変態塑性係数測定装置および変態塑性係数測定方法
【課題】相変態を伴う温度変化中の材料の変形量を高精度で測定し、変態塑性係数を正確に同定することができる変態塑性係数測定装置および変態塑性係数測定方法を提供する。
【解決手段】加熱と急冷を行うための容器２と、一方端が上記容器２内壁の支持部に固定される試験片３と、上記試験片に沿って冷却ガスを接触させる冷却通路３ａと、上記冷却通路に冷却ガスを供給し、上記容器内で加熱された上記試験片を急冷する冷却ガス供給系と、急冷によって変化していく上記試験片の温度、変形量などの相変態情報を連続的に取得する温度計９、レーザー変位計１１と、上記連続的に取得された相変態情報を順次蓄積するとともに、蓄積された上記相変態情報を予めプログラムされた解析方法にしたがって解析することにより、変態塑性係数を算出するデータ収録・解析装置１０とを備えてなることを特徴とする。
【解決手段】加熱と急冷を行うための容器２と、一方端が上記容器２内壁の支持部に固定される試験片３と、上記試験片に沿って冷却ガスを接触させる冷却通路３ａと、上記冷却通路に冷却ガスを供給し、上記容器内で加熱された上記試験片を急冷する冷却ガス供給系と、急冷によって変化していく上記試験片の温度、変形量などの相変態情報を連続的に取得する温度計９、レーザー変位計１１と、上記連続的に取得された相変態情報を順次蓄積するとともに、蓄積された上記相変態情報を予めプログラムされた解析方法にしたがって解析することにより、変態塑性係数を算出するデータ収録・解析装置１０とを備えてなることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相変態を伴う温度変化中の材料の変態塑性ひずみを正確に測定し、そのひずみ挙動と、それに付随する相変態の情報をその場で取得し、材料の強度評価、および応力、変形予測に用いられる変態塑性係数を正確に同定することができる変態塑性係数測定装置および変態塑性係数測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
製造工程において焼入処理される製品については焼入変形が生じるため、その変形量、応力を予測することは、製品管理、製造工程管理上、重要な課題であり、材料の強度特性については従来から引張試験、圧縮試験等によって測定が行われてきた。
【０００３】
しかしながら、相変態温度域の強度特性に関しては、変態に伴って生じる膨張または圧縮のひずみと、変態進行時に外荷重を受けることによって生じる変態塑性ひずみとを分離することが困難であることから、相変態温度域における材料の強度特性を正確に評価することができなかった。上記変態塑性とは、相変態が進行している途中で応力を受けた場合、降伏応力以下の応力であっても大きな塑性変形が生じる現象である。
【０００４】
一方、簡便な方法でしかも相変態時の膨張または圧縮のひずみを無視し得るひずみ測定を可能にする方法として、変態塑性ひずみの推定方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
この特許文献１に記載の変態塑性ひずみの推定方法では、試験片を高周波加熱や抵抗加熱によって加熱し、加熱後の試験片の温度を非接触温度計によって測定し、測定した温度データを解析するようになっている。
【０００６】
しかしながら、加熱後の試験片を均一且つ急速に冷却することは極めて困難であり、冷却速度の速い（５０℃／秒）変態（マルテンサイト変態）の変態塑性係数を同定することは困難とされてきた。
【０００７】
そこで、冷却速度の速い変態について変態塑性係数を推定する方法が提案されており（例えば、特許文献２参照）、この特許文献２に記載の変態塑性ひずみ測定方法では、冷媒中に試験片を投入することで急冷時における変形量を測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２０２２３３号公報
【特許文献２】特開２００７−２７８８４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献２の変態塑性ひずみ測定方法では、冷媒中に投入された試験片の周囲に沸騰による気泡が発生してしまうため、変形量の測定精度が低下してしまうという問題がある。
【００１０】
本発明は以上のような従来の変態塑性係数の測定方法における課題を考慮してなされたものであり、相変態を伴う温度変化中の材料の変形量を高精度で測定し、変態塑性係数を正確に同定することができる変態塑性係数測定装置および変態塑性係数測定方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
(ａ)本発明に係る変態塑性係数測定装置は、
加熱と急冷を行うための容器と、
一方端が上記容器内壁の支持部に固定される試験片と、
上記試験片に沿って冷却ガスを接触させる冷却通路と、
上記冷却通路に冷却ガスを供給し、上記容器内で加熱された上記試験片を急冷する冷却ガス供給手段と、
急冷によって変化していく上記試験片の温度、変形量などの相変態情報を連続的に取得する相変態情報取得手段と、
上記連続的に取得された相変態情報を順次蓄積するとともに、蓄積された上記相変態情報を予めプログラムされた解析方法にしたがって解析することにより、変態塑性係数を算出する変態塑性係数算出手段とを備えてなることを要旨とする。
【００１２】
上記変態塑性係数測定装置において、上記試験片を筒状体で構成することにより、その筒孔を、冷却ガスを接触させる冷却通路として機能させることができる。また、上記試験片の筒軸方向と直交する方向の断面を非対称に形成することが好ましい。この場合、上記冷却通路を上記試験片の筒軸中心から偏移させることにより、上記断面を非対称に形成することができる。
【００１３】
また、上記試験片を帯板状に形成することもできる。この場合、試験片の長手方向に沿ってその片面を覆うようにして上記冷却通路を設けることができる。
【００１４】
また、上記相変態情報取得手段として、上記試験片の温度を測定する熱電対、上記試験片の変形量を測定するレーザー変位計を有することができる。
【００１５】
(ｂ)本発明に係る変態塑性係数測定方法は、
試験片を容器内に収容して加熱し、
加熱後の上記試験片に冷却ガスを冷却通路を介して接触させて上記試験片を急冷し、
急冷によって変化していく上記試験片の温度、変形量などの相変態情報を連続的に取得し、
上記連続的に取得された相変態情報を順次蓄積するとともに、蓄積された上記相変態情報を予めプログラムされた解析方法にしたがって解析することにより、変態塑性係数を算出することを要旨とする。
【００１６】
上記変態塑性係数塑性方法において、断面が非対称の筒状の試験片を用いることにより、上記試験片を一方向に変形させることができる。
【００１７】
上記変態塑性係数塑性方法において、帯板状の試験片を用いた場合は、試験片に沿ってその片面に冷却ガスを接触させることにより、上記試験片を一方向に変形させることができる。
【００１８】
また、曲げ変形する上記試験片の変位を上記試験片の変形量として取得することができ、曲げ変形する上記試験片の曲率を上記試験片の変形量として取得することもできる。
【００１９】
上記解析方法において、
上記試験片の変位εを下記式(1)によって定義し、
【００２０】
【数１】
（ただし、εｅ：弾性ひずみ、εｐ：塑性ひずみ、εｃ：クリープひずみ、εＴ：熱ひずみ、εｔｒ：変態塑性ひずみ、ドット記号は時間微分を示す）
各ひずみεｅ，εｐ，εｃ，εＴを一般的な構造解析により求め、
