專利名稱：壓痕試驗方法和壓痕試驗裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種新型壓痕試驗方法。另外，本發明涉及一種采用了上述壓痕試驗方法的新型的壓痕試驗裝置。
背景技術：
用于研究金屬材料的變形等的特性所采用的拉伸試驗通常是作為具有客觀性的評價方法，需要自試件等中切出試驗片，由于該過程的較高的破壞性，所以較難應用于產品中的原料或活體的生物體組織中。另一方面，對于同樣是通常用于進行材料的硬度計測的壓痕試驗而言，由于無需切出試驗片等，所以能夠實現低破壞計測。人們知道在該壓痕試驗中，對于金屬材料而言， Hertz的彈性接觸理論具有較高的可靠性(例如，參照非專利文獻1)。此外，也有幾個將壓痕試驗使用于計測像生物體軟組織那樣的伴隨著大變形的軟材料的結構關系的例子。(例如，參照非專利文獻2 5)。另外，發明者公開了與本發明相關的技術內容(例如，參照非專利文獻6 9)。非專利文獻非專利文獻 1 :T. &iwa，！tactical Material Mechanics, (2007), pp. 258-279, Nikkei Business Publications, Inc. (in Japanese)# # ^lJ i K 2 :0. Takatani, T. Akatsuka, The Clinical Measurement Method of Hardness of Organism, Journal of the Society of Instrument and Control Engineers, Vol. 14, No.3, (1975), pp.281-291. (in Japanese)非專禾Ij 文獻 3 :Y. Arima，Τ. Yano，Basic Study on Objectification of Palpation, Japanese Journal of Medical Electronics and Biological Engineering, Vol. 36，No.4，(1998)，pp.321—336. (in Japanese)# 禾I」■ 4 :N. E. Waters, The Indentation of Thin Rubber Sheets by Spherical indentors,British Journal of Applied Physics,Vol. 16,Issue 4, (1965), pp. 557-563.非專利文獻 5 :T. Ishibashi, S. Shimoda, T Furukawa, I. Nitta and H. Yoshida, The Measuring Method about Young' s Modulus of Plastics Using the Indenting Hardness Test by a Spherical Indenter, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers,Series A,Vol. 53,No.495, (1987), pp.2193-2202. (in Japanese)非專禾丨J 文獻 6 :M. Tani, A. Sakuma, Μ. Ogasawara, Μ. Shinomiya, Minimally Invasive Evaluation of Mechanical Behavior of Biological Soft Tissue using Indentation Testing, No.08—53，(2009)，pp.183—184.非專利文獻 7 :M. Tani, A. Sakuma, Measurement of Thickness and Young's Modulus of Soft Materials by using Spherical Indentation Testing,No. 58, (2009), pp. 365-366.
