した記録媒体を提供することにある。
【００１７】
また、本発明の第４目的は、実験定数補正のための別個の引張試験を必要としないから、試験費用を節減すると共に、引張試片の得難い部分に対する測定ができる圧入試験機を用いた物性測定方法を提供することにある。
【００１８】
また、本発明の第５目的は、圧入子を用いた圧入荷重の増加、減少による圧入深さの変化を連続的に測定し、測定されたデータを理論的に解析して金属の加工硬化指数、応力係数、降伏強度、引張強度などを計算することにより、金属の機械的特性を把握する方法を提供することにある。
【００１９】
また、本発明の第６目的は、連続圧入試験において、圧入子と金属試片との接触半径を求めるにあたって、圧入部周囲に発生するパイルアップ／シンクイン（pile-up/sink-in）現象を考慮し、圧入子と金属試片との接触半径及び変形率に対する新しい定義を下すことにより、引張試験によって得られた値に近接する結果を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明は、制御プログラム及び物性分析プログラムが搭載されたコンピュータにインタフェースボードを介して接続された、材料の荷重及び圧入深さを測定する圧入試験機において、材料に加えられる荷重を発生させる、モータと減速器とを有する荷重付加装置と、荷重付加装置から生成された回転力を垂直荷重に変換する荷重伝達装置と、荷重伝達装置に装着され、荷重の変化を連続的に測定する荷重センサと、荷重伝達装置の一端に連結され、荷重センサと同軸で動く連結軸及び圧入子ホルダーと、圧入子ホルダーの先端に露出し、材料に実質的に接触荷重を加える圧入子と、圧入子の圧入による圧入深さの変化を連続的に測定する変位センサとを含む本体を有する連続圧入試験のための圧入試験機を提供する。
【００２１】
また、本発明は、連結軸及び圧入子ホルダーが垂直移動できる空間を有し、前記本体の下方に位置し、本体を固定支持するベースと、ベースに締結され、材料を圧入試験機に固定させる取付装置をさらに含むが、取付装置は磁石、チェーン、Ｕ-ブロックのいずれか一つであることを特徴とする連続圧入試験のための圧入試験機を提供する。
【００２２】
また、本発明は、取付装置とベースが固定された状態で圧入子の取り付けられた本体のみ一軸に水平移動できるようにする水平移動装置をさらに含むが、水平移動装置は、ベースの上部面に締結され、上部面にダブテール(dovetail)が設けられたスライダーベースと、スライダーベースと本体との間に位置し、下部面にスライダーベースのダブテールに嵌合可能なダブテール溝が設けられ、ダブテール溝の方向と同一方向に外周面にねじ山付き溝を有するスライダーと、一端はスライダーの溝のねじ山と共にねじ回転可能なねじ山が設けられ、スライダーの溝のねじ山に螺合され、他端はつまみが設けられており、一端と他端との間はブラケットによってベースまたはスライダーベースに螺合された移動つまみを有することを特徴とする連続圧入試験のための圧入試験機を提供する。
【００２３】
また、本発明は、圧入子と変位センサが安全に移動できるように設定された領域の限界位置に取り付けられる圧入子移動制御センサをさらに含む連続圧入試験のための圧入試験機を提供する。
【００２４】
また、本発明は、圧入子の形状が球形、円錐形、四角錐形のいずれかであり、圧入子ホルダーと圧入子とが一体であることを特徴とする連続圧入試験のための圧入試験機を提供する。
【００２５】
また、本発明は、圧入試験機を用いて材料の物性を測定する測定方法において、圧入子を下方に移動させ、圧入子を圧入試験の開始可能な位置へ移動させるが、圧入荷重が荷重設定値以上であれば、圧入子の移動を止めて圧入子を距離設定値だけ上昇させ、圧入荷重が荷重設定値未満であれば、圧入子を引き続き下方に移動させる圧入子接近段階と、圧入子の移動速度及び圧入子の移動深さを設定し、材料に荷重を加える荷重付加段階と、圧入子の移動深さだけ圧入子が垂直移動した後、圧入子の移動深さの一定荷重除去率だけ圧入子を上方に移動させる荷重除去段階と、荷重付加段階及び荷重除去段階を通じて圧入子の垂直移動による圧入子の圧入深さ及び圧入荷重を測定する測定段階と、荷重付加段階、荷重除去段階及び測定段階とを多数回繰り返し行う連続試験段階と、圧入子を材料から除去する圧入子除去段階と、圧入子除去段階の前後に測定段階で測定した圧入深さ及び圧入荷重からなる圧入荷重−変位曲線によって材料の応力−変形率曲線を求め、この応力−変形率曲線を用いて材料の物性を計算する物性計算段階とを含む、圧入試験機を用いた物性測定方法を提供する。
【００２６】
また、本発明は、圧入子接近段階が、圧入子を下方に移動させる圧入子下方移動段階と、圧入荷重が荷重設定値以上であれば、圧入子の移動を止めて圧入子を距離設定値だけ上方に移動させ、圧入荷重が荷重設定値未満であれば、圧入子下方移動段階を引き続き行う判断段階とからなる、圧入試験機を用いた物性測定方法を提供する。
【００２７】
また、本発明は、荷重設定値が０.２〜２ｋｇｆであり、距離設定値が５〜３０μｍであることを特徴とする圧入試験機を用いた物性測定方法を提供する。
【００２８】
また、本発明は、それぞれの連続試験段階毎に、圧入子の移動速度、圧入子の移動深さ及び荷重除去率の少なくともいずれか一つを変化させることができることを特徴とする圧入試験機を用いた物性測定方法を提供する。
【００２９】
また、本発明は、圧入試験機のうち、圧入子を含むフレームのみを水平移動させると共に圧入試験機のベースまたは取付装置は移動させず、同一材料の一軸の多数の位置で段階を繰り返し行って計算した物性値の平均を出して材料の物性を計算する段階をさらに含む圧入試験機を用いた物性測定方法を提供する。
【００３０】
また、本発明は、圧入試験機を用いて材料の物性を測定する測定方法が記録された記録媒体において、圧入子を下方に移動させて圧入子を圧入試験の開始可能な位置に移動させるが、圧入荷重が荷重設定値以上であれば、圧入子の移動を止めて圧入子を距離設定値だけ上昇させ、圧入荷重が荷重設定値未満であれば、圧入子を引き続き下方に移動させる圧入子接近手段と、圧入子の移動速度及び圧入子の移動深さを設定し、材料に荷重を加える荷重付加手段と、圧入子の移動深さだけ圧入子が垂直移動した後、圧入子の移動深さの一定荷重除去率だけ圧入子を上方に移動させる荷重除去手段と、荷重付加手段及び荷重除去手段を通じて圧入子の垂直移動による圧入子の圧入深さ及び圧入荷重を測定する測定手段と、荷重付加手段と荷重除去手段を多数回繰り返す連続試験手段と、圧入子を材料から除去する圧入子除去手段と、圧入子除去手段の前後に測定手段から測定した圧入深さ及び圧入荷重からなる圧入荷重−変位曲線によって材料の応力−変形率曲線を求め、この応力−変形率曲線を用いて材料の物性を計算する物性計算手段とを含む圧入試験機を用いた物性測定方法を格納した記録媒体を提供する。
【００３１】
また、本発明は、特定金属に対して球形圧入子を用いたｍ回の連続圧入試験において、当該特定の金属の加工硬化指数ｎ値を設定する加工硬化指数設定段階と、前記加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値をｆ(ｎ)に代入してｍ回の連続圧入試験のうち、ｋ番目の圧入試験の際、圧入子が当該特定の金属と接触する接触半径ａkを推定する接触半径推定段階と、前記接触半径推定段階で推定された接触半径ａkを用いて当該特定金属に対するｋ番目の圧入試験時の圧入変形率εk及び圧入応力σkを推定する圧入変形率−応力推定段階と、前記ｍ個のεk及びσkをホロモン(Hollomon)の関係式σ＝Ｋεnに代入して当該特定金属の加工硬化指数ｎをｎjと推定する加工硬化指数推定段階と、前記ｎjを加工硬化指数設定段階で設定されたｎと比較する加工硬化指数判断段階と、前記加工硬化指数判断段階でｎjとｎが相違するものと判断された場合、ｎをｎjにして加工硬化指数設定段階、接触半径推定段階、圧入変形率−応力推定段階、加工硬化指数推定段階及び加工硬化指数判断段階を繰り返し行う反復段階と、前記加工硬化指数判断段階でｎjとｎとが同一であると判断された場合、ｎの最終値ｎjをｎf＝ｎjに決定してこれを当該特定金属の加工硬化指数とする加工硬化指数決定段階と、前記加工硬化指数決定段階で決定されたｎ値及び最後の反復段階で得たεk、σkをホロモンの関係式σ＝Ｋεnに代入して当該特定金属の応力係数Ｋ値を決定する応力係数決定段階とを含んで加工硬化指数及び応力係数を決定する連続圧入試験を用いた物性計算方法を提供する。
【００３２】
ここで、ａk 2＝ｆ(ｎ)(２Ｒｈ0−ｈ0 2)、ｆ(ｎ)は加工硬化指数ｎに関する関数、Ｒは圧入子の半径、ｈ0＝ｈmax−０．７５(ｈmax−ｈi)、ｈmaxは当該特定金属に対するｋ番目の圧入試験時の最大圧入荷重における圧入深さ、ｈiは当該特定金属に対するｋ番目の圧入試験における荷重除去曲線の初期勾配を荷重０まで外挿した深さ、
【００３３】
【数７】
、 αは定数、γは当該特定金属に対するｋ番目の圧入試験時の圧入子と当該特定金属との接触角、
【００３５】
【数８】
、βは定数、Ｌmaxは当該特定金属に対するｋ番目の圧入試験時の圧入子に作用する最大荷重を示す。
【００３７】
また、本発明は、前記物性計算方法において、多様な種類の金属に対する代表的降伏変形率値をεRYとする時、加工硬化指数−応力係数決定段階で決定されたｎ値、Ｋ値及びＹ＝ＫεRY nと定義される降伏強度式を用いて当該特定金属の降伏強度Ｙを決定する降伏強度決定段階をさらに含む連続圧入試験を用いた第１の降伏決定方法を提供する。
【００３８】
また、本発明は、前記第１の降伏強度決定方法において、代表的降伏変形率値εRYは、ｙ個の互いに異なる金属のそれぞれに対する連続圧入試験の際に、ｉ番目の金属に対して前記加工硬化指数−応力係数決定段階で決定された加工硬化指数をｎi、応力係数をＫiとし、前記ｎi値及びＫi値を前記降伏強度式に代入して得た値をＹiとする時、
【００３９】
【数９】
であるｙ個のＹi値がそれぞれ引張試験を経て得たｉ番目の金属の降伏強度値(Ｙi)tにそれぞれ近接するように特定されることを特徴とする連続圧入試験を用いた第２の降伏強度決定方法を提供する。
【００４１】
また、本発明は、前記第１または第２の降伏強度決定方法において、代表的変形率値εRYは０.００７〜０.０１３であることを特徴とする連続圧入試験を用いた第３の降伏強度決定方法を提供する。
【００４２】
また、本発明は、前記物性計算方法において、前記加工硬化指数−応力係数決定段階で決定されたｎ値、Ｋ値及びＵＴＳ＝ＵＴＳ(ｎ，Ｋ)と定義される引張強度式を用いて当該特定金属の引張強度ＵＴＳを決定する引張強度決定段階を有することを特徴とする連続圧入試験を用いた第１の引張強度決定方法を提供する。
【００４３】
また、本発明は、前記第１の引張強度決定方法において、前記特定金属に対する引張変形率補正値εＵをεＵ＝εＵ(ｎ)をとする時、前記加工硬化指数−応力係数決定段階で決定されたｎ値、Ｋ値及びＵＴＳ＝Ｋ(εＵ)nと定義される引張強度式を用いて当該特定金属の引張強度ＵＴＳを決定する引張強度決定段階を有することを特徴とする連続圧入試験を用いた第２の引張強度決定方法を提供する。ここで、εＵは当該特定金属の加工硬化指数ｎの関数である。
【００４４】
また、本発明は、前記第１及び第２の引張強度決定方法において、引張強度式ＵＴＳは、ｙ個の互いに異なる金属それぞれに対する連続圧入試験の際に、ｉ番目の金属に対して前記加工硬化指数−応力係数決定段階で決定された加工硬化指数ｎi、応力係数をＫiとし、前記ｎi値及びＫi値を前記引張強度式に代入して得た値をＵＴＳiとする時、
【００４５】
【数１０】
