JP2000097826A - 微小領域のクリープ試験装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】小サイズの材料のクリープ特性の高精度の計測
を可能にする。 【解決手段】設置台２とインデンタ４との間に微小の試
験体３を挟み、インデンタ４を介して試験体に局部的に
負荷として圧縮力を作用させる。試験体３の周囲環境を
整備するための環境整備手段１３、インデンター４の試
験体に対する変位を計測するための計測手段１８を備え
る。計測される変位は、時間の関数である。試験体は、
その一部である微小領域に局部的に圧縮力が負荷され
る。この負荷により微小領域が凹む。微小領域の凹みに
よりクリープ特性の測定が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、微小領域のクリー
プ試験装置及びその方法に関し、特に、溶接部、単結
晶、一方向凝固合金、ジルコニウムのような異方性があ
る材料であり試料としては小さいものしか得られない材
料に関してクリープ特性を測定することができる微小領
域のクリープ試験装置及びその方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】引っ張り力が作用する条件で、様々な材
料が用いられている。その引っ張りによる材料の長期間
の伸びを知ることは、その材料の破断までの寿命を知る
上で重要である。このような長期間の伸びの特性である
クリープ（蠕動）特性を試験により測定するためのクリ
ープ試験装置は、従来、引っ張り試験装置である。その
引っ張りを可能にするためには、ある程度にサイズが大
きい試験片が必要である。従来から用いられている試験
片は、通常は、長さが１００ｍｍ、直径が６ｍｍである
が、ミニチュア試験片としては、長さが３０ｍｍ、直径
が２ｍｍのものがある。

【０００３】ミニチュア試験片であってもこのように大
きいサイズの試験片では、ＨＡＺ部のような狭い領域の
溶接部の各部や、単結晶、一方向凝固合金、ジルコニウ
ムなどのような異方性がある材料は、得られる材料のサ
イズが小さく、その板厚も薄いため、３方向のクリープ
特性を計測するための引っ張り試験は、非常に困難であ
り、計測したとしても精度がよくなく信頼性に乏しい。

【０００４】このように小さい試験片の引っ張り試験に
代わり、信頼性が高い試験方法を新たに提案する必要が
ある。変形特性を調べる試験としては、圧縮力を負荷し
てそのへこみ変形と復元変形とから硬度を経験則的に計
測する硬さ試験装置が知られている。物理量ではない硬
さを試験するための硬さ試験では、クリープ特性を計測
することはできない。

【０００５】なお、圧縮力に基づいてクリープ特性を知
る場合には、圧縮力負荷による試験では破断寿命は計測
できず、通常の引っ張りクリープ速度に相当する値を得
るためには、別途に食い込み速度と引っ張りクリープ速
度との関係を求めておけばよい。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、微小
領域の計測により小さいサイズの材料のクリープ特性を
計測することができる微小領域のクリープ試験装置及び
その方法を提供することにある。本発明の他の課題は、
微小領域の計測により小さいサイズの材料のクリープ特
性を高精度に計測することができる微小領域のクリープ
試験装置及びその方法を提供することにある。本発明の
更に他の課題は、微小領域の計測により小さいサイズの
材料のクリープ特性を環境を変えて計測することができ
る微小領域のクリープ試験装置及びその方法を提供する
ことにある。本発明の更に他の課題は、微小領域の計測
により小さいサイズの材料のクリープ特性を圧縮力を可
変して計測することができる微小領域のクリープ試験装
置及びその方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による微小領域の
クリープ試験装置は、局部的に圧縮力を負荷する試験体
の表面くぼみである変位の時間的変化を計測する試験シ
ステムであり、より詳しく特定して表現すれば、試験体
を設置するための設置台と、前記試験体が前記設置台と
の間で挟まれる位置に配置されるインデンタと、前記イ
ンデンタを介して前記試験体に局部的に負荷として圧縮
力を作用させるための作用体と、前記作用体に前記負荷
をかけるための負荷手段と、前記試験体の周囲環境を整
備するための環境整備手段と、前記インデンターの前記
試験体に対する変位を計測するための計測手段とからな
る。

