JP2000227391A - 材料特性値計測用フレーム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】材料の引張り試験、圧縮試験、亀裂試験を高精
度化する材料特性値計測用フレームの構造。その測定値
を正しいものとし、且つ、その測定値の高精度化を達成
し、コンピュータによる微分計算、偏差標準統計処理の
信頼性。 【解決手段】被試験材料体９，９’を把持し、圧縮し、
亀裂させる負荷Ｐを作用させて被試験材料９，９’の変
位Ｖを一定方向に、且つ、回転自在に、支持する定方向
回転案内自在体を形成し、そのフレーム１，１’等は中
心点対称に閉じたフレームである。定方向回転案内自在
体はそのフレームに支持されている。得たデータは、コ
ンピュータにより、微分計算をそのコンプライアンスの
計算のもとで信頼化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、材料特性値計測用
フレーム及び材料特性値計測方法に関し、特に、材料の
引張り強度、圧縮強度、亀裂破壊強度の測定を高精度化
するための材料特性値計測用フレーム及びその計測によ
りその材料特性の数値的計量を自動化するための材料特
性値計測用フレーム及び材料特性値計測方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種分野で材料の強度を知ることが要求
されている。構造部材の材料は、引っ張り力、圧縮力、
亀裂力を受ける。材料強度の３要素は、引張り強度、圧
縮強度、耐亀裂強度である。このような材料強度を知る
ための測定装置として、引張り試験装置、圧縮試験装
置、亀裂試験装置がそれぞれに知られている。

【０００３】例えば、引っ張り試験装置は、被試験体を
その両端部で挟んで引っ張り、引張り力Ｐと変位Ｖとの
関数関係Ｐ（Ｖ）を測定して、その微分値の変化の特異
性を知ることにより、その材料の引張限界強度を知るた
めの装置である。このような装置に被試験体を挟んで取
り付けるための取り付け手段は、従来、図１５に示すよ
うに、上部枠０１と下部枠０２にそれぞれに取り付けら
れているチャック０３，０４で被試験体０５の上下端部
を強力に把持する把持手段を備えている。その把持手段
の把持力は、チャック０３，０４が具備する把持力発生
用ハンドル０６，０７である。

【０００４】このような把持力発生用ハンドル０６，０
７で被試験体５に引っ張り力又は、圧縮力を負荷として
与える場合、把持力発生用ハンドル０６，０７のねじの
軸心線と上部枠０１と下部枠０２との間に発生する捻れ
力が被試験体０５に作用して、１直線上の引張り力以外
に、被試験体０５に曲げ力、斜め力が作用し、更に、歪
み計０８のセッティングが不確実である。このような曲
げ力、不確実性が、引張り試験、圧縮試験、亀裂試験の
精度に影響していた。

【０００５】極低温状態に置かれる材料、例えば、超伝
導材料を冷却するための液体窒素を入れそれを供給する
容器、配管は、極低温、低低温状態では耐引張り強度、
耐圧縮強度が低下する恐れがある。このような特殊な環
境におかれる材料のこれらの強度の測定には、高精度化
が要請される。引っ張り強度、圧縮強度、亀裂強度の測
定には、高精度化が要求されるとともに、特殊環境下の
測定試験にはその自動化も要求される。高精度化の試験
のためには、被試験体を固定するフレームの形状が高精
度化に対応でき、また、その精度が数値測定の自動化に
耐えうるものになることが特に要請される。高精度化の
ためには、データが正しいものでなければならないから
である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
技術的背景に基づいてなされたものであり、次のような
課題を解決する。本発明の目的は、材料の引張り試験、
圧縮試験、亀裂試験を高精度化する材料特性値計測用フ
レーム及び材料特性値計測方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、材料の引張り試験、圧縮試験、亀
裂試験の測定値を正しいものとし、且つ、その測定値の
高精度化を達成する材料特性値計測用フレーム及び材料
特性値計測方法を提供することにある。本発明の更に他
の目的は、材料の引張り試験、圧縮試験、亀裂試験を高
精度化し、且つ、その測定の自動化を行う材料特性値計
測用フレーム及び材料特性値計測方法を提供することに
ある。本発明の更に他の目的は、微分演算値の有効性を
高めるために材料の引張り試験、圧縮試験、亀裂試験を
高精度化する材料特性値計測用フレーム及び材料特性値
計測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】本発明による引っ張り試
験用の材料特性値計測用フレームは、閉じた第１フレー
ムと、第２フレームとからなり、その第２フレームは第
１フレームを介して閉じており、被試験材料体に引張り
負荷を与える荷重負荷棒が第１フレームにその負荷方向
に移動自在に支持され、材料試験体の負荷方向に交叉す
る（通常は直交する）方向の変位を検出するための横変
位検出計は第１フレームに支持され、材料試験体の負荷
方向の変位を検出するための縦変位検出計は第２フレー
ムに支持されている。

【０００８】その第１フレームの閉じた構造を規定する
第１平面と、その第２フレームの閉じた構造を規定する
第２平面とは、直交していることが好ましい。荷重負荷
棒は、材料試験体を両側から引っ張る２体の棒であるこ
とが好ましく、このような２体の棒は１直線に配置さ
れ、且つ、その１直線は、点対称構造の第１フレームの
線対称基準線に一致することが好ましい。点対称構造
は、円環状又は多角形状であることが特に好ましい。横
変位検出計の変位方向及び縦変位検出計の変位方向は、
共に、その１直線に直交していることが好ましい。

