JPWO2010084840A1 - 押込試験方法および押込試験装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また、本発明は、前記の押込試験方法を用いる、新規な押込試験装置を提供することを目的とする。
半無限体試料に対して十分に硬い球圧子を押込むとき、Hertz の弾性接触理論を用いると、図1に示す押込荷重Fと押込量δの関係が以下のように表現される。
これらのことから、式(19)で表される相当押込ひずみεIオーバーラインは接触変形と圧縮変形の両方を表現できる特性があることがわかる。
図8には、表1に示す厚さの試料に対する押込試験から得られた押込量δと荷重Fの関係について、これらをHertzの弾性接触理論に基づく式(1)で最小二乗法により近似した曲線と併せて示している。
まず、式(24)および(25)を用いて球圧子押込係数Eハットの2次導関数Eハット・2次微分係数を求めた結果を図10,11 に示す。試験から得られた押込荷重Fハットと押込量δの関係は式(24)を一例とする関数で近似する。この関数式(24)と式(1)、(2)の関係を用いると式(25)によって球圧子押込係数Eハットが定義できる。この式(25)によって求めたのがYoung率Eである。まず図10は、2 次導関数Eハット・2次微分係数と試料厚さhiの関係であるが、試料厚さhiが小さくなるに従って2 次導関数Eハット・2次微分係数は指数関数的な増加を示した。図10中の破線は、この結果を指数関数;
Hertzの弾性接触理論においては、半無限体試料に対して十分に硬い球圧子を押込むとき、球圧子の直径φと試料のYoung率E、Poisson比νを用いて、押込荷重Fと押込量δの関係を次式で表現できる。
球圧子押込試験によるYoung率計測法の適用性を確認するため、試料の硬さと圧子径を変えた実験を行う。
なお、圧子の形状としては球圧子について説明したが、これに限定されるものではない。このほか圧子の形状としては、円柱、円筒、および立方体などの形状を採用することができる。
[1] M. Tani and A. Sakuma, M. Shinomiya, Evaluation of Thickness and Young's Modulus of Soft Materials by using Spherical Indentation Testing, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series A, Vol.75, No.755, (2009),pp.901-908.(in Japanese)
[2] M. Ogasawara, A. Sakuma, T. Tadomi, E. Yanagisawa and M. Tani, Valuation Technique of Nonlinear Parameters in Three-Element Solid Model and Its Application to Biological Soft Tissue, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series A, Vol.75, No.750, (2009), pp.251-258. (in Japanese)
また、N値と併せて負荷・除荷過程のエネルギー損失から同定する有馬義貴らの手法も、Hertzの弾性接触理論と同様に半無限体を仮定するもので厚さの影響は考慮されていない。この厚さに関しては、N.E.WATERSの研究報告があるがその影響を示したものであって、応力ひずみ関係と対応付けた評価には至っていない。さらに非可逆挙動に着目した石橋達弥らによる高分子材料への適用報告があるものの、可逆性の高い軟材料への適用は困難であるという問題がある。
[0008]
そのため、このような課題を解決する、新規な押込試験方法および押込試験装置の開発が望まれている。
[0009]
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、新規な押込試験方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記の押込試験方法を用いる、新規な押込試験装置を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0010]
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の押込試験方法は、試料に圧子を押込む押込試験方法において、試料厚さを用いて試料の相当押込ひずみを算出し、前記相当押込ひずみを用いて試料のヤング率を算出し、前記相当押込ひずみは、圧縮変形によるひずみと接触変形によるひずみの和からなり、前記圧縮変形によるひずみは、前記試料の圧縮領域の変化率であり、前記圧縮領域は、前記試料中で前記圧子からの荷重により圧縮変形する領域であり、前記接触変形によるひずみは、前記試料を半無限体と仮定したときの、前記半無限体と前記圧子の接触によるひずみであることを特徴とする。
