(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバ内に配備され且つ母材の表面上に載置され、試験温度Ｔに加熱された薄肉被検査材に対して、ポンチを圧下させて凹部を形成する圧縮試験を行い、圧下時の前記球形ポンチのストローク量ＳＲ、前記球形ポンチの圧下荷重ＦＲを測定するステップ１と、
前記真空チャンバ内で不活性ガスを用いて冷却後、前記母材の凹部の圧痕形状及びサイズＬＲを測定し、測定した前記凹部の圧痕形状及びサイズＬＲから当該凹部の圧痕深さＨＲを算出するステップ２と、
算出された前記凹部の圧痕深さＨＲから、前記母材の弾性変形ΣＷ（Ｒ）と前記ポンチの弾性変形ΣＰ（Ｒ）及び、試験装置のガタや弾性変形ΣＥ（Ｒ）の影響を排除して、前記凹部の押し込み深さｈＲを算出するステップ３と、
算出された前記母材の凹部の押し込み深さｈＲから、当該凹部の押し込み表面積ＡＲを算出するステップ４と、
算出された前記凹部の押し込み表面積ＡＲと、前記ポンチの圧下荷重ＦＲから、前記凹部の押し込み深さｈＲと、前記ポンチのストローク量ＳＲにおける前記凹部の平均面圧ＰＲとの関係を調査するステップ５と、
圧縮試験の数値シミュレーションにおいて、薄肉被検査材の変形抵抗σＶを種々変化させて、前記実際の圧縮実験と同様の条件で実施するステップ６と、
前記数値シミュレーション結果から、前記凹部の押し込み深さｈＶと、前記ポンチの圧下荷重ＦＶを出力するステップ７と、
出力された前記凹部の押し込み深さｈＶから、当該凹部の押し込み表面積ＡＶを算出するステップ８と、
算出された凹部の押し込み表面積ＡＶと、前記ポンチの圧下荷重ＦＶから、前記凹部の押し込み深さｈＶと、前記ポンチのストローク量ＳＶにおける凹部の平均面圧ＰＶとの関係を調査して、様々な前記薄肉被検査材の変形抵抗σＲにおけるデータベースを作成するステップ９と、
前記ポンチのストローク量ＳＲにおける前記凹部の平均面圧ＰＲを、前記データベースにあてはめて、前記薄肉被検査材の変形抵抗σＲを同定するステップ１０と、を有する
ことを特徴とする薄肉被検査材の変形抵抗同定方法。
【請求項２】
前記薄肉被検査材は、前記母材の表面に生成される酸化スケールであることを特徴とする請求項１に記載の薄肉被検査材の変形抵抗同定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄肉被検査材に対して実際に圧縮試験を実施すると共に、その圧縮試験と同様な条件で数値シミュレーションを実施して、薄肉被検査材の変形抵抗を同定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、鋼材などの試験片の変形抵抗を測定する方法としては、引張試験、圧縮試験、ねじり試験などが挙げられる。例えば、試験片の変形抵抗の測定装置としては、特許文献１に開示された圧縮試験装置がある。
特許文献１は、熱間変形抵抗の測定装置であり、試験片の圧縮時に発生する不均一なひずみ分布を補正し、試験片の変形抵抗を算出することを目的としている。
【０００３】
具体的には、特許文献１は、加熱された円柱試験片の両端部を１対の平行工具で狭圧する手段と、該工具の変位および該工具への荷重を測定する手段、該工具の変位から得られた試験片高さとひずみより試験片の最大断面積を推定する手段および荷重を最大断面積で除すことにより平均の材料の熱間変形抵抗を推定する手段とからなる演算処理装置とにより熱間変形抵抗を測定する装置において、演算処理装置に試験片が樽状に変形するために試験片の最大断面に生じる不均一ひずみ分布の影響を補正する不均一ひずみ分布補正手段を組み込んでいる熱間変形抵抗測定装置を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−９０５３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の測定装置は、試験片を狭圧すなわち圧縮することで変形抵抗を測定することを目的とした装置である。そのため、単体で圧縮することが困難である「薄くて脆い薄肉被検査材（例えば、酸化スケールなど）」の変形抵抗を測定することはほぼ不可能である。
