ISO/TR 29381:2008 金属材料—計装された押し込み試験による機械的特性の測定—押し込み引張特性 | ページ 3

※一部、英文及び仏文を自動翻訳した日本語訳を使用しています。

序章

0.1 引張特性に関する一般情報

何世紀にもわたって、材料の弾性特性は、フックの法則 (1660 年) とヤング率の実際のパラメーターによって記述されてきました。この応力/ひずみの単純な比率は、実用的で有用な尺度であり、材料のポアソン比 (材料が歪んでいる主軸以外の方向における材料の寸法変化の尺度) の値と組み合わせて、非常に複雑な構造であっても、荷重によって導入された応力を決定することができます。加えられた力が弾性変形した構造から取り除かれると、完全に回復します。ただし、材料の応力が降伏点を超えると、材料は塑性変形し、加えられた力が取り除かれた後も永久的な変形が保持されます。したがって、材料の機械的特性の最も簡単な説明は、ゼロから材料が完全に破損する歪みまでの応力対歪みのプロットです。

図 1 —加工硬化金属の典型的な真の応力-ひずみ曲線の概略図

Key

Eはヤング率
σyyεyyre 降伏点座標
εppεyを超える累積ひずみの非線形部分
εrrは、降伏点を超える応力であるσrによって誘発される弾塑性ひずみです。

図 1 はまさにそのような曲線を示しています。この曲線から、材料の主要な引張特性を得ることができます。

  • ヤング率Eは、曲線の最初の部分の勾配です。これは、曲線に沿った任意の点から弾性回復が発生する直線の勾配でもあります。
  • 直線からの曲線の偏差は降伏点を示し、多くの場合、降伏応力と呼ばれます。この点より高い応力またはひずみの任意の点からの勾配Eの直線回復は、原点を通過しなくなります。つまり、塑性変形が発生します。
  • 降伏後の曲線の勾配は、材料の加工硬化の尺度です。つまり、弾性回復は勾配Eの直線に沿って発生し、材料への再応力も同じ線に沿って、さらに塑性変形が始まるのは一度だけです。以前の最大ストレスを超えました。
  • 材料が完全に破損するポイントは、2 つの重要なパラメーターを示します。1 つは極限引張応力 (UTS) です。もう1つは失敗時の緊張です。

これらのパラメータは、構造上または機能上の設計の主要な材料仕様を形成します。応力-ひずみ曲線は、材料のタイプの重要な「指紋」であることがわかります。弾性があり、その後完全に可塑化する材料は、降伏応力まで弾性的に変形し、その後、ひずみから破壊までの点で破壊が発生するまで、一定の応力でひずみを続けます。したがって、降伏応力も UTS です。完全に弾性のある脆い材料には降伏点がありませんが、破壊によって破壊されるまで直線 (ヤング率の勾配) を示します。加工硬化材料は降伏しますが、その UTS および破損点での最大ひずみまでひずみが生じると、増加する応力に耐えることができます。材料の靭性は、多くの場合、破損点までの曲線の下の領域に関連しています。これは、材料が破損する前に吸収されるエネルギーの尺度です。材料が強靭であればあるほど、破損する前により多くのエネルギーを吸収します。

上記の主要な引張特性の抽出を超えて、全体の応力 - ひずみ曲線は、構造およびコンポーネントの設計にとって非常に望ましい入力であり、使用中に降伏または故障しないことを保証します。コンピューティング能力がより利用できるようになったため、有限要素解析 (FEA) プログラムなどのソフトウェアの使用がますます一般的になっています。これは、構造全体の応力とひずみを、接続された少量の材料の配列と見なして決定します。純粋な弾性計算の場合、ヤング率とポアソン比の入力パラメータは、解析応力解析の場合とまったく同じです。ただし、塑性を考慮する場合は、降伏応力に加えて、降伏点を超える各応力で発生する塑性変形量の説明が必要です。実際には、これには応力-ひずみ曲線全体の入力が必要です。

