JP4733158B2 - 弾性係数測定法 - Google Patents

Description

本発明は、試料の弾性係数を測定する弾性係数測定法に関する。

従来の弾性係数測定法は、試料の弾性係数を試料の引張試験によって求めるのを普通としている。
ＪＩＳ規格B7721、Z2201、Z2241

試料の弾性係数を試料の引張試験によって求める従来の弾性係数測定法の場合、試料として、引張試験専用のものを用意する必要があり、その試料を少ない工数と短い時間とで簡便に作成することができるとは言えないとともに、試料の引張試験を短い時間で簡便に行うことができるとは言えないことから、試料の弾性係数を短い時間で簡便に求めることができるとは言えないという欠点を有していた。

よって、本発明は、上述した欠点のない新規な弾性係数測定法を提案せんとするものである。

本発明による弾性係数測定法は、試料に、平面でなる先端面を有する柱形圧子でなる圧子を、上記試料が弾性変形し次で弾塑性変形するように、基準荷重から試験荷重まで増加する荷重をかけて押し込み、続いて、上記試料に、上記圧子を、上記試験荷重から上記基準荷重まで減少する荷重をかけて押し込まないようにすることで、上記試料に圧痕を付し、その際における、上記圧子にかける荷重でなる圧子荷重とその圧子荷重における上記圧痕の深さとからなる圧子荷重・圧痕深さデータを取得し、その圧子荷重・圧痕深さデータから、それを用いて描くことができる、上記圧子荷重が時間とともに増加するのに応じて上記圧痕の深さが増加する第１の特性線部を呈し、次で上記圧子荷重が時間とともに減少するのに応じて上記圧痕の深さがまず上記試験荷重からわずかに減少した荷重までの間で非線形性を呈して減少してからまたはそのような非線形性を呈して減少せずに直線性を呈して減少し次で非線形性を呈して減少する第２の特性線部を呈する圧子荷重−圧痕深さ特性線の、上記第２の特性線部の上記直線性を呈する部の実質的な両端を通る直線の勾配を、スロープＳとして演算により求めるとともに、上記第１の特性線部上の上記圧子荷重が上記試験荷重をとる点での上記圧痕の深さを、最大圧痕深さλ_ｍとして演算により求め、
上記スロープＳと上記圧痕深さλ_ｍとを用いて、
Ｅ＝ａ×Ｓ／λ_ｍ＋ｂ（ただし、a＝440〜600、ｂ＝0〜8）
で表されるＥを、目的とする試料の弾性係数として演算により求める。

本発明による弾性係数測定法によれば、試料に係る圧子荷重・圧痕深さデータを、それ自体公知の、ただし平面でなる先端面を有する柱形圧子を用いた、ロックウェル硬さ試験機を用いて、短時間に容易に取得することができるとともに、その圧子荷重・圧痕深さデータからスロープＳ及び最大圧痕深さλ_ｍを求めること、及びそれらスロープＳ及び最大圧痕深さλ_ｍから目的とする試料の弾性係数Ｅを求めることが、データ処理装置を用いて、短時間に容易に行うことができるので、試料の弾性係数を短時間に容易に得ることができる。

本発明による弾性係数測定法を実施するための最良の形態においては、それ自体公知の、ただし平面でなる先端面を有する柱形圧子でなる圧子を用いた、ロックウェル硬さ試験機を用いて、試料に圧子を試料が弾性変形し次で弾塑性変形するように基準荷重から試験荷重まで増加する荷重をかけて押し込み、続いて、試料に圧子を試験荷重から基準荷重まで減少する荷重をかけて押し込まないようにすることで、試料に圧痕を付し、その際における圧子にかける荷重でなる圧子荷重とその圧子荷重における圧痕の深さとからなる圧子荷重・圧痕深さデータを取得し、その圧子荷重・圧痕深さデータから、演算により、目的とする試料の弾性係数を求める。