【０００９】本発明による圧縮試験用の材料特性値計測
用フレームは、閉じた第１フレームと、前記第１フレー
ムに交叉して（通常は直交して）結合し自ら閉じた第２
フレ―ムとからなり、被試験材料体に圧縮負荷を与える
荷重負荷棒が前記第１フレームにその負荷方向に移動自
在に支持され、材料試験体の負荷方向に直交する方向の
変位を検出するための横変位検出計は第１フレームに支
持され、材料試験体の負荷方向の変位を検出するための
縦変位検出計は第２フレームに支持されている。

【００１０】第１フレームと第２フレームは、交叉する
部位で共通体であることが好ましい。両フレームに関す
る点対称構造、変位計の変位方向は、引っ張り試験用の
材料特性値計測用フレームのそれらに全く同じである。

【００１１】本発明による亀裂進展用の材料特性値計測
用フレームは、閉じた単一のフレームでよい。この場
合、そのフレームの中心域に被試験材料体の環境を整備
するための環境整備手段が配置される。被試験材料体の
亀裂を変化させる負荷を与える荷重負荷棒がフレームに
その負荷方向に移動自在に支持されている。その対称構
造、負荷方向が点対称構造の線対称基準線に一致してい
ることが好ましいこと等は、既述の２つのフレームのそ
れらに同じである。

【００１２】このような３種の装置において、引張負
荷、圧縮負荷、亀裂負荷から選択される１つの負荷Ｐと
その被試験材料体の変位Ｖとの関数関係Ｐ（Ｖ）を測定
により得ること、関数関係Ｐ（Ｖ）の値を等間隔△Ｖで
コンピュータにより得ること、等間隔△Ｖで関数関係の
微分値をコンピュータで得ることとからなる材料特性値
計測方法は、測定を自動化し、破壊にいたるまでの測定
を精度よく実現することができる。

【００１３】本発明による材料特性値計測方法は、被試
験材料体を把持して前記被試験体に負荷Ｐをかけて負荷
Ｐと被試験材料体の変位Vとの関数関係Ｐ（Ｖ）を測定
により得ること、関数関係Ｐ（Ｖ）の値を等間隔△Ｖで
コンピュータにより得ること、等間隔△Ｖで前記関数関
係Ｐ（Ｖ）の微分値をコンピュータで得ること、微分値
の変化特性をコンピュータで割り出すこととからなる。
特に、その変化特性はその微分値が急激に変化すること
である。

【００１４】言い換えると、本発明による材料特性値計
測用フレームは、材料の引張り試験に用いるためのフレ
ームであり、被試験材料体を把持して引っ張る引張負荷
Ｐを作用させて被試験材料体の変位Ｖを一定方向に、且
つ、回転自在に案内する定方向回転案内自在体とからな
り、フレームは中心点対称に閉じたフレームであり、定
方向回転案内自在体はフレームに支持されている。

【００１５】本発明による他の材料特性値計測用フレー
ムは、材料の圧縮試験に用いるためのフレームであり、
被試験材料体を把持して圧縮する圧縮負荷Ｐを作用させ
て被試験材料体の変位Ｖを一定方向に、且つ、回転自在
に案内する定方向回転案内自在体とからなり、フレーム
は中心点対称に閉じたフレームであり、定方向回転案内
自在体はそのフレームに支持されている。

【００１６】本発明による他の材料特性値計測用フレー
ムは、材料の亀裂試験に用いるためのフレームであり、
被試験材料体を把持して亀裂させる亀裂負荷Ｐを作用さ
せて被試験材料体の変位を一定方向に、且つ、回転自在
に案内する定方向回転案内自在体とからなり、フレーム
は中心点対称に閉じたフレームであり、定方向回転案内
自在体はフレームに支持されている。

【００１７】その閉じたフレームは、正多角形に限られ
ず、円形であることも好ましい。このようなフレーム構
造を採用することにより、測定精度を高めることができ
るから、後の微分演算またはそれから計算されるコンプ
ライアンス（振動変位を電磁気学と類似の位相分解を行
う際の変位と力の比又はその逆数…フックの法則におけ
る定数Ｋの逆数）の計算結果の精度を信頼できるものと
することができる。

【００１８】更に、引っ張り試験、特に圧縮試験におい
て、正多角形状の２個又は３個のフレームを２次元的
に、更には、３次元的に、互いに直交する２平面又は３
平面に配置し構造づけることにより、即ち、２次元、３
次元枠の構成により、２次元又は３次元軸での１直線上
の配置（被試験体を含む荷重用負荷用体）を行って、縦
方向変位（歪み）検出装置、更には、横方向変位検出装
置の曲げ力、ノイズとしての歪みを消去することがで
き、後で計算する微分、最小２乗偏差値計算による統計
処理の精度を上げることができる。

【００１９】引っ張り、圧縮、亀裂に関する材料試験
は、幾何学的に３次元のフレームを形成することが理想
的である。この場合、通常、３次元は、機械に関して
は、３次元直交座標系が設定される。３方向の力が作用
する場合、フレームが円環状でない場合は、８角形フレ
ームであることが理論的に好ましい。８角形フレームに
もう１つのフレームを片側にのみ形成する場合は、共通
部分を含めれば、５角形状が理論的に好ましい。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明群の第１発明によ
る材料特性値計測用フレームの実施の形態、特に、引っ
張り試験用のものを示している。この材料特性値計測用
フレームは、引張り試験に適用される剛構造又は一体型
のフレームとして設計され、八辺形フレーム１を備えて
いる。剛構造は、その剛性が高いことを必ずしも意味し
ない。その八辺形は、正８角形であり、且つ、１体化さ
れていることが好ましい。正８角形は、これが有する中
心点Ｐに対して、点対称である。中心点Ｐを原点とする
３次元直交座標系Ｘ−Ｙ−Ｚを設定する。

