JPS6396536A - シヤルピ−試験片の破面率測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、金属材料の衝撃に対する抵抗を判定するシャ
ルピー衝撃試験に使用して好適なシャルピー試験片の破
面率測定装置に関する。

［従来の技術］ 従来、金属材料の衝撃に対する抵抗を判定する手段とし
ては、シャルピー衝撃試験が広く適用されている。この
シャルピー衝撃試験は、試験機の支持台に切欠部を有す
るシャルピー試験片を配置し、切欠部背面をハンマーで
１回打撃して切断し、破面の状態から衝撃値、破面率（
脆性破而率、延性破面率）等を測定することにより試験
片の衝撃に対する抵抗を判定するものである。

さて、シャルピー衝撃試験において破面率を測定する場
合、従来は検査員による目視判定が一般的であった。す
なわち、第９図に示す如く、シャルピー衝撃試験片１の
破面は切欠部２の反対側の衝撃側が広がって形成され（
ａ＞ｂ）、多くの結晶壁がへき開破環または粒界破壊し
て輝いて見える脆性破面３と、繊維状にせん断破壊しで
にふく輝きのない延性破面４とに区別される。そこで、
検査員は破面上に第１０図に示すようなます目を刻んだ
透明なプラスチック板５などを配置し、各ます目につい
て脆性破面３であるか延性破面４であるかを目視によっ
て判断し、脆性破面３または延性破面４と判断したます
目をそれぞれ合算して脆性破面の面積Ｃと延性破面の面
積Ｆとを算出する。そして、破面の全面積Ａを求めて次
の（１）式により脆性破面率Ｂ（％）を算出し、次の（
２）式から延性破面率Ｓ（％）を算出する。

Ｂ（％）　＝Ｃ／Ａｘ　１００　　　　　　　・・州）
Ｓ　（！％）＝Ｆ／Ａｘ１００　　　　　　　　　・・
・（２）また、適当な金属材料から温度を変えて作られ
た標準破面（実物または写真）と試験片の破面とを比較
対照することにより脆性破面率Ｂまたは延性破面率Ｓを
求めることもある。

しかるに、上述した目視判定による測定方法では、破面
の認識に個人差が生じるので測定精度の低下は避けられ
なかった。これに対し、測定精度向上のために例えばプ
ラスチック板５の格子間隔を狭めると、測定に長時間を
要し多数の試験片を測定できない上、検査員の目の疲労
、精神的疲労の増大を招いていた。また、脆性破面３ま
たは延性破面４の面積を迅速に読取るためには相当の熟
練を必要としており、誰もが容易に測定できるものでは
なかった。

そこで、シャルピー試験片の破面おける脆性破面率また
は延性破面率を自動的に測定する手段として、特開昭６
０−１４３７７０号公報および特開昭６１−１５５７２
４号公報が提案されている。

前者は、シャルピー試験片の破面をテレビカメラを用い
て撮像し、この破面画像からテクスチャ解析の手法によ
り脆性破面と延性破面とを識別することにより、脆性破
面率または延性破面率を測定するものであり、後者は、
テレビカメラにてＪｆｆｆｌｆｌ＋されたシャルピー試
験片の破面画像をモニタテレビ画面上に表示し、検査員
が全破面の位置情報と脆性部または延性部の位置情報と
をライトベンを用いてモニタテレビから計算機に入力す
ることにより、計算機によって脆性破面率または延性破
面率を算出するようにしたものである。

［発明が解決しようとする問題点］ しかるに、上述した従来の自動測定装置においては、次
のような欠点があった。すなわち、前者（特開昭６０−
１４３７７０号公報）においては、テレビカメラによっ
て撮像された破面画像をベースにテクスチャ解析を行な
って脆性破面または延性破面を判断しているが、シャル
ピー試験片の破面には凹凸があるために影が発生してし
まうことがある上、破面からの反射率にバラツキが生じ
るので、この影やバラツキがテクスチャ解析時の外乱と
なって測定精度を著しく低下させていた。

一方、後者（特開昭６１−１５５７２４＠公報）におい
ては、脆性破面および延性破面の識別は検査員の目視に
頼っており、認識の個人差は避けられず、精度低下は否
めなかった上、検査員の労力軽減をはかるものではなか
った。

