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专利名称：压痕试验方法和压痕试验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型压痕试验方法。另外，本发明涉及一种采用了上述压痕试验方法的新型的压痕试验装置。
背景技术：
用于研究金属材料的变形等的特性所采用的拉伸试验通常是作为具有客观性的评价方法，需要自试件等中切出试验片，由于该过程的较高的破坏性，所以较难应用于产品中的原料或活体的生物体组织中。另一方面，对于同样是通常用于进行材料的硬度计测的压痕试验而言，由于无需切出试验片等，所以能够实现低破坏计测。人们知道在该压痕试验中，对于金属材料而言， Hertz的弹性接触理论具有较高的可靠性(例如，参照非专利文献1)。此外，也有几个将压痕试验使用于计测像生物体软组织那样的伴随着大变形的软材料的结构关系的例子。(例如，参照非专利文献2 5)。另外，发明者公开了与本发明相关的技术内容(例如，参照非专利文献6 9)。非专利文献非专利文献 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)非专禾Ij 文献 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.非专利文献 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)非专禾丨J 文献 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.非专利文献 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.
__ 专禾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.非专禾lJ文献 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，在由上述压痕试验而进行的对生物体软组织那样的、伴随着大变形的软材料的结构关系的计测中，由泽俊行(Sawa)对Hertz的弹性接触理论的高可靠性进行了表示，然而，该表示是在微小变形的范围内，此外，由高谷治(Takatani)等人进行的对生物体软组织的运用是本质上与Hertz的弹性接触理论等效的借助N值的方法。另外，有马义贵 (Arima)等人采用的与N值并用地从加载/卸载过程的能量损失来进行推定的方法，也与 Hertz的弹性接触理论同样地，在假定试件为半无限体的条件下进行而没有考虑厚度的影响。关于该厚度，N. E. WATERS的研究报告中含有表示该影响的内容，但该内容还没有达到与应力-应变的关系相应的评价的程度。此外，虽然有着眼于不可逆动作的、由石桥达弥 (Ishibashi)等人针对高分子材料作出的应用报告，但是该报告中存在着较难适用于可逆性较高的软材料的问题。因此，人们期望着用于解决这样的问题的新型的压痕试验方法和压痕试验装置的开发。

发明内容
本发明是鉴于上述问题而做出的，其目的是提供一种新型压痕试验方法。此外，本发明的目的是提供一种采用上述压痕试验方法的新型压痕试验装置。为了解决上述问题、达到本发明的目的，本发明的压痕试验方法是将压头压入于试件的压痕试验方法，其特征在于，利用试件厚度计算试件的等效压痕应变，利用上述等效压痕应变计算试件的杨氏模量。 此处，并不是对本发明进行限定，但优选对试件厚度进行推定。此外，并不是对本发明进行限定，但优选压头为球压头。此外，并不是对本发明进行限定，但优选球压头的直径在lX10_8m Im的范围内。此外，并不是对本发明进行限定，但优选试件厚度的推定利用球压头的直径、接触时的杨氏模量和接触时的杨氏模量二阶导数进行计算。本发明的压痕试验装置是将压头压入于试件的压痕试验装置，其特征在于，具有 等效压痕应变计算部，其利用试件厚度计算试件的等效压痕应变；以及杨氏模量计算部，其利用上述等效压痕应变计算试件的杨氏模量。此处，并不是对本发明进行限定，但优选具有用于推定试件厚度的试件厚度推定部。此外，并不是对本发明进行限定，但优选压头为球压头。此外，并不是对本发明进行限定，但优选球压头的直径在1 X IO-8HI Im的范围内。此外，并不是对本发明进行限定，但优选对试件厚度的推定利用球压头的直径、接触时的杨氏模量和接触时的杨氏模量二阶导数进行计算。本发明能达到下述所记载的效果。
