JPH0335613B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、軸方向機械振動の生じる振動棒を
硬度測定すべき試験片上に硬い材料の特定接触面
で特定な接触力を加えて載置し、試験片の表面に
圧入し、前記振動棒を強制的に励起する機械振動
の周波数が一定でしかも試験片に機械結合しない
で自由振動する振動棒の共振周波数ω₀に等しい、
固体の硬度を測定する方法に関する。

〔従来の技術〕

この種の方法は、米国特許第3572097号明細書
から公知である。この方法では、振動棒を試験片
に載せた場合、試験片に結合する振動棒の共振周
波数がω₀に等しくなるまで、この機械振動装置
を特徴付ける特性パラメータ（例えば、弾性率あ
るいは機械的インピーダンス）を変化させる提案
を行つている。この特性パラメータの対応する変
化が試験片の硬度の目安として使用される。

この公知の方法では、対応する特性パラメータ
を変え、変化する共振周波数を検出するため、か
なり高価な補助装置が必要となるので、特に不利
である。

更に、西独特許第1287334号及び第2357033号明
細書から、硬度の目安として自由振動時のプロー
ブの共振振動数と試験片の結合している時のプロ
ーブの共振振動数の差を使用することが知られて
いる。通常、これ等の公知装置では、硬度をビツ
カース値で測定しているので、プローブの端部に
ダイヤモンド針が付けてある。試験片の材料が軟
らかければ、圧入面積が広くなるので、周波数の
変化も大きくなる。

これ等の方法では、相当正確な周波数測定が要
求されるため、電子回路の経費も嵩むことが知ら
れている。

〔発明の課題〕

それ故、この発明の課題は、固有な共鳴パラメ
ータを変更することも、高価な周波数の差を測定
することも不要で、なおかつ測定方法の精度を損
なわない、冒頭に述べた種類の固体の硬度測定方
法を提供することにある。

〔課題を解決する手段〕

上記の課題は、この発明により、試験片上に載
置され、周波数ω₀で振動する振動棒の振幅を測
定し、この振幅を試験片の硬度に対する目安とし
て使用することによつて解決されている。

〔発明の効果〕

上記の公知方法と異なり、この新規な方法は試
験片と機械結合している場合、周波数の差を測定
するのでなく、振動棒の振幅に基づいている。そ
の場合、先ず思いつくような、連結した振動棒の
共振周波数で振幅を測定するのでなく、むしろ自
由振動する振動棒の共振周波数で振幅を測定して
いる。つまり、この発明によれば、上記振幅の値
を二乗したものが各試験片の硬度に相当正確に比
例している。

〔実施例〕

この発明の詳細と他の利点を、以下の実施例に
基づき第１図〜第４図を用いて説明する。

第１図には、プローブ１が示してある。このプ
ローブは受信器２と計算＋制御ユニツト３を介し
て表示器４に接続している。同じように、プロー
ブ１には計算＋制御ユニツト３で駆動される高周
波発生器５が連結している。硬度を測定すべき試
験片には引用符号６が付けてある。

プローブ１は、主に振動棒１０、この振動棒１
０の一部を取り囲むスリーブ１１、バネ１２及び
これ等の個別部分を取り囲むハウジング１３で構
成されている。

振動棒１０は、硬質ゴムリング１４を介してス
リーブ１１に弾性的に結合している。その場合、
振動棒１０又はスリーブ１１と硬質ゴムリング１
４との間を接着剤で連結してもよい。ハウジング
１３とスリーブ１１間の横間隔は二つのボールブ
ツシユ１５と１６で定まる。軸方向には、スリー
ブ１１がハウジング１３の上壁１７に対して、所
定の間隔に離してバネ１２の方向に可動配設され
ている。この所定間隔は、自由振動する振動棒１
０が自由振動する場合、スリーブ１１が載つてい
るハウジング１３の円管状内部シリンダ１８で定
まる。