そこで、本発明は、シャルピー試験片の破面の反射率お
よび形状に係わらず自動的に脆性破面率または延性破面
率を求めることができ、測定精度の向上をはかり得る上
、検査員の著しい労力軽減をはかり得、かつ測定に熟練
を必要とせず、誰もが容易に短時間で測定することがで
きるシャルピー試験片の破面率測定装置を提供すること
を目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、上記問題点を解決し目的を達成するために、
次のような手段を講じたものである。すなわち、シャル
ピー試験片の破面上に微小スボッ［・光を投光するため
の光源を設け、この光源からの微小スポット光をスポッ
ト光走査手段により前記破面上で自動的に走査させ、こ
のときの微小スポット光照射による破面上からの反射光
パターンをパターン取込み手段により取込み、この反射
光パターンを光電変換手段により電気信号に変換し、こ
の電気信号に基いて脆性破面と延性破面とを識別して脆
性破面率または延性破面率の少なくとも一方を求めるよ
うにしたものである。

［作用］ シャルピー試験片において脆性破面は数十μｍ程度のフ
ラットな鏡面状の面から構成されており、延性破面ば数
μ以下の微小な凹凸面（ディンプル面）から構成されて
いる。このため、破面上に微小スポット光を投光すると
、その反射光パターンが脆性破面では多数の明るい点状
のスポットとなるのに対し、延性破面では拡散された暗
いパターンとなる。

第５図ないし第８図は破面の種類に対応する反射メカニ
ズム（各図（ａ））、反射光パターン（各図（ｂ））お
よび反射光パターンの輝度ヒストグラム（各図（Ｃ））
を示す模式図であり、第５図は脆性破面、第６図はディ
ンプル状の延性破面、第７図はディンプルが不明瞭な延
性破面、第８図はマクロな凹部を形成する延性破面を示
している。

第５図（ａ）〜（Ｃ）から明らかなように、脆性破面に
おいては微小スポット光の反射光は破面の傾きによって
決まる方向にのみ反射し、反射光パターンには明るいス
ポット５ｏが観測される。

したがって、反射光パターン中の輝度は非常に高いが、
明るい点の占める面積が小さいのでヒストグラム上での
バラツキは小さい。

一方、第６図（ａ）〜（Ｃ）から明らかなように、ディ
ンプル状の延性破面においては微小スポット光があらゆ
る方向に反射するので、反射光パターンは全体にほぼ均
等に暗い面として観測される。したがって、最大輝度お
よび輝度のバラツキ　。

は共に小さくなる。

ただし、第７図（ａ）〜（Ｃ）および第８図（ａ）〜（
−ｃ　）から明らかなように、ディンプルが不明瞭な延
性破面、あるいはマクロな凹部を形成する延性破面にお
いては反射光パターンが必ずしも均一な暗いパターンと
はならず、入射光方向に対応する部分７０．８０が薄明
るく、周辺になるにつれて暗くなる。したがって、この
場合、輝度の最大値およびバラツキは共に大きくなる。

したがって、輝度の最大値を［ｍａｘ、ｖ１度のバラツ
キを表わす標準偏差をσ１で示せば、次の（３）式によ
って評価パラメータＰを求めることにより、脆性破面と
延性破面との識別が可能となる。

Ｐ　＝　Ｉ　ｍａＸ　／　（７＋　　　　　　　　　　
　　・’１３）すなわち、上記評価パラメータＰは脆性
破面部では高い値を示し、延性破面部では低い値を示す
。

よって、予め設定したしきい値レベルよりも評価パラメ
ータＰの値が大きければ脆性破面とし逆に小さければ延
性破面と判定できる。

かくして、前述したような手段を講じたシャルピー試験
片の破面率測定装置であれば、破面がらの微小スポット
光の反射光パターンを電気信号に変換して信号処理する
ことにより反射光パターンに対する評価パラメータＰが
求められ、このパラメータＰに応じて微小スポット光を
照射した点が脆性破面であるか延性破面であるかの判定
がなされ、さらにこのスポット光を破面全体にわたって
走査させることにより脆性破面と延性破面との面積が求
められ、これにより脆性破面率あるいは延性破面率が測
定される。

［実施例］ 以下、本発明装置の一実施例について図面を参照しなが
ら説明する。

第１図は本実施例におけるシャルピー試験片の破面率測
定装置の全体構成図である。同図において、１０はシャ
ルピー試験片であり、Ｘ−Ｙステージ１１上にステージ
平面に対して試験片１０の破面が平行となるように支持
治具１２によって支持固定されている。このシャルピー
試験片１０の破面にはレーザ光源１３からのレーザ光１
４がレンズ１５によって集束されて微小スポット光とな
った後、拡散板１６の下側に取付けられたミラー１７に
よって破面に垂直に投光されるものとなつており、この
ときの破面からの反射光は前記拡散板１６上に投影され
るものとなっている。なお、前記シャルピー試験片１０
を支持する支持部材１２の上面はスポンジなどの無反射
材１８によって覆われており、破面外部からの光の反射
は起り得ない。

