(57)【要約】【課題】従来のように試験片を作成して衝撃試験を行う必要がなく、短時間で容易に鋼材の靭性を評価することのできる靭性評価方法及び靭性評価装置を提供すること。【解決手段】評価対象となる鋼材の表面に塑性歪を与え、塑性歪を与える前の鋼材表面の電気抵抗と、塑性歪を与えた後の塑性歪部分における電気抵抗を測定し、塑性歪を与える前後の電気抵抗の変化量を鋼材における靭性の評価値として算出する。塑性歪は、鋼材の表面に圧痕を形成することで与えられる。【選択図】図３−２
2010261853.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
評価対象となる鋼材の表面に塑性歪を与え、
前記塑性歪を与える前の前記鋼材表面の電気抵抗と、前記塑性歪を与えた後の前記塑性歪部分における電気抵抗を測定し、
前記塑性歪を与える前後の前記電気抵抗の変化量を、前記鋼材における靭性の評価値として算出することを特徴とする鋼材の靭性評価方法。
【請求項２】
前記鋼材の表面に圧痕を形成することにより前記塑性歪を与えることを特徴とする請求項１に記載の鋼材の靭性評価方法。
【請求項３】
評価対象となる鋼材の表面に塑性歪を与える塑性歪付与手段と、
前記塑性歪を与える前の前記鋼材表面の電気抵抗と、前記塑性歪を与えた後の前記塑性歪部分における電気抵抗を測定する電気抵抗測定手段と、
前記塑性歪を与える前後の前記電気抵抗の変化量を、前記鋼材における靭性の評価値として算出する抵抗変化量算出手段と、
を備えたことを特徴とする鋼材の靭性評価装置。
【請求項４】
前記塑性歪付与手段は、前記鋼材の表面に圧痕を形成することにより塑性歪を与えることを特徴とする請求項３に記載の鋼材の靭性評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材の靭性を評価する方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼材の品質を表す量の一つとして靭性がある。鋼材の靭性は、通常、シャルピー衝撃試験等の数値で評価される。シャルピー衝撃試験では、評価対象となる鋼材から試験片を作成し、この試験片に対して振り子式のハンマを衝突させることで試験片を破壊し、破壊するのに要したエネルギーを算出する。このエネルギーを試験片の断面積で割った値がシャルピー衝撃値であり、靭性を表す評価値として用いられている（例えば特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−０８８７２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、構造物の建設現場に鋼材が納入された時点では、各鋼材に品質表示が付されているため靭性等の品質を容易に確認することができる。しかしながら、鋼材の加工を行う段階で品質表示が切り離されるため、加工後の鋼材の靭性を確認したい場合には、その鋼材から試験片を採取して上述した衝撃試験を行う必要がある。
【０００５】
しかしながら、試験片の形状及び寸法は厳密に規定されているため、試験片の作成に手間が掛かる上、上記の衝撃試験機が必要になることから、短時間に実施することができないという問題がある。また、その鋼材が既に構造物として使用されている場合には、試験片を採取することで構造物が損傷を被ることとなるため、鋼材の靭性を評価することは困難である。
【０００６】
本発明は、上記の点に鑑み、従来のように試験片を作成して衝撃試験を行う必要がなく、短時間で容易に鋼材の靭性を評価することのできる靭性評価方法及び靭性評価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】
【０００７】
本発明の請求項１に係る鋼材の靭性評価方法は、評価対象となる鋼材の表面に塑性歪を与え、前記塑性歪を与える前の前記鋼材表面の電気抵抗と、前記塑性歪を与えた後の前記塑性歪部分における電気抵抗を測定し、前記塑性歪を与える前後の前記電気抵抗の変化量を、前記鋼材における靭性の評価値として算出することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の請求項２に係る鋼材の靭性評価方法は、上記請求項１において、前記鋼材の表面に圧痕を形成することにより前記塑性歪を与えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項３に係る鋼材の靭性評価装置は、評価対象となる鋼材の表面に塑性歪を与える塑性歪付与手段と、前記塑性歪を与