JP2013019862A - Indenter, hardness testing device, and hardness testing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧子、硬さ試験機、及び硬さ試験方法に関する。 The present invention relates to an indenter, a hardness tester, and a hardness test method.
従来、試料の表面に所定の荷重を負荷した圧子を押込んでくぼみを形成する過程において、試験力（圧子に負荷される力）と、押込み深さ（圧子の変位量）とを連続して計測し、得られた押込み曲線を解析することにより、材料の機械的性質を求める計装化押込み試験（ナノインデンテーション）と称される試験方法が知られている。
かかる計装化押込み試験は、薄膜材料に適した硬さ試験として注目されているが、近年では、弾性が大きくくぼみが形成されにくいポリマー材料に対する試験方法としても注目されており、その利用範囲は拡大している。
Conventionally, the test force (force applied to the indenter) and the indentation depth (displacement amount of the indenter) are continuously measured in the process of indenting the indenter with a predetermined load applied to the surface of the sample. In addition, a test method called an instrumented indentation test (nanoindentation) for determining the mechanical properties of a material by analyzing the obtained indentation curve is known.
This instrumented indentation test is attracting attention as a hardness test suitable for thin film materials, but in recent years it has also attracted attention as a test method for polymer materials that have high elasticity and are difficult to form indentations. It is expanding.
図８に、試験力（Ｆ）［ｍＮ］と、押込み深さ（ｈ）［ｎｍ］とを連続的に計測して測定された、一般的な押込み曲線（押込み履歴線）を示す。
押込み曲線は、荷重負荷曲線と荷重除荷曲線とからなる。
荷重負荷曲線は、設定した最大試験力（Ｆｍａｘ）に到達するまで圧子に負荷する荷重が漸増されていく荷重負荷工程により得られ、荷重除荷曲線は、圧子に負荷された荷重が最大試験力に到達した後、当該荷重が漸減されていく荷重除荷工程により得られる。
FIG. 8 shows a general indentation curve (indentation history line) measured by continuously measuring the test force (F) [mN] and the indentation depth (h) [nm].
The indentation curve is composed of a load load curve and a load unload curve.
The load load curve is obtained by a load loading process in which the load applied to the indenter is gradually increased until the set maximum test force (F max ) is reached, and the load unloading curve is the maximum test for the load loaded on the indenter. After reaching the force, it is obtained by a load unloading process in which the load is gradually reduced.
上記のような計装化押込み試験の結果の解析方法としては、例えば、最大押込み深さから圧子の幾何学形状を基にくぼみの表面積相当量を換算し、最大試験力からくぼみの面積相当量を除すことで得られるマルテンス硬さ（ＨＭ）や、除荷挙動を考慮し残留くぼみの表面積相当量を推測することで得られ、ビッカース硬さと相関がある値として扱われる押込み硬さ（ＨＩＴ）などのパラメータを求める方法が国際規格ＩＳＯ１４５７７により規格化されている。
しかしながら、もともとビッカースくぼみが形成されにくい薄膜材料やポリマー材料に対しては、上述のようなくぼみの面積相当量を用いる解析方法に意味がなく、実際、工業的現場においては最大押込み深さが大きいか小さいかの比較試験により評価されている場合が多い。
このような背景から、最大押込み深さの評価に有益な試験方法への要望が高まっている。
As an analysis method of the result of the instrumented indentation test as described above, for example, the equivalent surface area of the dent is converted from the maximum indentation depth based on the geometric shape of the indenter, and the equivalent area of the dent is calculated from the maximum test force. The indentation hardness (H) obtained by considering the Martens hardness (HM) obtained by dividing the unloading behavior and the surface area equivalent to the residual indentation in consideration of the unloading behavior, and treated as a value correlated with the Vickers hardness A method for obtaining parameters such as IT ) is standardized by the international standard ISO14577.
However, for thin film materials and polymer materials where Vickers dents are not easily formed, there is no meaning in the analysis method using the equivalent area of the dents as described above. In fact, the maximum indentation depth is large at industrial sites. In many cases, it is evaluated by comparative tests of small or small.
Against this background, there is an increasing demand for test methods useful for evaluating the maximum indentation depth.
