JP3959484B2 - 残留応力測定装置を用いた残留応力データ測定方法並びに残留応力測定方法、及びこの残留応力測定プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体 - Google Patents
残留応力測定装置を用いた残留応力データ測定方法並びに残留応力測定方法、及びこの残留応力測定プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3959484B2 JP3959484B2 JP2003100724A JP2003100724A JP3959484B2 JP 3959484 B2 JP3959484 B2 JP 3959484B2 JP 2003100724 A JP2003100724 A JP 2003100724A JP 2003100724 A JP2003100724 A JP 2003100724A JP 3959484 B2 JP3959484 B2 JP 3959484B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- load
- indenter
- residual stress
- test material
- indentation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/40—Investigating hardness or rebound hardness
- G01N3/48—Investigating hardness or rebound hardness by performing impressions under impulsive load by indentors, e.g. falling ball
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/0058—Kind of property studied
- G01N2203/0076—Hardness, compressibility or resistance to crushing
- G01N2203/0078—Hardness, compressibility or resistance to crushing using indentation
- G01N2203/008—Residual indentation measurement
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、残留応力測定装置を用いた残留応力データ測定方法並びに残留応力測定方法、及びこの残留応力測定プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
素材の塑性変形又は熱応力により発生する残留応力は、試験材料の疲労強度や破壊物性などの機械的性質を低下させ、後加工を困難にする等の様々な問題点を引き起こす。特に、最近、使用が急増した薄膜素材の場合、異種素材接合部界面に発生した残留応力が、機械的物性を左右する重要な要素であるという報告があり、バルク（bulk）素材においても溶接中に発生した残留応力の重要性は既に知られている。
【０００３】
公知の残留応力測定方法は２つに大別される。一つは機械的応力緩和方法（Mechanical stress relaxing）であって、穴開け法（Hole drilling）や切断法（（Ｓawcutting）などが挙げられる。もう一つは物理的方法であって、Ｘ線回折法（X-ray diffraction）、バルクハウゼン・マグネチック・ノイズ（Barkhausen magnetic noise）法、超音波法及び中性子回折法などが挙げられる。
【０００４】
機械的応力緩和方法では、拘束因子を除去して緩和する際の変形程度から残留応力を測定する。このような機械的方法は、比較試片なしで残留応力を定量的に評価することができるという利点はあるが、必ず試片を破壊しなければならないという問題点がある。また、物理的方法のうち、前記Ｘ線回折法では、原子間の間隔を測定して変形の程度に計算し、バルクハウゼン・マグネチック・ノイズ法では残留応力によって変化する磁場ノイズの一つであるバルクハウゼン・ノイズの変化を計算する。
【０００５】
このような物理的方法は、非破壊的であるという利点はあるが、試験材料の微細組織の影響が大きいという欠点により、溶接部のような微細組織の急激な変化（結果値が残留応力なのか、微細組織の変化なのかを判別することが難しい）が存在する領域における適用は不可能であるという限界がある。
【０００６】
このように既存の公知の残留応力測定方法は、一定の形態の試片採取による応力緩和を補償することができず、測定中にも応力除去を目的として一部素材を損傷することなく除去するなどの複雑な過程が必要であるという問題点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、機械的物性評価に有利で非破壊的な残留応力測定装置を用いた残留応力データ測定方法を提供することにある。本発明の他の目的は、適用する荷重の範囲を制御することにより、薄膜やマイクロ素子などの微小領域から大型構造物に至るまでの広範囲な適用が可能であり、微細組織による影響を受けない残留応力測定方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の更に他の目的は、着座装置を多様化して、対象試験材料の大きさと種類に関係なく様々な試験材料に着座させて測定することが可能な残留応力測定方法を提供することにある。本発明の更に他の目的は、測定されたデータを分析するに際して、実験定数補正のための別途の測定が不要なので測定費用を節減し、他の測定法では測定が不可能な部分に対する測定も可能な残留応力測定方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、残留応力測定装置の本体と、前記本体内に設けられ、試験材料に加えるための荷重を発生させる荷重加え装置と、前記荷重加え装置によって前記試験材料に加えられる荷重の変化を連続的に計測する荷重センサと、前記荷重加え装置に連結され、前記荷重センサと共に同軸にて駆動する圧子ホルダーと、前記圧子ホルダーに一端が結合され、他端が前記試験材料に突き当たって前記荷重加え装置にて発生された荷重を前記試験材料に加える圧子と、前記圧子による押込みに従う押込み深さの変化を連続的に計測する変位センサと、前記荷重センサ及び前記変位センサからの測定値に基づいて残留応力を測定する測定プログラムを有するインターフェースコンピュータとを含み、前記圧子を試験材料に接近させて前記試験材料に荷重を加え、前記試験材料に加えられた荷重を除去し、前記荷重と押込み深さの変化を連続的に計測する毎に、前記測定プログラムは、前記インターフェースコンピュータに、前記荷重センサが連続的に計測した前記荷重と押込み深さの変化に基づく残留応力を計算させることを特徴とする残留応力測定装置を用いて試験材料の残留応力データを測定する方法において、前記圧子を残留応力試験の開始が可能な位置に移動させて前記試験材料に接近させる圧子接近ステップと、前記圧子の試験条件である最大押込み深さ、反復回数、荷重除去率、移動速度を設定し、設定された最大押込み深さを前記反復回数で割ったものを前記圧子の１回の移動距離とし、この１回の移動距離が得られるような押込み荷重を、前記試験材料に加える荷重加えステップと、前記１回の移動距離だけ前記圧子を垂直に移動させた後、設定された荷重除去率だけ前記圧子を上昇させる荷重除去ステップと、前記荷重加えステップと前記荷重除去ステップの各ステップと同時に、前記圧子の１回の移動距離を得るために前記試験材料に加えられた押込み荷重に対する押込み深さを測定する測定ステップと、次の段階の押込み荷重を前記試験材料に加えた後、設定された荷重除去率だけ前記圧子を上昇させて前記圧子の次の段階の押込み荷重に対する押込み深さを測定する、前記荷重加えステップと前記荷重除去ステップと前記測定ステップとを前記反復回数だけ順次行う連続測定ステップと、前記最大押込み深さになるまで、前記試験材料に押込み荷重を前記反復回数だけ順次加え、この各ステップ毎に、前記圧子の１回の移動距離を得るために前記試験材料に加えられた押込み荷重に対する押込み深さを測定した後、前記圧子を前記試験材料から離す圧子除去ステップと、前記試験材料の残留応力を計算する残留応力計算ステップとを含むことを特徴とする残留応力測定装置を用いた残留応力データ測定方法によって達成される。
【００１０】
更に、前記圧子接近ステップは、前記圧子を下降させる圧子下降ステップと、前記押込み荷重が前記荷重設計値以上であれば、前記圧子の移動を止めて前記圧子を距離設定値だけ上昇させ、前記押込み荷重が荷重設定値未満であれば、前記圧子下降ステップを引き続き行う判断ステップとを含むことを特徴とする。更に、前記荷重設定値が０.０１〜２ｋｇｆであり、前記距離設定値は０.１〜３０μｍであることを特徴とする。更に、前記残留応力計算ステップが、前記荷重除去ステップの前又は後に行われることを特徴とする。更に、前記それぞれの連続測定ステップ毎に、前記圧子の移動速度、最大押込み深さ、押込み荷重、前記圧子の移動距離、前記反復回数及び前記荷重除去率の少なくとも一つを変化させることが可能なことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、残留応力測定装置の本体と、前記本体内に設けられ、試験材料に加えるための荷重を発生させる荷重加え装置と、前記荷重加え装置によって前記試験材料に加えられる荷重の変化を連続的に計測する荷重センサと、前記荷重加え装置に連結され、前記荷重センサと共に同軸にて駆動する圧子ホルダーと、前記圧子ホルダーに一端が結合され、他端が前記試験材料に突き当たって前記荷重加え装置にて発生された荷重を前記試験材料に加える圧子と、前記圧子による押込みに従う押込み深さの変化を連続的に計測する変位センサと、前記荷重センサ及び前記変位センサからの測定値に基づいて残留応力を測定する測定プログラムを有するインターフェースコンピュータとを含み、前記圧子を試験材料に接近させて前記試験材料に荷重を加え、前記試験材料に加えられた荷重を除去し、前記荷重と押込み深さの変化を連続的に計測する毎に、前記測定プログラムが、前記インターフェースコンピュータに、前記荷重センサが連続的に計測した前記荷重と押込み深さの変化に基づく残留応力を計算させることを特徴とする残留応力測定装置を用いて試験材料の残留応力を測定する方法において、前記圧子を下降させて前記圧子を押込み試験の開始が可能な位置に移動させるが、押込み荷重が荷重設定値以上であれば、前記圧子の移動を止めて前記圧子を距離設定値だけ上昇させ、前記押込み荷重が荷重設定値未満であれば、前記圧子を引き続き下降させる圧子接近ステップと、前記圧子の試験条件である最大押込み深さ、反復回数、荷重除去率、移動速度を設定し、設定された最大押込み深さを前記反復回数で割ったものを前記圧子の１回の移動距離とし、この１回の移動距離が得られるような押込み荷重を、前記試験材料に加える荷重加えステップと、前記１回の移動距離だけ前記圧子を垂直に移動させた後、設定された荷重除去率だけ前記圧子を上昇させる荷重除去ステップと、前記荷重加えステップと前記荷重除去ステップの各ステップと同時に、前記圧子の１回の移動距離を得るために前記試験材料に加えられた押込み荷重に対する押込み深さを測定する測定ステップと、次の段階の押込み荷重を前記試験材料に加えた後、設定された荷重除去率だけ前記圧子を上昇させて前記圧子の次の段階の押込み荷重に対する押込み深さを測定する、前記荷重加えステップと前記荷重除去ステップと前記測定ステップとを前記反復回数だけ順次行う連続測定ステップと、所定の基準試片の測定式と測定した試験材料の測定式とを比較して前記試験材料の残留応力を測定するステップと、前記最大押込み深さになるまで、前記試験材料に押込み荷重を前記反復回数だけ順次加え、この各ステップ毎に、前記圧子の１回の移動距離を得るために前記試験材料に加えられた押込み荷重に対する押込み深さを測定した後、前記圧子を前記試験材料から離す圧子除去ステップと、を含むことを特徴とする残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法である。
【００１２】
また、本発明は、残留応力測定装置の本体と、前記本体内に設けられ、試験材料に加えるための押込み荷重を発生させる荷重加え装置と、前記荷重加え装置によって前記試験材料に加えられる荷重の変化を連続的に計測する荷重センサと、前記荷重加え装置に連結され、前記荷重センサと共に同軸にて駆動する圧子ホルダーと、前記圧子ホルダーに一端が結合され、他端が前記試験材料に突き当たって前記荷重加え装置にて発生された荷重を前記試験材料に加える圧子と、前記圧子による押込みに従う押込み深さの変化を連続的に計測する変位センサと、前記荷重センサ及び前記変位センサからの測定値に基づいて残留応力を測定する測定プログラムを有するインターフェースコンピュータとを含み、前記圧子を試験材料に接近させて前記試験材料に荷重を加え、前記試験材料に加えられた荷重を除去し、前記荷重と押込み深さの変化を連続的に計測する毎に、前記測定プログラムは、前記インターフェースコンピュータに、前記荷重センサが連続的に計測した前記荷重と押込み深さの変化に基づく残留応力を計算させることを特徴とする、試験材料の残留応力を測定する測定プログラムを記録した記録媒体であって、前記インターフェースコンピュータに、前記圧子を下降させて前記圧子を押込み試験の開始が可能な位置に移動させるが、押込み荷重が荷重設定値以上であれば、前記圧子の移動を止めて前記圧子を距離設定値だけ上昇させ、前記押込み荷重が荷重設定値未満であれば、前記圧子を引き続き下降させる圧子接近ステップと、前記圧子の試験条件である最大押込み深さ、反復回数、荷重除去率、移動速度を設定し、設定された最大押込み深さを前記反復回数で割ったものを前記圧子の１回の移動距離とし、この１回の移動距離が得られるような押込み荷重を、前記試験材料に加える荷重加えステップと、前記１回の移動距離だけ前記圧子を垂直に移動させた後、設定された荷重除去率だけ前記圧子を上昇させる荷重除去ステップと、前記荷重加えステップと前記荷重除去ステップの各ステップと同時に、前記圧子の１回の移動距離を得るために前記試験材料に加えられた押込み荷重に対する押込み深さを測定する測定ステップと、次の段階の押込み荷重を前記試験材料に加えた後、設定された荷重除去率だけ前記圧子を上昇させて前記圧子の次の段階の押込み荷重に対する押込み深さを測定する、前記荷重加えステップと前記荷重除去ステップと前記測定ステップとを前記反復回数だけ順次行う連続測定ステップと、前記最大押込み深さになるまで、前記試験材料に押込み荷重を前記反復回数だけ順次加え、この各ステップ毎に、前記１回の移動距離を得るために前記試験材料に加えた押込み荷重に対する押込み深さを測定した後、前記圧子を前記試験材料から離す圧子除去ステップと、所定の基準試片の測定式と測定した試験材料の測定式とを比較して、前記試験材料の残留応力を測定するステップと、を実行させるためのコンピュータ読み取り可能な測定プログラムを記録した記録媒体によっても達成される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図に基づいて本発明を詳細に説明する。残留応力測定装置、残留応力測定装置を用いた残留応力データ測定方法及び残留応力測定方法、残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法を記憶した記録媒体について順次説明する。そして、最終的には測定プログラムによる残留応力測定方法の実施例について各式を用いて詳細に説明する。