【０００８】計測される変位は、時間の関数である。試
験体は、その一部である微小領域に局部的に圧縮力が負
荷される。この負荷により微小領域が凹み、インデンタ
が変位する。その変位（の変位量）が計測される。その
変位Δを測定し微小領域のクリープ特性が測定される。
その計測は、二次クリープ域までが対象とされる。破断
寿命は計測できない。通常の引っ張りクリープ速度に相
当する値は、別途にＦＥＭ解析を行い、使用するインデ
ンタの大きさに対応した食い込み速度（実験値）と引っ
張りクリープ速度の関係を公知の参照応力法を用いて知
ることにより得ることができる。

【０００９】本発明による微小領域のクリープ試験装置
は、更に、前記インデンタの前記設置台に対する位置を
確認するための顕微鏡を備えることが好ましい。前記負
荷手段はバネ力が調整可能であるバネであるか錘である
ことが、負荷の一定性を保証する点で好ましい。前記環
境整備手段は、電熱炉などの加熱炉あるいは電磁放射線
加熱装置であることが好ましい。これらは、環境を整備
するための手段であるが、試験を加速するための加速手
段としても用いることができる。前記計測手段は石英で
ある。石英に限られず、インデンタに対して実質的には
変形性がない硬い材料が用いられる。

【００１０】言い換えれば、本発明による微小領域のク
リープ試験方法は、設置台に試験体を設置するステップ
と、前記試験体の微小領域にインデンタを介して圧縮力
を負荷するステップと、前記インデンタの変位を計測す
るステップとからなる。更に言い換えれば、試験体より
もサイズが小さいインデンターにより前記試験体の微小
領域をくぼませ、前記インデンタの負荷力と前記インデ
ンターの時間の関数である変位量との関係から前記試験
体のクリープ特性を計測する微小領域のクリープ試験方
法により、従来測定が不可能であったクリープ特性の計
測を可能にする。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による微小領域の
クリープ試験装置の実施の形態１を示し、断面図であ
る。高剛性の基礎台１の上面に設置台２が直接に載置さ
れている。設置台２の上面に直接に試験体３が載置され
ている。単結晶、一方向凝固合金、ジルコニウムなどの
ように異方性がある試験体３は、直方体に形成されてい
る。異方性の方向を３次元直交方向のいずれかに変更す
ることができる。試験体３と設置台２とは、密着してい
ることが好ましい。

【００１２】試験体３の上面に、直接にインデンタ４が
載置される。インデンタ４は、円柱に形成されている。
規格・標準化のために、例えば、直径が０．５ｍｍ〜
２．０ｍｍの間で規格・標準化される。高さ幅は、圧縮
力がその変形に実質的に影響を与えない限り、任意でよ
い。試験体３は、厚さが数ｍｍ以上であることが好まし
い。試験体３の断面積（インデンタ４が載置初期時に接
触する試験体の接触表面の面積に一致）は、インデンタ
４の断面積（接触表面に平行な面で切断した面の面積で
ありインデンタ４の接触面積に一致）よりも十分に大き
い。言い換えれば、インデンタ４が試験体３に密着して
接する面積は、試験体３の全面積に比較して局部的又は
局所的（ローカル）である。

【００１３】インデンタ４は、作用体であるロッド５に
より上方から押さえられて試験体３に圧接する。試験体
３の上面とインデンタ４の上下面が水平に形成されてい
る場合には、ロッド５の下端面即ちインデンタ４に接す
る面も水平面であり、円柱体であるロッド５の中心線即
ち軸心線は、鉛直に向いている。即ち、試験体３の上
面、インデンタ４の上下面、ロッド５の下端面は、全
て、ロッド５の軸心線に直交している。

【００１４】ロッド５には、ロードセル６が介設されて
いる。ロッド５の上端部にはねじが切られ、そのねじに
ナット７がねじ込まれている。ナット７の上方側でロッ
ド５には、鍔８が形成されている。ロッド５は、鍔８を
越えて更に上方に延長されている。基礎台１に支柱９
が、強固に固着され立ち上がっている。支柱９には、ガ
イド１０が水平方向に張り出して固定されている。

【００１５】ロッド５は、ガイド１０を貫通して摺動
し、鉛直方向にその動作がガイド１０により案内され
る。支柱９の上端部に梁１１が水平方向に延びて固定さ
れている。ロッド５の上端部は、梁１１を貫通していて
よい。梁１１の下端面と鍔８の上端面との間に圧縮力を
かける負荷手段であるコイルスプリング１２が介設され
ている。ロッド５の上端部は、コイルスプリング１２の
中心孔を通っている。