ここで、通常、錐形圧子や球形圧子を用いた硬さ試験においては、試験力と押込み深さとの間に比例関係は成立しない（図８参照）が、仮にこれらの間に比例関係が成立すれば、最大押込み深さの評価に利用しやすいと考えられる。
試験力と押込み深さとの間に比例関係が成立する例としては、例えば、平面圧子による粒状物試料の圧縮試験が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。
Here, normally, in a hardness test using a cone-shaped indenter or a spherical indenter, no proportional relationship is established between the test force and the indentation depth (see FIG. 8), but a proportional relationship is established between them. If this is the case, it can be easily used for evaluation of the maximum indentation depth.
As an example in which a proportional relationship is established between the test force and the indentation depth, for example, a compression test of a granular material sample using a planar indenter can be cited (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、薄膜材料やポリマー材料は平面形状の試料とされるのが一般的であり、平面圧子を平面形状の試料に対して用いた場合、初期接触時に当該平面圧子の周縁部が試料に接触してしまうという問題がある。
このように、平面試料に対して硬さ試験を行う場合、試験力と押込み深さとの間に比例関係を成立させることのできる試験方法は未だ提案されていない。
However, thin film materials and polymer materials are generally used as planar samples. When a planar indenter is used on a planar sample, the peripheral portion of the planar indenter contacts the sample during initial contact. There is a problem that it ends up.
Thus, when a hardness test is performed on a flat sample, a test method that can establish a proportional relationship between the test force and the indentation depth has not yet been proposed.
本発明の課題は、硬さ試験において、試験力と押込み深さとの間に比例関係を成立させることのできる圧子、硬さ試験機、及び硬さ試験方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide an indenter, a hardness tester, and a hardness test method capable of establishing a proportional relationship between a test force and an indentation depth in a hardness test.
前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
試料の試験面に対して垂直に押込まれる圧子において、
試料の試験面と接触する前記圧子の先端部の曲率半径（Ｒ）と、前記圧子の押込み深さ（ｈ）との間には、下記式の関係が成立していることを特徴とする。
Ｒ＝ａ１・ｈ−１
但し、ａ１は比例定数である。
In order to solve the above problem, the invention according to claim 1 is:
In the indenter that is pushed perpendicular to the test surface of the sample,
The relationship of the following formula is established between the radius of curvature (R) of the tip of the indenter that contacts the test surface of the sample and the indentation depth (h) of the indenter.
R = a 1 · h −1
However, a 1 is a proportionality constant.
請求項２に記載の発明は、
試料の試験面に対して垂直に押込まれる圧子において、
試料の試験面と接触する前記圧子の先端部の中心を通る中心軸に対する前記圧子の稜線の角度（θ）と、前記圧子の押込み深さ（ｈ）との間には、下記式の関係が成立していることを特徴とする。
θ＝ｔａｎ−１（β１／ｈ）
但し、β１は比例定数である。
The invention described in
In the indenter that is pushed perpendicular to the test surface of the sample,
The relationship between the angle (θ) of the ridge line of the indenter with respect to the central axis passing through the center of the tip of the indenter that contacts the test surface of the sample and the indentation depth (h) of the indenter has the following relationship: It is characterized by being established.
θ = tan −1 (β 1 / h)
However, beta 1 is a proportionality constant.
請求項３に記載の発明は、
硬さ試験機において、
請求項１又は２に記載の圧子に所定の荷重を負荷し、荷重が負荷された前記圧子を試料の試験面に押込んでくぼみを形成するくぼみ形成機構と、
当該くぼみの形成時の前記圧子の押込み深さと前記圧子に負荷された試験力とを検出した押込み履歴線を計測する計測手段と、
を備えることを特徴とする。
The invention according to
In the hardness tester,
A depression forming mechanism that applies a predetermined load to the indenter according to claim 1 and pushes the loaded indenter into a test surface of a sample to form a depression;
Measuring means for measuring an indentation history line that detects the indentation depth of the indenter and the test force loaded on the indenter when the depression is formed;
It is characterized by providing.