変態塑性ひずみεｔｒを下記式(2)によって定義し、
【００２１】
【数２】
（ただし、ξ：体積分率、σ：応力、ｎ：定数、Ｋ：変態塑性係数）
試験片急冷時に取得される変位εを式(1)に代入することによりεｔｒを計算し、
このεｔｒを上記式(2)に代入するとともに、ξ、σを既知数、変態塑性係数Ｋを未知
数として、その変態塑性係数Ｋを算出することができる。
【００２２】
本発明において、加熱と急冷を行うための容器とは、例えばカーボンヒータを内蔵した加熱チャンバーまたは高周波誘導加熱炉と、その加熱チャンバーまたは高周波誘導加熱炉内に収容した試験片に対し、冷却ガスを供給することができるように付設された冷却ガス供給路とから構成することができる。
【００２３】
また、本発明において、冷却ガスとは、アルゴンガス、ヘリウム等の不活性ガスや空気が含まれる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、相変態を伴う温度変化中の材料の変形量を高精度で測定し、変態塑性係数を正確に同定することができる。
【００２５】
また、その定められた変態塑性係数に基づいて変態塑性ひずみを計算すれば、材料の強度評価および応力、変形予測の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る変態塑性係数測定装置の全体構成を示す正面図である。
【図２】(ａ)は図１に示す試験片の形状を示す正面拡大図、(ｂ)はその底面図である。
【図３】(ａ)は本発明の変態塑性係数測定装置によって測定された試験片の変位の推移を示すグラフ、(ｂ)は試験片の変位を示す説明図である。
【図４】本発明のデータ収録・解析装置１０によって計算された変位Ｘと実測値とを示したグラフである。
【図５】(ａ)は本発明に係る変位測定の別の方法として試験片の曲率の推移を示したグラフ、(ｂ)は試験片の曲率を示す説明図である。
【図６】Ｋ値を同定するための処理手順を示すフローチャートである。
【図７】図６のフローチャートによって得られた温度毎のＫ値を示すグラフである。
【図８】(ａ)は試験片の正常な変形を示し、(ｂ)は試験片の誤差を含む変形を示す正面図である。
【図９】(ａ)〜(ｃ)はレーザー変位計による変位測定を示した平面図である。
【図１０】(ａ)および(ｂ)は誤差の少ない変位測定を行うための試験片形状を示した平面図である。
【図１１】(ａ)〜(ｃ)は試験片の冷却通路を示した説明図である。
【図１２】(ａ)〜(ｃ)は冷却通路の別の形態を示した図１１相当図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００２８】
1. 変態塑性係数測定装置の構成
図１は、変態塑性係数の同定に使用する変態塑性係数測定装置の構成を示す正面図である。
【００２９】
同図において、変態塑性係数測定装置１は加熱チャンバー２を有し、この加熱チャンバー２は天板２ａと底板２ｂを有する容器からなり、図示しないカーボンヒータが備えられている。上記加熱チャンバー２は、試験片を収容し加熱と急冷を行うための容器として機能するものである。
【００３０】
加熱チャンバー２の天板２ａには垂直方向に貫通孔を備えた支持部２ｃが設けられ、この支持部２ｃに試験片３が片持ち（片側固定）の状態で垂下されている。
【００３１】
上記加熱チャンバー２には真空ポンプ４が接続されており、加熱チャンバー２内の脱気を行うことができるようになっている。
【００３２】
また、上記加熱チャンバー２は、バルブ５を介し、アルゴンガス、ヘリウム等の不活性ガスを蓄えたタンク６と接続されている。
【００３３】
それにより、上記真空ポンプ４による脱気後、バルブ５を開いてタンク６から不活性ガスを加熱チャンバー２内に導入すれば、加熱チャンバー２内を不活性ガス雰囲気と置換することができ、加熱しようとする試験片３の酸化を防止するようになっている。
【００３４】
また、上記タンク６は試験片冷却用の管路７およびバルブ８を介して上記加熱チャンバー２の支持部２ｃとも接続されており、バルブ８を開くと、上記支持部２ｃに設けられた貫通孔２ｄを通して不活性ガスが試験片３に供給され、試験片３を急冷することができるようになっている。
【００３５】
なお、支持部２ｃには試験片取付用の接続部２ｅが設けられており、この接続部２ｅの外周面には雄ねじ部（図示しない）が形成されている。
【００３６】
また、上記タンク６を２つ用意し、加熱チャンバー２内に供給するガスを例えばアルゴンガスとし、上記試験片３の冷却に使用するガスを例えばヘリウムガスとして使い分けることもできる。
【００３７】
上記タンク６から上記接続部２ｅに至る不活性ガス供給系は、試験片３を急冷する冷却ガス供給手段として機能するものである。
【００３８】
2. 試験片の構成
図２は試験片３の一例を示したものであり、図２(ａ)は正面拡大図、図２(ｂ)は底面図を示している。
【００３９】
本実施形態において使用する試験片３は、長さ６０ｍｍ（筒軸方向）、外径１０ｍｍの筒状に形成されており、材質はＳＣｒ（下記表１に示す化学成分表参照）である。
【００４０】
【表１】
【００４１】
試験片３の内部には冷却ガスを通過させるための、７ｍｍ径からなる冷却通路３ａが筒軸方向に形成されており、その冷却通路３ａの上端部には、上記接続部２ｅの雄ねじ部と螺合し得る雌ねじ部（図示しない）が形成されている。
【００４２】
上記冷却通路３ａの中心軸Ｃ′は、試験片３の中心軸Ｃから１ｍｍ偏移（筒軸方向と直交する方向に）しており、それにより、非対称断面に形成されている（図２(ｂ)参照）。これは不均一な冷却を故意に発生させて試験片３の一方向への曲がりを誘発させるためである。
【００４３】
試験片３を非対称断面とするにあたっては、上記したように冷却通路３ａを試験片３の中心軸Ｃから偏移させることに限らず、半円形にするなど各種の非対称断面を採用することができる。
【００４４】
図１に戻り、変態塑性係数測定装置１の構成をさらに説明する。
【００４５】
上記加熱チャンバー２内で加熱される試験片３の温度は、接触式または非接触式の温度計９によって測定されるようになっており、その温度計９から出力される温度信号Ｓ１はデータ収録・解析装置１０に連続的に与えられる。なお、連続的とは、若干の時間をおいて周期的に測定する場合も含まれる。
【００４６】
また、加熱後の冷却によって変形する上記試験片３の変形量は、レーザー変位計１１によって測定され、そのレーザー変位計１１から出力される変位信号Ｓ２も上記データ収録・解析装置１０に連続的に与えられるようになっている。なお、図中、１２はレーザー変位計１１からのレーザー光を通過させる透明窓である。
【００４７】
上記温度計９およびレーザー変位計１１は、急冷によって変化していく試験片３の相変態情報を連続的に取得する相変態情報取得手段として機能するものである。
【００４８】
本実施形態では試験片３の一方端が接続部２ｅに固定され他方端が自由であるため、試験片３の両端に必然的に変位が生じる。試験片３の変形量はその両端の変位量の差であるため、試験片３に生じる変位を測定すれば試験片３の変形量を求めることができる。
【００４９】
なお、試験片３の変位を非接触式で測定する方法としては、上記レーザー変位計１１に限らず、動画撮影に基づく画像処理によって測定することもできる。
【実施例】
【００５０】
上述した構成を有する試験片３を加熱チャンバー２内の接続部２ｅに取り付け、真空ポンプ４を駆動させることにより、加熱チャンバー２内を脱気した。
【００５１】
