(57)【要約】【課題】  固液共存温度領域における金属材料の延性値を簡易に取得する測定方法および測定装置を提供する。【解決手段】  試験片Ｐを保持する試験機１と、レーザ光照射装置３と、温度計測手段４と、撮像手段５と、撮像手段５の撮像画像を画像処理する画像処理手段６と、制御演算手段９とを備え、表面に標点が所定配列で形成された試験片Ｐに初期引張荷重を負荷し、その状態で試験片Ｐ表面にレーザ光を照射により溶融池Ｐａを形成してその温度を計測し、亀裂発生時の標点間距離Ｌｃと初期標点間距離Ｌ０とに基づいてその温度における限界歪εｃを算出するものである。【選択図】  図１
2007101326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固液共存領域における金属材料の延性値測定方法であって、
表面に標点が所定配列で形成された試験片に初期引張荷重を負荷する手順と、
試験片表面に溶融池を形成する手順と、
溶融池の温度を計測する手順と、
標点間距離を計測する手順と、
亀裂発生時の標点間距離と初期標点間距離とに基づいて限界歪を算出する手順
とを含んでいることを特徴とする金属材料の延性値測定方法。
【請求項２】
標点間距離の計測が、試験片表面を撮像した画像を画像処理することによりなされることを特徴とする請求項１記載の金属材料の延性値測定方法。
【請求項３】
溶融池の温度の計測が、試験片表面の撮像と並行してなされることを特徴とする請求項２記載の金属材料の延性値測定方法。
【請求項４】
固液共存領域における金属材料の延性値測定装置であって、
試験片に引張荷重を負荷しながら保持する試験機と、試験片表面に溶融池を形成する試験片加熱手段と、溶融池の温度を計測する温度計測手段と、試験片表面を撮像する撮像手段と、撮像手段の撮像画像を画像処理する画像処理手段と、制御演算手段とを備えてなることを特徴とする金属材料の延性値測定装置。
【請求項５】
試験片加熱手段がＹＡＧレーザ光照射装置とされ、該ＹＡＧレーザ照射光による試験片の加熱が焦点を外してなされることを特徴とする請求項４記載の金属材料の延性値測定装置。
【請求項６】
試験片に負荷される引張荷重を計測する引張荷重計測手段が付設されてなることを特徴とする請求項４記載の金属材料の延性値測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属材料の延性値測定方法および延性値測定装置に関する。さらに詳しくは、固液共存温度領域における金属材料の延性値測定方法および延性値測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の一層の軽量化を図る観点から車両材料に耐熱マグネシウム合金を利用することが検討されている。例えば、カルシウムやストロンチウムを添加して耐クリープ性を向上させた耐熱マグネシウム合金の利用が検討されている。
【０００３】
しかるに、これらの耐熱マグネシウム合金は、ダイキャスト時に凝固割れを生じやすいため、実用化に向けた大きな障害となっている。このような凝固割れは、溶接金属で発生する割れと同様な発生機構により生ずるものと想定されている。かかる割れ発生機構においては、固液共存温度領域における材料の延性が大きく影響するため、この温度領域における金属材料の延性値を取得することが重要となる。
【０００４】
しかしながら、現状においてはかかる温度領域における金属材料の延性値を取得する方法や装置は知られていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、固液共存温度領域における金属材料の延性値を簡易に取得する測定方法および測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の金属材料の延性値測定方法は、固液共存領域における金属材料の延性値測定方法であって、表面に標点が所定配列で形成された試験片に初期引張荷重を負荷する手順と、試験片表面に溶融池を形成する手順と、溶融池の温度を計測する手順と、標点間距離を計測する手順と、亀裂発生時の標点間距離と初期標点間距離とに基づいて限界歪を算出する手順とを含んでいることを特徴とする。
【０００７】
本発明の金属材料の延性値測定方法においては、標点間距離の計測が、試験片表面を撮像した画像を画像処理することによりなされるのが好ましい。
【０００８】