請求項４に記載の発明は、
硬さ試験方法において、
請求項１又は２に記載の圧子に所定の荷重を負荷し、試料の試験面に押込んでくぼみを形成し、当該くぼみの形成時の前記圧子の押込み深さと前記圧子に負荷された試験力とを検出した押込み履歴線を計測することを特徴とする。
The invention according to
In the hardness test method,
A predetermined load is applied to the indenter according to
本発明によれば、硬さ試験において、試験力と押込み深さとの間に比例関係を成立させることができる。
よって、試験力に対する相似則が成り立つため、最大押込み深さの評価を効果的に行うことができる。
According to the present invention, a proportional relationship can be established between the test force and the indentation depth in the hardness test.
Therefore, since the similarity law with respect to the test force is established, the maximum indentation depth can be effectively evaluated.
以下、図を参照して、本発明に係る硬さ試験機及び硬さ試験方法について、詳細に説明する。 Hereinafter, a hardness tester and a hardness test method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本実施形態における硬さ試験機１００は、圧子３に負荷する荷重（試験力）と、圧子３の変位量（押込み深さ）とを連続してモニター可能な計装化押込み試験機である。
The
硬さ試験機１００には、例えば、図１及び図２に示すように、各構成部材が配設される硬さ試験機本体１と、硬さ試験機本体１を統括的に制御する制御部１０と、などが備えられている。
For example, as shown in FIGS. 1 and 2, the
試験機本体１は、くぼみ形成機構として、試料ＳをＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させるＸＹＺステージ（試料台）２と、試料Ｓにくぼみを形成する圧子３を一端に有する荷重レバー４と、荷重レバー４に所定の荷重（試験力）を負荷する荷重負荷部５と、圧子３の変位量を検出する変位計６と、試料Ｓの表面に形成されたくぼみ等を撮影する撮影部７と、表示部８と、操作部９と、などを備えて構成される。
The test machine main body 1 has, as a recess formation mechanism, an XYZ stage (sample stage) 2 that moves the sample S in the X, Y, and Z directions, a
ＸＹＺステージ２は、制御部１０から入力される制御信号に従って、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向（即ち、水平方向及び垂直方向）に移動するよう構成されており、試料Ｓは、ＸＹＺステージ２によって前後左右及び上下に移動されて、圧子３に対する位置が調整されるようになっている。
また、ＸＹＺステージ２は、試験測定中に上面に載置された試料Ｓがずれないように試料保持台２ａにより試料Ｓを保持している。
なお、ＸＹＺステージ２の表面と、試料Ｓの試験面とは必ずしも平行とは限らない。
The XYZ
Further, the XYZ
Note that the surface of the
試料Ｓとしては、例えば、ＤＬＣ、シリコンゴム、天然ゴム等が挙げられる。即ち、本実施形態の硬さ試験機１００は、蒸着膜、半導体材料などの薄膜、表面処理層、各種プラスチック、各種ゴム、微細繊維、ガラス、セラミックスなどの脆性材料、微小電子部品、等に対して測定を行うことができる。
Examples of the sample S include DLC, silicon rubber, natural rubber, and the like. That is, the
圧子３は、試料Ｓの載置されるＸＹＺステージ２の上方に上下移動可能に備えられている。圧子３は、所定の荷重が負荷されて、試料Ｓの上面（試験面）に対して垂直にその下端部（先端部）３１が押込まれ、その際に、当該試料Ｓの上面にくぼみを形成するものである。
The
圧子３の先端部３１は、図３（ａ）（ｂ）に示すように、側面視において中央部が凸となっており、当該中央部から周縁部にいくにつれて曲率半径（Ｒ）が連続的に小さくなるように変化する非球面形状とされている。
As shown in FIGS. 3A and 3B, the
具体的に、試料Ｓの試験面と接触する圧子３の先端部３１においては、当該先端部３１の曲率半径（Ｒ）と、圧子３の試料Ｓに対する押込み深さ（ｈ）との間に、下記式（１）の関係が成立するようになっている。なお、ａ１は比例定数である。
Ｒ＝ａ１・ｈ−１ ・・・（１）
Specifically, at the
R = a 1 · h −1 (1)
ここで、ヘルツ接触理論に基づき、球圧子を用いたときの試験力が押込み深さの３／２乗に比例すると仮定すると、試験力（Ｆ）、押込み深さ（ｈ）、及び圧子の半径（Ｒ）の間に、下記式（２）が成立する。なお、ａ２は比例定数である。
Ｆ＝ａ２・Ｒ１／２・ｈ３／２ ・・・（２）
Here, based on the Hertz contact theory, assuming that the test force when using a ball indenter is proportional to the 3/2 power of the indentation depth, the test force (F), the indentation depth (h), and the radius of the indenter The following formula (2) holds during (R). Incidentally, a 2 is a proportionality constant.