次いで、バルブ５を開いて加熱チャンバー２内をアルゴン置換し、カーボンヒータをオンすることにより試験片３を８５０℃まで加熱した。
【００５２】
試験片３の温度はその試験片３にスポット溶接したＫ熱電対（温度計９）によって試験終了まで連続的に測定した。
【００５３】
加熱を開始してから３０分後にバルブ８を開き、試験片３の冷却通路３ａに１ＭＰａのヘリウムガスを供給した。
【００５４】
その際、レーザー変位計１１により、変化していく試験片３の変位Ｘを連続的に測定した。なお、この変位測定はカメラ撮影およびその画像処理によっても可能である。
【００５５】
図２に示した試験片３における代表点Ｎ１〜Ｎ３のうち、代表点Ｎ１と時間の関係は図３(ａ)のグラフのようになった。
【００５６】
図３(ａ)のグラフは、横軸を冷却開始後の時間（秒）、縦軸を代表点Ｎ１の変位（ｍｍ）とし、時間の経過とともに変化していく試験片３の変位をグラフに表したものである。
【００５７】
また、図３(ｂ)は、上記試験片３における変位が“ゼロ”から“Ｘ”に変化する様子を示した説明図である。
【００５８】
図３(ａ)のグラフにおいて、試験片３は肉厚の薄い側が速く冷えるため、始めに肉厚の薄い側がマイナス側に変形する。さらに冷却が進むと、肉厚の薄い側が先に変態による膨張を始めるため、プラス側への変形に変わる（グラフの範囲Ｒ１参照）。
【００５９】
この結果はデータ収録・解析装置１０に与えられ、データ収録・解析装置１０は予めプログラムされた解析プログラムによって変態塑性係数を計算する。上記データ収録・解析装置１０は、変態塑性係数算出手段として機能するものである。
【００６０】
以下、データ収録・解析装置１０によるＫ値同定処理について説明する。
【００６１】
3. Ｋ値を同定するための処理
予め測定した対象材料のＣＣＴ試験結果またはＴＴＴ試験結果をデータ収録・解析装置１０に対してデータとして与えることで、例えば式(4）を用い、測定温度および経過時間に基づいて組織の体積分率を求める。
【００６２】
なお、ξＩＪは、組織ＩからＪへの相変態における組織Ｊの体積分率とする。
【００６３】
ξＩＪは、温度Ｔと時間ｔで決まるもの、式(3）であり、冷却速度が一定であるという条件で温度と時間の関係を求めた「ＣＣＴ線図」や、温度が一定であるという条件で温度と時間の関係を求めた「ＴＴＴ線図」を用いて定式化しておく。例えば、マルテンサイト拡散型変態の場合、ｍａｇｅｅの式(4）が用いられることが多い。
【００６４】
体積分率は応力との相関もあるが影響が小さい場合は無視できる。式(4）、式(5）では応力の項を省略している。
【００６５】
【数３】
【００６６】
【数４】
【００６７】
式（4）においてＭｓは変態開始温度、Ａは係数であり、ＣＣＴ線図またはＴＴＴ線図を用いて決定する。
【００６８】
変態塑性ひずみは、組織Ｊの体積分率とその変化率、応力の関数式(5）であることから、例えば式(6）を用いて定義する。
【００６９】
【数５】
【００７０】
ｇは、εｔｒがカッコ内の各変数の関数であることを示す。
【００７１】
【数６】
【００７２】
式（6）におけるＫは変態塑性係数である。また、ｎは材料毎に決まる定数であり、通常、ｎ＝１が用いられる。
【００７３】
式(6)を時間で微分すると式（7）が得られる。
【００７４】
【数７】
【００７５】
変態塑性係数Ｋを求める式を上記式(7)のように定義し、図１に示した変態塑性係数測定装置１を用いて測定を行えば、図３(ａ)に示した時間と変位のデータを得ることができる。
【００７６】
この結果をデータ収録・解析装置１０に収録し、図６に示すフローチャートの計算を行うことにより、変態塑性係数Ｋを同定することができる。なお、上記計算は有限差分または有限要素法に基づいて行う。
【００７７】
図６において、データ収録・解析装置１０には、事前入力データとして応力−歪特性（ヤング率）、ＣＣＴ線図またはＴＴＴ線図を用いて決定した温度毎の体積分率、上記フローチャートにしたがって計算された時刻ｔにおける変位Ｘと変態塑性係数測定装置を用いて実測した変位Ｘ′との許容誤差ｐ、許容誤差ｐを超える場合に行われる再計算においてデータ収録・解析装置１０に与えられる変態塑性係数の増分ΔＫをそれぞれ入力する（ステップＳ１）。
【００７８】
次いで、データ収録・解析装置１０は、与えられた条件、および試験片３の冷却過程において温度計９によって測定された時間毎の試験片３の温度に基づき、有限要素法に基づいて温度Ｔ、新成組織分率ξを求める（ステップＳ２）。
【００７９】
次いで、上記変態塑性係数Ｋを用いて計算された時刻ｔにおける変位Ｘと、上記変態塑性係数測定装置１を用いて実測した時間毎の変位（時間−変位データ）Ｘ′とを比較し、
Ｘ−Ｘ′＜許容誤差ｐ
であるかどうかを判断する（ステップＳ５）。
【００８０】
判断の結果、ＮＯであればステップＳ３に戻り、Ｋ＋ΔＫを、仮定した変態塑性係数Ｋとして再度、データ収録・解析装置１０に与え、組織分率ξ、変位Ｘを計算する（ステップＳ４）。
【００８１】
その結果がステップＳ５において許容誤差ｐを下回れば、次に時刻ｔ＝ｔ＋Δｔとして、変形が進行する試験片３について変態塑性係数Ｋを経時的に計算していく。
【００８２】
なお、変態塑性係数Ｋの値は基本的に材料によって一つに定まるものであるが、計算によって複数求められる場合にはそれらの平均をとってもよい。
【００８３】
このように、データ収録・解析装置１０によって定められた変態塑性係数Ｋを用いれば、時刻ｔ毎の変態塑性ひずみεｔｒを計算によって求めることができる。
【００８４】
また、図４に示すグラフは、データ収録・解析装置１０の処理によって計算された変位Ｘと実測値とを対比したものであり、計算の途中経過を示したものである。
【００８５】
図４の横軸は冷却開始後の時間（秒）、縦軸は変位Ｘ（ｍｍ）を示し、グラフＤ１は計算によって求めた変位Ｘを示し、グラフＤ２は実測した変位Ｘ′を示している。
【００８６】
ある時刻において計算によって求めた変位Ｘと実測した変位Ｘ′とを比較し、ステップＳ５に説明したように、例えばグラフ中、ΔＸが許容誤差ｐ以下となると計算を終了する。
【００８７】
本発明によれば、正確に求められた変態塑性係数Ｋに基づいて変態塑性ひずみを計算することができるため、材料の強度評価や変形の予測を精度良く行なうことが可能になる。
【００８８】
得られた温度毎のＫ値を図７のグラフに示す。
【００８９】
変態塑性係数Ｋは時間依存性が無いと言われているため、同グラフ中に示されるように、相変態中において変態塑性係数Ｋの変化が比較的小さい温度域（グラフ中、３０〜７０％の範囲Ｄ参照）の平均値を用いる。
【００９０】
具体的には、本実施形態の場合、マルテンサイトの体積分率が３０〜７０％（ξ：０．３〜０．７）となる温度域の平均値を用いると、変態塑性係数Ｋは１．３×１０-5となった。
【００９１】
なお、変態塑性係数Ｋは、上記変化が比較的小さい温度域の平均値に限らず、変態温度域全域の平均や、変態温度のピーク値を用いることもできる。
【００９２】
なお、上記実施形態では加熱チャンバーが冷却チャンバーを兼ねる構成としたが、加熱チャンバーと冷却チャンバーとを異なるチャンバーとしても同様の測定が可能である。
【００９３】
また、上記実施形態では変態塑性係数Ｋを同定するにあたり、変位Ｘと実測した変位Ｘ′との差を許容誤差ｐと比較したが、これに限らず、試験片３の曲率Ｒと実測した曲率Ｒ′との差を許容誤差ｐと比較することもできる。
【００９４】
図５(ａ)のグラフは、横軸を冷却開始後の時間（秒）、縦軸を試験片３に生じる曲率とし、時間の経過とともに変化していく曲率をグラフに表したものであり、図５(ｂ)は上記試験片３が変形することにより曲率Ｒが生じる様子を示した説明図である。
【００９５】
上記曲率Ｒを測定することによっても上記変位Ｘと同様に、試験片３の変形量を求めることができる。
【００９６】
次に、図８は試験片３の姿勢と測定誤差の関係を示した正面図であり、同図(ａ)は正常な試験片の変形を示し、同図(ｂ)は試験片における誤差を含む変形を示している。
【００９７】
図８(ａ)に示す変形では、接続部（支持棒）２ｅが垂線ＶＬ上にあり、試験片３のみに正常な変形が発生している。なお、図中、Ｎ１は変形中の代表点の位置を示している。
【００９８】
一方、図８(ｂ)に示す変形は、接続部２ｅに冷却ガスが流れることにより、試験片３よりも接続部２ｅの方が先に冷却され測定精度の低下を招いている。詳しくは、試験片３の上部が下部よりも先に冷却されることにより、図８(ｂ)の代表点Ｎ１′の位置が、図８(ａ)の代表点Ｎ１の位置よりもレーザー変位計１１（図１参照）寄りに変位している。
【００９９】
このような測定精度の低下を解消するには、接続部２ｅの材質を、熱伝導率が低く高温強度の高い材料にすることが好ましい。上記材料としては、例えば、アルミナ、ジルコニア、セラミックス系材料が例示される。
【０１００】
また、図９は試験片３の断面形状とレーザー変位計との関係を示した平面図であり、同図(ａ)は測定前の試験片とレーザー変位計との配置を示し、同図(ｂ)は正常な変位測定を示し、同図(ｃ)は誤差を含む変位測定を示している。
【０１０１】
図９(ｂ)に示すように試験片３がＦ１方向に変位する場合は正常な変位測定が行えるものの、図９(ｃ)に示すように、試験片３がレーザー変位計１１と対向する方向以外の方向（例えばＦ２方向）に変位した場合には誤差を含んだ変位測定になる虞がある。
【０１０２】
図１０は誤差の少ない変位測定を行うための試験片形状を示した平面図であり、同図(ａ)は測定前の試験片とレーザー変位計との配置を示し、同図(ｂ)は測定中の試験片とレーザー変位計との配置を示している。
【０１０３】
図１０に示す試験片２０は、中実の円柱材を軸方向に二つ割りし、得られた断面半円状の円柱材２０ａに貫通孔２０ｂを穿設したものである。２０ｃはレーザー変位計１１に対向するフラット面である。
【０１０４】
このようにフラット面２０ｃを備えた試験片２０によれば、仮に試験片２０がレーザー変位計１１に対向する方向以外の方向（例えば矢印Ｆ３方向）に変位したとしても、レーザー光はそのレーザー光に直交するフラット面２０ｃ上を測定することになるため、誤差の少ない変位測定が可能になる。
【０１０５】
また、試験片における測定すべき変形量を大きくすることで誤差の影響を小さくすることができる。図１０に示した試験片形状では、厚肉側の拘束が大きいために変形量を大きくすることが難しい。
【０１０６】
変形量を大きくするには、図１１(ａ)および(ｃ)に示すように、試験片２１の形状を帯板状とし、その片面２１ａだけが冷却（空冷）されるように構成することが好ましい。
【０１０７】
試験片２１は平面から見てコ字状に形成された試験片ホルダ２２に収容されており、一方端部（上端）はその試験片ホルダ２２の天板部２２ａにネジ等で固定されており、他方端部は自由端となっている。２２ｂは冷却通路である。
【０１０８】
冷却通路２２ｂに冷却ガスが供給されると、試験片２１は図１１(ｂ)に示すように変形し、自由端２１ｂは試験片ホルダ２２から迫り出すようになっている。
【０１０９】
この構成によれば、試験片の変形量を大きくすることができ、誤差の影響を少なくすることができる。
【０１１０】
図１２は、冷却通路の別の形態を示したものである。
【０１１１】
なお、図１１と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【０１１２】
図１２に示す試験片ホルダ２３は、試験片２１が変形してもなお、その片面２１ａを自由端２１ｂに至るまでコ字状に覆うことができるように構成されており、側壁長さＬ′が図１１の試験片ホルダ２２の側壁長さＬに比べて長く形成されている。
【０１１３】
この構成では、試験片２１が変形しても試験片ホルダ２３下部から漏れる冷却ガス量を少なくすることができるため、安定的な冷却が可能になり、測定精度を向上させることができる。
【符号の説明】
【０１１４】
１ 変態塑性係数測定装置
２ 加熱チャンバー（容器）
２ａ 天板
２ｂ 底板
２ｃ 支持部
２ｄ 貫通孔
２ｅ 接続部
３ 試験片
３ａ 冷却通路
４ 真空ポンプ
５ バルブ
６ タンク
７ 試験片冷却用の管路
８ バルブ
９ 温度計
１０ データ収録・解析装置
１１ レーザー変位計
１２ 透明窓
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相変態を伴う温度変化中の材料の変態塑性ひずみを正確に測定し、そのひずみ挙動と、それに付随する相変態の情報をその場で取得し、材料の強度評価、および応力、変形予測に用いられる変態塑性係数を正確に同定することができる変態塑性係数測定装置および変態塑性係数測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
製造工程において焼入処理される製品については焼入変形が生じるため、その変形量、応力を予測することは、製品管理、製造工程管理上、重要な課題であり、材料の強度特性については従来から引張試験、圧縮試験等によって測定が行われてきた。
【０００３】
しかしながら、相変態温度域の強度特性に関しては、変態に伴って生じる膨張または圧縮のひずみと、変態進行時に外荷重を受けることによって生じる変態塑性ひずみとを分離することが困難であることから、相変態温度域における材料の強度特性を正確に評価することができなかった。上記変態塑性とは、相変態が進行している途中で応力を受けた場合、降伏応力以下の応力であっても大きな塑性変形が生じる現象である。
【０００４】
一方、簡便な方法でしかも相変態時の膨張または圧縮のひずみを無視し得るひずみ測定を可能にする方法として、変態塑性ひずみの推定方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
この特許文献１に記載の変態塑性ひずみの推定方法では、試験片を高周波加熱や抵抗加熱によって加熱し、加熱後の試験片の温度を非接触温度計によって測定し、測定した温度データを解析するようになっている。
【０００６】
しかしながら、加熱後の試験片を均一且つ急速に冷却することは極めて困難であり、冷却速度の速い（５０℃／秒）変態（マルテンサイト変態）の変態塑性係数を同定することは困難とされてきた。
【０００７】
そこで、冷却速度の速い変態について変態塑性係数を推定する方法が提案されており（例えば、特許文献２参照）、この特許文献２に記載の変態塑性ひずみ測定方法では、冷媒中に試験片を投入することで急冷時における変形量を測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２０２２３３号公報
【特許文献２】特開２００７−２７８８４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献２の変態塑性ひずみ測定方法では、冷媒中に投入された試験片の周囲に沸騰による気泡が発生してしまうため、変形量の測定精度が低下してしまうという問題がある。
【００１０】
本発明は以上のような従来の変態塑性係数の測定方法における課題を考慮してなされたものであり、相変態を伴う温度変化中の材料の変形量を高精度で測定し、変態塑性係数を正確に同定することができる変態塑性係数測定装置および変態塑性係数測定方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
(ａ)本発明に係る変態塑性係数測定装置は、
加熱と急冷を行うための容器と、
一方端が上記容器内壁の支持部に固定される試験片と、
上記試験片に沿って冷却ガスを接触させる冷却通路と、
上記冷却通路に冷却ガスを供給し、上記容器内で加熱された上記試験片を急冷する冷却ガス供給手段と、
急冷によって変化していく上記試験片の温度、変形量などの相変態情報を連続的に取得する相変態情報取得手段と、
上記連続的に取得された相変態情報を順次蓄積するとともに、蓄積された上記相変態情報を予めプログラムされた解析方法にしたがって解析することにより、変態塑性係数を算出する変態塑性係数算出手段とを備えてなることを要旨とする。
【００１２】
上記変態塑性係数測定装置において、上記試験片を筒状体で構成することにより、その筒孔を、冷却ガスを接触させる冷却通路として機能させることができる。また、上記試験片の筒軸方向と直交する方向の断面を非対称に形成することが好ましい。この場合、上記冷却通路を上記試験片の筒軸中心から偏移させることにより、上記断面を非対称に形成することができる。
【００１３】
また、上記試験片を帯板状に形成することもできる。この場合、試験片の長手方向に沿ってその片面を覆うようにして上記冷却通路を設けることができる。
【００１４】
また、上記相変態情報取得手段として、上記試験片の温度を測定する熱電対、上記試験片の変形量を測定するレーザー変位計を有することができる。
【００１５】
(ｂ)本発明に係る変態塑性係数測定方法は、
試験片を容器内に収容して加熱し、
加熱後の上記試験片に冷却ガスを冷却通路を介して接触させて上記試験片を急冷し、
急冷によって変化していく上記試験片の温度、変形量などの相変態情報を連続的に取得し、
上記連続的に取得された相変態情報を順次蓄積するとともに、蓄積された上記相変態情報を予めプログラムされた解析方法にしたがって解析することにより、変態塑性係数を算出することを要旨とする。
【００１６】
上記変態塑性係数塑性方法において、断面が非対称の筒状の試験片を用いることにより、上記試験片を一方向に変形させることができる。
【００１７】
上記変態塑性係数塑性方法において、帯板状の試験片を用いた場合は、試験片に沿ってその片面に冷却ガスを接触させることにより、上記試験片を一方向に変形させることができる。
【００１８】
また、曲げ変形する上記試験片の変位を上記試験片の変形量として取得することができ、曲げ変形する上記試験片の曲率を上記試験片の変形量として取得することもできる。
【００１９】
上記解析方法において、
上記試験片の変位εを下記式(1)によって定義し、
【００２０】
【数１】
（ただし、εｅ：弾性ひずみ、εｐ：塑性ひずみ、εｃ：クリープひずみ、εＴ：熱ひずみ、εｔｒ：変態塑性ひずみ、ドット記号は時間微分を示す）
各ひずみεｅ，εｐ，εｃ，εＴを一般的な構造解析により求め、
変態塑性ひずみεｔｒを下記式(2)によって定義し、
【００２１】
【数２】
（ただし、ξ：体積分率、σ：応力、ｎ：定数、Ｋ：変態塑性係数）
試験片急冷時に取得される変位εを式(1)に代入することによりεｔｒを計算し、
このεｔｒを上記式(2)に代入するとともに、ξ、σを既知数、変態塑性係数Ｋを未知
数として、その変態塑性係数Ｋを算出することができる。
【００２２】
本発明において、加熱と急冷を行うための容器とは、例えばカーボンヒータを内蔵した加熱チャンバーまたは高周波誘導加熱炉と、その加熱チャンバーまたは高周波誘導加熱炉内に収容した試験片に対し、冷却ガスを供給することができるように付設された冷却ガス供給路とから構成することができる。
【００２３】
また、本発明において、冷却ガスとは、アルゴンガス、ヘリウム等の不活性ガスや空気が含まれる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、相変態を伴う温度変化中の材料の変形量を高精度で測定し、変態塑性係数を正確に同定することができる。
【００２５】
また、その定められた変態塑性係数に基づいて変態塑性ひずみを計算すれば、材料の強度評価および応力、変形予測の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る変態塑性係数測定装置の全体構成を示す正面図である。
【図２】(ａ)は図１に示す試験片の形状を示す正面拡大図、(ｂ)はその底面図である。
【図３】(ａ)は本発明の変態塑性係数測定装置によって測定された試験片の変位の推移を示すグラフ、(ｂ)は試験片の変位を示す説明図である。
【図４】本発明のデータ収録・解析装置１０によって計算された変位Ｘと実測値とを示したグラフである。
【図５】(ａ)は本発明に係る変位測定の別の方法として試験片の曲率の推移を示したグラフ、(ｂ)は試験片の曲率を示す説明図である。
【図６】Ｋ値を同定するための処理手順を示すフローチャートである。
【図７】図６のフローチャートによって得られた温度毎のＫ値を示すグラフである。
【図８】(ａ)は試験片の正常な変形を示し、(ｂ)は試験片の誤差を含む変形を示す正面図である。
【図９】(ａ)〜(ｃ)はレーザー変位計による変位測定を示した平面図である。
【図１０】(ａ)および(ｂ)は誤差の少ない変位測定を行うための試験片形状を示した平面図である。
【図１１】(ａ)〜(ｃ)は試験片の冷却通路を示した説明図である。
【図１２】(ａ)〜(ｃ)は冷却通路の別の形態を示した図１１相当図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００２８】
1. 変態塑性係数測定装置の構成
図１は、変態塑性係数の同定に使用する変態塑性係数測定装置の構成を示す正面図である。
【００２９】
同図において、変態塑性係数測定装置１は加熱チャンバー２を有し、この加熱チャンバー２は天板２ａと底板２ｂを有する容器からなり、図示しないカーボンヒータが備えられている。上記加熱チャンバー２は、試験片を収容し加熱と急冷を行うための容器として機能するものである。
【００３０】
加熱チャンバー２の天板２ａには垂直方向に貫通孔を備えた支持部２ｃが設けられ、この支持部２ｃに試験片３が片持ち（片側固定）の状態で垂下されている。
【００３１】
上記加熱チャンバー２には真空ポンプ４が接続されており、加熱チャンバー２内の脱気を行うことができるようになっている。
【００３２】
また、上記加熱チャンバー２は、バルブ５を介し、アルゴンガス、ヘリウム等の不活性ガスを蓄えたタンク６と接続されている。
【００３３】
それにより、上記真空ポンプ４による脱気後、バルブ５を開いてタンク６から不活性ガスを加熱チャンバー２内に導入すれば、加熱チャンバー２内を不活性ガス雰囲気と置換することができ、加熱しようとする試験片３の酸化を防止するようになっている。
【００３４】
また、上記タンク６は試験片冷却用の管路７およびバルブ８を介して上記加熱チャンバー２の支持部２ｃとも接続されており、バルブ８を開くと、上記支持部２ｃに設けられた貫通孔２ｄを通して不活性ガスが試験片３に供給され、試験片３を急冷することができるようになっている。
【００３５】
なお、支持部２ｃには試験片取付用の接続部２ｅが設けられており、この接続部２ｅの外周面には雄ねじ部（図示しない）が形成されている。
【００３６】
また、上記タンク６を２つ用意し、加熱チャンバー２内に供給するガスを例えばアルゴンガスとし、上記試験片３の冷却に使用するガスを例えばヘリウムガスとして使い分けることもできる。
【００３７】
上記タンク６から上記接続部２ｅに至る不活性ガス供給系は、試験片３を急冷する冷却ガス供給手段として機能するものである。
【００３８】
2. 試験片の構成
図２は試験片３の一例を示したものであり、図２(ａ)は正面拡大図、図２(ｂ)は底面図を示している。
【００３９】
本実施形態において使用する試験片３は、長さ６０ｍｍ（筒軸方向）、外径１０ｍｍの筒状に形成されており、材質はＳＣｒ（下記表１に示す化学成分表参照）である。
【００４０】
【表１】
【００４１】
試験片３の内部には冷却ガスを通過させるための、７ｍｍ径からなる冷却通路３ａが筒軸方向に形成されており、その冷却通路３ａの上端部には、上記接続部２ｅの雄ねじ部と螺合し得る雌ねじ部（図示しない）が形成されている。
【００４２】
上記冷却通路３ａの中心軸Ｃ′は、試験片３の中心軸Ｃから１ｍｍ偏移（筒軸方向と直交する方向に）しており、それにより、非対称断面に形成されている（図２(ｂ)参照）。これは不均一な冷却を故意に発生させて試験片３の一方向への曲がりを誘発させるためである。
【００４３】
試験片３を非対称断面とするにあたっては、上記したように冷却通路３ａを試験片３の中心軸Ｃから偏移させることに限らず、半円形にするなど各種の非対称断面を採用することができる。
【００４４】
図１に戻り、変態塑性係数測定装置１の構成をさらに説明する。
【００４５】
上記加熱チャンバー２内で加熱される試験片３の温度は、接触式または非接触式の温度計９によって測定されるようになっており、その温度計９から出力される温度信号Ｓ１はデータ収録・解析装置１０に連続的に与えられる。なお、連続的とは、若干の時間をおいて周期的に測定する場合も含まれる。
【００４６】
また、加熱後の冷却によって変形する上記試験片３の変形量は、レーザー変位計１１によって測定され、そのレーザー変位計１１から出力される変位信号Ｓ２も上記データ収録・解析装置１０に連続的に与えられるようになっている。なお、図中、１２はレーザー変位計１１からのレーザー光を通過させる透明窓である。
【００４７】
上記温度計９およびレーザー変位計１１は、急冷によって変化していく試験片３の相変態情報を連続的に取得する相変態情報取得手段として機能するものである。
【００４８】
本実施形態では試験片３の一方端が接続部２ｅに固定され他方端が自由であるため、試験片３の両端に必然的に変位が生じる。試験片３の変形量はその両端の変位量の差であるため、試験片３に生じる変位を測定すれば試験片３の変形量を求めることができる。
【００４９】
なお、試験片３の変位を非接触式で測定する方法としては、上記レーザー変位計１１に限らず、動画撮影に基づく画像処理によって測定することもできる。
【実施例】
【００５０】
上述した構成を有する試験片３を加熱チャンバー２内の接続部２ｅに取り付け、真空ポンプ４を駆動させることにより、加熱チャンバー２内を脱気した。
【００５１】
次いで、バルブ５を開いて加熱チャンバー２内をアルゴン置換し、カーボンヒータをオンすることにより試験片３を８５０℃まで加熱した。
【００５２】
試験片３の温度はその試験片３にスポット溶接したＫ熱電対（温度計９）によって試験終了まで連続的に測定した。
【００５３】
加熱を開始してから３０分後にバルブ８を開き、試験片３の冷却通路３ａに１ＭＰａのヘリウムガスを供給した。
【００５４】
その際、レーザー変位計１１により、変化していく試験片３の変位Ｘを連続的に測定した。なお、この変位測定はカメラ撮影およびその画像処理によっても可能である。
【００５５】
図２に示した試験片３における代表点Ｎ１〜Ｎ３のうち、代表点Ｎ１と時間の関係は図３(ａ)のグラフのようになった。
【００５６】
図３(ａ)のグラフは、横軸を冷却開始後の時間（秒）、縦軸を代表点Ｎ１の変位（ｍｍ）とし、時間の経過とともに変化していく試験片３の変位をグラフに表したものである。
【００５７】
また、図３(ｂ)は、上記試験片３における変位が“ゼロ”から“Ｘ”に変化する様子を示した説明図である。
【００５８】
図３(ａ)のグラフにおいて、試験片３は肉厚の薄い側が速く冷えるため、始めに肉厚の薄い側がマイナス側に変形する。さらに冷却が進むと、肉厚の薄い側が先に変態による膨張を始めるため、プラス側への変形に変わる（グラフの範囲Ｒ１参照）。
【００５９】
この結果はデータ収録・解析装置１０に与えられ、データ収録・解析装置１０は予めプログラムされた解析プログラムによって変態塑性係数を計算する。上記データ収録・解析装置１０は、変態塑性係数算出手段として機能するものである。
【００６０】
以下、データ収録・解析装置１０によるＫ値同定処理について説明する。
【００６１】
3. Ｋ値を同定するための処理
予め測定した対象材料のＣＣＴ試験結果またはＴＴＴ試験結果をデータ収録・解析装置１０に対してデータとして与えることで、例えば式(4）を用い、測定温度および経過時間に基づいて組織の体積分率を求める。
【００６２】
なお、ξＩＪは、組織ＩからＪへの相変態における組織Ｊの体積分率とする。
【００６３】
ξＩＪは、温度Ｔと時間ｔで決まるもの、式(3）であり、冷却速度が一定であるという条件で温度と時間の関係を求めた「ＣＣＴ線図」や、温度が一定であるという条件で温度と時間の関係を求めた「ＴＴＴ線図」を用いて定式化しておく。例えば、マルテンサイト拡散型変態の場合、ｍａｇｅｅの式(4）が用いられることが多い。
【００６４】
体積分率は応力との相関もあるが影響が小さい場合は無視できる。式(4）、式(5）では応力の項を省略している。
【００６５】
【数３】
【００６６】
【数４】
【００６７】
式（4）においてＭｓは変態開始温度、Ａは係数であり、ＣＣＴ線図またはＴＴＴ線図を用いて決定する。
【００６８】
変態塑性ひずみは、組織Ｊの体積分率とその変化率、応力の関数式(5）であることから、例えば式(6）を用いて定義する。
【００６９】
【数５】
【００７０】
ｇは、εｔｒがカッコ内の各変数の関数であることを示す。
【００７１】
【数６】
【００７２】
式（6）におけるＫは変態塑性係数である。また、ｎは材料毎に決まる定数であり、通常、ｎ＝１が用いられる。
【００７３】
式(6)を時間で微分すると式（7）が得られる。
【００７４】
【数７】
【００７５】
変態塑性係数Ｋを求める式を上記式(7)のように定義し、図１に示した変態塑性係数測定装置１を用いて測定を行えば、図３(ａ)に示した時間と変位のデータを得ることができる。
【００７６】
この結果をデータ収録・解析装置１０に収録し、図６に示すフローチャートの計算を行うことにより、変態塑性係数Ｋを同定することができる。なお、上記計算は有限差分または有限要素法に基づいて行う。
【００７７】
図６において、データ収録・解析装置１０には、事前入力データとして応力−歪特性（ヤング率）、ＣＣＴ線図またはＴＴＴ線図を用いて決定した温度毎の体積分率、上記フローチャートにしたがって計算された時刻ｔにおける変位Ｘと変態塑性係数測定装置を用いて実測した変位Ｘ′との許容誤差ｐ、許容誤差ｐを超える場合に行われる再計算においてデータ収録・解析装置１０に与えられる変態塑性係数の増分ΔＫをそれぞれ入力する（ステップＳ１）。
【００７８】
次いで、データ収録・解析装置１０は、与えられた条件、および試験片３の冷却過程において温度計９によって測定された時間毎の試験片３の温度に基づき、有限要素法に基づいて温度Ｔ、新成組織分率ξを求める（ステップＳ２）。
