(57)【要約】【課題】材料に破壊が起きる単位面積当たりの最小の負荷を測定するものであって且つ試験片の形状に制約されることがなく且つ表面層や保護膜を基材に形成した材料でも表面層や保護膜の強度を基材と独立に評価できる材料の機械的強度評価方法及び装置を提供する。【解決手段】材料の表面近傍部分を切刃で切削しながら切削抗力を測定し、切削部分の断面積で切削抗力を除して切削強度を求め、この切削強度を評価の指標とする。【効果】材料に破壊が起きる単位面積当たりの最小の負荷を測定するものである。試験片の形状に制約されることがない。表面層や保護膜を基材に形成した材料でも表面層や保護膜の強度を基材と独立に評価できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料を切刃で切削しながら切削抗力を測定し、切削部分の表面に垂直な断面積で前記切削抗力を除して切削強度を求めることを特徴とする材料の機械的強度評価方法。
【請求項２】
材料を切刃で切削するための切削手段と、材料を切刃で切削しているときに前記切刃に加わる切削抗力を測定する切削抗力測定手段と、切刃の形状と切削深さから求めうる切削部分の表面に垂直な断面積で前期切削抗力を除して切削強度を求める演算手段を具備したことを特徴とする材料の機械的強度評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料の機械的強度評価方法および装置に関し、さらに詳しくは、材料に破壊が起きる単位面積当たりの最小の負荷を測定するものであって且つ試験片の形状に制約されることがなく且つ表面層や保護膜を基材に形成した材料でも表面層や保護膜の強度を基材と独立に評価することが出来る材料の機械的強度評価方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、材料の機械的強度の評価方法としては、圧縮試験により極限強度を測定したり、引張り試験により降伏点応力を測定することが行われている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２８６０３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
材料に破壊が起きる単位面積当たりの最小の負荷を測定する圧縮試験や引張り試験は、材料がどれだけの負荷に耐えることが出来るかの指標となるため、材料の機械的強度の評価方法として適している。
しかし、試験片の形状が制約される問題点がある。また、表面層や保護膜を基材に形成した材料において表面層や保護膜の強度を基材と独立に評価することが不可能な問題点がある。
そこで、本発明の目的は、材料に破壊が起きる単位面積当たりの最小の負荷を測定するものであって且つ試験片の形状に制約されることがなく且つ表面層や保護膜を基材に形成した材料でも表面層や保護膜の強度を基材と独立に評価することが出来る材料の機械的強度評価装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の観点では、本発明は、材料の表面近傍部分を切刃で切削しながら切削抗力を測定し、切削部分の断面積で前記切削抗力を除して切削強度を求めることを特徴とする材料の機械的強度評価方法を提供する。
上記第１の観点による材料の機械的強度評価方法では、材料を切刃で切削しながら測定した切削抗力を機械的強度の評価のベースにするため、材料に破壊が起きる単位面積当たりの最小の負荷を測定するものである。また、切削部分の断面積で切削抗力を除して切削強度を求めるため、機械的強度の指標となる切削強度は試験片の形状に制約されることがない。さらに、材料の表面近傍部分を切刃で切削するため、表面層や保護膜を基材に形成した材料でも表面層や保護膜の強度を基材と独立に評価することが出来る。
【０００６】