F = a 2 · R 1/2 · h 3/2 (2)
このとき、本実施形態の圧子３は、上記式（１）の関係に従って曲率半径（Ｒ）が変化するため、試験力（Ｆ）と押込み深さ（ｈ）との間に、下記式（３）が成立することとなる。なお、ａ３は比例定数である。
Ｆ＝ａ３・（ｈ−１）１／２・ｈ３／２＝ａ３・ｈ ・・・（３）
At this time, since the curvature radius (R) of the
F = a 3 · (h −1 ) 1/2 · h 3/2 = a 3 · h (3)
よって、本実施形態の圧子３によれば、試験力（Ｆ）と押込み深さ（ｈ）との間に、比例関係が成立し、直線状の押込み履歴線を得ることができるようになっている。
Therefore, according to the
荷重レバー４は、例えば、略棒状に形成されており、中央部付近が十字バネ４ａを介して台座上に回動可能に固定されている。
荷重レバー４の一端には、圧子３が設けられている。
また、荷重レバー４の他端には、荷重負荷部５を構成するフォースコイル５ａが設けられている。
The
An
In addition, a
荷重負荷部５は、例えば、フォースモータであり、荷重レバー４に取り付けられたフォースコイル５ａと、フォースコイル５ａに対向するように固定された固定磁石５ｂと、などを備えて構成される。
荷重負荷部５は、例えば、制御部１０から入力される制御信号に従って、固定磁石５ｂがギャップにつくる磁界と、ギャップの中に設置されたフォースコイル５ａに流れる電流と、の電磁誘導により発生する力を駆動力として用い、荷重レバー４を回動させる。これにより、荷重レバー４の圧子３側の端部は下方に移動して、圧子３は試料Ｓに押し込まれることになる。
The
The
変位計６は、例えば、静電容量式変位センサであり、荷重レバー４の圧子３側の端部に設けられた可動極板６ａと、可動極板６ａと対向するように固定された固定極板６ｂと、などを備えて構成される。
変位計６は、例えば、可動極板６ａと固定極板６ｂとの間の静電容量の変化を検出することによって、圧子３が試料Ｓにくぼみを形成する際に移動した変位量（圧子３を試料Ｓに押し込んだ際の押込み深さ）を検出し、この検出した変位量に基づく変位信号を制御部１０に出力する。
なお、変位計６として、静電容量式変位センサを例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、光学式変位センサやうず電流式変位センサであっても良い。
The
The
In addition, although the capacitive displacement sensor was illustrated as the
撮影部７は、例えばカメラ等を備え、制御部１０から入力される制御信号に従って、例えば、試料保持台２ａ上において、圧子３により試料Ｓの表面に形成されたくぼみ等を撮影する。
The
表示部８は、例えば液晶表示パネルであって、制御部１０から入力される制御信号に従って、撮影部７により撮影された試料Ｓの表面画像や、各種試験結果等の表示処理を行う。
The
操作部９は、例えば、キーボードなどの操作キー群であって、ユーザにより操作されると、その操作に伴う操作信号を制御部１０に出力する。なお、操作部９は、マウスやタッチパネルなどのポインティングデバイスやリモートコントローラなど、その他の操作装置を備えるようにしてもよい。
この操作部９は、ユーザが試料Ｓの硬さ試験を行う指示入力を行う際、圧子３に負荷する試験力すなわち荷重を設定する際、などに操作される。
The
The
制御部１０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)１１と、ＲＡＭ(Random Access Memory)１２と、記憶部１３と、等を備えて構成され、システムバスなどを介して、ＸＹＺステージ２と、荷重負荷部５と、変位計６と、撮影部７と、表示部８と、操作部９と、等と接続されている。
The
ＣＰＵ１１は、例えば、記憶部１３に記憶されている硬さ試験機用の各種処理プログラムに従って、各種制御処理を行う。
For example, the
ＲＡＭ１２は、例えば、ＣＰＵ１１によって実行される処理プログラムなどを展開するためのプログラム格納領域や、入力データや処理プログラムが実行される際に生じる処理結果などを格納するデータ格納領域などを備えている。
The
記憶部１３は、例えば、硬さ試験機１００で実行可能なシステムプログラムや、そのシステムプログラムで実行可能な各種処理プログラム、これら各種処理プログラムを実行する際に使用されるデータ、ＣＰＵ１１によって演算処理された各種処理結果のデータなどを記憶する。なお、プログラムは、コンピュータが読み取り可能なプログラムコードの形で記憶部１３に記憶されている。
The
具体的には、記憶部１３には、例えば、計測プログラム１３１等が格納されている。
Specifically, for example, a