であるｙ個のＵＴＳi値がそれぞれ引張試験を経て得たｉ番目の金属の引張強度値(ＵＴＳi)tにそれぞれ近接するように特定されることを特徴とする連続圧入試験を用いた第３の引張強度決定方法を提供する。ここで、εＵi＝εＵi(ｎi)であって、ｉ番目の金属に対する加工硬化指数ｎiの関数である。
【００４７】
また、本発明は、前記第２または第３の引張強度決定方法において、引張変形率補正値εＵがεＵ(ｎ)＝Ω1ｎ＋Ω2であることを特徴とする連続圧入試験を用いた第４の引張強度決定方法を提供する。但し、ここで、Ω1は０.３〜０.５の定数、Ω2は−０.１〜０.１の定数である。
【００４８】
また、本発明は、前記連続圧入試験を用いた物性計算方法において、ｆ(ｎ)は、ｘ個の互いに異なる金属のそれぞれに対するｍi回の連続圧入試験の際に、ｉ番目の金属に対するｍi個の応力(σR)i及び変形率(εR)iがｉ番目の金属に対する引張試験を経て得た真応力(true stress)−真変形率(true strain)曲線に近接するようにｉ番目の金属のｆ(ｎ)値であるｆ(ｎi)値を特定するｆ(ｎ)値決定段階と、前記ｆ(ｎ)値決定段階で特定されたｘ個のｆ(ｎi)値を用いてｎに関する関数ｆ(ｎ)を特定するｆ(ｎ)決定段階とによって特定されることを特徴とする連続圧入試験を用いた物性計算方法を提供する。
ここで、
【００４９】
【数１１】
、βは定数、(Ｌmax)iはｉ番目の金属に対するｋ番目の圧入試験時の圧入子に作用する最大荷重、
【００５１】
【数１２】
、αは定数、ａi 2＝ｆ(ｎi)(２Ｒｈ0−ｈ0 2)、ｎiはｉ番目の金属の加工硬化指数、Ｒは圧入子の半径、ｈ0＝ｈmax−０．７５(ｈmax−ｈi)、ｈmaxはｉ番目の金属に対するｋ番目の圧入試験時の最大圧入荷重における圧入深さ、ｈiはｉ番目の金属に対するｋ番目の圧入試験における荷重除去曲線の初期勾配を荷重０まで外挿した深さを示す。
【００５３】
また、本発明は、前記連続圧入試験を用いた物性計算方法において、ｆ(ｎ)＝ｃｎ＋ｄであることを特徴とし、或いはｆ(ｎ)＝ｃｎ＋ｄ、αは０.０５〜０.１５、βは１／２.８〜１／３.２であることを特徴とし、或いはｆ(ｎ)＝ｃｎ＋ｄ、αは０.０５〜０.１５、βは１／２.８〜１／３.２であり、最初の加工硬化指数設定段階におけるｎ値は０.３であることを特徴とする。ここで、ｃは−０.４〜−０.３であり、ｄは１.０５〜１.１５である。
【００５４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明に係る実施例を詳細に説明する。この実施例は本発明の技術的思想を説明するための一実施例に過ぎず、本発明はこの実施例のみに制限されるのではない。
【００５５】
１．連続圧入試験のための圧入試験機
まず、図１乃至図５を参照して本発明に係る連続圧入試験のための圧入試験機（以下、「圧入試験機」という）の一実施例を説明する。
【００５６】
図１は本発明の一実施例に係る圧入試験機の全体構成図、図２は図１の本体の正断面図、図３は図１の本体の側断面図、図４は図１の水平移動装置の部分断面が含まれた本体の平面図、図５は図１の本体の下部一部と取付装置、試片テーブルの断面図を示す。
【００５７】
図１を参照すると、本発明に係る圧入試験機は、基本的に、本体１００と、本体１００に連結されたノートブックコンピュータ２００と、本体１００とノートブックコンピュータ２００とを連結するインタフェースボード３００とから構成される。
【００５８】
本体１００は、物性を測定した材料に取り付けて圧入試験を行うための機器の主要部である。ノートブックコンピュータ２００は、本体１００の作動を制御し、本体１００の測定手段によって測定されたデータを分析するためのプログラムが搭載されている。インタフェースボード３００は本体１００とノートブックコンピュータ２００とを連結して信号値を変換する装置であり、本体１００及びノートブックコンピュータ２００に含まれたコネクタがインタフェースボード３００のコネクタに連結される。
【００５９】
図２及び図３を参照すると、本体１００は、フレーム１０１、荷重付加装置１１０、シリンダ１２１、荷重センサ１２３、圧入子ホルダー１２５、圧入子１２７、水平移動装置１４０、圧入子移動制御センサ１５１、本体コネクタ１６１、１６３、１６５を含む。
【００６０】
フレーム１０１は円筒状であり、内部部品を保護するケーシングである。フレーム１０１は荷重付加装置１１０、シリンダ１２１、荷重センサ１２３及び圧入子１２７の一部分などを含み、高強度アルミニウム軽量合金を用いて重量を減らすことにより、携帯及び搬送を容易にした。
【００６１】
荷重付加装置１１０は、圧入試験の際に材料に加えられる荷重を作り出すところであって、モータ１１１、減速器１１２及びボールネジ１１７に大別される。
【００６２】
モータ１１１は、外部荷重及び過負荷にも安定であり且つ精密制御が可能なＡＣサーボモータを用いて、現場で外部振動など発生可能な危険要素の影響を除去する。減速器１１２はモータ１１１の下方に位置し、モータ１１１によって発生した動力で圧入子１２７を移動させる時、圧入子１２７の移動速度を試験に必要なだけの低速に減少させる。減速器１１２の下方にはカップリング１３があって、減速器１１２とボールネジ１１７とが連結される連結軸１１４を連結し、モータ１１１の動力を連結軸１１４に伝達する。連結軸１１４の周りの所定位置にはベアリング１１５があって、連結軸１１４の回転運動を支持する。支持軸１１６はシリンダ１２１を貫通し、シリンダ１２１が上下に移動する際にシリンダ１２１の移動を案内すると共にシリンダ１２１の外部衝撃または自体揺れを防止する。ボールネジ１１７はモータ１１１からの動力によって回転する部分であり、この際の回転力を用いて荷重センサ１２３に荷重を加える。ボールナット１１８はボールネジ１１７と螺合されており、ボールネジ１７が回転すると、ボールナット１１８は上下方向に垂直移動する。
【００６３】
シリンダ１２１は、ボールナット１１８と圧着結合され、ボールナット１１８の垂直移動によって荷重付加装置１１０で作られた回転力を垂直荷重に変換させ、圧入子１２７が材料に荷重を加えることができるようにする。シリンダ１２１には、上述したように支持軸１１６が貫通してある。
【００６４】
荷重センサ１２３は、シリンダ１２１の下方に位置し、シリンダ１２１にネジ１２３ａによって螺合され、シリンダ１２１によって加えられた荷重の変化を連続して測定する。荷重センサ１２３を圧入すると、圧入荷重に比例する変形が発生し、この変形によって荷重センサ１２３に内蔵された変形ゲージの電気抵抗が変わることになり、流れる電流が変化するので、この電流の変化を感知して荷重を連続して測定する。荷重センサ１２３の最大荷重は３００ｋｇｆであり、荷重分解能は０.３ｋｇｆである。最大荷重が増えるにつれて荷重分解能も共に増加するので、精密な分析が難しくなり、最大荷重が低い場合には十分なデータが得られないから、多様な実験を経て最適の荷重範囲を決定する。
【００６５】
荷重センサ１２３の下方にはボールネジ１１７と圧入子１２７とを連結する延長軸１２４がある。延長軸１２４は上端の外周面に雄ネジが設けられ、荷重センサ１２３の下端に設けられた溝の内周面に設けられた雌ネジと螺合されている。
【００６６】
延長軸１２４の末端には圧入子ホルダー１２５と圧入子１２７がある。圧入子１２７は実質的に材料に接触荷重を加える部分であって、球形である。圧入子ホルダー１２５と圧入子１２７とは一体形になっており、圧入子ホルダー１２５の末端には圧入子１２７が成形されている。このように圧入子ホルダー１２５と圧入子１２７とが一体形になっているので、圧入子ホルダー１２５が破損して圧入子１２７が圧入子ホルダー１２５から抜け出す危険性を無くし、圧入子ホルダー１２５と圧入子１２７との間に発生する実験誤差を除去する。この実施例では、圧入子１２７が球形であるが、用途に応じて円錐形または四角錐形のものを使用することもできる。また、圧入子ホルダー１２５と圧入子１２７は一体形ではなく、分離形であってもよい。
【００６７】
変位センサ１２８は、圧入子１２７と平行に接触しているコネクタ１２８ａの下方に位置する。変位センサ１２８は、コネクタ１２８ａの下端に設けられた溝内へ付勢すれば挿入されるが、消勢すれば、溝内に設けられた弾性部材によって元の長さに延長される。センサブラケット１２９は、圧入子１２７に連結された延長軸１２４と、変位センサ１２８に連結されたコネクタ１２８ａとを締結する。圧入子１２７が試片に圧入されると、変位センサ１２８はコネクタ１２８ａの溝内に挿入され、この挿入深さを測定するので、圧入子の圧入長さを測定することができる。変位センサ１２８の最大測定範囲は２ｍｍであり、正確な圧入深さを測定できるようにするため、ＬＶＤＴ(Linear Variable Displacement Transducer)を使用したが、これに制限されるものではない。
【００６８】
荷重付加装置１１０及び荷重センサ１２３とベースとの間には水平移動装置１４０がある。水平移動装置１４０は圧入試験を行った後、同一材料に対して相違する位置で次の圧入試験を行うとき、圧入試験機全体を移動することなく、フレーム１０１のみ水平移動して次の圧入試験を行うための装置である。
【００６９】
図２、図３及び図４を参照するが、主に図４を参照すると、本体１００のフレーム１０１の下方に位置した水平移動装置１４０は、スライダー１４１、スライダーベース１４２、ロック１４３、ロックボルト１４３ａ、移動つまみ１４５からなる。スライダー１４１は、本体１００のフレーム１０１の下方に位置し、スライダーベース１４２はスライダー１４１の下方に位置する。スライダーベース１４２には凹形のダブテール溝(dovetail groove)１４２ａが設けられており、スライダー１４１にはブロック形のダブテール１４１ｂが設けられ、これらが嵌合してある。従って、スライダー１４１がスライダーベース１４２に乗ってダブテール１４１ｂ方向（またはダブテール溝１４２ａ方向）に摺動して本体１００を水平移動するようにすることができる。ロックボルト１４３ａはスライダー１４１に設けられた溝を貫通してスライダーベース１４２と断面接触している。ロック１４３はロックボルト１４３ａと締結され、ロック１４３を回転させると、ロックボルト１４３ａが上下に移動する。ロック１４３をロックボルト１４３ａが延長されるように回転させると、ロックボルト１４３ａがスライダーベース１４２を加圧してスライダー１４１を固定する。この状態でロック１４３をロックボルト１４３ａが短縮されるように回転させると、ロックボルト１４３ａはスライダーベース１４２の加圧を解除し、スライダー１４１に付勢すれば水平移動可能にする。スライダー１４１の水平移動可能な力は、移動つまみ１４５を回転させることにより得られる。移動つまみ１４５にはブラケット１４５ａを貫通してスライド１４１に設けられたナット１４５ｃと螺合されたボルト１４５ｂが存在する。移動つまみ１４５を回転させると、移動つまみボルト１４５ｂも共に回転する。移動つまみボルト１４５ｂの回転によって移動つまみナット１４５ｃ、スライダー１４１及びフレーム１０１がねじ山の方向によって移動つまみ１４５の方向またはその反対方向に移動できるようにする。移動つまみ１４５には移動距離を表わす目盛が付いている。
【００７０】
図３を参照すると、圧入子移動制御センサ１５１は、圧入子１２７と変位センサ１２８の無理な上下移動による機器の破損を防止するために取り付けられる。圧入子１２７と変位センサ１２８とが安全に移動できる領域を設定し、各領域の限界位置に圧入子移動制御センサ１５１を取り付ける。この領域を外れる場合には、モータ１１１の回転が中断されて圧入子１２７と変位センサ１２８の移動が中断する。
【００７１】
本体１００の末端には本体ベース１３３がある。本体ベース１３３は取付装置１３０を本体１００に連結させ、取付装置１３０を締結していない場合には本体１００を支持する。
【００７２】
