JP5842864B2 - 鉄鋼材料の衝撃破壊試験中の変形挙動測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄鋼材料の衝撃破壊試験中の変形挙動測定方法に関する。

鉄鋼材料の衝撃破壊試験において、一般的には、試験機側から得られる試験機荷重や試験片の変位、試験片が吸収したエネルギーを計測し、破壊に対する鉄鋼材料の抵抗値を求めている。しかし、このような系全体の測定では、試験中に破壊がどのようなひずみ条件（例えば破壊が発生する部位でのひずみ量）で進むかは計測することができない。

一方、コンピュータシミュレーション技術を用いて、衝撃破壊試験中の力学的条件を予測評価する技術も確立されつつある。しかし、予測結果と実験結果とは必ずしも一致せず、依然として実験による測定評価は不可欠であり、コンピュータシミュレーションの予測精度向上のためにも、精度の高い測定・解析技術が必要となっている。
ここで、特許文献１には、張り剛性試験中の試験機荷重や試験片の変位とあわせて、汎用カメラを使用して、試験片表面のグリッドの変化から試験中の試験片全体の変形状態を同時に測定する方法が開示されている。

特開２００９−２０４４６８号公報 特開２００５−１３６６５７号公報

しかしながら、同文献記載の技術は、汎用カメラを用いるため、１秒間に３０枚の画面を記録することから、撮影速度は６０分の１秒程度となる。つまり、同文献記載の技術は、変形が比較的ゆっくり進む試験に適用できる技術である。
これに対し、鉄鋼材料の衝撃破壊試験では、破壊形態により、１０ｍ／ｓから６０００ｍ／ｓという速さで破壊が進行する。そのため、撮影速度として１０００分の１秒から６００００分の１秒の撮影速度が必要となる。このような撮影速度を実現するためには高速ビデオカメラが使用される。高速ビデオカメラを使用して被撮影体を高速で撮影する場合、撮影速度に見合った光量（光量も通常撮影の１００倍から１０００倍）を高速ビデオカメラの撮影レンズ機構部に入射させることが必要となる。

ここで、特許文献２には、材料の破壊試験用の高速ビデオカメラが開示されている。同文献記載の技術では、撮影速度に対応した光度になるように制御する光度制御手段を有している。しかし、試験片表面のグリッド変化から試験片全体の変形状態を測定する場合に、単に撮影速度に対応した光度を試験片表面に照射すると、金属表面の光沢反射によって転写したグリッドが不鮮明になり、精度の良い測定ができないという問題がある。

すなわち、試験中の試験機荷重や試験片の変位と合せて、試験片表面のグリッド変化から試験中の試験片全体の変形状態を同時に測定する方法を衝撃破壊試験に適用する場合、その破壊速度の速さから高速ビデオカメラを使用する必要があるところ、高速ビデオカメラを使用したグリッド撮影による変形状態の測定を行うためには、高速ビデオカメラの撮影に適した光量を照射した上で、金属表面の光沢反射を抑えてグリッドを鮮明に撮影する必要がある。

そこで、本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、衝撃破壊試験中の試験機荷重や試験片の変位と合わせて、試験片表面のグリッド変化から試験中の試験片全体の変形状態を同時に測定するに際し、鉄鋼材料の金属表面の光沢反射を抑えてグリッドを鮮明に撮影することができる、鉄鋼材料の衝撃破壊試験中の変形挙動測定方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、試験片の表面状態と光沢反射およびグリッドの鮮明さの関係を調査した。その結果、機械加工あるいはサンドペーパーにより試験片の表面粗さを変化させた場合は、グリッドの鮮明さはあまり変わらないが、腐食液によって表面をエッチングした場合には、光沢反射を抑えることができ、さらに、エッチングした表面に電解マーキングによりグリッドを転写した場合は、高速ビデオカメラの撮影に適した光量を照射した場合であっても、光沢反射がなく、グリッドを鮮明に撮影できることを新たに知見した。

すなわち、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る鉄鋼材料の衝撃破壊試験中の変形挙動測定方法は、金属試験片に錘を落下させて衝撃を加える衝撃破壊試験に際し、前記金属試験片として、その表面に腐食液を用いてエッチングを行った後に、規則的な格子状に配置されたグリッドを転写したものを用い、前記衝撃破壊試験中の前記金属試験片の変形にあわせて前記金属試験片表面の前記グリッドを撮像装置で同時に撮影し、その撮影された画像データに基づいて、前記グリッドの位置情報を演算して前記金属試験片の変形状態を測定することを特徴とする。

