JP4215914B2 - 結合力測定方法及び装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は結合力測定方法及び装置に関し、例えば、溶接部、溶射コーティング部、セラミックスと金属との結合部などの異材結合面の結合力を定量的に測定する場合に適用して有用なものである。また、溶接部の熱影響部や傾斜機能材料などの結合力測定にも有用である。
【0002】
【従来の技術】
従来は、図7に示すように、3点曲げ試験により、コーティング材又はセラミック102の曲げ引張強度を測定し、これを母材101とコーティング材又はセラミック102の結合力としていた。或いは、母材101とコーティング材又はセラミック102とを、両側から引っ張ることなどによって、両者の結合力を測定していた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、真に必要な値は母材101とコーティング材又はセラミック102との結合力(剥離応力)であり、かかる結合力は上記従来の方法では決して正確に測ることはできなかった。
【0004】
従って本発明は上記の問題点に鑑み、溶接部や溶射コーティング部等の異材結合面など、第1材料と第2材料の結合面の結合力(剥離応力)を直接的に精度よく測定することができる結合力測定方法及び装置を提供することを課題とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の結合力測定方法は、第1材料と第2材料とを結合してなる標的板に対し、標的板結合面の結合力を測定する方法であって、
飛翔板と第1材料と第2材料を同じ板厚とし、飛翔板と標的板の衝突面でそれぞれ発生する圧縮応力波が、飛翔板と標的板の自由面でそれぞれ反射して引張波となり標的板結合面で衝突するように、飛翔板と標的板とを形成するとともに、
飛翔板を高速で飛翔させて標的板に衝突させることにより、このときの標的板結合面で衝突する引張波によって標的板結合面に界面剥離を発生させること、
飛翔板を標的板に衝突させたときの標的板裏面速度を連続的に計測し、この計測した標的板裏面速度から粒子速度差を求め、この粒子速度差に基づいて標的板結合面の結合力を演算することを特徴とする。
【0006】
また、本発明の結合力測定装置は、第1材料と第2材料とを結合してなる標的板に対し、標的板結合面の結合力を測定する装置であって、
飛翔板と第1材料と第2材料を同じ板厚とし、飛翔板と標的板の衝突面でそれぞれ発生する圧縮応力波が、飛翔板と標的板の自由面でそれぞれ反射して引張波となり標的板結合面で衝突するように形成した飛翔板及び標的板と、
飛翔板を高速で飛翔させて標的板に衝突させることにより、このときの標的板結合面で衝突する引張波によって標的板結合面に界面剥離を発生させる飛翔手段と、
飛翔板を標的板に衝突させたときの標的板裏面速度を連続的に計測し、この計測した標的板裏面速度から粒子速度差を求め、この粒子速度差に基づいて標的板結合面の結合力を演算する計測演算手段とを備えたことを特徴とする。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【0008】
図1は本発明の実施の形態に係る結合力測定装置の構成図、図2は前記結合力測定装置に用いられる飛翔板と標的板の斜視図、図3は前記結合力測定装置の作用・効果を示す説明図である。
【0009】
図1に示すように、図中左側には、飛翔手段としてガス銃又は火薬銃5が配置されており、この銃5によって、飛翔板1を、図示しない固定部に固定された供試板である標的板2に向けて高速(例えば毎秒数百メートルの速度)で発射することにより、飛翔板1の裏面1bと標的板2の表面2aとを衝突させるようになっている。
【0010】