第２の観点では、本発明は、材料の表面近傍部分を切刃で切削するための切削手段と、材料の表面近傍部分を切刃で切削しているときに前記切刃に加わる切削抗力を測定する切削抗力測定手段と、切刃の形状と切削深さから求めうる切削部分の断面積で前記切削抗力を除して切削強度を求める演算手段とを具備したことを特徴とする材料の機械的強度評価装置を提供する。
上記第２の観点による材料の機械的強度評価装置では、前記第１の観点による材料の機械的強度評価方法を好適に実施できる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る材料の機械的強度評価方法および装置によれば、材料に破壊が起きる単位面積当たりの最小の負荷を測定することにより材料の機械的強度を評価することが出来る。また、試験片の形状に制約されることがなく材料の機械的強度を評価することが出来る。また、表面層や保護膜を基材に形成した材料でも表面層や保護膜の機械的強度を基材と独立に評価することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１に係る材料の機械的強度評価装置を示す構成説明図である。
【図２】切削幅を示す斜視図である。
【図３】試料の表面層を切削している状態を示す断面図である。
【図４】図２の要部を拡大した部分拡大図である。
【図５】実施例１に係る機械的強度評価処理を示すフロー図である。
【図６】ｂ＝０．３ｍｍ、Ｖｈ＝５００ｎｍ／ｓ、Ｖｖ＝１０ｎｍ／ｓ、Ｄ＝１．４μｍの場合の切削水平距離ｈに対する切削抗力水平成分Ｆｈ，切削抗力垂直成分Ｆｖのグラフである。
【図７】ｂ＝０．３ｍｍ、Ｖｈ＝５００ｎｍ／ｓ、Ｖｖ＝１０ｎｍ／ｓ、Ｄ＝１．４μｍの場合の切削水平距離ｈに対する切削強度Ｃのグラフである。
【図８】ｂ＝１ｍｍ、Ｖｈ＝５００ｎｍ／ｓ、Ｖｖ＝１０ｎｍ／ｓ、Ｄ＝１．４μｍの場合の切削水平距離ｈに対する切削抗力水平成分Ｆｈ，切削抗力垂直成分Ｆｖのグラフである。
【図９】ｂ＝１ｍｍ、Ｖｈ＝５００ｎｍ／ｓ、Ｖｖ＝１０ｎｍ／ｓ、Ｄ＝１．４μｍの場合の切削水平距離ｈに対する切削強度Ｃのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
【実施例】
【００１０】
−実施例１−
図１は、実施例１に係る材料の機械的強度評価装置１００を示す構成説明図である。
この材料の機械的強度評価装置１００は、基台１と、第１辺２１を水平（ｘｙ方向）に保って基台１に支持され且つ第２辺２２を第１辺２１と平行を保って弾性変形しうる水平用弾性平行リング２と、第１辺３１を垂直（ｚ方向）に保って水平用弾性平行リング２の第２辺２２にスペーサ１２を介して支持され且つ第２辺３２を第１辺３１と平行を保って弾性変形しうる垂直用弾性平行リング３と、水平用弾性平行リング２の第２辺２２の一端に水平ロッド６ａを介し水平力を加えて水平用弾性平行リング２を弾性変形させるための水平用フォースコイル６と、垂直用弾性平行リング３の第２辺３２の一端に垂直ロッド７ａを介して垂直力を加えて垂直用弾性平行リング３を弾性変形させるための垂直用フォースコイル７と、水平変位量を測定するための水平位置センサ９と、垂直変位量を測定するための垂直位置センサ１１と、垂直用弾性平行リング３の第２辺３２に取り付けられた移動ヘッド４と、その移動ヘッド４の下端に取り付けられた切刃５と、水平面内および垂直方向に移動可能なｘｙｚステージ１４と、試料Ｓを固定するためにｘｙｚステージ１４に設置された試料ホルダ１５と、垂直力Ｆｖ＝０のときに移動ヘッド４や切刃５の重量で垂直用弾性平行リング３が弾性変形しないように移動ヘッド４や切刃５の重量を支えるための支点４１，天秤４２および重り４３と、出力インタフェース４０ａ，入力インタフェース４０ｂおよびパソコン４０とを具備している。
【００１１】
パソコン４０は次の動作を行う。
（ａ）出力インタフェース４０ａを介して、水平用フォースコイル６，垂直用フォースコイル７およびｘｙｚステージ１４を駆動する。
（ｂ）入力インタフェース４０ｂを介して、水平位置センサ９および垂直位置センサ１１の出力を読み込む。
（ｃ）水平用フォースコイル６の駆動信号から切削抗力水平成分Ｆｈを取得する。