【００２１】今、仮に、Ｘ軸方向を水平横方向又は左右
方向といい、Ｚ軸方向を鉛直方向又は上下方向といい、
Ｙ軸方向（図３参照）を水平縦方向又は前後方向とい
う。８辺形フレーム１の８つのフレーム要素１−１，
２，３，４，５，６，７，８は、中心点Ｐを中心として
環状に１周し、点Ｐに関して点対称に閉じた剛構造を形
成している。剛構造は、その強度はあまり問われない。

【００２２】八辺形フレーム１の第１、５辺フレーム要
素１−１，５に、それぞれに、上側軸受２、下側軸受３
が取り付けられている。上側軸受２、下側軸受３は、第
１，５辺フレーム要素１−１，５に対して、回転自在な
回転体を有することが好ましく、共に玉軸受であること
が特に好ましい。上側軸受２、下側軸受３は、１本の鉛
直方向軸心線を共有するように、１直線上に配置されて
いる。鉛直方向軸心線は、中心点Ｐを通るＺ軸に一致し
ている。

【００２３】円柱状の上側荷重負荷棒４が、上側軸受２
の中心孔に装着されている。上側荷重負荷棒４は、第１
辺フレーム要素１−１に対して回転自在である。円柱状
の下側荷重負荷棒５が、下側軸受３の中心孔に装着され
ている。下側荷重負荷棒５は、第５辺フレーム要素１−
５に対して回転自在である。

【００２４】上側荷重負荷棒４と下側荷重負荷棒５は、
共通の軸心線であるＺ軸を共有している。上側荷重負荷
棒４の下端面に、上側把持体６が固着されている。上側
把持体６は、図２にその立体的構造が現れているよう
に、Ｙ軸方向に対面する２体の上側挟持体８を備えてい
る。２体の上側挟持体８の間に被試験体９の上端部が強
力に挟着される。

【００２５】その挟着のために、１組の上側ボルト・ナ
ット１１が用いられている。下側荷重負荷棒５の上端面
に、下側把持体１２が固着されている。下側把持体１２
は、図２に示されているように、Ｙ軸方向に対面する２
体の下側挟持体１３を備えている。２体の下側挟持体１
３の間に被試験体９の下端部が強力に挟着される。その
挟着のために、１組の下側ボルト・ナット１４が用いら
れている。

【００２６】上側ボルト・ナット１１と下側ボルト・ナ
ット１４とで被試験体９を締め付ける際の捻り力がＸＹ
平面で回転力として被試験体９に作用しても、上側ボル
ト・ナット４と下側ボルト・ナット５は相対的に回転自在
であるから、その捻り力は被試験体９に作用しない。

【００２７】上側荷重負荷棒４には上向きの荷重が負荷
され、下側荷重負荷棒５には下向きの荷重が負荷される
こととなる。このような負荷により被試験体９が伸びる
際に被試験体９の伸び端と同体に上動する上側荷重負荷
棒４は、上側軸受２に対してＺ軸方向（上方）に摺動自
在である。

【００２８】このような負荷により被試験体９が伸びる
際に被試験体９の伸び端と同体に下動する下側荷重負荷
棒５は、下側軸受３に対してＺ軸方向（下方）に摺動自
在である。上側軸受２と下側軸受３は、このように上側
荷重負荷棒４と下側荷重負荷棒５を一直線上即ちＺ軸上
での移動を案内するためのＺ軸方向線形案内部材であ
り、且つ、ＸＹ平面上での相対的回転を案内するための
ＸＹ平面回転案内部材である。

【００２９】図２に示されているように、１平面上では
解放された六辺形フレーム１５が、八辺形フレーム１に
一体に結合している。六辺形フレーム１５は、５辺の第
１，２，３，４，５六辺形フレーム要素１５−１，２，
３，４，５を備えている。第６六辺形フレーム要素１５
−６は、図１に示す八辺形フレーム１の右側半分及び左
側半分に一致し、これ自体が多辺形である。言い換える
と、六辺形フレーム１５は、１平面上にある５辺の第
１，２，３，４，５六辺形フレーム要素１５−１，２，
３，４，５と、その１平面に交叉する（特に直交する）
他の１平面上にある八辺形フレーム１とから形成されて
いる。

【００３０】従って、第６六辺形フレーム要素１５−６
は、５辺の第１，２，３，４，５六辺形フレーム要素１
５−１，２，３，４，５が配置される同一平面からは外
れている。６辺の第１，２，３，４，５，６六辺形フレ
ーム要素１５−１，２，３，４，５，６は、同一平面上
にはないが、中心点Ｐを中心に１周して、閉じた剛構造
フレームを形成している。

【００３１】第５六辺形フレーム要素１５−５は、図３
に示すように、第５八辺形フレーム要素１−５に直交し
Ｙ軸方向に延びて、第５八辺形フレーム要素１−５に１
平面上で交叉して一体に形成されている。図３には現れ
ていないが、第１六辺形フレーム要素１５−１は、第１
八辺形フレーム要素１−１に直交しＹ軸方向に延び１平
面上で交叉して、第１八辺形フレーム要素１−１に一体
に形成されている。

【００３２】第３六辺形フレーム要素１５−３は、鉛直
方向（Ｚ軸方向）に延びている。第３六辺形フレーム要
素１５−３の中心位置に、前側軸受１６が取りつけられ
ている。前側軸受１６は、第３六辺形フレーム要素１５
−３に対して、回転自在な回転体を有することが好まし
く、玉軸受であることが特に好ましい。

【００３３】前側軸受１６の水平方向軸心線は、中心点
Ｐを通る。前側軸受１６の中心孔に支持棒１７が摺動自
在に通されている。支持棒１７の内端側に鍔が形成され
ている。その鍔と第３六辺形フレーム要素１５−３の内
面との間に、押圧用スプリング１８が介設されている。