ここで、本発明の一態様に係る鉄鋼材料の衝撃破壊試験中の変形挙動測定方法において、前記金属試験片は、ＪＩＳ Ｂ０６０１に記載の、表面粗さＲａ＝０．２μｍよりも精密な仕上げ面に対して腐食液を用いて前記エッチングを行った後に、電解マーキングによって前記グリッドが転写されたものであることは好ましい。また、前記撮像装置として１０００分の１秒よりも撮影速度が速い高速ビデオカメラを用いることは好ましい。

腐食液によるエッチングは、微細な鋼組織を溶かし機械的な加工では再現できない微細な凹凸をつくる。そのため、強い光の照射に対しても光沢反射を抑えることができる。さらに、腐食液によるエッチングは、鋼の組織を物理的に覆うわけではないので、電解マーキングによるグリッド転写にも影響を与えない。また、腐食液によるエッチングであると、広範囲にムラなく光沢反射を抑えることができるため、グリッド転写の作業性もよい。よって、本発明の一態様に係る衝撃破壊試験中の変形挙動測定方法によれば、鉄鋼材料の金属表面の光沢反射を抑えてグリッドを鮮明に撮影することができる。

本発明の一態様に係る鉄鋼材料の衝撃破壊試験中の変形挙動測定方法を実施する落重試験機の一実施形態を説明する模式的斜視図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。
図１において、符号１０は落重試験機（一部分）である。なお、本発明に適用される衝撃破壊試験は特に限定されないが、本実施形態の落重試験機１０は、ＡＰＩ ５Ｌ３に準拠したフェライト鋼のＤＷＴＴ（Ｄｒｏｐ Ｗｅｉｇｈｔ Ｔｅａｒ Ｔｅｓｔ）試験を実施する例である。

図１に示すように、この落重試験機１０の錘１１の下方には、金属試験片１が設置される。金属試験片１は、使用した鉄鋼材料が、ＡＰＩ ５Ｌ Ｘ６５であって、その試験片寸法（ｗ×ｈ×ｔ）は、３０５ｍｍ×７６．２ｍｍ×１９ｍｍである。金属試験片１は、破壊（き裂が進む）が伝播する面と垂直な面Ｓが、３０５ｍｍ×７６．２ｍｍの面Ｓであるため、本発明においてはこの面のひずみ履歴を測定する。

ここで、この金属試験片１の表面Ｓには、腐食液を用いてエッチング３を行った後に、規則的な格子状に配置されたグリッド４を転写している。詳しくは、本実施形態の例では、金属試験片１は、グリッド４の転写時に、加工による凹凸が影響しないように、まず、金属試験片１の表面Ｓを、表面粗さ（ＪＩＳ Ｂ０６０１）Ｒａ≦０．２μｍの精密な仕上げ面とし、次いで、腐食液として、５％ナイタール（硝酸アルコール）により３０５ｍｍ×７６．２ｍｍの表面Ｓ全面にマクロエッチングを実施した。その後、ドットの直径φ１ｍｍ、ドット間隔２ｍｍが格子状に配置されたグリッド３を、表面Ｓの略中央部分の所定範囲に電解マーキングによって転写した。

金属試験片１の表面Ｓに対向する位置には、表面Ｓを撮影可能に高速ビデオカメラ５を配置している。この高速ビデオカメラ５は、撮影速度が１０００分の１秒よりも速いものを用いており、ＤＷＴＴ試験中の金属試験片１の表面Ｓの変形挙動を撮影するものである。この高速ビデオカメラ５で撮影されたグリッドパターンの画像の出力信号は変形挙動測定部６に入力されるようになっている。変形挙動測定部６は、コンピュータを含む演算装置であって、高速ビデオカメラ５から取得したグリッドパターンの撮影画像情報に基づいて、グリッド４の随時の位置情報を演算して金属試験片１の変形状態を測定可能としており、ＤＷＴＴ試験中のひずみ履歴を定量化することができる。

また、高速ビデオカメラ５の隣には照明装置７が設けられている。この照明装置７は、高速ビデオカメラ５の撮影に適した光量を照射可能としたものであり、本実施形態の例では、２００００ルクス（約６００００分の１秒の撮影速度に適する光量）の光量Ｌを金属試験片１の表面Ｓに照射する。これにより、本実施形態の例では、高速ビデオカメラ５による画像では、グリッド３と金属試験片１の表面境界の明度差は５．２となり、十分に画像解析可能である（一般的には明度差は３．０程度必要）。