える前の前記鋼材表面の電気抵抗と前記塑性歪を与えた後の前記塑性歪部分における電気抵抗を測定する電気抵抗測定手段と、前記塑性歪を与える前後の前記電気抵抗の変化量を前記鋼材における靭性の評価値として算出する抵抗変化量算出手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の請求項４に係る鋼材の靭性評価装置は、上記請求項３において、前記塑性歪付与手段は前記鋼材の表面に圧痕を形成することにより塑性歪を与えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の鋼材の靭性評価方法及び靭性評価装置によれば、鋼材に塑性歪を与える前後の鋼材の電気抵抗の変化量を算出するたけで靭性を評価することが可能となる。その結果、試験片を作成して衝撃試験を行う従来の方法と比べて、短時間かつ容易に鋼材の靭性を評価することができるようになる。また、鋼材から試験片を採取する必要がないため、既に構造物として使用されている鋼材であっても、構造物を損傷させることなく靭性を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本実施の形態に係る鋼材の靭性評価装置のブロック図である。
【図２】図２は、本実施の形態に係る靭性評価方法のフローチャートである。
【図３−１】図３−１は、塑性歪部分の電気抵抗を測定する一例を示す概念図（平面図）である。
【図３−２】図３−２は、塑性歪部分の電気抵抗を測定する一例を示す概念図（側面図）である。
【図４−１】図４−１は、塑性歪部分の電気抵抗を測定する一例を示す概念図（平面図）である。
【図４−２】図４−２は、塑性歪部分の電気抵抗を測定する一例を示す概念図（側面図）である。
【図５−１】図５−１は、実施例で用いる試験片を示す図である。
【図５−２】図５−２は、実施例の電気抵抗測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、添付図面を参照して、本発明に係る鋼材の靭性評価方法及び靭性評価装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
本発明の鋼材の靭性評価方法は、従来のように鋼材から試験片を採取して衝撃試験を行うことなく、非破壊で鋼材の靭性を評価する方法である。ここで、靭性とは、物質の粘り強さを表す量である。物質は、物質に加えられる歪量が小さいときには弾性変形をし、歪量が弾性の限界を超えて大きくなると塑性変形をし、歪量がさらに大きくなると破壊する。そして、塑性変形する領域が広く、大きく歪んでも破壊が起きにくい場合に、その物質は「靭性が高い」と評価される。
【００１５】
鋼材の塑性化は転位に起因している。ここで、転位とは、結晶中に生じる線状の格子欠陥である。転位は、結晶粒界で集積すると粒界を超えて伝播する。結晶粒が細かい場合には、多くの結晶内で発生した転位により塑性変形が生じる。これに対して、結晶粒が大きい場合には、結晶粒内で転位が集積して塑性変形が生じることとなる。そのため、大きな結晶粒の場合には、集積した転位の近傍において応力集中が生じ、破壊が生じやすくなるため、靭性が低下する。つまり、結晶粒が小さい鋼材ほど高い靭性を有していると考えられる。
【００１６】
一方、鋼材内に転位が発生すると、その部分で電気が流れにくくなるため鋼材の電気抵抗は増大する。本発明者らは、複数種類の鋼材に同一の塑性歪を与えた場合に、結晶粒が小さい鋼材ほど結晶内に多くの転位が発生して転位密度が大きくなることから、結晶粒が小さい鋼材は結晶粒が大きい鋼材よりも塑性歪を与える前後の電気抵抗の変化量が大きくなるということに着目した。そして、塑性歪を与える前後の電気抵抗の変化量の大小で鋼材の靭性の高低を評価することが可能であることを見出し、本発明をなすに至った。ここで、塑性歪とは、物質に弾性変形を越える歪量が加えられると、その後荷重が除かれても変形が残留する不可逆的な歪である。
【００１７】