また、酸化スケールのような鋼材の表面に一体的に生成されるものに関しては、酸化スケールだけを鋼材（すなわち、母材）から剥ぎ取り、試験片とすることは非常に難しい。加えて、酸化スケールのような薄肉被検査材を５００度以上に加熱し，その温度の変形抵抗を測定するには、変形抵抗の測定中における治工具との抜熱などにより測定条件が大きく変わり、変形抵抗を精度よく測定することは非常に困難である。
【０００６】
そこで、本発明は上述の問題に鑑みてなされたものであり、予め測定対象となる薄肉被検査材が載置された母材に対して実際に圧縮試験を行い、且つその圧縮試験と同様な条件で数値シミュレーションを実施し、圧縮試験のデータと数値シミュレーションのデータとから、実際の薄肉被検査材の変形抵抗を同定することができる薄肉被検査材の変形抵抗同定方法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】
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明にかかる薄肉被検査材の変形抵抗同定方法は、真空チャンバ内に配備され且つ母材の表面上に載置され、試験温度Ｔに加熱された薄肉被検査材に対して、ポンチを圧下させて凹部を形成する圧縮試験を行い、圧下時の前記球形ポンチのストローク量ＳＲ、前記球形ポンチの圧下荷重ＦＲを測定するステップ１と、前記真空チャンバ内で不活性ガスを用いて冷却後、前記母材の凹部の圧痕形状及びサイズＬＲを測定し、測定した前記凹部の圧痕形状及びサイズＬＲから当該凹部の圧痕深さＨＲを算出するステップ２と、算出された前記凹部の圧痕深さＨＲから、前記母材の弾性変形ΣＷ（Ｒ）と前記ポンチの弾性変形ΣＰ（Ｒ）及び、試験装置のガタや弾性変形ΣＥ（Ｒ）の影響を排除して、前記凹部の押し込み深さｈＲを算出するステップ３と、算出された前記母材の凹部の押し込み深さｈＲから、当該凹部の押し込み表面積ＡＲを算出するステップ４と、算出された前記凹部の押し込み表面積ＡＲと、前記ポンチの圧下荷重ＦＲから、前記凹部の押し込み深さｈＲと、前記ポンチのストローク量ＳＲにおける前記凹部の平均面圧ＰＲとの関係を調査するステップ５と、圧縮試験の数値シミュレーションにおいて、薄肉被検査材の変形抵抗σＶを種々変化させて、前記実際の圧縮実験と同様の条件で実施するステップ６と、前記数値シミュレーション結果から、前記凹部の押し込み深さｈＶと、前記ポンチの圧下荷重ＦＶを出力するステップ７と、出力された前記凹部の押し込み深さｈＶから、当該凹部の押し込み表面積ＡＶを算出するステップ８と、算出された凹部の押し込み表面積ＡＶと、前記ポンチの圧下荷重ＦＶから、前記凹部の押し込み深さｈＶと、前記ポンチのストローク量ＳＶにおける凹部の平均面圧ＰＶとの関係を調査して、様々な前記薄肉被検査材の変形抵抗σＲにおけるデータベースを作成するステップ９と、前記ポンチのストローク量ＳＲにおける前記凹部の平均面圧ＰＲを、前記データベースにあてはめて、前記薄肉被検査材の変形抵抗σＲを同定するステップ１０と、を有することを特徴とする。
【０００８】
