JP3722324B2 - リバウンド式硬さ試験機における硬さ試験方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハンマを試料に衝突させてその衝突の前後の速度比から当該試料の硬さを計測するようにしたリバウンド式硬さ試験機における硬さ試験方法に関し、特に、ハンマの衝突直前および衝突直後のハンマの速度を計測することなく上記硬さ計測が行なえるようにした、リバウンド式硬さ試験機における硬さ試験方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、試料の硬さ計測において、ハンマを試料に衝突させ、その衝突直前のハンマ速度と衝突直後のハンマ速度との比に基づいて、試料の硬さを計測するようにしたものは、リバウンド式硬さ試験機と呼ばれて一般の使用に供されている。
【0003】
このリバウンド式硬さ試験機においては、図2に示すように、ハンマ1を試料2に衝突直前速度v 2 で衝突させ、そのハンマ1が衝突直後速度v 2 ′で跳ね返ったとするとき、試料2の硬さHを[数3]式のように定義する。
【数3】
k :係数
この場合、ハンマ1の運動中の摩擦および空気抵抗は無視する。すなわち、ハンマ1に は、発射後は、重力以外の外力は作用しないものとする。したがって、ハンマ1が水平方向にのみ運動する場合には、その加速度は0となる。しかしながら、通常は試験機を傾けるので、ハンマ1に作用する加速度は、計測の都度、異なると考えなければならない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、実際の硬さ試験において、ハンマの衝突直前速度v 2 、すなわちハンマが試料に衝突するときの速度、およびハンマの衝突直後速度v 2 ′、すなわちハンマが試料から跳ね返った直後の速度を正確に測定するのは難しい。そのために、従来は、近似値として衝突点に近い位置におけるハンマの衝突速度と反撥速度とを計測し、この近似値に基づいて硬さ試験を行なっていた。しかしながら、そのような硬さ試験方法では、得られた硬さHが必ずしも正確ではないという問題点がある。
【0005】
本発明は、このような問題点を解決しようとするもので、ハンマの衝突直前速度v2およびハンマの衝突直後速度v2′を測定しなくても、リバウンド式硬さ計測機による正確な硬さ計測が行なわれるようにした、リバウンド式硬さ試験機における硬さ試験方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ハンマを試料に衝突させ、衝突前後のハンマの速度比から上記試料の硬さ試験を行なうリバウンド式硬さ試験機により硬さを計測する際に、上記ハンマの往復動経路の、上記試料から距離x2だけ離れた第1ハンマ速度計測点よりも上記試料寄りに距離x1接近した第2ハンマ速度計測点における上記ハンマの衝突行程の速度v1および反撥行程の速度v1′ならびに上記距離x1に基づいて、試料の硬さHを[数4]式により算出して課題解決の手段としている。
【数4】
ただし、αはハンマに作用する加速度を示す。
【0007】
さらに、上記加速度αを、上記第1ハンマ速度計測点における上記ハンマの衝突行程の速度v0および上記第2ハンマ速度計測点における上記ハンマの衝突行程の速度v1ならびに上記距離x1に基づいて、[数5]式により算出して課題解決の手段としている。
【数5】
【0008】
本発明のリバウンド式硬さ試験機における硬さ試験方法によれば、
(1) 試料のハンマ衝突面から離れたハンマ速度計測点においてハンマ速度v1,v1′を計測して硬さHを求めるようにしたので、ハンマの衝突直前速度および衝突直後速度を計測することなくリバウンド式硬さ試験機を用いた硬さ試験を行なうことが可能となり、しかも、それらの速度v1,v1′の計測は簡単で、その測定値の精度が極めて高いことから、測定精度を向上させることができる。
(2) ハンマに作用する加速度を簡単に算出できるため、試験機を鉛直方向に対して傾けなければならない場合にも、ハンマに作用する加速度を補正計算することによって測定精度を大幅に向上させることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の一実施形態としてのリバウンド式硬さ試験機における硬さ試験方法について説明する。図1はその原理を示す模式図である。
【0010】
図1において、符号11は第1ハンマ速度計測点(以下「第1計測点」という)を、符号12は第2ハンマ速度計測点(以下「第2計測点」という)を、それぞれ示している。
ここで、第2計測点12は第1計測点11よりも距離x1だけ下方に位置し、また試料2は第2計測点12よりも下方に置かれており、第1計測点11と試料2との間の距離がx2であるとする。すなわち、第2計測点 12 は、第1計測点 11 よりも試料2寄りに距離x 1 接近した位置にある。
【0011】
ここで、
v0:第1計測点11におけるハンマ1の衝突行程の速度
v :t秒後のハンマ1の衝突行程の速度
v1:第2計測点12におけるハンマ1の衝突行程の速度
とし、ハンマ1に作用する加速度αとすると、[数6]式が成立する。
【数6】
v=αt+v0
【0012】
したがって、t秒後のハンマ1の変位x(第1計測点 11 からの変位)は[数7]式となる。
【数7】
t=0のときx=0であるから、c=0となり、[数7]式は[数8]式となる。
【数8】
【0013】
ここで、ハンマ1がx1だけ下方に変位する間(このときハンマ1の速度はv1となっている)の時間をt1とすると、[数6]式,[数8]式はそれぞれ[数9],[数10]式となる。
【数9】
【数10】
【0014】
[数9]式を[数10]式に代入して[数11]式が得られる。
【数11】
したがって、加速度αは[数12]式となる。
