JP6838596B2 - Yield strength estimation method - Google Patents
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Description
本開示は、耐力推定方法に関する。 The present disclosure relates to a proof stress estimation method.
金属材料からなる対象物の表面に高硬度の投射材（ショット）を投射するショットピーニングが知られている（例えば、非特許文献１，２）。ショットピーニングによれば、金属材料の疲労強度を向上させることができる。
Shot peening is known in which a high-hardness projecting material (shot) is projected onto the surface of an object made of a metal material (for example, Non-Patent
ところで、金属材料の耐力は、引張試験によって求められる。しかしながら、実際の製品では、引張試験のような破壊試験を行うことができない場合がある。そのため、金属材料の耐力を非破壊で推定できる方法が必要とされている。 By the way, the yield strength of a metal material is determined by a tensile test. However, in an actual product, it may not be possible to perform a fracture test such as a tensile test. Therefore, there is a need for a method that can estimate the yield strength of metal materials in a non-destructive manner.
本開示は、金属材料の耐力を非破壊で推定できる耐力推定方法を提供する。 The present disclosure provides a proof stress estimation method capable of nondestructively estimating the proof stress of a metallic material.
本開示に係る耐力推定方法は、金属材料からなる対象物に最大残留応力を付与するためのショットピーニング条件を決定する決定工程と、対象物に対し、ショットピーニング条件でショットピーニングを行うショットピーニング工程と、ショットピーニング工程後の対象物の残留応力を測定する測定工程と、予め取得された最大残留応力と対象物の耐力との関係、及び、測定された残留応力に基づき対象物の耐力を推定する推定工程と、を含む。 The strength estimation method according to the present disclosure includes a determination step of determining shot peening conditions for imparting maximum residual stress to an object made of a metallic material, and a shot peening step of performing shot peening on the object under shot peening conditions. And, the measurement step of measuring the residual stress of the object after the shot peening process, the relationship between the maximum residual stress acquired in advance and the strength of the object, and the strength of the object are estimated based on the measured residual stress. Including the estimation process to be performed.
この耐力推定方法では、最大残留応力を付与するためのショットピーニング条件で対象物にショットピーニングが行われた後、残留応力が測定される。測定された残留応力から、対象物の最大残留応力と対象物の耐力との間に関係があることを利用して、対象物の耐力が推定される。したがって、引張試験を行うことができない場合であっても、対象物を構成する金属材料の耐力を非破壊で推定できる。 In this proof stress estimation method, the residual stress is measured after shot peening is performed on the object under the shot peening condition for imparting the maximum residual stress. From the measured residual stress, the yield strength of the object is estimated by utilizing the relationship between the maximum residual stress of the object and the yield strength of the object. Therefore, even when the tensile test cannot be performed, the yield strength of the metal material constituting the object can be estimated non-destructively.
一実施形態に係る耐力推定方法において、決定工程では、対象物の硬さに基づいて、ショットピーニング条件を決定してもよい。この場合、ショットピーニング条件を適切に決定することができる。 In the proof stress estimation method according to one embodiment, the shot peening condition may be determined based on the hardness of the object in the determination step. In this case, the shot peening conditions can be appropriately determined.
一実施形態に係る耐力推定方法において、測定工程では、回折法により測定を行ってもよい。この場合、残留応力を適切に測定することができる。 In the proof stress estimation method according to one embodiment, the measurement may be performed by a diffraction method in the measurement step. In this case, the residual stress can be appropriately measured.
一実施形態に係る耐力推定方法において、推定工程では、対象物の０．２％耐力を推定してもよい。この場合、０．２％耐力は広く用いられているので、耐力推定方法の必要性が高い。 In the proof stress estimation method according to one embodiment, 0.2% proof stress of the object may be estimated in the estimation step. In this case, since 0.2% proof stress is widely used, there is a high need for a proof stress estimation method.
一実施形態に係る耐力推定方法では、対象物は、鉄鋼材料からなってもよい。この場合、鉄鋼材料は広く用いられているので、耐力推定方法の必要性が高い。 In the proof stress estimation method according to the embodiment, the object may be made of a steel material. In this case, since steel materials are widely used, there is a high need for a proof stress estimation method.
本開示に係る耐力推定方法によれば、金属材料の耐力を非破壊で推定できる。 According to the proof stress estimation method according to the present disclosure, the proof stress of a metal material can be estimated non-destructively.
以下、添付図面を参照して、実施形態について詳細に説明する。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description, the same reference numerals are used for the same elements or elements having the same function, and duplicate description is omitted.