また、本発明の金属材料の延性値測定方法においては、溶融池の温度の計測が、試験片表面の撮像と並行してなされるのが好ましい。
【０００９】
本発明の金属材料の延性値測定装置は、固液共存領域における金属材料の延性値測定装置であって、試験片に引張荷重を負荷しながら保持する試験機と、試験片表面に溶融池を形成する試験片加熱手段と、溶融池の温度を計測する温度計測手段と、試験片表面を撮像する撮像手段と、撮像手段の撮像画像を画像処理する画像処理手段と、制御演算手段とを備えてなることを特徴とする。
【００１０】
本発明の金属材料の延性値測定装置においては、試験片加熱手段がＹＡＧレーザ光照射装置とされ、該ＹＡＧレーザ光照射による試験片の加熱がレーザの焦点を外してなされるのが好ましい。
【００１１】
本発明の金属材料の延性値測定装置においては、試験片に負荷される引張荷重を計測する引張荷重計測手段が付設されてなるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、固液共存領域における金属材料の延性値の測定が、簡易になし得るという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
【００１４】
本発明の一実施形態に係る金属材料の延性値測定方法に適用される延性値測定装置を図１にブロック図で示す。
【００１５】
延性値測定装置Ａは、図１に示すように、Ｕ型高温割れ試験機１と、引張荷重計測装置２と、レーザ光照射装置（試験片加熱手段）３と、温度計測装置４と、高速度撮像装置５と、画像処理装置６と、入力装置７と、出力装置８と、制御演算装置９とを主要構成要素として備えてなるものとされる。
【００１６】
Ｕ型高温割れ試験機１は、図２に示すように、ベース１ａに一対の弾性体からなるビーム１ｂ，１ｃを所定の間隔を設けて対向配置し、両ビーム１ｂ，１ｃ上端に試験片Ｐを橋架して固定板１ｄにより固定し、高温割れ試験をなすものとされる。
【００１７】
ダイキャスト製品Ｗにおける凝固割れＣは、図３に模式的に示すように、引張変形により発生すると考えられるので、Ｕ型高温割れ試験機１による高温割れ試験においては、図４に模式的に示すように、試験片Ｐに引張荷重Ｆを与えて試験を行うこととしている。この引張荷重の付与は、図５に模式的に示すように、試験開始前にビーム１ｂ，１ｃを弾性限度内で撓ませることによりなすものとされている。そこで、その撓量（δ／２）を測定するため、ビーム１ｂ，１ｃには所定間隔を設けて歪ゲージＳが貼付されている（図２参照）。
【００１８】
なお、試験開始前の常温状態で試験片Ｐに荷重を負荷するという試験方法を採用することにより、幅広い負荷条件および加熱条件の下での試験がなし得る。例えば、ビーム１ｂ，１ｃの撓量（δ／２）を調整することにより、初期荷重を０〜６ｋＮの範囲で調整が可能とされている。
【００１９】
引張荷重計測装置２は、ビーム１ｂ，１ｃに貼付された歪ゲージＳの歪量に基づいて試験片Ｐに作用している引張荷重を計測するものとされる。なお、歪ゲージＳの歪量から引張荷重を計測する手法については特に限定はなく、公知の各種手法を好適に用いることができる。
【００２０】
レーザ光照射装置３は、例えばＹＡＧレーザ溶接機とされる。レーザ光照射装置３をＹＡＧレーザ溶接機とすることにより、出力、照射時間などを変化させることができ、さまざまな温度条件での試験をなすことができるという利点が得られる。例えば、試験片Ｐの溶融池Ｐａの温度を所定温度例えば５００℃にまで加熱する高出力段階と、試験片Ｐの溶融池Ｐａの温度を所定温度例えば５５０℃に維持する低出力段階（高出力段階の約７割の出力）との２段階における出力調整がなし得る。
【００２１】
また、レーザの焦点外し距離も調整することで溶融池Ｐａの径を変化させることができるとともに、試験片Ｐに照射されるレーザのエネルギ密度も変化させることができるという利点も得られる。レーザの焦点外し距離を調整してエネルギ密度を比較的フラットな状態とすることにより、溶融池Ｐａ内の温度勾配を緩やかにして、溶融池Ｐａ中心からの距離に依存する温度の違いによる歪への影響を小さくでき、実際の状態に近い状態で試験がなし得る。
【００２２】