好ましくは、前記薄肉被検査材は、前記母材の表面に生成される酸化スケールであるとよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、予め測定対象となる薄肉被検査材が載置された母材に対して実際に圧縮試験を行い、且つその圧縮試験と同様な条件で数値シミュレーションを実施し、圧縮試験のデータと数値シミュレーションのデータとから、実際の薄肉被検査材の変形抵抗を同定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】圧縮試験装置の概略を示す模式図である。
【図２】本発明にかかる薄肉被検査材の変形抵抗同定方法のフローチャート図である。
【図３】圧縮試験にて母材に形成された凹部の平均面圧ＰＲを算出する方法を示すグラフである。
【図４】試験温度（℃）に対する薄肉被検査材の変形抵抗σ（ＭＰａ）の関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明にかかる薄肉被検査材の変形抵抗同定方法の実施の形態を、図を基に説明する。
なお、本発明の薄肉被検査材Ｚの変形抵抗同定方法で使用する母材Ｗは、例えば、鋼、チタン、アルミなど金属製の試験片であるとよい。本実施形態において使用する母材Ｗは、Ｓ４５Ｃの鋼材を例示して説明する。また、本実施形態においては、鋼材Ｗに酸化スケールを生成させ、その酸化スケール（酸化皮膜）を、測定対象の薄肉被検査材Ｚとしている。
【００１２】
本実施形態の薄肉被検査材Ｚの変形抵抗同定方法を説明する前に、この同定方法で用いる圧縮試験装置１について、図を基に説明する。
図１に示すように、圧縮試験装置１は、酸化スケールＺが生成される前の鋼材Ｗ（母材）が収容される真空チャンバ２と、真空チャンバ２の内部に設けられ、鋼材Ｗを加熱する加熱ヒータ３と、真空チャンバ２の底部に設けられ、鋼材Ｗを載置する載置台４（ワークテーブル）と、真空チャンバ２の上部に設けられ、鋼材Ｗの上部に対して進出して上面に凹部（押し込み凹部）を形成する圧下装置５と、圧下装置５を圧下させる油圧シリンダを有している（油圧シリンダは図示せず）。
【００１３】
圧縮試験装置１に備えられた真空チャンバ２は、空洞の筺体である。真空チャンバ２は、内部を真空状態に減圧することが可能であり、真空状態の内部を気密に保持できる容器である。真空チャンバ２の側壁には、酸化スケールＺが生成される前の鋼材Ｗを真空チャンバ２内に搬入したり、酸化スケールＺが生成された後の鋼材Ｗを真空チャンバ２から外部に搬出したりするための扉が開閉自在に備えられている（加熱炉、扉ともに図示せず）。
【００１４】
真空チャンバ２内の底部には、鋼材Ｗを配置するための載置台４が設けられている。載置台４は例えば平板状の台であり、上面が略水平となっており、鋼材Ｗを載置台４上に配置できるようになっている。
また、鋼材Ｗが配置された載置台４の左右方向の内壁面には、加熱ヒータ３が配置されている。加熱ヒータ３は、後述する試験条件（所定の試験温度）となるように、鋼材Ｗを加熱するものである。
【００１５】
圧下装置５は、載置台４の上方に配備され、載置台４に載置された鋼材Ｗに対して上方から近接離反とされており、圧下装置５を下降させることで鋼材Ｗの上部に凹部を形成するものである。圧下装置５の下方を向く中央部には、鋼材Ｗの上部に凹部を形成するための突起部が形成されている。本実施形態における突起部６は、ポンチであり、図１では、例えば下方を向く凸状である半球状のポンチ６を図示している。なお、ポンチ６の形状及びサイズ（寸法）などは、母材Ｗに対して極めて小さいものである。ポンチ６の寸法に関しては、特に限定しない。また、ポンチ６は、半球状に限定されず、リング形状・円柱・円錐や台形錐など圧痕の形状から深さおよび接触面積が求まるものであればよい。
【００１６】