【００３４】その鍔より内側に支持棒１７と一体に延び
る部分に、縦変位検出計１９が支持されている。縦変位
検出計１９の内端の２点が被試験体９に位置づけられて
いる。縦変位検出計１９は、被試験体９のＺ軸方向の延
びを検出するための慣用の変位検出手段である。

【００３５】図１に示すように、鉛直方向又はＺ軸方向
に延びる左右両側の第３八辺形フレーム要素１−３と第
７八辺形フレーム要素１−７に、それぞれに、左側軸受
２１と右側軸受２２が取りつけられている。左側軸受２
１と右側軸受２２は、それぞれに、第１八辺形フレーム
要素１−３と第７八辺形フレーム要素１−７に対して、
回転自在な回転体を有することが好ましく、玉軸受であ
ることが特に好ましい。

【００３６】左側軸受２１と右側軸受２２の左右方向軸
心線は、共通軸心線であり、中心点Ｐを通る。左側軸受
２１の中心孔に、左側横変位検出計２３が通されてい
る。右側軸受２２の中心孔に、右側横変位検出計２４が
通されている。左側横変位検出計２３と右側横変位検出
計２４は、被試験体９のＸ軸方向の変位を検出するため
の慣用の変位検出手段である。左側横変位検出計２３の
左側触子２５は被試験体９の左側面に接触し、右側横変
位検出計２４の右側触子２６は被試験体９の右側面に接
触している。

【００３７】上側軸受２と下側軸受３とを１直線上に配
置して上側荷重負荷棒４と下側荷重負荷棒５を１直線上
に配置することにより、被試験体９に曲げなどの有害な
変形が発生することを防止することができ、その荷重を
円滑に被試験体９に伝達することができ、後述する荷重
Ｐと歪みに相当する変位量Ｖとの間の良好な関係データ
を試験開始直後から取得することができる。

【００３８】左側軸受２１と右側軸受２２により左右の
左側横変位検出計２３と右側横変位検出計２４を１直線
上に配置することにより、被試験体９に対する左側横変
位検出計２３と右側横変位検出計２４の取り付け位置が
一定になって安定し、試験中に安定したよい精度を得る
ことができ、ばらつき処理の精度が向上する。前側軸受
１６により取付位置が一定になる縦変位検出計１９は、
一定の力で被試験体９に取りつけられるので、試験中に
安定したよい精度を得ることができ、ばらつき処理の精
度が向上する。

【００３９】更に、八辺形フレーム１と六辺形フレーム
１５を直交２平面上に配置して一体に結合した枠構造
は、被試験体９に有害な曲がり変形が生じることを防止
することができるとともに、横歪み（変位）計及び縦歪
み（変位）計を取り付ける取付構造がシンプルであり、
被試験体９が試験開始時点から破断時点までの全試験期
間中でこれら検出計を取り外すことが不要であり、後述
する特性値の計算に必要な全データを高精度に取り込む
ことができる。図４，５は、図１〜３に示す引張試験装
置による測定方法のフローチャートを示している。図１
〜３に示す引張試験装置により取得するデータは、図６
に示す被試験体９のＺ軸方向の２地点間の変位量（伸
び）Ｖと負荷力Ｐとの関数関係Ｐ（Ｖ）である。

【００４０】縦変位検出計１９と左側横変位検出計２
３、右側横変位検出計２４から出力される両電気信号
（電圧信号）は、データロガーに入力され、関数Ｐ
（Ｖ）として整理され、その微分値がＣＰＵにより計算
され、データ処理器により後述する直線近似が行われ
る。このようなデータＰ（Ｖ）がデータローガ（図示せ
ず）又はＣＰＵ（図示せず）により取得される（ステッ
プＳ１）。データＰ（Ｖ）は、一般に、図６に示すよう
な線形性を有する線形部分ＢＣとこの線形部分の両側の
曲線部分とから形成される。

【００４１】負荷Ｐを増大させていく試験期間の初期段
階のＰ（Ｖ）は、下方に凸状、即ち、変化率が正である
第１非線形部分ＡＢになる。その試験期間の終期段階の
Ｐ（Ｖ）は、上方に凸状、即ち、変化率が負である第２
非線形部分ＣＤになり、最終的にＤ点で破断する。

【００４２】線形部分ＢＣの両端点である点Ｂと点Ｃと
の位置を決定する（ステップＳ２）位置決定プログラム
が、コンピュータに搭載されている。この位置決定プロ
グラムに対応するフローチャートが、図５中に示されて
いる。変位量Ｖを座標とする横軸ＶをＮ等分する。

【００４３】ステップＳ２の第１ステップＳ’１では、
ＣＰＵにより、次の計算ＫＢを行う。ＫＢ：｛Ｐ（Ｎ）
−Ｐ（Ｎ−１）｝／｛Ｐ（Ｎ＋１）−Ｐ（Ｎ）｝。初期
値Ｎは、１である。この値ＫＢは、第１非線形部分ＡＢ
では、１ではない。値ＫＢが１であれば、そのときの値
Ｎが線形部分ＢＣの始端点Ｂの座標Ｖであり、点Ｂの位
置が決定される（ステップＳ’２）。

【００４４】次に、ステップＳ２の第３ステップＳ’３
では、ＣＰＵにより、次の計算ＫＣを行う（ステップ
Ｓ’４）。ＫＣ：｛Ｐ（Ｎ）−Ｐ（Ｎ−１）｝／｛Ｐ
（Ｎ＋１）−Ｐ（Ｎ）｝。初期値Ｎは、点Ｂに対応する
Ｎであってよい。この値ＫＣが０．８より小さい場合
は、その値Ｎで点Ｃが決定される（ステップＳ’５）。
次に、点Ｂと点Ｃの間で、直線近似を行って、図６に示
す線形部分ＢＣを作成する（ステップＳ３）。