一方、１９は光電変換手段としてのＩＴＶカメラであっ
て、前記拡散板１６上に投影された反射光を撮像し、そ
の反射光パターンを電気信号であるビデオ信号に変換し
て信号処理部２０に送出するものとなっている。なお、
前記拡散板１６の上部には図示しないが後述する透過光
制御用フィルタと光マスクとが配置されている。

前記信号処理部２０は、ＩＴＶカメラ１９によって得ら
れたビデオ信号を入力するヒストグラム演算回路２１と
、この演算回路２１からの出力を入力する最大値・標準
偏差演算回路２２と、この演算回路２２からの出力を入
力する破面識別回路２３と、この破面識別回路２３に対
してレベル信号を出力するパラメータ設定回路２４と、
前記識別回路２３からの出力を順次入力して記憶し、所
定の演算を行なってシャルピー試験片１０の脆性破面率
Ｂまたは延性破面率Ｓを算出する破面外除去・破面率演
算回路２５とから構成されている。

前記ヒストグラム演算回路２１は、ＩＴＶカメラ１９に
よって得られたビデオ信号をディジタル信号に変換し、
同時に一画面分の輝度ヒストグラムと輝度の積算値およ
び輝度の２乗積算値とをリアルタイムで求めるものであ
る。最大値・標準偏差演算回路２２は、前記ヒストグラ
ム演算回路２１によって求められた輝度ヒストグラムか
ら輝度の最大値ｌ　ｍａｘを求めるとともに、８度の積
算値および２乗積算値から輝度の標準偏差σＳを求める
。

破面識別回路２３は、上記最大値・標準偏差演算回路２
２にて求められた最大値ｉ　ｍａｘと標準偏差σ１の値
から前記（３）式にしたがって評価パラメータＰを求め
、このパラメータＰをパラメータ設定回路２４にて設定
されたしきい値レベルと比較することにより、得られた
反射光パターンが脆性破面のものであるか延性破面のも
のであるかを判定する。すなわち、しきい値レベルより
も大きければ脆性破面と判定し、小さければ延性破面と
判定する。破面外除去・破面率演算回路２５は、前記シ
ャルピー試験片１の破面上に投光される微小スポット光
の走査を制御するスキャニングコントローラ２６からの
微小スポット光位置情報に対応して前記破面識別回路２
３による判定結果を記憶し、全走査終了復に破面の切欠
部２と試験片外部とを除去して破面の全面積Ａを求める
とともに、脆性破面３と延性破面４との面積Ｃ，Ｆを求
め、前記（１）式または（２１式により脆性破面率Ｂま
たは延性破面率Ｓを算出するものである。そして、算出
結果はモニタテレビ、プリンタなどの出力部２７に出力
される。

前記スキャニングコントローラ２６は、シャルピー試験
片１０の破面上を微小スポット光が第２図に１．に２・
・・に示すように所定ピッチで走査するべく、試験片１
ｏを載置したＸ−Ｙステージ１１の位置制御を行なうも
のであって、その位置制御信号＄１はＸ−Ｙステージコ
ントローラ２８に送出される。しかして、Ｘ−Ｙステー
ジコントローラ２８は位置制御信号Ｓ１を受けてＸステ
ージ移動用モータ２９およびＹステージ移動用モータ３
０を駆動し、Ｘ−Ｙステージ１１を所定の位置に移動さ
せる。また、前記スキャニングコントローラ２６は位置
制御信号＄１の出力に周期して破面外除去・破面率演算
回路２５に微小スポット光位置信号Ｓ２を送出し、破面
外除去・破面率演算回路２５からの記憶完了信号Ｓ３に
対応して前記位置制御信号Ｓ１を送出するものとなって
いる。

第３図は前記拡散板１６の上面に配置された透過光制御
用フィルタ３１を示す図であって、このフィルタ３１は
図中Ｄ−Ｄ’で示す如く拡散板１６の中央部に近付くほ
ど透過率が低くなる特性を有している。すなわち、第５
図（ｂ）で示したように脆性破面では拡散板１６の中央
部から離れた位置に明るいスポットが投影し、第７図（
ｂ）。