ところで、測定対象となる酸化スケールＺは、厚みが非常に薄いので、これ単体では変形抵抗σＲを測定することができない。そこで、本発明では、測定対象となる酸化スケールＺが生成された鋼材Ｗ（表面上に薄肉被検査材Ｚが載置された状況下の母材Ｗ）を用いて、酸化スケールＺの変形抵抗σＲを、以下に示すステップ１〜１０に沿って求めている。
【００１７】
本実施形態の酸化スケール（薄肉被検査材）Ｚの変形抵抗同定方法は、実際に鋼材Ｗ（母材）に対して圧縮試験（実機実験）を行い、ポンチ６のストローク量ＳＲにおける鋼材Ｗに形成された凹部の平均面圧ＰＲを求め、その圧縮試験と並行乃至は先行して、数値シミュレーションプログラムに酸化スケールＺの変形抵抗σＶを付与して、実際と同様の圧縮試験をシミュレートして、酸化スケールＺの変形抵抗σＶに対する平均面圧ＰＶを求め、圧縮試験における平均面圧ＰＲと、数値シミュレーションにおける平均面圧ＰＶとを照らし合わせて、鋼材Ｗの表面に生成された実際の酸化スケールＺの変形抵抗σＲを同定するものである。
［圧縮実験］
まず、測定対象となる酸化スケールＺが生成された鋼材Ｗに対して、球形状のポンチ６を圧下させる実際の圧縮試験の過程について、図を基に説明する。
【００１８】
図２は、酸化スケールＺの変形抵抗を同定する方法のフローチャート図である。
図２に示すように、ステップ１では、まず加熱炉（例えば、大気炉）内に装入し、設定された所定の酸化条件下で鋼材Ｗを加熱する。所定の酸化条件下で加熱された鋼材Ｗの表面には、測定対象となる酸化スケールＺが生成される。なお、酸化条件に関しては、少なくとも、鋼材Ｗに対する加熱温度が６００℃以上、加熱時間が１分以上であるとよい。
【００１９】
そして、酸化スケールＺが生成された鋼材Ｗを加熱炉から出して、常温になるまで冷却（空冷）する。冷却後の酸化スケールＺの膜厚ｔを測定する。
続いて、酸化スケールＺが生成された鋼材Ｗ（以降、単に鋼材Ｗと呼ぶこともある。）を真空チャンバ２内部に装入して、真空で且つ高周波による加熱などにより所定の試験温度Ｔ（試験条件）まで、昇温と温度保持を行い、鋼材Ｗを加熱する。所定の試験条件下となった真空チャンバ２内部にて、極小のポンチ６を酸化スケールＺが生成された鋼材Ｗの上部に対して圧下する。
【００２０】
ポンチ６を圧下した際のストローク量ＳＲ（押し込み変位(押し込み速度)）と、圧下荷重ＦＲを測定する。測定後、Ａｒ雰囲気下で、凹部が形成された鋼材Ｗを冷却する。
ステップ２では、鋼材Ｗに形成された半球状の凹部における圧痕形状及びサイズＬＲを実測する。その測定した凹部の圧痕形状及びサイズＬＲから、その凹部の圧痕深さＨＲを算出する。
【００２１】
ステップ３では、ステップ２で算出された凹部の圧痕深さＨＲから、球形ポンチ６の弾性変形ΣＫ（Ｒ）及び、鋼材Ｗの弾性変形ΣＷ（Ｒ）及び、試験装置のガタや弾性変形ΣE（Ｒ）を差し引いて、凹部の押し込み深さｈＲを算出する。
このように、圧縮試験における凹部の圧痕深さＨＲは、３つの弾性変形ΣＫ（Ｒ），ΣＷ（Ｒ）及び、ΣE（Ｒ）が生じている状況下で発生するものであるため、真の押し込み深さｈＲと異なるものである。それ故、押し込み深さｈＲを求めるにあたっては、ステップ２で算出された圧痕深さＨＲから、３つの弾性変形ΣＫ（Ｒ），ΣＷ（Ｒ）及び、ΣE（Ｒ）の影響分を除去する必要がある。すなわち、算出された押し込み深さｈＲは、圧痕形状及びサイズＬＲから幾何学的に算出された値、つまり３つの弾性変形ΣＫ（Ｒ），ΣＷ（Ｒ）及び、ΣE（Ｒ）の影響を除去した圧痕深さＨＲであり、後述する数値シミュレーションに用いるときの押し込み深さｈＶと同じである。
【００２２】