__ 專禾Il 文 8 :A. Sakuma, Μ. Tani, Spherical Indentation Technique for Low-invasive Measurement for Young' s Modulus of Human Soft Tissue, No. 09-3, (2009)，pp.784-785.非專禾lJ文獻 9 :M. Tani and A. Sakuma, M. Shinomiya, Evaluation of Thickness and Young' s Modulus of Soft Materials by using Spherical Indentation Testing, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series A, Vol. 75, No. 755，(2009), pp.901-908. (in Japanese)然而，在由上述壓痕試驗而進行的對生物體軟組織那樣的、伴隨著大變形的軟材料的結構關系的計測中，由澤俊行(Sawa)對Hertz的彈性接觸理論的高可靠性進行了表示，然而，該表示是在微小變形的范圍內，此外，由高谷治(Takatani)等人進行的對生物體軟組織的運用是本質上與Hertz的彈性接觸理論等效的借助N值的方法。另外，有馬義貴 (Arima)等人采用的與N值并用地從加載/卸載過程的能量損失來進行推定的方法，也與 Hertz的彈性接觸理論同樣地，在假定試件為半無限體的條件下進行而沒有考慮厚度的影響。關于該厚度，N. E. WATERS的研究報告中含有表示該影響的內容，但該內容還沒有達到與應力-應變的關系相應的評價的程度。此外，雖然有著眼于不可逆動作的、由石橋達彌 (Ishibashi)等人針對高分子材料作出的應用報告，但是該報告中存在著較難適用于可逆性較高的軟材料的問題。因此，人們期望著用于解決這樣的問題的新型的壓痕試驗方法和壓痕試驗裝置的開發。
發明內容
本發明是鑒于上述問題而做出的，其目的是提供一種新型壓痕試驗方法。此外，本發明的目的是提供一種采用上述壓痕試驗方法的新型壓痕試驗裝置。為了解決上述問題、達到本發明的目的，本發明的壓痕試驗方法是將壓頭壓入于試件的壓痕試驗方法，其特征在于，利用試件厚度計算試件的等效壓痕應變，利用上述等效壓痕應變計算試件的楊氏模量。 此處，并不是對本發明進行限定，但優選對試件厚度進行推定。此外，并不是對本發明進行限定，但優選壓頭為球壓頭。此外，并不是對本發明進行限定，但優選球壓頭的直徑在lX10_8m Im的范圍內。此外，并不是對本發明進行限定，但優選試件厚度的推定利用球壓頭的直徑、接觸時的楊氏模量和接觸時的楊氏模量二階導數進行計算。本發明的壓痕試驗裝置是將壓頭壓入于試件的壓痕試驗裝置，其特征在于，具有 等效壓痕應變計算部，其利用試件厚度計算試件的等效壓痕應變；以及楊氏模量計算部，其利用上述等效壓痕應變計算試件的楊氏模量。此處，并不是對本發明進行限定，但優選具有用于推定試件厚度的試件厚度推定部。此外，并不是對本發明進行限定，但優選壓頭為球壓頭。此外，并不是對本發明進行限定，但優選球壓頭的直徑在1 X IO-8HI Im的范圍內。此外，并不是對本發明進行限定，但優選對試件厚度的推定利用球壓頭的直徑、接觸時的楊氏模量和接觸時的楊氏模量二階導數進行計算。本發明能達到下述所記載的效果。
本發明的壓痕試驗方法由于利用試件厚度計算試件的等效壓痕應變，利用上述等效壓痕應變計算試件的楊氏模量，所以能夠提供一種新型的壓痕試驗方法。本發明的壓痕試驗裝置由于具有利用試件厚度計算試件的等效壓痕應變的等效壓痕應變計算部，以及利用上述等效壓痕應變計算出試件的楊氏模量的楊氏模量計算部， 因此能夠提供一種新型的壓痕試驗裝置。
圖1是表示球壓頭和平面試件接觸狀態的圖；圖2是表示載荷和壓入量的關系的圖；圖3中，(a)是表示球壓頭壓入系數和壓入量之間的關系的圖，(b)是表示試件厚度同球壓頭壓入系數的二階導數之間的關系的圖；圖4是表示橢圓體形狀的壓縮區域的圖；