第８図（ｂ）で示したように、ディンプルが不明瞭な延
性破面やマクロな凹部を有する延性破面では微小スポッ
ト光の入射方向つまり拡散板１６の中央部付近が明るく
なるので、このフィルタ３１を介して反射光パターンを
Ｗｉ像することにより、脆性破面での最大値ｌｌｌ１ａ
ｘはほぼ変わらないが、延性破面での輝度の最大値■ｍ
ａｘは抑制され、脆性破面と延性破面との識別を容易と
する。

一方、信号処理部２０において、微小スポット光の照射
位置がシャルピー試験片１０の破面内であるか破面外で
あるかの判断は、微小スポット光の照射位置が破面外で
あれば、試験片１０の周囲に配置された無反射材１８に
よって反射光が存在せず、輝度最大値１　ｍａｘおよび
輝度標準偏差σ１は共に非常に小さいか零となるので、
破面識別回路２３にてこのような部分を破面外部と判断
すればよい。また、破面外除去・破面率演算回路２５に
おけるシャルピー試験片１０の切欠部２の検出は、切欠
部２が橢械加工されるときに必然的に生じる切欠部長手
方向の微小な凹凸によって、第４図中Ｅで示すような強
い方向性をもった明るい線を示す反射光パターンが得ら
れるので、輝度最大直１ｍａｘ、輝度標準偏差σ、は共
に大きな値を示し、明らかに試験片外部と識別すること
ができる。

したがって、切欠部２の幅はＪＩＳ規格により定められ
ているので、シャルピー試験片１０を常に所定の方向に
切欠部２が位置するようにセツティングすることにより
、試験片端部から所定長さの部分を切欠部２として検出
することができる。さらに、微小スポット光が切欠部２
と脆性破面３または延性破面４との両方に投光された場
合、第４図中Ｅで示した明るい部分によって脆性破面と
延性破面との識別が困難になるので、これを防ぐために
、同図３２で示すような三角形をした光マスクを拡散板
１６上に配置し、明るい部分Ｅの光をほとんど通さない
ようにする。

このように構成された本実施例において、所望の金属材
料からなるシャルピー試験片１０の破面率（脆性破面率
または延性破面率）を測定する場合には次のようにして
行なう。すなわち、先ずＸ−Ｙステージ１１上にシャル
ピー試験片１０を切欠部２が所定方向に位置するように
配置し、支持治具１２によって支持固定した後、無反射
材１８を支持治具１２の上面に配置する。この状態で、
スキャニングコントローラ２６による制御動作を起動さ
せ、レーザ光源１３からのレーザ光１４からなる微小ス
ポット光が試験片１０の破面の平面上を第２図に示す如
く走査するように位置制御信号Ｓ１をＸ−Ｙステージコ
ントローラ２８に送出する。そうすると、ＩＴＶカメラ
１９にて拡散板１６上に投影された微小スポット光照射
による破面からの反射光パターンが透過光制御用フィル
タ３１、光マスク３２を介して路象され、ビデオ信号に
変換されて信号処理部２０に送出される。そして、信号
処理部２０では、先ず、ヒストグラム演算回路２１にて
ビデオ信号がディジタル信号に変換され、１画面分の輝
度ヒストグラムと輝度の積算値および２乗積算値が求め
られる。次いで、最大値・標準届差演算回路２２にてｉ
度ヒストグラムから輝度の最大値１　ｗａｘが求められ
、輝度の積算値および２乗積算値から輝度の標準備斧σ
１が求められる。その結果、破面識別回路に２３にて最
大値７　ｗａｘと標ｉＩ！偏差σ１とから評価パラメー
タＰが算出され、パラメータ設定回路２４からのしきい
値レベルによって当該反射光パターンが脆性破面３であ
るか延性破面４であるか、または破面外であるかが判定
される。そして、判定結果は破面外除去・破面率演算回
路２５にてスキャニングコントローラ２６からの微小ス
ポット光位置情報に対応して順次記憶される。しかして
、１つのシャルピー試験片１０の全破面に対する微小ス
ポット光の走査が終了し、各スポット照射ｔｉＬｉにお
ける反射光パターンによる破面識別が完了したならば、
破面外除去・破面率演算回路２５において切欠部２の部
分を除去し、破面の全面積Ａを求めた後、脆性破面３ま
たは延性破面４の面積Ｃ１Ｆを求めることにより、前記
（１）式または（′２Ｊ式にしたがって脆性破面率Ｂま
たは延性破面率Ｓが算出され、算出結果が出力部２７に
出力される。