図2に示すように、標的板2は母材3に溶射コーティングなどによってコーティング材4を結合してなる円盤状のものである。飛翔板1は標的板2の母材3と同一又はほぼ同一の材料からなる円盤状のものである。そして、飛翔板1と標的板2は、詳細は後述するが、飛翔板1と標的板2の衝突面でそれぞれ発生する圧縮応力波が、標的板1と飛翔板2の自由面でそれぞれ反射して引張波となり標的板結合面(界面)2cで衝突するように形成されている。
【0011】
また、図1に示すように、標的板2の図中右側には、飛翔板1を標的板2に衝突させたときの標的板裏面2bの速度(粒子速度)を連続的に計測して標的板結合面2cの結合力を演算するための計測演算手段として、レーザ速度干渉計(VISAR)6が配置されている。このレーザ速度干渉計6は公知のものであり、その原理は図示の通りである。
【0012】
即ち、レーザ源14から発振したレーザ光16を、集光レンズ8で集光し反射鏡7で反射して標的板裏面2bに照射する。標的板裏面2bで反射したレーザ光16は、反射鏡7で反射され集光レンズ9で集光されて透光板10に入射する。透光板10は半透過ミラーであり、この透光板10ではレーザ光16の一部16aは透過して直接透光板17に入射する一方、レーザ光16の他の一部16bは反射されプリズム12を介して透光板11に入射する。そして、透光板11ではレーザ光の一部16aと他の一部16bとが干渉し、この干渉光16cが光電変換器13によって検出(光電変換)される。
【0013】
光電変換器13で検出された干渉光16cの光強度をあらわすデータは演算装置15に送られる。演算装置15では、光電変換器13から干渉光16cの光強度データを入力し、その干渉紋の数から標的板裏面2bの粒子速度を求める。そして、演算装置15では、この標的板裏面速度から粒子速度差ΔUを求め(詳細後述)、この粒子速度差ΔUに基づいて次式により標的板結合面2cの結合力σS を演算する。
【0014】
σS =1/2(ρcΔU) ・・・(1)
【0015】
ここで、ρはコーティング材2の密度(コーティング材以外の材料である場合には当該材料の密度)であり、cはコーティング材2におけるスポール希薄波の伝播速度(コーティング材以外の材料である場合には当該材料におけるスポール希薄波の伝播速度)である。これらのρ,cの値は材料によって決まる値であり、予め演算装置15に入力されている。
【0016】
上記の結合力測定装置を用いた結合力測定の手順は、次の(1)〜(4)の通りである。
【0017】
(1)飛翔板1と標的板2とを製作する。飛翔板1は、標的板2の母材3と同一又はほぼ同一の材料を用いて、直径10φ程度、板厚2mm〜4mmに形成する。このとき、飛翔板1を、その平面度と平行度とに注意して製作する。飛翔板1の板厚は最低でも1mm以上必要であり、且つ、5mm以下であることが望ましい。標的板の界面に剥離を発生させるためには、ある程度の作用時間が必要である。いま、金属の音速を5km/sとすると、1mmの板厚での作用時間Δtは次の(2)式のようになるが、この程度の作用時間Δtが必要である。
【0018】
Δt=(2 ×1mm)/(5km/s) =(2mm) /(5×106mm/s)=0.4 ×10-6s (2)
【0019】
標的板2は、直径10φ程度、板厚4mm〜8mmに形成する。このとき標的板2を、その平面度と平行度とに注意して製作する。また、このとき標的板2の母材3とコーティング材4との境界はあいまいであるので注意する必要がある。そして、標的板2の板厚は飛翔板1の板厚の2倍とし、且つ、標的板2の母材3とコーティング材4は同じ板厚とする。即ち、母材3とコーティング材4と飛翔板1は同じ板厚とする。
【0020】
(2)標的板2を所定の衝突位置に固定する。