材料の引張特性の測定は、一軸引張試験機を使用して最も一般的に実行されます。材料のサンプルが機械に固定され、増加し続ける応力の適用によってひずみが誘発されます (応力とひずみは適切な手段で測定されます)正確な方法は時間の経過とともに改善され、進化してきましたが、一般的な原則は何世紀にもわたって同じままです.材料のヤング率は、音響波伝搬[1]などの他の手段によって取得することができます。また、材料特性の参考文献では、この方法だけで得られた弾性値が引用されることがよくあります[2]が、引張試験は、応力 - ひずみ曲線の降伏応力と塑性部分を取得するための従来の選択方法。

単軸引張試験には、最終用途と非常によく似た測定を簡単に理解できる方法で行うという利点があります。ただし、これには多くの重大な欠点があります。

  • 試験の不確実性を 10% レベル以下に抑えることは驚くほど困難であることが判明しましたが、最近のヨーロッパのプロジェクトでは主要な不確実性の特定と管理が改善されました (EU プロジェクト TENSTAND)測定データから引張特性を取得するために使用されるさまざまなアルゴリズムと同様に、ひずみを測定するために使用される機器と方法の位置合わせは、不確実性の主な原因です。
  • 材料は、テストするのに十分な量で入手できる必要があります。小規模試験とマイクロ引張試験が可能になりつつありますが、追加の不確実性があります。
  • 材料を損傷したり、特性 (特に加工硬化状態) を変えたりすることなく、材料を制御された形状に機械加工できる必要があります。
  • テストは破壊的であり、平均化にはサンプル間の不均一性による不確実性が含まれます。

0.2 圧痕および引張特性に関する一般情報

押し込み力対変位曲線をシミュレートするためにFEAが広く使用されていることは、応力-ひずみ曲線から材料の押し込み応答への直接的なリンクがあることの十分な証拠です。しかし、モデリングの使用が増加し、モデルへの入力として応力-ひずみ曲線を取得する必要があるため、逆問題を解くことができるかどうかという問題が生じます。材料。これが可能であれば、引張試験の欠点の多くが取り除かれ、引張特性情報の入手可能性に革命がもたらされるでしょう。ナノインデンテーションは材料の微視的な体積を測定できるため、小さな粒子として、または表面処理またはコーティングとしてのみ存在する材料の引張特性が得られるようになります。押し込み試験は持ち運び可能にできるため、非破壊のin situオンサイト試験が利用可能になり、サンプルの準備は比較的少ない (またはまったくない) ものになります。実際の構造物の生涯監視は、目撃標本を必要とせずに、安価で簡単になります。

1951 年、Tabor [3]は、硬さの応答と圧痕によって加えられる相対ひずみとの間に何らかの形の関係があることを経験的に明らかにしました。 、 a/ R 、図 2 を参照) は、多くの金属の応力-ひずみ曲線にマッピングされているように見えました。

図 2 —球状のくぼみ

注記球体の場合、圧子によって生じるひずみはa/ Rに比例するため、深さの関数になります。

インストルメント化されたインデントが利用できるようになったことで、そのような情報の収集が簡単になりました。実際、「部分除荷」法[4]と呼ばれることが多い、一般的な計器を使用した圧痕試験サイクルがあり、徐々に増加する力を適用しますが、力が部分的に除去されて力の上部が得られる一連のステップで停止します。 - その力での接触剛性と接触深さ (したがって、接触半径a ) を得るために必要な除去曲線。このように、圧子にかかる力を徐々に増やしたり、部分的に取り除いたりすることで、同じ場所に広範囲の圧痕サイズを適用することができます。これにより、広範囲の歪みにわたって材料応答の真の局所測定を行うことが可能になり、材料の機械的特性のマップを形成するために比較的簡単に繰り返すことができます。

このテクニカル レポートは、材​​料の押し込み応答から引張特性を導出する際の最新技術の概要を示すことを目的としています。 3 つのアプローチについて説明し、主な要件、利点、および欠点を表形式でまとめます。3 つの方法は次のとおりです。

  • a)代表的な応力とひずみ、
  • b)逆 FEA 法、および
  • c)ニューラルネットワーク。

3 つの方法はすべて、引張試験に対して検証できる応力対ひずみの関係を圧痕データから取得できるという点で、「機能する」ことが示されています。ただし、問題に対する独自の最適なソリューションを特定するための各方法の堅牢性を確立するには、より広範な相互比較と感度分析が必要です。

