押し込み硬度

押し込み硬度試験は、機械工学において、材料の変形に対する硬度を測定するために使用されます。検査対象の材料を押し込み、跡が残るまで押し込む試験はいくつかあり、これらの試験はマクロスケールまたはミクロスケールで実行できます。

金属を試験する場合、押込み硬度は引張強度とほぼ直線的に相関しますが、^[1]この相関は不完全であり、各押込み形状の強度と硬度の範囲が狭い場合が多くあります。 この関係により、手持ち式のロックウェル硬度計などの軽量で持ち運び可能な機器を使用して、バルク金属の非破壊検査を経済的に行うことができます。

より小さなスケールで材料特性を定量化するために、さまざまな技術が使用されています。たとえば、薄膜などの材料の機械的特性の測定は、従来の単軸 引張試験では実行できません。その結果、材料に非常に小さな跡を付けて「硬度」をテストする技術が開発され、これらの特性を推定しようとしています。

硬度測定は、材料の塑性変形に対する抵抗力を定量化します。インデンテーション硬度試験は、材料の硬度を決定するために使用されるプロセスの大部分を占め、 マクロ、マイクロ、ナノインデンテーション試験の3つのクラスに分類できます。^{[2] [3]マイクロインデンテーション試験では通常、2 N（0.45 lb} _f ）未満の力が用いられます。ただし、硬度は基本的な材料特性とは言えません。^[要出典]従来の硬度試験では通常、材料特性の相対的な考え方を提供するために使用できる数値が生成されます。^[3]そのため、硬度は、異なる硬度測定技術には異なる尺度があるため、材料の塑性変形に対する抵抗力の比較的な考え方しか提供できません。

硬度の方程式に基づく定義は、圧子と試験対象材料の接触領域にかかる圧力です。その結果、硬度の値は圧力単位で報告されるのが一般的ですが、圧子と表面の界面が完全に平らな場合にのみ、これが「真の」圧力となります。^{[引用が必要]}

計装化インデンテーションは、基本的に鋭い先端を材料の表面に押し込んで力-変位曲線を取得します。その結果は、弾性率や塑性変形など、硬度を含む材料の機械的挙動に関する多くの情報を提供します。計装化インデンテーションテストの重要な要素の1つは、先端が力または変位によって制御される必要があることです。これは、インデンテーションサイクル全体を通じて同時に測定できます。^[4]現在の技術では、広範囲で正確な力の制御を実現できます。したがって、セラミックなどの硬い材料からポリマーなどの柔らかい材料まで、さまざまな長さスケールで硬度を特性評価できます。

最も初期の研究は1970年代にBulychev、Alekhin、Shorshorovによって完了し、彼らは材料のヤング率は力対変位の押込み曲線の傾きから次のように決定できることを明らかにしました。 ^[5]

${\displaystyle S={dP \over d\delta }={\frac {2}{\sqrt {\pi }}}E_{r}{\sqrt {A}}}$

${\displaystyle S}$: 材料の剛性、つまり曲線の傾き

${\displaystyle A}$: チップとサンプルの接触面積

${\displaystyle E_{r}}$: 縮小弾性率、次のように定義されます:

${\displaystyle {\frac {1}{E_{r}}}={\frac {1-\nu _{s}^{2}}{E_{s}}}+{\frac {1-\nu _{i}^{2}}{E_{i}}}}$

ここで、 およびはサンプルのヤング率とポアソン比、および は圧子のヤング率とポアソン比です。通常、 であるため、2 番目の項は通常無視できます。 ${\displaystyle E_{s}}$${\displaystyle \nu_{s}}$${\displaystyle E_{i}}$${\displaystyle \nu_{i}}$${\displaystyle E_{i}>>E_{s}}$

最も重要な情報である硬度は、次のように計算できます。

${\displaystyle H={\frac {P_{max}}{A}}}$

一般的に使用されるインデント手法と、それぞれの異なる方法の詳細な計算については、以下で説明します。

「マクロインデンテーション」という用語は、1 kgf以上など の大きな試験荷重による試験に適用されます 。マクロインデンテーション試験には、次のようなさまざまなものがあります。