【００１４】
第１に、残留応力測定装置について述べる。図１乃至図５を参照して残留応力測定装置の一実施例について述べる。図１は本発明の一実施例による残留応力測定装置の全体構成図、図２は図１に示した残留応力測定装置の本体の正断面図、図３は図２に示した本体の側断面図、図４は図２に示した本体の部分平面図、図５は図２に示した本体の下部一部、変位センサ及び荷重センサの領域を示す部分断面図である。
【００１５】
図１に示すように、本発明に係る残留応力測定装置は、本体１００と、本体１００に連結されたインタフェースコンピュータ２００とを有する。本体１００は、物性を測定する試験材料に着座させて残留応力の測定を行うための機器の主要部である。インタフェースコンピュータ２００には、本体１００の作動を制御するとともに、本体１００の測定手順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、及び本体１００からの信号値を変換する装置等が搭載されている。
【００１６】
図２及び図３に示すように、本体１００は、フレーム１０１、荷重加え装置１１０、ボディ１０２、荷重センサ１２３、圧子ホルダー１２５、圧子１２７、変位センサ１２８、水平移動装置１４０、コネクタ１６１、１６３を含備える。フレーム１０１は円筒形状を有するもので、いろいろの内蔵部品を保護し且つ外観をなす。本実施例において、フレーム１０１は、荷重加え装置１１０、ボディ１０２、荷重センサ１２３及び圧子１２７の一部分を含むために高強度アルミニウム軽量合金を使用するとともにその重量を減らすことにより、携帯及び運搬も容易である。
【００１７】
荷重加え装置１１０は、残留応力測定の際に試験材料に加えられる荷重を発生するものであって、モータ１１１、減速機１１２及びボールスクリュー１１７からなる。モータ１１１としては、外部荷重及び過負荷に安定的で精密制御の可能なＤＣステッピングモータを採用することにより、現場から外部振動など発生可能な危険要素の影響を除去できる。減速機１１２は、モータ１１１の下方に位置し、モータ１１１により発生した動力で圧子１２７を移動させる際に、圧子１２７の移動速度を測定に必要なだけの低速に減速させ、小型のモータ１１１からの出力を増幅させる。
【００１８】
カップリング１１３は、減速機１１２の下方に設けられ、減速機１１２とボールスクリュー１１７を連結し、モータ１１１の動力をボールスクリュー１１７に伝達する。ボールスクリュー１１７の外側にはベアリングが嵌合され、このベアリングはボールスクリュー１１７の回転自在に支持する。支持軸１１６は、ボディ１０２を貫通し、ボディ１０２が上下に移動する際にボディ１０２の移動を案内し、外部衝撃による揺れ又はそれ自体の揺れを防止する。ボールスクリュー１１７は、モータ１１１からの動力により回転する部分であり、この回転力を利用して圧子１２７に荷重を加える。即ち、ボールスクリューナット１１８は、ボールスクリュー１１７に螺合され、ボールスクリュー１１７が回転すると上下方向に垂直移動する。
【００１９】
ボディ１０２は、ボールスクリューナット１１８に合体され、ボールスクリューナット１１８の垂直移動に伴って、荷重加え装置１１０で発生された回転力を垂直荷重に変換して、圧子１２７が試験材料に荷重を加えられるようにする。荷重センサ１２３は、ボディ１０２の下方に位置し、ボディ１０２によって加えられた荷重の変化を連続的に計測する。荷重センサ１２３を押込むと、押込み荷重に比例する変形が発生し、この変形に応じて、荷重センサ１２３に内蔵されたストレインゲージの電気抵抗が変化し、結果として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測定する。
【００２０】
荷重センサ１２３の最大荷重は１００ｋｇｆ、荷重分解能は１.５ｇｆとそれぞれ設計されることにより、既存のＡＩＳ２０００の場合より最大荷重が少なくて精密度が更に高くなった。その理由は、ＡＩＳ２０００でのように引張物性を得るためには球形圧子（図示せず）を使用しなければならず、そのような圧子が試験材料の内部に一定の深さ以上押込まれなければならない。このため、更に大きい荷重が必要であるが、残留応力測定装置は押込み深さよりは装備の精密度が優先視されるので、前記のような設計を有することができる。ここで、最大荷重が増えるほど、荷重分解能も一緒に増加するので、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を得ることができないので、様々な実験によって最適の荷重範囲を決定する。
【００２１】
荷重センサ１２３の下方には、荷重センサ１２３と圧子１２７とを連結する延長軸１２４がある。延長軸１２４は上端の内周面に雌ねじが設けられ、この雌ねじが、荷重センサ１２３の下端に設けられた雄ねじに結合されている。延長軸１２４の下端には圧子１２７が設けられている。圧子１２７は、実質的に試験材料に接触荷重を加える部分であって、例えばビッカース圧子を採用できる。延長軸１２４と圧子１２７とは、着脱式になっているので、延長軸１２４からの圧子１２７の離脱の危険性を無くし、実験誤差を除去できる。本実施例では、圧子１２７は四角錐形のビッカース圧子であるが、用途に応じて円錐形又は球形を採用することもできる。
【００２２】
変位センサ１２８は、圧子１２７と平行に移動し、圧子１２７と荷重センサ１２３との間に位置する。変位センサ１２８は、本体１００の内壁面に固定したマグネットと平行して移動しながら変位を測定する。センサブラケット１２９は、圧子１２７に連結された延長軸１２４と、変位センサ１２８とを締結する。圧子１２７が上下に移動すると、変位センサ１２８はマグネットに対し平行移動して押込み深さを測定するので、圧子１２７の押込み深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、圧子１２７の最大移動範囲であり、正確な押込み深さを測定可能にするため、均等目盛（Linear Scale）を使用したが、必ずしもこれに制限されるものではない。
【００２３】
変位センサ１２８は、圧子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、上端と下端に極限信号発生装置が取り付けられる。圧子１２７と変位センサ１２８の安全な移動が可能な領域を設定し、各領域の限界位置に極限信号発生装置を取り付ける。この領域を超過する場合には、モータ１１１の回転が中断されて圧子１２７と変位センサ１２８の移動が中断される。
【００２４】
荷重加え装置１１０及び荷重センサ１２３とベース１３３との間には、水平移動装置１４０が設けられる。水平移動装置１４０は、残留応力測定を行った後、同一試験材料に対し他の位置で次の残留応力測定を行うとき、残留応力測定装置全体を移動することなくフレーム１０１のみを水平移動して次の残留応力測定を行うための装置である。
【００２５】
図２、図３及び図４を参照するが、特に図４を参照すると、本体１００のフレーム１０１の下部に位置した水平移動装置１４０は、スライダ１４１、スライダベース１４２、ロック金具１４３、ロックボルト１４３ａ、及び移動ハンドル１４５を有する。スライダ１４１は、本体１００のフレーム１０１の下部に位置し、スライダベース１４２はスライダ１４１の下部に位置する。スライダベース１４２には凹状のアリ溝が設けられ、スライダ１４１には、バチ形の凸部が設けられ、これらが摺動可能に嵌合されている。従って、スライダ１４１がスライダベース１４２に乗ってアリ溝方向に摺動して本体１００を水平移動させることができる。
【００２６】
ロックボルト１４３ａは、スライダ１４１の溝を貫通してスライダベース１４２に接触している。ロック金具１４３は、ロックボルト１４３ａと締結されており、回転させるとロックボルト１４３ａが上下に移動する。ロック金具１４３をロックボルト１４３ａが延長するように回転させると、ロックボルト１４３ａが、スライダベース１４２を押圧してスライダ１４１を固定する。この状態でロック金具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、スライダベース１４２の加圧を解除し、スライダ１４１に力を加えると水平移動可能にする。
【００２７】
スライダ１４１の水平移動させる力は、移動ハンドル１４５を回転させることにより得られる。移動ハンドル１４５には、ブラケット１４５ａを貫通してスライダ１４１のナット１４５ｃに螺合されたボルト１４５ｂが設けられている。移動ハンドル１４５を回転させると、移動ハンドルボルト１４５ｂも共に回転する。移動ハンドルボルト１４５ｂの回転によって、移動ハンドルナット１４５ｃ、スライダ１４１及び、フレーム１０１が、ねじ山の方向に沿って移動ハンドル１４５方向、或いはその反対方向に移動できるようにする。移動ハンドル１４５には移動距離を知らせる目盛りが設けられている。本体１００の末端にあるベース１３３は、着座装置１３０を本体１００に連結させ、着座装置１３０を締結していない場合には本体１００を支持する。
【００２８】
本発明に係る残留応力測定装置は、本体１００とは別途に着座装置１３０を有する。着座装置１３０は磁石１３１、磁石ブラケット１３１ａ及び２つのボルト１３３ｂ、１３３ｂ' を有する。磁石１３１とベース１３３は磁石ブラケット１３１ａに２つのボルト１３３ｂ、１３３ｂ' によってそれぞれ結合されている。磁石１３１は、その着座する部分が鉄材部分の時に使用するが、曲率を有する試験材料の場合には磁石１３１の底部を曲率に合わせて加工して使用する。
【００２９】
本実施例では、着座装置１３０が磁石１３１であると説明したが、着座する試験材料の種類に応じてチェーン又は曲率のあるＵ字型固定具を使用することもできる。チェーンは磁石１３１の使用が不可能な場合、試験材料の周りを巻いて本体１００に着座させる。例えば、１００ｋｇ程度の高荷重を支持するために４重チェーンを使用し、ベース１３３とチェーンとの間はボルト締結方式と固定金具用螺合方式を混用して締結する。Ｕ字型固定具はチューブに使用し、本体１００を支持する両側のブラケットとＵ字型固定具とをボルトで締結して本体１００を固定する。
【００３０】
更に図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コネクタ１６１、１６３は、本体１００とインタフェースコンピュータ２００との間で互いに信号をそれぞれ伝達する部分である。コネクタは、モータコネクタ１６１及び信号コネクタ１６３からなり、それぞれインタフェースコンピュータ２００のモータコネクタ１６１' 及び信号コネクタ１６３' にそれぞれ連結される。
【００３１】
インタフェースコンピュータ２００は、測定した試験材料の押込み荷重と変位データを分析するプログラムを搭載し、現場で残留応力を計算することができる。残留応力は後述する残留応力測定を用いた残留応力決定方法によって計算される。また、インタフェースコンピュータ２００に搭載されたプログラムには、測定の前に圧子１２７を試験材料に接近させるか、或いは測定の後に圧子１２７を試験材料から離すためのモータ１１１の手動駆動機能と、測定を開始する際に自動的に試験材料測定の開始が可能な位置に移動させるエンゲージ機能がある。これについては後述する。
【００３２】
インタフェースコンピュータ２００には、それぞれモータコネクタ１６１及び信号コネクタ１６３に連結されるモータコネクタ１６１' 及び信号コネクタ１６３' がある。そして、インタフェースコンピュータ２００には、緊急停止ボタンや電源ボタンなどのような１又はそれ以上の制御ボタンが設けられている。
【００３３】
以下、図１乃至図５を参照して本発明に係る残留応力測定装置の作動について述べる。まず、着座装置１３０を、本体１００のベース１３３に結合させた後、測定する試験材料に着座させる。ロック金具１４３がロックされていなければ、ロックボルト１４３ａが下方に移動するようにロック金具１４３を回転させ、ロックボルト１４３ａがスライダベース１４２を加圧してスライダ１４１及び本体１００などを固定させる。
【００３４】
インタフェースコンピュータ２００の電源ボタンを押して電源をつけると、圧子１２７は最大限上昇して極限信号発生地点まで上昇する。この際の速度はモータ１１１と減速機１１２における上昇可能な最高速度である。測定速度及び手動上下動作速度は、予め設定されたモータ１１１の回転速度を減速機１１２にて変速することによって得られる。モータ１１１の回転力は、減速機１１２とカップリング１１３を回転させてボールスクリュー１１７を回転させ、ボールスクリューナット１１８を下方に垂直移動させる。ボールスクリューナット１１８の垂直移動はボディ１０２、荷重センサ１２３、延長軸１２４、圧子１２７、変位センサ１２８を同時に下方に移動させる。
【００３５】
この際、荷重センサ１２３と変位センサ１２８は、荷重と変位の変化を連続的に測定する。前記垂直荷重は圧子１２７を試験材料に押込ませる。変位センサ１２８は圧子１２７の押込み深さを連続的に計測する荷重センサ１２３と変位センサ１２８によって荷重及び押込み深さを一定の深さまで測定し、モータ１１１を反対方向に回転させて圧子１２７の荷重を一定の程度除去すると同時に、荷重及び押込み深さを測定して応力及び実際の接触面積を求める過程を所定の位置で連続的に施行する。
【００３６】
再び前記方法で圧子１２７に荷重を加えて押込み深さを更に増大して荷重及び押込み深さを測定し、荷重を一定の程度除去すると同時に荷重及び押込み深さを連続的に測定して応力及び実際の接触面積を求める。このような過程を繰り返すことにより、所定の位置での応力及び変形率曲線を完成することができる。
【００３７】
所定の位置で押込み測定が終わったら、水平移動装置１４０のロック金具１４３を解除し、移動ハンドル１４５を回してスライダ１４１を水平移動させた後、次の位置で前述したような同一の押込み測定を行う。他の試験材料に対して残留応力測定を行うためには、着座装置１３０の磁石１３１を取り外し、他の試験材料に残留応力測定装置全体を移動させた後、磁石１３１を更に他の試験材料に着座させて残留応力測定を行う。
【００３８】
また、曲率を有する対象に着座させるために、磁石１３１を曲率加工して使用することができる。一方、試験材料が磁性体ではない場合には、図５の着座装置１３０の磁石ブラケット１３１ａとベース１３３とを結合させるボルト１３３ｂ、１３３ｂ' を回転させて着座装置１３０を本体１００から分離した後、他の着座装置１３０、例えばチェーン又はＵ字型固定具をベース１３３に締結し、その後同一の方法で測定する。
【００３９】
第２に、残留応力測定装置を用いた残留応力データ測定方法及び残留応力測定方法について述べる。図６乃至図８を主に参照するが、図１乃至図５を部分的に参照して本発明に係る残留応力測定装置を用いた残留応力データ測定方法及び残留応力測定方法の一実施例を説明する。
【００４０】
図６に示すように、本発明に係る残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法は、圧子移動方法選択ステップ（Ｓ１０）、圧子接近ステップ（Ｓ２０）、荷重加えステップ（Ｓ３０）、荷重除去ステップ（Ｓ４０）、測定ステップ（Ｓ５０）、連続測定ステップ（Ｓ６０）、圧子除去ステップ（Ｓ７０）及び残留応力計算ステップ（Ｓ８０）を有する。反復説明を回避するために、残留応力測定方法を説明しながら残留応力データ測定方法を説明する。圧子移動方法選択ステップ（Ｓ１０）は、残留応力測定装置の圧子１２７の移動を手動又は自動で選択するステップである。
【００４１】
図７を参照すると、まず、測定を開始する前に、圧子１２７を試験材料に接近させるために圧子１２７の移動方法を選択する（Ｓ１００）。圧子１２７の移動を手動にするか否かを尋ね（Ｓ１１０）、手動であれば、圧子１２７の移動速度を設定する（Ｓ１２０）。圧子１２７の移動速度を設定した、アップを選択すると（Ｓ１３０）、圧子１２７を上方に移動させる（Ｓ１５０）。これとは逆に、ダウンを選択すると（Ｓ１３５）、圧子１２７は下方に移動する（Ｓ１５５）。