【００４５】線形部分ＢＣに関して、そのコンプライア
ンスを求める（ステップＳ４）。そのコンプライアンス
が収束すれば（ステップＳ５）、得られたデータＰ
（Ｖ）から、ヤング率、耐力を計算により求めることが
でき（ステップＳ６）、負荷力Ｐの最大値と変位量Ｖの
最大値を知ることができる。

【００４６】図７は、本発明群の第２発明による材料特
性値計測用フレームの実施の形態、特に、圧縮試験用の
ものを示している。この材料特性値計測用フレームは、
圧縮試験に適用される剛構造のフレームとして設計さ
れ、第１八辺形フレーム１’を備えている。

【００４７】その８角形は、正８角形であり、且つ、１
体化されていることが好ましい。正８角形は、これが有
する中心点Ｐに対して、点対称である。中心点Ｐを原点
とする３次元直交座標系Ｘ−Ｙ−Ｚを設定する。今、仮
に、Ｘ軸方向を水平横方向又は左右方向といい、Ｚ軸方
向を鉛直方向又は上下方向といい、Ｙ軸方向（図８参
照）を水平縦方向又は前後方向という。８つの第１フレ
ーム要素１’−１，２，３，４，５，６，７，８は、中
心点Ｐを中心として環状に１周して、閉じた剛構造を形
成している。

【００４８】第１八辺形フレーム１の第１八辺形第１，
５フレーム要素１’−１，５に、それぞれに、上側軸受
２’、下側軸受３’が取りつけられている。上側軸受
２’、下側軸受３’は、第１八辺形第１，５フレーム要
素１’−１，５に対して、回転自在な回転体を有するこ
とが好ましく、共に玉軸受であることが特に好ましい。
上側軸受２’、下側軸受３’は、１本の鉛直方向軸心線
を共有するように、１直線上に配置されている。

【００４９】鉛直方向軸心線は、中心点Ｐを通るＺ軸に
一致している。円柱状の上側荷重負荷棒４’が、上側軸
受２’の中心孔に装着されている。上側荷重負荷棒４’
は、第１八辺形第１フレーム要素１’−１に対して回転
自在である。円柱状の下側荷重受台５’が、下側軸受
３’の中心孔に装着されている。下側荷重受台５’は、
第１八辺形第５フレーム要素１’−５に対して回転自在
である。

【００５０】上側荷重負荷棒４’と下側荷重受台５’
は、共通の軸心線であるＺ軸を共有している。下側荷重
受台５’の上端面に円形テーブル４１が固着されてい
る。被試験体９は、上側荷重負荷棒４’と円形テーブル
４１との間で、円形テーブル４１の上面に載置される。
被試験体９は、Ｘ軸方向に対向する左右両側の座屈防止
体４２により挟まれている。

【００５１】縦変位検出系１９’は、被試験体９と座屈
防止体４２との間に配置されている。被試験体９は、円
形テーブル４１上で、−Ｚ方向に負荷がかけられる上側
荷重負荷棒４’により圧縮される。このような負荷によ
り被試験体９が縮む際に被試験体９の縮み端と同体に下
動する上側荷重負荷棒４’は、上側軸受２’に対してＺ
軸方向（下方）に摺動自在である。

【００５２】図８に示されているように、１平面上で閉
じる第２八辺形フレーム４５が、第１八辺形フレーム
１’に一体に結合している。その８角形は、正８角形で
あり、且つ、１体化されていることが好ましい。正８角
形は、これが有する中心点Ｐに対して、点対称である。
第２八辺形フレーム４５は、８辺の第２八辺形第１，
２，３，４，５，６，７，８フレーム要素４５−１，
２，３，４，５，６，７，８を備えている。８つの第２
八辺形フレーム要素４５−１，２，３，４，５，６，
７，８は、中心点Ｐを中心として環状に１周して、閉じ
た剛構造を形成している。第２八辺形フレーム４５と第
１八辺形フレーム１’とは、互いに直交して交叉してい
る。

【００５３】第２八辺形第１フレーム要素４５−１は、
図８に示すように、第１八辺形第１フレーム要素１’−
１に直交し１平面上で交叉してＹ軸方向に延び、第１八
辺形第１フレーム要素１’−１に一体に形成されてい
る。第２八辺形第５フレーム要素４５−５は、第１八辺
形第５フレーム要素１’−５に直交し他の１平面上で交
叉してＹ軸方向に延びて、第１八辺形第５フレーム要素
１’−５に一体に形成されている。第１八辺形第１フレ
ーム要素１’−１と第２八辺形第１フレーム要素４５−
１とは、上側軸受２’を共有している。第１八辺形第５
フレーム要素１’−５と第２八辺形第５フレーム要素４
５−５とは、下側軸受３’を共有している。

【００５４】第２八辺形第３フレーム要素４５−３と第
２八辺形第７フレーム要素４５−７は、それぞれに、鉛
直方向（Z軸方向）に延びている。第２八辺形第３フレ
ーム要素４５−３の中心位置に、前側軸受４６が取りつ
けられている。前側軸受４６は、第２八辺形第３フレー
ム要素４５−３に対して、回転自在な回転体を有するこ
とが好ましく、玉軸受であることが特に好ましい。前側
軸受４６の水平方向軸心線は、中心点Ｐを通る。

【００５５】第２八辺形第７フレーム要素４５−７の中
心位置に、後側軸受４７が取りつけられている。後側軸
受４７は、第２八辺形第７フレーム要素４５−７に対し
て、回転自在な回転体を有することが好ましく、玉軸受
であることが特に好ましい。後側軸受４７の水平方向軸
心線は、中心点Ｐを通る。このように、前側軸受４６、
後側軸受４７とは、同一軸心線を共有している。

