押込み試験による鋼とアルミニウムの降伏強さ・引張強さ

降伏強さ（YS）は、材料が塑性変形を始め、加えた応力を取り除いても元の形に戻らなくなる応力です。引張強さ（UTS）は、材料が破断する前に耐えられる最大応力です。この2つの特性は、機械部品や構造物にかけられる上限荷重を示します。降伏強さと引張強さは、焼なまし、鍛造、圧延、プレス加工といった材料製造工程で重要な役割を果たします。

従来、降伏強さと引張強さは、試験片を引きちぎるために非常に大きな力を必要とする大型の引張試験機で試験されてきました。1つの試験片を1回しか試験できない材料のために、多数の試験片を適切に機械加工するのは費用と時間がかかります。サンプルの小さな欠陥が、試験結果に目立つばらつきを生みます。市販の引張試験機は構成やアライメントがさまざまで、試験の力学や結果に大きな差が出ることも少なくありません。

NANOVEA独自の押込み試験法は、従来の引張試験で測定した値に匹敵する降伏強さと引張強さを直接求めます。この測定は、あらゆる産業に新しい試験の可能性を開きます。シンプルな実験セットアップにより、引張試験に必要な複雑な試験片形状に比べ、サンプル準備の時間とコストを大幅に削減できます。圧痕が小さいため、1つのサンプルで複数回の測定が可能です。試験片の加工中に生じる欠陥の影響も避けられます。小さなサンプルの局所領域でYSとUTSを測定できるため、パイプラインや自動車構造のマッピングや局所的な欠陥検出が可能になります。

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降伏強さと引張強さの試験は、NANOVEA機械特性試験機のマイクロインデンテーションモードで行いました。このアプリケーションでは、直径200 µmの円柱状平坦ダイヤモンド圧子を使用しました。押込み試験法の大きな可能性と信頼性を示すため、産業用途が広く、降伏強さと引張強さの値が広く知られているSS304とAl6061を選びました。表面粗さや欠陥が結果に影響しないよう、試験前にサンプルを鏡面まで機械研磨しました。試験条件を表1に示します。値の再現性を確保するため、各サンプルで10回以上試験しました。

SS304とAl6061合金サンプルの荷重-変位曲線を図2に示します。挿入図はサンプル上の平坦圧子の圧痕です。NANOVEAが開発した独自のアルゴリズムで「S」字型の負荷曲線を解析し、降伏強さと引張強さを算出します。値はソフトウェアで自動計算され、表2にまとめています。比較のため、従来の引張試験で得た降伏強さと引張強さの値も記載しています。

結果から、SS304とAl6061合金のYSとUTSの測定値は、押込み試験と引張試験の間でよく一致することがわかります。NANOVEA機械特性試験機による押込み試験で求めたYSとUTSは、優れた精度と再現性を示します。YSとUTSの評価において、押込み試験は従来の引張試験より大幅に時間とコストを節約できます。押込み試験には高価で複雑なサンプル加工が不要で、小さなサンプルでYSとUTSの値をすばやく定量的にマッピングでき、使用中の機械部品の局所的な機械的欠陥も検出できます。

本研究では、ステンレス鋼とアルミニウム合金の板材サンプルの降伏強さ&引張強さを評価できるNANOVEA機械特性試験機の能力を示しました。シンプルな実験セットアップにより、引張試験に必要なサンプル準備の時間とコストを大幅に削減できます。圧痕が小さいため、1つのサンプルで複数回測定できます。この方法は小さなサンプルや局所領域でのYS/UTS測定を可能にし、パイプラインや自動車構造のYS/UTSマッピングと局所的な欠陥検出のための解決策を提供します。

NANOVEA機械特性試験機のナノ、マイクロ、マクロの各モジュールには、ISO・ASTM準拠の押込み、スクラッチ、摩耗の試験モードがすべて含まれ、1つのシステムで最も幅広く使いやすい試験範囲を提供します。NANOVEAの比類のない範囲は、薄いものから厚いもの、軟らかいものから硬いものまで、コーティング、膜、基材の硬さ、ヤング率、破壊靭性、密着性、耐摩耗性など、あらゆる機械特性を求めるのに最適です。さらに、圧痕、スクラッチ、摩耗痕の高分解能3D画像や、粗さなどの表面測定のために、非接触3D表面形状測定機とAFMモジュールをオプションで追加できます。