【００４２】
圧子１２７の移動を手動にせず自動にするとしても（Ｓ１１５）、一応圧子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、圧子１２７を上方に移動させ（Ｓ１５０）、移動距離が正数であれば、圧子を下方に移動させる（Ｓ１５５）。
【００４３】
圧子接近ステップ（Ｓ２０）は、圧子１２７を残留応力測定の開始が可能な位置に移動させて試験材料に接近させるステップである。図８を参照すると、圧子１２７を下方に移動させながら（Ｓ２１０）、実時間にて移動距離及び荷重を表示する（Ｓ２２０）。次に、圧子１２７の受ける荷重が０.２ｋｇｆ以上であるか否かを判断し（Ｓ２３０）、荷重が０.２ｋｇｆ以上であればはい、圧子１２７の下降を止め（Ｓ２４０）、上方に１０μｍ移動させた後（Ｓ２５０）停止する（Ｓ２６０）。
【００４４】
こうなると、圧子１２７と試験材料との距離が、測定を開始し得る適当な程度にセットされる。もし荷重が０.２ｋｇｆ以上でなければ「いいえ」、圧子１２７の荷重が０.２ｋｇｆに到達するまで圧子１２７を引き続き下方に移動させて圧子接近ステップを繰り返し行う。
【００４５】
この際、０.２ｋｇｆと１０μｍの値は、それぞれ荷重設定値と距離設定値を示し、反復的な実験から得られた値であって、データ測定開始範囲が０.２ｋｇｆ以上であるため、物性の測定には影響を与えない。また、本実施例では、荷重設定値と距離設定値がそれぞれ０.２ｋｇｆと１０μｍであるが、実験結果、エンゲージの荷重設定値は０.０１〜２ｋｇｆ、距離設定値は０.１〜３０μｍ内で有効範囲を有するので、この範囲内でのエンゲージ設定は本発明の範囲に属すると言える。
【００４６】
荷重加えステップ（Ｓ３０）は試験材料に荷重を加えて圧子１２７を垂直下降させるステップである。この際、垂直下降する移動速度と垂直下降する移動距離を予め定めておく。圧子１２７の移動速度と移動距離は、前述した残留応力測定装置のモータ１１１と減速機１１２を制御して得ることができる。例えば、最大移動距離を３００μｍ、反復回数を１０にした場合、移動速度を０.１ｍｍ／ｍｉｎ、１回の移動距離を３０μｍにすることができる。
【００４７】
荷重除去ステップ（Ｓ４０）は、圧子１２７を移動距離だけ下方に移動させた後、一定の荷重除去率だけ荷重を除去して圧子を一定の距離だけ上方に移動させるステップである。これも前記残留応力測定装置のモータ１１１と減速機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％の場合、１回の移動距離を得るために付加した荷重の７０％に該当する荷重まで圧子を上方に移動させる。
測定ステップＳ５０は、荷重加えステップ（Ｓ３０）と荷重除去ステップ（Ｓ４０）を介して圧子１２７の垂直移動による圧子１２７の押込み深さと押込み荷重を測定するステップである。このステップＳ５０は残留応力測定装置の変位センサ１２８と荷重センサ１２３によって行われる。
【００４８】
連続測定ステップ（Ｓ６０）は、荷重加えステップ（Ｓ３０）、荷重除去ステップ（Ｓ４０）及び測定ステップ（Ｓ５０）を一定の回数繰り返すステップである。一方、移動速度、圧子の移動距離及び荷重除去率を各次数毎に異ならせることができる。例えば、次数が低くて付加荷重が小さい場合１回乃至３回には荷重除去率を大きくし、段々次数が大きくなると、荷重除去率を小さくすることもできる。次数が低い場合、荷重除去率を大きくするので、塑性変形様相を正確に反映することができる。
【００４９】
圧子除去ステップ（Ｓ７０）は圧子１２７を試験材料から除去するステップである。残留応力計算ステップ（Ｓ８０）は、測定ステップ（Ｓ６０）で測定して求めた押込み深さに対する押込み荷重曲線を用いて残留応力を計算するステップである。ここで、残留応力は後述する残留応力測定を用いた残留応力決定方法によって計算することができる。勿論、残留応力計算ステップ（Ｓ８０）は圧子除去ステップ（Ｓ７０）の前あるいは後に位置することができる。
【００５０】
以上、図面を参照して残留応力測定装置を用いた残留応力データ測定方法及び残留応力測定方法を説明したが、本発明はこれに制限されない。
【００５１】
残留応力測定装置の水平移動装置１４０を用いて圧子１２７を同一試験材料に対して一軸方向に水平移動しながら、前述した残留応力測定方法を繰り返すことにより、同一試験材料に対して残留応力値を多数計算することもできる。この際、多数測定された残留応力値のうち小さ過ぎるか或いは大き過ぎる値を表わすデータは捨て、残りの残留応力値を平均するので、試験材料の残留応力をより正確に求めることができる。
【００５２】
第３に、残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法を記憶した記録媒体、即ち、残留応力測定プログラムを記録したコンピューター読み取り可能な記録媒体について述べる。図９乃至図１３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残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法（プログラム）を記憶した記録媒体を説明する。記録媒体はコンピュータなどの演算装置で実行することができる。例えば、記録媒体は、図１に示した残留応力測定装置を制御することが可能なインタフェースを含んだコンピュータで実行し、測定装置の測定データの入力を受けて試験材料の残留応力値を測定して出力することができる。
【００５３】
図９は図１の残留応力測定装置を用いた測定方法を記憶した記録媒体をコンピュータによって実行した場合の初期画面、図１０は実験条件を設定するための画面、図１１は図１の残留応力測定装置を用いた測定方法（プログラム）を記憶した記録媒体によって測定された押込み深さと押込み荷重曲線の画面、図１２は同一試験材料又は異種試験材料に対して多数測定された押込み深さと押込み荷重曲線を重ね合わせた画面、図１３は押込み深さと押込み荷重曲線を用いて誘導された残留応力分析結果を示す画面である。
【００５４】
記録媒体をコンピュータによって実行した場合の初期画面は、上位メニュー、機器現在状態表示部、モータ１１１の手動駆動部、エンゲージボタン、グラフ窓、基準（reference）データベース作りボタン及び残留応力測定ボタンから構成される。初期画面の構成要素はマウス又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。
【００５５】
上位メニューには「開く」、「保存」、「基準変更」、「残留応力分析」などの基本メニューを有する。基準データベース作りボタン又は残留応力測定ボタンを選択し、簡単な情報入力窓に測定者及び試片に対する情報を入力すると、実験条件設定画面が出力される。実験条件は圧子１２７の種類、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。下部の手動部では最終変位と測定速度を調節することができる。このような実験条件による実験条件模式図が出力されるので、実験条件による実験結果を予測して出力することができる。
【００５６】
機器現在状態表示部は、現在残留応力測定装置の圧子１２７の荷重と変位を表示する。モータ１１１の手動駆動部は、測定の前に圧子１２７を試験材料に接近させるか、或いは残留応力測定終了の後に次の測定位置に移動させるために、圧子１２７を試験材料から除去する際に使用するメニューである。
図７を参照すると、圧子１２７の移動速度を設定した後、手動駆動部のアップボタンを押すと、圧子１２７が上方に移動する。一方、ダウンボタンを押すと、圧子１２７が下方に移動する。
【００５７】
エンゲージボタンは、試験材料を測定の開始が可能な位置に移動させる際に、測定者が直接圧子１２７と試験材料を観察しながら圧子１２７を試験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、自動で試験材料を測定の開始が可能な位置に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を押すと、図６の圧子１２７の接近ステップ（Ｓ２０）を実行して圧子１２７を測定可能な位置に移動させる。
【００５８】
初期画面に図示されていない開始ボタンをクリックすると、記録媒体に記憶された測定方法を実行して残留応力の基準データベースを作り、或いは残留応力を測定することができる。
【００５９】
まず、現在の圧子１２７の荷重と変位が機器の状態部に出力されることについては前述した。また、現在までの累積押込み深さ（変位）による押込み荷重曲線は、図１１に示すようにグラフ窓に表示する。同一試験材料に対して水平移動して押込み深さによる押込み荷重曲線を多数求めた場合、或いは測定部位に応じて残留応力が変化してこれに対する比較が必要な場合には、同時に図１２に示すように、曲線を重ね合わせて表示することもできる。
【００６０】
初期画面には基準データベース変更ボタン及び残留応力分析ボタンがあり、基準データベース変更ボタンをクリックすると、装備に入力されているデータベースの中から基準値を選択して変更することができる。残留応力ボタンをクリックすると、選択された基準値による残留応力を分析し得る残留応力分析窓が画面に現われ、分析開始ボタンを押すと、残留応力値が表示される。残留応力分析の際には、基準曲線と残留応力測定曲線が現われるとともに、分析された結果が共に画面に現われる。このような内容を様々なファイル形態、例えばＢＭＰのようなイメージファイルにして記憶することもできる。
【００６１】
第４に、測定プログラムによる残留応力測定方法の実施例について述べる。図１１及び図１４を参照すると、残留応力を測定するためには基準試片（Ｓtress free状態）の押込み荷重−変位曲線が必要であるが、これは測定しようとする実際試片の押込み荷重−変位曲線と比較するためである。残留応力を求めるためには下記の過程を行うべきであるが、その順序は次の通りである。
【００６２】
まず、基準試片に対し前述した残留応力測定装置を用いて多重連続押込み実験を行い、ここから得られた曲線に基づいて負荷（loading）曲線のフィッティング（fitting）式、無負荷（unloading）曲線の傾き及び実際の押込み深さｈｃを求める。
【００６３】
得られた押込み荷重−変位曲線から機械的弛緩、減／加速効果、クリープ（creep）効果のない負荷部分のみを別途に切り取ってフィッティング過程を経るが、これは実際多重押込みの場合、荷重除去時の曲線形態が歪曲されて、実際適用された荷重とは差異を示すため、より正確な値の測定のために必ず必要である。一定の硬度値を示すビッカース硬さ試験の際に加えられる荷重は、圧痕の面積に比例するが、圧子下部の複雑な弾性域／弾塑性変形によって正確に比例する関係であるとは言えないので、負荷の際に与えられた押込み深さとの関係を式１のように５次式の形態で適合化させて実験式を得る。
【００６４】
【式１】
【００６５】
次に、それぞれの無負荷曲線の分析を開始する際にも、前記負荷曲線の分析のように式２のような形態でフィッティングする。式２は無負荷曲線の全ての点に最も近似した曲線を計算するアルゴリズムである。
【００６６】
【式２】
【００６７】
ここで、ｈｆは荷重除去後の残留最終深さである。両辺に代数を取ってフィッティングを経ると、ｋ及びｍを知ることができ、これにより無負荷曲線の傾きＳを求めることができるが、その関係は式３で与えられる。
【００６８】
【式３】
【００６９】
弾性的な押込み荷重除去中に圧子／試片の一定の接触面積を維持すると、無負荷曲線は直線形態を持つことになり、これから接触深さｈｃが決定される。ところが、荷重除去中に実際圧子の形状に応じて接触面積は段々減少し、接触部周辺の弾性曲げも変化する。このような実際圧子の接触関係式は式４で与えられる。
【００７０】
式３において、各無負荷曲線の中から変位の最も大きい値をｈｍａｘとして取ってＳを決定する。その後、負荷曲線をフィッティングした式とＳを用いて得ることが可能な無負荷曲線の接線との交点を各無負荷部分におけるｈｍａｘとして再設定する。これは、装備によっては曲線が理想的な形態から外れることも可能であるが、この際に発生する誤差を最小化するためである。
【００７１】
【式４】
【００７２】
ここで、ｈｉは無負荷曲線の接線を延長する際の切片の深さであり、ｈｍａｘは前述した負荷曲線とＳを用いて得られる無負荷曲線の接線との交点を用いて求めた各部分無負荷時の最大押込み深さである。ωは圧子の幾何学的因子（geometrical factor）、ビッカース（Vickers）圧子の場合にはその値が０.７２で与えられる。このような接触深さの決定はそれぞれの部分無負荷で全て行われる。
【００７３】
本例では簡単な表現のために上記のような式を使用したが、本出願人が韓国特許庁へ２００１年１月１２日付で特許出願した未公開の「連続押込み試験を用いた加工硬化指数及び応力係数決定方法」（出願番号１０−２００１−１７７０）、「連続押込み試験を用いた降伏強度決定方法」（出願番号１０−２００１−１７７１）、「連続押込み試験を用いた引張強度決定方法」出願番号１０−２００１−１７７２に開示されている、押込みの際に圧痕角部に試験材料が集積するか或いは一緒に入りこむパイルアップ（pile up）とシンクイン（Ｓink in）を考慮した接触深さの決定方法を使用することもできる。
【００７４】
基準試片における実験が終わると、残留応力を測定しようとする試片で実験を行うが、この際は部分荷重除去のステップを経る必要がない。これはそれぞれの試片において一定の押込み深さに対して加えられた荷重値の相対的差異が、試片内に存在する残留応力と直接的な関係があるので、標準化された押込み深さｈｃを既に既存の基準試片から得た以後にはｈｃ値を得ることは不要だからである。
【００７５】
残留応力を求めようとする試片において連続押込み実験を行った後、以前ステップと同様に、負荷部分のフィッティングを経る。また、ここで得られた式と基準試片から得られたフィッティング式との比較を行う。この際、測定された押込み荷重−変位曲線の形態により、存在する残留応力の符号を決定することができるが、もし基準状態より曲線の位置が上方であれば、圧縮残留応力が存在することであり、その反対の場合は引張残留応力が存在すると言える。
【００７６】
それぞれの負荷曲線式が得られた後には、次の関係によって残留応力を測定するが、基準試片と実際試片との同じ押込み深さで加えられる押込み荷重の差は残留応力による影響であると考えられるので、その際の荷重差異を実際面積で割ると、残留応力値を得ることができる。本例では各無負荷曲線から求めたｈｍａｘの押込み深さで荷重の差異を求めた。従って、計算される残留応力値は１回の実験における基準実験の際の部分無負荷回数だけ得ることができる。
【００７７】
定数αが存在する理由は、試片上に存在する応力の分布状態がそれぞれ異なるため、薄膜における等方向二軸応力状態（αｘ＝σｙ）又は溶接部の如く一側方向への応力のみが重視される状況（αｘ＞＞σｙ）を例として挙げることができる。
【００７８】
残留応力による影響は同じ押込み深さに対する適用荷重の差異で現われる。この際、応力値は加えられた荷重を単位面積で割った値なので、式５で表わすことができる。
【００７９】
【式５】
【００８０】
ここで、ＬＲは実際試片に加えられる押込み荷重、Ｌ０は基準試片に加えられる押込み荷重である。Ａｃは実際接触面積であって、ビッカース硬さ試験用の圧子の幾何学的形態を考慮すると、式６のようである。
【００８１】
【式６】
【００８２】