図５を参照すると、本発明に係る圧入試験機は、本体１００とは別に取付装置１３０を有する。取付装置１３０は磁石１３１、磁石ブラケット１３３ａ、２つのボルト１３３ｂ、１３３ｂ’を有する。磁石１３１と本体ベース１３３は、磁石ブラケット１３ａと２つのボルト１３３ｂ、１３３ｂ’によってそれぞれ螺合されている。磁石１３１は、取り付ける部分が鉄材からなる時に用いられるが、曲率のある材料の場合には磁石の底部を曲率に合わせて加工して使用する。本実施例は取付装置１３０が磁石１３１であるものと説明したが、取り付けるべき材料の種類によってチェーンまたは曲率のあるＵ-ブロックを使用することもできる。チェーンは磁石を使用できない場合に、材料の周りを巻き付けて本体に付着させる。３００ｋｇの高荷重を支持するために、４連チェーンを使用し、本体ベース１３３とチェーンとの間はボルト締結方式と止め具用ネジ締結方式を混用して締結する。Ｕブロックはチューブに使用し、本体１００を支持する両方のブラケットとＵ-ブロックとをボルトで締結して本体１００を固定する。
【００７３】
さらに図１を参照すると、本体１００のフレーム１０１の上端部に位置する本体コネクタは、本体１００とインタフェースボート３００とを信号連結する部分である。本体コネクタにはモータコネクタ１６１、エンコーダコネクタ１６３及び変位コネクタ１６５があって、それぞれインタフェースボード３００のモータコネクタ１６１’、エンコーダコネクタ１６３’及び変位コネクタ１６５’と連結される。
【００７４】
ノートブックコンピュータ２００は、測定した材料の圧入荷重と変位データとを分析するプログラムを搭載し、現場で様々な物性を計算することができる。変換可能な物性値には、硬度、流動曲線、降伏強度、加工硬化指数、引張強度、不均一延伸率などがあり、連続圧入試験を用いた加工硬化指数及び応力係数、降伏強度、引張強度は本発明によって計算可能なものであって、これらの計算方法は後術する。
【００７５】
インタフェースボード３００にはそれぞれ本体１００のモータコネクタ１６１、エンコーダコネクタ１６３及び変位コネクタ１６５に連結されるモータコネクタ１６１’、エンコーダコネクタ１６３’及び変位コネクタ１６５’がある。更に、ノートブックコンピュータ２００の通信ポートに連結されるコンピュータコネクタ１６７がある。また、インタフェースボード３００には圧入子１２７を手動駆動させる時に圧入子１２７を上、下に移動させるためのアップ／ダウンボタン３０１がある。この他にも、初期化ボタン３０３、緊急ボタン３０５、電源ボタン３０７がある。
【００７６】
以下、図１乃至図５を参照して本発明に係る圧入試験機の作動について説明する。
【００７７】
まず、取付装置１３０を本体１００の本体ベース１３３に螺合した後、取付装置１３０を試験する材料に取り付ける。ロック１４３が施錠されていると、ロックボルト１４３ａが下方に移動するようにロック１４３を回転させてロックボルト１４３ａがスライダーベース１４２を加圧するようにすることにより、スライダー１４１及び本体１００などを固定させる。インタフェースボード３００の電源ボタン３０７を押して電源をつけ、ノートブックコンピュータに搭載されたプログラムでモータ１１０を回転させると、減速器１１２で圧入子１２７の移動速度に求められるだけの低速に減速させる。モータ１１１の回転力は、連結軸１１４とボールネジ１１７を回転させてボールナット１１８を下方に垂直移動させる。ボールナット１１８の垂直移動は、シリンダ１２１、荷重センサ１２３、延長軸１２４、圧入子ホルダー１２５、圧入子１２７を同時に下方に移動させる。この際、荷重センサ１２３は、荷重の変化を連続して測定する。前記垂直荷重は圧入子１２７を材料に圧入させる。変位センサ１２８は圧入子１２７が圧入されて圧入深さが延長されると、コネクタ１２８ａの溝に挿入され、挿入深さによって圧入子１２７の圧入深さを連続して測定する。荷重センサ１２３と変位センサ１２８によって荷重及び圧入深さを一定深さまで測定し、モータ１１１を反対方向に回転させ、圧入子１２７の荷重を一定の度合い除去しながら荷重及び圧入深さを測定して応力及び変形率を求める過程を一位置で連続的に行う。改めて、前記方法で圧入子１２７に荷重を加えてさらに圧入深さを延長し、荷重及び圧入深さを測定し、再び荷重を一定の度合い除去して荷重及び厚入深さを連続的に測定することにより応力及び変形率を求める。このような過程を繰り返し行うことにより、一位置における応力及び変形率曲線を完成することができる。
【００７８】
一位置で圧入試験が完了すれば、水平移動装置１４０のロック１４３を解錠し、移動つまみ１４５を回してスライダー１４１を水平移動させた後、次の位置で同圧入試験を行う。
別の材料に対して圧入試験を行うためには、取付装置１３０の磁石１３１を取り外して別の材料に圧入試験機全体を移動させた後、磁石１３１をさらに別の材料に取り付けて圧入試験を行う。また、曲率をもった対象に取り付けるため、磁石を曲率加工して使用することができる。一方、測定材料が磁性体ではない場合には、図５の取付装置１３０の磁石ブラケット１３３ａと本体ベース１３３とを螺合させるボルト１３３ｂを回転させ、取付装置１３０を本体１００から分離した後、別の取付装置、例えばチェーンまたはＵ-ブロックを本体ベース１３３に締結した上、圧入試験を行う。
【００７９】
２．圧入試験機を用いた物性測定方法
図６乃至図８を主に参照し図１乃至図５を付随的に参照して、本発明に係る圧入試験機を用いた物性測定方法の一実施例を説明する。
【００８０】
図６は本発明の一実施例に係る圧入試験機を用いた物性測定方法の流れ図、図７は図６の圧入子移動方法選択段階の詳細流れ図、図８は図６の圧入子接近段階の詳細流れ図を示す。
【００８１】
図６を参照すると、本発明に係る圧入試験機を用いた物性測定方法は、圧入子移動方法選択段階Ｓ１０と、圧入子接近段階Ｓ２０と、荷重付加段階Ｓ３０と、荷重除去段階Ｓ４０と、測定段階Ｓ５０と、連続試験段階Ｓ６０と、物性計算段階Ｓ７０と、圧入子除去段階Ｓ８０とを有する。本発明に係る連続圧入試験を用いた物性測定方法は、前記段階のうち物性計算段階Ｓ７０のみを除いた方法により、物性計算のための基礎データを測定する方法である。
【００８２】
圧入子移動方法選択段階Ｓ１０は、圧入試験機の圧入子１２７の移動を手動または自動で選択する段階である。図７を参照すると、まず、圧入試験を開始する前に圧入子２７を材料に接近させるために、圧入子１２７の移動方法を選択する（Ｓ１００）。圧入子１２７の移動を手動にするか否かを尋ね（Ｓ１１０）、手動にするとすれば、圧入子１２７の移動速度を設定する（Ｓ１２０）。圧入子１２７の移動速度を設定した後、アップ（Ｕｐ）を選択すると（Ｓ１３０）、圧入子１２７を上方に移動させる（Ｓ１５０）。一方、ダウン（Ｄｏｗｎ）を選択すると（Ｓ１３５）、圧入子１２７を下方に移動させる（Ｓ１５５）。
【００８３】
圧入子１２７の移動を手動にしないで自動にするとしても（Ｓ１１５）、一応、圧入子１２７の移動速度を設定しなければならない（Ｓ１２０）。その後、移動距離を入力し（S１４０）、移動距離が負数であるか否かを判断し（Ｓ１４５）、移動距離が負数であれば、圧入子１２７を上方に移動させ（Ｓ１５０）、移動距離が正数であれば、圧入子を下方に移動させる（Ｓ１５５）。
【００８４】
圧入子接近段階（Ｓ２０）は、圧入子１２７を圧入試験の開始可能な位置へ移動させて材料に接近させる段階である。図８を参照すると、圧入子１２７を下方に移動させながら（Ｓ２１０）実時間で移動距離及び荷重を表示する（Ｓ２２０）。次に、圧入子１２７に加えられる荷重が１ｋｇｆ以上であるかを判断し（Ｓ２３０）、荷重が１ｋｇｆ以上であれば（はい）、圧入子１２７の下方移動を止めて（Ｓ２４０）上方に１０μｍ移動した後（Ｓ２５０）停止する（Ｓ２６０）。こうなると、圧入子１２７と材料間の距離が試験を開始し得る適切な程度にセットされる。もし荷重が１ｋｇｆ以上でなければ（いいえ）、圧入子１２７の荷重が１ｋｇｆに達するまで圧入子１２を引き続き下方に移動させ、圧入子接近段階を繰り返し行う。この際、１ｋｇｆ、１０μｍという値はそれぞれ荷重設定値と長さ設定値を示し、反復的な実験の結果得られた値であり、データ測定開始範囲が１ｋｇｆ以上であるから、物性測定には影響を与えない。また、本実施例では荷重設定値と長さ設定値がそれぞれ１ｋｇｆと１０μｍであるが、実験の結果、エンゲージの荷重設定値は０.２〜２ｋｇｆ、長さ設定値は５〜３０μｍ内で有効範囲を有するので、この範囲内でのエンゲージの設定は本発明の範囲に属するものと言える。
【００８５】
荷重付加段階（Ｓ３０）は材料に荷重を加えて圧入子１２７を垂直下降させる段階である。この際、垂直下降速度（移動速度）と垂直下降長さ（移動距離）を予め定めておく。圧入子１２７の移動速度と移動距離は、前記圧入試験機のモータ１１１と減速器１１２を制御して得ることができる。例えば、最大移動深さを３００μｍ、反復回数を１０にした時、移動速度を０.１ｍｍ／ｍｉｎ、１回移動深さを３０μｍとすることができる。
【００８６】
荷重除去段階（Ｓ４０）は、圧入子１２７が移動長さだけ下方に移動した後、一定の荷重除去率だけ荷重を除去して圧入子を一定距離だけ上方に移動させる段階である。これも、前記圧入試験機のモータ１１１と減速器１１２を制御して得ることができる。前記例において、荷重除去率が３０％以上の場合、１回の移動深さを得るために加えた荷重の７０％に該当する荷重まで圧入子を上方に移動させる。
【００８７】
測定段階（Ｓ５０）は、荷重付加段階（Ｓ３０）と荷重除去段階（Ｓ４０）とを経て圧入子（１２７）の垂直移動による圧入子（１２７）の圧入深さと圧入荷重とを測定する段階である。この段階（Ｓ５０）は圧入試験機の変位センサ１２８と荷重センサ１２３によって行われる。
【００８８】
連続試験段階（Ｓ６０）は、荷重付加段階（Ｓ３０）、荷重除去段階（Ｓ４０）及び測定段階（Ｓ５０）を一定の回数繰り返し行う段階である。一方、移動速度、圧入子の移動深さ及び荷重除去率を各回数毎に異にすることができる。例えば、回数が低くて付加荷重が少ない場合（第１回〜第３回）には、荷重除去率を大きくし、段々回数が高くなると、荷重除去率を小さくすることもできる。回数が低い場合には、荷重除去率を大きくするので、塑性変形の態様を正確に反映することができる。
【００８９】
物性計算段階（Ｓ７０）は、測定段階（Ｓ６０）で測定して求めた圧入深さに対する圧入荷重曲線を用いて応力−変形率曲線を求め、この応力−変形率曲線を用いて材料の物性を計算する段階である。ここで、物性とは、流動曲線、降伏強度、加工硬化指数、引張強度、不均一延伸率などをいうが、連続圧入試験を用いた加工硬化指数及び応力係数、降伏強度、引張強度は、本発明によって計算可能なものであり、これらの計算方法は後術する。
【００９０】
圧入子除去段階（Ｓ８０）は、圧入子１２７を材料から除去する段階である。勿論、物性計算段階（Ｓ７０）は圧入子除去段階（Ｓ８０）の前後に位置することができる。
【００９１】
以上、添付図を参照して圧入試験機を用いた圧入試験データ測定方法及び物性測定方法を説明したが、本発明はこれに制限されるものではない。
【００９２】
圧入試験機の水平移動装置１４０を用いて圧入子１２７を同一材料に対して一軸方向に水平移動しながら前記物性測定方法を繰り返し行うので、同材料に対して物性値を多数計算することもできる。多数測定された物性値のうち小さ過ぎるか大き過ぎる値を示すデータは捨ててしまい、残り物性値の平均を出すことにより、材料の物性をより正確に求めることができる。
【００９３】
３．圧入試験機を用いた物性測定方法を格納した記録媒体
図９乃至図１２を主に参照し図１乃至図８を付随的に参照して、本発明に係る圧入試験機を用いた物性測定方法を格納した記録媒体（以下、「この記録媒体」という）を説明する。この記録媒体は、コンピュータなどの演算装置で作動させることができる。例えば、この記録媒体は、図１に示すノートブックコンピュータ２００で作動させてインタフェースボード３００を介して圧入試験機を制御し、圧入試験機の測定データを入力として材料の物性値を測定し、特定の物性を計算して出力することができる。