振動棒１０のところには、二個の圧電変換器１
９と２０が固定してある。その場合、変換器１９
は受信変換器として使用され、受信器２に接続さ
れている。変換器２０は振動変換器として使用さ
れ、高周波発生器５から対応する高周波振動を受
け取る。振動棒１０の下端には、圧入値を間接的
に決定するビツカースダイヤモンド２１が配設し
てある。

プローブ１はそれ自体公知である。この種のプ
ローブは、当出願人によつて例えば商品名「ミク
ロデユール」（Microdur）として提供しているよ
うな従来技術の硬度測定装置でも利用できる。従
つて、公知の装置に対してこの発明の主要な相違
は、一方でそれ自体公知のプローブを別な用法で
操作する点にあり、他方でこのプローブ１に関連
する電子装置で周波数の差を測定する装置が問題
となるので、振幅を測定する装置が大切である。

西独特許第1287834号明細書で開示されている
ような公知の装置では、硬度を下記のように測定
している。

振動変換器２０は、第１図及び第２図の二方向
矢印３０に示すように、振動棒１０に軸方向の機
械的振動を励起させる。この機械的振動は受信変
換器１９で検出され、受信器２と計算＋制御ユニ
ツト１８（又は他の回路装置）を経由して高周波
発生器５に導入される。高周波発生器５は振動の
周波数が振動棒の固有周波数に一致するまで、振
動の周波数を変化させる。そしてこの周波数ω₀
を測定する。

次いで、第２図に示すように、ハウジング１３
の下部２２が試験片６に接触するまで、振動棒１
０を押し下げる。従つて、ダイヤモンド２１は試
験片６の表面に圧入され、この振動棒１０は最早
自由振動しない。試験片６に結合された振動棒１
０の固有周波数ω₁は、再び上に述べた帰還機構
を介して検出される。試験片６の材料が軟らかけ
れば、圧入面積及びそれに付随する周波数の変化
Δω＝ω₁−ω₀はそれだけ大きくなる。この周波数
の変化は硬度の目安として使用される。

公知の硬度試験装置では、周波数の差Δωを非
常に正確に検出する必要がある。その時、この周
波数の差Δωをかなり複雑な方法で対応する硬度
値に換算する必要がある。

米国特許第3572097号明細書の方法を使用する
場合、試験片６に結合する振動棒１０の固有周波
数ω₁はΔωが零に等しくなるまで、可変される。
この固有周波数の変化は、例えば振動棒１０に巻
き付けた電流の流れる補助コイル（第１図に示し
ていない）で行われる。つまり、この振動棒に生
じる分極電流が棒の弾性率と固有周波数の変化を
もたらす。その時、硬度の目安としては、Δωが
零に等しい分極電流を使用する。

これに対して、第１図に示すこの発明による装
置は、以下のように動作する。

先ず、二方向矢印３０の方向に自由振動する棒
１０の固有周波数は従来の技術の時のように検出
される。次いで、受信器２と高周波発生器５間の
帰還を、例えば計算＋制御ユニツト３によつて遮
断する。従つて、高周波発生器５は周波数ω₀の
振動のみを発生させる。次いで、第２図に示すよ
うに、ダイヤモンド２１を試験片６の上部表面に
押し込み、周波数ω₀のとき、受信器２を用いて
振動の振幅を測定し、電算機中で対応する硬度の
値HVを算出する。

測定した軸方向の振幅Ｂと硬度HV間の関係を
次式でかなり良好に表せる。即ち、 HV＝Ｃ・B²・E₀ ² (1) ここで、Ｃは装置の定数で、E₀は試験片６の
弾性率E₁とビツカースダイヤモンドの弾性率E₂
及び試験片のポアツソン比ν₁とダイヤモンドのポ
アツソン比ν₂から求まる弾性係数を意味する。つ
まり、 １／E₀＝１／E₁／（１−ν₁ ²）＋１／E₂／（１−ν₂ ²）
(2) 既知の硬度の物質に対して振幅測定を行い、(1)
式をＣに関して解いて、Ｃを決定すると実際的で
ある。

