押し込み硬度

機械工学において、材料の変形に対する硬さを測定するために、インデンテーション硬さ試験が用いられます。このような試験はいくつか存在し、試験対象材料に跡が残るまで押し込み、その跡が残るまで押し込むことで行われます。これらの試験は、マクロスケールでもミクロスケールでも実施できます。

金属試験において、押込み硬さは引張強度とほぼ直線的に相関しますが[ 1 ]、この相関は不完全であり、多くの場合、それぞれの押込み形状における強度と硬度の範囲は狭い範囲に限定されます。この関係により、ハンドヘルドロックウェル硬度計などの軽量で持ち運び可能な機器を用いて、バルク金属の 非破壊検査を経済的に実施することが可能になります。

材料の硬度

より小さなスケールにおける材料特性を定量化するために、様々な手法が用いられています。例えば薄膜などの材料の機械的特性は、従来の単軸引張試験では測定できません。そのため、材料に非常に小さな圧痕を付けることによって材料の「硬さ」を試験する手法が開発され、これらの特性を推定しようと試みられています。

硬度測定は、材料の塑性変形に対する抵抗力を定量化する。インデンテーション硬度試験は、材料の硬度を測定するために使用されるプロセスの大部分を占め、 マクロインデンテーション試験、マイクロインデンテーション試験、ナノインデンテーション試験の3つのクラスに分類できる。[ 2 ] [ 3 ]マイクロインデンテーション試験では通常、2 N（0.45 lb f ）未満の力が使用される。しかし、硬度は基本的な材料特性とはみなされない。従来の硬度試験では通常、材料特性の相対的な考え方を提供するために使用できる数値が生成される。[ 3 ]そのため、硬度は、異なる硬度測定技術が異なる尺度を持つため、材料の塑性変形に対する抵抗力の比較的な考え方しか提供できない。

硬度は、式に基づいて定義され、圧子と試験対象材料の接触面に加わる圧力によって決まります。そのため、硬度値は通常、圧力の単位で報告されますが、これは圧子と試験対象材料の表面界面が完全に平坦である場合にのみ「真の」圧力となります。

計装インデント

ナノインデンテーションテスター
計装化インデンテーションテスター

計装化インデンテーションは、基本的に鋭い先端を材料の表面に押し込み、力-変位曲線を取得します。この曲線から、弾性率や塑性変形といった硬度を含む材料の機械的挙動に関する多くの情報が得られます。計装化インデンテーション試験の重要な要素の一つは、インデンテーションサイクル全体を通して同時に測定可能な力または変位によって先端を制御する必要があることです。[ 4 ]現在の技術は、広範囲にわたる正確な力制御を実現できます。したがって、セラミックスのような硬い材料からポリマーのような柔らかい材料まで、様々な長さスケールで硬度を評価できます。

最も初期の研究は1970年代にブリチェフ、アレヒン、ショルショロフによって完成され、彼らは材料のヤング率は力対変位の押込み曲線の傾きから次のように決定できることを明らかにした。[ 5 ]

S＝dPdδ＝2πErあ{\displaystyle S={dP \over d\delta }={\frac {2}{\sqrt {\pi }}}E_{r}{\sqrt {A}}}
S{\displaystyle S}: 材料の剛性、つまり曲線の傾き
あ{\displaystyle A}: チップとサンプルの接触面積
Er{\displaystyle E_{r}}: 減算係数、以下のように定義される:
1Er＝1−νs2Es+1−ν私2E私{\displaystyle {\frac {1}{E_{r}}}={\frac {1-\nu _{s}^{2}}{E_{s}}}+{\frac {1-\nu _{i}^{2}}{E_{i}}}}

ここで、と は試料のヤング率とポアソン比、とは圧子のヤング率とポアソン比です。通常、 であるため、第2項は無視できます。 Es{\displaystyle E_{s}}νs{\displaystyle \nu_{s}}E私{\displaystyle E_{i}}ν私{\displaystyle \nu_{i}}E私>>Es{\displaystyle E_{i}>>E_{s}}

最も重要な情報である硬度は、次のように計算できます。

H＝Pメートル1つの×あ{\displaystyle H={\frac {P_{max}}{A}}}

一般的に使用されるインデント手法と、それぞれの方法の詳細な計算については、以下で説明します。

マクロインデンテーションテスト

「マクロインデンテーション」という用語は、1  kgf以上の大きな試験荷重を用いた試験に適用されます。マクロインデンテーション試験には、以下を含む様々な種類があります。

一般的に、異なる硬度試験の結果の間には単純な相関関係はありません。例えば、硬鋼には実用的な換算表がありますが、一部の材料は異なる測定方法において質的に異なる挙動を示します。しかしながら、ビッカース硬度とブリネル硬度は広い範囲で良好な相関関係を示します。これは、ブリネル硬度は高荷重時にのみ過大評価値を示すためです。