【００９４】
図９は本発明の一実施例による圧入試験機を用いた物性測定方法を格納した記録媒体をコンピュータによって作動させる場合の初期画面、図１０は実験条件設定画面、図１１の(ａ)は本発明の一実施例に係る圧入試験機を用いた物性測定方法を格納した記録媒体によって測定された圧入深さ−圧入荷重曲線の画面、図１１の(ｂ)は同一或いは相違する材料に対して多数測定された圧入深さ−圧入荷重曲線の重畳画面、図１２は図１１の(ａ)の圧入深さ−圧入荷重曲線を用いて誘導された流動曲線分析結果画面を示す。
【００９５】
図９を参照すると、この記録媒体をコンピュータによって作動させた場合の初期画面４００は、上位メニュー４１０、機器の現在状態表示部４２０、モータの手動駆動部４３０、エンゲージボタン４４０、グラフ窓４５０、流動曲線ボタン４６０、硬度分析ボタン４７０から構成される。前記初期画面の構成要素は、マウスまたはキーボードを用いてクリックし、或いはキーボードを用いて手動操作することができる。
【００９６】
上位メニュー４１０には、実験条件設定４１０ａ、機器設定４１０ｂ、グラフ４１０ｃなどの基本メニューを有する。実験条件設定４１０ａのメニューを選択すると、図１０に示す実験条件設定画面が出力される。実験条件は、圧入子の種類、圧入子の半径、多重実験回数、最大変位、荷重除去率、荷重維持時間などである。下部の手動部には最終変位と試験速度を調節することができるようになっている。このような実験条件による実験条件模式図が出力され、実験条件による実験結果を予測して出力する。
【００９７】
機器の現在状態表示部４２０は、現在の、圧入試験機の圧入子１２７の荷重と変位を表示する。
【００９８】
モータの手動駆動ボタン４３０は、試験前に圧入子１２７を材料に接近させるか、或いは圧入試験終了後、次の圧入試験位置へ移動するために圧入子１２７を材料から除去するときに使用するメニューである。図７を参照すると、圧入子１２７の移動速度を設定した後（Ｓ１２０）、手動駆動ボタンのアップ（Ｕｐ）ボタンを押すと（Ｓ１３０）、圧入子が上方に移動する（Ｓ１５０）。一方、ダウン（Ｄｏｗｎ）ボタンを押すと（Ｓ１３５）、圧入子１２７が下方に移動する（Ｓ１５５）。
【００９９】
エンゲージボタン４４０は、材料を試験開始可能な位置に移動させる時、試験者が直接圧入子と材料を観察しながら圧入子を材料に接近させなければならないという不便さを無くすために、自動で材料を試験開始可能な位置へ移動させるメニューである。図８を参照すると、まず、エンゲージボタン４４０を押すと、図６の圧入子接近段階（Ｓ２０）を行って圧入子１２７を圧入試験可能な位置へ移動させる。
【０１００】
初期画面４００に図示されていない開始ボタンをクリックすると、この記録媒体に格納された測定方法に従う測定を行って材料の物性値を測定することができる。現在の圧入子の荷重及び変位が機器の現在状態部４２０に出力されることは上述した。また、現在までの累積圧入深さ（変位）による圧入荷重曲線は、図１１の(ａ)に示すように、グラフ窓４５０に示す。同材料に対し水平移動して圧入深さによる圧入荷重曲線を多数求めた場合、或いは試験部位によって引張物性が変化し、これに対する比較が必要な場合には、同時に、図１１の(ｂ)に示すように曲線を重ね合わせて示すこともできる。
【０１０１】
初期画面４００には、流動曲線ボタン４６０及び硬度分析ボタン４７０があって、流動曲線ボタン４６０をクリックすると、流動曲線分析窓が画面に現われる。流動曲線分析窓で分析開始ボタンを押すと、流動曲線が誘導される。また、硬度分析ボタン４７０をクリックすると、硬度曲線分析窓が画面に現われ、分析開始ボタンを押すと、硬度値が表示される。例えば、流動曲線ボタン４６０をクリックすると、図１２に示すように、横軸を変形率とし縦軸を応力とする流動曲線が現われる。図１２の流動曲線の下部には加工硬化挙動を最適化させたホロモン式が表示され、右側には後術する物性計算方法で計算された降伏強度、引張強度、加工硬化指数が表示される。このような内容を様々な種類のファイル形式、例えばＢＭＰにて保存することができる。
【０１０２】
４．連続圧入試験を用いた物性計算方法
１）加工硬化指数及び応力係数決定方法
連続圧入試験を用いた物性測定方法を格納した記録媒体を作動させたノートブックコンピュータが装着された圧入試験機を用い、物性測定方法によって物性が測定されると、次のような方法で物性を計算することができる。
【０１０３】
図１３を参照すると、連続圧入試験によって金属の応力係数（ホロモンの関係式σ＝ＫεnにおいてＫをいう。以下同一。）及び加工硬化指数（ホロモンの関係式σ＝Ｋεnにおいてｎをいう。以下同一。）を決定するためには、まず、当該金属の圧入荷重−変位曲線(L-h curve)を測定する。
【０１０４】
金属の圧入荷重−変位曲線測定時の圧入子は０.５ｍｍの球形圧入子を利用し、圧入子の圧入速度は０.１ｍｍ／ｍｉｎとする。求めようとする真応力−真変形率曲線の真変形率が大きいほど、小径の圧入子を利用し、求めようとする真応力−真変形率曲線の真変形率が小さいほど、大径の圧入子を利用した方がよい。また、システムのコンプライアンス(compliance)による誤差を減らすために、変位センサとしてのＬＶＤＴと圧入子とを最大限近く位置させる。そして、十分な実験結果を得るために、最終圧入深さは０.３ｍｍ（圧入子半径の６０％）とし、ｍ回の部分荷重除去によって圧入荷重−変位曲線を測定する。
図１３を参照すると、本発明によって特定金属の応力係数及び加工硬化指数を決定するためには、当該特定金属に対する加工硬化指数ｎ値を設定する加工硬化指数設定段階と、圧入荷重−変位曲線から特定圧入荷重作用時の圧入子と当該特定金属との接触半径ａを推定する接触半径推定段階と、接触半径推定段階で推定された接触半径を用いて当該特定金属に対する特定圧入荷重作用時の圧入変形率及び圧入応力を推定する圧入変形率−応力推定段階と、当該特定金属に対する圧入変形率−応力推定段階で推定されたｍ個の圧入変形率及び圧入応力をホロモンの関係式σ＝Ｋεnに代入して特定金属の加工硬化指数ｎをｎjと推定する加工硬化指数推定段階と、加工硬化指数推定段階で推定されたｎjと加工硬化指数設定段階で設定されたｎとを比較する加工硬化指数判断段階と、加工硬化指数判断段階でｎjとｎとが相違するものと判断された場合、ｎをｎjにする加工硬化指数設定段階、接触半径推定段階、圧入変形率−応力推定段階及び加工硬化指数推定段階を繰り返し行う反復段階と、加工硬化指数判断段階でｎjとｎとが同一であると判断された場合、加工硬化指数ｎ値をｎjと決定してこれを当該金属の加工硬化指数値にする加工硬化指数決定段階と、加工硬化指数決定段階で決定されたｎ値及び最後の反復段階で得た圧入変形率及び圧入応力をホロモンの関係式σ＝Ｋεn に代入して当該特定金属に対する応力係数Ｋ値を決定する応力係数決定段階を行う。
【０１０５】
＜加工硬化指数設定段階＞
加工硬化指数設定段階では特定金属の加工硬化指数ｎ値が設定される。第１回目の加工硬化指数設定段階におけるｎ値は０.３とし、第２回目以上の加工硬化指数設定段階におけるｎ値は後術する加工硬化指数推定段階で推定されるｎj値とする。
【０１０６】
＜接触半径推定段階＞
圧入子と当該特定金属との接触半径を推定するためには、圧入荷重と圧入荷重作用時の変位とを示す圧入荷重−変位曲線(L-h Curve)を測定しなければならなく、圧入荷重−変位曲線の概略的な図は、図１４に示されている。圧入荷重−変位曲線は連続圧入試験のための圧入試験機を用いて得ることができる。当該特定金属に対する圧入荷重−変位曲線が求められると、当該特定金属に対する圧入荷重−変位曲線からｋ番目の特定圧入荷重作用時の圧入子と当該特定金属との接触半径ａkを次の式(ａ)のように推定する。
【０１０７】
ａk 2＝ｆ(ｎ)(２Ｒｈ0−ｈ0 2) ・・・(ａ)
ここで、ｈ0＝ｈmax−０．７５(ｈmax−ｈi)
式(ａ)において、ｆ(ｎ)は圧入時の圧入部周囲に発生するパイルアップ／シンクイン(pile-up/sink-in)による影響を補正するためのもので、ｎは金属の加工硬化指数を示し、ｆ(ｎ)＝１.１１０８−０.３５５５ｎとする。そして、Ｒは圧入子の半径を示す。
【０１０８】
また、図１４を参照すると、式(ａ)において、ｈ0は金属に対するｍ回の圧入試験のうち、ｋ番目の特定圧入荷重作用時の最大圧入深さｈmaxから弾性屈曲による深さを引いた深さであり、これは圧入弾性理論(W.C. Oliver and G.M. Pharr, J.Mater. Res. 7(6), 1564(1992) 参照)から求められたもので、ｈiは荷重除去曲線の初期勾配Ｓを荷重０まで外挿した深さであり、荷重除去曲線の初期接線が圧入荷重−変位曲線のｈ軸と交差する点によって決定される。
【０１０９】
従って、ｋ番目の特定圧入荷重作用時の圧入子と金属との接触半径ａkを推定するためには、圧入荷重−変位曲線からｈmax、Ｓ及びｈi値を求めなければならない。
【０１１０】
ｈmax及びｈi値が求められると、式(ａ)を用いてｈ0及びｆ(ｎ)値を求めた後、ａkを推定する。ｆ(ｎ)値を求めるにあたって、ｎは加工硬化指数設定段階で設定された値とする。加工硬化指数ｎの関数であるｆ(ｎ)の決定方法は後術する。
一方、当該特定金属には圧入子を介してｍ回にわたって圧入荷重を作用させるので、全てｍ個のａ値が推定される。
【０１１１】
ｆ ( ｎ ) 決定方法
ｆ(ｎ)は金属の物性である加工硬化指数ｎの関数であって、ｆ(ｎ)は実験を経ていろいろの金属に対するｆ(ｎ)値を求めるｆ(ｎ)値決定段階と、ｆ(ｎ)値決定段階で求めたいろいろの金属に対するｆ(ｎ)値を用いて関数ｆ(ｎ)の定数値を決定する関数ｆ(ｎ)決定段階によって特定される。この際、ｆ(ｎ)はｎに関する一定の式と仮定される。
【０１１２】
▲１▼ｆ(ｎ)値決定段階
ｘ個の互いに異なる金属それぞれに対するｍi回の連続圧入試験時、ｉ番目の金属に対するｋ回目の圧入試験時の応力を(σR)iとし、変形率を(εR)iとすると、それぞれの金属に対してｍi時の(σR)i、(εR)iを得る。ここで、
【０１１３】
【数１３】
、βは定数であって1／３、(Ｌmax)iはｉ番目の金属に対するｋ番目の圧入試験時の圧入子に作用する最大荷重、
【０１１５】
【数１４】
、αは定数であって０.１、ａi 2＝ｆ(ｎi)(２Ｒｈ0−ｈ0 2)、ｎiはｉ番目の金属の加工硬化指数、Ｒは圧入子の半径、ｈ0＝ｈmax−０．７５(ｈmax−ｈi)、ｈmaxはｉ番目の金属に対するｋ番目の圧入試験時の最大圧入荷重における圧入深さ、ｈiはｉ番目の金属に対するｋ番目の圧入試験において荷重除去曲線の初期勾配を荷重０まで外挿した深さを示す。
【０１１７】
一方、上述したように(Ｌmax)i、Ｒは測定可能であり、ｈiは計算可能なので、(σR)i及び(εR)i値はｆ(ｎi)値によって特定される。
【０１１８】
即ち、ｉ番目の金属に対するｍi個の(σR)i、(εR)iはｆ(ｎi)のみの関数なので、ｍi個の(σR)i、(εR)iがｉ番目の金属に対して引張試験を経て得た真応力−真変形率曲線に近接するようにｆ(ｎi)値を特定すると、ｆ(ｎ)値決定段階が完了する。
【０１１９】
▲２▼関数ｆ(ｎ)決定段階
関数ｆ(ｎ)決定段階では関数ｆ(ｎ)の形態を仮定した後、前記ｆ(ｎ)値決定段階で特定されたｘ個の金属に対するｆ(ｎi)値を用いてｎに関する関数としてのｆ(ｎ)を特定する。従って、関数ｆ(ｎ)は金属試片が多様であるほど、各試片に対する圧入実験回数が多いほど、好ましい関数と特定される。
【０１２０】