説明されている 3 つの方法はすべて、正しい応力 - ひずみ曲線を適切な FEA パッケージに入力することで、観察された圧痕応答の正確なシミュレーションが可能になるという仮定から始まります。したがって、原則として、逆法は力ずくのシミュレーションであり、測定された圧痕応答に最適なものが見つかるまで、入力パラメータのすべての可能な組み合わせを使用します。このような逆メソッドは、グローバルに最適なソリューションを明確に識別でき、収束が不可能な場合はその事実を識別して、収束の欠如がどこにあるかを示すことができるため、ベンチマーク メソッドです。驚くべきことに、分散型コンピューティング ネットワークの可用性が向上したことで、これが最初に思われたよりも可能性が低くなりました。ただし、この労力を節約し、同等の結果を得ることができる方法 (おそらく、選択した分散コンピューティング ソリューションに対して検証されたもの) が望ましいことは明らかです。ここで説明するすべての方法は、実際には、ユーザーが必要とするコンピューティングを削減するためのさまざまな戦略です。

代表的な応力対ひずみのアプローチでは、FEA を使用して 1 回限りのシミュレーション セットを生成し、この一連の結果に経験的フィッティングを使用して一般的な結果を導き出します。これらの関係は、特定の結果を得るためにそれ以上 FEA を必要としないため、ユーザーにかかる計算負荷は非常に低くなります。最良の結果は、同様の応力とひずみの関係を持つ材料をグループ化し、各グループの代表的な関係のセットを生成することによって得られます。各グループは、材料の硬化挙動に応じて分類できます。たとえば、べき乗硬化材料または線形硬化材料などです。ブラインド テストの場合、磁性やσy/ Eなどの材料要因を考慮して、これらの分類をテスト前に行うことができます。したがって、重要なユーザー要件は、テスト対象の材料に正しい一連の経験的関係が使用されていることを確認することです。この方法は、少量の材料、または一定範囲の同様の材料を使用し、材料特性を経時的にチェックまたは追跡したいユーザーに適しています。

このテクニカル レポートの逆メソッドのクラスは、ユーザーが得られた各応力-ひずみ曲線に対してなんらかの形式の FEA シミュレーションを実行する必要があるという点で区別されます。インデント実験から得られる他の情報を使用して計算負荷を軽減するための多くの戦略が説明されています。この方法は、未知の材料から結果を得ることができるという点で、最も柔軟です。したがって、FEA の能力があり、その材料が何であるかを事前に知らなくても材料をテストできる必要があるユーザーに適しています。この方法は、実験的な圧痕データとシミュレーションによる機能出力との間の変動を最小限に抑える材料パラメータの値を見つけることを目的とするアプローチを代表しています。この方法で得られた値には不確実性が含まれており、これらの不確実性の適切な計算を考慮する必要があります。

最後のカテゴリでは、メソッドは訓練されたニューラル ネットワークです。これは、事前に生成された多数の FEA から派生したソリューションをカプセル化する洗練された方法と考えることができます。ネットワークは、「学習」した正確な解決策の間にある状況の結果を予測できる機能を開発するまで、特定の材料応答モデルを使用してトレーニングされます。したがって、この方法は最初の 2 つの方法の間に位置します。ニューラル ネットワークを実行するための計算負荷は FEA よりもはるかに低く、多くの点でユーザーにとって「ブラック ボックス」です。未知の物質にも幅広く対応できます。ただし、入力データのサイズと品質、およびトレーニング プロセスの範囲と有効性によって定義される能力には限界があります。

このテクニカル レポートで説明する方法の目的は、実験的に測定された圧痕データから真の応力-ひずみ曲線を導出し、導出された曲線から降伏強度、引張強度、加工硬化指数などの引張特性を取得することです。

これらの方法を使用して圧痕から引張特性を取得する場合、バルク一軸引張試験と比較して、圧痕は主に局所的な特性測定であることを考慮する必要があります。測定された機械的応答は、圧痕部位に近い非常に少量の材料からのものです。これには、高空間解像度テストの利点があり、プロパティ マッピングが可能になります。たとえば、その局所的な性質により、不規則な形状と小さな体積のために破壊的にテストすることができない溶接物の熱影響部のテストが可能になります。