計測プログラム１３１は、例えば、圧子３に所定の荷重を負荷し、試料Ｓの表面に押込んでくぼみを形成し、かかるくぼみの形成時の圧子３の変位量（押込み深さ（ｈ））と圧子３に負荷された試験力（Ｆ）とを検出した押込み履歴線を計測する機能を、ＣＰＵ１１に実現させるプログラムである。
具体的には、ユーザが操作部９に対して試料Ｓの硬さ試験を行う指示入力を行うと、これに応じてＣＰＵ１１は計測プログラム１３１を実行し、試料Ｓに対して計装化押込み試験を実行して、押込み履歴線の計測を実行する。なお、このとき圧子３に負荷する荷重は、予めユーザにより設定される。
ＣＰＵ１１は、かかる計測プログラム１３１を実行することにより、計測手段として機能している。
The
Specifically, when the user inputs an instruction to perform a hardness test of the sample S to the
The
ここで、押込み曲線の計測を実行する際の具体的な処理について説明する。
先ず、ＣＰＵ１１は、試料保持台２ａ上に試料Ｓが載置された後、操作部９から測定を行うよう指示する操作信号が入力されると、この試料Ｓに所定の試験力を与えるよう、荷重負荷部５を制御する。そして、ＣＰＵ１１は、くぼみ形成時における圧子３の試料Ｓへの押込み深さ（ｈ）［ｎｍ］と、くぼみ形成時における試験力（Ｆ）［ｍＮ］と、を連続的に計測し、押込み履歴線を測定する。
Here, a specific process when the indentation curve is measured will be described.
First, after the sample S is placed on the
より具体的には、試料Ｓが試料保持台２ａ上に載置され、操作信号が入力されると、ＣＰＵ１１は、荷重負荷部５に制御信号を出力し、荷重負荷部５の固定磁石５ｂがギャップにつくる磁界と、ギャップの中に設置されたフォースコイル５ａに流れる電流と、の電磁誘導により発生する力を駆動力として用い、荷重レバー４を回動させることにより、荷重レバー４の圧子３側の端部は下方に移動して、圧子３は試料Ｓにくぼみを形成させる。
くぼみの形成時においては、ＣＰＵ１１は、設定した最大試験力に到達するまで圧子３に負荷する荷重を漸増させていく（荷重負荷工程）。
次いで、ＣＰＵ１１は、圧子３に負荷された荷重が最大試験力に到達したと判断すると、駆動コイルへの電流の供給量を制御して荷重負荷部５を動作させ、圧子３に負荷する荷重を漸減させる（荷重除荷工程）。
More specifically, when the sample S is placed on the
At the time of forming the recess, the
Next, when the
上記構成により、本実施形態の硬さ試験機１００では、以下のような硬さ試験方法が実現される。
即ち、圧子３に所定の荷重を負荷し、試料Ｓの試験面に押込んでくぼみを形成し、当該くぼみの形成時の圧子３の押込み深さと圧子３に負荷された試験力とを検出した押込み履歴線を計測する。
With the above configuration, the
In other words, a predetermined load is applied to the
ここで、図４に、本実施形態の圧子３を用いて測定される押込み履歴線の一例を示す。
なお、図４において、実線は、中央部から周縁部にいくにつれて、曲率半径（Ｒ）が、上記式（１）に従いＲ１からＲ２に変化する、本実施形態の圧子３を用いて測定される押込み履歴線である。
また、破線は、曲率半径Ｒ１の圧子を用いた場合の押込み曲線であり、一点鎖線は、曲率半径Ｒ２の圧子を用いた場合の押込み曲線である。
図４からわかるように、本実施形態の圧子３であれば、押込み履歴線を直線状にすることができる。即ち、試験力（Ｆ）と押込み深さ（ｈ）とに、比例関係が成り立つこととなる。
このため、押込み履歴線を計測した後、当該押込み履歴線を外挿或いは内挿することで、図５に示すように、実測範囲外の所定の推定可能範囲において、所望の試験力に対する押込み深さを得ることができる。
Here, FIG. 4 shows an example of an indentation history line measured using the
In FIG. 4, the solid line is measured using the
The broken line is an indentation curve when an indenter having a curvature radius R1 is used, and the alternate long and short dash line is an indentation curve when an indenter having a curvature radius R2 is used.