基準試片から得られたそれぞれのｈｃ値を代入して出たＡｃ値を代入すると、実際残留応力値はある程度の範囲内で変化するが、これは押込み荷重の増加に伴って圧子下部の塑性領域が増加するためである。これにより、該当接触面積による残留応力値の平均を求めてその値を残留応力と定義する。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、機械的物性評価に有利で非破壊的な残留応力データ測定方法が提供される。また、適用する荷重の範囲を制御することにより、薄膜やマイクロ素子のような微小領域から大型構造物に至るまで広範囲な適用が可能であり、微細組織による影響を受けない。
【００８４】
また、本発明は、測定されたデータを分析するに際して、実験定数補正のための別途の測定が不要なので測定コストを節減し、他の測定法では測定不可能な部分に対する測定も可能であるという効果がある。また、押込み荷重−変位曲線の解析によって残留応力を非破壊的に直接評価することにより、試片の破損を防ぎ、試片による所要時間及び費用を節減することができ、試片を求め難い場合又は局部的物性評価が要求される状況においても適切に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る残留応力測定装置の全体構成図である。
【図２】図１に示した残留応力測定装置の本体の正断面図である。
【図３】図２に示した本体の側断面図である。
【図４】図２に示した本体の部分平面図である。
【図５】図２に示した本体の下部一部、変位センサ及び荷重センサの領域を示す部分断面図である。
【図６】本発明の一実施例に係る残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法の流れ図である。
【図７】図６の圧子移動方法選択ステップの詳細流れ図である。
【図８】図６の圧子接近ステップの詳細流れ図である。
【図９】図１の残留応力測定装置を用いた測定方法を記憶した記録媒体をコンピュータによって実行した場合の初期画面である。
【図１０】実験条件を設定するための画面である。
【図１１】図１の残留応力測定装置を用いた測定方法を記憶した記録媒体によって測定された押込み深さと押込み荷重曲線を示す画面である。
【図１２】同一試験材料又は異種試験材料に対して多数測定された押込み深さと押込み荷重曲線の重ね合わせて示す画面である。
【図１３】押込み深さ−押込み荷重曲線を用いて誘導された残留応力分析結果を示す画面図である。
【図１４】残留応力測定装置から得たデータとしての押込み荷重−変位曲線を示す図である。
【符号の説明】
１００ 本体
１０１ フレーム
１０２ ボディ
１２３ 荷重センサ
１２５ 圧子ホルダー
１２７ 圧子
１２８ 変位センサ
１１０ 荷重加え装置
１４０ 水平移動装置
１４１ スライダ
１４２ スライダベース
１４５ 移動ハンドル
２００ インタフェースコンピュータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、残留応力測定装置を用いた残留応力データ測定方法並びに残留応力測定方法、及びこの残留応力測定プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
素材の塑性変形又は熱応力により発生する残留応力は、試験材料の疲労強度や破壊物性などの機械的性質を低下させ、後加工を困難にする等の様々な問題点を引き起こす。特に、最近、使用が急増した薄膜素材の場合、異種素材接合部界面に発生した残留応力が、機械的物性を左右する重要な要素であるという報告があり、バルク（bulk）素材においても溶接中に発生した残留応力の重要性は既に知られている。
【０００３】
公知の残留応力測定方法は２つに大別される。一つは機械的応力緩和方法（Mechanical stress relaxing）であって、穴開け法（Hole drilling）や切断法（（Ｓawcutting）などが挙げられる。もう一つは物理的方法であって、Ｘ線回折法（X-ray diffraction）、バルクハウゼン・マグネチック・ノイズ（Barkhausen magnetic noise）法、超音波法及び中性子回折法などが挙げられる。
【０００４】
機械的応力緩和方法では、拘束因子を除去して緩和する際の変形程度から残留応力を測定する。このような機械的方法は、比較試片なしで残留応力を定量的に評価することができるという利点はあるが、必ず試片を破壊しなければならないという問題点がある。また、物理的方法のうち、前記Ｘ線回折法では、原子間の間隔を測定して変形の程度に計算し、バルクハウゼン・マグネチック・ノイズ法では残留応力によって変化する磁場ノイズの一つであるバルクハウゼン・ノイズの変化を計算する。
【０００５】
このような物理的方法は、非破壊的であるという利点はあるが、試験材料の微細組織の影響が大きいという欠点により、溶接部のような微細組織の急激な変化（結果値が残留応力なのか、微細組織の変化なのかを判別することが難しい）が存在する領域における適用は不可能であるという限界がある。
【０００６】
このように既存の公知の残留応力測定方法は、一定の形態の試片採取による応力緩和を補償することができず、測定中にも応力除去を目的として一部素材を損傷することなく除去するなどの複雑な過程が必要であるという問題点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、機械的物性評価に有利で非破壊的な残留応力測定装置を用いた残留応力データ測定方法を提供することにある。本発明の他の目的は、適用する荷重の範囲を制御することにより、薄膜やマイクロ素子などの微小領域から大型構造物に至るまでの広範囲な適用が可能であり、微細組織による影響を受けない残留応力測定方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の更に他の目的は、着座装置を多様化して、対象試験材料の大きさと種類に関係なく様々な試験材料に着座させて測定することが可能な残留応力測定方法を提供することにある。本発明の更に他の目的は、測定されたデータを分析するに際して、実験定数補正のための別途の測定が不要なので測定費用を節減し、他の測定法では測定が不可能な部分に対する測定も可能な残留応力測定方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、残留応力測定装置の本体と、前記本体内に設けられ、試験材料に加えるための荷重を発生させる荷重加え装置と、前記荷重加え装置によって前記試験材料に加えられる荷重の変化を連続的に計測する荷重センサと、前記荷重加え装置に連結され、前記荷重センサと共に同軸にて駆動する圧子ホルダーと、前記圧子ホルダーに一端が結合され、他端が前記試験材料に突き当たって前記荷重加え装置にて発生された荷重を前記試験材料に加える圧子と、前記圧子による押込みに従う押込み深さの変化を連続的に計測する変位センサと、前記荷重センサ及び前記変位センサからの測定値に基づいて残留応力を測定する測定プログラムを有するインターフェースコンピュータとを含み、前記圧子を試験材料に接近させて前記試験材料に荷重を加え、前記試験材料に加えられた荷重を除去し、前記荷重と押込み深さの変化を連続的に計測する毎に、前記測定プログラムは、前記インターフェースコンピュータに、前記荷重センサが連続的に計測した前記荷重と押込み深さの変化に基づく残留応力を計算させることを特徴とする残留応力測定装置を用いて試験材料の残留応力データを測定する方法において、前記圧子を残留応力試験の開始が可能な位置に移動させて前記試験材料に接近させる圧子接近ステップと、前記圧子の試験条件である最大押込み深さ、反復回数、荷重除去率、移動速度を設定し、設定された最大押込み深さを前記反復回数で割ったものを前記圧子の１回の移動距離とし、この１回の移動距離が得られるような押込み荷重を、前記試験材料に加える荷重加えステップと、前記１回の移動距離だけ前記圧子を垂直に移動させた後、設定された荷重除去率だけ前記圧子を上昇させる荷重除去ステップと、前記荷重加えステップと前記荷重除去ステップの各ステップと同時に、前記圧子の１回の移動距離を得るために前記試験材料に加えられた押込み荷重に対する押込み深さを測定する測定ステップと、次の段階の押込み荷重を前記試験材料に加えた後、設定された荷重除去率だけ前記圧子を上昇させて前記圧子の次の段階の押込み荷重に対する押込み深さを測定する、前記荷重加えステップと前記荷重除去ステップと前記測定ステップとを前記反復回数だけ順次行う連続測定ステップと、前記最大押込み深さになるまで、前記試験材料に押込み荷重を前記反復回数だけ順次加え、この各ステップ毎に、前記圧子の１回の移動距離を得るために前記試験材料に加えられた押込み荷重に対する押込み深さを測定した後、前記圧子を前記試験材料から離す圧子除去ステップと、前記試験材料の残留応力を計算する残留応力計算ステップとを含むことを特徴とする残留応力測定装置を用いた残留応力データ測定方法によって達成される。
【００１０】
更に、前記圧子接近ステップは、前記圧子を下降させる圧子下降ステップと、前記押込み荷重が前記荷重設計値以上であれば、前記圧子の移動を止めて前記圧子を距離設定値だけ上昇させ、前記押込み荷重が荷重設定値未満であれば、前記圧子下降ステップを引き続き行う判断ステップとを含むことを特徴とする。更に、前記荷重設定値が０.０１〜２ｋｇｆであり、前記距離設定値は０.１〜３０μｍであることを特徴とする。更に、前記残留応力計算ステップが、前記荷重除去ステップの前又は後に行われることを特徴とする。更に、前記それぞれの連続測定ステップ毎に、前記圧子の移動速度、最大押込み深さ、押込み荷重、前記圧子の移動距離、前記反復回数及び前記荷重除去率の少なくとも一つを変化させることが可能なことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、残留応力測定装置の本体と、前記本体内に設けられ、試験材料に加えるための荷重を発生させる荷重加え装置と、前記荷重加え装置によって前記試験材料に加えられる荷重の変化を連続的に計測する荷重センサと、前記荷重加え装置に連結され、前記荷重センサと共に同軸にて駆動する圧子ホルダーと、前記圧子ホルダーに一端が結合され、他端が前記試験材料に突き当たって前記荷重加え装置にて発生された荷重を前記試験材料に加える圧子と、前記圧子による押込みに従う押込み深さの変化を連続的に計測する変位センサと、前記荷重センサ及び前記変位センサからの測定値に基づいて残留応力を測定する測定プログラムを有するインターフェースコンピュータとを含み、前記圧子を試験材料に接近させて前記試験材料に荷重を加え、前記試験材料に加えられた荷重を除去し、前記荷重と押込み深さの変化を連続的に計測する毎に、前記測定プログラムが、前記インターフェースコンピュータに、前記荷重センサが連続的に計測した前記荷重と押込み深さの変化に基づく残留応力を計算させることを特徴とする残留応力測定装置を用いて試験材料の残留応力を測定する方法において、前記圧子を下降させて前記圧子を押込み試験の開始が可能な位置に移動させるが、押込み荷重が荷重設定値以上であれば、前記圧子の移動を止めて前記圧子を距離設定値だけ上昇させ、前記押込み荷重が荷重設定値未満であれば、前記圧子を引き続き下降させる圧子接近ステップと、前記圧子の試験条件である最大押込み深さ、反復回数、荷重除去率、移動速度を設定し、設定された最大押込み深さを前記反復回数で割ったものを前記圧子の１回の移動距離とし、この１回の移動距離が得られるような押込み荷重を、前記試験材料に加える荷重加えステップと、前記１回の移動距離だけ前記圧子を垂直に移動させた後、設定された荷重除去率だけ前記圧子を上昇させる荷重除去ステップと、前記荷重加えステップと前記荷重除去ステップの各ステップと同時に、前記圧子の１回の移動距離を得るために前記試験材料に加えられた押込み荷重に対する押込み深さを測定する測定ステップと、次の段階の押込み荷重を前記試験材料に加えた後、設定された荷重除去率だけ前記圧子を上昇させて前記圧子の次の段階の押込み荷重に対する押込み深さを測定する、前記荷重加えステップと前記荷重除去ステップと前記測定ステップとを前記反復回数だけ順次行う連続測定ステップと、所定の基準試片の測定式と測定した試験材料の測定式とを比較して前記試験材料の残留応力を測定するステップと、前記最大押込み深さになるまで、前記試験材料に押込み荷重を前記反復回数だけ順次加え、この各ステップ毎に、前記圧子の１回の移動距離を得るために前記試験材料に加えられた押込み荷重に対する押込み深さを測定した後、前記圧子を前記試験材料から離す圧子除去ステップと、を含むことを特徴とする残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法である。
【００１２】
また、本発明は、残留応力測定装置の本体と、前記本体内に設けられ、試験材料に加えるための押込み荷重を発生させる荷重加え装置と、前記荷重加え装置によって前記試験材料に加えられる荷重の変化を連続的に計測する荷重センサと、前記荷重加え装置に連結され、前記荷重センサと共に同軸にて駆動する圧子ホルダーと、前記圧子ホルダーに一端が結合され、他端が前記試験材料に突き当たって前記荷重加え装置にて発生された荷重を前記試験材料に加える圧子と、前記圧子による押込みに従う押込み深さの変化を連続的に計測する変位センサと、前記荷重センサ及び前記変位センサからの測定値に基づいて残留応力を測定する測定プログラムを有するインターフェースコンピュータとを含み、前記圧子を試験材料に接近させて前記試験材料に荷重を加え、前記試験材料に加えられた荷重を除去し、前記荷重と押込み深さの変化を連続的に計測する毎に、前記測定プログラムは、前記インターフェースコンピュータに、前記荷重センサが連続的に計測した前記荷重と押込み深さの変化に基づく残留応力を計算させることを特徴とする、試験材料の残留応力を測定する測定プログラムを記録した記録媒体であって、前記インターフェースコンピュータに、前記圧子を下降させて前記圧子を押込み試験の開始が可能な位置に移動させるが、押込み荷重が荷重設定値以上であれば、前記圧子の移動を止めて前記圧子を距離設定値だけ上昇させ、前記押込み荷重が荷重設定値未満であれば、前記圧子を引き続き下降させる圧子接近ステップと、前記圧子の試験条件である最大押込み深さ、反復回数、荷重除去率、移動速度を設定し、設定された最大押込み深さを前記反復回数で割ったものを前記圧子の１回の移動距離とし、この１回の移動距離が得られるような押込み荷重を、前記試験材料に加える荷重加えステップと、前記１回の移動距離だけ前記圧子を垂直に移動させた後、設定された荷重除去率だけ前記圧子を上昇させる荷重除去ステップと、前記荷重加えステップと前記荷重除去ステップの各ステップと同時に、前記圧子の１回の移動距離を得るために前記試験材料に加えられた押込み荷重に対する押込み深さを測定する測定ステップと、次の段階の押込み荷重を前記試験材料に加えた後、設定された荷重除去率だけ前記圧子を上昇させて前記圧子の次の段階の押込み荷重に対する押込み深さを測定する、前記荷重加えステップと前記荷重除去ステップと前記測定ステップとを前記反復回数だけ順次行う連続測定ステップと、前記最大押込み深さになるまで、前記試験材料に押込み荷重を前記反復回数だけ順次加え、この各ステップ毎に、前記１回の移動距離を得るために前記試験材料に加えた押込み荷重に対する押込み深さを測定した後、前記圧子を前記試験材料から離す圧子除去ステップと、所定の基準試片の測定式と測定した試験材料の測定式とを比較して、前記試験材料の残留応力を測定するステップと、を実行させるためのコンピュータ読み取り可能な測定プログラムを記録した記録媒体によっても達成される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図に基づいて本発明を詳細に説明する。残留応力測定装置、残留応力測定装置を用いた残留応力データ測定方法及び残留応力測定方法、残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法を記憶した記録媒体について順次説明する。そして、最終的には測定プログラムによる残留応力測定方法の実施例について各式を用いて詳細に説明する。
