JP5207075B2 - 圧子押込み試験による弾塑性材料の材料物性特定方法 - Google Patents
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Description
σ=Eε σ<σY・・・(1a)
σ=Rεn σ≧σY・・・(1b)
ここでEはヤング率、nは加工硬化指数、Rは加工硬化係数である。本出願では、弾塑性材料において0.2%の永久ひずみが残る応力を降伏応力σY、式(1a)と式(1b)の交点における応力を比例限度σPと呼ぶ。また、降伏応力σY、比例限度σP、ヤング率E、加工硬化指数n、加工硬化係数Rを全体として材料物性と呼ぶ。
微小押込み試験(ナノインデンテーション)は、圧子押込み試験とも呼ばれ、ダイヤモンド製の微小圧子を数nmから数μm程度対象材料に押込み、荷重と押込み深さの関係から、硬さ、ヤング率等の材料物性を評価する試験である。
この図における曲線Odは、式(2)の関係を示す。ここで、Cは押込み荷重係数である。また、曲線deの初期勾配deから複合ヤング率E*が求められる。複合ヤング率E*は、圧子の弾性変形の影響を含んだ弾塑性材料のヤング率であり、圧子を剛体とした場合に式(3)の関係がある。ここでνはポアッソン比である。
P=Ch2 ・・・(2)
E*=E/(1−ν2)・・・(3)
以下、非特許文献1に開示された従来の方法(三角錘圧子押込みによる塑性特性評価法)を説明する。
非特許文献1による対象材料の塑性特性評価の手順は以下の通りである。
(1) 対頂角φの異なる複数の三角錘圧子を用いて圧子押込み試験を行う。この試験より荷重Pと深さhの関係(P−h曲線)が得られる。
(2) 各実験のP−h曲線より、複合ヤング率E*および押込み荷重係数Cを求める。
(3) 予め数値実験より蓄積したデータから(C/σr)と(E*/σr)の無次元関数Πを求めておく。得られた複合ヤング率E*および押込み荷重係数Cを無次元関数Πに代入し、この無次元関数Πを満足する代表応力σrを求める。
(4) 圧子の対頂角φに対応する代表ひずみεrを式(4)より求める。ここでθは対頂角φと等価な円錐圧子の頂角である。
εr=0.157cotθ・・・(4)
(5) 代表応力σrと代表ひずみεrから応力−ひずみ曲線を描き、これから材料物性(降伏応力σY、ヤング率E、加工硬化指数n、加工硬化係数R)を求める。
すなわち、従来の方法は、材料の塑性領域において加工硬化指数が単一の値を持つことを前提としており、実際の材料のように単一でない加工硬化指数を持つ対象に対しては、材料物性の算出精度が低い問題点があった。
円錐圧子の先端頂角θを降伏点近傍の塑性領域において2つ以上設定し、
前記各円錐圧子について、有限要素法を用いた圧子押込み試験のシミュレーションにより、押込み荷重係数Cと代表応力σrの比(C/σr)と複合ヤング率E*と代表応力σrの比(E*/σr)の無次元関係とこの関係が一義的に求められる代表ひずみεrを求め、
前記各円錐圧子を用いて圧子押込み試験により、荷重Pと深さhのP−h関係を求め、この関係から押込み荷重係数Cおよび複合ヤング率E*を求め、
前記無次元関係、前記押込み荷重係数Cおよび複合ヤング率E*から代表応力σrを求め、
2組以上の代表応力σrと代表ひずみεrから加工硬化係数Rと加工硬化指数nを求める、ことを特徴とする圧子押込み試験による弾塑性材料の材料物性特定方法が提供される。
また、前記代表ひずみεrのうち少なくとも1つを1%〜5%の範囲で設定する。
また、前記各円錐圧子を用いた圧子押込み試験により、対象とする金属材料の圧子押込み物性(荷重Pと深さhのP−h関係)を求めることにより、押込み荷重係数Cおよび複合ヤング率E*を求めることができる。
さらに、実験結果と無次元関数を比較することで、代表応力σrを求め、さらに2組以上の代表応力σrと代表ひずみεrから加工硬化係数Rと加工硬化指数nを求めることができる。
同様に、本発明の方法では、円錐圧子の先端頂角θを降伏点近傍の塑性領域において設定するので、降伏点に近いデータ(2組以上の代表応力σrと代表ひずみεr)が算出でき、それを基に高い精度で降伏応力σYと比例限度σPを算出することができる。
図3(A)は、焼きなまし銅の引張試験結果であり、図3(B)は、降伏点以降の応力―ひずみ関係を両対数上にプロットしたものである。
加工硬化指数nが一定であれば、両対数上のプロットでは、単一直線になるが、図3(B)において真ひずみが1〜2%の領域で折れ曲がりが生じている。すなわち塑性変形の初期に対して、塑性変形が大きい領域では大きな傾きとなっており、加工硬化指数nが大きいことがわかる。
従来の方法で用いた圧子は、このような領域の物性に対応した代表応力−代表ひずみ関係を算出しているため、従来の方法では降伏応力が小さい値に見積もられたと考えられる。
ステップS2では、実用材料を十分に網羅するように、幅広い物性の仮想材料を準備する。すなわち、広範囲の材料物性を想定して、材料物性(降伏応力σY、ヤング率E、加工硬化指数n、加工硬化係数R)を変化させた多数の組み合わせ(例えば110ケース程度)を準備する。
ステップS4では、代表ひずみεrを任意に決め、それに対応する応力を読み取り、代表応力σrとする。代表応力σrと代表ひずみεrの関係は、図5に示すように、特定した仮想材料の物性値から、式(1b)を用いて算出しておく。
