JPH0850073A

JPH0850073A - 応力−歪挙動測定方法および装置

Info

Publication number: JPH0850073A
Application number: JP20597194A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Isomoto; 良則礒本
Original assignee: Toyo Techno Corp
Current assignee: Toyo Techno Corp
Priority date: 1994-08-08
Filing date: 1994-08-08
Publication date: 1996-02-20

Abstract

(57)【要約】【目的】速い歪速度、すなわち、速い衝突速度におけ
る試料の正確な応力−歪曲線を得ることができる応力−
歪挙動測定方法および装置を提供することを目的とす
る。【構成】試料（４）に、半径（Ｒ）の球状で、質量
（ｍ）の圧子（１）を任意の衝突速度（Ｖ）で衝突させ
ることにより生じた荷重（Ｆ）と、前記試料（４）およ
び前記圧子（１）との接触した時間である接触時間
（ｔ）との関係曲線を求め、前記圧子（１）の初期速度
（Ｖ₀ ）、および、前記圧子（１）が前記試料（４）に
衝突後に停止した時の境界条件から、所定式を解くこと
によって、応力（Ｐ）を縦軸（横軸）に、前記圧子
（１）の直径（Ｄ）に対する前記試料（４）におけるへ
こみ半径（ｄ）の比であるへこみ率（ｄ／Ｄ）を横軸
（縦軸）にプロットすることにより、応力−歪曲線を得
ることを特徴とする応力−歪挙動測定方法および装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、速い歪速度、すなわ
ち、速い衝突速度における試料の正確な応力−歪曲線を
求めるための応力−歪挙動測定方法および装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、応力−歪曲線を求める方法として
ＪＩＳＢ７７２１等に定められた試験機による低い
歪速度における引張試験（ＪＩＳＺ２２４１）ある
いは圧縮試験法（ＪＩＳＫ７２０８）がある。ま
た、比較的高い歪速度における試料の応力−歪曲線を求
める方法として打撃棒を用いた衝撃引張試験あるいは衝
撃圧縮試験法がある。いずれも、応力−歪曲線を得るに
は、まず、歪ゲージ等で測定された力を基準試料面積で
割った応力の経時変化を求め、クロスヘッドあるいは打
撃棒の移動速度が一定であるという前提条件に従って経
過時間を歪みに換算する方法が取られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の従来の
方法では歪みゲージ等の荷重検出器を用いて荷重−接触
時間を求めることはできるが、試料標点距離間の変位−
接触時間曲線を直接求めることは困難である。従っ
て、簡単に応力−歪曲線を得ることはできない。そこ
で、一般に時間に対応した変位を得るために、一定の速
度で試料を歪ませる。衝撃試験から応力−歪曲線を得
るには、打撃棒を大きくすることにより衝突中の速度を
できるだけ一定に保つ必要がある。しかし、打撃棒を
大きくすることによりその衝突速度が制約され、高い衝
突速度を得ることが非常に困難になる。また、衝突試
験においては、打撃棒が衝突し、停止するまでの間に必
ず速度変化を生ずる。従って、一定速度で衝突すると
いう前提で得られた応力−歪曲線は歪みの高い領域にお
いてより大きな誤差を生じるという問題がある。そこ
で、本発明は、速い歪速度、すなわち、速い衝突速度に
おける試料の正確な応力−歪曲線を得ることができる応
力−歪挙動測定方法および装置を提供することを目的と
する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、試料（４）
に、半径（Ｒ）の球状で、質量（ｍ）の圧子（１）を任
意の衝突速度（Ｖ）で衝突させることにより生じた荷重
（Ｆ）と、前記試料（４）および前記圧子（１）との接
触した時間である接触時間（ｔ）との関係曲線を求め、
前記圧子（１）の初期速度（Ｖ₀ ）、および、前記圧子
（１）が前記試料（４）に衝突後に停止した時の境界条
件から、以下に示されるように式を解くことによって、
応力（Ｐ）を縦軸（横軸）に、前記圧子（１）の直径
（Ｄ）に対する前記試料（４）におけるへこみ半径
（ｄ）の比であるへこみ率（ｄ／Ｄ）を横軸（縦軸）に
プロットすることにより、応力−歪曲線を得ることを特
徴とする応力−歪挙動測定方法である。運動方程式は、ｄＶ／ｄｔ＝−Ｆ／ｍ＝−αＣ／ｍ …（１）であ
る。前記式（１）を積分し、初期条件（ｔ＝０のときＶ＝Ｖ
₀ ）により、前記式任意の接触時間（ｔ）におけるＡ／Ｄ変換値（Ｃ）のみ
が得られ、荷重（Ｆ）が得られない場合には、境界条件
（ｔ＝ｔ₁ のときＶ＝０）より、式（２）から、さらに、式（２）を積分することにより、前記試料
（４）のへこみ深さ（ｘ）は、ここで、前記圧子（１）の接触面積（Ａ）を用いて接触
圧力、つまり、応力（Ｐ）は、となる。前記試料（４）の歪（ε）に相当する前記圧子
（１）の直径（Ｄ）に対するへこみ直径（ｄ）の比であ
るへこみ率（ｄ／Ｄ）は、へこみ深さ（ｘ）を用いて、ｄ／Ｄ＝√｛１−（１−ｘ／Ｒ）² ｝ …（５）ここで、荷重（Ｆ）と、荷重（Ｆ）のＡ／Ｄ変換値
（Ｃ）とは、Ｆ＝αＣの関係にあり、また、αは、変換
係数である。また、Ｖは、圧子（１）の速度（ｍ／
ｓ）、Ｒは、圧子（１）の半径（ｍ）、Ｆは、荷重
（Ｎ）、ｍは、圧子（１）の質量（Ｋｇ）、ｔは、圧子
（１）と試料（４）との接触時間（ｓ）、Ｖ₀ は、圧子
（１）の初期速度（ｍ／ｓ）、ｘは、試料（４）のへこ
み深さ（ｍ）、ｄは、試料（４）のへこみ直径（ｍ）、
Ｄは、圧子（１）の直径（ｍ）、Ｐは、接触圧力、つま
り、応力（Ｐａ）とする。