As can be seen from FIG. 4, with the
For this reason, after measuring the indentation history line, the indentation history line is extrapolated or interpolated, and as shown in FIG. 5, the indentation depth for a desired test force in a predetermined estimable range outside the actual measurement range. You can get it.
以上のように、本実施形態によれば、試料Ｓの試験面に対して垂直に押込まれる圧子３において、試料Ｓの試験面と接触する圧子３の先端部３１の曲率半径（Ｒ）と、圧子３の押込み深さ（ｈ）との間には、下記式（１）の関係が成立している。なお、ａ１は比例定数である。
Ｒ＝ａ１・ｈ−１ ・・・（１）
このため、計装化押込み試験により得られる押込み履歴線において、試験力（Ｆ）と押込み深さ（ｈ）との間に比例関係を成立させることができる。即ち、押込み履歴線を直線状とすることができる。
よって、押込み深さから材料特性を評価する際、試験力に対する相似則が成り立ち、一旦押込み履歴線を計測してしまえば、当該押込み履歴線を外挿或いは内挿することで、実際に試験をしなくても所望の試験力に対する押込み深さを簡単に得ることができ（図５参照）、最大押込み深さの評価を効果的に行うことができる。
また、圧子３をこうした形状とすることによって、平面状の試料Ｓに対して、初期接触時に、圧子３の端部が試料Ｓに接触してしまうという不具合を解消することができる。
As described above, according to the present embodiment, in the
R = a 1 · h −1 (1)
For this reason, in the indentation history line obtained by the instrumentation indentation test, a proportional relationship can be established between the test force (F) and the indentation depth (h). That is, the indentation history line can be linear.
Therefore, when evaluating the material properties from the indentation depth, the similarity law for the test force is established, and once the indentation history line is measured, the test is actually performed by extrapolating or interpolating the indentation history line. Even if not, the indentation depth for the desired test force can be easily obtained (see FIG. 5), and the maximum indentation depth can be effectively evaluated.
Moreover, the
＜変形例１＞
次に、変形例１として、圧子の他の態様を説明する。
<Modification 1>
Next, as a first modification, another aspect of the indenter will be described.
変形例１の圧子３Ａは、図６（ａ）（ｂ）に示すように、円錐圧子の稜線が直線でない、円錐圧子類似形状となっている。
具体的に、試料Ｓの試験面と接触する圧子３Ａの先端部３１Ａにおいては、当該先端部３１Ａの中心を通る中心軸に対する圧子３Ａの稜線の角度（θ）と、圧子３Ａの試料Ｓに対する押込み深さ（ｈ）との間に、下記式（４）の関係が成立している。なお、β１は比例定数である。
θ＝ｔａｎ−１（β１／ｈ） ・・・（４）
As shown in FIGS. 6A and 6B, the
Specifically, at the
θ = tan −1 (β 1 / h) (4)
ここで、円錐圧子を用いたときの試験力（Ｆ）と押込み深さ（ｈ）とが、Sneddonの弾性接触解（I. N. Sneddon, Int. J. Engng. Sci., 3, 45, (1965）)に基づいて得られた、村上等（Y. Murakami et el., Phill Mag., A, 69, 1131 (1994)）の式で表わされる仮定すると、試験力（Ｆ）、押込み深さ（ｈ）、及び角度（θ）の間に、下記式（５）が成立する。なお、β２は比例定数である。
Ｆ＝β２・ｔａｎθ・ｈ２ ・・・（５）
Here, when the conical indenter is used, the test force (F) and the indentation depth (h) are Sneddon's elastic contact solution (IN Sneddon, Int. J. Engng. Sci., 3, 45, (1965) ) Obtained from the equation of Y. Murakami et al., Phill Mag., A, 69, 1131 (1994)), the test force (F) and the indentation depth (h ) And the angle (θ), the following equation (5) is established. Β 2 is a proportionality constant.