図１５を参照すると、関数ｆ(ｎ)はｆ(ｎ)＝ｃｎ+ｄと仮定し、前記ｆ(ｎ)値決定段階で特定されたｘ個の金属に対するｆ(ｎ)値を最も適合に反映するように前記ｃ、ｄの値を特定することにより決定され得る。しかし、関数ｆ(ｎ)の形態は必ず加工硬化指数ｎに関する一次式である必要はなく、ｎに関する多項式またはその他の関数と仮定することができる。
【０１２１】
図１４乃至図２３を参照してAISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼を金属試片にして関数ｆ(ｎ)を決定すると、ｆ(ｎ)＝１.１１０８−０.３５５５ｎになる。
【０１２２】
＜圧入変形率-応力推定段階＞
圧入変形率−応力推定段階では、接触半径推定段階で推定された接触半径ａkを用いて当該特定金属に対するｋ番目の圧入試験時の圧入変形率εk及び圧入応力σkを推定する。圧入変形率εk及び圧入応力σk を推定する方法は、次の式(ｂ)及び式(ｄ)の通りである。
【０１２３】
【数１５】
式(ｂ)において、εkは金属に対するｋ番目の圧入試験時の圧入変形率、Ｒは圧入子の半径、γは圧入子と金属との接触角であり、ｓｉｎγ＝ａ／Ｒ (D.Tabor, The Hardness of Metals (Clarendon Press, Oxford, 1951) 参照)、αは定数で、０.１である。
【０１２５】
式(ｂ)は次のように誘導される。
【０１２６】
まず、深さ方向の変位がｕz、ｈmaxと等しく或いは小さい任意の深さをｈ、圧入子の半径をＲ、深さｈにおける圧入子と金属との接触半径をｒとすれば、ｕzは次の式(ｃ)のようである。
【０１２７】
【数１６】
次に、式(ｃ)から得た深さ方向の変位ｕzをｒに対して微分し、代表的な変形率を示すようにこの微分式に定数αを掛け、ｒをａに置換すれば、式(ｂ)を得る。式(ｂ)は既存のε値がε＝０.２ｓｉｎγ＝０.２ａ／Ｒと定義されるものと比較される。
【０１２９】
【数１７】
式(ｄ)において、σkはｋ番目の圧入試験時の圧入応力、Ｌmaxはｋ番目の圧入試験時の金属に作用する圧入荷重、βは定数で、１／３である。
【０１３１】
従って、圧入変形率εkを推定するためには、式(ｂ)に定数α、圧入子の半径Ｒ 及び式(ａ)から得たａkを代入すればよい。
【０１３２】
また、圧入応力σkを推定するためには、式(ｄ)に金属に作用する圧入荷重Ｌmax、式(ａ)から得たａkを代入すれば良い。
【０１３３】
＜加工硬化指数推定段階＞
加工硬化指数推定段階では、圧入変形率−応力推定段階で得たｍ個のεk 及びσkをホロモン(Hollomon)の関係式σ＝Ｋεnに代入して加工硬化指数ｎをｎ＝ｎjと推定する。
加工硬化指数ｎ値を推定する方法は、ホロモンの関係式σ＝Ｋεnが圧入変形率−応力推定段階で推定されたｍ個の(σk, εk)を最もよく反映されるようにするＫ値及びｎ値を求めることにより行われる。即ち、ホロモンの関係式σ＝Ｋεnに圧入変形率−応力推定段階で推定されたεk値を代入して得た応力値をσkjとする時、ｍ個のσkj値が圧入変形率−応力推定段階で推定されたｍ個のσk値を最もよく反映するＫ値及びｎ値を求めることにより行われる。
【０１３４】
加工硬化指数推定段階の代表的方法は次の通りである。
【０１３５】
方法１
１) 圧入変形率−応力推定段階で推定されたｍ個のεkをホロモンの関係式σ＝Ｋεnに代入してｍ個のσkj＝Ｋεk nを得る。
【０１３６】
２) ｇ(Ｋ，ｎ)＝(σ1−σ1j)2＋(σ2−σ2j)2＋・・・＋(σk−σkj)2＋・・・＋(σm−σmj)2のｇ(Ｋ，ｎ)を求める。
【０１３７】
３) ｇ(Ｋ，ｎ)値が最小となるＫ及びｎを求めてこれをＫj及びｎjとする。
【０１３８】
方法２
１) 圧入変形率−応力推定段階で推定されたｍ個のεkをホロモンの関係式σ＝Ｋεnに代入してｍ個のσkj＝Ｋεk nを得る。
【０１３９】
２) ｈ(Ｋ，ｎ)＝(lnσ1−lnσ1j)2＋(lnσ2−lnσ2j)2＋・・・＋(lnσk−lnσkj)2＋・・・＋(lnσm−lnσmj)2のｈ(Ｋ，ｎ)を求める。
【０１４０】
３) ｈ(Ｋ，ｎ)値が最小となるＫ及びｎを求め、これをＫj及びｎjとする。
【０１４１】
＜加工硬化指数判断段階＞
加工硬化指数判断段階では、加工硬化指数推定段階で推定されたｎj値が加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値と同じ値か或いは異なる値かを判断する。
【０１４２】
＜反復段階＞
反復段階では、加工硬化指数判断段階でｎj値とｎ値とが相違するものと判断された場合、ｎ値をｎjと設定する加工硬化指数設定段階、接触半径推定段階、圧入変形率−応力推定段階、加工硬化指数推定段階及び加工硬化指数判断段階を繰り返し行う。
即ち、最初ｎ＝０.３にして加工硬化指数設定段階、接触半径推定段階、圧入変形率−応力推定段階及び加工硬化指数推定段階を行って加工硬化指数値をｎjと推定する。
【０１４３】
加工硬化指数判断段階において、最初の加工硬化指数推定段階で推定されたｎj値と最初の加工硬化指数段階で設定されたｎ＝０.３とが互いに異なる値と判断されると、ｎ値をｎjと設定する加工硬化指数設定段階、接触半径推定段階、圧入変形率−応力推定段階、加工硬化指数推定段階及び加工硬化指数判断段階を行って、改めて加工硬化指数ｎjが２番目の加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値と同じ値か或いは異なる値かを判断する。この際、ｎj値がｎ値と異なるものと判断されると、ｎ値をｎjと設定する加工硬化指数設定段階、接触半径推定段階、圧入変形率−応力推定段階、加工硬化指数推定段階及び加工硬化指数判断段階を行う。
【０１４４】
このような方法によりｌ番目の加工硬化指数推定段階で推定された加工硬化指数値ｎjがｌ番目の加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値と同一になるまで加工硬化指数設定段階、接触半径推定段階、圧入変形率−応力推定段階、加工硬化指数推定段階及び加工硬化指数判断段階を行う。
【０１４５】
＜加工硬化指数決定段階＞
加工硬化指数決定段階では、ｌ番目の加工硬化指数推定段階で推定された加工硬化指数値ｎjがｌ番目の加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値と同一であると判断されると、ｎの最終値ｎjをｌ番目の加工硬化指数推定段階で推定された加工硬化指数値ｎjまたはｌ番目の加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値として決定する。
【０１４６】
＜応力係数決定段階＞
応力係数決定段階では、ｌ番目の加工硬化指数推定段階で推定された加工硬化指数値ｎjがｌ番目の加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値と同一であると判断された場合、加工硬化指数決定段階で決定されたｎ＝ｎj値及びｌ番目の圧入変形率−応力推定段階で得たεk、σkをホロモンの関係式σ＝Ｋεnに代入して当該特定金属の応力係数Ｋ値を決定する。
一方、加工硬化指数推定段階では、ｎ値の他にＫ値も推定されるので、ｌ番目の加工硬化指数推定段階で推定された応力係数値ＫjをＫの最終値と決定することもできる。
【０１４７】
２）降伏強度決定方法
図１３を参照すると、前記加工硬化指数及び応力係数が決定されると、これを用いて降伏強度を計算することができる。降伏強度決定方法は、加工硬化指数及び応力係数を導出する方法を含むが、これは前述した通りなので、説明を略する。
【０１４８】
＜降伏強度決定段階＞
降伏決定段階では、加工硬化指数−応力係数決定段階で決定された当該特定金属に対する加工硬化指数ｎ値、応力係数Ｋ値をＹ＝ＫεRY nと定義される降伏強度式に代入して当該特定金属に対する降伏強度Ｙ値を決定する。
【０１４９】
ホロモンの関係式σ＝Ｋεnは弾性領域に対して適用されるが、引張試験を経て弾性領域の限界点である限界弾性点は、降伏点とほぼ一致することが知られているので、金属に対する降伏強度を示す降伏強度式Ｙはホロモンの式を用いてＹ＝ＫεRY nと定義することができる。
【０１５０】
一方、εRYは、いろいろな種類の金属試片のそれぞれに対して前記降伏強度式を用いてそれぞれの金属の降伏強度を求める場合に共通的に適用される固定された値であって、代表的降伏変形率と定義し、代表的降伏変形率εRYを決定する代表的降伏変形率決定方法は次の通りである。
【０１５１】
代表的降伏変形率決定方法
代表的降伏変形率εRYを決定するためには、互いに異なる種類のｙ個の金属それぞれに対し、連続圧入試験を経て前記加工硬化指数−応力係数決定段階を行ってｉ番目の金属に対する加工硬化指数ｎi値及び応力係数Ｋi値を決定する。
【０１５２】
ｉ番目の金属に対する加工硬化指数ｎi値及び応力係数Ｋi値が決定されると、ｙ個の金属に対するこれらの値を降伏強度式Ｙ＝ＫεRY nにそれぞれ代入して
【０１５３】
【数１８】
であるｙ個のＹiを得る。この際、それぞれのＹiは代表的変形率εRYのみの関数になる。
【０１５５】
ｙ個のＹiが得られると、それぞれのＹiが引張試験を経て得たｉ番目の金属の降伏強度値(Ｙi)tにそれぞれ近接するようにεRY値を特定する。εRY値を特定する代表的方法は、前記加工硬化指数推定段階で用いられた方法と同一である。
【０１５６】
３）引張強度決定方法
図１３を参照すると、前記加工硬化指数及び応力係数が決定されると、これを用いて引張強度を計算することができる。引張強度決定方法は、加工硬化指数及び応力係数を導出する方法を含むが、これは前述した通りなので、説明を略する。
【０１５７】
＜引張強度決定段階＞
引張強度決定段階では、加工硬化指数−応力係数決定段階で決定された当該特定金属に対する加工硬化指数ｎ値、応力係数Ｋ値をＵＴＳ＝Ｋ(εＵ)nと定義される引張強度式に代入して当該特定金属に対する引張強度ＵＴＳ値を決定する。一般的に、最大荷重における変形率は加工硬化指数と同一であると知られているので、引張強度の作用する領域が弾性領域であれば、ホロモンの関係式σ＝Ｋεnを用いて引張強度ＵＴＳはＵＴＳ＝Ｋｎnであると定義することができる。しかし、引張強度の作用する領域は、弾性領域の範囲の外に在るので、引張強度をホロモンの関係式を用いて定義する場合、一定の補正定数値が必要とされる。従って、金属に対する引張強度を示す引張強度式ＵＴＳはＵＴＳ＝Ｋ[εＵ(ｎ)]n＝Ｋ[Ω1ｎ＋Ω2]nと定義することができる。ここで、εＵ(ｎ)は補正定数Ω1及びΩ2を含むので、これを引張変形率補正値とする。
【０１５８】
一方、Ω1 及びΩ2は、いろいろな種類の金属試片それぞれに対して前記引張強度式を用いてそれぞれの金属の引張強度を求める場合に共通的に適用される固定された値であって、代表的な引張変形率補正定数値と定義し、代表的引張変形率補正定数値Ω1及びΩ2を決定する引張変形率補正値決定方法は、次の通りである。
【０１５９】
引張変形率補正値決定方法
代表的引張変形率補正定数値Ω1及びΩ2を決定するためには、互いに異なる種類のｙ個の金属それぞれに対して、連続圧入試験を経て前記加工硬化指数−応力係数決定段階を行ってｉ番目の金属に対する加工硬化指数ｎi値及び応力係数Ｋi値を決定する。
【０１６０】
ｉ番目の金属に対する加工硬化指数ｎi値及び応力係数Ｋi値が決定されると、ｙ個の金属に対するこれら値を引張強度式ＵＴＳ＝Ｋ[Ω1ｎ＋Ω2]nにそれぞれ代入して
【０１６１】
【数１９】
であるｙ個のＵＴＳiを得る。この際、それぞれのＵＴＳiは代表的引張変形率補正定数値としてのΩ1及びΩ2のみの関数となる。
【０１６３】
ｙ個のＵＴＳiが得られると、それぞれのＵＴＳiが引張試験を経て得たｉ番目の金属の引張強度値(ＵＴＳi)tにそれぞれ近接するようにΩ1、Ω2値を特定する。Ω1、 Ω2値を特定する代表的方法は、上述した加工硬化指数推定段階で用いられた方法と同一である。