第３図は種々の鋼鉄に対する硬度測定の結果を
示す。横座標に相対心幅Ｂ／B₀が、また縦座標
に対応するビツカース硬度が記入してある。

高周波発生器５が発生させた電圧振幅はB₀で
示してある。この実施例では、自由振動する振動
棒の場合、ω₀＝78kHzのとき、B₀＝20V_ppであつ
た。

試験片６に載せた振動棒の場合（第２図）、バ
ネ１２によつて試験力が約9.8IN（≒1Kp）に相当
する。ウルム（U1m）のツビツク有限会社
（Zwick GmbH＆Co）の小型負荷硬度試験器
（モデル：3212）を用いて公知の方法で、ダイヤ
モンド２１を用いて試験片６に生じる圧痕を光学
的に評価した。この方法では、残存する圧痕の底
面の対角線から硬度を算出している。曲線１００
は光学測定硬度を各圧痕に対する相対振幅の関数
として表している。

試験片としては、出願人の手元にある４個の硬
度比較板を用いた。上記のツビツク硬度試験器に
よる測定は、次の硬度値：120、246、563と
879HV1／30になつた。

E₁／（１−ν₁ ²）の値は、使用した硬度比較板
の場合、2.34・10⁺¹¹、2.327・10⁺¹¹、2.269・
10⁺¹¹と2.233・10⁺¹¹Paとなつた。E₂／（１−ν₂ ²）
の値は６・10⁺¹¹Paとなつた。これ等の値を用い
るとE₀が算出され、測定した振幅値と(1)式によ
る定数Ｃから、対応する硬度が算出された。第３
図の曲線２００は関数の形状を示す。定数Ｃは
563HV1／30を有する硬度比較板を用いて決定さ
れた（Ｃ＝7.27・10^-25KP／（mm）²（ｍＶ）²
（Pa）²）。

曲線１００と２００の比較が示すように、光学
測定値と振幅によつて計算した硬度値は全ての範
囲で実用上よく一致している。

以下では、(1)式で定まる実験的に見出された関
数が計算上でも導けることを示す。

両端が自由な円筒状振動棒を周波数ωの周期的
な外力で励起すると、定在波が生じる。この場合
に対する波動方程式の解ｕ（ｘ、ｔ）は、 ｕ（ｘ、ｔ）＝〔Ａ（ω）sin（ωt）＋Ｂ（ω） cos（ωt）〕cos（kx） となる。ここで、 ω＝2πf、ｆ＝振動周波数、ｋ＝2π／λ、λ＝
波長。

角括弧内の式は周波数ωの強制振動を行う減衰
調和振動子の微分方程式の解である。

励起周波数に存在する量Ａ（ω）とＢ（ω）は、
吸収振幅及び分散振幅と呼ばれている。

振動棒を質量の大きい試験片に接触させる場合
には、G.M.L.Gladwell＆C.Keesattelの論文
“The contact−impedance meter−２”、
Ultrasonic、October1968、pp.244−251から次式
を導ける。

Δf＝f₁−f₀≒Ｄ・E₀√ ここで、 f₁＝接触した場合の共振周波数、 f₀＝自由振動棒の共振周波数、 Ｄ＝棒の弾性計数、棒と侵入体の形状にのみ依存
する定数、 Ｆ＝ビツカースダイヤモンドの圧痕の表面積、 を意味する。

この式は、 ω₁ ²＝ω₀ ²＋Ｄ（ω₁＋ω₀）E₀√ (3) に変形できる。

吸収振幅と分散振幅は、接触している場合、 Ａ(ω)＝B₀′(Γω)/(ω₁ ²-ω²)²＋（Γω）²） Ｂ（ω）＝B₀′（ω₁ ²−ω²）／ （ω₁ ²−ω²）²＋（Γω）²） の形になる。ここで、 Γ＝接触した場合の共振周波数の半値幅、 B₀′＝高周波発生器５の電圧振幅に比例する周期
的な外力の振幅、 である。