本発明による弾性係数測定法の実施例においては、それ自体公知のロックウェル硬さ試験機を用いる。そのロックウェル硬さ試験機としては、図１において略線的にＵで示すように、上下方向に延長している支持用筐体１ａと、その下部から横方向に延長している下部筐体１ｂと、支持用筐体１ａの上部から横方向に下部筐体１ｂと対向して延長している上部筐体１ｃと、下部筐体１ｂ内から下部筐体１ｂ外上方に延長している昇降軸２と、その昇降軸２の遊端に取りつけられ且つ水平面上に延長している試料載置面３ａを有する試料載置台３と、上部筐体１ｃ内から上部筐体１ｃ外に下方に上下可動自在に延長している圧子４と、その圧子４を試料載置台３の試料載置面３ａ上に載置された試料５に押し込み続いて元に復帰させることができるようになされた圧子押し込み・復帰手段６と、その圧子押し込み・復帰手段６によって圧子４を試料５に押し込み続いて元に復帰させる際に圧子にかける荷重を圧子荷重Ｐとして測定する圧子荷重測定手段７と、圧子押し込み・復帰手段６によって圧子４を試料５に押し込み続いて元に復帰させる際に試料５に圧子４によって付された圧痕の深さを圧痕深さλとして測定する圧痕深さ測定手段８とを有する。

本発明による弾性係数測定法の実施例においては、上述したそれ自体公知のロックウェル硬さ試験機Ｕを用い、試料５に、圧子４を、試料５が弾性変形し次で弾塑性変形するように基準荷重から試験荷重まで増加する荷重をかけて押し込み、次で、試料５に、圧子４を、試験荷重から基準荷重まで減少する荷重をかけて押し込まないようにして、試料５に圧痕を付し、そして、その際、圧子荷重測定手段７から、圧子４にかける荷重でなる圧子荷重Ｐを取得するとともに、圧痕深さ測定手段８から、圧子４を試料５に押し込んだ際の試料５に圧子４によって付された圧子荷重Ｐにおける圧痕深さλを取得することによって、圧子荷重Ｐと圧痕深さλとからなる圧子荷重・圧痕深さデータＤを取得する。

ただし、この場合、圧子４として、三角錐形圧子とか円錐形圧子とかの圧子とは異なる、先端面４ａが平面でなる柱形圧子を用い、また、試料５として、平らな底面５ａとそれと平行な平らな上面５ｂとを有すればよいだけの例えば円柱形の試料を用い、そして、柱形圧子でなる圧子４を、圧子押し込み・復帰手段６によって、試料５に、柱形圧子でなる圧子４の平面でなる先端面３ａを試料５の平らな上面５ｂと平行である関係を保たせながら、荷重を時間とともに増加するようにかけて押し込み次で荷重を時間とともに減少するようにかけて押し込まないようにすることで、試料５に柱形圧子でなる圧子４の圧痕を付すようにする。

また、この場合、試料５は、焼鈍によって予め加工履歴が除去され且つ均質化が施されているのが、目的とする試料５の弾性係数をより高い精度で求めることができる意味で、望ましい。