(3)銃5により、サボ付きの飛翔板1を、標的板2と平行に高速で発射して標的板2の母材3に平行に衝突させる、即ち、飛翔板裏面1bと標的板表面(母材側の面)2aとを衝突させることにより、標的板結合面2cに界面剥離を発生させる。なお、サボ(sabot)とは、図示は省略するが、砲と弾(飛翔板)との隙間を埋めるために弾(飛翔板)に取り付けるものである。
【0021】
(4)レーザ速度干渉計6により、飛翔板1を標的板2に衝突させたときの標的板裏面速度を連続的に計測し、この計測した標的板裏面速度から粒子速度差ΔUを求め、この粒子速度差ΔUに基づいて上記(1)式により標的板結合面2cの結合力σS を演算して求める。
【0022】
ここで、図3に基づいてことのきの状況を説明する。図3中の左側にx−t線図(横軸x:飛翔板及び標的板の板厚方向の座標、縦軸t:時間)を示すように、飛翔板1が標的板2に衝突したとき、飛翔板1と標的板2の衝突面には、それぞれ応力波21a,22bが発生する。この応力波21a,22aは圧縮波である。飛翔板側の圧縮波21aは、自由面である飛翔板裏面1aで反射して引張波21bになる。標的板側の圧縮波22aも、自由面である標的板裏面2bで反射して引張波22bとなる。
【0023】
これらの引張波21b,22bは、標的板2の板厚が飛翔板1の板厚の2倍であり、且つ、標的板2の母材3とコーティング材4は同じ板厚であるため、標的板2の板厚方向中央に位置する標的板結合面(異材結合面)2cで衝突する。その結果、引張波21b,22bによって、標的板結合面2cに界面剥離(クラック)20が発生する。この界面剥離20の発生現象は、界面剥離20の影響によって生起する標的板裏面速度の変化(粒子速度差)として現れる。
【0024】
即ち、飛翔板1を標的板2に衝突させたときの標的板裏面速度(粒子速度)は、図3中の右側に示す粒子速度線図(横軸u:標的板裏面速度(粒子速度)、縦軸x:時間)のようになる。この粒子速度線図は、図3中の左側のx−t線図と対応させて概念的に示したものである。
【0025】
同図に示すように、標的板結合面2cに生じた界面剥離20の影響によって、標的板裏面速度uの当該部分には粒子速度差ΔUが生じる。従って、レーザ速度干渉計6により、飛翔板1を標的板2に衝突させたときの標的板裏面速度uを連続的に計測すれば、この計測した標的板裏面速度uから粒子速度差ΔUを求めることができ、この粒子速度差ΔUに基づいて標的板結合面2cの結合力σS を演算することができるのである。
【0026】
なお、図3の粒子速度線図における各点A,B,C,D,E,Fについて詳述すると、点Aは微小応力の大きさの弾性波が標的板裏面2bに到達した時間であり、点Bは弾性限の大きさの弾性波が標的板裏面2bに到達した時間である。点Cは最大応力の塑性波が標的板裏面2bに到達した時間をあらわし、点Dは飛翔板表面1aからの希薄波が標的板裏面2bに到達した時間をあらわす。そして、点Eは標的板結合面2に生じたスポール破壊である界面剥離20のために、飛翔板表面1aからの希薄波が標的板裏面2bに到達しなくなり始める時間をあらわし、点Fは標的板結合面2cの界面剥離20からの希薄波が標的板裏面2bに到達し始める時間をあらわす。このときに粒子速度差ΔUが生ずる。
【0027】
また、上記では標的板2の板厚を飛翔板1の板厚の2倍にし、且つ、標的板2の母材3とコーティング材4の板厚を同じにすることによって、引張波21b,22bが標的板結合面2cで衝突するようにしているが、参考例としては、母材3の板厚を適宜変更しても、引張波21b,22bを標的板結合面2cで衝突させることができる。
【0028】
例えば、参考例の図4(a)には、飛翔板1とコーティング材4の板厚は同じにし、母材3の板厚は飛翔板1やコーティング材4の板厚よりも厚く(1.5倍)にした場合のx−t線図を示し、参考例の図4(b)には、飛翔板1とコーティング材4の板厚は同じにし、母材3の板厚は飛翔板1やコーティング材4の板厚よりも薄く(2/3倍)にした場合のx−t線図を示すが、このような場合にも、引張波21b,22bは標的板結合面2cで衝突する。つまり、両側の飛翔板1とコーティング材4の板厚を同じにすれば、中央の母材3の板厚は適宜変更しても、引張波21b,22bを標的板結合面2cで衝突させることができる。