【００５６】前側軸受４６の中心孔に前側横変位検出計
４８が通され固着されている。後側軸受４７の中心孔に
後側横変位検出計４９が通され固着されている。前側横
変位検出計４８と後側横変位検出計４９は、被試験体９
のＹ軸方向の変位を検出するための慣用の変位検出手段
である。前側横変位検出計４８の前側触子５１は被試験
体９の前側面に接触し、後側横変位検出計４９の後側触
子５２は被試験体９の後側面に接触している。

【００５７】第１八辺形第３フレーム要素１’−３と第
１八辺形第７フレーム要素１’−７は、それぞれに、鉛
直方向（Ｚ軸方向）に延びている第１八辺形第３フレー
ム要素１’−３と第１八辺形第７フレーム要素１’−７
のそれぞれの中心位置に、左側軸受５３、右側軸受５４
が取りつけられている。

【００５８】左側軸受５３右側軸受５４は、第１八辺形
第３フレーム要素１’−３、 第１八辺形第７フレーム
要素１’−７に対して、それぞれに回転自在な回転体を
有することが好ましく、玉軸受であることが特に好まし
い。左側軸受５３と右側軸受５４の水平方向軸心線は、
中心点Ｐを通る。左側軸受５３と右側軸受５４とは、同
一の軸心線を共有している。

【００５９】左側軸受５３、右側軸受５４のそれぞれの
中心孔に、第１支持棒５５、第２支持棒５６が摺動自在
に通されている。左側の座屈防止体４２と第１八辺形第
３フレーム要素１’−３の内面との間に、左側押圧用ス
プリング５７が介設されている。右側の座屈防止体４２
と第１八辺形第７フレーム要素１’−７の内面との間
に、右側押圧用スプリング５８が介設されている。

【００６０】このように左右の左側押圧用スプリング５
７と右側押圧用スプリング５８による押圧力を受ける左
右の座屈防止体４２のいずれかと被試験体９との間に、
既述の通り、縦変位検出計１９’が配置されている。縦
変位検出計１９’は、被試験体９のＺ軸方向の縮みを検
出するための慣用の変位検出手段である。

【００６１】図９に示すように、第１八辺形フレーム
１’及び第２八辺形フレーム４５に、第３八辺形フレー
ム６１が結合している。第３八辺形フレーム６１は、第
１八辺形フレーム１’及び第２八辺形フレーム４５の両
方に直交して交叉している。その８辺は、１体化されて
いることが好ましい。

【００６２】第３八辺形フレーム６１は、中心点Ｐに対
して、点対称に形成されている。第３八辺形フレーム６
１は、第３八辺形第１，２，３，４，５，６，７，８フ
レーム要素６１−１，２，３，４，５，６，７，８から
形成されている。８つの第３八辺形フレーム要素６１’
−１，２，３，４，５，６，７，８は、中心点Ｐを中心
として環状に１周して、閉じた剛構造を形成している。

【００６３】第３八辺形第１フレーム要素６１−１は、
図９に示すように、第１八辺形第７フレーム要素１’−
７に直交し１平面上で交叉してＹ軸方向に延びて、第１
八辺形第７フレーム要素１’−７に一体に形成されてい
る。第３八辺形第３フレーム要素６１−３は、第２八辺
形第３フレーム要素４５−３に直交し他の１平面上で交
叉してＸ軸方向に延びて、第２八辺形第３フレーム要素
４５−３に一体に形成されている。

【００６４】第３八辺形第５フレーム要素６１−５は、
第１八辺形第３フレーム要素１’−３に直交し更に他の
１平面上でＸ軸方向に延びて、第１八辺形第３フレーム
要素１’−３に一体に形成されている。第３八辺形第７
フレーム要素６１−７は、第２八辺形第７フレーム要素
４５−７に直交し更に他の１平面上で交叉してＸ軸方向
に延びて、第２八辺形第７フレーム要素４５−７に一体
に形成されている。

【００６５】第３八辺形第１フレーム要素６１−１は、
右側軸受５４を共有している。第３八辺形第３フレーム
要素６１−３は、前側軸受４６を共有している。第３八
辺形第５フレーム要素６１−５は、左側軸受５３を共有
している。第３八辺形第７フレーム要素６１−７は、後
側軸受４７を共有している。

【００６６】上側軸受２’と下側軸受３’とを１直線上
に配置して上側荷重負荷棒４’と円形テーブル４１とを
１直線上に配置することにより荷重負荷条件を一定にす
ることができ、後述する荷重Ｐと歪みに相当する変位量
Ｖとの間の良好な関係データを試験開始直後から取得す
ることができる。

【００６７】一直線上にある前側軸受４６と後側軸受４
７により左右の前側横変位検出計４８と後側横変位検出
計４９を１直線上に配置することにより、被試験体９に
対する前側横変位検出計４８と後側横変位検出計４９の
取り付け位置が一定になって安定し、試験中に安定した
よい精度を得ることができ、ばらつき処理の精度が向上
する。

【００６８】一直線上に配置されている左側軸受５３と
右側軸受５４により案内される第１支持棒５５、第２支
持棒５６により座屈防止体４２を押圧することにより、
被試験体９には計測に有害な変形（座屈）が生じない。
更に、３つの八辺形フレームを互いに直交させて３次元
的に変形がないフレームを構成したから、データを高精
度に得ることができる。

