チュコン硬度試験:鋼の品質と耐久性のための重要な方法
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定義と基本概念
ツコーン硬度試験(Tukon Hardness Test)、またはクノープ硬度試験(Knoop hardness test)としても知られるこの試験は、主に鋼鉄産業で使用される微小硬度測定法であり、材料の表面硬度を微視的スケールで評価するために用いられます。これは、指定された荷重の下でダイヤモンド形のインデンターを試料表面に押し込み、その結果得られる凹みを測定して材料の変形抵抗を判断する方法です。
基本的に、ツコーン試験は、鋼の微細構造的特徴(粒界、炭化物、相分布など)を定量的に評価し、これらが強度、靭性、耐摩耗性などの機械的特性に与える影響を明らかにします。その重要性は、鋼製造における品質管理、故障分析、研究開発において重要な、正確で局所的な硬度測定を可能にすることにあります。
鋼の品質保証の広範な枠組みの中で、ツコーン硬度試験は、マクロ硬度試験(例:ロックウェル、ブリネル)を補完し、表面および表面下の特性に関する詳細な洞察を提供します。これは、熱処理されたゾーン、薄いコーティング、溶接、そして従来の硬度試験が実用的でないか不十分な小さな部品の評価に特に価値があります。
物理的性質と冶金的基盤
物理的現れ
ツコーン硬度試験は、鋼の表面に微視的で細長いダイヤモンド形の凹みを生成し、通常は長さが50マイクロメートル未満です。マクロレベルでは、凹みは小さく、正確な印として現れ、肉眼では拡大なしには見えないことが多いです。
顕微鏡検査の下で、凹みは特徴的な形状を持つ明確で鋭いエッジの印を示します。凹みの周囲の微細構造は、鋼の硬度や微細構造の成分に応じて、スリップラインや微小亀裂などの変形特徴を示すことがあります。
ツコーン凹みを識別する特徴には、約5:1の長さ対幅比を持つ独特の細長い形状と、ダイヤモンド形のインデンターによって決定される一貫した形状が含まれます。この試験の高解像度は微細構造の微妙な変化を検出することを可能にし、詳細な材料特性評価のための強力なツールとなります。
冶金的メカニズム
ツコーン硬度試験は、非常に小さな荷重(通常は10〜200グラムフォース)下での局所的な塑性変形に対する材料の抵抗を測定します。ダイヤモンド形のインデンターは集中した力を加え、微細構造内で弾性および塑性変形を引き起こします。
基礎となる冶金的メカニズムは、材料の微細構造成分(フェライト、パーライト、マルテンサイト、炭化物、保持オーステナイトなど)が、加えられた荷重に対して異なる反応を示すことに関与しています。炭化物やマルテンサイトのような硬い相は変形に対してより効果的に抵抗し、小さな凹みを生成しますが、フェライトのような柔らかい相はより大きな印を生成します。
粒径、相分布、残留応力の存在などの微細構造的特徴は、硬度測定に影響を与えます。粒径を細かくしたり、マルテンサイト含量を増加させる熱処理は、一般的に測定された硬度を高め、微視的レベルでの変形抵抗の向上を反映します。
試験の結果は、材料の内在的特性(降伏強度、弾性係数、加工硬化挙動など)によって支配されます。微細構造の相互作用は、材料が加えられた荷重をどのように分配し、適応するかを決定し、最終的に測定された硬度値に影響を与えます。
分類システム
ツコーン硬度試験は、測定された硬度値に基づく標準化された分類システムを採用しており、通常はクノープ硬度番号(KHN)で表現されます。この分類は、鋼の微小硬度を以下の範囲に分類します:
- 柔らかい: 100–200 KHN
- 中程度: 200–400 KHN
- 硬い: 400–700 KHN
- 非常に硬い: 700 KHN以上
これらのカテゴリは、鋼の微細構造状態と機械的性能を解釈するのに役立ちます。たとえば、KHNが650の鋼は非常に硬いと見なされ、高いマルテンサイトまたは焼入れ微細構造を示し、耐摩耗性の用途に適しています。
実際の応用において、この分類は熱処理パラメータ、表面仕上げ、および特定のサービス条件への適合性に関する決定を導くのに役立ちます。また、異なるロットや生産プロセス間での微細構造硬度を比較するための標準化された指標を提供することにより、品質保証にも寄与します。
検出と測定方法
主要な検出技術
ツコーン硬度を検出し測定するための主要な方法は、ダイヤモンド形のインデンターを備えた微小硬度試験装置を使用することです。通常、ビッカースまたはクノープインデンターが使用されます。このプロセスは、小さく、明確な凹みを生成するために、正確で低い荷重を加えることに依存しています。
装置のセットアップには、荷重適用システムと統合された顕微鏡が含まれ、凹みの正確な位置決めと測定を可能にします。試料表面は、一定の接触と正確な測定を確保するために、滑らかで清潔な仕上げで準備する必要があります。
測定の基礎となる物理的原理は、インデンターによって引き起こされる弾性および塑性変形です。凹みのサイズと形状は顕微鏡で測定され、硬度値は加えられた荷重と凹みの投影面積に基づいて計算されます。
試験基準と手順
ツコーン硬度試験に関する関連国際基準には、ASTM E384(材料の微小硬度の標準試験方法)、ISO 6507、およびEN 1043-1が含まれます。これらの基準は、試験方法、キャリブレーション手順、および報告要件を指定しています。
典型的な試験手順は以下の通りです:
- 表面の不規則性を排除するために試料表面を細かく研磨する。
- 材料および微細構造の特徴に基づいて適切な荷重を選択する。
- 通常10〜15秒の指定された保持時間のために荷重を適用する。
- キャリブレーションされた接眼レンズを