接触している場合、振動棒１０を周波数ω＝
ω₀＝2πfで励起するなら、硬度の範囲100≦HV≦
1000の鋼鉄に対して接触している場合、下記の条
件、 Γ＜200HzとΔf＞300Hz が当てはまることを考慮して、分散振幅Ｂ（ω）
に対する簡単な式を導くことができる。

f₀＝78kHzを使用すると、この実施例に対して、 （Γω₀）²《（ω₁ ²−ω₀ ²）² 及び、 Ａ（ω）《Ｂ（ω）、 となる。

吸収振幅Ａ（ω）は、周波数ω＝ω₀の場合、分
散振幅Ｂ（ω）よりほぼ二桁小さいので、無視で
きる。

Ｂ（ω₀）は、 Ｂ（ω₀）≒B₀′／（ω₁ ²−ω₀ ²） (4) に簡単化される。

ビツカース硬度、 HV＝試験力／圧痕の表面積＝Ｋ／Ｆ の式に(3)と(4)の式を代入し、先ず(3)式をＦに付き
解き、 HV＝Ｃ・E₀ ²・Ｂ（ω₀）² が得られる。但し、 Ｃ＝Ｋ（D²／B₀′²）（ω₁＋ω₀）² 鋼鉄の上記範囲に対しては、Δf＜f₀＜２％であ
るから、（ω₁＋ω₀）²つまりＣは一定と見做せる。

第４図には、もう一度振幅の様子がこの実施例
に対してグラフ表示してある。横軸には励起周波
数が、また縦軸には受信変換器１９（第１図）で
検出された振幅が記入してある。自由振動する振
動棒１０には、ωが変化する場合、符号３００と
記した共鳴曲線が生じる。この共振周波数ω₀は、
78kHzとなる。

振動棒１０を試験片６に接触させた後（第１図
を参照）、共鳴曲線３００のずれが生じる。第４
図に示す例に対しては、試験片に結合した振動棒
の場合、符号４００を付けた曲線が生じる。この
共振周波数ω₁は、図示した例で79kHzになる。こ
の測定曲線に付属する吸収曲線Ａ（ω）に符号４
０１が、また対応する分散曲線Ｂ（ω）に符号４
０２が付けてある。

振動棒１０を励起する実際の周波数ωは試験片
に結合している場合でも78kHzであるから、受信
器（第１図）を用いて測定される電圧はかなり低
い。図示した例では、Ｕ／U_nax＝0.02となる。こ
の比から算出された電圧値は、ほぼ分散振幅Ｂ
（ω₀）に一致する。何故なら、吸収振幅の対応す
る成分は78kHzで無視できるからである。

この発明による方法は、加工品に結合した場合
に、振動棒の分散振幅Ｂ（ω₀）を検出し、この値
を試験片の硬度に対する目安として使用すること
に実質上立脚している。

【図面の簡単な説明】

第１図、この発明を実現できる公知の硬度測定
装置の構造の模式断面図。第２図、振動棒を試験
すべき加工品に載せた場合の第１図の装置の部分
断面図。第３図、種々の試験片に関して直接測定
した硬度値と測定振幅で算出した硬度値を示すグ
ラフ。第４図、この発明を説明するグラフ。 図中引用符号：１……プローブ、２……受信
器、３……計算＋制御ユニツト、４……表示装
置、５……高周波発生器、６……試験片、１０…
…振動棒、１１……スリーブ、１２……バネ、１
３……ケーシング、１９……振動変換器、２０…
…振動変換器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 軸方向機械振動の生じる振動棒を硬度測定す
   べき試験片上に硬い材料の特定接触面で、特定な
   接触力を加えて載置し、試験片の表面に圧入し、
   前記振動棒を強制的に励起する機械振動の周波数
   が、一定でしかも試験片に機械結合しないで自由
   振動する振動棒の共振周波数ω₀に等しい、固体
   の硬度を測定する方法において、試験片６上に載
   置され、周波数ω₀で振動する振動棒１０の振幅
   を測定し、この振幅を試験片６の硬度に対する目
   安として使用することを特徴とする方法。