【０００５】さらに、本発明は、球状の圧子（１）と、
前記圧子（１）を付勢し、発射する圧子発射装置と、前
記発射された圧子（１）が衝突される試料（４）と、試
料（４）の下に密着され、前記発射された圧子（１）へ
の前記試料（４）の衝突により電圧を出力する荷重検出
手段（２）と、前記荷重検出手段（２）を載置する荷重
台（３）と、前記荷重検出手段（２）に電気的に接続さ
れるＡ／Ｄ変換器（５）と、前記Ａ／Ｄ変換器（５）に
電気的に接続され、前記荷重検出手段（２）から出力さ
れ、前記Ａ／Ｄ変換器（５）を介して入力される電圧に
基づき計算するコンピューター（６）と、前記圧子
（１）の前記試料（４）への衝突速度を測定する圧子速
度測定装置と、から成ることを特徴とする応力−歪挙動
測定装置である。

【０００６】さらに、本発明は、球状の圧子（１）と、
前記圧子（１）を付勢し、発射する圧子発射装置と、前
記発射された圧子（１）が衝突される試料（４）と、試
料（４）の下に密着されるプレート（８）と、前記プレ
ート（８）の下に密着され、前記発射された圧子（１）
への前記試料（４）の衝突により電圧を出力する荷重検
出手段（２）と、前記プレート（８）を載置し、前記荷
重検出手段（２）を凹部（３ａ）内の空間に保持する荷
重台（３）と、前記荷重検出手段（２）に電気的に接続
されるＡ／Ｄ変換器（５）と、前記Ａ／Ｄ変換器（５）
に電気的に接続され、前記荷重検出手段（２）から出力
され、前記Ａ／Ｄ変換器（５）を介して入力される電圧
に基づき計算するコンピューター（６）と、前記圧子
（１）の前記試料（４）への衝突速度を測定する圧子速
度測定装置と、から成ることを特徴とする応力−歪挙動
測定装置である。