（ｄ）垂直用フォースコイル７の駆動信号から切削抗力垂直成分Ｆｖを取得する。
（ｅ）切削水平距離ｈあるいは切削垂直距離に対する切削抗力水平成分Ｆｈ，切削抗力垂直成分Ｆｖのグラフを描画する。
（ｆ）切削抗力水平成分Ｆｈ、切削抗力垂直成分Ｆｖおよび切削深さと切刃形状から求まる切削部分の断面積から演算して切削強度Ｃを求める。
（ｇ）切削水平距離ｈあるいは切削垂直距離に対する切削強度Ｃのグラフを描画する。
【００１２】
図２に示すように、試料Ｓの基材Ｓｂ上に形成された表面層Ｓｓには、細刃の切刃を用いて平行な切り溝ｇ１，ｇ２を切削幅ｂの間隔を空けて予め入れておき、その後、切削幅ｂよりも広い幅の切刃５で切削する。
【００１３】
図３は、試料Ｓの表面層Ｓｓを切刃５で切削している状態を示す断面図である。図４は、図３の要部拡大図である。
切削抗力Ｒのベクトルは、切削抗力水平成分Ｆｈのベクトルと切削抗力垂直成分Ｆｖのベクトルをベクトル和したベクトルである。
切削深さｄは、試料Ｓの表面から切刃５の先端までの垂直距離である。
剪断面Ｓｐは、切刃５の先端線と試料Ｓの表面における切りくずＫの基端線を結ぶ面である。
すくい角αは、切刃５の先端線を通る垂直面に対して切刃５の上面が成す角である。
摩擦角βは、切刃５のすくい面の法線に対し切削抗力Ｒのベクトルが成す角である。
剪断角φは、水平面に対して剪断面Ｓｐが成す角度である。
剪断力Ｆｓは、切削抗力Ｒの、剪断面Ｓｐに沿った成分である。
剪断面垂直力Ｆｎは、切削抗力Ｒの、剪断面Ｓｐに垂直な成分である。
【００１４】
図５は、材料の機械的強度評価装置１００による機械的強度評価処理の動作を示すフロー図である。
ステップＳ１では、操作者は、切削幅ｂ、水平切削速度Ｖｈ、垂直切削速度Ｖｖを入力する。
ステップＳ２では、操作者は、最大切削深さＤ、終了水平距離Ｈを入力する。
【００１５】
ステップＳ３では、操作者は、切刃５を初期位置に移動する。切刃５の初期位置は、切刃５が試料Ｓの表面に当接しない位置（例えば切刃５の先端が試料Ｓの表面から１０ｎｍ〜１００ｎｍ上にある位置）または試料Ｓの表面に当接した位置のいずれでもよい。なお、切刃５が試料Ｓの表面に当接しない位置を初期位置とする場合は、切削抗力水平成分Ｆｈ＞０且つ切削抗力垂直成分Ｆｖ＞０となった位置を切削深さｄ＝０とする。また、切刃５が試料Ｓの表面に当接した位置を初期位置とする場合は、初期位置を切削深さｄ＝０とする。
ステップＳ４では、操作者は、切削開始の指示を入力する。操作者から切削開始の指示が入力されると、パソコン４０は、ステップＳ５の処理へ進む。
【００１６】
ステップＳ５では、パソコン４０は、切削抗力水平成分Ｆｈ，切削抗力垂直成分Ｆｖ，切削深さｄおよび切削水平距離ｈを取得しながら、水平切削速度Ｖｈ，垂直切削速度Ｖｖで試料Ｓに切り込み、試料Ｓの表面層Ｓｓを切削する。
【００１７】
ステップＳ６では、パソコン４０は、切削水平距離ｈが終了水平距離Ｈに達してないならばステップＳ７へ進み、達したならば処理を終了する。
【００１８】
ステップＳ７では、パソコン４０は、切削深さｄが終了切削深さＤに達してないならばステップＳ９へ進み、切削深さｄが終了切削深さＤに達したならばステップＳ８へ進む。
【００１９】
ステップＳ８では、パソコン４０は、切削垂直速度Ｖｖを０にする。これ以後、切削深さｄ＝終了切削深さＤに維持され、切刃５が水平に進むことになる。
【００２０】
ステップＳ９では、パソコン４０は、切削水平距離ｈに対する切削抗力水平成分Ｆｈ，切削抗力垂直成分Ｆｖのグラフを描画する。
【００２１】
ステップＳ１０では、パソコン４０は、次式により切削強度Ｃを算出する。
Ｃ＝√{Ｆｈ2＋Ｆｖ2}／Ａ
ただし、Ａは、剪断面Ｓｐの、試料Ｓの表面に垂直な断面積である。
切刃５の先端線が試料Ｓの表面に平行で且つ切刃５の先端線に直交する方向に切刃５が進む場合、
Ａ＝ｂ・ｄ
である。
【００２２】
ステップＳ１１では、パソコン４０は、切削水平距離ｈに対する切削強度Ｃのグラフを描画する。そして、ステップＳ５に戻る。
【００２３】