しかしながら、インデンテーション法は真の応力-ひずみ関係を抽出するために用いることができます。信頼性の高い結果を得るためには、一定の基準を満たす必要があります。例えば、比較的大きな体積を変形させる必要があるため、大きな荷重をかける必要があることなどが挙げられます。これらの手法はしばしば「インデンテーションプラストメトリー」という用語でまとめられており、これについては別の記事で説明します。

マイクロインデンテーション試験

「マイクロ硬度」という用語は、低荷重下での材料の硬度試験を説明するために、文献において広く用いられてきました。より正確な用語は「マイクロインデンテーション硬度試験」です。マイクロインデンテーション硬度試験では、特定の形状のダイヤモンド圧子を、1～1000 gfの既知の荷重（一般に「荷重」または「試験荷重」と呼ばれる）を用いて試験片の表面に押し込みます。マイクロインデンテーション試験では通常、2 N （約200 gf）の荷重がかかり 、約50 μmの圧痕が形成されます。マイクロ硬度試験は、その特異性により、微視的スケールでの硬度の変化を観察するために使用できます。しかしながら、マイクロ硬度測定を標準化することは困難です。ほとんどすべての材料において、マイクロ硬度はマクロ硬度よりも高いことが分かっているからです。さらに、マイクロ硬度の値は、材料の荷重や加工硬化の影響によって変化します。[ 3 ]最も一般的に使用される2つのマイクロ硬度試験は、マクロインデンテーション試験と同様に、より重い荷重でも適用できる試験である。

マイクロインデンテーション試験では、試験片の表面に形成された圧痕の測定値に基づいて硬度が算出されます。硬度は、加えられた力を圧痕自体の表面積で割った値に基づいて算出され、単位はkgf/mm 2となります。マイクロインデンテーション硬度試験は、ビッカース圧子とヌープ圧子を用いて行うことができます。ビッカース試験では、両方の対角線を測定し、その平均値からビッカースピラミッド数が算出されます。ヌープ試験では、長い方の対角線のみを測定し、圧痕の投影面積を加えられた力で割った値に基づいてヌープ硬度が算出され、単位はkgf/mm 2となります。

ビッカースマイクロインデンテーション試験は、ビッカースマクロインデンテーション試験と同様の方法で、同じピラミッドを用いて実施されます。ヌープ試験では、細長いピラミッドを用いて材料サンプルに圧痕を付けます。この細長いピラミッドは浅い圧痕を形成するため、脆性材料や薄い部品の硬度測定に適しています。ヌープ圧子とビッカース圧子はどちらも、正確な結果を得るために表面を研磨する必要があります。

3 gf または 9 gf の荷重で行うビアバウム マイクロキャラクター テストなどの低荷重でのスクラッチ テストは、従来の圧子を使用するマイクロ硬度計の開発に先行していました。1925 年に英国の Smith と Sandland は、ダイヤモンド製の正方形ベースのピラミッド型圧子を使用する押込みテストを開発しました。 [ 11 ]彼らは、試料のブリネル硬度にできるだけ近い硬度値を得るために、向かい合う面の間の角度が 136° のピラミッド型の形状を選択しました。ビッカース テストには、すべての材料をテストするために 1 つの硬度スケールを使用できるという大きな利点があります。低荷重のビッカース圧子に関する最初の言及は、1932 年の 国立物理学研究所の年次報告書に記載されました。

微小硬度試験に適用可能な荷重範囲については、文献によって見解が分かれています。例えば、ASTM規格E384では、微小硬度試験の荷重範囲は1～1000gfとされています。1kgf以下の荷重の場合、ビッカース硬度（HV）は、荷重（L ）の単位がグラム重、2本の対角線の平均（ d）の単位がミリメートルである 式で計算されます。

HV＝0.0018544×Ld2{\displaystyle HV=0.0018544\times {\tfrac {L}{d^{2}}}}

任意の荷重において、対角線長が短い場合、硬度は急激に増加し、荷重が減少するにつれてその影響はより顕著になります。したがって、低荷重では、小さな測定誤差が大きな硬度の偏差につながります。したがって、あらゆる試験では常に可能な限り高い荷重を使用する必要があります。また、曲線の垂直部分では、小さな測定誤差が大きな硬度の偏差につながります。

ナノインデンテーション試験

エラーの原因

インデンテーション試験における主な誤差要因は、技術の不備、装置の校正不良、そして試験工程におけるひずみ硬化効果です。しかしながら、「ひずみなし硬度試験」によって、小さなインデンテーションではこの影響が最小限であることが実験的に確認されています。[ 12 ]

