JP5925992B2

JP5925992B2 - 力学特性の評価方法

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Publication number: JP5925992B2
Application number: JP2011055499A
Authority: JP
Inventors: 武史小川; 則暁坂中; 幸生松原
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2011-03-14
Filing date: 2011-03-14
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2031-03-14
Also published as: JP2012189548A

Description

本発明は力学特性の評価方法に関し、より特定的には、互いに異なる稜間角を有する複数の三角錐圧子を用いたインデンテーション法による鋼の力学特性の評価方法に関するものである。

鋼からなる機械部品において、その強度、耐久性等を見積もるために、当該機械部品の局所的な力学特性（降伏応力、加工硬化指数など）の評価が有用である。このような局所的な力学特性の評価方法として、圧子を鋼の所望の領域に押し込むことにより、当該領域の力学特性を評価するインデンテーション法が提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。

Ｙｏｎｅｚｕｅｔａｌ．，"ＥｖａｌｕａｔｉｏｎｓｏｆＥｌａｓｔｏ−ＰｌａｓｔｉｃＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄＦｒａｃｔｕｒｅＳｔｒｅｎｇｔｈＵｓｉｎｇＩｎｄｅｎｔａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｉｑｕｅ"，ＫｅｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓＶｏｌｓ．３５３−３５８（２００７），ｐｐ．２２２３−２２２６

しかしながら、本発明者の検討によれば、上記非特許文献１に開示された評価方法を含めて従来のインデンテーション法による評価は、全ての鋼に対して精度よく適用できるわけではなく、特に高硬度の鋼を評価する場合に精度が低下することが分かった。

そこで、本発明の目的は、高硬度の鋼の力学特性も精度よく評価することが可能な鋼の力学特性の評価方法を提供することである。

本発明に従った力学特性の評価方法は、互いに異なる稜間角を有する複数の三角錐圧子を用いたインデンテーション法による鋼の力学特性の評価方法であって、上記複数の三角錐圧子の稜間角は、いずれも１１５°以上である。また、評価対象となる上記鋼の硬度は５０ＨＲＣ以上である。

本発明のインデンテーション法による鋼の力学特性の評価方法では、複数の三角錐圧子が用いられる。ここで、三角錐圧子においては、稜間角が大きくなるに従って先端近傍が平面に近づく。そして、稜間角が１２０°になると先端近傍を構成する３つの面が同一平面となり先端部が存在し得なくなるため、稜間角は１２０°未満である必要がある。このような制限の下、三角錐圧子を用いた従来のインデンテーション法においては、圧子の稜間角は１１５°以下とされていた。より具体的には、たとえば上記非特許文献１においては２個の圧子が用いられ、当該圧子の稜間角φは１００°および１１５°とされている。

しかしながら、本発明者の検討によれば、このような従来のインデンテーション法による評価では、特に高硬度の鋼を評価する場合に精度が低下することが明らかとなった。そして、本発明者は圧子の稜間角を変化させることで高硬度鋼の力学特性の評価精度を向上させることが可能であることを見出した。より具体的には、複数の圧子を用いる場合にその稜間角をいずれも１１５°以上１２０°未満の狭い範囲に設定することにより、高い精度で高硬度鋼の力学特性を評価可能であることを見出し、本発明に想到した。すなわち、本発明の力学特性の評価方法では、評価に使用される複数の三角錐圧子の稜間角がいずれも１１５°以上である。これにより、本発明の力学特性の評価方法によれば、高硬度の鋼の力学特性も精度よく評価することが可能な鋼の力学特性の評価方法を提供することができる。また、従来の評価方法では、評価対象の鋼の硬度が５０ＨＲＣ以上、特に５５ＨＲＣ以上となった場合に評価精度が低下する。そのため、上記鋼の硬度が５０ＨＲＣ以上、特に５５ＨＲＣ以上の場合に本発明の評価方法は特に有用である。