【００７９】
次いで、上記変態塑性係数Ｋを用いて計算された時刻ｔにおける変位Ｘと、上記変態塑性係数測定装置１を用いて実測した時間毎の変位（時間−変位データ）Ｘ′とを比較し、
Ｘ−Ｘ′＜許容誤差ｐ
であるかどうかを判断する（ステップＳ５）。
【００８０】
判断の結果、ＮＯであればステップＳ３に戻り、Ｋ＋ΔＫを、仮定した変態塑性係数Ｋとして再度、データ収録・解析装置１０に与え、組織分率ξ、変位Ｘを計算する（ステップＳ４）。
【００８１】
その結果がステップＳ５において許容誤差ｐを下回れば、次に時刻ｔ＝ｔ＋Δｔとして、変形が進行する試験片３について変態塑性係数Ｋを経時的に計算していく。
【００８２】
なお、変態塑性係数Ｋの値は基本的に材料によって一つに定まるものであるが、計算によって複数求められる場合にはそれらの平均をとってもよい。
【００８３】
このように、データ収録・解析装置１０によって定められた変態塑性係数Ｋを用いれば、時刻ｔ毎の変態塑性ひずみεｔｒを計算によって求めることができる。
【００８４】
また、図４に示すグラフは、データ収録・解析装置１０の処理によって計算された変位Ｘと実測値とを対比したものであり、計算の途中経過を示したものである。
【００８５】
図４の横軸は冷却開始後の時間（秒）、縦軸は変位Ｘ（ｍｍ）を示し、グラフＤ１は計算によって求めた変位Ｘを示し、グラフＤ２は実測した変位Ｘ′を示している。
【００８６】
ある時刻において計算によって求めた変位Ｘと実測した変位Ｘ′とを比較し、ステップＳ５に説明したように、例えばグラフ中、ΔＸが許容誤差ｐ以下となると計算を終了する。
【００８７】
本発明によれば、正確に求められた変態塑性係数Ｋに基づいて変態塑性ひずみを計算することができるため、材料の強度評価や変形の予測を精度良く行なうことが可能になる。
【００８８】
得られた温度毎のＫ値を図７のグラフに示す。
【００８９】
変態塑性係数Ｋは時間依存性が無いと言われているため、同グラフ中に示されるように、相変態中において変態塑性係数Ｋの変化が比較的小さい温度域（グラフ中、３０〜７０％の範囲Ｄ参照）の平均値を用いる。
【００９０】
具体的には、本実施形態の場合、マルテンサイトの体積分率が３０〜７０％（ξ：０．３〜０．７）となる温度域の平均値を用いると、変態塑性係数Ｋは１．３×１０-5となった。
【００９１】
なお、変態塑性係数Ｋは、上記変化が比較的小さい温度域の平均値に限らず、変態温度域全域の平均や、変態温度のピーク値を用いることもできる。
【００９２】
なお、上記実施形態では加熱チャンバーが冷却チャンバーを兼ねる構成としたが、加熱チャンバーと冷却チャンバーとを異なるチャンバーとしても同様の測定が可能である。
【００９３】
また、上記実施形態では変態塑性係数Ｋを同定するにあたり、変位Ｘと実測した変位Ｘ′との差を許容誤差ｐと比較したが、これに限らず、試験片３の曲率Ｒと実測した曲率Ｒ′との差を許容誤差ｐと比較することもできる。
【００９４】
図５(ａ)のグラフは、横軸を冷却開始後の時間（秒）、縦軸を試験片３に生じる曲率とし、時間の経過とともに変化していく曲率をグラフに表したものであり、図５(ｂ)は上記試験片３が変形することにより曲率Ｒが生じる様子を示した説明図である。
【００９５】
上記曲率Ｒを測定することによっても上記変位Ｘと同様に、試験片３の変形量を求めることができる。
【００９６】
次に、図８は試験片３の姿勢と測定誤差の関係を示した正面図であり、同図(ａ)は正常な試験片の変形を示し、同図(ｂ)は試験片における誤差を含む変形を示している。
【００９７】
図８(ａ)に示す変形では、接続部（支持棒）２ｅが垂線ＶＬ上にあり、試験片３のみに正常な変形が発生している。なお、図中、Ｎ１は変形中の代表点の位置を示している。
【００９８】
一方、図８(ｂ)に示す変形は、接続部２ｅに冷却ガスが流れることにより、試験片３よりも接続部２ｅの方が先に冷却され測定精度の低下を招いている。詳しくは、試験片３の上部が下部よりも先に冷却されることにより、図８(ｂ)の代表点Ｎ１′の位置が、図８(ａ)の代表点Ｎ１の位置よりもレーザー変位計１１（図１参照）寄りに変位している。
【００９９】
このような測定精度の低下を解消するには、接続部２ｅの材質を、熱伝導率が低く高温強度の高い材料にすることが好ましい。上記材料としては、例えば、アルミナ、ジルコニア、セラミックス系材料が例示される。
【０１００】
また、図９は試験片３の断面形状とレーザー変位計との関係を示した平面図であり、同図(ａ)は測定前の試験片とレーザー変位計との配置を示し、同図(ｂ)は正常な変位測定を示し、同図(ｃ)は誤差を含む変位測定を示している。
【０１０１】
図９(ｂ)に示すように試験片３がＦ１方向に変位する場合は正常な変位測定が行えるものの、図９(ｃ)に示すように、試験片３がレーザー変位計１１と対向する方向以外の方向（例えばＦ２方向）に変位した場合には誤差を含んだ変位測定になる虞がある。
【０１０２】
図１０は誤差の少ない変位測定を行うための試験片形状を示した平面図であり、同図(ａ)は測定前の試験片とレーザー変位計との配置を示し、同図(ｂ)は測定中の試験片とレーザー変位計との配置を示している。
【０１０３】
図１０に示す試験片２０は、中実の円柱材を軸方向に二つ割りし、得られた断面半円状の円柱材２０ａに貫通孔２０ｂを穿設したものである。２０ｃはレーザー変位計１１に対向するフラット面である。
【０１０４】
このようにフラット面２０ｃを備えた試験片２０によれば、仮に試験片２０がレーザー変位計１１に対向する方向以外の方向（例えば矢印Ｆ３方向）に変位したとしても、レーザー光はそのレーザー光に直交するフラット面２０ｃ上を測定することになるため、誤差の少ない変位測定が可能になる。
【０１０５】
また、試験片における測定すべき変形量を大きくすることで誤差の影響を小さくすることができる。図１０に示した試験片形状では、厚肉側の拘束が大きいために変形量を大きくすることが難しい。
【０１０６】
変形量を大きくするには、図１１(ａ)および(ｃ)に示すように、試験片２１の形状を帯板状とし、その片面２１ａだけが冷却（空冷）されるように構成することが好ましい。
【０１０７】
試験片２１は平面から見てコ字状に形成された試験片ホルダ２２に収容されており、一方端部（上端）はその試験片ホルダ２２の天板部２２ａにネジ等で固定されており、他方端部は自由端となっている。２２ｂは冷却通路である。
【０１０８】
冷却通路２２ｂに冷却ガスが供給されると、試験片２１は図１１(ｂ)に示すように変形し、自由端２１ｂは試験片ホルダ２２から迫り出すようになっている。
【０１０９】
この構成によれば、試験片の変形量を大きくすることができ、誤差の影響を少なくすることができる。
【０１１０】
図１２は、冷却通路の別の形態を示したものである。
【０１１１】
なお、図１１と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【０１１２】
図１２に示す試験片ホルダ２３は、試験片２１が変形してもなお、その片面２１ａを自由端２１ｂに至るまでコ字状に覆うことができるように構成されており、側壁長さＬ′が図１１の試験片ホルダ２２の側壁長さＬに比べて長く形成されている。
【０１１３】
この構成では、試験片２１が変形しても試験片ホルダ２３下部から漏れる冷却ガス量を少なくすることができるため、安定的な冷却が可能になり、測定精度を向上させることができる。
【符号の説明】
【０１１４】
１ 変態塑性係数測定装置