具体的には、図３に示すように、まず圧縮試験で得られるデータより、ストロークＳＲに対する圧下荷重ＦＲの関係（Ｂ）、すなわち圧縮試験における荷重曲線（黒色の実線）を作成する。そして、弾性変形ΣＫ（Ｒ），ΣＷ（Ｒ）及び、ΣE（Ｒ）を除いたストローク量ＳＲに対する圧下荷重ＦＲの関係（Ａ）、すなわち圧縮試験における真の荷重曲線（グレー色の実線）をＡとＢの比を一定と考えて作成する。このようにして得られた真の荷重曲線（Ａ）等を基に、圧痕深さＨＲから弾性変形ΣＫ（Ｒ），ΣＷ（Ｒ）及び、ΣE（Ｒ）の影響を除去し、凹部の押し込み深さｈＲを求める。
【００２３】
ステップ４では、ステップ３で決定した鋼材Ｗの凹部の押し込み深さｈＲから、当該凹部の押し込み表面積ＡＲ（半球状の表面積）を算出する。
ステップ５では、ステップ４で算出された凹部の押し込み表面積ＡＲと、ステップ１で測定されたポンチ６の圧下荷重ＦＲから、凹部の押し込み深さｈＲと、所定のストローク量ＳＲにおける凹部の平均面圧ＰＲとの関係を作成する。
［数値シミュレーション］
次に、酸化スケールＺの変形抵抗σＶを数値シミュレーションに付与して、実機同様の圧縮試験をシミュレートする過程について、説明する。
【００２４】
まず、数値シミュレーションを行う理由としては、以上述べたステップ１〜５までの実際の圧縮試験では、所定のストローク量ＳＲにおける「凹部の平均面圧ＰＲ」までは算出できるが、本願の目的である実際の酸化スケールＺの「変形抵抗σＲ」までは算出することができない。なぜならば、凹部の平均面圧ＰＲは、酸化スケールＺの変形抵抗σＺ（Ｒ）だけでなく鋼材Ｗの変形抵抗σＷ（Ｒ）との影響を受けており、実試験で酸化スケールＺの変形抵抗σＲを算出することが難しいためである。
【００２５】
図２に示すように、ステップ６では、まずステップ１で測定した酸化スケールＺの膜厚ｔを、プログラム（数値シミュレーションプログラム）に組み込む。
このプログラムにおいては、実機実験と同様の圧縮試験が仮想的に構築されている。コンピュータ上に仮想的に構築された圧縮試験においては、鋼材Ｗに対する加熱炉の酸化条件、圧縮試験の試験条件、球形ポンチ６を圧下した際の実験条件（ストローク量ＳＶ、圧下荷重ＦＶ、押し込み深さｈＶなど）などがシミュレートされるようになっている。
【００２６】
仮想的に構築された圧縮試験の数値シミュレーションプログラムにおいて、酸化スケールＺの変形抵抗σＶを種々変化させて、実験と同様の条件で実施する。
具体的には、数値シミュレーションにおいて、圧縮試験の条件の設定、すなわち試験温度Ｔの設定、圧下速度の設定などを行う。
そして、酸化スケールＺの変形抵抗σＶを種々変化させて、実際の圧縮実験と同様の条件で実施する。つまり、様々な酸化スケールＺの変形抵抗σＶをプログラムに付与して、鋼材Ｗにおける圧縮試験の状況をシミュレートする。なお、数値シミュレーションにおいては、球形ポンチ６は剛体とし、鋼材Ｗは塑性変形体としている。それ故、球形ポンチ６及び鋼材Ｗは弾性変形しない。
【００２７】
なお、本実施形態で用いられる数値シミュレーションは、コンピュータ上で実行されるプログラムの形で実現されている。また、本実施形態においては、例えば、DEFORM（Design Environment for FROMing:米国SFTC社）、FORGE(TRANSVALOR社製)、ABAQUS(DASSAULT SYSTEMES社製)などの数値シミュレーションソフトを使用するとよい。
ステップ７では、ステップ６で得られた数値シミュレーション結果から、凹部の押し込み深さｈＶと、ポンチ６の圧下荷重ＦＶを出力する。
【００２８】
ステップ８では、ステップ６で出力された凹部の押し込み深さｈＶから、当該凹部の押し込み表面積ＡＶ（半球状の表面積）を算出する。