ここで、上述したようにして、それ自体公知のロックウェル硬さ試験機を用いて取得した、圧子荷重Ｐと圧痕深さλとからなる圧子荷重・圧痕深さデータＤについて述べるに、その圧子荷重・圧痕深さデータＤについては、それを用いて、縦軸を圧子荷重Ｐ、横軸を圧痕深さλとする圧子荷重Ｐ−圧痕深さλ特性線を描くことができることは明らかであるが、ここで注意すべきは、圧子荷重・圧痕深さデータＤを、試料５に、三角錐形圧子とか円錐形圧子とかの圧子とは異なる、平面でなる先端面４ａを有する柱形圧子でなる圧子４を上述したようにして押し込み次で押し込まないようにすることで取得していることから、その際、試料５が、押し込み荷重Ｐを時間とともに増加するのに応じて、まず弾性変形し、まず弾性変形し、次で弾塑性変形するという理由で、圧子荷重Ｐ−圧痕深さλ特性線が、図２において、Ｍで示すように、圧子荷重Ｐが基準荷重から試験荷重まで時間とともに増加するのに応じて圧痕深さλがまず直線性を呈して増加し次で非線形性を呈して増加する第１の特性線部Mａを呈し、次で圧子荷重Ｐが試験荷重から基準荷重まで時間とともに減少するに応じて圧痕深さλがまず試験荷重からわずかに減少した荷重までの間で非線形性を呈して減少してからまたはそのような非線形性を呈して減少せずに直線性を呈して減少し次で非線形性を呈して減少する第２の特性線部Mｂを呈して得られ、このため、いま述べた圧子荷重Ｐ−圧痕深さλ特性線Ｍの第２の特性線部Mｂの直線性を呈する部の実質的な両端を通る直線を直線Ｌとし、その直線Ｌの勾配をスロープＳとし、また、圧子荷重Ｐ−圧痕深さλ特性線Ｍの第１の特性線部Mａ上の圧子荷重Ｐが試験荷重をとる点での圧痕深さλを最大圧痕深さλ_ｍとし、さらに、試料５の弾性係数をＥとするとき、スロープＳ及び最大圧痕深さλ_ｍを用いたＳ／λ_ｍと弾性係数Ｅとの間に、後記するところから明らかなように、一義的な相関を有していることであり、以上のことは、本発明者等によって、種々の実験の結果、はじめて確認されたものである。

以上のことから、本発明による弾性係数測定法の実施例においては、それ自体公知のロックウェル硬さ試験機Ｕを用いて上述したようにして取得した圧子荷重Ｐと圧痕深さλとからなる圧子荷重・圧痕深さデータＤを、データ処理装置９に出力し、そのデータ処理装置９において、その圧子荷重・圧痕深さデータＤから、図２を伴って上述したように描くことができる圧子荷重Ｐ−圧痕深さλ特性線Ｍの、第２の特性線部Ｍｂの直線性を呈する部の実質的な両端を通る直線Ｌの勾配を、スロープＳとして、演算として求めるとともに、第１の特性線部Ｍａ上の圧子荷重Ｐが試験荷重をとる点での圧痕深さを、最大圧痕深さλ_ｍとして、演算により求める。

なお、データ処理装置９については、上述したスロープＳ及び最大圧痕深さλ_ｍを求めることができる構成を有すればよく、そして、データ処理装置９をそのような構成を有するものとすることについては、当業者にとって容易であることは明らかであるので、データ処理装置９の構成について、これ以上の詳細説明は省略する。

ここで、上述したようにして、データ処理装置９において求めたスロープＳ及び最大圧痕深さλ_ｍを用いたＳ／λ_ｍにおいて、そのＳが圧子荷重Ｐ−圧痕深さλ特性線Ｍの第２の特性線部Ｍｂの直線性を呈する部の実質的な両端を通る直線Ｌの勾配であり、λ_ｍが第１の特性線部Ｍａ上の圧子荷重Ｐが試験荷重をとる点での圧痕深さであることから、Ｓ／λ_ｍと試料５の弾性係数Ｅとの間に、一義的な相関を有するが、ここで、注意すべきは、その一義的な相関は、データ処理装置９において求めたＳ／λ_ｍを変数とし、ａを440〜600の値を有する係数とし、ｂを0〜8の値を有する係数とするとき、試料５の弾性係数が、
Ｅ＝a×Ｓ／λ_ｍ＋b ………（１）
で表される一次関数でなる係数Ｅで表すことができる、ということであり、そして、そのことは、本発明者等によって、種々の実験の結果、はじめて確認されたものである。