上記力学特性の評価方法においては、上記複数の三角錐圧子の稜間角は、いずれも１１９°未満であってもよい。稜間角が１１９°以上になると、圧子の押し込み方向が所望の方向から僅かにずれただけで、力学特性の評価精度が大きく低下する。複数の圧子の稜間角をいずれも１１９°未満とすることにより、比較的容易に高い評価精度を確保することができる。

上記力学特性の評価方法においては、上記複数の三角錐圧子間の稜間角の差はいずれも１°以上であってもよい。圧子間の稜間角の差が小さすぎると、力学特性の評価精度が低下するおそれがある。上記複数の圧子同士を比較した場合、稜間角の差が１°未満となる組合せが存在しないようにすることにより、高い評価精度を確保することが容易となる。

上記力学特性の評価方法においては、上記複数の圧子はダイヤモンドからなっていてもよい。評価対象となる鋼に押し込まれる際に圧子の先端部が大きく変形すると、評価精度が低下する。評価対象を高硬度鋼とした場合でも先端部の変形を十分に抑制するためには、圧子はダイヤモンドからなっていることが好ましい。

上記力学特性の評価方法は、２つの三角錐圧子を用いて実施されてもよい。本発明の評価方法は３つ以上の圧子を用いて実施されてもよいが、圧子の数を２つとしても十分な精度が得られる。そして、圧子の数を２つとすることにより、本発明の評価方法を簡便化することができる。

上記力学特性の評価方法においては、表面硬化領域の力学特性が評価されてもよい。局所的な力学特性の評価が可能な本発明の評価方法は、浸炭焼入、浸炭窒化焼入、高周波焼入などの表面硬化処理によって形成された表面硬化領域の力学特性の評価に好適である。

上記力学特性の評価方法においては、上記表面硬化領域の硬度は５０ＨＲＣ以上であってもよい。上述のように、従来の評価方法では、評価対象の鋼の硬度が５０ＨＲＣ以上、特に５５ＨＲＣ以上となった場合に評価精度が低下する。そのため、上記表面硬化領域の硬度が５０ＨＲＣ以上、特に５５ＨＲＣ以上の場合に本発明の評価方法は特に有用である。

以上の説明から明らかなように、本発明の力学特性の評価方法によれば、高硬度の鋼の力学特性も精度よく評価することが可能な鋼の力学特性の評価方法を提供することができる。

鋼の力学特性の評価方法に用いられる三角錐圧子（圧子の先端部）を示す概略図である。円錐圧子（圧子の先端部）を示す概略図である。稜間角が１１８°の場合のＥ^＊／σ_ｒとＣ／σ_ｒとの関係を示す図である。稜間角が１１９°の場合のＥ^＊／σ_ｒとＣ／σ_ｒとの関係を示す図である。ＪＩＳＳＵＪ２の真ひずみと真応力との関係を示す図である。ＪＩＳＳＵＪ３の真ひずみと真応力との関係を示す図である。ＪＩＳＳＵＪ２の焼戻温度と降伏応力との関係を示す図である。ＪＩＳＳＵＪ３の焼戻温度と降伏応力との関係を示す図である。ＪＩＳＳＵＪ２の焼戻温度と加工硬化指数との関係を示す図である。ＪＩＳＳＵＪ３の焼戻温度と加工硬化指数との関係を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の一実施の形態を説明する。図１を参照して、本実施の形態における力学特性の評価方法では、互いに異なる稜間角φを有する複数の三角錐圧子１が用いられる。当該複数の三角錐圧子１の稜間角φは、いずれも１１５°以上である。

そして、本実施の形態における力学特性の評価方法では、まず評価対象となる鋼に対して上記複数の三角錐圧子１を押し付けることによりインデンテーション試験が実施される。これにより、圧子の押し込み深さｈと押し込み力Ｆとの関係を示す負荷曲線（Ｆ＝Ｃｈ^２）の定数Ｃが得られる。

