JPS61240140A - 固体の硬度測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、機械振動に対して付勢される振動棒が硬質材
料から成る規定接触面と、硬度を測定すべき試験片への
規定接触面とで載置されまた振動棒が強制的に付勢され
る機械振動の周波数が一定かつ試験片へ結合されず振動
棒の共振周波数ω。に等しくなっている固体硬度の検出
方法に関する。

この種の方法は、米国特許第８．５７２．０９７号から
公知である。この方法は、試験片へ振動棒を載せた場合
、試験片へ結合される振動棒の共振周波数がω０に等し
くなるまでこの機械振動装置に対し特性パラメータ（例
えば弾性率あるいは機械インピーダンス）を変動させる
ように提案する。そのとき特性パラメータの対応する変
動が試験片の硬度に対する基準として使用される。

との公知の方法では対応する特性パラメータを変動しか
つ適宜変動させる共振周波数を検出するため比較的高価
な補助装置を必要とするのが特に欠陥である。

さらにドイツ特許第１，２８７，３８４号および第２，
３５７，０８８号から硬度に対する基準として自由振動
および試験片へ結合の際のゾンデの共振周波数の差を用
いることが公知である。通常公知の装置ではピッカーの
硬度が測定されるので、ゾンデはその端においてダイヤ
モンド先端部をもっている。試験片の材料が軟かければ
軟かい程それだけ圧入面およびそれに関連する周波数変
動は一層大きくなる。

この方法では比較的正確な周波数測定、従って適宜大き
い電子回路費用を必要とすることが欠陥であると判明し
ている。

従って本発明の課題は、特性共振パラメータの変動も高
価な周波数差測定装置も必要とせず、そのため測定方法
の精度を損なうことがないように始めに述べた種類の方
法を開発することにある。

この課題は、本発明によると試験片へ載置されかつ周波
数ω。で振動する振動棒の振幅が測定され従って試験片
の硬度に対する基準として使用されることによって解決
される。

公知の方法と対照的にこの新規方法は試験片との機械的
結合の際に周波数差測定に基づかずに、振動棒の振幅に
基づいている。その際いづれにせよ、まず推定できるよ
うに、結合振動棒の共振周波数の振幅が測定されない。

それどころか自由振動する振動棒の共振周波数の際の振
幅が測定される。換言すれば本発明によるとその振幅値
の２乗が各試験片の硬度に対して比較的正確に比例して
いるということが判明した。

本発明の細部および別の特徴は、添付図面第１〜第４図
を参照して以下に行なわれる実施例の説明から理解され
るだろう。

第１図では１でゾンデを示し、とのゾンデは一方では受
信器２およびコンピュータおよび制御ユニット８を介し
て指示装置４と接続されている。同様にゾンデｌとコン
ピュータおよび制御ユニット３の助けをか夛て制御可能
な高周波発生器５が接続されている。６で硬度を検出す
べき試験片を示している。

ゾンデ１は、大体において振動棒１０、振動棒１０を部
分的に取シ囲むスリーブ１１、ばね１２およびこれらの
個々の部分を取シ囲むハウジング１８から成る。

振動棒１０は、硬質ゴムリング１４を介してスリーブ１
１と弾性的に結合されており、振動棒１０′！たけスリ
ーブ１１と硬質ゴムリング１４との間の結合は接着によ
って達成することができる。ハウジング１８からのスリ
ーブ１１の側方距離は、２つのポールブシュ１５および
１６によって与えられる。縦方向にスリーブ１１は、ハ
ウジング１３の上部壁１７に関して所定の距離からばね
１２の方向に可動に設けられている一０所定の距離は、
スリーブ１１が振動棒の自由振動の際にその上にあるハ
ウジング１３の管状内側シリンダ１８によって決定され
る。

振動棒１０で２つの圧電気変換器１９および２０が固定
されている。その際変換器１９は、受信変換器として使
用されかつ受信器２と接続されている。変換器２０は、
振動変換器として使用されかつ高周波発生器５から対応
する高周波振動を得ている。振動棒１０の下方端で圧入
を間接的に測定すべきピツカーズダイヤモンド２１が設
けられている。

ゾンデ１は、自体公知である。この種のゾンデは、当山
願人によって例えばマイクロジュール（Ｍｊｃｒｏｄｕ
ｒ）の名称のもとに提供されるような従来の硬度測定装
置においても使用される。従って公知の装置に較べた本
発明の重要な区別は、一方では自体公知のゾンデの異な
る操作にある。

他方ではゾンデ１と接続される電子装置では周波数差の
測定装置が問題でなくて、振幅の検出装置が問題である
。

公知の装置では、例えば、ドイツ特許 第１２８７３３４号で公開されているようにその硬度は
、下記のように測定される。すなわち、振動変換器２０
は、振動棒１０を付勢して振動させる。この振動は、受
信変換器１９を介して受信され、受信器２およびコンピ
ュータならびに制御ユニット１３（あるいは他の回路装
置）を介して高周波発生器５に供給される。そのとき高
周波発生器５は、振動の周波数が振動棒の固有周波数と
一致するまで、振動の周波数を変動する。そのときこの
周波数ω。が測定される。

次いで第２図に示されてｈるように振動棒１０は、ハウ
ジング１３の下方部分２２が試験片６と接触するまで、
押し下げられる。従ってダイヤモンド２１は、試験片６
の表面へ侵入しかつ振動棒１０が最早や自由に振動しな
い。試験片６へ結合される振動棒の固有周波数ω１は、
そのとき再び前述のフィードバック機構を介して検出さ
れる。試験片６の材料が軟かければ軟かい程それだけ一
層圧入面積およびそれに関連しかつ硬度に対する基準と
して用いられる周波数変動Δω；町−ω０が大きくなる
。

公知の硬度試験装置では周波数差Δωを極めて正確に検
出することが必要である。そのときこの周波数差Δωは
、比較的複雑に対応する硬度値へ換算し々ければならな
い。

米国特許第８，５７２，０９７号による方法を使用する
場合試験片６へ結合される振動棒１０の固有イ 周波数ω１　は、Δωが零に等しくなるまで変動する。

この固有周波数の変動は、例えば、振動棒１０のまわシ
に巻回されて電流を通す補助コイル（第１図に示されな
い）で達成される。なぜならばこの振動棒で誘導される
分極電流が棒の弾性率、従って固有周波数の変動を発生
させるからである、そのとき硬度に対する基準としてΔ
ωが零に等しくなる分極電流が用いられる。

これに反して第１図に示される本発明による装置は以下
のように働らく。すなわち、先づ現在技術水準の場合で
と同様に、自由振動する棒１０の固有周波数が再び検出
される。

次いで受信器２と高周波発生器５との間のフィードバッ
クが、例えば、コンピュータおよび制御ユニット８によ
って中断される。従って高周波発生器５はさらに周波数
ω。の振動しか発生しない。それから、第２図で示され
るように、ダイヤモンド２１は、試験片６０表面へ押し
込まれかつ周波数ω。の際に受信器２で振動の振幅が測
定されかつコンピュータで対応する硬度値ＨＶが検出さ
れる。

測定された振幅Ｂと硬度ＨＶとの間の関係が下記の関係
式によって比較的良好に説明できることが判明した。す
ｔわち、 既＝Ｃ，Ｂ２．　Ｅｉ　　　　　　（１）ここにＣが装
置常数またＥ。が試験片６およびピッカーダイヤモンド
の弾性率Ｅ１．およびＢ２から、ならびに試験片および
ダイヤモンドのポアソン比ν１　およびν２　から誘導
される係数を意味する。すなわち、 振幅測定が既知の硬度の物体で行なわれることによって
Ｃが適当に検出されかつＣに応じて方程式が解かれる。

第８図は、異なる鋼種の硬度測定の結果を示している。

横座標軸で相対振幅Ｂ／Ｂｏがまた縦座標軸で対応する
ピッカー硬度がプロットされた。

Ｂｏ　で高周波発生器５によって発生された電圧振幅が
示されている。適当な実施例では自由振動の際にＢ。＝
２０ｖ３８またω。＝７８に、　　になった。

試験片６へ載せた振動棒（第２図）の場合ばね１２によ
って加えられる試験力はほぼ９．８　ＩＮ（Ｑ　Ｉ　Ｋ
Ｐ）に等しい。ダイヤモンド２１によって試験片６で生
ぜしめた対応する圧痕は、ウルムのツビツク有限会社の
小負荷硬度試験装置（モテル：　８２１２）　　で光学
的に公知のように評価され、この装置では残留する圧痕
の基本面の対角線から硬度が換算された。曲線１ｏｏは
、各圧痕に対応する相対振幅の関数として光学的に測定
される硬度を示している。

試験片として出願人の場合既存の４つの硬度比較板が使
用された。前述のツビック硬度試験装置での測定は下記
の硬度値：　１２０．２４６．５６８　オ！び８７９Ｈ
Ｖ１／８０　　を生じた。

Ｅｌ／（１−ν１２）に対する価は、使用された硬度比
較板の際に下記のようになった。すなわち＋１１゜ ２．８４・１０．２゜３２７・１０＋１１２．２６９・
１０＋１１および２．２８１・１０＋１’　Ｐａ□　Ｅ
２／（１−ν２２）に対し値６．１０”Ｐａが判明した
。これらの値でＥ。が計算されかつそれから測定される
振幅値および方程式（１）による常数Ｃから対応する硬
度が計算された。第３図の曲線２００は、機能的、経過
を示している。常数Ｃは、５６８ＨＶ１／８０を有する
硬度比較欄によって検出された 曲線１００と２００との間の比較が示すように、光学的
に測定された値および振幅によって計算された硬度値は
、実際上全範囲において十分一致する。

以下方程式（１）によって規定されかつ実験的に発見さ
れた関係が計算上でも導出可能であることを示さねばな
らない。

両端が自由な円筒状振動棒を周波数ωの周期的外力によ
って付勢する際に定常波が構成される。この場合に対す
る波動方程式の解ｕ（ｘ、ｔ）は下記で表わされる。す
なわち ｕ（ｘ　ｔ）＝（：Ａ（ａ＋）　−５ｉｎ（ωｔ）＋Ｂ
（ω）　−ｃｏｇ（ωｔ））ｃｏｓ−（にＸ）ω＝２π
ｆ、ｆ＝振動周波数 に＝２π／λ、λ＝波長 角括孤内の式は、周波数ωの強制振動を行なう減衰調和
振動器の微分方程式の解である。

付勢周波数に関係する値Ａ（ω）およびＢ（ω）は、吸
収および分散振幅と称される。

大きい質量の試験片と振動棒が接触する場合、１９６８
年１０月刊行超音波誌２４４〜２５１頁所載う一壷プ７
し　２「？増し ＯＧ、　Ｍ、　Ｌ、　　　　　１１’＆’ｃ、−に’ｌ
”ｅ！ａｌｔｅｌ　　（Ｄ　ｍ　Ｅ２：　　”ａ触イン
ピーダンスメータ２Ｎから下記の関係式が推定される。

すなわち Δｆ　＝　ｆ　１−　ｆＯ２Ｄ、　Ｅｏ＊ｖｌＦここに
、ｆ１＝接触の場合の共振周波数、ｆｏ＝自由振動棒の
共振周波数、 Ｄ＝棒および侵入体の弾性係数および 幾何学にのみ左右される常数、 Ｆ＝ビッカータイヤモンド圧入の表面 積、 を意味する。

この関係式は次のように変形される、 （１１１＝　ａｌｇ　＋　Ｄ・（＃１　＋　ａｌｏ　）
　＊Ｅｏｖｐ　　　　（ａ）吸収および分配振幅は接触
の場合では下記の形状をもつ。すなわち Ａ（ω）＝Ｂｏ１・（ｒ・ω）／（ω１２−ω２）２＋
（ｒ・ω）２）Ｂ（”）＝Ｂ□”（”１２−ａ＋２）／
（（ａ＋１２−ｃｍ２）２＋Ｃｒ・ｍ）２）ここにｒ＝
接触の場合の共振周波数の半値幅、Ｂｏ１＝高周波発生
器５の電圧振幅に比例する周期的外力の振幅である、 接触の場合の振動棒１０が周波数ω＝ωｏ　＝　２πｆ
０で付勢されるならば、接触の場合硬度範囲１００≦Ｈ
Ｖ’−１０００の鋼に下記の条件、すなわちｒ　＜　２
００ＨｚおよびΔ’　＞　８００　Ｈｚが当てはまるこ
とが考慮されるとき、分散振幅Ｂ（ω）に対して簡単な
関係式を誘導することができる。

本実施例に対してｆ０＝７８ＫＨｚでそのとき（Ｐωｏ
）２（（ω１２−ωｏ２）２ およびＡ（ω）（Ｂ（ω）となる。

吸収振幅Ａ（ω）は、周波数ω＝ω０の場合既に分散振
幅Ｂ（ω）よりほぼ２次の程度だけ小さく、従って無視
できる。

Ｂ（ｍ、）は以下のように簡単化される。すなわちＢ（
ａｌｏ）〜Ｂｏ３／（，１２−ω０２）　　　　　（４
）先づ方程式（８）がＦに従って解かれることによって
下記のピッカー硬度に対する方程式、すなわち、 取＝試験力／圧大の表面積＝　Ｋ／Ｆ へ方程式（３）および（４）が代されると、次の関係式
が得られる。

）ｆｆ＝ｃ−Ｅｏ２−Ｂ（％）２ 但し　　　Ｃ＝　Ｋ−（Ｄ２／Ｂ、’　２　）　−（ω
１＋ω）２鋼の上述の範囲に対しΔｆ（ｆｏ（２％であ
るから、（ω１＋ωｏ）、従ってＣは常数と見なすこと
ができる。

第４図では一度振幅関係が本実施例に対して図式上水さ
れている。横軸で付勢周波数ωおよび縦軸で受信変換器
１９（第１図）によって検出される振幅がプロットされ
ている。自由振動する振動棒１０に対しωの変動の際に
８００で示した共振曲線が生じる。対応する共振周波数
ω。

は７８ＫＨｚとなる。

試験片６と振動棒１０が接触した後（第１図と比較）共
振曲線３００の移動が生ずる。第４図に示した例に対し
て試験片へ結合される振動棒では４００で示される曲線
が生じる。対応する共振周波数ω１　は、図示した例で
は７９ＫＨ２になる４０１でこの測定曲線に対応される
吸収曲線Ａ（ω）および４０２で対応する分散曲線が示
される。

振動棒１０が付勢される実際の周波数ωが試験片へ結合
された場合でも７８ＫＨｚ　Ｌかにならぬから、受信器
２（第１図）で比較的小さい電圧しか測定されない。図
示した例ではＵ／ＵｙＨ□ｚ：ヶ０００２　　となる。

この比率から計算された電圧値は、大体において分散振
動Ｂ（ω０）に対応する。

なぜならば吸収振幅の対応成分は〜７８ＫＨ３の際に無
視できるからである。

本発明による方法は、本質的には加工品へ結合された際
に振動棒の分散振幅Ｂ（ω０）を検出しかつそれからこ
の値が試験片の硬度に対する基づ 準として用いられることにも基づいている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法を実施できる公知の硬度測定装
置の構造の概略縦断面図、第２図は、振動棒が試験され
る加工品へ載せられている第１図による装置の断片図、
第３図は、各種の試験片で直接測定された硬質値および
測定振幅によって計算された硬度値を示すダイヤグラム
。 第４図は、本発明を解説するダイヤグラム。 ６・・・試験片、１０・・・振動棒、ω０・・・周波数
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 機械振動に対して付勢される振動棒が硬質材料から成る
   規定接触面と、硬度を測定すべき試験片への規定の接触
   力とで載置されまた振動棒が強制的に付勢される機械振
   動の周波数が一定かつ試験片へ機械的結合されず振動棒
   の共振周波数ω＿０に等しくなつている固体硬度の検出
   方法において、試験片（６）へ載置されかつ周波数ω＿
   ０で振動する振動棒（１０）の振幅が測定されおよび試
   験片（６）の硬度に対する基準として使用されることを
   特徴とする方法。