【００１４】
第１に、残留応力測定装置について述べる。図１乃至図５を参照して残留応力測定装置の一実施例について述べる。図１は本発明の一実施例による残留応力測定装置の全体構成図、図２は図１に示した残留応力測定装置の本体の正断面図、図３は図２に示した本体の側断面図、図４は図２に示した本体の部分平面図、図５は図２に示した本体の下部一部、変位センサ及び荷重センサの領域を示す部分断面図である。
【００１５】
図１に示すように、本発明に係る残留応力測定装置は、本体１００と、本体１００に連結されたインタフェースコンピュータ２００とを有する。本体１００は、物性を測定する試験材料に着座させて残留応力の測定を行うための機器の主要部である。インタフェースコンピュータ２００には、本体１００の作動を制御するとともに、本体１００の測定手順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、及び本体１００からの信号値を変換する装置等が搭載されている。
【００１６】
図２及び図３に示すように、本体１００は、フレーム１０１、荷重加え装置１１０、ボディ１０２、荷重センサ１２３、圧子ホルダー１２５、圧子１２７、変位センサ１２８、水平移動装置１４０、コネクタ１６１、１６３を含備える。フレーム１０１は円筒形状を有するもので、いろいろの内蔵部品を保護し且つ外観をなす。本実施例において、フレーム１０１は、荷重加え装置１１０、ボディ１０２、荷重センサ１２３及び圧子１２７の一部分を含むために高強度アルミニウム軽量合金を使用するとともにその重量を減らすことにより、携帯及び運搬も容易である。
【００１７】
荷重加え装置１１０は、残留応力測定の際に試験材料に加えられる荷重を発生するものであって、モータ１１１、減速機１１２及びボールスクリュー１１７からなる。モータ１１１としては、外部荷重及び過負荷に安定的で精密制御の可能なＤＣステッピングモータを採用することにより、現場から外部振動など発生可能な危険要素の影響を除去できる。減速機１１２は、モータ１１１の下方に位置し、モータ１１１により発生した動力で圧子１２７を移動させる際に、圧子１２７の移動速度を測定に必要なだけの低速に減速させ、小型のモータ１１１からの出力を増幅させる。
【００１８】
カップリング１１３は、減速機１１２の下方に設けられ、減速機１１２とボールスクリュー１１７を連結し、モータ１１１の動力をボールスクリュー１１７に伝達する。ボールスクリュー１１７の外側にはベアリングが嵌合され、このベアリングはボールスクリュー１１７の回転自在に支持する。支持軸１１６は、ボディ１０２を貫通し、ボディ１０２が上下に移動する際にボディ１０２の移動を案内し、外部衝撃による揺れ又はそれ自体の揺れを防止する。ボールスクリュー１１７は、モータ１１１からの動力により回転する部分であり、この回転力を利用して圧子１２７に荷重を加える。即ち、ボールスクリューナット１１８は、ボールスクリュー１１７に螺合され、ボールスクリュー１１７が回転すると上下方向に垂直移動する。
【００１９】
ボディ１０２は、ボールスクリューナット１１８に合体され、ボールスクリューナット１１８の垂直移動に伴って、荷重加え装置１１０で発生された回転力を垂直荷重に変換して、圧子１２７が試験材料に荷重を加えられるようにする。荷重センサ１２３は、ボディ１０２の下方に位置し、ボディ１０２によって加えられた荷重の変化を連続的に計測する。荷重センサ１２３を押込むと、押込み荷重に比例する変形が発生し、この変形に応じて、荷重センサ１２３に内蔵されたストレインゲージの電気抵抗が変化し、結果として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測定する。
【００２０】
荷重センサ１２３の最大荷重は１００ｋｇｆ、荷重分解能は１.５ｇｆとそれぞれ設計されることにより、既存のＡＩＳ２０００の場合より最大荷重が少なくて精密度が更に高くなった。その理由は、ＡＩＳ２０００でのように引張物性を得るためには球形圧子（図示せず）を使用しなければならず、そのような圧子が試験材料の内部に一定の深さ以上押込まれなければならない。このため、更に大きい荷重が必要であるが、残留応力測定装置は押込み深さよりは装備の精密度が優先視されるので、前記のような設計を有することができる。ここで、最大荷重が増えるほど、荷重分解能も一緒に増加するので、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を得ることができないので、様々な実験によって最適の荷重範囲を決定する。
【００２１】
荷重センサ１２３の下方には、荷重センサ１２３と圧子１２７とを連結する延長軸１２４がある。延長軸１２４は上端の内周面に雌ねじが設けられ、この雌ねじが、荷重センサ１２３の下端に設けられた雄ねじに結合されている。延長軸１２４の下端には圧子１２７が設けられている。圧子１２７は、実質的に試験材料に接触荷重を加える部分であって、例えばビッカース圧子を採用できる。延長軸１２４と圧子１２７とは、着脱式になっているので、延長軸１２４からの圧子１２７の離脱の危険性を無くし、実験誤差を除去できる。本実施例では、圧子１２７は四角錐形のビッカース圧子であるが、用途に応じて円錐形又は球形を採用することもできる。
【００２２】
変位センサ１２８は、圧子１２７と平行に移動し、圧子１２７と荷重センサ１２３との間に位置する。変位センサ１２８は、本体１００の内壁面に固定したマグネットと平行して移動しながら変位を測定する。センサブラケット１２９は、圧子１２７に連結された延長軸１２４と、変位センサ１２８とを締結する。圧子１２７が上下に移動すると、変位センサ１２８はマグネットに対し平行移動して押込み深さを測定するので、圧子１２７の押込み深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、圧子１２７の最大移動範囲であり、正確な押込み深さを測定可能にするため、均等目盛（Linear Scale）を使用したが、必ずしもこれに制限されるものではない。
【００２３】
変位センサ１２８は、圧子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、上端と下端に極限信号発生装置が取り付けられる。圧子１２７と変位センサ１２８の安全な移動が可能な領域を設定し、各領域の限界位置に極限信号発生装置を取り付ける。この領域を超過する場合には、モータ１１１の回転が中断されて圧子１２７と変位センサ１２８の移動が中断される。
【００２４】
荷重加え装置１１０及び荷重センサ１２３とベース１３３との間には、水平移動装置１４０が設けられる。水平移動装置１４０は、残留応力測定を行った後、同一試験材料に対し他の位置で次の残留応力測定を行うとき、残留応力測定装置全体を移動することなくフレーム１０１のみを水平移動して次の残留応力測定を行うための装置である。
【００２５】
図２、図３及び図４を参照するが、特に図４を参照すると、本体１００のフレーム１０１の下部に位置した水平移動装置１４０は、スライダ１４１、スライダベース１４２、ロック金具１４３、ロックボルト１４３ａ、及び移動ハンドル１４５を有する。スライダ１４１は、本体１００のフレーム１０１の下部に位置し、スライダベース１４２はスライダ１４１の下部に位置する。スライダベース１４２には凹状のアリ溝が設けられ、スライダ１４１には、バチ形の凸部が設けられ、これらが摺動可能に嵌合されている。従って、スライダ１４１がスライダベース１４２に乗ってアリ溝方向に摺動して本体１００を水平移動させることができる。
【００２６】
ロックボルト１４３ａは、スライダ１４１の溝を貫通してスライダベース１４２に接触している。ロック金具１４３は、ロックボルト１４３ａと締結されており、回転させるとロックボルト１４３ａが上下に移動する。ロック金具１４３をロックボルト１４３ａが延長するように回転させると、ロックボルト１４３ａが、スライダベース１４２を押圧してスライダ１４１を固定する。この状態でロック金具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、スライダベース１４２の加圧を解除し、スライダ１４１に力を加えると水平移動可能にする。
【００２７】
スライダ１４１の水平移動させる力は、移動ハンドル１４５を回転させることにより得られる。移動ハンドル１４５には、ブラケット１４５ａを貫通してスライダ１４１のナット１４５ｃに螺合されたボルト１４５ｂが設けられている。移動ハンドル１４５を回転させると、移動ハンドルボルト１４５ｂも共に回転する。移動ハンドルボルト１４５ｂの回転によって、移動ハンドルナット１４５ｃ、スライダ１４１及び、フレーム１０１が、ねじ山の方向に沿って移動ハンドル１４５方向、或いはその反対方向に移動できるようにする。移動ハンドル１４５には移動距離を知らせる目盛りが設けられている。本体１００の末端にあるベース１３３は、着座装置１３０を本体１００に連結させ、着座装置１３０を締結していない場合には本体１００を支持する。
【００２８】
本発明に係る残留応力測定装置は、本体１００とは別途に着座装置１３０を有する。着座装置１３０は磁石１３１、磁石ブラケット１３１ａ及び２つのボルト１３３ｂ、１３３ｂ' を有する。磁石１３１とベース１３３は磁石ブラケット１３１ａに２つのボルト１３３ｂ、１３３ｂ' によってそれぞれ結合されている。磁石１３１は、その着座する部分が鉄材部分の時に使用するが、曲率を有する試験材料の場合には磁石１３１の底部を曲率に合わせて加工して使用する。
【００２９】
本実施例では、着座装置１３０が磁石１３１であると説明したが、着座する試験材料の種類に応じてチェーン又は曲率のあるＵ字型固定具を使用することもできる。チェーンは磁石１３１の使用が不可能な場合、試験材料の周りを巻いて本体１００に着座させる。例えば、１００ｋｇ程度の高荷重を支持するために４重チェーンを使用し、ベース１３３とチェーンとの間はボルト締結方式と固定金具用螺合方式を混用して締結する。Ｕ字型固定具はチューブに使用し、本体１００を支持する両側のブラケットとＵ字型固定具とをボルトで締結して本体１００を固定する。
【００３０】
更に図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コネクタ１６１、１６３は、本体１００とインタフェースコンピュータ２００との間で互いに信号をそれぞれ伝達する部分である。コネクタは、モータコネクタ１６１及び信号コネクタ１６３からなり、それぞれインタフェースコンピュータ２００のモータコネクタ１６１' 及び信号コネクタ１６３' にそれぞれ連結される。
【００３１】
インタフェースコンピュータ２００は、測定した試験材料の押込み荷重と変位データを分析するプログラムを搭載し、現場で残留応力を計算することができる。残留応力は後述する残留応力測定を用いた残留応力決定方法によって計算される。また、インタフェースコンピュータ２００に搭載されたプログラムには、測定の前に圧子１２７を試験材料に接近させるか、或いは測定の後に圧子１２７を試験材料から離すためのモータ１１１の手動駆動機能と、測定を開始する際に自動的に試験材料測定の開始が可能な位置に移動させるエンゲージ機能がある。これについては後述する。
【００３２】
インタフェースコンピュータ２００には、それぞれモータコネクタ１６１及び信号コネクタ１６３に連結されるモータコネクタ１６１' 及び信号コネクタ１６３' がある。そして、インタフェースコンピュータ２００には、緊急停止ボタンや電源ボタンなどのような１又はそれ以上の制御ボタンが設けられている。
【００３３】
以下、図１乃至図５を参照して本発明に係る残留応力測定装置の作動について述べる。まず、着座装置１３０を、本体１００のベース１３３に結合させた後、測定する試験材料に着座させる。ロック金具１４３がロックされていなければ、ロックボルト１４３ａが下方に移動するようにロック金具１４３を回転させ、ロックボルト１４３ａがスライダベース１４２を加圧してスライダ１４１及び本体１００などを固定させる。
【００３４】
インタフェースコンピュータ２００の電源ボタンを押して電源をつけると、圧子１２７は最大限上昇して極限信号発生地点まで上昇する。この際の速度はモータ１１１と減速機１１２における上昇可能な最高速度である。測定速度及び手動上下動作速度は、予め設定されたモータ１１１の回転速度を減速機１１２にて変速することによって得られる。モータ１１１の回転力は、減速機１１２とカップリング１１３を回転させてボールスクリュー１１７を回転させ、ボールスクリューナット１１８を下方に垂直移動させる。ボールスクリューナット１１８の垂直移動はボディ１０２、荷重センサ１２３、延長軸１２４、圧子１２７、変位センサ１２８を同時に下方に移動させる。
【００３５】
この際、荷重センサ１２３と変位センサ１２８は、荷重と変位の変化を連続的に測定する。前記垂直荷重は圧子１２７を試験材料に押込ませる。変位センサ１２８は圧子１２７の押込み深さを連続的に計測する荷重センサ１２３と変位センサ１２８によって荷重及び押込み深さを一定の深さまで測定し、モータ１１１を反対方向に回転させて圧子１２７の荷重を一定の程度除去すると同時に、荷重及び押込み深さを測定して応力及び実際の接触面積を求める過程を所定の位置で連続的に施行する。
【００３６】
再び前記方法で圧子１２７に荷重を加えて押込み深さを更に増大して荷重及び押込み深さを測定し、荷重を一定の程度除去すると同時に荷重及び押込み深さを連続的に測定して応力及び実際の接触面積を求める。このような過程を繰り返すことにより、所定の位置での応力及び変形率曲線を完成することができる。
【００３７】
所定の位置で押込み測定が終わったら、水平移動装置１４０のロック金具１４３を解除し、移動ハンドル１４５を回してスライダ１４１を水平移動させた後、次の位置で前述したような同一の押込み測定を行う。他の試験材料に対して残留応力測定を行うためには、着座装置１３０の磁石１３１を取り外し、他の試験材料に残留応力測定装置全体を移動させた後、磁石１３１を更に他の試験材料に着座させて残留応力測定を行う。
【００３８】
また、曲率を有する対象に着座させるために、磁石１３１を曲率加工して使用することができる。一方、試験材料が磁性体ではない場合には、図５の着座装置１３０の磁石ブラケット１３１ａとベース１３３とを結合させるボルト１３３ｂ、１３３ｂ' を回転させて着座装置１３０を本体１００から分離した後、他の着座装置１３０、例えばチェーン又はＵ字型固定具をベース１３３に締結し、その後同一の方法で測定する。
【００３９】
第２に、残留応力測定装置を用いた残留応力データ測定方法及び残留応力測定方法について述べる。図６乃至図８を主に参照するが、図１乃至図５を部分的に参照して本発明に係る残留応力測定装置を用いた残留応力データ測定方法及び残留応力測定方法の一実施例を説明する。
【００４０】
図６に示すように、本発明に係る残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法は、圧子移動方法選択ステップ（Ｓ１０）、圧子接近ステップ（Ｓ２０）、荷重加えステップ（Ｓ３０）、荷重除去ステップ（Ｓ４０）、測定ステップ（Ｓ５０）、連続測定ステップ（Ｓ６０）、圧子除去ステップ（Ｓ７０）及び残留応力計算ステップ（Ｓ８０）を有する。反復説明を回避するために、残留応力測定方法を説明しながら残留応力データ測定方法を説明する。圧子移動方法選択ステップ（Ｓ１０）は、残留応力測定装置の圧子１２７の移動を手動又は自動で選択するステップである。
【００４１】
