2023 Fiscal Year Research-status Report
反発硬さ試験法を利用した新しい材料特性評価手法の開発
| Project/Area Number |
22K03886
|
|---|
| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
松田 健次 九州工業大学, 大学院工学研究院, 教授 (40229480)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
|
| Keywords | 反発硬さ試験 / 脆性材料 / 破壊 / 反発係数 / き裂 / ハンマ振動 / ガラス |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
2022年度に，対面角136°のダイヤモンド四角錐圧子を超硬合金製の軸に付与した高剛性のハンマ（質量39g）を，高さ4mmから合成石英表面に落下させたところ，負荷過程においてハンマに大きな振動が生じ，反発係数が低下する場合のあることを明らかにした．この原因を，2種類の解析手法を通して調査した．まず，ハンマを8個の質点がばねで直列に連結されているモデルで置き換え，その先端に種々の荷重波形を与えた際のハンマ上端の挙動を調査した．その結果，ハンマ振動の増加と反発係数の低下は，負荷過程における衝突荷重の急激な減少が引き金となって生じることが明らかとなった．次いで，破壊現象も再現可能な三次元弾塑性有限要素法を用いて反発挙動を解析したところ，負荷過程でき裂が発生することにより衝突荷重が低下し，ハンマに振動が生じることを明らかにした．き裂発生の有無はき裂発生面の垂直応力閾値によって決定されるため，ハンマ振動の発生の有無および発生のタイミングは，「破壊のし難さ」を評価するための有力な因子になることが示唆される．
並行して，昨年度開発した，ハンマ反発挙動をこれまで以上に精確に捉えられるための試験機の問題点の解決に取り組んだ．衝突後のハンマの回転および水平方向の速度が十分な精度で得られない原因の一つとして，ハンマに自由落下運動を与えるための駆動源であるソレノイドが強力すぎて，その振動が影響していた．そこで，各駆動部の機械的抵抗を低減させ，小型のソレノイドに変更するとともに，コンデンサ駆動としその容量と印加電圧を調整することによって，この問題についてはほぼ解決に至った．
ただし，金属材料を試料とした場合においても測定値には期待以上のばらつきが生じた．この一因が試料の固定方法とハンマ衝突位置にあると考え，その影響を実験，解析を通して調査することにより明らかにした．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2023年度に実施予定であった，圧子対面角およびハンマ傾斜角を変化させた実験まで進めることはできなかったが，より信頼性の高い結果を得るための準備を整えることができた．すなわち，ハンマ質量，試料質量とその重心回りの慣性モーメント，試料中心からハンマ衝突位置までの距離，および試料が試料受台にしっかり固定されている場合の反発係数の5つの値を用いて，試料と試料受台間の固定が不十分な場合の反発係数の取り得る下限値を推定できることを明らかにした．これにより，本研究で用いているガラスのように試料質量とその重心回りの慣性モーメントが比較的小さい場合には，特にハンマ衝突位置とハンマ質量の影響に留意した実験を実施する必要のあることが示唆された．
また，2022年度から引き続き開発に取り組んできた試験機も，ほぼ問題なく使用可能な状況に至った．これにより，1回目の衝突以降もハンマが試料表面に繰返し衝突する現象を防ぎ，２回目以降の衝突による破壊を防ぐことができるために，き裂の発生状況の正確な把握が可能になる．さらに，本研究で注目しているハンマを傾斜させて衝突させた場合の，反発後のハンマの3次元的挙動も測定可能となった．
加えて，有限要素解析によって，き裂の発生とハンマ振動現象も含めたハンマ反発挙動との結びつきが明らかになるとともに，これまで実験的に知られていた除荷過程でのき裂の拡大現象も再現可能であることも判明した．この解析法を用いて実験結果との比較を系統的に行うことによって，現象を定量的に解釈可能になるものと期待される．
|
| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究により，ハンマ振動の発生メカニズムはほぼ解明できた．すなわち，き裂の発生による衝突荷重の急激な低下によって衝突荷重の振幅スペクトル中に含まれるハンマ固有振動成分が増加し，これによる共振現象によりハンマ振動が増加したと言える．ただし，なぜ負荷過程の途中でき裂が発生するのかを明らかにできていない．解析上は，き裂が発生する面に作用する垂直引張応力が設定値を凌駕したときにその節点が乖離するとしているが，四角錐圧子を押し込んだ場合の周囲の応力状態は，硬さの相似測の原理により理論上は相似的に拡大するために，最大引張応力の値は押込み深さが増加しても変化しない．したがって，垂直応力閾値を最初から低い値に設定していると，ハンマ衝突直後からき裂が発生し，押込みの増加とともに徐々にき裂が拡大するために，負荷過程での急激な衝突荷重の低下は生じすハンマは振動しない．そのため現在は，負荷過程の途中で垂直応力閾値を低下させることにより一挙にき裂を発生している．
そこで本年度は，開発した装置を用いて，衝突速度，ハンマ質量，圧子対面角，ハンマ傾斜角を変化させた実験を実施し，き裂発生状況と反発係数およびハンマ振動の有無とその発生タイミングについて系統的に調査するとともに，3次元有限要素解析によってハンマ振動の発生時における応力，ひずみ状態から，き裂の発生を支配している因子を解明する．現在のところ，き裂発生までに試料内部に蓄えられたひずみエネルギ，あるいは応力特異性を有する圧痕対角線先端近傍の応力場の強さを表すことができる何らかの尺度があるのではないかと考えている．
また，強度の異なるガラスの実験ならびに解析を実施し，上記で明らかにした評価因子と，他の手法で推定された破壊靭性値とを比較することによってその妥当性を検証し，反発硬さ試験によりに「破壊のし難さ」を簡便に評価できる手法の確立をめざす．
|