すなわち、本発明の鋼材の靭性評価方法では、塑性歪を与える前の鋼材表面の電気抵抗Ｒ１と、塑性歪を与えた後の塑性歪部分の電気抵抗Ｒ２を測定し、塑性歪を与える前後の電気抵抗の変化量（Ｒ２−Ｒ１）を、その鋼材における靭性の評価値として算出する。例えば、２つの鋼材Ａ、Ｂのどちらの靭性が高いかを判定する場合について説明する。まず、各鋼材Ａ、Ｂに塑性歪を与える前に、各鋼材Ａ、Ｂの表面の電気抵抗Ｒ１Ａ、Ｒ１Ｂを測定する。この後、各鋼材Ａ、Ｂの表面に同一寸法の塑性歪を与え、各塑性歪部分の電気抵抗Ｒ２Ａ、Ｒ２Ｂを測定する。そして、塑性歪を与える前の電気抵抗Ｒ１Ａ、Ｒ１Ｂと、塑性歪を与えた後の電気抵抗Ｒ２Ａ、Ｒ２Ｂの変化量（Ｒ２Ａ−Ｒ１Ａ）、（Ｒ２Ｂ−Ｒ１Ｂ）をそれぞれ算出し、これらを各鋼材Ａ、Ｂの靭性の評価値とする。鋼材Ａの電気抵抗の変化量（Ｒ２Ａ−Ｒ１Ａ）が、鋼材Ｂの電気抵抗の変化量（Ｒ２Ｂ−Ｒ１Ｂ）よりも大きい場合には、鋼材Ａの方が鋼材Ｂよりも靭性が高いと評価する。反対に、鋼材Ｂの電気抵抗の変化量（Ｒ２Ｂ−Ｒ１Ｂ）が、鋼材Ａの電気抵抗の変化量（Ｒ２Ａ−Ｒ１Ａ）よりも大きい場合には、鋼材Ｂの方が鋼材Ａよりも靭性が高いと評価する。
【００１８】
図１は上述した鋼材の靭性評価を行う靭性評価装置１０のブロック図であり、図２は靭性評価装置１０が実行する処理の流れを示すフローチャートである。また、図３−１及び図４−１は、鋼材Ｓの表面に与えられた塑性歪部分の電気抵抗を測定する一例を示す概念図（平面図）であり、図３−２は図３−１の側面図、図４−２は図４−１の側面図である。この靭性評価装置１０は、図１に示すように、塑性歪付与手段１１、電気抵抗測定手段１２及び抵抗変化量算出手段１３とから構成されている。
【００１９】
塑性歪付与手段１１は、評価対象となる鋼材Ｓに塑性歪を与える装置である。塑性歪付与手段１１は、ダイヤモンドや剛球からなる圧子（図示せず）と、圧子に所定の荷重を加える荷重機構とを備えたものであり、圧子を鋼材Ｓの表面に接触させた状態で圧子に所定の荷重を掛けて鋼材Ｓの表面に押し込み、鋼材Ｓの表面に圧痕２０を形成することで塑性歪を発生させる。本実施の形態では、塑性歪付与手段１１として硬さ計（図示せず）を利用している。なお、硬さ計とは、所定荷重で圧子を測定物表面に押し込むことで圧痕を形成し、この圧痕の対角線長さと押圧荷重とから測定物の硬さを求める一般的な装置である。図３−１及び図３−２には、圧痕２０の形状の一例として、対面角１３６°の正四角錐形のビッカース圧子を用いて形成した圧痕が示されている。また、図４−１及び図４−２には、圧痕２０の他の形状例として、球状のブリネル圧子を用いて形成した圧痕が示されている。図３−１及び図４−１に示すように、圧痕２０及び圧痕２０の周縁部分には塑性化領域Ｐが形成される。この塑性化領域Ｐは塑性歪の発生部位である。
【００２０】
図３−１及び図４−１に例示する圧痕２０の寸法は、深さ０．２ｍｍ、面積１ｍｍ２程度であるが、圧痕２０の形状・寸法はこれに限定されるものではない。しかしながら、評価精度を向上させるためには、評価する鋼材Ｓの圧痕２０すべてを同一形状・同一寸法に統一することが望ましい。
【００２１】
電気抵抗測定手段１２は、鋼材Ｓの表面の電気抵抗を測定する装置である。本実施の形態では、測定精度の高い四探針法による電気抵抗測定法を適用する。四探針法は、図３−１及び図３−２に示すように、４本の針状の電極端子を直線状に配置し、外側の２本の電流端子３０ａ間に一定電流を流し、内側の２本の電圧測定端子３０ｂ間に生じる電圧を測定することで、鋼材Ｓ表面の抵抗Ｒを算出する方法である。この方法を用いて、まず塑性歪を与える前の鋼材Ｓ表面の電気抵抗を測定する。そして、この部分に圧痕２０を形成することで塑性歪を発生させ、塑性歪部分（塑性化領域Ｐ）の電気抵抗を測定する。塑性歪部分の電気抵抗を測定する際には、図３−１及び図３−２に示すように、圧痕２０を挟む態様で電圧測定端子３０ｂを対向させて配置する。
【００２２】
抵抗変化量算出手段１３は、鋼材Ｓの表面に塑性歪を与える前の鋼材Ｓ表面の電気抵抗Ｒ１と、塑性歪を与えた後の塑性歪部分の電気抵抗Ｒ２の変化量（Ｒ２−Ｒ１）を算出する装置である。抵抗変化量算出手段１３としてはパーソナルコンピュータ等の数値演算装置が用いられる。以下では、塑性歪を与える前後の電気抵抗の変化量（Ｒ２−Ｒ１）を抵抗変化量とよぶ。この抵抗変化量の大小で鋼材Ｓにおける靭性の高低を評価する。すなわち、抵抗変化量が大きいほど鋼材Ｓの靭性が高いと評価し、抵抗変化量が小さいほど鋼材Ｓの靭性が低いと評価する。
【００２３】
たとえば、多数の鋼材の抵抗変化量をデータベースとして蓄積しておく。そして、評価対象となる鋼材の抵抗変化量を算出した後、算出した抵抗変化量をデータベースと比較することで、その鋼材の靭性評価値を算定することができる。
【００２４】