【０００７】

【作用】本発明によれば、まず、打撃手段を小さくし、
球状の圧子１を用いた。これによって衝突速度を高め
ることができ、超音速領域にまで展開することができ
る。しかし、打撃手段である圧子１を小さくすること
により、衝突開始から停止するまでの速度変化は衝突直
後から大きくなる。そこで、球状の圧子１を試料４に衝
突させ、試料４をへこませる。この時、試料４の裏側
に貼られた荷重検出手段である圧電素子２、あるいは、
歪ゲージ２に検出された荷重−接触時間曲線を求め、次
に、圧子１が試料４に衝突する時の初期条件、および、
圧子１が試料４に衝突後に停止したときの境界条件か
ら、所定方程式を解くことにより、圧子１の接触時の正
確な応力−歪曲線を得ることができる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明を図面を参照してその実施例に
基づいて説明する。図１（ａ）には、応力−歪挙動測定
装置１０ａが示される。球状の圧子１は、図示されない
圧子発射装置であるガス銃により付勢され、発射され
る。圧子１は、例えば、直径３．１８mmの鋼球、また
は、直径３mmのタングステンカーバイド球を用いた。
圧子発射装置は、圧子１を付勢し、発射する装置であれ
ば、ガス銃に限定されない。試料４は、アルミニウム
等の金属、合成樹脂から成り、発射された圧子１が衝突
される。試料４に対する圧子１の硬さ比が大きけれ
ば、測定結果は圧子１の材質の影響を受けない。荷重
検出手段は、圧電素子２、または、歪ゲージ２から成
り、試料４の下に密着され、発射された圧子１への試料
４の衝突により電圧を出力する。荷重台３は、荷重検
出手段である圧電素子２、または、歪ゲージ２を載置す
る。Ａ／Ｄ変換器５は、圧電素子２、または、歪ゲー
ジ２に電気的に接続される。コンピューター６は、Ａ
／Ｄ変換器５に電気的に接続され、圧電素子２、また
は、歪ゲージ２から出力され、Ａ／Ｄ変換器５を介して
入力される電圧に基づき計算する装置である。この結
果は、ディスプレイ装置で表示されたり、あるいは、プ
リンターで印刷される。図示されない圧子速度測定装置
は、圧子１の試料４への衝突速度を測定する装置で、２
個のフォトダイオード等から成る。

【０００９】図１（ｂ）には、応力−歪挙動測定装置１
０ｂが示される。図１（ａ）の応力−歪挙動測定装置
１０ａと大部分の構成は共通するが、試料４の下にプレ
ート８が密着され、プレート８の下に圧電素子２、また
は、歪ゲージ２が密着され、プレート８は、荷重台３上
に載置され、圧電素子２、または、歪ゲージ２は、荷重
台３に設けられた凹部３ａ内の空間に位置する。プレ
ート８の材料はナイロンに限定されない。

【００１０】本発明方法は、試料４に、半径（Ｒ）の球
状で、質量（ｍ）の圧子１を任意の衝突速度（Ｖ）で衝
突させることにより生じた荷重（Ｆ）と、試料４および
圧子１との接触した時間である接触時間（ｔ）との関係
曲線を求め、圧子１の初期速度（Ｖ₀ ）、および、圧子
１が試料４に衝突後に停止した時の境界条件から、以下
に示されるように式を解くことによって、応力（Ｐ）を
縦軸（横軸）に、圧子１の直径（Ｄ）に対する試料４に
おけるへこみ半径（ｄ）の比であるへこみ率（ｄ／Ｄ）
を横軸（縦軸）にプロットすることにより、応力−歪曲
線を得ることを特徴とする応力−歪挙動測定方法であ
る。