また、ローカル測定が常にバルク平均応答を表すとは限らないという欠点もあります。経験的観察によると、金属への圧入により圧子の下に塑性変形ゾーンが形成され、通常は表面の下に圧入深さの約 10 倍まで伸びます。これは、得られた情報の有効領域に対する実際的な制限です。この深さを超えると、材料は弾性的にのみ変形します。たとえば、表面特性がバルクの特性と大きく異なるケース硬化材料をテストした場合、結果はバルクではなく表面の特性を反映します。

このテクニカル レポートの方法を使用すると、特定のモデルを適用して試験した材料の真の応力-ひずみ曲線を導き出すことができます。降伏応力や極限引張強度などの引張特性は、これらの曲線から推測されますが、直接測定されることはありません。したがって、このレポートの方法によって得られた引張特性は、実験室での破壊的な一軸引張試験の要件に取って代わるものではありません。インストルメント化された押込み試験 (IIT) の最大の利点の 1 つは、引張試験が利用できない現場での使用におけるコンポーネントの非破壊試験にあります。表 1 に圧痕法と引張試験の特徴をまとめます。

表 1 —引張試験と計装押込試験 (IIT) の主な特徴の比較

引張試験それ
特徴付けられた特性バルク(平均)ローカル (表面)
自然をテストする破壊的非破壊
サンプル準備機械加工表面研磨
考えられる例実験室(従来)

大容量

フィールドで

小音量

Introduction

0.1 General information for tensile properties

For centuries the elastic properties of materials have been described by Hooke’s Law (ca. 1660) and the practical parameter of Young’s modulus. This simple ratio of stress/strain is a practical, useful measure and, combined with a value for Poisson’s ratio of a material (a measure of the dimensional change of a material in directions other than the principal axis in which it is being strained), it is possible to determine the stresses introduced by loading even quite complex structures. When the applied force is removed from an elastically deformed structure, it will recover completely. If, however, the stress in a material exceeds its yield point, then it will deform plastically and will retain a permanent deformation after the applied force is removed. The simplest description of the mechanical properties of the material is, therefore, a plot of stress vs. strain, from zero to the strain at which the material fails completely.

Figure 1—Schematic of a typical true stress-strain curve for a work-hardening metal

Key

Eis Young's modulus
σy, εyre the yield point coordinates
εpis the nonlinear part of the total accumulated strain beyond εy
εris the elasto-plastic strain induced by σr, the stress above the yield point

Figure 1 shows just such a curve. From this curve, the key tensile properties of the material can be obtained.

  • Young’s modulus E is the gradient of the initial portion of the curve. It is also the gradient of the straight line along which elastic recovery occurs from any point along the curve.
  • The deviation of the curve from a straight line marks the yield point, often described as the yield stress. A straight-line recovery, of gradient E , from any point at higher stress or strain than this point would no longer pass through the origin, i.e. plastic deformation will have occurred.
  • The gradient of the curve after yielding is a measure of the work hardening of the material, i.e. elastic recovery occurs along a straight line, gradient E , and re-stressing the material also follows the same line such that further plastic deformation only begins once the previous maximum stress has been exceeded.
  • The point at which the material fails completely marks two parameters of interest, one being the ultimate tensile stress (UTS); the other being the strain at failure.

These parameters form the key material specifications for any structural or functional design. It can be seen that the stress-strain curve is an essential “fingerprint” of the type of material. An elastic then perfectly plastic material will deform elastically up to the yield stress, and then it will continue to strain at constant stress until failure occurs at the strain-to-failure point. The yield stress is therefore also the UTS. A perfectly elastic, brittle material does not have a yield point, but exhibits a straight line (gradient of the Young’s modulus) until it fails by fracture. A work-hardening material yields but is able to support increasing stresses as it strains to its UTS and maximum strain at failure point. The toughness of the material is often related to the area under the curve up to the failure point. This is a measure of the energy absorbed by the material before it fails. The tougher a material is, the more energy it absorbs before failure.

Beyond extraction of the key tensile properties described above, the whole stress-strain curve is highly desirable input for the design of structures and components, to ensure that they do not yield or fail in service. Computing power has become more available and so the use of software such as Finite Element Analysis (FEA) programs, which determine the stress and strain throughout structures by considering them as an array of connected small volumes of material, is increasingly common. For a purely elastic calculation, the input parameters of Young’s modulus and Poisson’s ratio are exactly the same as for an analytical stress analysis. However, if plasticity is to be considered, then a yield stress is required plus a description of the amount of plastic deformation that will occur at each stress above the yield point. This in effect requires input of the entire stress-strain curve.