次に、図２を参照しながら、上述した靭性評価装置１０が実行する靭性評価方法の手順について説明する。まず、電気抵抗測定手段１２を用いて、塑性歪を与える前の鋼材Ｓの表面の電気抵抗を測定する（ステップＳ１）。測定値Ｒ１は抵抗変化量算出手段１３に送られる。次いで、塑性歪付与手段１１を用いて鋼材Ｓの表面に圧痕を形成することで塑性歪を発生させる（ステップＳ２）。次いで、電気抵抗測定手段１２を用いて、塑性歪部分の電気抵抗Ｒ２を測定する（ステップＳ３）。測定値Ｒ２は抵抗変化量算出手段１３に送られる。次いで、抵抗変化量算出手段１３により抵抗変化量（Ｒ２−Ｒ１）を靭性評価値として算出する（ステップＳ４）。靭性評価値は、ディスプレイやプリンタ等の出力手段を通じて出力を行うことができる。
【００２５】
（実施例）
上述した靭性評価方法の有効性を確認するために以下の測定を行った。靭性が異なる二種類の鋼材Ａ，Ｂを用意し、各鋼材の抵抗変化量（Ｒ２−Ｒ１）を算出し比較を行った。鋼材Ａは建築構造用圧延鋼材（ＪＩＳ  Ｇ３１３６：ＳＮ４９０）であり、鋼材Ｂは一般構造用圧延鋼材（ＪＩＳ  Ｇ  ３１０１：ＳＳ４００）である。一般的に、鋼材Ａ（ＳＮ４９０）は、鋼材Ｂ（ＳＳ４００）よりも結晶粒が小さく靭性が高いということが分かっている。
【００２６】
鋼材Ａ，Ｂとして、図５−１に例示する試験片をそれぞれ用いた。鋼材Ａの試験片の長手方向に引張荷重を加え、塑性歪を発生させた。四探針法を用いて、試験片に塑性歪を形成する前の試験片の中央部の電気抵抗と、試験片に塑性歪を与えている途中の同一位置における電気抵抗をそれぞれ測定した。測定結果を図５−２に示す。図５−２のグラフにおいて、横軸は試験片に与えられた塑性歪であり、縦軸は電気抵抗である。
【００２７】
次に、鋼材Ｂの試験片に上記と同じ引張荷重を加えて、塑性歪を発生させた。四探針法を用いて、鋼材Ａと同じ条件で電気抵抗の測定を行った結果を図５−２に示す。
【００２８】
図５−２のグラフに示すように、鋼材Ａの試験片の抵抗変化量は２０．５×１０−７Ωであった。また、鋼材Ｂの試験片の抵抗変化量は８．９×１０−７Ωであった。すなわち、結晶粒が小さく靭性が高い鋼材Ａ（ＳＮ４９０）の方が、鋼材Ｂ（ＳＳ４００）よりも抵抗変化量が大きい。この測定結果から、塑性歪を与える前後における電気抵抗の変化量の大小が靭性の高低に対応していることが分かる。
【００２９】
また、図５−２のグラフに示すように、鋼材Ａ，Ｂいずれにおいても、引張荷重を加え始めた直後に（すなわち試験片の歪量が少ない段階で）電気抵抗が増加し、その後、試験片の歪量が増えても電気抵抗はほとんど変わらず、ほぼ一定値に収束していることが分かる。
【００３０】
以上説明したように、本実施の形態に係る鋼材の靭性評価方法および靭性評価装置によれば、鋼材に塑性歪を与える前後の鋼材の電気抵抗の変化量を算出するたけで鋼材の靭性を評価することが可能となる。その結果、試験片を作成して衝撃試験を行う従来の方法と比べて、短時間かつ容易に鋼材の靭性を評価することができるようになる。例えば、建設現場に納入された鋼材の中で靭性が不明なものがある場合には、その鋼材の靭性を迅速に確認することができる。また、建設現場に納入された鋼材のトレイサビリティ（生産履歴）の正否に疑問があるような場合、現場で鋼材の靭性を迅速かつ容易に確認できるようになることで、トレイサビリティに不正がある鋼材の混入を防止することができる。さらに、鋼材から試験片を採取する必要がないため、鋼材が既に構造物として使用されていても、構造物を損傷させることなく鋼材の靭性を評価することができる。
【００３１】
また、本実施の形態に係る鋼材の靭性評価方法及び靭性評価装置によれば、鋼材の表面に圧痕を形成することで塑性歪を発生させているため、簡易な操作で鋼材の表面に塑性歪を与えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
以上のように、本発明に係る鋼材の靭性測定方法及び靭性測定装置は、構造物の建設現場に納入された鋼材の材質の判別に有用である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  靭性評価装置
１１  塑性歪付与手段
１２  電気抵抗測定手段
１３  抵抗変化量算出手段
２０  圧痕
３０ａ  電流端子
３０ｂ  電圧測定端子
Ｐ    塑性化領域
Ｓ    鋼材
【図１】
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【図２】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図５−１】
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【図５−２】
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