【０１６４】
以下、上述した構成を有する一般的実施例の作用について説明する。
【０１６５】
＜加工硬化指数設定段階＞
加工硬化指数設定段階では、特定金属の加工硬化指数ｎ値が設定される。第１回目の加工硬化指数背低段階におけるｎ値は０.３とし、第２回目以上の加工硬化指数設定段階におけるｎ値は後術する加工硬化指数推定段階で推定されるｎj値とする。
【０１６６】
＜接触半径推定段階＞
まず、当該特定金属に対して圧入荷重と圧入荷重作用時の変位を示す圧入荷重−変位曲線(L-h curve)を測定する。圧入荷重−変位曲線が求められると、圧入荷重−変位曲線からｋ番目の特定圧入荷重作用時の圧入子と当該特定金属との接触半径ａkを式(ａ)のように推定する。
【０１６７】
ｋ番目の特定圧入荷重作用時の圧入子と当該特定金属との接触半径ａkを推定するためには、圧入荷重−変位曲線からｈmax、Ｓ及びｈi値を求める。ｈmax及びｈi値が求められると、式(ａ)を用いてｈ0及びｆ(ｎ)値を求めた後、ａkを推定する。ｆ(ｎ)値を求めるにあたって、関数ｆ(ｎ)は、AISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼を金属試片にして前記ｆ(ｎ)決定方法によって求められたｆ(ｎ)＝１.１１０８−０.３５５５ｎとし、ｎは加工硬化指数設定段階で設定された値とする。
【０１６８】
一方、当該特定金属には圧入子を介してｍ回にわたって圧入荷重を作用させるので、全部合わせてｍ個のａ値が推定される。
【０１６９】
＜圧入変形率−応力推定段階＞
圧入変形率εkを推定するためには、式(ｂ)に定数α、 圧入子の半径Ｒ及び式(ａ)から得たａkを代入する。
【０１７０】
また、圧入応力σkを推定するためには、式(ｃ)に試片に作用する圧入荷重Ｌmax、式(ａ)から得たａkを代入する。
【０１７１】
圧入変形率-応力推定段階では、合わせてｍ個のεk及びσkが得られる。
【０１７２】
＜加工硬化指数推定段階＞
加工硬化指数推定段階では、ホロモンの関係式σ＝Ｋεnに圧入変形率−応力推定段階から得たｍ個のεkを代入して得たそれぞれのσkj値が、平均的にそれぞれ圧入変形率−応力推定段階で得たσk値に最も近接するようにＫ値及びｎ値を推定する。
【０１７３】
加工硬化指数推定段階の代表的方法は、前記一般的実施例の構成において説明した通りである。
【０１７４】
＜加工硬化指数判断段階＞
加工硬化指数判断段階では、加工硬化指数推定段階で推定されたｎj値が加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値と同じ値か異なる値かを判断する。
【０１７５】
＜反復段階＞
反復段階ではｎj値が加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値と異なるものと判断された場合、加工硬化指数判断段階でｎj値がｎ値と同じ値と判断されるまでｎをｎjとする加工硬化指数設定段階、接触半径推定段階、圧入変形率−応力推定段階、加工硬化指数推定段階及び加工硬化指数判断段階を繰り返し行う。
【０１７６】
反復段階の詳細な内容は、前記一般的実施例の構成で説明した通りである。
【０１７７】
＜加工硬化指数決定段階＞
加工硬化指数決定段階では、ｌ番目の加工硬化指数推定段階で推定された加工硬化指数値ｎjがｌ番目の加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値と同一であると判断されると、ｎの最終値ｎjをｌ番目の加工硬化指数推定段階で推定された加工硬化指数値ｎjまたはｌ番目の加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値として決定する。
【０１７８】
＜応力係数決定段階＞
応力係数決定段階では、ｌ番目の加工硬化指数推定段階で推定された加工硬化指数値ｎjがｌ番目の加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値と同一であると判断された場合、加工硬化指数決定段階で決定されたｎ＝ｎj値及びｌ番目の圧入変形率−応力推定段階で得たεk、σkをホロモンの関係式σ＝Ｋεnに代入して当該特定金属に対する応力係数Ｋ値を決定する。
【０１７９】
一方、加工硬化指数推定段階ではｎ値の他にＫ値も推定されるので、ｌ番目の加工硬化指数推定段階で推定された応力係数値ＫjをＫの最終値として決定することもできる。
【０１８０】
＜降伏強度決定段階＞
降伏強度決定段階では、加工硬化指数-応力決定段階で決定された当該特定金属に対する加工硬化指数ｎ値、応力係数Ｋ値をＹ＝ＫεRY nと定義される降伏強度式に代入して当該特定金属に対する降伏強度Ｙ値を決定する。
【０１８１】
εRYは、いろいろな種類の金属試片それぞれに対して前記降伏強度式を用いてそれぞれの金属の降伏強度を求める場合に共通的に適用される固定された式であって、代表的降伏変形率と定義し、これの決定方法は前述した構成で説明した通りである。
【０１８２】
AISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼を代表的降伏変形率決定のための金属試片にして、本発明によって決定される代表的変形率値εRYは０.０１とする。
【０１８３】
＜引張強度決定段階＞
引張強度決定段階では、加工硬化指数−応力決定段階で決定された当該特定金属に対する加工硬化指数ｎ値、応力係数Ｋ値をＵＴＳ＝Ｋ[εＵ(ｎ)]n＝Ｋ[Ω1ｎ＋Ω2]nと定義される引張強度式に代入して当該特定金属に対する引張強度ＵＴＳ値を決定する。
【０１８４】
Ω1、Ω2は、いろいろな種類の金属試片それぞれに対して前記引張強度式を用いてそれぞれの金属の降伏強度を求める場合に共通的に適用される固定された式であって、代表的引張変形率補正定数値と定義し、これの決定方法は前述した構成で説明した通りである。
【０１８５】
AISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼を代表的引張変形率補正定数値決定のための金属試片にして、本発明によって決定される代表的引張変形率補正定数値Ω1は０.４１７１、Ω2は０.０４３とする。
【０１８６】
以上、本発明を前記実施例によって説明したが、本発明はこれに制限されるものではない。
例えば、前記一般的一実施例では、金属の圧入荷重−変位曲線測定時、圧入子は０.５ｍｍの球形圧入子を用い、圧入子の圧入速度は０.１ｍｍ／ｍｉｎとしたが、他の実施例では圧入子の半径と圧入速度のいずれか一方或いは両方を異にすることもできる。
【０１８７】
また、前記一般的一実施例では圧入子の最終圧入深さを０.３ｍｍ（圧入子半径の６０％）としたが、他の実施例では圧入子の最終圧入深さを異にすることもできる。
【０１８８】
また、前記一般的一実施例では代表的変形率値εRYを０.０１としたが、他の実施例では代表的変形率値εRYを０.００７〜０.０１３とすることもできる。
また、前記一般的一実施例で代表的変形率値εRYを求めるに際して、金属試片の組合をAISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼の組合としたが、他の実施例ではその他の組合にすることもできる。即ち、前述した一部の鋼を別の鋼に置き換え、或いは別の鋼を追加し、或いは別の鋼のみで金属試片の組合を構成することができる。
【０１８９】
また、前記一般的一実施例では代表的引張変形補正定数値Ω1を０.４１７１、Ω2は０.０４３としたが、他の実施例では代表的引張変形率補正定数値Ω1を０.３〜０.５、Ω2を−０.１〜−０.１とすることもできる。
【０１９０】
また、前記一般的一実施例で代表的引張変形率補正定数値Ω1、Ω2を求めるに際して、金属試片の組合をAISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼の組合としたが、他の実施例ではその他の組合にすることもできる。即ち、前述した一部の鋼を別の鋼に置き換え、或いは別の鋼を追加し、或いは別の鋼のみで金属試片の組合を構成することができる。
【０１９１】
また、前記一般的一実施例では、代表的引張強度式をＵＴＳ(ｎ，Ｋ)＝Ｋ(εＵ)nとしたが、他の実施例では、引張強度式をＵＴＳ(ｎ，Ｋ)＝Ｋｎn＋Ω3とすることもできる。 ここで、Ω3は前記一般的一実施例におけるΩ1、Ω2と同じ意味を有する補正定数値であって、これの決定方法はΩ1、Ω2の決定方法と同一である。
【０１９２】
また、前記一般的一実施例においてｆ(ｎ)＝１.１１０８−０.３５５５ｎとしたが、他の実施例でｆ(ｎ)＝ｃｎ＋ｄとし、或いは特にｆ(ｎ)＝ｃｎ＋ｄ、ｃは−０.４〜−０.３、ｄは１.０５〜１.１５とし、或いはｆ(ｎ)をｎに関する２次以上の多項式またはその他の関数とすることもできる。
【０１９３】
また、前記一般的一実施例で関数ｆ(ｎ)を特定するにあたって、金属試片の組合をAISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼の組合としたが、他の実施例ではその他の組合にすることもできる。即ち、前述した一部の鋼を別の鋼に置き換え、或いは別の鋼を追加し、或いは別の鋼のみで金属試片の組合を構成することができる。
【０１９４】
また、前記一般的一実施例においてαは定数であって、０.１としたが、他の実施例においてαは０.０５〜０.１５の定数とすることもできる。
【０１９５】
また、前記一般的一実施例においてβは定数であって、１／３としたが、他の実施例においてβは１/２.８〜１/３.２の定数とすることもできる。
【０１９６】
また、前記一般的一実施例において加工硬化指数推定段階を行う時、圧入変形率−応力推定段階で得た全てのεkを用いて加工硬化指数を推定したが、他の実施例において加工硬化指数推定段階を行う場合、εk≦ｎのεkのみを用いて加工硬化指数を推定することもできる。一般に、最大荷重における変形率は加工硬化指数と同一であると知られているので、引張試験を用いて真応力−真変形率を測定する場合に、意味のある変形率の範囲は加工硬化指数値と同じか或いは小さい値とされるのがその理由である。
【０１９７】
また、前記一般的一実施例において第１回目の加工硬化指数設定段階を行う時のｎ値は０.３としたが、他の実施例において第１回目の加工硬化指数設定段階遂行時のｎ値は異にすることもできる。
【０１９８】
一方、前記一般的一実施例は、真応力−真変形率決定段階を有しないものとしたが、他の実施例は真応力−真変形決定段階を有するものとすることもできる。
【０１９９】
この際、真応力−真変形率は最後の圧入変形率−応力推定段階で得たεk、σk値がそれぞれ真変形率、真応力になる。
【０２００】
以下、球形圧入子を用いてAISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP、超細粒鋼に対して本発明によって決定された加工硬化指数及び応力係数とこれらを決定するために必要なデータを表で示した。
【０２０１】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
【表７】
表においてｈmax、ｈf及びＬmaxは圧入荷重−変位曲線から直接測定され、Ｓは圧入荷重−変位曲線上の荷重除去曲線から計算される。残り変数は前記一般的実施例によって決定される。
【０２０９】
ここで、球形圧入子の半径Ｒは０.５ｍｍ、圧入子の圧入速度は０.１ｍｍ／ｍｉｎ、圧入子の最終圧入深さは0.３ｍｍ（圧入子の半径の６０％）とし、ｆ(ｎ)＝１.１１０８−０.３５５５ｎ、α＝０.０１とした。但し、超細粒鋼の場合、変形率がより小さい範囲の実験データを得るために、球形圧入子の半径Ｒは０.７９３７５ｍｍとした。