【００１６】設置台２及び試験体３の周囲を囲むよう
に、電熱器等の円筒状の加熱炉１３が設置台１上に支持
されて設けられている。加熱炉１３の上端面は、蓋１４
により閉じられている。実体顕微鏡１５の光学系を含む
筒状部分が斜め向きに加熱炉１３を貫通している。実体
顕微鏡１５は後端部分として接眼レンズ部分１６を備え
ている。実体顕微鏡１５として、ＣＣＤカメラを用いる
ことができる。実体顕微鏡１５は、斜め向きに支柱９を
摺動して移動することができ、試験中は加熱炉１３から
離脱することができる。

【００１７】計測にあたり、石英棒１７がロッド５の下
端面と試験体３の上端面との間に挟まれる。石英棒１７
は、伸び計１８に結合されている。伸び計１８は、物体
の変位（量）を測定することができる慣用の計測手段で
あり、その圧縮変位に対応する内部歪みを電圧、電流に
変換する素子などを含む。

【００１８】試料である試験体３にコイルスプリング１
２の付勢力を圧縮力として伝達する作用体であるロッド
５は、その圧縮力を十分に伝達しうる程度の硬度を有す
る材料例えば剛材料で形成されている。インデンタ４
は、試験体３よりも十分に硬度が高く試験体に比べて実
質的に圧縮変位を受けない材料例えば超硬合金、セラミ
ックスなどで形成されている。

【００１９】鍔８又はナット７を回転させることによ
り、インデンタ４と試験体３との間の圧力を変更し、調
整することができる。試験体３の変位量は僅かでありコ
イルスプリング１２の伸び量も僅かであるから、初期条
件又は試験条件として設定したコイルスプリング１２の
弾発力は、その後に調整し直す必要はないが、試験が１
万時間の長期に亘る場合等には、その調整が有効であ
る。

【００２０】図２は、本発明による微小領域のクリープ
試験装置の測定原理を示している。直方体の試験体３
は、厚さが数ｍｍであり、横幅・縦幅もその程度であ
る。インデンタ４は、直径が０．５ｍｍ程度である。イ
ンデンタ４の試験体３への食い込みにより試験体３の内
部に伝達される内部応力は、瞬間的でなく恒常的であ
る。圧縮応力を実質的に受ける領域は、深さ方向には試
験体４の表層部分であり、縦横方向にも僅かに拡がる局
所的領域である。

【００２１】このような圧縮作用を恒常的に受ける微小
体積領域Ｐは、半球状である。このような内部変形は、
インデンタ４が試験体３の表層部に食い込む量に対応す
る。その食込量Δは、インデンタ４の鉛直下方への変位
（長さ）に一致している。この変位Δが、石英棒１７を
介して伸び計１８又は変位計により計測される。

【００２２】一般に、クリープ特性は伸び量との対応で
示される。圧縮変位と伸び量は、材料により対応関係を
有している。この対応関係は、既知の材料を用いた過去
の知識の蓄積から推定することができる。即ち、その計
測は二次クリープ域までが対象とされ、破断寿命は計測
できないが、通常の引っ張りクリープ速度に相当する値
は、別途にＦＥＭ解析を行い、使用するインデンタの大
きさに対応した食い込み速度（実験値）と引っ張りクリ
ープ速度の関係を公知の参照応力法を用いて知ることに
より得ることができる。硬度計と異なり、圧縮力を与え
る負荷は、試験終了まで恒常的に連続的にかけられ、変
位は数時間〜１万時間の間の時間の関数としてコンピュ
ータの記録部に記録される。

【００２３】本発明による微小領域のクリープ試験装置
の計測原理は、局所的負荷によるから、僅かな材料に対
しても計測が可能であり、又、その局所部分にのみ圧縮
力が内部応力として有効に作用するから、短時間での計
測が可能であり、計測精度も従来の引っ張り試験に比べ
てむしろ高い。

【００２４】図３は、本発明による微小領域のクリープ
試験装置の実施の形態２を示し、断面図である。実施の
形態２が、実施の形態１と異なる点は、下記する２点の
みでありその他の点では、実施の形態２は実施の形態１
に全く同じである。負荷手段として、バネに代わり錘２
１が用いられている。