次に、圧子および鋼のポアソン比ν、ヤング率Ｅとから複合ヤング率Ｅ^＊を算出する。さらに、予め導出されたＥ^＊／σ_ｒとＣ／σ_ｒとの関係から代表応力σ_ｒを算出する。そして、この代表応力σ_ｒと既知の代表ひずみε_ｒとの関係式を稜間角φの異なる複数の三角錐圧子１に対して求め、これらに基づいて鋼の力学特性である加工硬化指数ｎおよび塑性定数Ｋが算出される。さらに、これらの算出結果と既知の鋼のヤング率とから、鋼の力学特性である降伏応力σ_ｙを算出する。以上の手順により、本実施の形態における力学特性の評価方法を実施することができる。

本実施の形態における力学特性の評価方法では、評価に使用される複数の三角錐圧子１の稜間角φがいずれも１１５°以上である。これにより、本実施の形態における力学特性の評価方法は、高硬度の鋼の力学特性も精度よく評価することができる。

また、上記複数の三角錐圧子１の稜間角φは、いずれも１１９°未満とすることが望ましい。これにより、比較的容易に高い評価精度を確保することができる。さらに、上記複数の三角錐圧子１間の稜間角φの差は１°以上であることが好ましい。これにより、高い評価精度を確保することが容易となる。

また、上記複数の三角錐圧子１はダイヤモンドからなっていることが好ましい。これにより、評価対象を高硬度鋼とした場合でも三角錐圧子１の先端部の変形が抑制され、より高い評価精度を確保することができる。さらに、上記鋼の力学特性の評価方法は、２つの三角錐圧子１を用いて実施されてもよい。これにより、評価方法を簡便化することができる。

また、評価対象となる鋼の硬度は５０ＨＲＣ以上であってもよく、さらに５５ＨＲＣ以上であってもよい。このような高硬度鋼の力学特性の評価に、上記評価方法は有用である。

また、上記評価方法は局所的な力学特性の評価が可能であるため、浸炭焼入、浸炭窒化焼入、高周波焼入などの表面硬化処理によって形成された表面硬化領域の力学特性の評価に好適である。さらに、高硬度鋼の力学特性を精度よく評価することが可能な上記評価方法は、５０ＨＲＣ以上、さらには５５ＨＲＣ以上の高い硬度を有する表面硬化領域の力学特性の評価に好適である。

以下、本発明の力学特性の評価方法の有効性を確認する実験を行なった。実験手順は以下の通りである。

まず、稜間角がそれぞれ１００°、１１５°、１１８°および１１９°の三角錐圧子を準備した。一方、力学特性の評価対象となる鋼として、ＪＩＳの高炭素クロム軸受鋼であるＳＵＪ２およびＳＵＪ３を採用し、それぞれ焼入硬化した後、ＳＵＪ２については１８０℃、２００℃、２３０℃、２６０℃、３５０℃、ＳＵＪ３については１８０℃、２２０℃、２５０℃、２６０℃、３５０℃で焼戻処理したものを試験片として準備した。なお、１８０℃、２００℃、２３０℃、２６０℃および３５０℃の温度で焼戻処理されたＳＵＪ２からなる試験片の硬度は、それぞれ６１．８ＨＲＣ、６０．５ＨＲＣ、５９．３ＨＲＣ、５７．８ＨＲＣおよび５４．０ＨＲＣ、１８０℃、２２０℃、２５０℃、２６０℃および３５０℃の温度で焼戻処理されたＳＵＪ３からなる試験片の硬度は、それぞれ６１．４ＨＲＣ、６０．４ＨＲＣ、５９．７ＨＲＣ、５８．９ＨＲＣおよび５６．０ＨＲＣであった。