図７を参照すると、まず、測定を開始する前に、圧子１２７を試験材料に接近させるために圧子１２７の移動方法を選択する（Ｓ１００）。圧子１２７の移動を手動にするか否かを尋ね（Ｓ１１０）、手動であれば、圧子１２７の移動速度を設定する（Ｓ１２０）。圧子１２７の移動速度を設定した、アップを選択すると（Ｓ１３０）、圧子１２７を上方に移動させる（Ｓ１５０）。これとは逆に、ダウンを選択すると（Ｓ１３５）、圧子１２７は下方に移動する（Ｓ１５５）。
【００４２】
圧子１２７の移動を手動にせず自動にするとしても（Ｓ１１５）、一応圧子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、圧子１２７を上方に移動させ（Ｓ１５０）、移動距離が正数であれば、圧子を下方に移動させる（Ｓ１５５）。
【００４３】
圧子接近ステップ（Ｓ２０）は、圧子１２７を残留応力測定の開始が可能な位置に移動させて試験材料に接近させるステップである。図８を参照すると、圧子１２７を下方に移動させながら（Ｓ２１０）、実時間にて移動距離及び荷重を表示する（Ｓ２２０）。次に、圧子１２７の受ける荷重が０.２ｋｇｆ以上であるか否かを判断し（Ｓ２３０）、荷重が０.２ｋｇｆ以上であればはい、圧子１２７の下降を止め（Ｓ２４０）、上方に１０μｍ移動させた後（Ｓ２５０）停止する（Ｓ２６０）。
【００４４】
こうなると、圧子１２７と試験材料との距離が、測定を開始し得る適当な程度にセットされる。もし荷重が０.２ｋｇｆ以上でなければ「いいえ」、圧子１２７の荷重が０.２ｋｇｆに到達するまで圧子１２７を引き続き下方に移動させて圧子接近ステップを繰り返し行う。
【００４５】
この際、０.２ｋｇｆと１０μｍの値は、それぞれ荷重設定値と距離設定値を示し、反復的な実験から得られた値であって、データ測定開始範囲が０.２ｋｇｆ以上であるため、物性の測定には影響を与えない。また、本実施例では、荷重設定値と距離設定値がそれぞれ０.２ｋｇｆと１０μｍであるが、実験結果、エンゲージの荷重設定値は０.０１〜２ｋｇｆ、距離設定値は０.１〜３０μｍ内で有効範囲を有するので、この範囲内でのエンゲージ設定は本発明の範囲に属すると言える。
【００４６】
荷重加えステップ（Ｓ３０）は試験材料に荷重を加えて圧子１２７を垂直下降させるステップである。この際、垂直下降する移動速度と垂直下降する移動距離を予め定めておく。圧子１２７の移動速度と移動距離は、前述した残留応力測定装置のモータ１１１と減速機１１２を制御して得ることができる。例えば、最大移動距離を３００μｍ、反復回数を１０にした場合、移動速度を０.１ｍｍ／ｍｉｎ、１回の移動距離を３０μｍにすることができる。
【００４７】
荷重除去ステップ（Ｓ４０）は、圧子１２７を移動距離だけ下方に移動させた後、一定の荷重除去率だけ荷重を除去して圧子を一定の距離だけ上方に移動させるステップである。これも前記残留応力測定装置のモータ１１１と減速機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％の場合、１回の移動距離を得るために付加した荷重の７０％に該当する荷重まで圧子を上方に移動させる。
測定ステップＳ５０は、荷重加えステップ（Ｓ３０）と荷重除去ステップ（Ｓ４０）を介して圧子１２７の垂直移動による圧子１２７の押込み深さと押込み荷重を測定するステップである。このステップＳ５０は残留応力測定装置の変位センサ１２８と荷重センサ１２３によって行われる。
【００４８】
連続測定ステップ（Ｓ６０）は、荷重加えステップ（Ｓ３０）、荷重除去ステップ（Ｓ４０）及び測定ステップ（Ｓ５０）を一定の回数繰り返すステップである。一方、移動速度、圧子の移動距離及び荷重除去率を各次数毎に異ならせることができる。例えば、次数が低くて付加荷重が小さい場合１回乃至３回には荷重除去率を大きくし、段々次数が大きくなると、荷重除去率を小さくすることもできる。次数が低い場合、荷重除去率を大きくするので、塑性変形様相を正確に反映することができる。
【００４９】
圧子除去ステップ（Ｓ７０）は圧子１２７を試験材料から除去するステップである。残留応力計算ステップ（Ｓ８０）は、測定ステップ（Ｓ６０）で測定して求めた押込み深さに対する押込み荷重曲線を用いて残留応力を計算するステップである。ここで、残留応力は後述する残留応力測定を用いた残留応力決定方法によって計算することができる。勿論、残留応力計算ステップ（Ｓ８０）は圧子除去ステップ（Ｓ７０）の前あるいは後に位置することができる。
【００５０】
以上、図面を参照して残留応力測定装置を用いた残留応力データ測定方法及び残留応力測定方法を説明したが、本発明はこれに制限されない。
【００５１】
残留応力測定装置の水平移動装置１４０を用いて圧子１２７を同一試験材料に対して一軸方向に水平移動しながら、前述した残留応力測定方法を繰り返すことにより、同一試験材料に対して残留応力値を多数計算することもできる。この際、多数測定された残留応力値のうち小さ過ぎるか或いは大き過ぎる値を表わすデータは捨て、残りの残留応力値を平均するので、試験材料の残留応力をより正確に求めることができる。
【００５２】
第３に、残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法を記憶した記録媒体、即ち、残留応力測定プログラムを記録したコンピューター読み取り可能な記録媒体について述べる。図９乃至図１３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残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法（プログラム）を記憶した記録媒体を説明する。記録媒体はコンピュータなどの演算装置で実行することができる。例えば、記録媒体は、図１に示した残留応力測定装置を制御することが可能なインタフェースを含んだコンピュータで実行し、測定装置の測定データの入力を受けて試験材料の残留応力値を測定して出力することができる。
【００５３】
図９は図１の残留応力測定装置を用いた測定方法を記憶した記録媒体をコンピュータによって実行した場合の初期画面、図１０は実験条件を設定するための画面、図１１は図１の残留応力測定装置を用いた測定方法（プログラム）を記憶した記録媒体によって測定された押込み深さと押込み荷重曲線の画面、図１２は同一試験材料又は異種試験材料に対して多数測定された押込み深さと押込み荷重曲線を重ね合わせた画面、図１３は押込み深さと押込み荷重曲線を用いて誘導された残留応力分析結果を示す画面である。
【００５４】
記録媒体をコンピュータによって実行した場合の初期画面は、上位メニュー、機器現在状態表示部、モータ１１１の手動駆動部、エンゲージボタン、グラフ窓、基準（reference）データベース作りボタン及び残留応力測定ボタンから構成される。初期画面の構成要素はマウス又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。
【００５５】
上位メニューには「開く」、「保存」、「基準変更」、「残留応力分析」などの基本メニューを有する。基準データベース作りボタン又は残留応力測定ボタンを選択し、簡単な情報入力窓に測定者及び試片に対する情報を入力すると、実験条件設定画面が出力される。実験条件は圧子１２７の種類、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。下部の手動部では最終変位と測定速度を調節することができる。このような実験条件による実験条件模式図が出力されるので、実験条件による実験結果を予測して出力することができる。
【００５６】
機器現在状態表示部は、現在残留応力測定装置の圧子１２７の荷重と変位を表示する。モータ１１１の手動駆動部は、測定の前に圧子１２７を試験材料に接近させるか、或いは残留応力測定終了の後に次の測定位置に移動させるために、圧子１２７を試験材料から除去する際に使用するメニューである。
図７を参照すると、圧子１２７の移動速度を設定した後、手動駆動部のアップボタンを押すと、圧子１２７が上方に移動する。一方、ダウンボタンを押すと、圧子１２７が下方に移動する。
【００５７】
エンゲージボタンは、試験材料を測定の開始が可能な位置に移動させる際に、測定者が直接圧子１２７と試験材料を観察しながら圧子１２７を試験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、自動で試験材料を測定の開始が可能な位置に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を押すと、図６の圧子１２７の接近ステップ（Ｓ２０）を実行して圧子１２７を測定可能な位置に移動させる。
【００５８】
初期画面に図示されていない開始ボタンをクリックすると、記録媒体に記憶された測定方法を実行して残留応力の基準データベースを作り、或いは残留応力を測定することができる。
【００５９】
まず、現在の圧子１２７の荷重と変位が機器の状態部に出力されることについては前述した。また、現在までの累積押込み深さ（変位）による押込み荷重曲線は、図１１に示すようにグラフ窓に表示する。同一試験材料に対して水平移動して押込み深さによる押込み荷重曲線を多数求めた場合、或いは測定部位に応じて残留応力が変化してこれに対する比較が必要な場合には、同時に図１２に示すように、曲線を重ね合わせて表示することもできる。
【００６０】
初期画面には基準データベース変更ボタン及び残留応力分析ボタンがあり、基準データベース変更ボタンをクリックすると、装備に入力されているデータベースの中から基準値を選択して変更することができる。残留応力ボタンをクリックすると、選択された基準値による残留応力を分析し得る残留応力分析窓が画面に現われ、分析開始ボタンを押すと、残留応力値が表示される。残留応力分析の際には、基準曲線と残留応力測定曲線が現われるとともに、分析された結果が共に画面に現われる。このような内容を様々なファイル形態、例えばＢＭＰのようなイメージファイルにして記憶することもできる。
【００６１】
第４に、測定プログラムによる残留応力測定方法の実施例について述べる。図１１及び図１４を参照すると、残留応力を測定するためには基準試片（Ｓtress free状態）の押込み荷重−変位曲線が必要であるが、これは測定しようとする実際試片の押込み荷重−変位曲線と比較するためである。残留応力を求めるためには下記の過程を行うべきであるが、その順序は次の通りである。
【００６２】
まず、基準試片に対し前述した残留応力測定装置を用いて多重連続押込み実験を行い、ここから得られた曲線に基づいて負荷（loading）曲線のフィッティング（fitting）式、無負荷（unloading）曲線の傾き及び実際の押込み深さｈｃを求める。
【００６３】
得られた押込み荷重−変位曲線から機械的弛緩、減／加速効果、クリープ（creep）効果のない負荷部分のみを別途に切り取ってフィッティング過程を経るが、これは実際多重押込みの場合、荷重除去時の曲線形態が歪曲されて、実際適用された荷重とは差異を示すため、より正確な値の測定のために必ず必要である。一定の硬度値を示すビッカース硬さ試験の際に加えられる荷重は、圧痕の面積に比例するが、圧子下部の複雑な弾性域／弾塑性変形によって正確に比例する関係であるとは言えないので、負荷の際に与えられた押込み深さとの関係を式１のように５次式の形態で適合化させて実験式を得る。
【００６４】
【式１】
次に、それぞれの無負荷曲線の分析を開始する際にも、前記負荷曲線の分析のように式２のような形態でフィッティングする。式２は無負荷曲線の全ての点に最も近似した曲線を計算するアルゴリズムである。
【００６６】
【式２】
ここで、ｈｆは荷重除去後の残留最終深さである。両辺に代数を取ってフィッティングを経ると、ｋ及びｍを知ることができ、これにより無負荷曲線の傾きＳを求めることができるが、その関係は式３で与えられる。
【００６８】
【式３】
弾性的な押込み荷重除去中に圧子／試片の一定の接触面積を維持すると、無負荷曲線は直線形態を持つことになり、これから接触深さｈｃが決定される。ところが、荷重除去中に実際圧子の形状に応じて接触面積は段々減少し、接触部周辺の弾性曲げも変化する。このような実際圧子の接触関係式は式４で与えられる。
【００７０】
式３において、各無負荷曲線の中から変位の最も大きい値をｈｍａｘとして取ってＳを決定する。その後、負荷曲線をフィッティングした式とＳを用いて得ることが可能な無負荷曲線の接線との交点を各無負荷部分におけるｈｍａｘとして再設定する。これは、装備によっては曲線が理想的な形態から外れることも可能であるが、この際に発生する誤差を最小化するためである。
【００７１】
【式４】
ここで、ｈｉは無負荷曲線の接線を延長する際の切片の深さであり、ｈｍａｘは前述した負荷曲線とＳを用いて得られる無負荷曲線の接線との交点を用いて求めた各部分無負荷時の最大押込み深さである。ωは圧子の幾何学的因子（geometrical factor）、ビッカース（Vickers）圧子の場合にはその値が０.７２で与えられる。このような接触深さの決定はそれぞれの部分無負荷で全て行われる。
【００７３】
本例では簡単な表現のために上記のような式を使用したが、本出願人が韓国特許庁へ２００１年１月１２日付で特許出願した未公開の「連続押込み試験を用いた加工硬化指数及び応力係数決定方法」（出願番号１０−２００１−１７７０）、「連続押込み試験を用いた降伏強度決定方法」（出願番号１０−２００１−１７７１）、「連続押込み試験を用いた引張強度決定方法」出願番号１０−２００１−１７７２に開示されている、押込みの際に圧痕角部に試験材料が集積するか或いは一緒に入りこむパイルアップ（pile up）とシンクイン（Ｓink in）を考慮した接触深さの決定方法を使用することもできる。
【００７４】
基準試片における実験が終わると、残留応力を測定しようとする試片で実験を行うが、この際は部分荷重除去のステップを経る必要がない。これはそれぞれの試片において一定の押込み深さに対して加えられた荷重値の相対的差異が、試片内に存在する残留応力と直接的な関係があるので、標準化された押込み深さｈｃを既に既存の基準試片から得た以後にはｈｃ値を得ることは不要だからである。
【００７５】
残留応力を求めようとする試片において連続押込み実験を行った後、以前ステップと同様に、負荷部分のフィッティングを経る。また、ここで得られた式と基準試片から得られたフィッティング式との比較を行う。この際、測定された押込み荷重−変位曲線の形態により、存在する残留応力の符号を決定することができるが、もし基準状態より曲線の位置が上方であれば、圧縮残留応力が存在することであり、その反対の場合は引張残留応力が存在すると言える。
【００７６】
それぞれの負荷曲線式が得られた後には、次の関係によって残留応力を測定するが、基準試片と実際試片との同じ押込み深さで加えられる押込み荷重の差は残留応力による影響であると考えられるので、その際の荷重差異を実際面積で割ると、残留応力値を得ることができる。本例では各無負荷曲線から求めたｈｍａｘの押込み深さで荷重の差異を求めた。従って、計算される残留応力値は１回の実験における基準実験の際の部分無負荷回数だけ得ることができる。
【００７７】
定数αが存在する理由は、試片上に存在する応力の分布状態がそれぞれ異なるため、薄膜における等方向二軸応力状態（αｘ＝σｙ）又は溶接部の如く一側方向への応力のみが重視される状況（αｘ＞＞σｙ）を例として挙げることができる。
【００７８】
残留応力による影響は同じ押込み深さに対する適用荷重の差異で現われる。この際、応力値は加えられた荷重を単位面積で割った値なので、式５で表わすことができる。
【００７９】
【式５】
ここで、ＬＲは実際試片に加えられる押込み荷重、Ｌ０は基準試片に加えられる押込み荷重である。Ａｃは実際接触面積であって、ビッカース硬さ試験用の圧子の幾何学的形態を考慮すると、式６のようである。
【００８１】
【式６】