図６は、材質が一様なアクリル（ＰＭＭＡ）を測定して得られた切削抗力水平成分Ｆｈおよび切削抗力垂直成分Ｆｖである。切削幅ｂ＝０．３ｍｍ、水平速度Ｖｈ＝５００ｎｍ／s、垂直速度Ｖｖ＝１０ｎｍ／s、最大切削深さＤ＝１．４μｍまで表面に対して斜めに切込み（切込み２次元切削）、次に表面に対して平行に切削（平行２次元切削）を行った。切込み２次元切削では深さとともに切削抗力の２成分は増加し、平行２次元切削では切削抗力の２成分はほとんど一定となっている。
図７は、ｂ＝０．３ｍｍ、Ｖｈ＝５００ｎｍ／s、Ｖｖ＝１０ｎｍ／s、Ｄ＝１．４μｍの場合の切削水平距離ｈに対する切削強度Ｃのグラフである。切削強度Ｃは切込み２次元切削でも平行２次元切削でもほとんど同じ値になっている。
【００２４】
図８は、材質が一様なアクリル（ＰＭＭＡ）を測定して得られた切削抗力水平成分Ｆｈおよび切削抗力垂直成分Ｆｖである。切削部分の幅Ｂ＝１ｍｍ、水平速度Ｖｈ＝５００ｎｍ／s、垂直速度Ｖｖ＝１０ｎｍ／s、最大切削深さＤ＝１．４μｍまで表面に対して斜めに切込み（切込み２次元切削）、次に表面に対して平行に切削（平行２次元切削）を行った。切込み２次元切削では深さとともに切削抗力の２成分は増加し、平行２次元切削では切削抗力の２成分はほとんど一定となっている。図５の結果と比較すると、切削抗力水平成分と垂直成分はともに大きい。
図９は、ｂ＝１ｍｍ、Ｖｈ＝５００ｎｍ／ｓ、Ｖｖ＝１０ｎｍ／ｓ、Ｄ＝１．４μｍの場合の切削水平距離ｈに対する切削強度Ｃのグラフである。切削強度Ｃは切込み２次元切削でも平行２次元切削でもほとんど同じ値になっている。図６の結果と比べると、切削強度Ｃは刃幅を変えても同じ値となっていることが分かる。測定で得られた切削強度Ｃの値は４００ＭＮ／ｍ2と、一般的なポリマー樹脂の引張り破断強度の値（〜１００ＭＮ／ｍ2）と同じオーダーである。
【００２５】
実施例１に係る材料の機械的強度評価装置１００によれば、切削強度Ｃを用いて、表面層Ｓｓの材料の機械的強度を評価することが出来る。そして、この切削強度Ｃは、材料に破壊が起きる単位面積当たりの最小の負荷を測定するものである。また、試験片の形状に制約されることがなく且つ表面層Ｓｓを基材Ｓｂに形成した試料Ｓでも表面層Ｓｓの機械的強度を基材Ｓｂと独立に評価することが出来る。
【００２６】
切削強度Ｃの算出式は、（５）（６）式のように変形可能である。
図４より、
Ｒ＝√｛Ｆｈ2＋Ｆｖ2｝                        ・・・（１）
とおくと、切削抗力水平成分Ｆｈと切削抗力垂直成分Ｆｖは、
Ｆｈ＝Ｒ・cos(β−α)                          ・・・（２）
Ｆｖ＝Ｒ・sin(β−α)                          ・・・（３）
となる。
（２）（３）式より、
tan(β−α)＝Ｆｖ／Ｆｈ                        ・・・（４）
したがって、切削強度Ｃは、
Ｃ＝Ｒ／Ａ＝Ｆｈ／Ａ・cos(arctan(Ｆｖ／Ｆｈ))  ・・・（５）
あるいは、
Ｃ＝Ｒ／Ａ＝Ｆｖ／Ａ・sin(arctan(Ｆｖ／Ｆｈ))  ・・・（６）
と変形できる。」
【００２７】
変形可能な理由は次の通りである。
切削強度ｃの算出は切削のモデルによらないが、切削の進行方向が試料表面と平行かつ切刃の刃先稜線と垂直な２次元切削（平行２次元切削）において剪断面モデルが成立する場合（Ｍ.Ｅ.Ｍerchant, Ｊ. Ａppl.Ｐhys. 16, (1945) 318）には、このモデルによって導かれる剪断応力τｓ、剪断面垂直応力σｓおよび剪断面は剪断のエネルギーが最小の方向になるとして求めた剪断角φ（Ｍ.Ｅ.Ｍerchant, Ｊ. Ａppl.Ｐhys. 16, (1945) 318）を使って切削強度の意味を明確にできる。
−平行2次元切削の場合−
切削抗力Ｒのベクトルは、剪断面に平行な剪断力ベクトルＦｓと剪断面垂直力ベクトルＦｎの２つのベクトルに分解できる。
Ｒ＝√｛Ｆｓ2＋Ｆｎ2｝                          ・・・（７）