【００１１】運動方程式は、ｄＶ／ｄｔ＝−Ｆ／ｍ＝−αＣ／ｍ …（１）であ
る。前記式（１）を積分し、初期条件（ｔ＝０のときＶ＝Ｖ
₀ ）により、前記式任意の接触時間（ｔ）におけるＡ／Ｄ変換値（Ｃ）のみ
が得られ、荷重（Ｆ）が得られない場合には、境界条件
（ｔ＝ｔ₁ のときＶ＝０）より、式（２）から、さらに、式（２）を積分することにより、前記試料
（４）のへこみ深さ（ｘ）は、ここで、前記圧子（１）の接触面積（Ａ）を用いて接触
圧力、つまり、応力（Ｐ）は、となる。試料４の歪（ε）に相当する圧子１の直径
（Ｄ）に対するへこみ直径（ｄ）の比であるへこみ率
（ｄ／Ｄ）は、へこみ深さ（ｘ）を用いて、ｄ／Ｄ＝√｛１−（１−ｘ／Ｒ）² ｝ …（５）とな
る。

【００１２】ここで、荷重（Ｆ）と、荷重（Ｆ）のＡ／
Ｄ変換値（Ｃ）とは、Ｆ＝αＣの関係にあり、また、α
は、変換係数である。また、Ｖは、圧子（１）の速度
（ｍ／ｓ）、Ｒは、圧子（１）の半径（ｍ）、Ｆは、荷
重（Ｎ）、ｍは、圧子（１）の質量（Ｋｇ）、ｔは、圧
子（１）と試料（４）との接触時間（ｓ）、Ｖ₀ は、圧
子（１）の初期速度（ｍ／ｓ）、ｘは、試料（４）のへ
こみ深さ（ｍ）、ｄは、試料（４）のへこみ直径
（ｍ）、Ｄは、圧子（１）の直径（ｍ）、Ｐは、接触圧
力、つまり、応力（Ｐａ）とする。

【００１３】上述の応力−歪曲線を求める手順が図２
（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示される。最初に、ガス
銃から圧子１が発射され、試料４に衝突され、この衝突
による押圧力、および、圧子１と試料４との接触時間に
対応した電圧が圧電素子２から出力される。図１（ａ）
の応力−歪挙動測定装置１０ａを用いた場合、圧電素子
２から出力された電圧をそのまま、Ａ／Ｄ変換器５を通
して得られたＡ／Ｄ変換値と、圧子１と試料４との接触
時間の関係が図２（ａ）に示される。図１（ｂ）の応力
−歪挙動測定装置１０ｂを用いた場合には、圧電素子２
から出力された電圧が、アンプ７で増幅された後に、Ａ
／Ｄ変換器５を通して得られたＡ／Ｄ変換値と接触時間
の関係が、図２（ａ）に示される。

【００１４】次に、図２（ａ）を図積分することによ
り、図２（ｂ）に示されるように、圧子１の速度−接触
時間が得られ、ここで圧子１の初速Ｖ₀ は、フォトダイ
オード等から成る図示されない圧子速度測定装置で測定
された速度とする。さらに図２（ｂ）を図積分すること
により、図２（ｃ）に示されるように、圧子１の侵入深
さ、つまり、試料４のへこみ深さ−接触時間曲線が得ら
れる。圧子１の試料４への侵入による試料４の最終へこ
み深さ（ｘ₁ ）を顕微鏡で実測することにより、圧子１
の侵入深さ、つまり、試料４のへこみ深さ（ｘ）が求め
られ、以下の方程式（１）（２）（３）（４）をコンピ
ューター６により計算することにより、図２（ａ）
（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示される曲線が求められる。

【００１５】仮に、Ａ／Ｄ変換値に対応する荷重値が分
からなくても、初期条件および境界条件により、上述の
式（２ａ）等により、関係曲線の全てが確定する。任
意の接触時間における荷重を上述の方程式（４）で示さ
れるように接触面積２πＲｘで割った接触圧力（応力）
曲線は図２（ｄ）に示されるようになる。