【数12】
【0015】
ここで、x1,v1,v0は、いずれも既知の値、あるいは実測値である。
次に、ハンマ1が試料2に衝突するときの速度v2を、図1を参照しながら算出する。
【0016】
ハンマ1が試料2に衝突するまで(x=x2)の時間をt2とし、そのときの速度(衝突速度)をv2とすると、[数6]式から[数13]式が成立し、[数8]式から[数14]が成立する。
【数13】
v2=αt2+v0
【数14】
【0017】
[数14]式を変形して[数15]式が得られる。
【数15】
[数15]式を[数13]式に代入し、さらに[数11]式を代入すると[数16]式となる。
【数16】
v2= ± √(v0 2+2αx2)
= ± √{v1 2+2α(x2−x1)}
【0018】
ここで、v0 2+2αx2<0は虚数根であり、負の加速度によりハンマ1が試料2に到達しない状態であり、そのような事態は想定する必要はなく、また[数16]式の正負は等加速度運動の放物線運動を考える場合に必要なものであり、ここでは正の場合だけを考えればよい。こうして、[数16]式に[数12]を代入すると[数17]式が得られる。
【数17】
【0019】
さらに、ハンマ1が試料2(の表面)から跳ね返った直後の(x=x2における)速度v2′を算出する。
ハンマ1が試料2から跳ね返って第2計測点12に到達したときの速度をv1′,ハンマ1が跳ね返った瞬間の時間t′を0,第2計測点11に到達したときの時間t′=t3とし、x2−x1=−x3とする(跳ね返った後は運動方向が逆になるのでxをマイナスとする)と、[数18]式,[数19]式が成立する。
【数18】
v1′=αt3−v2′
【数19】
【0020】
[数19]式から[数20]式が得られる。
【数20】
【0021】
[数20]式を[数18]式に代入して[数21]式が得られる。
【数21】
v2′= ± √(v1′2−2αx3)
【0022】
硬さHは[数3]式で定義されているから、[数16]式と[数21]式とから、硬さHを[数22]式により算出することができる。
【数22】
【0023】
[数22]式を用いることにより、計測の難しいハンマの衝突直前速度v2およびハンマの衝突直後速度v2′を計測しなくても、リバウンド式硬さ試験機による試料の硬さ計測を行なうことが可能となる。
そしてこの場合、加速度αは、第1計測点11および第2計測点12におけるハンマの速度v1,v0(計測値)ならびに第1計測点11と第2計測点12との間の距離x1(実測値)に基づいて、[数12]式で算出することができる。
なお、ハンマ1が鉛直落下の場合、加速度αは、[数12]式を用いるまでもなく重力加速度に等しい値となる。
また、試験機が鉛直方向に対して傾いている場合、重力加速度を試験機の傾斜角度に応じて補正することでも算出することができる。
【0024】
次に、実測例を示す。
【実測例1】
試験機を水平からわずかに下方に傾けて設置してハンマを発射し、試料の試験面に対して垂直に衝突させた。そして、x1=25mm,x2=35mmに設定してハンマの速度を計測したところ、実測値v0=0.5m/s,v1=0.52m/s,v1′=0.3m/sが得られた。この場合、加速度αは、[数12]式から
【数23】
となる。したがって、衝突直前,直後の速度比として、[数22]式により、
【数24】
が得られる。
【0025】
v1,v1′を近似値とした従来の算出方法によれば、上記速度比v1′/v1は0.5769となり、本実施形態の場合に対して2.89%の誤差のあることが分かる。
【0026】
【比較例】
試験機を下向き45°としたとき、ハンマの加速度αは、
【数25】
α=g/sinθ=9.80665 ÷ √2=6.9343m/s2
となる。
前記の実測例1と同じく実測値がv1=0.52m/s、v1′=0.3m/sの場合、衝突直前・直後の速度比として、[数22]式により
【数26】
が得られる。したがって、加速度の補正計算をしなければ、従来の算出方法では29.6%もの大きな誤差が生じることになる。
【0027】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のリバウンド式硬さ試験機における硬さ試験方法によれば、次のような効果ないし利点が得られる。
(1) 試料のハンマ衝突面から離れたハンマ速度計測点でハンマ速度v1,v1′を計測し、それに基づいて硬さを求めるようにしたため、ハンマの衝突直前速度および衝突直後速度を計測することなく、リバウンド式硬さ試験機を用いた硬さ試験を行なうことができ、しかも、速度v1,v1′の計測は簡単で、その測定値の精度が極めて高いことから、測定精度を向上させることができる。
(2) ハンマに作用する加速度を簡単に算出できるため、試験機が鉛直方向に対して傾いている場合にも、ハンマに作用する加速度を補正計算することによって測定精度を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態としてのリバウンド式硬さ試験機における硬さ試験方法の原理を説明するための模式図。
【図2】 リバウンド式硬さ試験機における硬さの定義を説明するための模式図。
【符号の説明】
1 ハンマ
2 試料
11 第1ハンマ速度計測点
12 第2ハンマ速度計測点
x1 第1ハンマ速度計測点と第2ハンマ速度計測点との距離
x2 第1ハンマ速度計測点と試料との距離
v0 第1ハンマ速度計測点におけるハンマの衝突行程の速度
v1 第2ハンマ速度計測点におけるハンマの衝突行程の速度
v1′ 第2ハンマ速度計測点におけるハンマの反撥行程の速度
v2 ハンマの衝突直前速度
v2′ ハンマの衝突直後速度
α ハンマに作用する加速度
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