本发明的压痕试验方法由于利用试件厚度计算试件的等效压痕应变，利用上述等效压痕应变计算试件的杨氏模量，所以能够提供一种新型的压痕试验方法。本发明的压痕试验装置由于具有利用试件厚度计算试件的等效压痕应变的等效压痕应变计算部，以及利用上述等效压痕应变计算出试件的杨氏模量的杨氏模量计算部， 因此能够提供一种新型的压痕试验装置。


图1是表示球压头和平面试件接触状态的图；图2是表示载荷和压入量的关系的图；图3中，(a)是表示球压头压入系数和压入量之间的关系的图，(b)是表示试件厚度同球压头压入系数的二阶导数之间的关系的图；图4是表示椭圆体形状的压缩区域的图；
图5是表示压痕试验机的概况的图；图6是表示压痕试验装置的结构的图；图7是表示拉伸试验的结果的图；图8是表示由压痕试验而得到的压入量δ和载荷F的关系的图，并且一并表示了由基于Hertz的弹性接触理论的式子，利用最小二乘法对上述关系进行拟合而成的曲线；图9是表示由压痕试验而得到的压入量δ和载荷F的关系的图，并且一并表示了通过采用能表示出对载荷的增加的影响的系数的式子，利用最小二乘法对上述关系进行拟合而成的曲线；图10是表示球压头压入系数的二阶导数和试件厚度的关系的图；图11是将球压头压入系数的二阶导数以对数的形式来表示，表示球压头压入系数的二阶导数与试件厚度的关系的图；图12是表示球压头压入系数和Hertz应变的关系的图；图13是表示^ung率和等效压痕应变的关系的图；图14是表示^ung率和球压头直径对压入载荷和压入量之间的关系的影响的图；图15是表示试件厚度对压入载荷和压入量的关系的影响，或对^img率和压入量的关系的影响的图；图16是表示试件厚度同接触时的Young率的二阶导数之间的关系的图；图17是表示压痕试验机的概况的图；图18是表示压痕试验装置的结构的图；图19是表示压入载荷和压入量的关系的图；图20是表示试件硬度或压头直径对压入载荷和压入量的关系的影响的图；图21是表示试件厚度同接触时的Young率的二阶导数的关系的图；图22是表示试件硬度或压头直径对试件厚度与接触时的^ung率的二阶导数的关系式中的变量H、G所表现出的影响的图；图23是表示拉伸试验的结果的图；图M是表示^ung率和等效压痕应变的关系的图。
具体实施例方式以下，对用于实施压痕试验方法和压痕试验装置的第1技术方案的实施方式进行说明。压痕试验方法是将球压头压入于试件的压痕试验方法，该方法是对试件厚度进行推定，利用上述试件厚度计算试件的等效压痕应变，利用上述等效压痕应变计算试件的杨氏模量的方法。压痕试验装置是将球压头压入于试件的压痕试验装置，该压痕试验装置是具有用于推定试件厚度的试件厚度推定部、利用上述试件厚度计算试件的等效压痕应变的等效压痕应变计算部、以及利用上述等效压痕应变计算试件的杨氏模量的杨氏模量计算部的装置。另外，在本说明书文中在英文字母符号上附加帽符号而成的符号记为“(英文字母)帽”，在英文字母上附加上划线而成的符号记为“(英文字母)拔”，在英文字母上附加二阶微分系数而成的符号记为“(英文字母)二阶微分系数”。对压痕试验的评价法进行说明。首先，对有限体试件的接触变形进行说明。当将充分硬的球压头压入于半无限体试件时，如果使用Hertz的弹性基础理论， 则图1所示的压入载荷F和压入量δ的关系由如下所述地进行表示。[式1]F=li^(i)isi=Asi...........⑴其中，系数A满足如下关系。[式2]
_1] .....................⑶这里，φ，Ε和ν分别为球压头的直径，试件的杨氏模量(以下也称为“Young率”) 和泊松比(以下也称为“Poisson比”)。此外，相对于图1的半径为a的接触面，假设在试件的载荷面上沿半径r方向以P (r)表示载荷分布，则接触面中央的应力σ以下式表示。[式3]
_ ………⑷此外，作为压入载荷F和应变ε的函数，Young率E由式(3)和胡克定律σ = E ε 导出为下式[式4]E = ^ 6 GV J...............⑷
π3 (1 - ν2)2 \Φ/ ^3此处，根据该式(1)和(4)的关系，则半无限体试件和刚性体球的接触而产生的应变能够由压头直径Φ和压入量δ利用下式而唯一地求得