【００１６】さらに、本発明方法は、上述の応力−歪挙
動測定方法において、式（４）の代わりに、式（４）の
代わりに、以下の式（４ａ）を用い、前記式（３）で求
められる（ｘ）を代入して解くことを特徴とする応力−
歪挙動測定方法である。Ｐ＝Ｆ／Ａ＝Ｆ／｛πｘ（２Ｒ−ｘ）｝ …（４ａ）接触面積の代わりに、へこみ直径をｄとした場合のへこ
みの投影面積｛πｘ（２Ｒ−ｘ）｝で割った値も、ま
た、接触圧力と見做すこともでき、評価が異なる。こ
の場合、式（４）の分母が異なるのみで、手順は全く同
じである。

【００１７】さらに、本発明方法は、以下の式（６）を
加えて解く応力−歪挙動測定方法である。ここで、前記
接触時間（ｔ）が、長く測定された場合、（ｔ’＝β
ｔ、ただし、β＞１）となり、前記試料（４）の最終へ
こみ深さ（ｘ₁ ）を用いて、境界条件（ｔ＝ｔ₁ ＝ｔ’
／βのときｘ＝ｘ₁ ）および前記式（３）から、となり、βおよびｔ₁ を求めることができる。ここで、
ｘ₁ は、試料（４）の最終へこみ深さ（ｍ）である。図
１（ｂ）に示される荷重検出装置では、例えば、プレー
ト８がたわむことによって接触時間は長くなる。しか
し、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）の手順にも示すよう
に、境界条件によって荷重−接触時間は修正される。

【００１８】さらに、本発明は、以下の式（７）を加え
て解き、前記応力（Ｐ）を縦軸（横軸）に、前記試料
（４）の歪（ε）を横軸（縦軸）にプロットすることに
より、応力−歪曲線を得ることを特徴とする応力−歪挙
動測定方法である。ここで、前記歪（ε）と、前記へこ
み率（ｄ／Ｄ）との関係は、 ε＝０．２ｄ／Ｄ…（７）とする。この式（７）は、 Tabor (The Hardness of Metals.195
1)の経験式に基づくものである。

【００１９】図３（ａ）（ｂ）は、圧子１は、直径３．
１８ｍｍの鋼球、試料４は、アルミニウムから成り、圧
電素子２を用いた図１（ａ）の応力−歪挙動測定装置１
０ａで得られたＡ／Ｄ変換値−接触時間曲線、および、
応力−接触時間曲線を示す。図４（ａ）（ｂ）は、圧子
１は、直径３．１８ｍｍの鋼球、試料４は、アルミニウ
ムから成り、圧電素子２を用いた図１（ｂ）の応力−歪
挙動測定装置１０ｂで得られたＡ／Ｄ変換値−接触時間
曲線、および、応力−接触時間曲線を示す。図３（ａ）
（ｂ）の初期時間にバラツキが見られるが、これはＡ／
Ｄ変換器の取込速度（μs ）が不充分であるためであ
る。図３（ａ）（ｂ）、図４（ａ）（ｂ）において、両
者の違いは弾性変形領域の大きさにあり、検出装置の特
性と見られる。図１（ｂ）の応力−歪挙動測定装置１
０ｂではプレート８がたわむことにより、図４（ａ）に
示されるように接触時間は約４０μs となる。図２
（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）の手順に従えば、図４（ｂ）
に示されるように、実質接触時間は図３（ａ）と一致す
る。これらの図から、いずれも弾性変形領域、降伏
点、塑性変形領域が存在すること、極限強さは、ほぼ一
致することが分かる。

【００２０】図５は、圧子１は、直径３．１８ｍｍの鋼
球、試料４は、アルミニウムから成り、圧電素子２を用
いた図１（ｂ）の応力−歪挙動測定装置１０ｂで得られ
た各衝突速度における応力−接触時間曲線を示す。圧子
１の衝突によってへこみを形成する場合の歪み速度εは
標点がないために、ＪＩＳ規格の定義に合わない。そ
こで、次の近似式（ａ）を用いる。 ε＝０．１８Ｖ^1/2/〔Ｒ（３Ｐ/ ２ρ)^1/4〕 …（ａ）ただし、ｖは衝突速度、Ｒは圧子１の半径、Ｐは試料４
の硬さ、ρは試料４の密度である。例えば１３m/s の衝
突速度でアルミニウムから成る試料４に、３．１８mmの
鋼球から成る圧子１が衝突する時の歪速度は、７．９×
１０³ 1/s となり、１２５ m/sでは２．４×１０⁴ 1/s
となる。従って、図５は歪速度が上昇するにつれてい
わゆる弾性定数は小さくなり、その後の降伏応力は大き
くなる傾向があることを示す。また、歪速度が大きい
程、最終応力は小さくなった。

