JP4971923B2 - 押込み試験機及び押込み試験方法 - Google Patents
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Description
例えば、押込み試験機は、試料表面に圧子軸の先端を所定荷重で押し込む際の押込み深さ(圧子軸の変位量)を変位計によって測定し、その変位量と荷重の関係から、試料の硬さ等の物性値を測定するようになっている。
具体的には、圧子が試料に接触する前後は振動等外乱の影響を受けやすいので測定結果のばらつきが大きく誤差が生じやすい、特許文献1の技術では表面粗さや表面硬化層の影響がある場合の対策としては効果がない、特許文献1の技術では接触を検知すると荷重増加速度を大きくして押込みが行われるが、この方法で原点を設定しても、接触時の速度は理想的な場合よりも著しく速くなってしまうので適切な原点が得られていない可能性がある、などの問題があった。
また、圧子と試料とが接触していないにも関わらず、振動などの外乱の作用を接触としてしまう誤検出によってゼロ点の検出が早まってしまう乱れのために、押込み深さと試験力との押込み曲線(図10のL3)が理想的な曲線(図10のL1)とずれてしまい、測定誤差が生じてしまうことがあるという問題があった。
つまり、計装化押込み試験においては、圧子と試料とが接触するゼロ点近傍の押込み曲線の乱れの影響が、押込み曲線全体のずれとなり、そのずれが測定誤差となってしまうのである。
圧子に荷重を負荷し、その圧子を試料の表面に押し付ける荷重負荷手段と、
前記圧子の変位を検出する変位検出手段と、
前記荷重負荷手段が前記圧子を前記試料に所定の試験荷重(試験力)で押し付けた際の圧子の変位(押込み深さ)の相関を示す荷重負荷曲線と、前記圧子が前記試料に所定の試験荷重で押し付けられた後、前記荷重負荷手段が前記荷重を除荷する際の荷重(試験力)とその圧子の変位(押込み深さ)の相関を示す荷重除荷曲線とを測定する押込み曲線測定手段と、
前記押込み曲線測定手段によって測定した前記荷重負荷曲線における所定の荷重(試験力)より小さい範囲の負荷曲線データを削除する負荷曲線削除制御手段と、
前記押込み曲線測定手段によって測定した前記荷重負荷曲線における所定の荷重(試験力)より大きい範囲の負荷曲線データに基づき、前記負荷曲線削除制御手段により削除された範囲の負荷曲線を外挿して補完する負荷曲線補完制御手段と、
前記負荷曲線補完制御手段によって補完された荷重負荷曲線における始点が原点となるように、荷重負荷曲線と荷重除荷曲線とをシフトし原点調整する荷重曲線シフト制御手段と、
前記荷重曲線シフト制御手段により原点調整された荷重負荷曲線と荷重除荷曲線とに基づき、前記試料の物性値を取得する測定結果取得手段と、
を備えることを特徴とする。
圧子に荷重を負荷し、その圧子を試料の表面に押し付ける荷重負荷手段と、
前記圧子の変位を検出する変位検出手段と、を備える押込み試験機における押込み試験方法であって、
前記荷重負荷手段が前記圧子を前記試料に所定の試験荷重(試験力)で押し付けた際の圧子の変位(押込み深さ)の相関を示す荷重負荷曲線と、前記圧子が前記試料に所定の試験荷重で押し付けられた後、前記荷重負荷手段が前記荷重を除荷する際の荷重(試験力)とその圧子の変位(押込み深さ)の相関を示す荷重除荷曲線とを測定する押込み曲線測定工程と、
前記押込み曲線測定工程において測定された前記荷重負荷曲線における所定の荷重(試験力)より小さい範囲の負荷曲線データを削除する負荷曲線削除工程と、
前記押込み曲線測定工程において測定された前記荷重負荷曲線における所定の荷重(試験力)より大きい範囲の負荷曲線データに基づき、前記負荷曲線削除工程において削除された範囲の負荷曲線を外挿して補完する負荷曲線補完工程と、
前記負荷曲線補完工程において補完された荷重負荷曲線における始点が原点となるように、荷重負荷曲線と荷重除荷曲線とをシフトし原点調整する荷重曲線シフト工程と、
前記荷重曲線シフト工程において原点調整された荷重負荷曲線と荷重除荷曲線とに基づき、前記試料の物性値を取得する測定結果取得工程と、
を備えることを特徴とする。
なお、本実施形態における押込み試験機100は、圧子3に付与する試験力と、圧子3の押込み深さとを連続してモニター可能な計装化押込み試験機である。
この試料保持台2は、XYZステージ2aによって上下左右に移動されて、圧子3に対する試料Sの位置を調整可能になっている。