図１は、実施形態に係る耐力推定方法を示すフローチャートである。実施形態に係る耐力推定方法は、金属材料からなる対象物の耐力を推定する方法である。対象物を構成する金属材料は、例えば鉄鋼材料である。鉄鋼材料として、具体的には、炭素含有量が０．５％〜０．６％である中炭素の焼入材、炭素含有量が０．８％〜１．１％である高炭素の浸炭材等が挙げられる。中炭素の焼入材は、例えば、ばね材、アルミダイガスト用の金型材に用いられる。高炭素の浸炭材は、例えば、歯車材に用いられる。これらの鉄鋼材料は、いずれもマルテンサイト組織を有するマルテンサイト鋼である。 FIG. 1 is a flowchart showing a proof stress estimation method according to an embodiment. The proof stress estimation method according to the embodiment is a method of estimating the proof stress of an object made of a metal material. The metal material constituting the object is, for example, a steel material. Specific examples of the steel material include a medium carbon hardened material having a carbon content of 0.5% to 0.6% and a high carbon carburizing material having a carbon content of 0.8% to 1.1%. Materials and the like can be mentioned. The medium carbon hardened material is used, for example, as a spring material and a mold material for aluminum die gust. High carbon carburized materials are used, for example, in gear materials. All of these steel materials are martensitic steels having a martensitic structure.
この耐力推定方法は、ショットピーニング条件を決定する工程Ｓ１（決定工程）と、ショットピーニングを行う工程Ｓ２（ショットピーニング工程）と、残留応力を測定する工程Ｓ３（測定工程）と、耐力を推定する工程Ｓ４（推定工程）と、を含む。以下、各工程について説明する。 This strength estimation method estimates the strength, including a step S1 (determination step) for determining shot peening conditions, a step S2 (shot peening step) for performing shot peening, and a step S3 (measurement step) for measuring residual stress. Step S4 (estimation step) and the like. Hereinafter, each step will be described.
工程Ｓ１では、対象物に最大残留応力を付与するためのショットピーニング条件を決定する。最大残留応力とは、対象物に付与可能な残留応力（圧縮残留応力）の最大値である。最大残留応力は、対象物によって異なる。 In step S1, the shot peening conditions for applying the maximum residual stress to the object are determined. The maximum residual stress is the maximum value of the residual stress (compressive residual stress) that can be applied to the object. The maximum residual stress depends on the object.
ショットピーニングでは、投射材の硬さを高めることにより、対象物に付与される残留応力を高めることができる。しかしながら、対象物の硬さが投射材の硬さに見合っていないと、投射材の硬さを高めることにより、対象物に付与される残留応力がかえって低下する場合がある。つまり、対象物に最大残留応力を付与するには、対象物の硬さと投射材の硬さとのバランスを適正化する必要がある。 In shot peening, the residual stress applied to an object can be increased by increasing the hardness of the projecting material. However, if the hardness of the object does not match the hardness of the projecting material, increasing the hardness of the projecting material may actually reduce the residual stress applied to the object. That is, in order to give the maximum residual stress to the object, it is necessary to optimize the balance between the hardness of the object and the hardness of the projecting material.
対象物に最大残留応力を付与するには、例えば、投射材の硬さを対象物の硬さよりも５０ＨＶ（ビッカース硬さ）以上２５０ＨＶ以下の範囲内で高く設定する。５０ＨＶ以上とすることで、対象物の表面部分に残留応力を付与することができる。２５０ＨＶよりも高く設定すると、投射のエネルギーが対象物の表面の削食に使われるので、対象物の表面部分に効果的かつ安定的に残留応力を付与することができない。削食量が大きくなると、対象物の寸法の変化量も大きくなる。対象物の削食量を５μｍ以下とすることで、対象物の表面部分に効果的かつ安定的に残留応力を付与することができるとともに、対象物の寸法の変化を抑制することができる。 In order to impart the maximum residual stress to the object, for example, the hardness of the projecting material is set higher than the hardness of the object within a range of 50 HV (Vickers hardness) or more and 250 HV or less. By setting it to 50 HV or more, residual stress can be applied to the surface portion of the object. If it is set higher than 250 HV, the energy of projection is used for erosion of the surface of the object, so that the residual stress cannot be effectively and stably applied to the surface portion of the object. As the amount of erosion increases, so does the amount of change in the dimensions of the object. By setting the amount of erosion of the object to 5 μm or less, residual stress can be effectively and stably applied to the surface portion of the object, and changes in the dimensions of the object can be suppressed.
ただし、対象物の硬さが７５０ＨＶよりも低いと、対象物の表面部分に十分な残留応力を付与することができない場合がある。対象物の硬さは、例えば、対象物の表面から深さ０．０５０ｍｍまでの表面部分の硬さを意味する。工程Ｓ１で決定されるショットピーニング条件は、最大残留応力を付与するための条件であれば、投射材の硬さ以外の条件であってもよい。 However, if the hardness of the object is lower than 750 HV, it may not be possible to apply sufficient residual stress to the surface portion of the object. The hardness of an object means, for example, the hardness of a surface portion from the surface of the object to a depth of 0.050 mm. The shot peening condition determined in step S1 may be a condition other than the hardness of the projecting material as long as it is a condition for imparting the maximum residual stress.