温度計測装置４は、例えば放射温度計とされ、その検出素子は、試験片Ｐの溶融池Ｐａより狭い領域が測定される標的型素子とされ、その集光系の焦点は溶融池Ｐａが形成される表面とされている。放射温度計をこのようなものとすることにより、溶融池Ｐａの温度を非接触にて精度よく計測がなし得る。また、集光系にはレーザ光照射装置３により照射され試験片Ｐから反射して集光系に入射するレーザ反射光および後述する照明装置から照射され試験片Ｐから反射して集光系に入射する照明反射光、つまりノイズを除去するためのフィルターが装着されている。
【００２３】
しかして、温度計測装置４として放射温度計を用いた場合、試験中の温度計測がなし得るところから、延性値と温度との関係が実測可能となる。
【００２４】
なお、放射温度計を用いて精度よく計測を行うには、試験片Ｐの放射率をあらかじめ正確に求めておく必要がある。その放射率の測定は、例えば、試験片Ｐと同材質で表面状態が同一とされた放射率測定用試験片を例えば５００℃に加熱して、例えば熱電対温度計のような接触式温度計と試験に用いる放射温度計とで同時に計測し、放射温度計の指示温度が接触式温度計の計測温度に一致するようにその放射率を調整することによりなし得る。
【００２５】
高速度撮像装置５は、ＣＣＤカメラ（またはＣ−ＭＯＳカメラ）（以下、ＣＣＤカメラで代表させる。）と、ＣＣＤカメラからの画像を記録するデジタル画像記録装置（例えばデジタルビデオ装置）と、照明装置とを備えてなるものとされる。ＣＣＤカメラには、試験片Ｐから反射されて入力するレーザ反射光つまりノイズをカットするためのフィルター、および溶融池Ｐａからの過剰の光がＣＣＤカメラに入射するのを防止するＮＤフィルターが装着され、撮像精度の向上が図られている。
【００２６】
照明装置は、ＮＤフィルターを用いたことによる溶融池Ｐａ以外の箇所における光量不足を補償するためのものである。
【００２７】
このＣＣＤカメラによる撮像は、制御演算装置９による制御によりレーザ光照射に同期してなされるようされている。
【００２８】
画像処理装置６は、デジタル画像記録装置に記録されたデジタル画像を画像処理して、試験中の各段階における試験片Ｐ表面にマーキングされた標点間距離Ｌを算出するようにされている（図６参照）。また、画像処理装置６は、撮像されたデジタル画像を、例えば輪郭、明るさ、濃淡などをはっきりさせる強調処理をした後、エッジ強調処理をし、ついで逐次撮像されかつ前記処理がなされた画像の前後の画像において、濃淡の変化の大きい箇所を抽出することにより、亀裂発生を検出するとともに、その時の標点間距離を算出するようにされている。なお、前記強調処理およびエッジ強調処理は、公知の各種手法を好適に用いることができ、特に限定はない。
【００２９】
なお、画像処理装置６にはモニタテレビが設けられていて、算出された標点間距離Ｌが撮像画像とともに画像表示されるようにされている。
【００３０】
入力装置７は、例えばキーボートとされて、試験条件などの入力をなすものとされる。
【００３１】
出力装置８は、例えばプリンタとされて、限界歪測定結果つまり延性値測定結果を出力するものとされる。
【００３２】
制御演算装置９は、例えばコンピュータとされて、前記各種装置２，３，４，５，６，７，８の制御をなすとともに、試験中の各段階における歪、および限界歪つまり延性値を算出するものとされる。また、延性値の温度との関係から延性曲線も生成できるようにされている。ここで、限界歪εｃは亀裂が発生した時の標点間距離Ｌｃから初期の標点間距離Ｌ０を差し引いた変位量ΔＬを初期の標点間距離Ｌ０で割った値とされている（図６（ａ），（ｂ）参照）。
【００３３】
次に、かかる構成とされた延性値測定装置Ａによる延性値の測定について説明する。
【００３４】
手順１：限界歪計測用の標点が形成された試験片ＰをＵ型高温割れ試験機１に所望の初期荷重を負荷した状態でセットする。この初期荷重を負荷は、引張荷重計測装置２の計測値を参照しながらなされる。この計測値は制御演算装置９に送出される。
【００３５】
ここで、標点は所定サイズ例えば１５μｍのビッカース痕とされ、試験片Ｐの長手方向には例えば１００μｍ間隔で形成され、試験片Ｐの幅方向には例えば１ｍｍ間隔で形成されている。
【００３６】
手順２：高速度撮像装置５により常温状態での試験片Ｐ表面の溶融池Ｐａが形成される箇所を斜め上方から撮像してその画像を画像処理装置６に送出する。なお、この撮像画像は高速度撮像装置５のデジタルビデオ装置にも記録される。
【００３７】
手順３：画像処理装置６は、高速度撮像装置５からの撮像画像を画像処理して常温状態での標点間距離Ｌ０を算出し、その値を制御演算装置９に送出する。
【００３８】