次に、上記落重試験機１０による鉄鋼材料の衝撃破壊試験および作用効果について説明する。
この落重試験機１０による衝撃破壊試験は、落重試験機１０の錘１１の下方に金属試験片１を設置し、金属試験片１に錘１１を落下させて衝撃を加える。このとき、照明装置７により２００００ルクスの光量を金属試験片１の表面Ｓに照射しつつ、高速ビデオカメラ５により、約６００００分の１秒の撮影速度で、衝撃破壊試験中の金属試験片１の変形にあわせて表面Ｓのグリッド４を同時に撮影する。高速ビデオカメラ５から取得したグリッドパターンの撮影画像情報は、変形挙動測定部６に送られる。変形挙動測定部６は、高速ビデオカメラ５から取得した撮影画像情報に基づいて、グリッド４の位置情報を演算して金属試験片１の変形状態を測定する。これにより、この落重試験機１０による衝撃破壊試験によれば、試験中の試験機荷重や試験片の変位とあわせて、試験片表面Ｓのグリッド４の変化から試験中の試験片全体の変形状態を同時に測定することができる。

そして、上記落重試験機１０による衝撃破壊試験においては、金属試験片１の表面Ｓが、腐食液を用いてエッチング３を行った後に、規則的な格子状に配置されたグリッド４を転写しているので、金属表面の光沢反射を抑えてグリッド４を鮮明に撮影することができる。つまり、腐食液によるエッチング３は、微細な鋼組織を溶かし機械的な加工では再現できない微細な凹凸をつくるため、強い光の照射に対しても光沢反射を抑えることができる。さらに、腐食液によるエッチング３は、鋼の組織を物理的に覆うわけではないので、電解マーキングによるグリッド転写にも影響を与えない。また、腐食液によるエッチング３であると、広範囲にムラなく光沢反射を抑えることができるため、グリッド４の転写の作業性もよいのである。

（実施例）
表１に、本発明の効果を確認するために実施した実施例（本発明例１〜４、および比較例５〜７）を示す。ここで、表１に示す実施例においては、上記金属試験片１の表面粗さと腐食液によるエッチング処理の有無からグリッド４と金属試験片１表面境界の明度差を調べている。画像解析可能な明度差の基準として、明度差３．０以上とした。なお、本実施例での衝撃破壊試験の各条件は、本発明例と比較例との相違点を除き、上述した実施形態と同じ条件にて行った。

本発明例のＮo.１〜４は、ＪＩＳ Ｂ０６０１に記載の、表面粗さＲａ＝０．２μｍよりも精密な仕上げ面に対して腐食液を用いてエッチングを行った後に、電解マーキングによってグリッドを転写したものである。表１に示す結果からわかるように、本発明例のＮo.１〜４は、表面粗さＲａ≦０．２μｍの場合は、表面粗さに係わらず、明度差３．０以上での撮影が可能であることがわかる。

これに対し、比較例のＮo.３〜７は、表面粗さＲａ＞０．２μｍの仕上げ、あるいは腐食液を用いたエッチングを行わない場合であって、明度差が１．０付近の値となっており、精度よい画像解析が困難であることがわかる。特に比較例のＮo.５，６は、表面粗さＲａ≦０．２μｍの仕上げ面とされているにも関わらず、腐食液を用いたエッチングを行なっていないため、明度差３．０以上を確保できないことがわかる。
なお、本発明に係る鉄鋼材料の衝撃破壊試験中の変形挙動測定方法は、上記実施形態ないし実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能であることは勿論である。

１ 金属試験片
３ エッチング
４ グリッド
５ 高速ビデオカメラ（撮像装置）
６ 変形挙動測定部
７ 照明装置
１０ 落重試験機
１１ 錘
Ｓ 金属試験片の表面

Claims (3)

1. 金属試験片に錘を落下させて衝撃を加える衝撃破壊試験に際し、前記金属試験片として、その表面に腐食液を用いてエッチングを行った後に、規則的な格子状に配置されたグリッドを転写したものを用い、前記衝撃破壊試験中の前記金属試験片の変形にあわせて前記金属試験片表面の前記グリッドを撮像装置で同時に撮影し、その撮影された画像データに基づいて、前記グリッドの位置情報を演算して前記金属試験片の変形状態を測定することを特徴とする鉄鋼材料の衝撃破壊試験中の変形挙動測定方法。
2. 前記金属試験片は、ＪＩＳ Ｂ０６０１に記載の、表面粗さＲａ＝０．２μｍよりも精密な仕上げ面に対して腐食液を用いて前記エッチングを行った後に、電解マーキングによって前記グリッドが転写されたものであることを特徴とする請求項１に記載の鉄鋼材料の衝撃破壊試験中の変形挙動測定方法。
3. 前記撮像装置として１０００分の１秒よりも撮影速度が速い高速ビデオカメラを用いることを特徴とする請求項１または２に記載の鉄鋼材料の衝撃破壊試験中の変形挙動測定方法。

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