【００２１】図６は、圧子１は、直径３．１８ｍｍの鋼
球、歪ゲージ２を用いた図１（ｂ）の応力−歪挙動測定
装置１０ｂで得られた応力−歪曲線を示す。試料４
は、アルミニウム、あるいは、純鉄、あるいは、鋳鉄か
ら成る。どの試料４についても曲線は右上りとなってお
り、その傾向は試料４の間で大差はない。しかし、応
力値は試料４によって異なることが分かる。図７（ａ）
（ｂ）は、圧子１は、直径３．１８ｍｍのタングステン
カーバイド球、圧電素子２を用いた図１（ｂ）の応力−
歪挙動測定装置１０ｂで得られた応力−歪曲線を示す。
試料４は、焼入炭素工具鋼、焼戻炭素工具鋼、純鉄、
あるいは、鋳鉄から成る。この図から試料４の材質に
よって特徴的な応力−歪曲線が得られることが分かる。
荷重の検出手段に圧電素子２、あるいは、歪みゲージ
２を用いるかによって応力−歪曲線が異なるが、これは
荷重の検出手段の特性による。

【００２２】図７（ａ）（ｂ）の場合において、図８
（ａ）に示されるように、焼入炭素工具鋼から成る試料
４に圧子１が、１５０ｍ／ｓの速度で衝突した場合が示
され、へこみの外輪部から放射状の割れが発生し、さら
に、へこみ表面にリング状の割れが発生し、圧子１の衝
突後に脱離した。また、図８（ｂ）に示されるように、
鋳鉄から成る試料４に圧子１が、１１０ｍ／ｓの速度で
衝突した場合が示され、へこみ表面から下方に微細な亀
裂が発生した。これにより、圧電素子２を用いた応力
−歪曲線に見られた降伏点以後の応力の低下は割れや亀
裂の発生を反映している可能性がある。図９は、ＪＩＳ
規格に従って行われた従来方法である低歪速度における
圧縮試験による応力−歪曲線を示し、図１０は、直径
３．１８mmの鋼球から成る圧子１を用いた本発明の一実
施例方法による応力−歪曲線を示す。試料４は、共に
アルミニウムから成る。上述の式（７）を適用し、従来
方法の圧縮試験による応力−歪曲線が公称応力−公称歪
曲線であることを考慮すれば、へこみの初期を除き両者
の傾向は、穂飛んど一致する。応力値は押込み試験の
方が高い。これは従来方法の圧縮試験が単軸圧縮であ
るのに対し、図１０の本発明の一実施例が３次元圧縮で
あることによる。また、接触面積を用いた接触応力
が、真応力であるのに対し、投影面積を用いた接触応力
が、公称応力との見方も出来る。

【００２３】また、図５と、図１０を比較するとアルミ
ニウムから成る試料４の場合、高い歪速度の方が応力値
が大きく、応力−歪曲線の挙動に対しても歪速度の影響
がよく現れていることが分かる。一般に歪速度の違いに
よって試料の機械的性質は異なる。ところが、打撃棒
を用いた衝撃試験では５０m/s 以下の衝突速度、つま
り、歪速度で言えば、１０⁴(1/s)程度であり、それ以
上、歪速度を得るには装置が大掛かりになる等困難の度
を増す。本発明によって１０⁵(1/s)以上、すなわち、超
音速領域の応力−歪曲線を得ることも可能である。ま
た、試料の作成も簡単であり、従来通りの歪み速度にお
いて試験を簡単に行うことができる。