Measurement of the tensile properties of a material is most commonly performed using a uniaxial tensile testing machine. A sample of material is clamped in the machine and the strain is induced by the application of an ever-increasing stress (stress and strain being measured by suitable means). The exact method has improved and evolved over time, but the general principle has remained the same for centuries. It is possible to obtain the Young’s modulus of a material by other means, e.g. by using acoustic wave propagation [1] , and materials property reference sources often quote elasticity values obtained by just this method [2] , but tensile testing is the traditional method of choice for obtaining the yield stress and the plasticity part of the stress-strain curve.

The uniaxial tensile test has the benefit of making a measurement that is very similar to the final application in an easily understood way. However, it has a number of significant drawbacks.

  • It has proved surprisingly difficult to reduce the test uncertainty below the 10 % level, although recent European projects have improved the identification and control of key uncertainties (EU project TENSTAND). Alignment in the instrument and the methods used to measure strain are key sources of uncertainty, as is the wide variety of algorithms used to obtain the tensile properties from the measured data.
  • The material must be available in volumes large enough to be tested. Small-scale testing and micro-tensile testing are becoming possible but have additional uncertainties.
  • It must be possible to machine the materials to a controlled geometry without damaging them or changing their properties (in particular their work-hardened state).
  • The test is destructive and averaging includes uncertainties due to sample-to-sample inhomogeneity.

0.2 General information for indentation and tensile properties

The widespread use of FEA to simulate indentation force vs. displacement curves is ample evidence that there is a direct forward link from a stress-strain curve to the indentation response of a material. However, the increasing use of modelling and the attendant requirement to obtain the stress-strain curve as input to the models raises the question of whether it is possible to solve the inverse problem, i.e. obtain a stress-strain curve from the indentation response of a material. If this were possible, it would remove many of the drawbacks of tensile testing and revolutionize the availability of tensile property information. Nano-indentation is able to measure microscopic volumes of material, thus the tensile properties of materials that exist only as small particles or as surface treatments or coatings would become obtainable. Indentation testing can be made portable and thus non-destructive, in situ, on-site testing would become available, with relatively little (or no) sample preparation. Lifetime monitoring of real structures would become cheaper and easier without the need for witness specimens.

In 1951, Tabor [3] demonstrated empirically that there was clearly a relationship of some form between the hardness response and the relative strain imposed by indentation, since plots of mean indentation pressure vs. relative indentation size (the ratio of indent radius to indenter radius, a/ R , see Figure 2) appeared to map onto stress-strain curves for many metals.

Figure 2—Spherical indentation

NOTE For a sphere, the strain induced by the indenter is proportional to a/ R and is therefore a function of depth.

The availability of instrumented indentation has made the collection of such information a simple matter. Indeed, there is a common instrumented indentation testing cycle, often called the ‘partial unloading’ method [4] , which applies a progressively increasing force but stops at a series of steps where the force is partially removed to obtain the top part of the force-removal curve necessary to obtain the contact stiffness and contact depth (hence the contact radius, a ) at that force. Progressively increasing and partially removing the force on an indenter in this way allows a wide range of indentation sizes to be applied in the same place. This makes it possible to make a truly local measurement of material response over a wide range of strains, which might then be repeated with relative ease to form a map of the mechanical properties of a material.

This Technical Report is intended to be a summary of the state of the art in deriving tensile properties from the indentation response of a material. Three approaches are described, and the key requirements, advantages and drawbacks are summarized in table form. The three methods are:

  • a) representative stress and strain,
  • b) inverse FEA methods, and
  • c) neural networks.

All three methods have been shown to “work”, in that they are able to obtain from indentation data a stress vs. strain relation that can be validated against tensile testing. However, more extensive intercomparison and sensitivity analyses are necessary to establish the robustness of each method’s ability to identify the unique, best solution to the problem.