投射材の粒径は、０．０５ｍｍ以上０．６ｍｍ以下とすることができる。投射材の粒径を０．０５ｍｍ以上とすることにより、投射材を容易に作製することができる。投射材の粒径を０．６ｍｍ以下とすることにより、残留応力が深さ方向において最大値を示す位置（ピーク位置）が深くなりすぎず、ピーク位置を対象物の表面から深さ１００μｍ以内に収めることができる。ピーク位置をこの範囲に収めることで、対象物の疲労強度を効果的に向上させることができる。 The particle size of the projection material can be 0.05 mm or more and 0.6 mm or less. By setting the particle size of the projecting material to 0.05 mm or more, the projecting material can be easily produced. By setting the particle size of the projecting material to 0.6 mm or less, the position (peak position) where the residual stress shows the maximum value in the depth direction does not become too deep, and the peak position is within 100 μm from the surface of the object. Can fit. By keeping the peak position within this range, the fatigue strength of the object can be effectively improved.
工程Ｓ２では、対象物に対し、工程Ｓ１で決定したショットピーニング条件でショットピーニングを行う。これにより、対象物の表面部分に残留応力が付与される。 In step S2, shot peening is performed on the object under the shot peening conditions determined in step S1. As a result, residual stress is applied to the surface portion of the object.
工程Ｓ３では、工程Ｓ２のショットピーニング後の対象物の残留応力を測定する。工程Ｓ３では、例えば、回折法により測定を行う。回折法としては、具体的には、Ｘ線回折法、電子線回折法、及び中性子回折法等が挙げられる。Ｘ線回折法による測定方法は、例えば、特開２０１７−００９３５６号公報に開示されている。工程Ｓ３では、陽電子消滅法により測定を行ってもよい。 In step S3, the residual stress of the object after shot peening in step S2 is measured. In step S3, for example, the measurement is performed by a diffraction method. Specific examples of the diffraction method include an X-ray diffraction method, an electron beam diffraction method, and a neutron diffraction method. The measurement method by the X-ray diffraction method is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-09356. In step S3, the measurement may be performed by the positron annihilation method.
ショットピーニングにより対象物に付与された残留応力は、熱疲労により減少する。例えば、ダイガスト金型では、溶湯により加熱されることで生じる熱応力と、離型剤により冷却されることで生じる熱応力とを繰り返し受けることによって、熱疲労が生じる。図２は、熱疲労試験について説明するための図である。この熱疲労試験では、ダイガスト金型の熱疲労が再現されている。図２に示されるように、この熱疲労試験では、まず試験片１がヒータ２の表面に押し付けられる。試験片１が押し付けられる時間は、１５０秒間に設定されている。ヒータ２の温度は、試験片１の表面温度が５７０℃となるように設定されている。その後、試験片１が室温の水３で冷却される。続いて、試験片１は、空気４を吹き付けるエアブローにより乾燥される。以上の一連のサイクルは約３分間で繰り返し行われる。
The residual stress applied to the object by shot peening is reduced by thermal fatigue. For example, in a die gust mold, thermal fatigue occurs by repeatedly receiving thermal stress generated by heating with a molten metal and thermal stress generated by cooling with a mold release agent. FIG. 2 is a diagram for explaining a thermal fatigue test. In this thermal fatigue test, the thermal fatigue of the die gust mold is reproduced. As shown in FIG. 2, in this thermal fatigue test, the
試験片１の材質は、熱間工具鋼であるＳＫＤ６１とした。試験片１の化学成分（ｗｔ％）を表１に示す。試験片１は、焼入焼戻しを行った後、塩浴軟窒化を行うことにより作成した。試験片１の形状は、厚さ１５ｍｍ、直径５８ｍｍ（φ５８）の円盤形状とし、これに把持部として高さ１５ｍｍ、直径１５ｍｍ（φ１５）の円柱を設けた。
The material of the
図３は、サイクル試験による残留応力の変化を示すグラフである。グラフの横軸は、上述の熱疲労試験のサイクル数であり、縦軸は試験片１（図２参照）の残留応力（ＭＰａ）である。サイクル試験は、１０サイクルまでの極低サイクルの熱疲労試験であり、試験片１に対して、最大残留応力を与えるための条件でショットピーニングを行った後に実施した。サイクル試験の開始前、５サイクル終了後、及び１０サイクル終了時にそれぞれ残留応力を測定した。残留応力の測定は、Ｘ線回折法により、表２に示す測定条件で行った。図３に示されるように、サイクル数が増えるにしたがって、熱疲労により残留応力が減少した。
FIG. 3 is a graph showing changes in residual stress due to a cycle test. The horizontal axis of the graph is the number of cycles of the above-mentioned thermal fatigue test, and the vertical axis is the residual stress (MPa) of the test piece 1 (see FIG. 2). The cycle test is an extremely low cycle thermal fatigue test up to 10 cycles, and was performed after shot peening was performed on the
以上のことから、ショットピーニングにより付与された残留応力の測定は、ショットピーニング後の対象物に対し、残留応力を減少させる要因となる熱疲労を与える前に行われる必要がある。これにより、ショットピーニングにより付与された残留応力の測定精度を向上させることができる。 From the above, the measurement of the residual stress applied by shot peening needs to be performed before applying thermal fatigue, which is a factor for reducing the residual stress, to the object after shot peening. As a result, the measurement accuracy of the residual stress applied by shot peening can be improved.