基準試片から得られたそれぞれのｈｃ値を代入して出たＡｃ値を代入すると、実際残留応力値はある程度の範囲内で変化するが、これは押込み荷重の増加に伴って圧子下部の塑性領域が増加するためである。これにより、該当接触面積による残留応力値の平均を求めてその値を残留応力と定義する。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、機械的物性評価に有利で非破壊的な残留応力データ測定方法が提供される。また、適用する荷重の範囲を制御することにより、薄膜やマイクロ素子のような微小領域から大型構造物に至るまで広範囲な適用が可能であり、微細組織による影響を受けない。
【００８４】
また、本発明は、測定されたデータを分析するに際して、実験定数補正のための別途の測定が不要なので測定コストを節減し、他の測定法では測定不可能な部分に対する測定も可能であるという効果がある。また、押込み荷重−変位曲線の解析によって残留応力を非破壊的に直接評価することにより、試片の破損を防ぎ、試片による所要時間及び費用を節減することができ、試片を求め難い場合又は局部的物性評価が要求される状況においても適切に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る残留応力測定装置の全体構成図である。
【図２】図１に示した残留応力測定装置の本体の正断面図である。
【図３】図２に示した本体の側断面図である。
【図４】図２に示した本体の部分平面図である。
【図５】図２に示した本体の下部一部、変位センサ及び荷重センサの領域を示す部分断面図である。
【図６】本発明の一実施例に係る残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法の流れ図である。
【図７】図６の圧子移動方法選択ステップの詳細流れ図である。
【図８】図６の圧子接近ステップの詳細流れ図である。
【図９】図１の残留応力測定装置を用いた測定方法を記憶した記録媒体をコンピュータによって実行した場合の初期画面である。
【図１０】実験条件を設定するための画面である。
【図１１】図１の残留応力測定装置を用いた測定方法を記憶した記録媒体によって測定された押込み深さと押込み荷重曲線を示す画面である。
【図１２】同一試験材料又は異種試験材料に対して多数測定された押込み深さと押込み荷重曲線の重ね合わせて示す画面である。
【図１３】押込み深さ−押込み荷重曲線を用いて誘導された残留応力分析結果を示す画面図である。
【図１４】残留応力測定装置から得たデータとしての押込み荷重−変位曲線を示す図である。
【符号の説明】
１００ 本体
１０１ フレーム
１０２ ボディ
１２３ 荷重センサ
１２５ 圧子ホルダー
１２７ 圧子
１２８ 変位センサ
１１０ 荷重加え装置
１４０ 水平移動装置
１４１ スライダ
１４２ スライダベース
１４５ 移動ハンドル
２００ インタフェースコンピュータ
Claims (7)
- 残留応力測定装置の本体と、前記本体内に設けられ、試験材料に加えるための荷重を発生させる荷重加え装置と、前記荷重加え装置によって前記試験材料に加えられる荷重の変化を連続的に計測する荷重センサと、前記荷重加え装置に連結され、前記荷重センサと共に同軸にて駆動する圧子ホルダーと、前記圧子ホルダーに一端が結合され、他端が前記試験材料に突き当たって前記荷重加え装置にて発生された荷重を前記試験材料に加える圧子と、前記圧子による押込みに従う押込み深さの変化を連続的に計測する変位センサと、前記荷重センサ及び前記変位センサからの測定値に基づいて残留応力を測定する測定プログラムを有するインターフェースコンピュータとを含み、前記圧子を試験材料に接近させて前記試験材料に荷重を加え、前記試験材料に加えられた荷重を除去し、前記荷重と押込み深さの変化を連続的に計測する毎に、前記測定プログラムは、前記インターフェースコンピュータに、前記荷重センサが連続的に計測した前記荷重と押込み深さの変化に基づく残留応力を計算させることを特徴とする残留応力測定装置を用いて試験材料の残留応力データを測定する方法において、
前記圧子を残留応力試験の開始が可能な位置に移動させて前記試験材料に接近させる圧子接近ステップと、
前記圧子の試験条件である最大押込み深さ、反復回数、荷重除去率、移動速度を設定し、設定された最大押込み深さを前記反復回数で割ったものを前記圧子の１回の移動距離とし、この１回の移動距離が得られるような押込み荷重を、前記試験材料に加える荷重加えステップと、
前記１回の移動距離だけ前記圧子を垂直に移動させた後、設定された荷重除去率だけ前記圧子を上昇させる荷重除去ステップと、
前記荷重加えステップと前記荷重除去ステップの各ステップと同時に、前記圧子の１回の移動距離を得るために前記試験材料に加えられた押込み荷重に対する押込み深さを測定する測定ステップと、
次の段階の押込み荷重を前記試験材料に加えた後、設定された荷重除去率だけ前記圧子を上昇させて前記圧子の次の段階の押込み荷重に対する押込み深さを測定する、前記荷重加えステップと前記荷重除去ステップと前記測定ステップとを前記反復回数だけ順次行う連続測定ステップと、
前記最大押込み深さになるまで、前記試験材料に押込み荷重を前記反復回数だけ順次加え、この各ステップ毎に、前記圧子の１回の移動距離を得るために前記試験材料に加えられた押込み荷重に対する押込み深さを測定した後、前記圧子を前記試験材料から離す圧子除去ステップと、
前記試験材料の残留応力を計算する残留応力計算ステップとを含むことを特徴とする残留応力測定装置を用いた残留応力データ測定方法。 - 前記圧子接近ステップは、
前記圧子を下降させる圧子下降ステップと、
前記押込み荷重が前記荷重設計値以上であれば、前記圧子の移動を止めて前記圧子を距離設定値だけ上昇させ、前記押込み荷重が荷重設定値未満であれば、前記圧子下降ステップを引き続き行う判断ステップと、
を含むことを特徴とする請求項１記載の残留応力測定装置を用いた残留応力データ測定方法。 - 前記荷重設定値が０.０１〜２ｋｇｆであり、前記距離設定値は０.１〜３０μｍであることを特徴とする請求項２記載の残留応力測定装置を用いた残留応力データ測定方法。
- 前記残留応力計算ステップが、前記荷重除去ステップの前又は後に行われることを特徴とする請求項１記載の残留応力測定装置を用いた残留応力データ測定方法。
- 前記それぞれの連続測定ステップ毎に、前記圧子の移動速度、最大押込み深さ、押込み荷重、前記圧子の移動距離、前記反復回数及び前記荷重除去率の少なくとも一つを変化させることが可能なことを特徴とする請求項１記載の残留応力測定装置を用いた残留応力データ測定方法。
- 残留応力測定装置の本体と、前記本体内に設けられ、試験材料に加えるための荷重を発生させる荷重加え装置と、前記荷重加え装置によって前記試験材料に加えられる荷重の変化を連続的に計測する荷重センサと、前記荷重加え装置に連結され、前記荷重センサと共に同軸にて駆動する圧子ホルダーと、前記圧子ホルダーに一端が結合され、他端が前記試験材料に突き当たって前記荷重加え装置にて発生された荷重を前記試験材料に加える圧子と、前記圧子による押込みに従う押込み深さの変化を連続的に計測する変位センサと、前記荷重センサ及び前記変位センサからの測定値に基づいて残留応力を測定する測定プログラムを有するインターフェースコンピュータとを含み、前記圧子を試験材料に接近させて前記試験材料に荷重を加え、前記試験材料に加えられた荷重を除去し、前記荷重と押込み深さの変化を連続的に計測する毎に、前記測定プログラムが、前記インターフェースコンピュータに、前記荷重センサが連続的に計測した前記荷重と押込み深さの変化に基づく残留応力を計算させることを特徴とする残留応力測定装置を用いて試験材料の残留応力を測定する方法において、
前記圧子を下降させて前記圧子を押込み試験の開始が可能な位置に移動させるが、押込み荷重が荷重設定値以上であれば、前記圧子の移動を止めて前記圧子を距離設定値だけ上昇させ、前記押込み荷重が荷重設定値未満であれば、前記圧子を引き続き下降させる圧子接近ステップと、
前記圧子の試験条件である最大押込み深さ、反復回数、荷重除去率、移動速度を設定し、設定された最大押込み深さを前記反復回数で割ったものを前記圧子の１回の移動距離とし、この１回の移動距離が得られるような押込み荷重を、前記試験材料に加える荷重加えステップと、
前記１回の移動距離だけ前記圧子を垂直に移動させた後、設定された荷重除去率だけ前記圧子を上昇させる荷重除去ステップと、
前記荷重加えステップと前記荷重除去ステップの各ステップと同時に、前記圧子の１回の移動距離を得るために前記試験材料に加えられた押込み荷重に対する押込み深さを測定する測定ステップと、
次の段階の押込み荷重を前記試験材料に加えた後、設定された荷重除去率だけ前記圧子を上昇させて前記圧子の次の段階の押込み荷重に対する押込み深さを測定する、前記荷重加えステップと前記荷重除去ステップと前記測定ステップとを前記反復回数だけ順次行う連続測定ステップと、
所定の基準試片の測定式と測定した試験材料の測定式とを比較して前記試験材料の残留応力を測定するステップと、
前記最大押込み深さになるまで、前記試験材料に押込み荷重を前記反復回数だけ順次加え、この各ステップ毎に、前記圧子の１回の移動距離を得るために前記試験材料に加えられた押込み荷重に対する押込み深さを測定した後、前記圧子を前記試験材料から離す圧子除去ステップと、
を含むことを特徴とする残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法。 - 残留応力測定装置の本体と、前記本体内に設けられ、試験材料に加えるための押込み荷重を発生させる荷重加え装置と、前記荷重加え装置によって前記試験材料に加えられる荷重の変化を連続的に計測する荷重センサと、前記荷重加え装置に連結され、前記荷重センサと共に同軸にて駆動する圧子ホルダーと、前記圧子ホルダーに一端が結合され、他端が前記試験材料に突き当たって前記荷重加え装置にて発生された荷重を前記試験材料に加える圧子と、前記圧子による押込みに従う押込み深さの変化を連続的に計測する変位センサと、前記荷重センサ及び前記変位センサからの測定値に基づいて残留応力を測定する測定プログラムを有するインターフェースコンピュータとを含み、前記圧子を試験材料に接近させて前記試験材料に荷重を加え、前記試験材料に加えられた荷重を除去し、前記荷重と押込み深さの変化を連続的に計測する毎に、前記測定プログラムは、前記インターフェースコンピュータに、前記荷重センサが連続的に計測した前記荷重と押込み深さの変化に基づく残留応力を計算させることを特徴とする、試験材料の残留応力を測定する測定プログラムを記録した記録媒体であって、
前記インターフェースコンピュータに、
前記圧子を下降させて前記圧子を押込み試験の開始が可能な位置に移動させるが、押込み荷重が荷重設定値以上であれば、前記圧子の移動を止めて前記圧子を距離設定値だけ上昇させ、前記押込み荷重が荷重設定値未満であれば、前記圧子を引き続き下降させる圧子接近ステップと、
前記圧子の試験条件である最大押込み深さ、反復回数、荷重除去率、移動速度を設定し、設定された最大押込み深さを前記反復回数で割ったものを前記圧子の１回の移動距離とし、この１回の移動距離が得られるような押込み荷重を、前記試験材料に加える荷重加えステップと、
前記１回の移動距離だけ前記圧子を垂直に移動させた後、設定された荷重除去率だけ前記圧子を上昇させる荷重除去ステップと、
前記荷重加えステップと前記荷重除去ステップの各ステップと同時に、前記圧子の１回の移動距離を得るために前記試験材料に加えられた押込み荷重に対する押込み深さを測定する測定ステップと、
次の段階の押込み荷重を前記試験材料に加えた後、設定された荷重除去率だけ前記圧子を上昇させて前記圧子の次の段階の押込み荷重に対する押込み深さを測定する、前記荷重加えステップと前記荷重除去ステップと前記測定ステップとを前記反復回数だけ順次行う連続測定ステップと、
前記最大押込み深さになるまで、前記試験材料に押込み荷重を前記反復回数だけ順次加え、この各ステップ毎に、前記１回の移動距離を得るために前記試験材料に加えた押込み荷重に対する押込み深さを測定した後、前記圧子を前記試験材料から離す圧子除去ステップと、
所定の基準試片の測定式と測定した試験材料の測定式とを比較して、前記試験材料の残留応力を測定するステップと、
を実行させるためのコンピュータ読み取り可能な測定プログラムを記録した記録媒体。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2002-0018521A KR100416723B1 (ko) | 2002-04-04 | 2002-04-04 | 잔류응력 측정장치 및 이 장치를 이용한 잔류응력 데이터측정방법, 잔류응력 측정방법 및 이 측정방법을 기록한기록매체 |
| KR2002-018521 | 2002-04-04 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003315172A JP2003315172A (ja) | 2003-11-06 |
| JP3959484B2 true JP3959484B2 (ja) | 2007-08-15 |
Family
ID=29546273
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003100724A Expired - Lifetime JP3959484B2 (ja) | 2002-04-04 | 2003-04-03 | 残留応力測定装置を用いた残留応力データ測定方法並びに残留応力測定方法、及びこの残留応力測定プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6851300B2 (ja) |
| JP (1) | JP3959484B2 (ja) |
| KR (1) | KR100416723B1 (ja) |
Families Citing this family (25)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7265754B2 (en) * | 2003-11-12 | 2007-09-04 | Proto Manufacturing Ltd. | Method for displaying material characteristic information |
| ITTO20040535A1 (it) * | 2004-07-30 | 2004-10-30 | Univ Pisa | Dispositivo per la rivelazione di caratteristiche meccaniche di materiali, in particolare materiali metallici |
| KR100517857B1 (ko) * | 2004-12-16 | 2005-09-30 | (주)프론틱스 | 연속압입시험법을 이용한 잔류응력 측정방법 |
| US7159470B2 (en) * | 2005-05-20 | 2007-01-09 | The Boeing Company | Systems and methods of measuring residual stress in metallic materials |
| JP4320018B2 (ja) * | 2006-01-06 | 2009-08-26 | 株式会社レニアス | 微小硬度測定法及び微小硬度計 |
| US7600404B2 (en) * | 2006-04-07 | 2009-10-13 | Surface Technology Holdings, Ltd. | Surface treatment apparatus and method |