• ビッカース硬度試験（HV）は、最も広いスケールの1つです。あらゆる種類の金属材料（鋼、非鉄金属、ティンセル、超硬合金、板金など）の硬度、表面層/コーティング（浸炭、窒化、脱炭層、表面硬化層、亜鉛メッキコーティングなど）の試験に広く使用されています。^[6]
• ブリネル硬度試験（HB）BHNとHBWが広く使用されている^[7]
• ヌープ硬度試験（HK）は、小さな面積の測定に使用され、ガラスやセラミック材料の試験に広く使用されています。^[8]
• 木材のヤンカ硬度試験
• マイヤー硬度試験
• ロックウェル硬度試験（HR）は主に米国で使用されています。HRA、HRB、HRCスケールが最も広く使用されています。^[9]
• ショア硬度試験はポリマー用で、ゴム業界で広く使用されています。^[10]
• 複合材料のバーコル硬度試験。

一般的に、異なる硬度試験の結果の間には単純な関係はありません。たとえば、硬鋼には実用的な変換表がありますが、一部の材料はさまざまな測定方法で質的に異なる動作を示します。ビッカース硬度とブリネル硬度スケールは広い範囲でよく相関しますが、ブリネル硬度は高負荷でのみ過大評価された値を生成します。

ただし、インデンテーション手順は、真の応力-ひずみ関係を抽出するために使用できます。信頼性の高い結果を得るには、特定の基準を満たす必要があります。これには、比較的大きな体積を変形させる必要があること、したがって大きな負荷を使用する必要があることが含まれます。関連する方法論は、多くの場合、インデンテーション プラストメトリーという用語でグループ化されており、別の記事で説明されています。

「マイクロ硬度」という用語は、低荷重をかけた材料の硬度試験を説明するために文献で広く使用されています。より正確な用語は「マイクロインデンテーション硬度試験」です。マイクロインデンテーション硬度試験では、特定の形状のダイヤモンド圧子を、1～1000 gfの既知の荷重（一般に「荷重」または「試験荷重」と呼ばれる）で試験片の表面に押し付けます。マイクロインデンテーション試験では通常、2 N （約 200 gf）の力で 、約 50 μmのくぼみが生成されます。その特異性により、マイクロ硬度試験を使用して、顕微鏡的スケールでの硬度の変化を観察できます。残念ながら、マイクロ硬度測定を標準化することは困難です。ほとんどすべての材料のマイクロ硬度は、マクロ硬度よりも高いことがわかっています。さらに、マイクロ硬度値は、材料の荷重および加工硬化効果によって異なります。^[3]最も一般的に使用される2つのマイクロ硬度試験は、マクロインデンテーション試験と同様に、より重い荷重で適用できる試験である。

• ビッカース硬度試験（HV）
• ヌープ硬度試験（HK）

マイクロインデンテーション試験では、硬度の数値は試験片の表面に形成されたくぼみの測定値に基づきます。硬度の数値は、加えられた力をくぼみ自体の表面積で割った値に基づき、硬度の単位は kgf/mm ²になります。マイクロインデンテーション硬度試験は、ビッカース圧子とヌープ圧子を使用して行うことができます。ビッカース試験では、両方の対角線が測定され、平均値を使用してビッカースピラミッド数が計算されます。ヌープ試験では、長い方の対角線のみが測定され、くぼみの投影面積を加えられた力で割った値に基づいてヌープ硬度が計算され、試験単位も kgf/mm ²になります。

ビッカース マイクロインデンテーション テストは、同じピラミッドを使用して、ビッカース マクロインデンテーション テストとよく似た方法で実行されます。ヌープ テストでは、細長いピラミッドを使用して材料サンプルにインデントします。この細長いピラミッドは浅い印象を作成するため、脆い材料や薄い部品の硬度を測定するのに適しています。ヌープ インデンターとビッカース インデンターはどちらも、正確な結果を得るために表面を研磨する必要があります。^{[引用が必要]}