[0011]
ここで、限定されるわけではないが、試料厚さを同定することが好ましい。また、限定されるわけではないが、圧子は球圧子であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、球圧子の直径は1×10−8〜1mの範囲内にあることが好ましい。また、限定されるわけではないが、試料厚さの同定は、球圧子の直径、接触時のヤング率とヤング率2次導関数を用いて算出することが好ましい。
[0012]
本発明の押込試験装置は、試料に圧子を押込む押込試験装置において、試料厚さを用いて試料の相当押込ひずみを算出する相当押込ひずみ算出部と、前記相当押込ひずみを用いて試料のヤング率を算出するヤング率算出部を有し、前記相当押込ひずみは、圧縮変形によるひずみと接触変形によるひずみの和からなり、前記圧縮変形によるひずみは、前
記試料の圧縮領域の変化率であり、前記圧縮領域は、前記試料中で前記圧子からの荷重により圧縮変形する領域であり、前記接触変形によるひずみは、前記試料を半無限体と仮定したときの、前記半無限体と前記圧子の接触によるひずみであることを特徴とする。
[0013]
ここで、限定されるわけではないが、試料厚さを同定する試料厚さ同定部を有することが好ましい。また、限定されるわけではないが、圧子は球圧子であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、球圧子の直径は1×10−8〜1mの範囲内にあることが好ましい。また、限定されるわけではないが、試料厚さの同定は、球圧子の直径、接触時のヤング率と接触時のヤング率2次導関数を用いて算出することが好ましい。
発明の効果
[0014]
本発明、以下に記載されるような効果を奏する。
[0015]
本発明の押込試験方法は、試料厚さを用いて試料の相当押込ひずみを算出し、前記相当押込ひずみを用いて試料のヤング率を算出するので、新規な押込試験方法を提供することができる。
[0016]
本発明の押込試験装置は、試料厚さを用いて試料の相当押込ひずみを算出する相当押込ひずみ算出部と、前記相当押込ひずみを用いて試料のヤング率を算出するヤング率算出部を有するので、新規な押込試験装置を提供することができる。
図面の簡単な説明
[0017]
[図1]球圧子と平面試料の接触状態を示す図である。
[図2]荷重と押込量の関係を示す図である。
[図3](a)球圧子押込係数と押込量の関係を示す図であり、(b)試料厚さと球圧子押込係数の2次導関数との関係を示す図である。
[図4]楕円体形状の圧縮領域を示す図である。
[図5]押込試験機の概略を示す図である。
[図6]押込試験装置の構成を示す図である。
[図7]引張試験の結果を示す図である。
[図8]押込試験から得られた押込量δと荷重Fの関係について、これらをHertzの弾性接触理論に基づく式で最小二乗法により近似した曲線と併せて示している図である。
[図9]押込試験から得られた押込量δと荷重Fの関係について、これらを荷重
Claims (10)
- 試料に圧子を押込む、押込試験方法において、
試料厚さを用いて、試料の相当押込ひずみを算出し、
前記相当押込ひずみを用いて、試料のヤング率を算出する
ことを特徴とする押込試験方法。 - 試料厚さを同定する
ことを特徴とする請求項1記載の押込試験方法。 - 圧子は、球圧子である
ことを特徴とする請求項1記載の押込試験方法。 - 球圧子の直径は1×10-8 〜1 mの範囲内にある
ことを特徴とする請求項3記載の押込試験方法。 - 試料厚さの同定は、球圧子の直径、接触時のヤング率とヤング率2次導関数を用いて算出することを特徴とする請求項2記載の押込試験方法。
- 試料に圧子を押込む、押込試験装置において、
試料厚さを用いて、試料の相当押込ひずみを算出する相当押込ひずみ算出部と、
前記相当押込ひずみを用いて、試料のヤング率を算出するヤング率算出部を有する
ことを特徴とする押込試験装置。 - 試料厚さを同定する試料厚さ同定部を有する
ことを特徴とする請求項6記載の押込試験装置。 - 圧子は、球圧子である
ことを特徴とする請求項6記載の押込試験装置。 - 球圧子の直径は1×10-8 〜1 mの範囲内にある
ことを特徴とする請求項8記載の押込試験装置。 - 試料厚さの同定は、球圧子の直径、接触時のヤング率と接触時のヤング率2次導関数を用いて算出する
ことを特徴とする請求項7記載の押込試験装置。
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