| US8214162B2 (en) * | 2007-02-06 | 2012-07-03 | Frontics, Inc. | Estimation of non-equibiaxial stress using instrumented indentation technique |
| US8281648B2 (en) * | 2007-12-20 | 2012-10-09 | Nanovea, Inc. | Material testing apparatus with non-contact sensor |
| KR100932454B1 (ko) | 2007-12-27 | 2009-12-17 | 한국생산기술연구원 | 잔류응력 측정장비 보정 장치 및 방법 |
| KR101008666B1 (ko) * | 2008-06-24 | 2011-01-17 | 한국전력공사 | 강관주 송전철탑 기초 모멘트 시험 장치 |
| KR100965226B1 (ko) | 2010-02-25 | 2010-06-22 | (주)프론틱스 | 연속압입시험법을 이용한 잔류응력 측정방법 |
| KR101166139B1 (ko) | 2011-09-01 | 2012-07-18 | 한국전력공사 | 연결기초 수평하중 재하시험장치 및 방법 |
| CN102706762B (zh) * | 2012-06-19 | 2015-07-08 | 江苏中正商品安全检测有限公司 | 一种运动场地铺地材料测试仪及其测试方法 |
| KR101471938B1 (ko) * | 2013-01-31 | 2014-12-11 | (주)프론틱스 | 계장화 압입 시험을 이용한 잔류응력 평가 방법 및 주응력 평가 방법 |
| JP5955301B2 (ja) * | 2013-11-14 | 2016-07-20 | 株式会社神戸製鋼所 | 残留応力算出方法 |
| CN104034449B (zh) * | 2014-06-03 | 2016-04-13 | 东南大学 | 薄膜材料残余应力测试结构及方法 |
| US9921128B2 (en) | 2015-03-27 | 2018-03-20 | Exponential Business And Technologies Company | Method and apparatus for residual stress measurement through indentation with in-situ generated reference |
| JP2017090071A (ja) * | 2015-11-04 | 2017-05-25 | 株式会社ミツトヨ | 硬さ試験機及び硬さ試験方法 |
| KR101707492B1 (ko) | 2016-07-27 | 2017-02-17 | (주)프론틱스 | 연속압입시험법을 이용한 파괴인성 측정방법 |
| CN106990007B (zh) * | 2017-06-07 | 2023-03-14 | 西安科技大学 | 材料残余应力与表面硬度关系测试方法及装置 |
| CN110261021B (zh) * | 2019-06-18 | 2024-04-12 | 浙江工业大学 | 一种适用于测量非等轴残余应力的旋转压头组件 |
| CN113094842B (zh) * | 2021-04-29 | 2022-07-22 | 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所 | 一种碟形薄壁构件的残余应力场建模方法 |
| TWI788873B (zh) * | 2021-06-08 | 2023-01-01 | 逢甲大學 | 多層薄膜界面應力與殘留應力之量測方法及裝置 |
| CN114518298B (zh) * | 2022-01-14 | 2023-09-29 | 东南大学 | 一种非等双轴残余应力的压入标定方法 |
| CN116020983B (zh) * | 2022-12-08 | 2023-08-18 | 中国原子能科学研究院 | 用于中子残余应力谱仪的凝固特征模拟装置 |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60114742A (ja) * | 1983-11-28 | 1985-06-21 | Akira Nishihara | 硬さ試験機 |
| JPS63131049A (ja) * | 1986-11-21 | 1988-06-03 | Nippon Steel Corp | 金属のオンライン硬度測定方法及びその測定装置 |
| JPH0640066B2 (ja) * | 1987-07-27 | 1994-05-25 | 日本電気株式会社 | 密着力測定装置 |
| JP3021834B2 (ja) * | 1991-09-20 | 2000-03-15 | 株式会社日立製作所 | 残留応力測定方法及び装置 |
| US5616857A (en) * | 1996-01-25 | 1997-04-01 | Instron Corporation | Penetration hardness tester |
| US6134954A (en) * | 1996-04-15 | 2000-10-24 | Massachusetts Institute Of Technology | Depth sensing indentation and methodology for mechanical property measurements |
| JP2000146716A (ja) * | 1998-11-10 | 2000-05-26 | Hitachi Ltd | 残留応力測定方法及び装置 |
| US6247356B1 (en) * | 1999-03-30 | 2001-06-19 | Instron Corporation | Hardness tester |
| JP3702203B2 (ja) * | 2001-01-12 | 2005-10-05 | ドンイル，クォン | 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 |
| KR100418700B1 (ko) * | 2001-07-23 | 2004-02-11 | 이형일 | 유한요소해에 기초한 물성평가 구형 압입시험기 |
-
2002
- 2002-04-04 KR KR10-2002-0018521A patent/KR100416723B1/ko not_active IP Right Cessation
-
2003
- 2003-04-01 US US10/404,816 patent/US6851300B2/en not_active Expired - Lifetime
- 2003-04-03 JP JP2003100724A patent/JP3959484B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US6851300B2 (en) | 2005-02-08 |
| JP2003315172A (ja) | 2003-11-06 |
| US20030217591A1 (en) | 2003-11-27 |
| KR20030079471A (ko) | 2003-10-10 |
| KR100416723B1 (ko) | 2004-01-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3959484B2 (ja) | 残留応力測定装置を用いた残留応力データ測定方法並びに残留応力測定方法、及びこの残留応力測定プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体 | |
| Pippan et al. | Fatigue crack closure: a review of the physical phenomena | |
| US20040020276A1 (en) | Apparatus for indentation test and method for measuring mechanical properties using it | |
| Karthik et al. | Finite element analysis of spherical indentation to study pile-up/sink-in phenomena in steels and experimental validation | |
| US6778916B2 (en) | Ball indenter utilizing FEA solutions for property evaluation | |
| KR101117661B1 (ko) | 마이콤이 내장된 계장화 압입시험기 및 이를 이용한 잔류응력 측정방법 | |
| Raynaud et al. | Crack growth in the through-thickness direction of hydrided thin-wall Zircaloy sheet | |
| Merle et al. | Extending the range of constant strain rate nanoindentation testing | |
| WO1997039333A2 (en) | Depth sensing indentation and methodology for mechanical property measurements | |
| EP2952866B1 (en) | Method for evaluating residual stress by using instrumented indentation test technique | |
| Antunes et al. | Finite element meshes for optimal modelling of plasticity induced crack closure | |
| CN111458243B (zh) | 利用压痕仪测定金属力学性能的实验方法 | |
| WO2020199235A1 (zh) | 一种利用压痕法计算断裂韧性的方法 | |
| EP1771717B1 (en) | Method and apparatus for determining mechanical features of a material with comparison to reference database | |
| US20170122856A1 (en) | Hardness testing apparatus and hardness testing method | |
| Midawi et al. | Elastic-plastic property evaluation using a nearly flat instrumented indenter | |
| Borrego et al. | Partial crack closure under block loading | |
| JP5760244B2 (ja) | 低サイクル疲労き裂進展評価方法 | |
| Slota et al. | Experimental FLC determination of high strength steel sheet metal | |
| Wang et al. | Predicting fatigue crack growth life for cold-worked holes based on existing closed-form residual stress models | |
| Bai et al. | The effect of compression loading on fatigue crack propagation after a single tensile overload at negative stress ratios | |
| CN105873520B (zh) | 检测床防撞系统及防撞方法 | |
| RU2451282C1 (ru) | Способ определения механических характеристик материалов | |
| JP2003083857A (ja) | クリープ試験機 | |
| Dunne et al. | Automated procedures for the determination of high temperature viscoplastic damage constitutive equations |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050127 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050222 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050519 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050719 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20051018 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20051213 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060412 |
|
| A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20060616 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20061031 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20061113 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20070109 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070222 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070423 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 3959484 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100525 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110525 Year of fee payment: 4 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120525 Year of fee payment: 5 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130525 Year of fee payment: 6 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140525 Year of fee payment: 7 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |