Evaluation of Local Mechanical Properties of High Strength Steels by Indentation Method
5. 実験結果および考察 1 軸受鋼の力学特性評価
新たに作成した118°圧子のΠ関数を使用して2圧 子法による力学特性評価を行った．180℃で焼戻を したSUJ2およびSUJ3に対してφ=115°と118°
および100°と115°圧子を用いた結果を図3に示す．
115°と118°圧子を用いた試験では引張試験結果に 近い結果が得られていることが確認できる．一方，
100°と115°圧子を用いた2圧子法では引張試験か
00 1000 2000 3000
2 4 6 8
True strain ε, %
0 2 4 6 8
True strain ε, %
True stress σ, MPa
0 1000 2000 3000
True stress σ, MPa
100˚ indenter 115˚ indenter
118 & 115˚
115 & 100˚
118˚ indenter Tensile test
100˚ indenter 115˚ indenter
118 & 115˚
115 & 100˚
118˚ indenter Tensile test (a)
SUJ2 180˚C SUJ3 180˚C
(b)
0 0.5
200 300 200 300
Tempering temperature C˚ Tempering temperature C˚
Work-hardening exponent n
0 0.5
Work-hardening exponent n
118 & 115˚
115 & 100˚
Tensile test
118 & 115˚
115 & 100˚
Tensile test
(a)
SUJ2 SUJ3
(b)
…（4）
σ
r118Π118 = C118
σ
r118= 43.25ln
（ ）
E* - 55.90*12_*15 12/10/16 17:59 ページ 3
ら大きく離れた結果となった．図4および図5に2圧 子法より求められた降伏応力
σ
yおよび加工硬化指数n を示す．115°と118°圧子での結果は引張試験結果 と近い値が得られており，力学特性の焼戻温度依存性 が評価できていることから，115°と118°圧子での 2圧子法の有効性が確認できる．100°と115°圧子を用いた試験結果が引張試験と 大きく異なる結果となった原因を検討するため，圧痕 の観察を行った．図6にそれぞれのφの圧痕写真と AFM観察結果を示す．稜間角φが小さくなるにつれ て圧痕周辺のパイルアップ（盛り上がり）の量が増加 していくことが確認できる．パイルアップはΠ関数を
図6 異なる圧子で形成された圧痕のAFM観察された高さ形状 (a)100°，(b)115°，(c)118°圧子 Shapes of impressions and height profiles measured by AFM formed by 100°(a), 115°(b)and 118°(c)indenters
0 20 40
Position µm 0
2
-2
Depth h, µm
0 20 40
Position µm
0 20 40
Position µm 0
2
-2
Depth h, µm
0 2
-2
Depth h, µm
φ=100˚
A-A’ B-B’ C-C’
A-A’ B-B’ C-C’
A-A’ B-B’ C-C’ (a)
(b)
(c)
SUJ2 180˚C
φ=115˚SUJ2 180˚C
φ=118˚SUJ2 180˚C
作成するFEM解析で十分にシミュレートできておら ず，顕著なパイルアップの発生が100°圧子を用いた 2圧子法で有効な結果が得られなかった原因と考えら れる．
5. 2 表層硬化部品の力学特性評価
炭素鋼S53Cに高周波焼入，クロム鋼SCr420に 浸炭焼入を施した部品から切り出した試料に対して，
局所力学特性評価を行った．このような試験片に対し て局所力学特性評価を行うにあたり，熱処理の影響が 及んでいる範囲を特定する必要があるため，硬さ分布 を調べた．ビッカース硬さHVの分布を図7および図8 インデンテーション法による高強度鋼の局所力学特性評価
NTN TECHNICAL REVIEW No.80（2012）
を「低硬度」と定義して2圧子法により局所力学特性 評価を行った．インデンテーション試験には115°お よび118°圧子を用いた．図9および図10にその結 果を示す．高硬度領域での試験結果は降伏応力が大き く，硬さの大小と降伏応力の対応関係が確認できる．
また，高周波焼入部品と浸炭焼入部品の高硬度領域を 比較したところ高周波焼入部品の硬さが高く，降伏応 力も大きくなった．低硬度領域では高硬度領域とは異 に示す．測定にはAKASHI製マイクロビッカース硬度
計MVK-G3 を用いた．試験力は2940 mN（300gf）
であり，各図の写真中に示した矢印の方向に等間隔で 測定した．図7に示す高周波焼入部品のHVが304～
746であるのに対し，図8の浸炭焼入部品のHVは 383～744の分布となっており，熱処理方法による HVの差異が確認できる．
HVが700以上の領域を「高硬度」，450以下の領域
図7 高周波焼入試験片の形状と硬さ分布
Shape and hardness distribution chart of induction-hardened specimen
0 200 400 600 800
0 2 4 6
Distance from edge, mm
Vickers hardness
図8 浸炭焼入試験片の形状と硬さ分布
Shape and hardness distribution chart of carburized specimen
0 200 400 600 800
0 2 4 6
Distance from edge, mm
Vickers hardness
図9 高周波焼入試験片の応力ひずみ曲線 Stress-strain curves of induction hardened specimen
00 1000 2000 3000
2 4 6 8
True strain ε, % True stress σ, MPa
115˚
118˚
Hard
Soft
図10 浸炭焼入試験片の応力ひずみ曲線 Stress-strain curves of carburized specimen
00 1000 2000 3000
2 4 6 8
True strain ε, %
True stress σ, MPa
115˚
118˚
Hard Soft
*12_*15 12/10/16 17:59 ページ 5
なり，浸炭焼入部品の方が硬さも降伏応力も大きくな っていることが確認できる．
高周波焼入は表面のみを硬化させ，内部はもとの組 織のままである．一方，浸炭焼入は表面が硬化し，内 部の硬度もやや高くなる．得られた試験結果はそれぞ れの熱処理の特徴をよく示しており，熱処理の影響に 応じて局所的な
σ-ε
曲線の明確な差として示すこと ができた．5. まとめ
様々な熱処理を施した高強度鋼の試験片に対して，
稜間角が115°と118°の三角錐圧子での2圧子法に より引張試験の結果とほぼ同等な応力ひずみ特性を得 ることができた．
表層硬化部品の力学特性評価において，高周波焼入 および浸炭焼入の熱処理の相違が局所的に求めた応力 ひずみ特性から確認できた．
100°圧子の圧痕周辺にはパイルアップ（盛り上が り）が確認された．圧痕周辺にパイルアップがあると，
押し込み力と押し込み深さの関係が影響を受け，2圧 子法が適用できなくなる．
2圧子法により得られた応力ひずみ特性を実機の解 析に使用することで，従来よりも詳細な弾塑性解析を 行うことが可能になる．
参考文献
1）小笠原永久，巻口和香子，千葉矩正，“複数の三角錐 圧子押込みによるべき乗硬化材の塑性特性評価法”，
日本機械学会論文集A編，Vol. 70, No.698 (2004)，pp.1529-1534．
2）Akio Yonezu, Takeshi Ogawa and Mikio Takemoto, Key Engineering Materials，Vols．
353-358，pp.2223-2226 (2007)．
3）大野卓志，米津明生，小川武史，秋光 純，“インデ ンテーション法による微小領域の力学特性および強 度評価”, 材料試験技術, Vol.49, No.3(2004), pp.149-156.
小川 武史
青山学院大学 理工学部機械創造工学科教授
執筆者近影
坂中 則暁
先端技術研究所
松原 幸生
先端技術研究所
インデンテーション法による高強度鋼の局所力学特性評価
NTN TECHNICAL REVIEW No.80（2012）