ここで一般に、押し込み力Ｆと押し込み深さｈとの間には、以下の式（１）の関係が成立する。

Ｆ＝Ｃｈ^２・・・（１）
上記式（１）において、Ｃは定数である。また、押し込み力Ｆは、試験片の材料定数および圧子の幾何学形状、より具体的には複合ヤング率Ｅ^＊、加工硬化指数ｎ、代表応力σ_ｒ、頂角θおよび押し込み深さｈの関数である。なお、頂角θは、図１および図２を参照して、稜間角φを有する三角錐圧子１の軸方向（押し込み方向）の投影面積と押し込み深さｈとの比が等しくなる円錐圧子２の頂角θに対応する。さらに、Ｅ^＊に関しては、以下の式（２）が成立する。

ここで、Ｅ_ｓおよびν_ｓは、それぞれ試験片のヤング率およびポアソン比、Ｅ_ｉおよびν_ｉは、それぞれ圧子のヤング率およびポアソン比である。さらに、各圧子に対応するＥ^＊／σ_ｒとＣ／σ_ｒとの関係は、ｎに依存する関数Πを用いて以下の式（３）ように表される。

このとき、代表ひずみε_ｒを適切に選択することにより、全ての加工硬化指数ｎの値に対してＥ^＊／σ_ｒとＣ／σ_ｒとの関係を１つの関数Πで表すことが可能となる。この関数Πを、本実験において準備された稜間角φが１００°、１１５°、１１８°および１１９°の三角錐圧子のそれぞれについて有限要素解析により求め、それぞれΠ_１００、Π_１１５、Π_１１８およびΠ_１１９とする。具体的には、たとえばΠ_１１８およびΠ_１１９の導出にあたり、ヤング率Ｅが５０〜３００ＧＰａ、ポアソン比νを０．３、降伏応力σ_ｙを０．１〜５．０ＧＰａ、加工硬化指数ｎを０．１〜０．５の範囲でそれぞれ合計７２通りの条件下での解析を行なった。そして、稜間角φが１１８°の圧子に対応する代表ひずみε_ｒとして０．０２、稜間角φが１１９°の圧子に対応する代表ひずみε_ｒとして０．０１６を採用したところ、図３および図４に示すようにｎに依存しない関数Π_１１８およびΠ_１１９が得られた。同様に、稜間角φが１００°の圧子および１１５°の圧子に対応する代表ひずみε_ｒとしては、それぞれ０．０７および０．０３７を採用することができる。

このようにして得られた関数Π_１００、Π_１１５、Π_１１８およびΠ_１１９と、一般的な応力とひずみとの関係式である以下の式（４）および（５）とに基づいて、上記試験片の加工硬化指数ｎおよび降伏応力σ_ｙを算出した。一方、上記試験片と同様の材料からなり同様の熱処理を施した試験片を別途準備し、引張試験を実施して加工硬化指数ｎおよび降伏応力σ_ｙを算出した。そして、これらを上記インデンテーション法による鋼の力学特性の評価方法によって得られたものと比較することにより、本発明の力学特性の評価方法の有効性を検討した。

次に、具体的な実験手順を説明する。まず、微小硬度計を用いてインデンテーション試験を実施した。微小硬度計としては株式会社島津製作所製の島津ダイナミック微小硬度計ＤＵＨ−Ｗ２０１を用いた。また、試験は室温（２０℃）の大気中にて実施した。負荷速度および除荷速度は１０．１ｍＮ／ｓｅｃとし、１９６１ｍＮの力を試験片に負荷した。試験は各鋼種および焼戻条件に対して６回ずつ行なった。これにより、稜間角φ１００°、１１５°、１１８°および１１９°の三角錐圧子のそれぞれに対応する上記式（１）の定数Ｃ_１００、Ｃ_１１５、Ｃ_１１８およびＣ_１１９が得られた。そして、これらの値と予め導出した関数Π_１００、Π_１１５、Π_１１８およびΠ_１１９とから、稜間角φ１００°、１１５°、１１８°および１１９°の三角錐圧子のそれぞれに対応する代表応力σ_ｒ１００、σ_ｒ１１５、σ_ｒ１１８およびσ_ｒ１１９を算出した。