【００２５】ロッド５の上端の置台８に錘２１が置かれ
ている。錘２１には、置台８に固定されこれから立ち上
がる棒２２に通され安定的に載置されている。錘２１は
複数種が用意され、同時に複数体の使用が可能である。
支柱９に支持棒２３が固定されている。支持棒２３の先
端部にダイヤルゲージ２４が取り付けられている。ダイ
ヤルゲージ２４の指針の先端が置台８の上面に接触して
いる。ロッド５の鉛直下方への変位が、指針を介してダ
イヤルゲージ２４により計測される。

【００２６】図４は、本発明による微小領域のクリープ
試験装置の実施の形態３を示し、断面図である。実施の
形態３が、実施の形態２と異なる点は、下記する１点の
みでありその他の点では、実施の形態３は実施の形態２
に全く同じである。加熱炉１３に代わり、加熱器とし
て、電磁放射線加熱装置３１が用いられている。

【００２７】電磁放射線加熱装置３１としては、例え
ば、赤外線放射加熱装置であり、光源３２と放物面鏡３
３とを備える。電磁放射線加熱装置３１は、インデンタ
４を局所的に加熱することができるので、装置系の熱膨
張誤差を最小に抑え、接眼レンズ部分１６の移動操作も
不要である。

【００２８】図５は、本発明による微小領域のクリープ
試験装置の実施の形態４を示し、射軸投影図である。実
施の形態４が、実施の形態１，２，３と異なる点は、本
発明の微小領域のクリープ試験方法が専用の装置内で適
用されずに、実機中の材料に対して適用される点であ
る。

【００２９】実施の形態４の実機中の材料は、隣り合う
２体の鋼管（又は、実機高温配管）４１，４２を接合す
る溶接部４３の溶接材であり、そのクリープ特性が実機
中で計測される。このような溶接部には、引っ張り力も
圧縮力も作用し、これらの力が交互に繰り返して作用す
ることもある。

【００３０】図示しない固定台上に図示しない手段によ
り試験台１”が固定されて設けられている。図４の参照
番号１０、２３に対応する参照番号１０’，２３’は、
それぞれ、ガイド、支持棒である。ロッド５’の鍔８’
に錘２１’が棒２２’に通されて載置されている。錘２
１’は複数種が用意され、同時に複数体の使用が可能で
ある。試験台１”に支持棒２３’が固定されている。

【００３１】支持棒２３’の先端部にダイヤルゲージ２
４’が取り付けられている。ダイヤルゲージ２４’の指
針の先端が鍔８’の上面に接触している。ロッド５’の
鉛直下方への変位が、指針を介してダイヤルゲージ２
４’により計測される。ロッド５’の下端面と溶接部４
３との間にインデンタ４’が介設されている。

【００３２】加熱炉、放射線加熱手段などの環境整備手
段は特段には設けられていない。配管４１中の高温液体
自体が環境整備手段そのものである。測定原理・方法
は、実施の形態１，２，３に全く同じである。インデン
タ４’の変位は、時間の関数として、恒常的に時計内蔵
のコンピュータ４４の記録部に記録される。

【００３３】図６は、本発明による微小領域のクリープ
試験装置の実施の形態５を示し、射軸投影図である。実
施の形態５が、実施の形態４と異なる点は、実施の形態
４の負荷手段に代えて実施の形態１の負荷手段の主要部
分と実施の形態２の負荷手段の主要部分とを組合せたも
のを用いる点、及び、その組合せ負荷手段に更に他の手
段を付加した点である。

【００３４】インデンタ４”は、作用体であるロッド
５”により下方から押さえられて溶接部４３に圧接す
る。ロッド５”には、ロードセル６”が介設されてい
る。ガイド１０”は、固定されている試験台１”に固定
されている。ロッド５”は、ガイド１０”を貫通して摺
動し、鉛直方向にその動作がガイド１０”により案内さ
れる。試験台１”の下端部に梁１１”が水平方向に延び
て固定されている。ロッド５”の下端部は、梁１１”を
貫通していてよい。ロッド５”の下端部は、コイルスプ
リング１２”の中心孔を通っている。

【００３５】ロッド５”の上端部に他の鍔８”が形成さ
れている。試験台１”に支持棒２３”が固定されてい
る。支持棒２３”にダイヤルゲージ２４”が支持されて
いる。ダイヤルゲージ２４”の指針の上端が鍔８”の下
端面に接触している。梁１１”の下端面に荷重調整用モ
ータ５１が取り付けられている。

【００３６】荷重調整用モータ５１の回転軸には多角形
ナット（図示せず）が螺合し、そのナットは梁１１”に
案内され回転せずに昇降運動することができる。そのナ
ットの上面にスプリング１２”の下端が支持されてい
る。

【００３７】荷重調整用モータ５１力が駆動されると、
ナットが昇降して、スプリング１２”が伸縮し、その弾
発力が負荷として可変される。その弾発力は、ロードセ
ル６”により検出される。荷重調整用モータ５１の回転
軸の回転角度位置、ロードセル６”が検出する負荷値、
ダイヤルゲージ２４”が計測する変位は、コンピュータ
４４”の記録部に記録される。

【００３８】荷重調整用モータ５１の回転軸の回転角度
位置は、数段階に設定することができ、１日周期で緩や
かに変動する負荷を発生させることもでき、任意の負荷
変動を出力することがもきる。コンピュータ４４”は、
負荷をパラメータとして時間と変位の関係を記録するこ
ともでき、時刻をパラメータとして負荷変動と変位の関
係を記録することもできる。

【００３９】

【発明の効果】本発明による微小領域のクリープ試験装
置及びその方法は、局所的に負荷をかけて微小領域を測
定することによりクリープ特性（変形速度特性）を高精
度に得ることができる。更には、環境を変更し、一定の
負荷力で圧縮するので、現実に対応させ、且つ、加速試
験を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による微小領域のクリープ試験
装置の実施の形態１を示す断面図である。

【図２】図２は、本発明による微小領域のクリープ試験
装置の物理的原理を示す断面図である。

【図３】図３は、本発明による微小領域のクリープ試験
装置の実施の形態２を示す断面図である。

【図４】図４は、本発明による微小領域のクリープ試験
装置の実施の形態３を示す断面図である。

【図５】図５は、本発明による微小領域のクリープ試験
装置の実施の形態４を示す断面図である。

【図６】図６は、本発明による微小領域のクリープ試験
装置の実施の形態５を示す断面図である。

【符号の説明】

３…試験体 ４…インデンタ ５，５”…ロッド（作用体） ６，６”…ロードセル（変位計測手段） １２，１２”…コイルスプリング（負荷手段） １３…加熱炉（環境整備手段） １５…実体顕微鏡 １６…接眼レンズ部分 ２１…錘（負荷手段） ２４，２４”…ダイヤルゲージ（変位計測手段） ３１…熱線放射手段（環境整備手段） ４３…溶接部（試験体） ４４…コンピュータ ５１…荷重調整用モータ（荷重調整手段）

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試験体を設置するための設置台と、 前記試験体が前記設置台との間で挟まれる位置に配置さ
   れるインデンタと、 前記インデンタを介して前記試験体に局部的に負荷とし
   て圧縮力を作用させるための作用体と、 前記作用体に前記負荷をかけるための負荷手段と、 前記試験体の周囲環境を整備するための環境整備手段
   と、 前記インデンターの前記試験体に対する変位を計測する
   ための計測手段とからなる微小領域のクリープ試験装
   置。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記負荷手段はバネ力が調整可能であるバネである微小
   領域のクリープ試験装置。
3. 【請求項３】請求項１において、 前記負荷手段は錘である微小領域のクリープ試験装置。
4. 【請求項４】請求項１において、 前記環境整備手段は加熱炉であることを特徴とする微小
   領域のクリープ試験装置。
5. 【請求項５】請求項１おいて、 前記環境整備手段は電磁放射線加熱装置であることを特
   徴とする微小領域のクリープ試験装置。
6. 【請求項６】請求項１において、 前記計測手段は石英であることを特徴とする微小領域の
   クリープ試験装置。
7. 【請求項７】設置台に試験体を設置するステップと、 前記試験体の微小領域にインデンタを介して圧縮力を負
   荷するステップと、 前記インデンタの変位を計測するステップとからなる微
   小領域のクリープ試験方法。
8. 【請求項８】試験体よりもサイズが小さいインデンター
   により前記試験体の微小領域をくぼませ、前記インデン
   タの負荷力と前記インデンターの時間の関数である変位
   量との関係から前記試験体のクリープ特性を計測する微
   小領域のクリープ試験方法。