ステップ９では、ステップ８で算出された凹部の押し込み表面積ＡＶと、ステップ６で出力されたポンチ６の圧下荷重ＦＶから凹部の平均面圧ＰＶを求め、凹部の押し込み深さｈＶと、所定のストローク量ＳＶにおける凹部の平均面圧ＰＶとの関係を調査して、その関係を示す校正曲線を作成する。すなわち、凹部（押し込み凹部）の押し込み深さｈＶと凹部の平均面圧ＰＶとの関係を示す曲線が、酸化スケールＺの変形抵抗σＶごとに複数得られることになる。
【００２９】
なお、凹部の押し込み深さｈＶと、凹部の平均面圧ＰＶと、酸化スケールＺの変形抵抗σＶとの関係は、表などにまとめられたデータベースであってもよい。これら調査されたデータベースは、コンピュータに保存されるようになっていてもよい。
ステップ１０では、ステップ５で得られた圧縮試験の実験値を、ステップ９で作成されたデータベース（例えば、校正曲線など）にあてはめて、酸化スケールＺの変形抵抗σＲを同定する。すなわち、ステップ５で得られた圧縮試験の凹部の平均面圧ＰＶ（実験値）を、ステップ９で作成されたデータベース（校正曲線）に照らし合わせることで、酸化スケールＺの変形抵抗σＲを推定することができる。
【００３０】
まとめると、上記した薄肉被検査材Ｚの変形抵抗同定方法は、ステップ１〜５に示す実際の圧縮実験において、実際の凹部における平均面圧ＰＲまでしか得られないので、ステップ６〜１０に示す実際の圧縮実験同様の数値シミュレーションを、実際の圧縮実験と並行乃至は先行して実施し、圧縮試験で得られたデータと数値シミュレーションで得られたデータとを付き合わせることで、実際の酸化スケールＺの変形抵抗σＲを推定している。
【００３１】
なお、酸化スケールＺの変形抵抗σＲを推定精度を向上させるために、以上述べた実際の圧縮実験及び数値シミュレーションを、複数の酸化条件、試験条件下で実施し、種々の酸化スケールＺの変形抵抗σＶと平均面圧ＰＶとの関係を調べてもよい。数値シミュレーションにおいては、様々な酸化スケールＺの変形抵抗σＶ（例えば、実際には実現不可能な値など）を試すことができるので、多くのデータを得ることが可能である。
【００３２】
図４は、試験温度Ｔ（℃）に対する酸化スケールＺの変形抵抗σＶ（ＭＰａ）の関係を調べた結果を示す。この図は、様々な試験温度Ｔにおいて、ステップ１〜ステップ１０を行うことで、酸化スケールＺの変形抵抗σＶを算出し、グラフ化することで得られるものである。
以上述べたように、本発明の薄肉被検査材Ｚの変形抵抗同定方法は、測定対象となる酸化スケールＺが生成された鋼材Ｗに対して実際に圧縮試験を行い、且つその圧縮試験と同様な条件で数値シミュレーションを実施し、圧縮試験のデータと数値シミュレーションのデータとを同定することで、実際の酸化スケールＺの変形抵抗σＲを求めることができる。
【００３３】
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【００３４】
例えば、本発明は、鋼材Ｗに生成された酸化スケールＺの変形抵抗σＲを同定する方法の説明をしたが、フィルムなど非常に薄いものを母材Ｗ上に載置した場合であっても適用可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１  圧縮試験装置
２  真空チャンバ
３  加熱ヒータ
４  載置台（ワークテーブル）
５  圧下装置
６  ポンチ（突起部）
Ｗ  母材（鋼材）
Ｚ  薄肉被検査材（酸化スケール）
【図１】
0006339969.tif 000002
【図２】
0006339969.tif 000003
【図３】
0006339969.tif 000004
【図４】
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