次に、本発明の実施例として、稜間角φ１１５°および１１８°の圧子に対応する代表応力σ_ｒ１１５およびσ_ｒ１１８と、上述のように決定された稜間角φ１１５°および１１８°に対応する代表ひずみε_ｒ１１５およびε_ｒ１１８と、式（４）および（５）とから加工硬化指数ｎおよび降伏応力σ_ｙを算出した（実施例）。なお、降伏応力σ_ｙの算出には、既知のヤング率の実測値を用いた。さらに、比較のため、本発明の範囲外の比較例として、稜間角φ１００°および１１５°の圧子に対応する代表応力σ_ｒ１００およびσ_ｒ１１５と、上述のように決定された稜間角φ１００°および１１５°に対応する代表ひずみε_ｒ１１０およびε_ｒ１１５と、式（４）および（５）とからも、同様に加工硬化指数ｎおよび降伏応力σ_ｙを算出した（比較例）。

次に、実験結果について説明する。図５および図６は１８０℃で焼戻された試験片の真ひずみと真応力との関係を示す図であって、図５はＳＵＪ２、図６はＳＵＪ３からなる試験片の実験結果を示している。また。図５および図６において丸印は稜間角φ１００°、四角印は稜間角φ１１５°、菱形印は稜間角φ１１８°の圧子に対応する。また、破線は実施例である稜間角φ１１８°および１１５°の圧子の組合せによる実験結果にフィットする曲線であり、二点鎖線は比較例である稜間角φ１１５°および１００°の圧子の組合せによる実験結果にフィットする曲線である。なお、実線は引張試験の試験結果を示している。

図５および図６に示すように、比較例である稜間角φ１１５°および１００°の圧子の組合せに比べて、実施例である稜間角φ１１８°および１１５°の圧子の組合せによれば、実際の引張試験の結果に近い真ひずみと真応力との関係が導出できることが分かる。

また、図７および図８は焼戻温度を変化させることにより硬度を変化させた試験片の降伏応力を示す図であって、図７はＳＵＪ２、図８はＳＵＪ３からなる試験片の実験結果を示している。さらに、図９および図１０はそれぞれ図７および図８と同じ試験片の加工硬化指数を示す図であって、図９はＳＵＪ２、図１０はＳＵＪ３からなる試験片の実験結果を示している。また。図７〜図１０において四角印は稜間角φ１１８°および１１５°の圧子の組合せによるもの、菱形印は稜間角φ１１５°および１００°の圧子の組合せによるもの、丸印は引張試験の試験結果を示している。

図７〜図１０に示すように、本発明の実施例である稜間角φ１１８°および１１５°の圧子の組合せによれば、比較例である稜間角φ１１５°および１００°の圧子の組合せに比べて、実際の引張試験の結果により近い、すなわち精度の高い力学特性の評価結果が得られることが確認された。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の力学特性の評価方法は、互いに異なる稜間角を有する複数の三角錐圧子を用いたインデンテーション法による鋼の力学特性の評価方法に、特に有利に適用され得る。

１三角錐圧子、２円錐圧子。

Claims

互いに異なる稜間角を有する複数の三角錐圧子を用いたインデンテーション法による鋼の力学特性の評価方法であって、
前記複数の三角錐圧子の稜間角は、いずれも１１５°以上であり、
前記鋼の硬度は５０ＨＲＣ以上である、力学特性の評価方法。
前記複数の三角錐圧子の稜間角は、いずれも１１９°未満である、請求項１に記載の力学特性の評価方法。
前記複数の三角錐圧子間の稜間角の差はいずれも１°以上である、請求項１または２に記載の力学特性の評価方法。
前記複数の圧子はダイヤモンドからなっている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の力学特性の評価方法。
２つの前記三角錐圧子を用いて実施される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の力学特性の評価方法。
表面硬化領域の力学特性が評価される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の力学特性の評価方法。
前記表面硬化領域の硬度は５０ＨＲＣ以上である、請求項６に記載の力学特性の評価方法。
前記鋼は、高炭素クロム軸受鋼である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の力学特性の評価方法。