このように本実施例によれば、シャルピー試験片１０に
微小スポット光を照射した際の反射光パターンに基いて
自動的に脆性破面３と延性破面４とが識別され、その識
別結果から脆性破面率Ｂまたは延性破面率Ｓが測定され
るので、破面の反射率や形状の影響を受けることなく測
定でき、かつ測定の個人差を排除できる。したがって、
測定精度の向上をはかり得、高再現性、高信頼性を得る
ことができる。また、検査員はシャルピー試験片１０を
Ｘ−Ｙステージ１１に対して正しくセツティングするだ
けで後は自動的に脆性破面率または延性破面率が測定さ
れるので、測定に熟練を必要とぜず、検査員の目の疲労
、精神的な疲労を著しく低減できる。さらに、本実施例
装置にシャルピー試験片１０の自動セツティング装置を
組込むことにより、シャルピー衝撃試験の完全無人化を
はかることができ、省人化、省力化に多大な効果を秦し
得る。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではない。

例えば、前記実施例では光電変換手段としてＩＴＶカメ
ラ１９を使用したが、他のＴＶカメラなどにより拡散板
１６の反射光パターンを撮像し電気信号に変換するよう
にしてもよいのは言うまでもない。また、前記実施例で
は微小スポット光を走査させるためにＸ−Ｙステージ１
１によってシャルピー試験片１０を移動させる場合を示
したが、ステージを固定としレーザ光［１３またはミラ
ー１７などを移動させることにより、微小スポット光を
破面上に走査させるように構成してもよい。このほか本
発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である
のは勿論である。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明によれば、シャルピー試験
片の破面上に微小スポット光を投光するための光源を設
け、この光源からの微小スポット光をスポット光走査手
段により前記破面上で自動的に走査させ、このときの微
小スポット光照射による破面上からの反射光パターンを
取込んで電気信号に変換し、この電気信号に基いて脆性
破面と延性破面とを識別して脆性破面率または延性破面
率の少なくとも一方を求めるようにしたので、シャルピ
ー試験片の破面の反射率および形状に係わらず自動的に
脆性破面率または延性破面率を求めることができ、測定
精度の向上をはかり得る上、検査員の著しい労力軽減を
はかり得、かつ測定に熟練を必要とせず、誰もが容易に
短時間で測定することができるシャルピー試験片の破面
率測定装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明の一実施例を示す図であっ
て、第１図は本装置の全体構成図、第２図は微小スポッ
ト光の走査状態を示す図、第３図は透過光制御用フィル
タを説明するための図、第４図は光マスクを説明するた
めの図、第５図（ａ）〜（Ｃ）ないし第８図（ａ）〜（
Ｃ）は破面の状態に対する反射光パターンの特性を示す
模式図、第９図は一般的なシャルピー試験片を示す斜視
図、第１０図は従来の破面率測定手段を説明するための
図である。 １０・・・シャルピー試験片、（２・・・切欠部、３・
・・脆性破面、４・・・延性破面）、１１・・・Ｘ−Ｙ
ステージ、１３・・・レーザ光源、１５・・・レンズ、
１６・・・拡散板、１７・・・ミラー、１８・・・無反
射材、１つ・・・ＩＴＶカメラ、２０・・・信号処理部
、２６・・・スキャニングコントローラ、３１・・・透
過光制御用フィルタ、３２・・・光マスク。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）シャルピー試験片の破面上に微小スポット光を投
   光するための光源と、この光源からの微小スポット光を
   前記破面上で自動的に走査させるスポット光走査手段と
   、前記微小スポット光照射による破面上からの反射光パ
   ターンを取込むパターン取込み手段と、この取込み手段
   により取込んだ反射光パターンを電気信号に変換する光
   電変換手段と、この光電変換手段からの電気信号に基い
   て脆性破面と延性破面とを識別することにより前記シャ
   ルピー試験片の脆性破面率または延性破面率の少なくと
   も一方を求める信号処理手段とを具備したことを特徴と
   するシャルピー試験片の破面率測定装置。
2. （２）前記光電変換手段は、前記反射光パターンを前記
   破面上からの正反射に近い部分ほど減衰率の大きくなる
   光学的フィルタを介して取込むことを特徴とする特許請
   求の範囲第（１）項記載のシャルピー試験片の破面率測
   定装置。
3. （３）前記信号処理手段は、前記破面上からの反射光パ
   ターンの最大輝度と輝度の標準偏差とを算出し、これら
   最大輝度と標準偏差との比に従って脆性破面と延性破面
   とを識別することを特徴とする特許請求の範囲第（１）
   項記載のシャルピー試験片の破面率測定装置。