【０２１０】
また、ａ、εR、σRは、加工硬化指数決定段階で決定された加工硬化指数値がｎjの場合、最後の接触半径推定段階、圧入変形率−応力推定段階で推定された接触半径、圧入変形率、圧入応力であって、ｋ番目の圧入時の真接触半径、真圧入変形率、真圧入応力を示す。
【０２１１】
本実施例による応力係数及び加工硬化指数の決定において、表１、表２、表３、表５、表６では第２〜９回目の圧入時のデータのみを使用し、表４では第４〜８回目の圧入時のデータのみを使用し、表７では第５〜９回目の圧入時のデータのみを使用した。初期段階の圧入時のデータは、実験試片の表面部位が硬化または軟化された場合、間違った情報を提供する虞があって除去され、後期段階の圧入時のデータは圧入変形率が加工硬化指数より大きいので除去された。特に、最終段階の圧入時のデータは、荷重除去曲線においてｈf点の決定がその以前段階の場合と異なるので除去された。
【０２１２】
以下、球形圧入子を用いてAISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP、超細粒鋼に対し、前記表１乃至表７に示した加工硬化指数、応力係数と、これらを用いて本発明によって決定された降伏強度及び引張試験を経て測定された加工硬化指数、応力係数及び降伏強度を表８に示す。
【０２１３】
【表８】
表８において、降伏強度は前記一般的一実施例によって求められた値であり、この時、代表的降伏変形率値εRYも前記一般的一実施例によって０.０１とした。 以下、球形圧入子を用いてAISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP、超細粒鋼に対し、前記表１乃至表７に示した加工硬化指数、応力係数とこれらを用いて本発明によって決定された引張強度及び引張試験を経て測定された加工硬化指数、応力係数及び引張強度を表９に示す。
【０２１５】
【表９】
表９において、引張強度は前記一般的一実施例によって求められた値であり、この時、代表的引張強度補正値εＵは前記一般的一実施例によってΩ1を０.４１７１、Ω2を０.０４３とした。
【０２１７】
図１６にはAISI1025、SA106、SA213鋼に対し、図１７にはSA508、SM50、TMCP鋼に対し、図１８には超細粒鋼に対し、球形圧入子を用いて測定された圧入荷重−変位曲線が示されている。
【０２１８】
図１９にはAISI1025鋼に対し、図２０にはSA106鋼に対し、図２１にはSA213鋼に対して、図２２にはSA508鋼に対し、図２３にはSM50鋼に対し、図２４にはTMCP鋼に対し、図２５には超細粒鋼に対し、本発明によって得られた真応力−真変形率が点で表れ、一軸引超試験によって得られた真応力−真変形率が実線で表れている。
【０２１９】
図２６にはAISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼に対し、本発明によって得られた加工硬化試験と引張試験によって加工硬化指数が点で表れているが、縦軸は本発明によって得られた加工硬化指数値を、横軸は引張試験によって得られた加工硬化指数値を意味する。引張試験を経て得た加工硬化指数値は、AISI1025鋼に対しては０.２７１５、SA106鋼に対しては０.２３８２、SA213鋼に対しては０.２０３８６７、SA508鋼に対しては０.１７７０５、SM50鋼に対しては０.２２８２６７、TMCP鋼に対しては０.１９７５５、超細粒鋼に対しては０.１３８７である。
【０２２０】
図２７にはAISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼に対し、本発明によって得られた降伏強度と引張試験によって得られた降伏強度が点で表れているが、縦軸は本発明によって得られた降伏強度値を、横軸は引張試験によって得られた降伏強度値を意味する。
【０２２１】
図２８にはAISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼に対し、本発明によって得られた引張強度と引張試験によって得られた引張強度が点で表れているが、縦軸は本発明によって得られた引張強度値を、横軸は引張試験によって得られた引張強度値を意味する。
【０２２２】
表８、表９、図１９乃至図２５及び図２６を参照すると、本発明によって得られた真応力−真変形率、加工硬化指数値は、引張試験によって得られた真応力−真変形率、加工硬化指数値に近接することが分かる。
【０２２３】
【発明の効果】
本発明は、体積を小型化して実構造物への付着を容易にした圧入試験機を提供する。
【０２２４】
また、本発明は、取付装置を多様化し、対象材料の大きさと種類に関係無く様々な材料に取り付けて試験することができるという効果がある。
【０２２５】
また、本発明は、水平移動を可能にして、材料のいろいろな位置を試験するために本体自体を移動する必要がないという効果がある。
【０２２６】
また、本発明は、一度の連続圧入試験を可能にして試験時間を節約することができるという効果がある。
【０２２７】
また、本発明は、測定されたデータを分析するにあたって、実験定数補正のための別の引張試験が不要であって試験費用を節減し、引張試片を得難い部分に対して測定することができるという効果がある。
【０２２８】
また、本発明は、特定金属に対して連続圧入試験による圧入荷重−変位曲線を測定し、この変位曲線を分析して加工硬化指数及び応力係数を導出し、これらの値を用いて当該金属に対する降伏強度及び引張強度を導出することにより、引張試験を代替するという効果がある。
【０２２９】
また、本発明は、加工硬化指数及び応力係数の導出時、圧入部周囲に発生するパイルアップ／シンクイン(pile-up/sink-in)現象を考慮して、圧入子と金属試片との接触半径及び変形率を新しく定義することにより、引張試験を経て得る値に近い結果が得られるという効果がある。
【０２３０】
また、本発明は、降伏強度式を定義し、降伏強度式における代表的変形率値εRYを引張試験によるデータに近接するように決定することにより、引張試験から得る降伏強度に近接する降伏強度が得られるという効果がある。
【０２３１】
また、本発明は、引張強度式を定義し、引張強度式における代表的変形率値εRYを引張試験によるデータに近接するように決定することにより、引張試験から得る引張強度に近接する引張強度が得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る圧入試験機の全体構成図である。
【図２】図１の本体の正断面図である。
【図３】図１の本体の側断面図である。
【図４】図１の水平移動装置の部分断面が含まれた本体の平面図である。
【図５】図１の本体の下部一部と取付装置、試片テーブルの断面図である。
【図６】本発明の一実施例に係る圧入試験機を用いた物性測定方法の流れ図である。
【図７】図６の圧入子移動方法選択段階の詳細流れ図である。
【図８】図６の圧入子接近段階の詳細流れ図である。
【図９】本発明の一実施例に係る圧入試験機を用いた物性測定方法を格納した記録媒体をコンピュータによって作動させた場合の初期画面である。
【図１０】実験条件の設定画面である。
【図１１】 (a)は、本発明の一実施例に係る圧入試験機を用いた物性測定方法を格納した記録媒体によって測定された圧入深さ−圧入荷重曲線を示す画面であり、(ｂ)は、同一材料または相違材料に対して多数測定された圧入深さ−圧入荷重曲線の重畳を示す画面である。
【図１２】図１１の(ａ)の圧入深さ−圧入荷重曲線を用いて誘導された流動曲線分析結果を示す画面である。
【図１３】本発明に係る連続圧入試験を用いた物性計算方法の一般的実施例の流れ図である。
【図１４】圧入荷重−変位曲線の概略図である。
【図１５】関数ｆ(ｎ)の決定段階を示す概略図である。
【図１６】 AISI1025、SA106、SA213鋼に対して、球形圧入子を用いて測定した圧入荷重−変位曲線である。
【図１７】 SA508、SM50、TMCP鋼に対して、球形圧入子を用いて測定した圧入荷重−変位曲線である。
【図１８】超細粒鋼に対して、球形圧入子を用いて測定した圧入荷重−変位曲線である。
【図１９】 AISI1025鋼に対して、本発明によって得られた真応力−真変形率と、一軸引張試験によって得られた真応力−真変形率を示す比較図である。
【図２０】 SA106鋼に対して、本発明によって得られた真応力-真変形率と、一軸引張試験によって得られた真応力−真変形率を示す比較図である。
【図２１】 SA213鋼に対して、本発明によって得られた真応力−真変形率と、一軸引張試験によって得られた真応力−真変形率を示す比較図である。
【図２２】 SA508鋼に対して、本発明によって得られた真応力−真変形率と、一軸引張試験によって得られた真応力−真変形率を示す比較図である。
【図２３】 SM50鋼に対して、本発明によって得られた真応力−真変形率と、一軸引張試験によって得られた真応力−真変形率を示す比較図である。
【図２４】 TMCP鋼に対して、本発明によって得られた真応力−真変形率と、一軸引張試験によって得られた真応力−真変形率を示す比較図である。
【図２５】超細粒鋼に対して、本発明によって得られた真応力−真変形率と、一軸引張試験によって得られた真応力−真変形率を示す比較図である。
【図２６】 AISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼に対して、本発明によって得られた加工硬化指数と、引張試験によって得られた加工硬化指数を示す比較図である。
【図２７】 AISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼に対して、本発明によって得られた降伏強度と、引張試験によって得られた降伏強度を示す比較図である。
【図２８】 AISI1025、SA106、SA213、SA508、SM50、TMCP鋼に対して、本発明によって得られた引張強度と、引張試験によって得られた引張強度を示す比較図である。
【符号の説明】
１００ 本体
１０１ フレーム
１１０ 荷重付加装置
１１１ モータ
１１２ 減速器
１１３ カップリング
１１４ 連結軸
１１５ ベアリング
１１６ 支持軸
１１７ ボールネジ(ball screw)
１１８ ボールナット
１２１ シリンダ
１２３ 荷重センサ
１２５ 圧入子ホルダー
１２７ 圧入子
１２８ 変位センサ
１３０ 取付装置
１３１ 磁石
１３３ 本体ベース
１４０ 水平移動装置
１４１ スライダー
１４３ ロック
１５１ 圧入子位置制御センサ
１６１、１６１’ モータコネクタ
１６３、１６３’ エンコーダコネクタ
１６５、１６５’ 変位コネクタ
２００ ノートブックコンピュータ
３００ インタフェースボード
４００ 初期画面
４３０ モータの手動駆動部
４４０ エンゲージボタン
４５０ グラフ窓
Claims (14)
- 制御プログラム及び物性分析プログラムが搭載されたコンピュータとインタフェースボードを介して接続された、材料の荷重及び圧入深さを測定する圧入試験機において、
前記材料に加えられる荷重を発生させるモータと減速器とを有し、前記材料に一定の荷重を加える荷重付加段階と、加えられた荷重から一定荷重除去率だけの荷重を除去する荷重除去段階とを多数回繰り返し行う荷重付加装置と、
前記荷重付加装置から生成された回転力を垂直荷重に変換する荷重伝達装置と、
前記荷重伝達装置に装着され、荷重の反復的な付加と除去による荷重の変化を連続的に測定する荷重センサと、
前記荷重伝達装置の一端に連結され、前記荷重センサと同軸で動く連結軸及び圧入子ホルダーと、
前記圧入子ホルダーの先端に一体に形成されて露出し、前記材料に実質的に接触荷重を加える圧入子と、