【００６９】直交３平面上に配置して一体に結合した枠
構造が被試験体９と測定器との間に介設される剛構造
（変形性がないように相対的な一体構造、言い換える
と、枠構造と変位形が、同一座標系内で相対的に一体化
されている。）は、被試験体９に有害な曲がり変形が生
じることを防止することができるとともに、横歪み（変
位）計及び縦歪み（変位）計を取り付ける取付構造がシ
ンプルであり、被試験体９が試験開始時点から破断時点
までの全試験期間中でこれら検出計を取り外すことが不
要であり、後述する特性値の計算に必要な全データを高
精度に取り組むことができる。

【００７０】このような圧縮試験装置による測定方法
は、伸びと縮みの相違を除き、引張試験に関して図４，
５を参照して説明した測定方法に全く同じである。その
測定に対して用いる回路も、既述したもの（図示され
ず）がそのまま用いられる。

【００７１】図１０は、本発明群の第３発明による材料
特性値計測用フレームの実施の形態、特に、亀裂試験用
のものを示している。この材料特性値計測用フレーム
は、亀裂試験に適用される剛構造のフレームとして設計
され、八辺形フレーム７１を備えている。

【００７２】その八辺形は，正８角形であり、且つ、１
体化されていることが好ましい。正８角形は、これが有
する中心点Ｐに対して、点対称である。中心点Ｐを原点
とする３次元直交座標系Ｘ−Ｚを設定する。８つのフレ
ーム要素７１−１，２，３，４，５，６，７，８は、中
心点Ｐを中心として環状に１周して、閉じた剛構造を形
成している。

【００７３】八辺系フレーム１の第１，５フレーム要素
７１−１，５に、それぞれに、上側軸受７２，下側軸受
７３が取り付けられている。上側軸受７２，下側軸受７
３は、第１，５辺フレーム要素７１−１，５に対して、
回転自在な回転体を有することが好ましく、共に玉軸受
であることが特に好ましい。上側軸受７２，下側軸受７
３は、１本の鉛直方向軸心線を共有するように、１直線
上に配置されている。鉛直方向軸心線は、中心点Ｐを通
るＺ軸に一致している。

【００７４】円柱状の上側荷重負荷棒７４が、上側軸受
７２の中心孔に装着されている。上側荷重負荷棒７４
は、第１辺フレーム要素７１−１に対して回転自在であ
る。円柱状の下側荷重負荷棒７５が、下側軸受７３の中
心孔に装着されている。下側荷重負荷７棒５は、第５辺
フレーム要素７１−５に対して回転自在である。

【００７５】上側荷重負荷棒７４と下側荷重負荷棒７５
は、共通の軸心線であるＺ軸を共有している。上側荷重
負荷棒７４の下端部と下側荷重負荷棒７５の上端部は、
図１１に示すように、上下の荷重負荷ピン７６，７７を
介して上下２位置で被試験体９’に結合している。

【００７６】被試験体９’には、変位検出計７８が取り
つけられている。変位検出計７８は、被試験体９’の亀
裂の幅を検出することができる慣用のクリップゲージで
ある。被試験体９’は、環境槽７９の中に収容されてい
る。環境槽７９は、液化窒素が封入されている低温槽で
ある。変位検出計７８から出力される電気信号は、図１
０中に示すＡ／Ｄ変換器８１により直流に変換され、Ｃ
ＰＵ８２に入力される。

【００７７】図１２は、被試験体９’の亀裂８３を示し
ている。中心点Ｐを含む亀裂８３は、中心点Ｐの左右側
に拡大し、右側の端点で収束している。中心点Ｐと被試
験体９’の右側端との間の距離即ち中心点Ｐを原点とす
るＸ−Ｚ座標系での被試験体９’の右側端の座標をＷで
表す。亀裂８３のＸ軸上の座標値ａと前記距離Ｗとの比
であるａ／Ｗは、次式で表わされる。

【００７８】

【数１】

【数２】 B:被試験９’の厚さ，E:縦弾性係数，C0〜C５:定数，P:
負荷力

【００７９】各位置における式（２）中のＶ、式（１）
のａ／Ｗ、定数C０〜C５の値は、図１２中に示されてい
る。このような亀裂７３は、一般に、繰り返し負荷力Ｐ
と変位量Ｖとの関係が、図１３に示すようなサインカー
ブに類似した曲線で表される。変位量Ｖは、ｎ等分され
る。

【００８０】図１４は、ＣＰＵ８２を動作させるプログ
ラムのフローチャートを示している。図１０に示す亀裂
試験装置のＡ／Ｄ変換器８１を介して取得される（ステ
ップＳ２１）データＰ（Ｖ）は、ＣＰＵ８２に入力され
る。取得されるデータは、図１３に示すように、点Ａか
ら点Ｄまでの１周期分であるが、下記するように、コン
プライアンスの実際の計算のために使用される部分は、
点Ｂと点Ｃとの間のものである。

【００８１】ステップＳ２２で、点Ｂと点Ｃとが決定さ
れる。この位置決定プログラムに対応するフローチャー
トが、図１４中に別個に示されている。ステップＳ２の
第１ステップＳ’２１では、ＣＰＵ８２により、次の計
算ＫＢを行う。ＫＢ：Ｐ（Ｎ），Ｐ（Ｎ−１）。初期値
Ｎは、１である。Ｐ（Ｎ）＜Ｐ（Ｎ−１）であれば、そ
のときの値Ｎが曲線部分ＢＣの始端点Ｂの座標Ｖであ
り、点Ｂの位置が決定される（ステップＳ’２２）。

【００８２】次に、ステップＳ２の第３ステップＳ’２
３では、ＣＰＵ８２により、次の計算ＫＣを行う。Ｋ
Ｃ：Ｐ（Ｎ）、Ｐ（Ｎ）。Ｐ（Ｎ）＞Ｐ（Ｎ−１）であ
れば、その値Ｎで点Ｃが決定される（ステップＳ’２
４）。次に、ステップＳ２３で、区間ＢＣの間で、最小
２乗近似を行い、続いて、そのコンプライアンスを求め
る（ステップＳ２４）。