[式 5]
剛^ T^Aif..................⑷将该 ε Η 拔称为 Hertz 应变(Hertz strain)。当考虑对刚性体上所放置的各种厚度hi (i = 1,2,...,-)的试件上进行球压头的压痕试验时，通过与压头的载荷面相对设置的刚性体的影响，得到如图2所示的载荷 F-压入量δ曲线。在针对具有无限厚度Iloo的半无限体试件进行的压痕试验中，得到了能够以Hertz的弹性接触理论来说明的以虚线所表示的载荷F的曲线，然而对有限体试件而言一般会得到载荷F帽比半无限体试件的结果大的、满足如下关系的结果。[式6]p>p................................... (β)关于由该试件厚度hi的不同而对载荷F帽产生的影响，如果考虑假设能够适用 Hertz的弹性接触理论，则由式(1)得到下述关系[式7]Ρ = ................................. (7)所以对于与压入量δ相关的系数A、A帽，能得到下面的关系。[式8]................................... (8)而且，如果压头直径Φ和试件的Poisson比ν不发生变化，则由式O)能得到下式的关系，所以将Hertz的弹性接触理论应用于有限体试件的压痕试验结果而求得的 Young率E帽比原来的值E大。[式9]E>E................................... (9)将由此得到的^ung率E帽称为球压头压入系数(spherical indentation modulus)ο如式(9)所示，当将由以半无限体试件作为前提，的弹性接触理论而得到的式⑴ 应用于有限体试件时，会表示出厚度hi对球压头压入系数E帽的影响，因此考虑利用该现象的试件厚度hi的推定。关于该球压头压入系数E帽的推定，可认为在作为变形量微小的接触的瞬间，由试件厚度hi的不同而产生的影响较小。也就是说，在接触的瞬间，相对于任意的厚度hi而言，由式(1)的应用条件可以考虑下式的关系。[式10]旣 = 0.......................... (10)
则压缩区域的体积V由下式表示。[式15]
权利要求
1.一种压痕试验方法，是将压头压入于试件的压痕试验方法，其特征在于，利用试件厚度计算试件的等效压痕应变，利用上述等效压痕应变计算试件的杨氏模量。
2.根据权利要求1所述的压痕试验方法，其特征在于，对试件厚度进行推定。
3.根据权利要求1所述的压痕试验方法，其特征在于压头为球压头。
4.根据权利要求3所述的压痕试验方法，其特征在于球压头的直径在lX10_8m Im 的范围内。
5.根据权利要求2所述的压痕试验方法，其特征在于对试件厚度的推定利用球压头的直径、接触时的杨氏模量和接触时的杨氏模量二阶导数进行计算。
6.一种压痕试验装置，是将压头压入于试件的压痕试验装置，其特征在于，具有等效压痕应变计算部，其利用试件厚度计算试件的等效压痕应变；以及杨氏模量计算部，其利用上述等效压痕应变计算试件的杨氏模量。
7.根据权利要求6所述的压痕试验装置，其特征在于具有用于推定试件厚度的试件厚度推定部。
8.根据权利要求6所述的压痕试验装置，其特征在于压头为球压头。
9.根据权利要求8所述的压痕试验装置，其特征在于球压头的直径在1X 10-8m Im 的范围内。
10.根据权利要求7所述的压痕试验装置，其特征在于对试件厚度的推定利用球压头的直径、接触时的杨氏模量和接触时的杨氏模量二阶导数进行计算。
全文摘要
本发明的目的是提供一种新型压痕试验装置。压痕试验装置是将球压头压入于试件的压痕试验装置，该压痕试验装置具有试件厚度推定部(10)，其用于对试件厚度进行推定；等效压痕应变计算部(11)，其利用上述试件厚度计算试件的等效压痕应变；以及杨氏模量计算部(12)，其利用上述等效压痕应变计算试件的杨氏模量。此处，优选试件的杨氏模量E在100Pa～100MPa的范围内。此外，优选球压头的直径为1×10-8m～1m的范围内。
文档编号G01N3/42GK102362166SQ201080012940
公开日2012年2月22日 申请日期2010年1月18日 优先权日2009年1月20日
发明者佐久间淳, 谷充博 申请人:国立大学法人东京农工大学