試験・調査報告

試験・調査報告●解説コーナー静的試験(引張試験、曲げ試験、硬さ試験)4.硬さ試験金属材料の硬さ試験としてよく用いられるロックウェル硬さ試験、ブリネル硬さ試験、ビッカース硬さ試験は、硬さ試験の内でも「押し込み式硬さ試験」に分類されます。これは、先端が球や円錐などの形状をした圧子を試験片に押し込み、そこにできた圧痕の深さ、またはその面積の大小から硬さを算出する試験方法です。それぞれの硬さ試験の原理と測定方法を、以下に簡単に説明します。(1)ロックウェル硬さ試験ロックウェル硬さ(HR)試験は頂角120のダイヤモンド円錐か、鋼球を先端に持つ圧子を試験片に押し込み、その押し込み深さから硬さを算出する試験法です。算出には、圧子の種類と試験力で定義される「スケール」ごとの定数を用います。定数はスケールごとに異なりますが、まず基準荷重を加え、そこからさらに試験荷重を加え、再び基準荷重に戻した時の圧子の侵入深さの差から硬さを算出するという手順はどのスケールの場合でも共通です。図4は、Cスケールでロックウェル硬さ試験を行った後の圧痕を、レーザー顕微鏡を用いて観察したものです。上段は圧痕を真上から見た様子、下段は圧痕から得られた深さ情報を3次元に再構築し、そのモデルを側面から見た様子です。(2)ブリネル硬さ試験ブリネル硬さ試験は、超合金球の圧子を用いて試験荷重と試験面に付けた圧痕の表面積から硬さを算出する試験法です。ブリネル硬さの値は、試験面に圧子を押し込んだ試験荷重を圧痕の表面積で除して算出します。試験で用いる試験力は、規格で材質ごとに定められています。また、硬さ算出の際に図5に示すような圧痕を読み取る必要があるため、試験片の表面は圧痕の直径を0.01mmまで読み取れる程度に平滑にしておきます。(3)ビッカース硬さ試験ビッカース硬さ試験では、対角面136のダイヤモンド製四角錐圧子を試験片表面に押し込み圧痕をつけます。硬さの値は、図6に示す圧痕の対角線長さから求める表面積で圧子を押し込む試験荷重を除して算出します。以上で述べたように、硬さ試験は種類によって測定方法や定義が異なります。それぞれの硬さの値には近似的な相関関係があることが分かっており、ある程度の換算が可能です。ASTME140には硬さ換算表が示されています。一方で、硬さの値は引張強さとも(2)式に示す関係があることが分かっています。なお、この式は軟鋼などの加工硬化の小さい材料に関してのもので、加工硬化が大きい材料では引張強さではなく0.2%耐力について同様の相関関係が見られます。5.おわりに一概に材料試験といっても試験によって試験片形状や評価項目など多種多様で、目的に沿って適切に選定することも必要です。特に溶接構造物は熱の影響などから不均質な状態が生じやすく、より多くの検討が必要になります。今後試験を実施する際に、本稿が一助となれば幸いです。<参考文献>1)須藤一:材料試験法,内田老鶴圃,p.22)日本工業規格JISZ3221(2008)3)石井勇五郎:鋼材溶接部の非破壊検査像と機械的強度の関係高圧力Vol.6No.3(1968),10-164)大畑充:溶接継手強度の基礎,溶接学会誌Vol.77No.7(2008),50-565)杉野毅:溶接継手の性能トラブルの調査方法,溶接学会誌Vol.84No.4(2015),50-53神鋼溶接サービス(株)技術調査部技術室奥村博子くぼみの直径dくぼみの対角線長さd(縦横長さの平均を算出)図4ロックウェル硬さ試験の圧痕図5ブリネル硬さ試験の圧痕図6ビッカース硬さ試験の圧痕172020Spring