【００８３】そのコンプライアンスが収束しない場合
（ステップＳ２５）は、標準偏差値を計算し（ステップ
Ｓ２６）、標準偏差のばらつきが大きいデータを消去す
る（ステップＳ２７）。このような消去を続けて、その
コンプライアンスが収束すれば、亀裂長さを計算する
（ステップＳ２８）。

【００８４】上側軸受７２と下側軸受７３とを１直線上
に配置して上側荷重負荷棒７４と下側荷重負荷棒７５と
を１直線上に配置することにより、荷重負荷条件を一定
にすることができ、後述する荷重Ｐと歪みに相当する変
位量Ｖとの間の良好な関係データを試験開始直後から取
得することができる。

【００８５】図１４に示す試験方法は、試験を中断する
ことなく、リアルタイムで亀裂長さを求めることができ
る。従来のように亀裂を目視する必要がない。極低温下
でも、破壊じん性試験及び亀裂進展試験の自動化、省力
化が可能である。

【００８６】

【発明の効果】本発明による材料特性値計測用フレーム
及び材料特性値計測方法は、測定値を正しいものとする
ことにより高精度化が可能である。特に、このような高
精度化は、コンピュータによる微分計算、最小２乗法な
どの標準偏差よる統計処理計算の精度を意義あるものと
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による引張試験用材料特性値計
測用フレームの実施の形態を示す正面断面図である。

【図２】図２は、図１の側面断面図である。

【図３】図３は、図１の平面断面図である。

【図４】図４は、引張試験方法のフローチャートであ
る。

【図５】図５は、引張試験方法のフローチャートであ
る。

【図６】図６は、Ｐ（Ｖ）を示すグラフである。

【図７】図７は、本発明による圧縮材料特性値計測用フ
レームの実施の形態を示す正面断面図である。

【図８】図８は、図１の側面断面図である。

【図９】図９は、図１の平面断面図である。

【図１０】図１０は、本発明による亀裂材料特性値計測
用フレームの実施の形態を示す正面断面図である。

【図１１】図１１は、図１の側面断面図である。

【図１２】図１２は、被試験体の亀裂を示す正面図であ
る。

【図１３】図１３は、Ｐ（Ｖ）を示すグラフである。

【図１４】図１４は、亀裂試験方法のフローチャートで
ある。

【図１５】図１５は、従来の試験装置を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１，１’・・・８辺形フレーム ９・・・被試験体 １９，１９’・・・縦変位検出計 Ｐ・・・負荷 Ｖ・・・変位 ＣＰＵ・・・コンピュータ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】閉じた第１フレームと、 第２フレームからなり、 前記第２フレームは前記第１フレームを介して閉じてお
   り、 被試験材料体に引張負荷を与える荷重負荷棒が前記第１
   フレームにその負荷方向に移動自在に支持され、 前記材料試験体前記負荷方向に交叉する方向の変位を検
   出するための横変位検出計は前記第１フレームに支持さ
   れ、 前記材料試験体の前記負荷方向の変位を検出するための
   縦変位検出計は前記第２フレームに支持されている材料
   特性値計測用フレーム。
2. 【請求項２】 閉じた第1フレームと、 前記第1フレームに交叉して結合し自ら閉じた第2フレー
   ムとからなり、 被試験材料体に圧縮負荷を与える荷重負荷棒が前記第1
   フレームにその負荷方向に移動自在に支持され、 前記材料試験体の前記負荷方向に交叉する方向の変位を
   検出するための横変位検出計は前記第1フレームに支持
   され、 前記材料試験体の前記負荷方向の変位を検出するための
   縦変位検出計は前記第2フレームに支持されている材料
   特性値計測用フレーム。
3. 【請求項３】閉じたフレームからなり、 前記フレームの中心域に被試験材料体の環境を整備する
   ための環境整備手段が配置され、 前記被試験材料体の亀裂を変化させる負荷を与える荷重
   負荷棒が前記フレームにその負荷方向に移動自在に支持
   されている材料特性値計測用フレーム。
4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３から選択される
   １請求項の材料特性値計測用フレームを用いた材料試験
   方法において、 前記引張負荷負、前記圧縮負荷、前記亀裂負荷から選択
   される１つの負荷Ｐと前記被試験材料体の変位Ｖとの関
   数関係Ｐ（Ｖ）を測定により得ること、 前記関数関係Ｐ（Ｖ）の値を等間隔△Ｖでコンピュータ
   により得ること、 前記等間隔△Ｖで前記関数関係の微分値を前記コンピュ
   ータで得ることとからなる材料特性値計測方法。
5. 【請求項５】被試験材料体を把握して前記被試験体に負
   荷Ｐをかけて前記負荷Ｐと前記試験材料体の変位Ｖとの
   関数関係Ｐ（Ｖ）を測定により得ること、 前記関数関係Ｐ（Ｖ）の値を等間隔△Ｖでコンピュータ
   により得ること、 前記等間隔△Ｖで前記関数関係Ｐ（Ｖ）の微分値を前記
   コンピュータで得ること、 前記微分値の変化特性を前記コンピュータで割り出すこ
   ととからなる材料特性値計測方法。
6. 【請求項６】請求項５において、 前記変化特性は前記微分値が急激に変化することである
   材料特性値計測方法。
7. 【請求項７】請求項５において、 前記変化特性は前記微分値が零又は零に近いことである
   材料特性値計測方法。
8. 【請求項８】引張り試験、圧縮試験、亀裂試験のいずれ
   かから選択される１つの試験を行うフレームであり、 閉じていて点対称である材料特性値計測フレーム。