【0029】
更に、図3、図4では飛翔板1と母材3とコーティング材4の応力波伝播速度が同じ場合について示しているが、参考例としては、これらの応力波伝播速度が異なる場合にも、それぞれの板厚を適宜設定することによって、引張波21b,22bを標的板結合面2cで衝突させることができる。
【0030】
例えば、参考例の図5(a)には、飛翔板1と母材3の応力波伝播速度は同じであるが、コーティング材4の応力波伝播速度は飛翔板1や母材3の応力波伝播速度よりも速い(2倍)場合のx−t線図を示す。この場合には、図示のように飛翔板1の板厚をコーティング材4の板厚の1/2倍にすることによって、引張波21b,22bを標的板結合面2cで衝突させることができる。なお、図示例では母材3とコーティング材4の板厚を同じにしているが、両者の板厚は異なっていてもよい。また、参考例の図5(b)には、飛翔板1と母材3の応力波伝播速度は同じであるが、コーティング材4の応力波伝播速度は飛翔板1や母材3の応力波伝播速度よりも遅い(1/2倍)場合のx−t線図を示す。この場合には、図示のように飛翔板1の板厚をコーティング材4の板厚の2倍にすることによって、引張波21b,22bを標的板結合面2cで衝突させることができる。なお、図示例では飛翔板1と母材3の板厚を同じにしているが、両者の板厚は異なっていてもよい。
【0031】
以上のように、本実施の形態によれば、飛翔板1と母材3とコーティング材4を同じ板厚とし、飛翔板1と標的板2の衝突面でそれぞれ発生する圧縮応力波21a,22aが、飛翔板1と標的板2の自由面でそれぞれ反射して引張波21b,22bとなり標的板結合面2cで衝突するように、飛翔板1と標的板2とを形成するとともに、銃5で飛翔板1を高速で飛翔させて標的板2に衝突させることにより、このときの標的板結合面2cで衝突する引張波21b,22bによって標的板結合面2cに界面剥離20を発生させるようにし、レーザ速度干渉計6により、飛翔板1を標的板2に衝突させたときの標的板裏面速度uを連続的に計測して、この計測した標的板裏面速度uから粒子速度差Uを求め、この粒子速度差Uに基づいて標的板結合面2cの結合力σSを演算するようにしたため、標的板結合面2cの結合力σSを直接的に精度よく測定することができる。また、この測定結果に基づいて、母材3とコーティング材4とが十分な結合力を有しているか否か等の評価を行うこともできる。
【0032】
なお、図6には本発明の結合力測定方法を用いて、弁座当り面の材料などに用いられるステライトと、弁座の材料などに用いられるSUSF316Lとの結合面の結合力の導出に成功したときの粒子速度線図(標的板裏面速度波形)を示す。同図に示すように標的板裏面速度uから粒子速度差ΔUを求めることができ、この粒子速度差ΔUに基づいて上記(1)式よりステライトとSUSF316Lとの異材接合面の結合力σS を求めることができた。
【0033】
【発明の効果】
以上、発明の実施の形態と共に具体的に説明したように、本発明の結合力測定方法は、第1材料と第2材料とを結合してなる標的板に対し、標的板結合面の結合力を測定する方法であって、飛翔板と第1材料と第2材料を同じ板厚とし、飛翔板と標的板の衝突面でそれぞれ発生する圧縮応力波が、飛翔板と標的板の自由面でそれぞれ反射して引張波となり標的板結合面で衝突するように、飛翔板と標的板とを形成するとともに、飛翔板を高速で飛翔させて標的板に衝突させることにより、このときの標的板結合面で衝突する引張波によって標的板結合面に界面剥離を発生させること、飛翔板を標的板に衝突させたときの標的板裏面速度を連続的に計測し、この計測した標的板裏面速度から粒子速度差を求め、この粒子速度差に基づいて標的板結合面の結合力を演算することを特徴とする。