工程Ｓ４では、工程Ｓ３で測定した残留応力に基づき、対象物の耐力を推定する。工程Ｓ４では、対象物の０．２％耐力を推定する。非特許文献１には、ショットピーニング後の最大残留応力は、０．２％耐力の約６０％程度であることが示されている。非特許文献２には、ショットピーニング後の残留応力は、耐力（降伏応力）の約半分であることが示されている。工程Ｓ４では、これらの関係を利用して、ショットピーニング後の対象物の残留応力に基づき対象物の０．２％耐力を推定する。すなわち、工程Ｓ４では、工程Ｓ３で測定した残留応力、及び、予め取得された最大残留応力と対象物の耐力との関係に基づき、対象物の耐力を推定する。
In step S4, the proof stress of the object is estimated based on the residual stress measured in step S3. In step S4, the 0.2% proof stress of the object is estimated.
以上説明したように、実施形態に係る耐力推定方法では、最大残留応力を付与するためのショットピーニング条件で対象物にショットピーニングを行った後、残留応力を測定し、対象物の最大残留応力と対象物の耐力との間に関係があることを利用して、測定された残留応力から、対象物の耐力を推定する。したがって、引張試験のような破壊試験を行うことができない場合であっても、対象物を構成する金属材料の耐力を非破壊で簡便に推定できる。 As described above, in the proof stress estimation method according to the embodiment, after shot peening is performed on the object under the shot peening conditions for imparting the maximum residual stress, the residual stress is measured and the maximum residual stress of the object is obtained. Taking advantage of the relationship with the yield strength of the object, the yield strength of the object is estimated from the measured residual stress. Therefore, even when a fracture test such as a tensile test cannot be performed, the proof stress of the metal material constituting the object can be easily estimated in a non-destructive manner.
工程Ｓ１では、対象物の硬さに基づいて、ショットピーニング条件を決定するので、ショットピーニング条件を適切に決定することができる。測定する工程Ｓ３では、回折法により残留応力を測定するので、残留応力を適切に測定することができる。推定する工程Ｓ４では、対象物の０．２％耐力を推定する。０．２％耐力は広く用いられているので、耐力推定方法の必要性が高い。対象物は、鉄鋼材料からなる。鉄鋼材料は広く用いられているので、耐力推定方法の必要性が高い。 In step S1, the shot peening conditions are determined based on the hardness of the object, so that the shot peening conditions can be appropriately determined. In the measuring step S3, the residual stress is measured by the diffraction method, so that the residual stress can be appropriately measured. In the estimation step S4, the 0.2% proof stress of the object is estimated. Since 0.2% proof stress is widely used, there is a high need for a proof stress estimation method. The object is made of steel material. Since steel materials are widely used, there is a high need for a yield strength estimation method.
本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。 The present invention is not necessarily limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist thereof.
１…試験片、２…ヒータ、３…水、４…空気。 1 ... test piece, 2 ... heater, 3 ... water, 4 ... air.
Claims (5)
前記対象物に対し、前記ショットピーニング条件でショットピーニングを行うショットピーニング工程と、
前記ショットピーニング工程後の前記対象物の残留応力を測定する測定工程と、
予め取得された前記最大残留応力と前記対象物の耐力との関係、及び、測定された前記残留応力に基づき前記対象物の耐力を推定する推定工程と、を含み、
前記測定工程は、前記対象物に熱疲労を与える前に行われる、耐力推定方法。 A determination process for determining shot peening conditions for imparting maximum residual stress to an object made of a metallic material, and
A shot peening step of performing shot peening on the object under the shot peening conditions,
A measurement step of measuring the residual stress of the object after the shot peening step, and a measurement step of measuring the residual stress of the object.
Relationship between strength of the object and has been previously obtained the maximum residual stress, and, viewed including the estimation step, the estimating the strength of the object based on said measured residual stress,
The measurement step is a proof stress estimation method performed before applying thermal fatigue to the object.
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