F = β 2 · tan θ · h 2 (5)
このとき、本変形例１の圧子３Ａは、上記式（４）の関係に従って角度（θ）が変化するため、試験力（Ｆ）と押込み深さ（ｈ）との間に、下記式（６）が成立することとなる。なお、β３は比例定数である。
即ち、Ｆ＝β２・（β１／ｈ）・ｈ２＝β３・ｈ ・・・（６）
At this time, since the angle (θ) of the
That is, F = β 2 · (β 1 / h) · h 2 = β 3 · h (6)
よって、本変形例１の圧子３Ａによれば、試験力（Ｆ）と押込み深さ（ｈ）との間に、比例関係が成立し、直線状の押込み履歴線を得ることができるようになっている。
Therefore, according to the
ここで、図７に、変形例１の圧子３Ａを用いて測定される押込み履歴線の一例を示す。
なお、図７において、実線は、中央部から周縁部にいくにつれて、角度（θ）が、上記式（４）の関係に従いθ１からθ２に変化する、本実施形態の圧子３Ａを用いて測定される押込み履歴線である。
また、破線は、角度θ１の圧子を用いた場合の押込み曲線であり、一点鎖線は、角度θ２の圧子を用いた場合の押込み曲線である。
図７からわかるように、変形例１の圧子３Ａであれば、押込み履歴線を直線状にすることができる。即ち、試験力（Ｆ）と押込み深さ（ｈ）とに、比例関係が成り立つこととなる。
Here, FIG. 7 shows an example of an indentation history line measured using the
In FIG. 7, the solid line is measured using the
The broken line is an indentation curve when an indenter having an angle θ1 is used, and the alternate long and short dash line is an indentation curve when an indenter having an angle θ2 is used.
As can be seen from FIG. 7, with the
以上のように、変形例１によれば、圧子３Ａの先端部３１Ａの中心を通る中心軸に対する圧子３Ａの稜線の角度（θ）と、圧子３Ａの変位量（ｈ）との間には、下記式（４）の関係が成立する。なお、β１は比例定数である。
θ＝ｔａｎ−１（β１／ｈ） ・・・（４）
このため、上記実施形態と同様に、計装化押込み試験により得られる押込み履歴線において、試験力（Ｆ）と押込み深さ（ｈ）とが比例関係を示すようになる。即ち、押込み履歴線を直線状とすることができる。
As described above, according to the first modification, between the angle (θ) of the ridge line of the
θ = tan −1 (β 1 / h) (4)
For this reason, as in the above embodiment, in the indentation history line obtained by the instrumented indentation test, the test force (F) and the indentation depth (h) show a proportional relationship. That is, the indentation history line can be linear.