フォースモータ4は、フォースコイル4aとマグネット4bとにより構成されており、マグネット4bがつくる磁界と、フォースコイル4aに流れる電流との電磁誘導に応じて発生する力を駆動力として用い、荷重レバー5を回動させて、荷重レバー5の一端側を押し下げたり、押し上げたりする。
つまり、フォースモータ4と荷重レバー5とが協働して、荷重負荷手段として機能するようになっている。
なお、制御部200が、フォースモータ4のフォースコイル4aに流す電流量を無段階に調整することによって、フォースモータ4は無段階の駆動力を出力し、荷重レバー5を介して圧子3に無段階の荷重(試験力)を負荷することができる。
そして、変位センサ6は、荷重レバー5が回動した際の、その一端側の変位を検出するようにして、荷重レバー5の一端側に設けられている圧子3の変位を検出することができる。
つまり、変位センサ6は、圧子3の変位を検出する変位検出手段として機能する。
なお、変位センサ6は、検出した荷重レバー5の一端側の変位(圧子3の変位)に基づく圧子変位信号を制御部200に出力する。
そして、この操作部400は、ユーザが試料Sの押込み試験を行う指示入力を行う際に操作される。
つまり、押込み曲線測定プログラム232を実行するCPU210は、押込み曲線測定手段として機能し、圧子3に荷重を付加するとともにその際の圧子3の変位を検出して、荷重負荷曲線と荷重除荷曲線とからなる押込み曲線である試験力−押込み深さ曲線を測定する。
なお、制御部200は、フォースモータ4のフォースコイル4aに所定の荷重に応じた電流を供給しフォースモータ4を動作させる。そして、そのフォースモータ4の駆動で荷重レバー5を回動させて、圧子3が試料Sに対して所定の荷重(試験力)を負荷して押し込むようになっている。
つまり、負荷曲線削除プログラム233を実行するCPU210は、負荷曲線削除制御手段として機能し、測定した押込み曲線(試験力−押込み深さ曲線)の荷重負荷曲線における所定の荷重より小さい範囲(例えば、最大荷重の10%以下となる範囲、後述する試験力Fよりも小さな試験力の範囲)の負荷曲線データを削除する。
なお、ここで、荷重負荷曲線における最大荷重(最大試験力)の10%以下の範囲の負荷曲線データは信頼性が低いものとして削除するようになっている。
つまり、負荷曲線補完プログラム234を実行するCPU210は、負荷曲線補完制御手段として機能し、信頼性の比較的高い負荷曲線データであって、荷重負荷曲線における所定の荷重より大きい範囲(例えば、最大荷重の10%以上となる範囲、後述する試験力Fよりも大きな試験力の範囲)の負荷曲線データに応じた関数であって、その負荷曲線データが示す例えば二次関数に基づき、削除された範囲の荷重負荷曲線を外挿して補完する。
なお、ここで、負荷曲線補完制御手段としてのCPU210は、所定の荷重より大きい範囲(例えば、最大荷重の10%以上となる範囲)の負荷曲線データに応じた関数を、その負荷曲線データに基づき演算等によって求めてもよく、また、基準データ記憶ファイル231に記憶されている押込み曲線データを参照するようにして求めてもよい。
つまり、荷重曲線シフトプログラム235を実行するCPU210は、荷重曲線シフト制御手段として機能し、荷重負荷曲線と荷重除荷曲線とからなる押込み曲線の、荷重負荷曲線における始点が原点となるように、押込み曲線である試験力−押込み深さ曲線を、試験力−押込み深さ関数の座標平面における押込み深さ軸方向にシフトする原点調整を行う。
なお、ここで、荷重負荷曲線における始点が原点となるようにする原点調整に関する始点は、補完された荷重負荷曲線の荷重(試験力)がゼロの点であり、この点が原点となるようにする調整を行うようになっている。
つまり、測定結果取得プログラム236を実行するCPU210は、測定結果取得手段として機能し、原点調整された荷重負荷曲線と荷重除荷曲線とからなる押込み曲線(試験力−押込み深さ曲線)に基づき、基準データ記憶ファイル231に記憶されている基準データを参照して、試料Sの物性値である「硬さ」の値を取得する。
具体的には、測定結果取得手段としてのCPU210は、原点調整された押込み曲線である試験力−押込み深さ曲線の形状に対応する試料Sの「硬さ」を、基準データ記憶ファイル231の基準データに応じて取得する。
そして、操作部400において、押込み試験を実行する操作がなされると(ステップS102;Yes)、CPU210は、圧子3を試料Sの表面に押し付ける動作を実行し、試験力と押込み深さの関係を示す、試験力−押込み深さ曲線(押込み曲線)の測定を行う(ステップS103;押込み曲線測定工程,図4参照)。