２ 加熱チャンバー（容器）
２ａ 天板
２ｂ 底板
２ｃ 支持部
２ｄ 貫通孔
２ｅ 接続部
３ 試験片
３ａ 冷却通路
４ 真空ポンプ
５ バルブ
６ タンク
７ 試験片冷却用の管路
８ バルブ
９ 温度計
１０ データ収録・解析装置
１１ レーザー変位計
１２ 透明窓
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱と急冷を行うための容器と、
一方端が上記容器内壁の支持部に固定される試験片と、
上記試験片に沿って冷却ガスを接触させる冷却通路と、
上記冷却通路に冷却ガスを供給し、上記容器内で加熱された上記試験片を急冷する冷却ガス供給手段と、
急冷によって変化していく上記試験片の温度、変形量などの相変態情報を連続的に取得する相変態情報取得手段と、
上記連続的に取得された相変態情報を順次蓄積するとともに、蓄積された上記相変態情報を予めプログラムされた解析方法にしたがって解析することにより、変態塑性係数を算出する変態塑性係数算出手段とを備えてなることを特徴とする変態塑性係数測定装置。
【請求項２】
上記試験片が筒状体から構成され、上記試験片の筒軸方向と直交する方向の断面が非対称に形成されている請求項１記載の変態塑性係数測定装置。
【請求項３】
上記冷却通路を上記試験片の筒軸中心から偏移させることにより、上記断面が非対称に形成されている請求項２記載の変態塑性係数測定装置。
【請求項４】
上記試験片を帯板状に形成するとともに、上記試験片の長手方向に沿ってその片面を覆うようにして上記冷却通路を設けてなる請求項１記載の変態塑性係数測定装置。
【請求項５】
上記相変態情報取得手段として、上記試験片の温度を測定する熱電対、上記試験片の変形量を測定するレーザー変位計を有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の変態塑性係数測定装置。
【請求項６】
試験片を容器内に収容して加熱し、
加熱後の上記試験片に冷却ガスを通過冷却通路を介して接触させて上記試験片を急冷し、
急冷によって変化していく上記試験片の温度、変形量などの相変態情報を連続的に取得し、
上記連続的に取得された相変態情報を順次蓄積するとともに、蓄積された上記相変態情報を予めプログラムされた解析方法にしたがって解析することにより、変態塑性係数を算出することを特徴とする変態塑性係数測定方法。
【請求項７】
断面が非対称の筒状の試験片または帯板状の試験片を用いることにより、上記試験片を一方向に変形させる請求項６記載の変態塑性係数測定方法。
【請求項８】
曲げ変形する上記試験片の変位を上記試験片の変形量として取得する請求項６または７記載の変態塑性係数測定方法。
【請求項９】
曲げ変形する上記試験片の曲率を上記試験片の変形量として取得する請求項６または７記載の変態塑性係数測定方法。
【請求項１０】
上記試験片の変位εを下記式(1)によって定義し、
【数１】
（ただし、εｅ：弾性ひずみ、εｐ：塑性ひずみ、εｃ：クリープひずみ、εＴ：熱ひずみ、εｔｒ：変態塑性ひずみ、ドット記号は時間微分を示す）
各ひずみεｅ，εｐ，εｃ，εＴを一般的な構造解析により求め、
変態塑性ひずみεｔｒを下記式(2)によって定義し、
【数２】
（ただし、ξ：体積分率、σ：応力、ｎ：定数、Ｋ：変態塑性係数）
試験片急冷時に取得される変位εを式(1)に代入することによりεｔｒを計算し、
このεｔｒを上記式(2)に代入するとともに、ξ、σを既知数、変態塑性係数Ｋを未知数として、その変態塑性係数Ｋを算出する請求項６〜９のいずれか１項に記載の変態塑性係数測定方法。
【請求項１】
加熱と急冷を行うための容器と、
一方端が上記容器内壁の支持部に固定される試験片と、
上記試験片に沿って冷却ガスを接触させる冷却通路と、
上記冷却通路に冷却ガスを供給し、上記容器内で加熱された上記試験片を急冷する冷却ガス供給手段と、
急冷によって変化していく上記試験片の温度、変形量などの相変態情報を連続的に取得する相変態情報取得手段と、
上記連続的に取得された相変態情報を順次蓄積するとともに、蓄積された上記相変態情報を予めプログラムされた解析方法にしたがって解析することにより、変態塑性係数を算出する変態塑性係数算出手段とを備えてなることを特徴とする変態塑性係数測定装置。
【請求項２】
上記試験片が筒状体から構成され、上記試験片の筒軸方向と直交する方向の断面が非対称に形成されている請求項１記載の変態塑性係数測定装置。
【請求項３】
上記冷却通路を上記試験片の筒軸中心から偏移させることにより、上記断面が非対称に形成されている請求項２記載の変態塑性係数測定装置。
【請求項４】
上記試験片を帯板状に形成するとともに、上記試験片の長手方向に沿ってその片面を覆うようにして上記冷却通路を設けてなる請求項１記載の変態塑性係数測定装置。
【請求項５】
上記相変態情報取得手段として、上記試験片の温度を測定する熱電対、上記試験片の変形量を測定するレーザー変位計を有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の変態塑性係数測定装置。
【請求項６】
試験片を容器内に収容して加熱し、
加熱後の上記試験片に冷却ガスを通過冷却通路を介して接触させて上記試験片を急冷し、
急冷によって変化していく上記試験片の温度、変形量などの相変態情報を連続的に取得し、
上記連続的に取得された相変態情報を順次蓄積するとともに、蓄積された上記相変態情報を予めプログラムされた解析方法にしたがって解析することにより、変態塑性係数を算出することを特徴とする変態塑性係数測定方法。
【請求項７】
断面が非対称の筒状の試験片または帯板状の試験片を用いることにより、上記試験片を一方向に変形させる請求項６記載の変態塑性係数測定方法。
【請求項８】
曲げ変形する上記試験片の変位を上記試験片の変形量として取得する請求項６または７記載の変態塑性係数測定方法。
【請求項９】
曲げ変形する上記試験片の曲率を上記試験片の変形量として取得する請求項６または７記載の変態塑性係数測定方法。
【請求項１０】
上記試験片の変位εを下記式(1)によって定義し、
【数１】
（ただし、εｅ：弾性ひずみ、εｐ：塑性ひずみ、εｃ：クリープひずみ、εＴ：熱ひずみ、εｔｒ：変態塑性ひずみ、ドット記号は時間微分を示す）
各ひずみεｅ，εｐ，εｃ，εＴを一般的な構造解析により求め、
変態塑性ひずみεｔｒを下記式(2)によって定義し、
【数２】
（ただし、ξ：体積分率、σ：応力、ｎ：定数、Ｋ：変態塑性係数）
試験片急冷時に取得される変位εを式(1)に代入することによりεｔｒを計算し、
このεｔｒを上記式(2)に代入するとともに、ξ、σを既知数、変態塑性係数Ｋを未知数として、その変態塑性係数Ｋを算出する請求項６〜９のいずれか１項に記載の変態塑性係数測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１４１２８３（Ｐ２０１２−１４１２８３Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９７５５０（Ｐ２０１１−１９７５５０）
【出願日】平成２３年９月９日（２０１１．９．９）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月９日（２０１１．９．９）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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