このとき、剪断面積をＡｓとすると、剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓは、それぞれ次の式で表すことができる。
τｓ＝Ｆｓ／Ａｓ                                ・・・（８）
σｓ＝Ｆｎ／Ａｓ                                ・・・（９）
また、図３から明らかなように、剪断面積Ａｓと切削部分の断面積Ａとの間には、
Ａ＝Ａｓ・sinφ                                  ・・・（１０）
が成り立つ。
したがって、式（７）（８）（９）（１０）を、切削強度Ｃの式に代入し、ＲとＡを消去すると、切削強度Ｃは
Ｃ＝Ｒ／Ａ＝√｛Ｆｓ2＋Ｆｎ2｝／Ａ
＝√｛τｓ2・Ａｓ2＋σｓ2・Ａｓ2｝／Ａｓ・sinφ
＝√｛τｓ2＋σｓ2｝／sinφ                    ・・・・（１１）
となる。
【００２８】
切刃５が切削水平距離ｈだけ進んだときの切削の仕事Ｗは、
Ｗ＝Ｆｈ・ｈ
＝Ｒ・cos(β−α)・ｈ
＝ｂ・ｄ・τｓ・cos(β−α)・ｈ／（sinφ・cos(φ＋β−α)）
となる。
剪断面Ｓｐは、切削の仕事Ｗが最小となる方向に形成されるものと考えられる（Ｍ．Ｅ．Ｍerchant，Ｊ．Ａppl．Ｐhys．１６，（1945）318 ）。すなわち、
ｄＷ／ｄφ＝０
を満たすφが剪断角φとなるから、
φ＝π／４−（β−α）／２
と求まる。
（４）式を上式に適用すれば、
φ＝π／４−atan（Ｆｖ／Ｆｈ）／２
となる。
【００２９】
また、剪断応力τｓ および剪断面垂直応力σｓは、
√｛τｓ2＋σｓ2｝・cosφ＝τｓ                ・・・（１２）
√｛τｓ2＋σｓ2｝・sinφ＝σｓ                ・・・（１３）
であるので、式（１２）（１）をそれぞれ式（１１）に代入すると、
Ｃ＝τｓ／cosφ・sinφ                          ・・・（１４）
Ｃ＝σｓ／sinφ・sinφ                          ・・・（１５）
と変形することが可能である。」
【００３０】
−切込み２次元切削の場合−
切削の進行方向が切刃の刃先稜線と垂直ではあるが、表面に対し切込んで行うために平行とならない切込み２次元切削でも、図３，図４から明らかなように、平行２次元切削と同じように（７）〜（１５）式が成り立つ。
ここでも、剪断面は剪断の仕事が最小となるとして求めることができる（F.Saito, I. Nishiyama and T. Hyodo, Materials Letters, 63 (2009) 2275）。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明に係る材料の機械的強度評価装置は、例えば表面材料の機械的特性を調べるのに利用できる。
【符号の説明】
【００３２】
５                  切刃
６                  水平用フォースコイル
７                  垂直用フォースコイル
９                  水平位置センサ
１１                垂直位置センサ
４０                パソコン
１００              材料の機械的強度評価装置
Ｓ                  試料
【図１】
2011153953.tif 000003
【図２】
2011153953.tif 000004
【図３】
2011153953.tif 000005
【図４】
2011153953.tif 000006
【図５】
2011153953.tif 000007
【図６】
2011153953.tif 000008
【図７】
2011153953.tif 000009
【図８】
2011153953.tif 000010
【図９】
2011153953.tif 000011