より具体的には、CPU210は、フォースモータ4の駆動により圧子3を徐々に下方に移動させることで、その押込み試験に応じた最大荷重値に到達するまで、圧子3に負荷する試験力を漸増させていく。この圧子3に負荷される試験力の漸増に伴って、圧子3の押込み深さが増加する変位を測定することによって、図4に示すように、荷重負荷曲線が測定される。
そして、圧子3に負荷される試験力が最大荷重値に到達した後、その最大試験力で所定時間維持されると、圧子3は最大押込み深さに達する。圧子3が所定量である最大押込み深さに達した後、CPU210は、圧子3に作用させる荷重を除荷し、荷重を漸減させるようフォースモータ4を駆動させる。この圧子3に負荷される試験力の漸減に伴って、圧子3の押込み深さが減少する変位を測定することによって、図4に示すように、荷重除荷曲線が測定される。
このように、CPU210は、荷重負荷曲線と荷重除荷曲線とからなる試験力−押込み深さ曲線を測定する。
CPU210が、測定した押込み曲線を補正するための操作がなされていないと判断すると(ステップS104;No)、ステップS110へ進む。
一方、CPU210が、測定した押込み曲線を補正するための操作がなされたと判断すると(ステップS104;Yes)、ステップS105へ進む。
2 試料保持台
2a XYZステージ
3 圧子
3a 圧子軸
4 フォースモータ(荷重負荷手段)
4a フォースコイル
4b マグネット
5 荷重レバー(荷重負荷手段)
6 変位センサ(変位検出手段)
100 押込み試験機
200 制御部
210 CPU(押込み曲線測定制御手段、負荷曲線削除制御手段、負荷曲線補完制御手段、荷重曲線シフト制御手段、測定結果取得制御手段)
220 RAM
230 記憶部
231 基準データ記憶ファイル
232 押込み曲線測定プログラム
233 負荷曲線削除プログラム
234 負荷曲線補完プログラム
235 荷重曲線シフトプログラム
236 測定結果取得プログラム
300 表示部
400 操作部
S 試料
Claims (2)
- 圧子に荷重を負荷し、その圧子を試料の表面に押し付ける荷重負荷手段と、
前記圧子の変位を検出する変位検出手段と、
前記荷重負荷手段が前記圧子を前記試料に所定の試験荷重で押し付けた際の圧子の変位の相関を示す荷重負荷曲線と、前記圧子が前記試料に所定の試験荷重で押し付けられた後、前記荷重負荷手段が前記荷重を除荷する際の荷重とその圧子の変位の相関を示す荷重除荷曲線とを測定する押込み曲線測定手段と、
前記押込み曲線測定手段によって測定した前記荷重負荷曲線における所定の荷重より小さい範囲の負荷曲線データを削除する負荷曲線削除制御手段と、
前記押込み曲線測定手段によって測定した前記荷重負荷曲線における所定の荷重より大きい範囲の負荷曲線データに基づき、前記負荷曲線削除制御手段により削除された範囲の負荷曲線を外挿して補完する負荷曲線補完制御手段と、
前記負荷曲線補完制御手段によって補完された荷重負荷曲線における始点が原点となるように、荷重負荷曲線と荷重除荷曲線とをシフトし原点調整する荷重曲線シフト制御手段と、
前記荷重曲線シフト制御手段により原点調整された荷重負荷曲線と荷重除荷曲線とに基づき、前記試料の物性値を取得する測定結果取得手段と、
を備えることを特徴とする押込み試験機。 - 圧子に荷重を負荷し、その圧子を試料の表面に押し付ける荷重負荷手段と、
前記圧子の変位を検出する変位検出手段と、を備える押込み試験機における押込み試験方法であって、
前記荷重負荷手段が前記圧子を前記試料に所定の試験荷重で押し付けた際の圧子の変位の相関を示す荷重負荷曲線と、前記圧子が前記試料に所定の試験荷重で押し付けられた後、前記荷重負荷手段が前記荷重を除荷する際の荷重とその圧子の変位の相関を示す荷重除荷曲線とを測定する押込み曲線測定工程と、
前記押込み曲線測定工程において測定された前記荷重負荷曲線における所定の荷重より小さい範囲の負荷曲線データを削除する負荷曲線削除工程と、
前記押込み曲線測定工程において測定された前記荷重負荷曲線における所定の荷重より大きい範囲の負荷曲線データに基づき、前記負荷曲線削除工程において削除された範囲の負荷曲線を外挿して補完する負荷曲線補完工程と、
前記負荷曲線補完工程において補完された荷重負荷曲線における始点が原点となるように、荷重負荷曲線と荷重除荷曲線とをシフトし原点調整する荷重曲線シフト工程と、
前記荷重曲線シフト工程において原点調整された荷重負荷曲線と荷重除荷曲線とに基づき、前記試料の物性値を取得する測定結果取得工程と、
を備えることを特徴とする押込み試験方法。
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