3 gf または 9 gf の荷重で行われるビアバウム マイクロキャラクター テストなどの低荷重でのスクラッチ テストは、従来の圧子を使用したマイクロ硬度計の開発に先行していました。1925 年に、英国のスミスとサンドランドは、ダイヤモンド製の正方形のピラミッド型圧子を使用した圧入テストを開発しました。^[11]彼らは、試験片のブリネル硬度に可能な限り近い硬度値を得るために、対向面間の角度が 136° のピラミッド型を選択しました。ビッカース テストには、すべての材料をテストするために 1 つの硬度スケールを使用できるという大きな利点があります。低荷重のビッカース圧子に関する最初の言及は、 1932 年の国立物理学研究所の年次報告書に記載されました。リップスとサックは、1936 年に低荷重を使用する最初のビッカース テスターに​​ついて説明しています。^{[引用が必要]}

マイクロ硬度試験に適用可能な荷重範囲については、文献によって意見が分かれています。たとえば、ASTM 仕様 E384 では、マイクロ硬度試験の荷重範囲は 1 ～ 1000 gf とされています。1 kgf 以下の荷重の場合、ビッカース硬度 (HV) は次の式で計算されます。ここで、荷重 ( L ) はグラム力、2 つの対角線の平均 ( d ) はミリメートルです。

${\displaystyle HV=0.0018544\times {\tfrac {L}{d^{2}}}}$

どのような荷重でも、対角線の長さが短いと硬度が急激に増加し、荷重が減少するにつれてその影響はより顕著になります。したがって、荷重が低い場合、小さな測定誤差で硬度の偏差が大きくなります。したがって、どのテストでも常に可能な限り高い荷重を使用する必要があります。また、曲線の垂直部分では、小さな測定誤差で硬度の偏差が大きくなります。

インデンテーション試験における誤差の主な原因は、技術の不備、装置の校正の不備、およびプロセスのひずみ硬化効果です。しかし、「ひずみなし硬度試験」によって、より小さなインデントではその影響は最小限であることが実験的に判明しています。^[12]

部品の表面仕上げと圧子は、表面粗さに比べて圧痕が大きい限り、硬度測定に影響を与えません。これは、実際の表面の硬度を測定するときに役立ちます。また、細かく刻まれた圧子は滑らかな圧子よりもはるかに読みやすい圧痕を残すため、浅い圧痕を残すときにも役立ちます。^[13]

圧子と荷重が取り除かれた後に残るくぼみは「回復」、つまりわずかに跳ね返ることが知られています。この効果は、正確には浅化と呼ばれます。球形の圧子の場合、くぼみは対称的で球形のままですが、半径が大きくなります。非常に硬い材料の場合、半径は圧子の半径の 3 倍になることがあります。この効果は、弾性応力の解放に起因します。この効果により、くぼみの直径と深さには誤差が含まれます。直径の変化による誤差はわずか数パーセントであることが知られていますが、深さの誤差はそれよりも大きくなります。^[14]

荷重がくぼみに及ぼすもう 1 つの影響は、周囲の材料の堆積または沈み込みです。金属が加工硬化すると、堆積して「クレーター」を形成する傾向があります。金属が焼きなましされると、くぼみの周囲に沈み込みます。これらの影響は両方とも、硬度測定の誤差を増加させます。^[15]

硬度を平均接触圧力（荷重/投影接触面積）として定義すると、多くの材料の降伏応力は拘束係数Cと呼ばれる定数によって硬度に比例します。^[16]${\displaystyle H}$${\displaystyle \sigma_{y}}$

${\displaystyle H=C\sigma_{y}}$

どこ：

${\displaystyle C\approx {\begin{cases}3&{\text{large }}E/\sigma _{y}{\text{ (ex. metals)}}\\1.5&{\text{small }}E/\sigma _{y}{\text{ (ex. glasses)}}\end{cases}}}$

硬度は、異なる圧縮破壊モードが適用されるため、材料の単軸圧縮降伏応力とは異なります。単軸試験では、材料は1次元でのみ拘束されるため、せん断の結果として材料が破損する可能性があります。一方、押込み硬度は3次元で拘束されるため、せん断が破損を支配するのを防ぎます。^[16]

• リーブ反発硬度試験
• マイヤーの法則

• 「ピンボールテスターが硬度を明らかに」『ポピュラーメカニクス』 1945年11月号、75ページ。

• タボル、デイヴィッド（2000）、金属の硬度、オックスフォード大学出版局、ISBN 0-19-850776-3。