部品と圧子の表面仕上げは、圧痕が表面粗さに比べて大きい限り、硬度測定に影響を与えません。これは、実用的な表面の硬度測定において有用であることが証明されています。また、微細なエッチングが施された圧子は、滑らかな圧子よりもはるかに読み取りやすい圧痕を残すため、浅い圧痕を残す場合にも役立ちます。[ 13 ]

圧子と荷重が取り除かれた後に残る圧痕は「回復」、つまりわずかに弾発的に戻ることが知られています。この効果は、正確にはシャローイング（浅化）と呼ばれます。球形圧子の場合、圧痕は対称的で球形のままですが、半径が大きくなります。非常に硬い材料の場合、半径は圧子の半径の3倍になることもあります。この効果は弾性応力の解放に起因します。この効果により、圧痕の直径と深さには誤差が生じます。直径の変化による誤差はわずか数パーセントですが、深さの変化による誤差はより大きくなることが知られています。[ 14 ]

荷重が圧痕に及ぼすもう一つの影響は、周囲の材料の堆積または沈み込みです。金属が加工硬化されている場合、材料は堆積して「クレーター」を形成する傾向があります。金属が焼き入れされている場合、圧痕の周囲に沈み込みます。これらの影響はいずれも、硬度測定の誤差を増加させます。[ 15 ]

降伏応力との関係

硬度を平均接触圧力（荷重/投影接触面積）として定義すると、多くの材料の降伏応力は拘束係数Cと呼ばれる定数によって硬度に比例します。[ 16 ]H{\displaystyle H}σy{\displaystyle \sigma _{y}}

H＝Cσy{\displaystyle H=C\sigma_{y}}

どこ：

C≈{3大きい E/σy （例：金属）1.5小さい E/σy （例：眼鏡）{\displaystyle C\approx {\begin{cases}3&{\text{large }}E/\sigma _{y}{\text{ (例: 金属)}}\\1.5&{\text{small }}E/\sigma _{y}{\text{ (例: ガラス)}}\end{cases}}}

硬度は、異なる圧縮破壊モードが適用される材料の一軸圧縮降伏応力とは異なります。一軸試験では材料は1次元的にのみ拘束されるため、せん断破壊が生じる可能性があります。一方、押込み硬度は3次元的に拘束されるため、せん断破壊が支配的になることを防ぎます。[ 16 ]

参照

参考文献

  1. ^ Pavlina, EJ; Van Tyne, CJ (2008). 「鋼の降伏強度および引張強度と硬度の相関関係」 . Journal of Materials Engineering and Performance . 17 (6): 888– 893. Bibcode : 2008JMEP...17..888P . doi : 10.1007/s11665-008-9225-5 . S2CID  135890256 .
  2. ^ Broitman, Esteban (2017年3月). 「マクロ、マイクロ、ナノスケールにおけるインデンテーション硬度測定：批判的概観」 . Tribology Letters . 65 (1) 23. doi : 10.1007/s11249-016-0805-5 . ISSN 1023-8883 . 
  3. ^ a b cマイヤーズとチャウラ（1999）：「材料の機械的挙動」、162-168。
  4. ^ Oliver, WC; Pharr, GM (1992年6月). 「荷重および変位センシングインデンテーション実験を用いた硬度および弾性率測定のための改良技術」 . Journal of Materials Research . 7 (6): 1564– 1583. Bibcode : 1992JMatR...7.1564O . doi : 10.1557/JMR.1992.1564 . ISSN 0884-2914 . S2CID 137098960 .  
  5. ^ Shnyrev、GD、Bulychev、SI、Alekhin、VP、MK Shorshorov、Ternovskii、AP (1975)。 「圧子の針入図からのヤング率の決定」。ザヴォツカヤ・ラボラトリーヤ。41 (9): 1137 ～ 1140 年。{{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
  6. ^ EBP ビッカース硬度試験http://www.hiebp.com
  7. ^ EBP ブリネル硬度試験http://www.hiebp.com
  8. ^ EBP ヌープ硬度試験http://www.hiebp.com
  9. ^ EBP ロックウェル硬度試験http://www.hiebp.com
  10. ^ EBP ショア硬度試験http://www.hiebp.com
  11. ^ RL SmithとGE Sandland、「高硬度の金属に特に焦点を当てた、金属の硬度を正確に測定する方法」機械学会論文集、第1巻、1922年、623～641ページ。
  12. ^タボル、16ページ。
  13. ^タボル、14ページ。
  14. ^タボル、14-15ページ。
  15. ^タボル、15ページ。
  16. ^ a bフィッシャー・クリップス、アンソニー・C. (2007).接触力学入門（第2版）. ニューヨーク：シュプリンガー. pp.  156– 157. ISBN 978-0-387-68188-7. OCLC  187014877 .

参考文献

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