圖5是表示壓痕試驗機的概況的圖；圖6是表示壓痕試驗裝置的結構的圖；圖7是表示拉伸試驗的結果的圖；圖8是表示由壓痕試驗而得到的壓入量δ和載荷F的關系的圖，并且一并表示了由基于Hertz的彈性接觸理論的式子，利用最小二乘法對上述關系進行擬合而成的曲線；圖9是表示由壓痕試驗而得到的壓入量δ和載荷F的關系的圖，并且一并表示了通過采用能表示出對載荷的增加的影響的系數的式子，利用最小二乘法對上述關系進行擬合而成的曲線；圖10是表示球壓頭壓入系數的二階導數和試件厚度的關系的圖；圖11是將球壓頭壓入系數的二階導數以對數的形式來表示，表示球壓頭壓入系數的二階導數與試件厚度的關系的圖；圖12是表示球壓頭壓入系數和Hertz應變的關系的圖；圖13是表示^ung率和等效壓痕應變的關系的圖；圖14是表示^ung率和球壓頭直徑對壓入載荷和壓入量之間的關系的影響的圖；圖15是表示試件厚度對壓入載荷和壓入量的關系的影響，或對^img率和壓入量的關系的影響的圖；圖16是表示試件厚度同接觸時的Young率的二階導數之間的關系的圖；圖17是表示壓痕試驗機的概況的圖；圖18是表示壓痕試驗裝置的結構的圖；圖19是表示壓入載荷和壓入量的關系的圖；圖20是表示試件硬度或壓頭直徑對壓入載荷和壓入量的關系的影響的圖；圖21是表示試件厚度同接觸時的Young率的二階導數的關系的圖；圖22是表示試件硬度或壓頭直徑對試件厚度與接觸時的^ung率的二階導數的關系式中的變量H、G所表現出的影響的圖；圖23是表示拉伸試驗的結果的圖；圖M是表示^ung率和等效壓痕應變的關系的圖。
具體實施例方式以下，對用于實施壓痕試驗方法和壓痕試驗裝置的第1技術方案的實施方式進行說明。壓痕試驗方法是將球壓頭壓入于試件的壓痕試驗方法，該方法是對試件厚度進行推定，利用上述試件厚度計算試件的等效壓痕應變，利用上述等效壓痕應變計算試件的楊氏模量的方法。壓痕試驗裝置是將球壓頭壓入于試件的壓痕試驗裝置，該壓痕試驗裝置是具有用于推定試件厚度的試件厚度推定部、利用上述試件厚度計算試件的等效壓痕應變的等效壓痕應變計算部、以及利用上述等效壓痕應變計算試件的楊氏模量的楊氏模量計算部的裝置。另外，在本說明書文中在英文字母符號上附加帽符號而成的符號記為“(英文字母)帽”，在英文字母上附加上劃線而成的符號記為“(英文字母)拔”，在英文字母上附加二階微分系數而成的符號記為“(英文字母)二階微分系數”。對壓痕試驗的評價法進行說明。首先，對有限體試件的接觸變形進行說明。當將充分硬的球壓頭壓入于半無限體試件時，如果使用Hertz的彈性基礎理論， 則圖1所示的壓入載荷F和壓入量δ的關系由如下所述地進行表示。[式1]F=li^(i)isi=Asi...........⑴其中，系數A滿足如下關系。[式2]
_1] .....................⑶這里，φ，Ε和ν分別為球壓頭的直徑，試件的楊氏模量(以下也稱為“Young率”) 和泊松比(以下也稱為“Poisson比”)。此外，相對于圖1的半徑為a的接觸面，假設在試件的載荷面上沿半徑r方向以P (r)表示載荷分布，則接觸面中央的應力σ以下式表示。[式3]
_ ………⑷此外，作為壓入載荷F和應變ε的函數，Young率E由式(3)和胡克定律σ = E ε 導出為下式[式4]E = ^ 6 GV J...............⑷
π3 (1 - ν2)2 \Φ/ ^3此處，根據該式(1)和(4)的關系，則半無限體試件和剛性體球的接觸而產生的應變能夠由壓頭直徑Φ和壓入量δ利用下式而唯一地求得
[式 5]