なお、上記実施形態及び変形例１においては、ＸＹＺステージ２の上方に上下移動可能に備えられた圧子３により、ＸＹＺステージ２の上に載置された試料Ｓの上面（試験面）に対して上方から圧子３を押込んでくぼみを形成する構成を例示して説明したが、試料Ｓの試験面に対して垂直に圧子３が押込まれる構成であれば圧子３と試料Ｓとの位置関係は特に限定されない。即ち、試料Ｓの側面（試験面）に対して圧子３が水平方向から押込まれる構成や、試料Ｓが圧子３の上方に配置され、試料Ｓの下面（試験面）に対して圧子３が下方から押込まれる構成等であっても良い。
In the above-described embodiment and Modification 1, the
また、計測プログラム１３１の実行により計測された押込み履歴線を示す一次関数を算出して記憶しておき、ユーザにより任意の試験力が指定された場合、その試験力に対する圧子３の変位量を推定する推定プログラムを備えることとしても良い。
このように構成した場合、ユーザは、ある一定の範囲の試験力（Ｆ）−押込み深さ（ｈ）曲線を測定すれば、任意の試験力に対する圧子３の変位量を容易に求めることができることとなる。
このとき、押込み履歴線は直線状であるため、推定プログラムにより推定された任意の試験力に対する圧子３の変位量は精度が高く、実際に試験をしなくても所望の試験力に対する押込み深さを簡単に得ることができる。
Further, a linear function indicating the indentation history line measured by the execution of the
When configured in this manner, the user can easily determine the displacement of the
At this time, since the indentation history line is a straight line, the displacement amount of the
これ以外にも、上記実施形態及び変形例１は、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で適宜変更可能である。 In addition to the above, the above-described embodiment and Modification 1 can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention.
１ 試験機本体（くぼみ形成機構）
２ ＸＹＺステージ（試料台）
２ａ 試料保持台
３、３Ａ 圧子
３１、３１Ａ 先端部
４ 荷重レバー
４ａ 十字バネ
５ 荷重負荷部
５ａ フォースコイル
５ｂ 固定磁石
６ 変位計
６ａ 可動極板
６ｂ 固定極板
７ 撮影部
８ 表示部
９ 操作部
１０ 制御部
１１ ＣＰＵ（計測手段）
１２ ＲＡＭ
１３ 記憶部
１３１ 計測プログラム（計測手段）
１００ 硬さ試験機
Ｓ 試料
1 Tester body (recess formation mechanism)
2 XYZ stage (sample stage)
12 RAM
13
100 Hardness tester S Sample
Claims (4)
試料の試験面と接触する前記圧子の先端部の曲率半径（Ｒ）と、前記圧子の押込み深さ（ｈ）との間には、下記式の関係が成立していることを特徴とする圧子。
Ｒ＝ａ１・ｈ−１
但し、ａ１は比例定数である。 In the indenter that is pushed perpendicular to the test surface of the sample,
The indenter is characterized in that the following relationship is established between the radius of curvature (R) of the tip of the indenter that contacts the test surface of the sample and the indentation depth (h) of the indenter. .
R = a 1 · h −1
However, a 1 is a proportionality constant.
試料の試験面と接触する前記圧子の先端部の中心を通る中心軸に対する前記圧子の稜線の角度（θ）と、前記圧子の押込み深さ（ｈ）との間には、下記式の関係が成立していることを特徴とする圧子。
θ＝ｔａｎ−１（β１／ｈ）
但し、β１は比例定数である。 In the indenter that is pushed perpendicular to the test surface of the sample,
The relationship between the angle (θ) of the ridge line of the indenter with respect to the central axis passing through the center of the tip of the indenter that contacts the test surface of the sample and the indentation depth (h) of the indenter has the following relationship: Indenter characterized by being established.
θ = tan −1 (β 1 / h)
However, beta 1 is a proportionality constant.
当該くぼみの形成時の前記圧子の押込み深さと前記圧子に負荷された試験力とを検出した押込み履歴線を計測する計測手段と、
を備えることを特徴とする硬さ試験機。 A depression forming mechanism that applies a predetermined load to the indenter according to claim 1 and pushes the loaded indenter into a test surface of a sample to form a depression;
Measuring means for measuring an indentation history line that detects the indentation depth of the indenter and the test force loaded on the indenter when the depression is formed;
A hardness tester comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2011155687A JP2013019862A (en) | 2011-07-14 | 2011-07-14 | Indenter, hardness testing device, and hardness testing method |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102018200839A1 (en) | 2017-01-27 | 2018-08-02 | Mitutoyo Corporation | HARDNESS TESTER AND HARDNESS TEST PROCEDURE |
| CN114295504A (en) * | 2021-11-30 | 2022-04-08 | 浙江省计量科学研究院 | Ball indentation hardness measurement method |
-
2011
- 2011-07-14 JP JP2011155687A patent/JP2013019862A/en not_active Withdrawn
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