手順４：レーザ光照射装置３により所定のパターンでレーザ光照射を行って試験片Ｐを加熱するとともに、その時の温度を温度計測装置４により計測しその温度を制御演算装置９に送出する。
【００３９】
手順５：レーザ光照射装置３のレーザ光照射に同期させ、高速度撮像装置５により試験片Ｐ表面の溶融池Ｐａが形成される箇所を斜め上方から撮像してその画像を画像処理装置６に送出する。なお、この撮像画像は高速度撮像装置のデジタルビデオ装置にも記録される。
【００４０】
手順６：画像処理装置６は、高速度撮像装置５からの撮像画像を画像処理し、標点距離Ｌを算出してその値を制御演算装置９に送出するとともに、前述した手法により溶融池Ｐａ内における亀裂Ｃ発生の有無を判定してその判定結果も制御演算装置９に送出する。
【００４１】
手順７：制御演算装置９は亀裂Ｃ発生時の標点距離Ｌｃと常温状態での標点間距離Ｌ０とを演算処理して限界歪εｃつまり延性値を算出し、亀裂Ｃ発生時の温度ともに記録するとともに出力装置８より出力する。
【００４２】
このように、本実施形態によれば、金属材料の固液共存領域における延性値を自動的に測定することができる。
【実施例】
【００４３】
以下、本発明をより具体的な実施例に基づいて説明する。
【００４４】
実施例１〜４
実施形態の延性値測定装置Ａにより、耐熱マグネシウム合金（アルミニウム：３．８〜４．２質量％、カルシウム：２．８〜３．２質量％、マンガン：０．２５〜０．４質量％、残部がマグネシウムおよび不可避不純物からなるマグネシウム合金、以下、ＡＭＣａ４０３という）からなる試験片について、初期荷重として４．７１ｋＮの引張荷重を負荷してレーザ焦点外し距離を１６ｍｍとしてレーザ出力を変化させて歪量εの時間変化を測定した（実施例１〜４）。その結果を図７に示す。図中、ｘ印は亀裂発生点を示す。
【００４５】
ここで、高出力段階におけるレーザ出力／照射時間は、実施例１では１．１５ｋＷ／２０秒、実施例２では１．２４ｋＷ／２０秒、実施例３では１．５１ｋＷ／７秒、実施例４では１．６２ｋＷ／７秒とされ、低出力段階におけるレーザ出力／照射時間は、実施例１〜４のいずれにおいても０．８２ｋＷ／１０秒とされている。
【００４６】
また、実施例１〜４における亀裂発生時における計測温度と歪量ε、つまり限界歪量εｃとの関係を図８に示す。図８より、ＡＭＣａ４０３の固液共存領域における延性値は約２．５％と認められる。図中、符号ＴＳは固相線温度を示し、ＴＬは液相線温度を示す。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、金属材料の固液共存領域における延性値の計測に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施形態の延性値測定装置のブロック図である。
【図２】同延性値測定装置に用いられるＵ型高温割れ試験機の概略斜視図である。
【図３】ダイキャスト製品における凝固割れが発生する様子を示す説明図である。
【図４】ダイキャスト製品における凝固割れを模擬して試験をなす様子を示す説明図である。
【図５】Ｕ型高温割れ試験機により試験片に引張荷重を与える様子を示す説明図である。
【図６】試験片の模式図であって、同（ａ）は試験開始前の状態を示し、同（ｂ）は亀裂が発生した状態を示す。
【図７】実施例１〜４の測定結果のグラフ図である。
【図８】実施例１〜４の測定結果に基づいて作成された延性曲線図である。
【符号の説明】
【００４９】
１    Ｕ型高温割れ試験機
２    引張荷重計測装置
３    レーザ光照射装置（試験片加熱手段）
４    温度計測装置
５    高速度撮像装置
６    画像処理装置
７    入力装置
８    出力装置
９    制御演算装置
Ａ    延性値測定装置
Ｃ    凝固割れ、亀裂
Ｆ    引張荷重
Ｌ    標点間距離
Ｐ    試験片
Ｐａ  溶融池
Ｓ    歪ゲージ
Ｗ    ダイキャスト製品
【図１】
2007101326.tif 000003
【図２】
2007101326.tif 000004
【図３】
2007101326.tif 000005
【図４】
2007101326.tif 000006
【図５】
2007101326.tif 000007
【図６】
2007101326.tif 000008
【図７】
2007101326.tif 000009
【図８】
2007101326.tif 000010