ステップS6では、シミュレーション結果又は試験結果から式(2)により押込み荷重係数Cを算出する。また荷重除荷時の初期勾配deから複合ヤング率E*を求める。なお、仮定したヤング率Eから式(3)により複合ヤング率E*を算出してもよい。
ステップS7では、押込み荷重係数Cと複合ヤング率E*を代表応力σrで除したC/σrとE*/σrを算出し、縦軸、横軸にプロットする。
ステップS9で、C/σr−E*/σrがおよそ1つの曲線に乗っているかをチェックし、NOの場合には、ステップS10で代表ひずみεrを適切に変更し、それに対応する応力を読み取り、新しい代表応力σrとする。さらにC/σrとE*/σrを算出し直し、プロットし直す。
ステップS9で、C/σr−E*/σrがおよそ1つの曲線に乗っているとき(YES)、代表ひずみと無次元関数の導出が終了し(END)、その代表ひずみεrがこの圧子形状に対応する代表ひずみεrとなり、この曲線の近似式が無次元関数Πとなる。C/σr−E*/σrはべき乗硬化材を用いた場合に1つの曲線に乗ることが理論的に導かれている。データが1つの曲線に乗っている最適な状態は、データに対して誤差が最小になる近似曲線を描き、その曲線に対する全データの誤差が最小になるように代表ひずみεrを変更することにより得られる。
Berkovich圧子B(等価円錐圧子頂角θ:70.06°):εr=5.50%
本発明の鈍角圧子A1(円錐圧子先端角度θ:75°):εr=2.80%
本発明の鈍角圧子A2(円錐圧子先端角度θ:80°):εr=1.80%
この仮想実験は、引張試験により得られた応力−ひずみ関係を用いて、FEMにより圧子押込み試験のシミュレーションを行ない、その結果を用いてそれぞれの圧子の無次元関数と比較することで代表応力を算出し、弾塑性物性を算出した。
なお、図4のステップS5に示したように、シミュレーションの代わりに、実際に鈍角圧子A1、A2を用いて圧子押込み試験を行うことが好ましい。
また、この塑性範囲における応力σとひずみεとの関係と、ヤング率Eの値から、応力σとひずみεが、0と0.2%の点を通り勾配がEの直線との交点として、0.2%の永久ひずみが残る降伏応力σYを求めることができる。
この図から得られた降伏応力は72.9MPaであり、従来方法の実験結果(8.1MPa)よりも高い精度で特定することができた。
また、各円錐圧子を用いた圧子押込み試験により、対象とする金属材料の圧子押込み物性(荷重Pと深さhのP−h関係)を求めることにより、押込み荷重係数Cおよび複合ヤング率E*を求めることができる。
さらに、実験結果と無次元関数を比較することで、代表応力σrを求め、さらに2組以上の代表応力σrと代表ひずみεrから加工硬化係数Rと加工硬化指数nを求めることができる。
同様に、本発明の方法では、円錐圧子の先端頂角θを降伏点近傍の塑性領域において設定するので、降伏点に近いデータ(2組以上の代表応力σrと代表ひずみεr)が算出でき、それを基に高い精度で降伏応力σYと比例限度σPを算出することができる。
σP 比例限度、σr 代表応力、
ε ひずみ、εr 代表ひずみ、
E ヤング率、E* 複合ヤング率、
n 加工硬化指数、R 加工硬化係数、
ν ポアッソン比、P 荷重、h 深さ、
C 押込み荷重係数、
φ 対頂角、θ 対頂角と等価な円錐圧子の頂角、
Π 無次元関数
Claims (6)
- 特定対象の金属材料が、塑性範囲において応力σが加工硬化係数Rとひずみεのn乗(nは加工硬化指数)の積に一致すると仮定し、
円錐圧子の先端頂角θを降伏点近傍の塑性領域において2つ以上設定し、
前記各円錐圧子について、有限要素法を用いた圧子押込み試験のシミュレーションにより、押込み荷重係数Cと代表応力σrの比(C/σr)と複合ヤング率E*と代表応力σrの比(E*/σr)の無次元関係とこの関係が一義的に求められる代表ひずみεrを求め、
前記各円錐圧子を用いて圧子押込み試験により、荷重Pと深さhのP−h関係を求め、この関係から押込み荷重係数Cおよび複合ヤング率E*を求め、
前記無次元関係、前記押込み荷重係数Cおよび複合ヤング率E*から代表応力σrを求め、
2組以上の代表応力σrと代表ひずみεrから加工硬化係数Rと加工硬化指数nを求める、ことを特徴とする圧子押込み試験による弾塑性材料の材料物性特定方法。 - 前記円錐圧子のうち少なくとも1つの先端頂角θを70°〜85°の範囲で設定する、ことを特徴とする請求項1に記載の材料物性特定方法。
- 前記代表ひずみεrのうち少なくとも1つを1%〜5%の範囲で設定する、ことを特徴とする請求項1に記載の材料物性特定方法。
- 前記2組以上の代表応力σrと代表ひずみεrを両対数上にプロットし、降伏点近傍の塑性領域においてほぼ直線上に位置する2点以上を用いて、加工硬化係数Rと加工硬化指数nを求める、ことを特徴とする請求項1に記載の材料物性特定方法。
- 前記塑性範囲における応力σとひずみεとの関係と、ヤング率Eの値から、0.2%の永久ひずみが残る降伏応力σYを求めることを特徴とする請求項1に記載の材料物性特定方法。
- 前記塑性範囲における応力σとひずみεとの関係と、ヤング率Eの値から、比例限度σPを求めることを特徴とする請求項1に記載の材料物性特定方法。
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Families Citing this family (5)
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