【００２４】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように、速い歪
速度、すなわち、速い衝突速度における試料の正確な応
力−歪曲線を得ることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の応力−歪挙動測定装置の部分
断面図である。

【図２】本発明の実施例の応力−歪挙動測定方法による
圧子と試料の接触時間とＡ／Ｄ変換値、圧子速度、へこ
み深さ、応力との関係曲線図である。

【図３】本発明の実施例の応力−歪挙動測定方法による
圧子と試料の接触時間とＡ／Ｄ変換値、応力との関係曲
線図である。

【図４】本発明の実施例の応力−歪挙動測定方法による
圧子と試料の接触時間とＡ／Ｄ変換値、応力との関係曲
線図である。

【図５】本発明の実施例の応力−歪挙動測定方法による
応力と歪との関係曲線図である。

【図６】本発明の実施例の応力−歪挙動測定方法による
応力と歪との関係曲線図である。

【図７】本発明の実施例の応力−歪挙動測定方法による
応力と歪との関係曲線図である。

【図８】本発明の実施例の応力−歪挙動測定方法による
試料のへこみ状態説明図である。

【図９】従来方法による応力と歪との関係曲線図であ
る。

【図１０】本発明の実施例の応力−歪挙動測定方法によ
る応力と歪との関係曲線図である。

【符号の説明】

１圧子２圧電素子３荷重台４
試料５Ａ／Ｄ変換器６コンピューター７アンプ８プレート

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【手続補正書】

【提出日】平成７年３月１７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図８】本発明の実施例の応力−歪挙動測定方法による
試料のへこみ状態を示す写真である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料（４）に、半径（Ｒ）の球状で、質量
（ｍ）の圧子（１）を任意の衝突速度（Ｖ）で衝突させ
ることにより生じた荷重（Ｆ）と、前記試料（４）およ
び前記圧子（１）との接触した時間である接触時間
（ｔ）との関係曲線を求め、前記圧子（１）の初期速度（Ｖ₀ ）、および、前記圧子
（１）が前記試料（４）に衝突後に停止した時の境界条
件から、以下に示されるように式を解くことによって、応力（Ｐ）を縦軸（横軸）に、前記圧子（１）の直径
（Ｄ）に対する前記試料（４）におけるへこみ半径
（ｄ）の比であるへこみ率（ｄ／Ｄ）を横軸（縦軸）に
プロットすることにより、応力−歪曲線を得ることを特
徴とする応力−歪挙動測定方法。運動方程式は、ｄＶ／ｄｔ＝−Ｆ／ｍ＝−αＣ／ｍ …（１）であ
る。前記式（１）を積分し、初期条件（ｔ＝０のときＶ＝Ｖ
₀ ）により、前記式任意の接触時間（ｔ）におけるＡ／Ｄ変換値（Ｃ）のみ
が得られ、荷重（Ｆ）が得られない場合には、境界条件
（ｔ＝ｔ₁ のときＶ＝０）より、式（２）から、さらに、式（２）を積分することにより、前記試料
（４）のへこみ深さ（ｘ）は、ここで、前記圧子（１）の接触面積（Ａ）を用いて接触
圧力、つまり、応力（Ｐ）は、となる。前記試料（４）の歪（ε）に相当する前記圧子
（１）の直径（Ｄ）に対するへこみ直径（ｄ）の比であ
るへこみ率（ｄ／Ｄ）は、へこみ深さ（ｘ）を用いて、ｄ／Ｄ＝√｛１−（１−ｘ／Ｒ）² ｝ …（５）と
する。ここで、荷重（Ｆ）と、荷重（Ｆ）のＡ／Ｄ変換値