【0034】
また、本発明の結合力測定装置は、第1材料と第2材料とを結合してなる標的板に対し、標的板結合面の結合力を測定する装置であって、飛翔板と第1材料と第2材料を同じ板厚とし、飛翔板と標的板の衝突面でそれぞれ発生する圧縮応力波が、飛翔板と標的板の自由面でそれぞれ反射して引張波となり標的板結合面で衝突するように形成した飛翔板及び標的板と、飛翔板を高速で飛翔させて標的板に衝突させることにより、このときの標的板結合面で衝突する引張波によって標的板結合面に界面剥離を発生させる飛翔手段と、飛翔板を標的板に衝突させたときの標的板裏面速度を連続的に計測し、この計測した標的板裏面速度から粒子速度差を求め、この粒子速度差に基づいて標的板結合面の結合力を演算する計測演算手段とを備えたことを特徴とする。
【0035】
このため、本発明の結合力測定方法及び装置によれば、標的板結合面の結合力(第1材料と第2材料の結合力)を直接的に精度よく測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る結合力測定装置の構成図である。
【図2】前記結合力測定装置に用いられる飛翔板と標的板の斜視図である。
【図3】前記結合力測定装置の作用・効果を示す説明図(x−t線図及び粒子速度線図)である。
【図4】標的板の母材の板厚が異なる場合のx−t線図である。
【図5】標的板のコーティング材の応力波伝播速度が異なる場合のx−t線図である。
【図6】本発明の結合力測定方法を用いてステライトとSUSF316Lの結合力を求めたときの粒子速度線図である。
【図7】従来の3点曲げ試験法を示す説明図である。
【符号の説明】
1 飛翔板
1a 飛翔板表面
1b 飛翔板裏面
2 標的板
2a 標的板表面
2b 標的板裏面
2c 標的板結合面
3 母材
4 コーティング材
5 ガス銃又は火薬銃
6 レーザ速度干渉計
7 反射鏡
8,9 集光レンズ
10,11 透光板
12 プリズム
13 光電変換器
14 レーザ源
15 演算装置
21a,22a 圧縮波
21b,22b 引張波
Claims (2)
- 第1材料と第2材料とを結合してなる標的板に対し、標的板結合面の結合力を測定する方法であって、
飛翔板と第1材料と第2材料を同じ板厚とし、飛翔板と標的板の衝突面でそれぞれ発生する圧縮応力波が、飛翔板と標的板の自由面でそれぞれ反射して引張波となり標的板結合面で衝突するように、飛翔板と標的板とを形成するとともに、
飛翔板を高速で飛翔させて標的板に衝突させることにより、このときの標的板結合面で衝突する引張波によって標的板結合面に界面剥離を発生させること、
飛翔板を標的板に衝突させたときの標的板裏面速度を連続的に計測し、この計測した標的板裏面速度から粒子速度差を求め、この粒子速度差に基づいて標的板結合面の結合力を演算することを特徴とする結合力測定方法。 - 第1材料と第2材料とを結合してなる標的板に対し、標的板結合面の結合力を測定する装置であって、
飛翔板と第1材料と第2材料を同じ板厚とし、飛翔板と標的板の衝突面でそれぞれ発生する圧縮応力波が、飛翔板と標的板の自由面でそれぞれ反射して引張波となり標的板結合面で衝突するように形成した飛翔板及び標的板と、
飛翔板を高速で飛翔させて標的板に衝突させることにより、このときの標的板結合面で衝突する引張波によって標的板結合面に界面剥離を発生させる飛翔手段と、
飛翔板を標的板に衝突させたときの標的板裏面速度を連続的に計測し、この計測した標的板裏面速度から粒子速度差を求め、この粒子速度差に基づいて標的板結合面の結合力を演算する計測演算手段とを備えたことを特徴とする結合力測定装置。
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