剛^ T^Aif..................⑷將該 ε Η 拔稱為 Hertz 應變(Hertz strain)。當考慮對剛性體上所放置的各種厚度hi (i = 1,2,...,-)的試件上進行球壓頭的壓痕試驗時，通過與壓頭的載荷面相對設置的剛性體的影響，得到如圖2所示的載荷 F-壓入量δ曲線。在針對具有無限厚度Iloo的半無限體試件進行的壓痕試驗中，得到了能夠以Hertz的彈性接觸理論來說明的以虛線所表示的載荷F的曲線，然而對有限體試件而言一般會得到載荷F帽比半無限體試件的結果大的、滿足如下關系的結果。[式6]p>p................................... (β)關于由該試件厚度hi的不同而對載荷F帽產生的影響，如果考慮假設能夠適用 Hertz的彈性接觸理論，則由式(1)得到下述關系[式7]Ρ = ................................. (7)所以對于與壓入量δ相關的系數A、A帽，能得到下面的關系。[式8]................................... (8)而且，如果壓頭直徑Φ和試件的Poisson比ν不發生變化，則由式O)能得到下式的關系，所以將Hertz的彈性接觸理論應用于有限體試件的壓痕試驗結果而求得的 Young率E帽比原來的值E大。[式9]E>E................................... (9)將由此得到的^ung率E帽稱為球壓頭壓入系數(spherical indentation modulus)ο如式(9)所示，當將由以半無限體試件作為前提，的彈性接觸理論而得到的式⑴ 應用于有限體試件時，會表示出厚度hi對球壓頭壓入系數E帽的影響，因此考慮利用該現象的試件厚度hi的推定。關于該球壓頭壓入系數E帽的推定，可認為在作為變形量微小的接觸的瞬間，由試件厚度hi的不同而產生的影響較小。也就是說，在接觸的瞬間，相對于任意的厚度hi而言，由式(1)的應用條件可以考慮下式的關系。[式10]旣 = 0.......................... (10)
則壓縮區域的體積V由下式表示。[式15]
權利要求
1.一種壓痕試驗方法，是將壓頭壓入于試件的壓痕試驗方法，其特征在于，利用試件厚度計算試件的等效壓痕應變，利用上述等效壓痕應變計算試件的楊氏模量。
2.根據權利要求1所述的壓痕試驗方法，其特征在于，對試件厚度進行推定。
3.根據權利要求1所述的壓痕試驗方法，其特征在于壓頭為球壓頭。
4.根據權利要求3所述的壓痕試驗方法，其特征在于球壓頭的直徑在lX10_8m Im 的范圍內。
5.根據權利要求2所述的壓痕試驗方法，其特征在于對試件厚度的推定利用球壓頭的直徑、接觸時的楊氏模量和接觸時的楊氏模量二階導數進行計算。
6.一種壓痕試驗裝置，是將壓頭壓入于試件的壓痕試驗裝置，其特征在于，具有等效壓痕應變計算部，其利用試件厚度計算試件的等效壓痕應變；以及楊氏模量計算部，其利用上述等效壓痕應變計算試件的楊氏模量。
7.根據權利要求6所述的壓痕試驗裝置，其特征在于具有用于推定試件厚度的試件厚度推定部。
8.根據權利要求6所述的壓痕試驗裝置，其特征在于壓頭為球壓頭。
9.根據權利要求8所述的壓痕試驗裝置，其特征在于球壓頭的直徑在1X 10-8m Im 的范圍內。
10.根據權利要求7所述的壓痕試驗裝置，其特征在于對試件厚度的推定利用球壓頭的直徑、接觸時的楊氏模量和接觸時的楊氏模量二階導數進行計算。
全文摘要
本發明的目的是提供一種新型壓痕試驗裝置。壓痕試驗裝置是將球壓頭壓入于試件的壓痕試驗裝置，該壓痕試驗裝置具有試件厚度推定部(10)，其用于對試件厚度進行推定；等效壓痕應變計算部(11)，其利用上述試件厚度計算試件的等效壓痕應變；以及楊氏模量計算部(12)，其利用上述等效壓痕應變計算試件的楊氏模量。此處，優選試件的楊氏模量E在100Pa～100MPa的范圍內。此外，優選球壓頭的直徑為1×10-8m～1m的范圍內。
文檔編號G01N3/42GK102362166SQ201080012940
公開日2012年2月22日 申請日期2010年1月18日 優先權日2009年1月20日
發明者佐久間淳, 谷充博 申請人:國立大學法人東京農工大學