（Ｃ）とは、Ｆ＝αＣの関係にあり、また、αは、変換
係数である。また、Ｖは、圧子（１）の速度（ｍ／
ｓ）、Ｒは、圧子（１）の半径（ｍ）、Ｆは、荷重
（Ｎ）、ｍは、圧子（１）の質量（Ｋｇ）、ｔは、圧子
（１）と試料（４）との接触時間（ｓ）、Ｖ₀ は、圧子
（１）の初期速度（ｍ／ｓ）、ｘは、試料（４）のへこ
み深さ（ｍ）、ｄは、試料（４）のへこみ直径（ｍ）、
Ｄは、圧子（１）の直径（ｍ）、Ｐは、接触圧力、つま
り、応力（Ｐａ）とする。
【請求項２】請求項１記載の応力−歪挙動測定方法に
おいて、式（４）の代わりに、以下の式（４ａ）を用
い、前記式（３）で求められる（ｘ）を代入して解くこ
とを特徴とする応力−歪挙動測定方法。Ｐ＝Ｆ／Ａ＝Ｆ／｛πｘ（２Ｒ−ｘ）｝ …（４ａ）
【請求項３】以下の式（６）を加えて解く請求項１ま
たは２記載の応力−歪挙動測定方法。ここで、前記接触
時間（ｔ）が、長く測定された場合、（ｔ’＝βｔ、た
だし、β＞１）となり、前記試料（４）の最終へこみ深さ（ｘ₁ ）を用いて、境
界条件（ｔ＝ｔ₁ ＝ｔ’／βのときｘ＝ｘ₁ ）および
前記式（３）から、となり、βおよびｔ₁ を求めることができる。ここで、
ｘ₁ は、試料（４）の最終へこみ深さ（ｍ）である。
【請求項４】以下の式（７）を加えて解き、前記応力
（Ｐ）を縦軸（横軸）に、前記試料（４）の歪（ε）を
横軸（縦軸）にプロットすることにより、応力−歪曲線
を得る請求項１から３のいずれかに記載の応力−歪挙動
測定方法。ここで、前記歪（ε）と、前記へこみ率（ｄ
／Ｄ）との関係は、 ε＝０．２ｄ／Ｄ…（７）とする。
【請求項５】球状の圧子（１）と、前記圧子（１）を付勢し、発射する圧子発射装置と、前記発射された圧子（１）が衝突される試料（４）と、試料（４）の下に密着され、前記発射された圧子（１）
への前記試料（４）の衝突により電圧を出力する荷重検
出手段（２）と、前記荷重検出手段（２）を載置する荷重台（３）と、前記荷重検出手段（２）に電気的に接続されるＡ／Ｄ変
換器（５）と、前記Ａ／Ｄ変換器（５）に電気的に接続され、前記荷重
検出手段（２）から出力され、前記Ａ／Ｄ変換器（５）
を介して入力される電圧に基づき計算するコンピュータ
ー（６）と、前記圧子（１）の前記試料（４）への衝突速度を測定す
る圧子速度測定装置と、から成ることを特徴とする応力−歪挙動測定装置。
【請求項６】球状の圧子（１）と、前記圧子（１）を付勢し、発射する圧子発射装置と、前記発射された圧子（１）が衝突される試料（４）と、試料（４）の下に密着されるプレート（８）と、前記プレート（８）の下に密着され、前記発射された圧
子（１）への前記試料（４）の衝突により電圧を出力す
る荷重検出手段（２）と、前記プレート（８）を載置し、前記荷重検出手段（２）
を凹部（３ａ）内の空間に保持する荷重台（３）と、前記荷重検出手段（２）に電気的に接続されるＡ／Ｄ変
換器（５）と、前記Ａ／Ｄ変換器（５）に電気的に接続され、前記荷重
検出手段（２）から出力され、前記Ａ／Ｄ変換器（５）
を介して入力される電圧に基づき計算するコンピュータ
ー（６）と、前記圧子（１）の前記試料（４）への衝突速度を測定す
る圧子速度測定装置と、から成ることを特徴とする応力−歪挙動測定装置。
【請求項７】前記荷重検出手段（２）はアンプ（７）を
介して前記Ａ／Ｄ変換器（５）に電気的に接続される請
求項５または６記載の応力−歪挙動測定装置。
【請求項８】前記荷重検出手段（２）は、圧電素子、
あるいは、歪ゲージから構成される請求項５から７のい
ずれかに記載の応力−歪挙動測定装置。