以上のことから、本発明による弾性係数測定法の実施例においては、データ処理装置９において、上述したようにして求めた圧子荷重Ｐ−圧痕深さλ特性線Ｍの第２の特性線部Ｍｂの直線性を呈する部の実質的な両端を通る直線Ｌの勾配でなるスロープＳと圧子荷重Ｐ−圧痕深さλ特性線Ｍの第１の特性線部Ｍａ上の圧子荷重Ｐが試験荷重をとる点での圧痕深さでなる最大圧痕深さλ_ｍとを用いて、
σ_ｙ＝a×Ｓ／λ_ｍ＋b （ただし、ａ＝440〜600、ｂ＝0〜8） ………（２）
で表される係数Ｅを、目的とする試料５の弾性係数として、演算により求める。

なお、データ処理装置９については、（２）式の演算処理も行うことができる構成を有すればよいことは明らかであるが、データ処理装置９をそのような構成を有するものとすることについても、当業者にとって容易であることは明らかであるので、データ処理装置９の構成について、これ以上の詳細説明は省略する。

上述したところから明らかなように、本発明による弾性係数測定法の実施例によれば、試料５に係る圧子荷重・圧痕深さデータを、それ自体公知の、ただし平面でなる先端面を有する柱形圧子を用いたロックウェル硬さ試験機を用いて、短時間で容易に取得することができるとともに、その圧子荷重・圧痕深さデータからスロープＳ及び最大圧痕深さλ_ｍを求めること及びそれらによるＳ／λ_ｍから目的とする試料の弾性係数Ｅを求めることが、データ処理装置９を用いて、短時間で容易に行うことができるので、試料５の弾性係数を短時間で容易に得ることができる。

本発明による弾性係数測定法は、試料の弾性係数を求めるにつき、引張試験によるのに代え、広く利用し得る。

本発明による弾性係数測定法の実施例を示す略線図である。 本発明による弾性係数測定法の実施例の説明に供する、圧子荷重Ｐ−圧痕深さλ特性図である。

符号の説明

１ａ 支持用筐体
１ｂ 下部筐体
１ｃ 上部筐体
２ 昇降軸
３ 試料載置台
３ａ 試料載置面
４ 圧子
４ａ 先端面
５ 試料
６ 圧子押し込み・復帰手段
７ 圧子荷重測定手段
８ 圧痕深さ測定手段
９ データ処理装置
Ｕ ロックウェル硬さ試験機

Claims (1)

1. 試料に、平面でなる先端面を有する柱形圧子でなる圧子を、上記試料が弾性変形し次で弾塑性変形するように、基準荷重から試験荷重まで増加する荷重をかけて押し込み、続いて、上記試料に、上記圧子を、上記試験荷重から上記基準荷重まで減少する荷重をかけて押し込まないようにすることで、上記試料に圧痕を付し、
   その際における、上記圧子にかける荷重でなる圧子荷重とその圧子荷重における上記圧痕の深さとからなる圧子荷重・圧痕深さデータを取得し、
   上記圧子荷重・圧痕深さデータから、それを用いて描くことができる、上記圧子荷重が時間とともに増加するのに応じて上記圧痕の深さが増加する第１の特性線部を呈し、次で上記圧子荷重が時間とともに減少するのに応じて上記圧痕の深さがまず上記試験荷重からわずかに減少した荷重までの間で非線形性を呈して減少してからまたはそのような非線形性を呈して減少せずに直線性を呈して減少し次で非線形性を呈して減少する第２の特性線部を呈する圧子荷重−圧痕深さ特性線の、上記第２の特性線部の上記直線性を呈する部の実質的な両端を通る直線の勾配を、スロープＳとして演算により求めるとともに、上記第１の特性線部上の上記圧子荷重が上記試験荷重をとる点での上記圧痕の深さを、最大圧痕深さλ_ｍとして演算により求め、
   上記スロープＳと上記最大圧痕深さλ_ｍとを用いて、
   Ｅ＝ａ×Ｓ／λ_ｍ＋ｂ（ただし、a＝440〜600、ｂ＝0〜8）
   で表されるＥを、目的とする試料の弾性係数として演算により求めることを特徴とする弾性係数測定法。
   

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