The three methods described all start from the assumption that input of the correct stress-strain curve into a suitable FEA package will enable exact simulation of the observed indentation response. Therefore, in principle, the inverse method is a brute force simulation, using all possible combinations of input parameters until the best fit to the measured indentation response is found. Such an inverse method is the benchmark method, as it can unambiguously identify the globally best solution and, if convergence is not possible, can identify that fact and demonstrate where the lack of convergence lies. Surprisingly, the increasing availability of distributed computing networks makes this less unlikely than it might at first seem. It is clear, however, that any method that can economise on this amount of effort and obtain equivalent results (perhaps validated against selected distributed computing solutions) would be preferable. All of the methods described here are, in effect, different strategies for reducing the computing required by the user.

The representative stress vs. strain approach uses FEA to generate a one-off set of simulations, and uses empirical fitting to this set of results to derive general results. These relationships then place only a very low computational load on the user because no further FEA is required to obtain specific results. The best results are obtained by grouping materials with similar stress vs. strain relationships and generating a set of representative relationships for each group. Each group can be classified according to material hardening behaviour, e.g. as power-law hardening material or linear hardening material. For blind testing, these classifications can be made before testing by considering material factors such as magnetism and σy/E.The key user requirement is therefore to ensure that the correct sets of empirical relationships are used for the material being tested. This method is well suited to users of a small range of materials, or a range of similar materials, who wish to check or track the material properties over time.

The class of inverse methods in this Technical Report are distinguished by retaining the need for the user to perform some form of FEA simulation for each stress-strain curve obtained. A number of strategies for reducing the computational load by using other information obtainable from the indentation experiments are described. This method is the most flexible, in that it can obtain a result from an unknown material. It is therefore well suited to users who have FEA ability and need to be able to test any material without prior knowledge of what that material might be. This method typifies an approach wherein the objective is to find values for material parameters that minimize the variation between the experimental indentation data and the functional output by simulation. The values obtained by this method include uncertainties, and a proper calculation of these uncertainties must be considered.

In the final category, the method is a trained neural network. This can be thought of as a sophisticated method of encapsulating a large number of pre-generated FEA-derived solutions. The network is trained using a particular material response model until it has developed a function that enables it to predict a result for situations that fall between the exact solutions it has “learned”. This method therefore sits between the first two methods. The computational load to run a neural network is much lower than FEA, and is in many ways a “black box” to the user. It is able to deal with a wide range of unknown materials. However, it does have a limit to its abilities, which is defined by the size and quality of the input data and the extent and validity of the training process.

The objective of the methods described in this Technical Report is to derive a true stress-strain curve from indentation data measured experimentally and to obtain tensile properties such as yield strength, tensile strength and work-hardening exponent from the derived curve.

When using these methods to obtain tensile properties from indentation, it should be taken into account that indentation is, by comparison with bulk uniaxial tensile testing, predominantly a local property measurement. The mechanical response measured is from a very small volume of material close to the indentation site. This has the benefit of high spatial resolution testing and enables property mapping. For instance, its localized nature allows testing of the heat-affected zones of weldments, which cannot be tested destructively because of their irregular shape and small volume.

It has also the drawback that a local measurement is not always representative of the bulk-averaged response. Empirical observation indicates that indentation into metals creates a plastic deformation zone under the indenter that typically extends below the surface to about ten times the indentation depth. This is a practical limit to the region of validity of the information obtained, as beyond this depth the material is deformed only elastically. For example, if a case-hardened material, where the surface properties differ significantly from those of the bulk, were tested, the results would reflect the properties of the surface and not the bulk.

The methods in this Technical Report allow the derivation of a true stress-strain curve for the material tested by the application of particular models. Tensile properties, such as yield stress and ultimate tensile strength, are then inferred from these curves, but are not directly measured. Thus, the tensile properties obtained by the methods in this report are not intended to replace the requirement for destructive uniaxial tensile testing in the laboratory, where conditions make this possible. One of the greatest advantages of the instrumented indentation test (IIT) lies in non-destructive testing of in-service components in field applications where tensile testing is not available. Table 1 summarizes the characteristics of the indentation method and tensile testing.

Table 1—Comparison of the main features of the tensile test and the instrumented indentation test (IIT)

Tensile testIIT
Properties characterizedBulk (average)Local (surface)
Testing natureDestructiveNon-destructive
Sample preparationMachiningSurface polishing
Potential examplesLaboratory (conventional)

Large volume

In-field

Small volume