前記圧入子の反復的な下降と上昇による圧入深さの変化を連続して測定する変位センサとを含む本体と、
前記圧入子と前記変位センサとが安全に移動し得るように、設定された領域の限界位置に取り付けられる圧入子移動制御センサと、
前記連結軸及び圧入子ホルダーが垂直移動可能な空間を有し、前記本体の下方に位置して前記本体を固定支持するベースと、
磁石、チェーン、Ｕ−ブロックのいずれか一つからなり、前記材料を前記圧入試験機に固定させる取付装置と、を有する連続圧入試験のための圧入試験機。 - 前記取付装置と前記ベースが固定された状態で、前記圧入子の取り付けられた前記本体のみ一軸に水平移動できるようにする水平移動装置をさらに含み、
前記水平移動装置は、
前記ベースの上部面に締結され、上部面にダブテールが設けられたスライダーベースと、
前記スライダーベースと前記本体との間に位置し、下部面にスライダーベースのダブテールに嵌合可能なダブテール溝が設けられ、前記ダブテール溝の方向と同一方向に外周面にねじ山付き溝を有するスライダーと、
一端は前記スライダーの溝のねじ山と共にねじ回転可能なねじ山が設けられ、前記スライダーの溝のねじ山と螺合され、他端はつまみが設けられており、前記一端と他端との間にはブラケットによって前記ベースまたは前記スライダーベースに螺合された移動つまみを有することを特徴とする請求項１に記載の連続圧入試験のための圧入試験機。 - 制御プログラム及び物性分析プログラムが搭載されたコンピュータとインタフェースボードを介して接続された、材料の荷重及び圧入深さを測定する圧入試験機において、前記材料に加えられる荷重を発生させる、モータと減速器とを有する荷重付加装置と、前記荷重付加装置から生成された回転力を垂直荷重に変換する荷重伝達装置と、前記荷重伝達装置に装着され、荷重の変化を連続的に測定する荷重センサと、前記荷重伝達装置の一端に連結され、前記荷重センサと同軸で動く連結軸及び圧入子ホルダーと、前記圧入子ホルダーの先端に露出し、前記材料に実質的に接触荷重を加える圧入子と、前記圧入子の圧入による圧入深さの変化を連続して測定する変位センサとを含む本体を有する連続圧入試験のための圧入試験機を用いて材料の物性を測定する測定方法において、
圧入子を下方に移動させ、前記圧入子を圧入試験の開始可能な位置へ移動させるが、圧入荷重が荷重設定値以上であれば、前記圧入子の移動を止めて前記圧入子を距離設定値だけ上昇させ、圧入荷重が荷重設定値未満であれば、圧入子を引き続き下方に移動させる圧入子接近段階と、
前記圧入子の移動速度及び圧入子の移動深さを設定し、前記材料に荷重を加える荷重付 加段階と、
前記圧入子の移動深さだけ圧入子が垂直移動した後、前記圧入子の移動深さの一定荷重除去率だけ前記圧入子を上方に移動させる荷重除去段階と、
前記荷重付加段階及び前記荷重除去段階を通じて圧入子の垂直移動による前記圧入子の圧入深さ及び圧入荷重を測定する測定段階と、
前記荷重付加段階、前記荷重除去段階及び前記測定段階を多数回繰り返し行う連続試験段階と、
前記圧入子を材料から除去する圧入子除去段階と、
前記圧入子除去段階の前後に測定段階で測定した圧入深さ及び圧入荷重からなる圧入荷重−変位曲線によって前記材料の応力−変形率曲線を求め、この応力−変形率曲線を用いて前記材料の物性を計算する物性計算段階とを含む圧入試験機を用いた物性測定方法。 - 前記圧入子接近段階は、
前記圧入子を下方に移動させる圧入子下方移動段階と、
圧入荷重が荷重設定値以上であれば、前記圧入子の移動を止めて前記圧入子を距離設定値だけ上方に移動し、圧入荷重が荷重設定値未満であれば、前記圧入子下方移動段階を引き続き行う判断段階とからなり、
前記それぞれの連続試験段階毎に、前記圧入子の移動速度、前記圧入子の移動深さ及び前記荷重除去率の少なくともいずれか一つを変化させることができ、
前記圧入試験機のうち、圧入子を含むフレームのみを水平移動させ、前記圧入試験機のベースまたは取付装置は移動させず、同一材料の一軸の多数の位置で前記段階を繰り返し行って計算した物性値の平均を出して前記材料の物性を計算する段階をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の圧入試験機を用いた物性測定方法。 - 制御プログラム及び物性分析プログラムが搭載されたコンピュータとインタフェースボードを介して接続された、材料の荷重及び圧入深さを測定する圧入試験機において、前記材料に加えられる荷重を発生させる、モータと減速器とを有する荷重付加装置と、前記荷重付加装置から生成された回転力を垂直荷重に変換する荷重伝達装置と、前記荷重伝達装置に装着され、荷重の変化を連続的に測定する荷重センサと、前記荷重伝達装置の一端に連結され、前記荷重センサと同軸で動く連結軸及び圧入子ホルダーと、前記圧入子ホルダーの先端に露出し、前記材料に実質的に接触荷重を加える球形圧入子と、前記球形圧入子の圧入による圧入深さの変化を連続して測定する変位センサとを含む本体を有する連続圧入試験のための圧入試験機を用いて、特定金属に対して球形圧入子を用いたｍ回の連続圧入試験を行い、当該特定の金属の加工硬化指数ｎ値を設定する加工硬化指数設定段階と、
前記加工硬化指数設定段階で設定されたｎ値をｆ ( ｎ ) に代入してｍ回の連続圧入試験のうち、ｋ番目の圧入試験の際、圧入子が当該特定の金属と接触する接触半径ａ ｋ を推定する接触半径推定段階と、
前記接触半径推定段階で推定された接触半径ａ ｋ を用いて当該特定金属に対するｋ番目の圧入試験時の圧入変形率ε ｋ 及び圧入応力σ ｋ を推定する圧入変形率−応力推定段階と、
前記ｍ個のε ｋ 及びσ ｋ をホロモンの関係式σ＝Ｋε ｎ に代入して当該特定金属の加工硬化指数ｎをｎ ｊ と推定する加工硬化指数推定段階と、
前記ｎ ｊ を加工硬化指数設定段階で設定されたｎと比較する加工硬化指数判断段階と、
前記加工硬化指数判断段階でｎ ｊ とｎが相違するものと判断された場合、ｎをｎ ｊ にして加工硬化指数設定段階、接触半径推定段階、圧入変形率−応力推定段階、加工硬化指数推定段階及び加工硬化指数判断段階を繰り返し行う反復段階と、
前記加工硬化指数判断段階でｎ ｊ とｎとが同一であると判断された場合、ｎの最終値ｎ ｊ をｎ ｆ ＝ｎ ｊ に決定してこれを当該特定金属の加工硬化指数とする加工硬化指数決定段階と、
前記加工硬化指数決定段階で決定されたｎ値及び最後の反復段階で得たε ｋ 、σ ｋ をホ ロモンの関係式σ＝Ｋε ｎ に代入して当該特定金属の応力係数Ｋ値を決定する応力係数決定段階とを含んで加工硬化指数及び応力係数を決定する連続圧入試験を用いた物性計算方法。
ここで、ａ ｋ ２ ＝ｆ ( ｎ )( ２Ｒｈ ０ −ｈ ０ ２ ) 、
ｆ ( ｎ ) は加工硬化指数ｎに関する関数、
Ｒは圧入子の半径、
ｈ ０ ＝ｈ ｍａｘ −０．７５ ( ｈ ｍａｘ −ｈ ｉ ) 、
ｈ ｍａｘ は当該特定金属に対するｋ番目の圧入試験時の最大圧入荷重における圧入深さ、
ｈ ｉ は当該特定金属に対するｋ番目の圧入試験における荷重除去曲線の初期勾配を荷重０まで外挿した深さ、
【数１】、
αは定数、
γは当該特定金属に対するｋ番目の圧入試験時の圧入子と当該特定金属との接触角、
【数２】、
βは定数、
Ｌ ｍａｘ は当該特定金属に対するｋ番目の圧入試験時の圧入子に作用する最大荷重。 - 多様な種類の金属に対する代表的降伏変形率値をε ＲＹ とする時、加工硬化指数−応力係数決定段階で決定されたｎ値、Ｋ値及びＹ＝Ｋε ＲＹ ｎ と定義される降伏強度式を用いて当該特定金属の降伏強度Ｙを決定する降伏強度決定段階をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の連続圧入試験を用いた物性計算方法。
- 前記代表的降伏変形率値ε ＲＹ は、ｙ個の互いに異なる金属のそれぞれに対する連続圧入試験の際に、ｉ番目の金属に対して前記加工硬化指数−応力係数決定段階で決定された加工硬化指数をｎ ｉ 、応力係数をＫ ｉ とし、前記ｎ ｉ 値及びＫ ｉ 値を前記降伏強度式に代入して得た値をＹ ｉ とする時、
前記代表的変形率値ε ＲＹ は０ . ００７〜０ . ０１３であることを特徴とする請求項６記載の連続圧入試験を用いた物性計算方法。 - 前記加工硬化指数−応力係数決定段階で決定されたｎ値、Ｋ値及びＵＴＳ＝ＵＴＳ ( ｎ，Ｋ ) と定義される引張強度式を用いて当該特定金属の引張強度ＵＴＳを決定する引張強度決定段階をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の連続圧入試験を用いた物性計算方法。
- 前記特定金属に対する引張変形率補正値εＵをεＵ＝εＵ ( ｎ ) をとする時、前記加工硬化指数−応力係数決定段階で決定されたｎ値、Ｋ値及びＵＴＳ＝Ｋ ( εＵ ) ｎ と定義される引張強度式を用いて当該特定金属の引張強度ＵＴＳを決定する引張強度決定段階を有することを特徴とする請求項８に記載の連続圧入試験を用いた物性計算方法。
ここで、εＵは当該特定金属の加工硬化指数ｎの関数である。 - 前記引張変形率補正値εＵは、ｙ個の互いに異なる金属それぞれに対する連続圧入試験の際に、ｉ番目の金属に対して前記加工硬化指数−応力係数決定段階で決定された加工硬化指数ｎ ｉ 、応力係数をＫ ｉ とし、前記ｎ ｉ 値及びＫ ｉ 値を前記引張強度式に代入して得た値をＵＴＳ ｉ とする時、
前記代表的引張変形率補正値εＵはεＵ ( ｎ ) ＝Ω １ ｎ＋Ω ２ であることを特徴とする請求項９に記載の連続圧入試験を物性計算方法。
ここで、εＵ ｉ ＝εＵ ｉ ( ｎ ｉ ) であって、ｉ番目の金属に対する加工硬化指数ｎ ｉ の関数であり、
Ω １ は０ . ３〜 0. ５の定数、
Ω ２ は−０ . １〜０ . １の定数である。 - ｆ ( ｎ ) は、ｘ個の互いに異なる金属のそれぞれに対するｍ ｉ 回の連続圧入試験の際に、ｉ番目の金属に対するｍ ｉ 個の応力 ( σ R ) ｉ 及び変形率 ( ε R ) ｉ がｉ番目の金属に対する引張試験を経て得た真応力−真変形率曲線に近接するようにｉ番目の金属のｆ ( ｎ ) 値であるｆ ( ｎ ｉ ) 値を特定するｆ ( ｎ ) 値決定段階と、
前記ｆ ( ｎ ) 値決定段階で特定されたｘ個のｆ ( ｎ ｉ ) 値を用いてｎに関する関数ｆ ( ｎ ) を特定するｆ ( ｎ ) 決定段階とによって特定されることを特徴とする請求項５に記載の加工硬化指数及び応力係数を決定する連続圧入試験を用いた物性計算方法。
ここで、
( Ｌ ｍａｘ ) ｉ はｉ番目の金属に対するｋ番目の圧入試験時の圧入子に作用する最大荷重、
ａ ｉ ２ ＝ｆ ( ｎ ｉ )( ２Ｒｈ ０ −ｈ ０ ２ ) 、
ｎ ｉ はｉ番目の金属の加工硬化指数、
Ｒは圧入子の半径、
ｈ ０ ＝ｈ ｍａｘ −０．７５ ( ｈ ｍａｘ −ｈ ｉ ) 、
ｈ ｍａｘ はｉ番目の金属に対するｋ番目の圧入試験時の最大圧入荷重における圧入深さ、
ｈ ｉ はｉ番目の金属に対するｋ番目の圧入試験における荷重除去曲線の初期勾配を荷重０まで外挿した深さ。 - 前記接触半径推定段階で、ｆ ( ｎ ) ＝ｃｎ＋ｄであることを特徴とする請求項１１に記載の連続圧入試験を用いた物性計算方法。
ここで、ｃは−０ . ４〜−０ . ３、ｄは１ . ０５〜１ . １５。 - 前記圧入変形率−応力推定段階で、αは０ . ０５〜０ . １５、βは１／２ . ８〜１／３ . ２の値を有することを特徴とする請求項１２に記載の連続圧入試験を用いた物性計算方法。
- 前記加工硬化指数設定段階で第１回目の加工硬化指数設定段階を行う時のｎ値は０ . ３であることを特徴とする請求項１１乃至請求項１３のいずれかに記載の連続圧入試験を用いた物性計算方法。
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