JP2002022632A - 疲労亀裂計測方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 疲労亀裂計測方法及び装置において、疲労亀
裂伝播速度特性を高精度で評価することができるように
する。 【解決手段】 疲労亀裂計測方法及び装置において、荷
重混合モード下のコンプライアンス増加倍率と各コンプ
ライアンス増加倍率に対応する疲労亀裂の深さとの関係
を示す校正曲線を予め求めておき、与えられた試験片２
１について、ステッピングモータ１６付きのボルト１５
等の引張り力調整手段により亀裂の深さが均一となるよ
うに引張り力を調整しつつ、荷重混合モード下における
試験片２１上の亀裂発生箇所２１ｄの変位を変位計１３
により計測し、計測した変位に対応するコンプライアン
ス増加倍率を求め、求めたコンプライアンス増加倍率と
上記校正曲線とに基づいて試験片２１に生成した疲労亀
裂の深さを推定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、引張荷重と圧縮荷
重と捩り荷重とが同時に複合し混合荷重として作用する
荷重混合モード下において当該混合荷重が負荷された試
験片に生成する疲労亀裂を計測する疲労亀裂計測方法及
び当該疲労亀裂計測方法を実施するために使用される装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は試験片の疲労亀裂の長さすなわち
深さを測定する従来の亀裂深さ測定方法を説明するため
の亀裂深さ測定装置の要部平面図、図８は亀裂深さを荷
重と材料の変位あるいは歪量との関係から推定する従来
の亀裂深さ推定方法を説明するためのグラフである。

【０００３】従来、各種材料において疲労により発生し
た疲労亀裂の伝播速度の特性すなわち疲労亀裂伝播速度
特性を把握するために、疲労亀裂伝播速度特性試験が行
われている。従来の疲労亀裂伝播速度特性試験において
は、多くの場合、図７に示すようなＣＴ試験片１が用い
られ、このＣＴ試験片１に対し、例えば矢印５により示
される荷重方向の引張荷重及びその逆向きの圧縮荷重を
作用させるような引張及び圧縮荷重の条件下で、荷重試
験が実施される。

【０００４】図７及び図８において、試験片１に発生し
た亀裂２の長さすなわち深さは、試験片１の背面側に貼
り付けた歪ゲージ３を用いて計測した歪量εと矢印５の
方向に作用する荷重５との間の傾きとして求められるコ
ンプライアンス、あるいは変位計４を用いて計測した切
欠開口の幅の亀裂の生成に伴う変化量すなわち変位量δ
と荷重５との傾きとして求められるコンプライアンスか
ら推定される。

【０００５】しかしながら、実際の構造物においては、
単純な引張及び圧縮の荷重条件のみが作用することは稀
で、むしろ各方向の荷重が同時に複合し混合荷重として
作用するケースが多い。そのため、従来のＣＴ試験片１
を用いることによる単純な引張及び圧縮荷重条件下の疲
労亀裂伝播速度特性の把握だけでは、実際の構造物に対
応した評価を十分に行うことができない。そこで、例え
ばポンプ軸のように、引張り及び圧縮荷重に加えて捩り
荷重も同時に複合して混合荷重として作用するような荷
重混合モード下に置かれる構造物構成体については、引
張荷重と圧縮荷重と捩り荷重とが同時に複合し混合荷重
として作用する荷重混合モードの下で実際の荷重条件を
模擬した荷重試験を行うことができるような、荷重試験
法及び亀裂計測法が必要である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、荷重混合モ
ード下において疲労亀裂の計測を行うに当たっては、以
下の点が課題となる。 （１）引張及び圧縮荷重の方向の疲労亀裂の開口部の変
位量を精度良く計測することのできる変位計が必要とな
ること。すなわち、捩り荷重による回転方向の動きに影
響されず、なお且つ引張及び圧縮方向のみの変位量を精
度良く測定することのできる変位計が新たに必要となる
こと。 （２）荷重混合モード下における疲労亀裂の長さすなわ
ち深さと疲労亀裂の開口量との相関関係を把握しておく
必要がある。すなわち、捩りの応力拡大係数範囲と引張
及び圧縮の応力拡大係数範囲との比として求められるモ
ード比や、材料等の各条件が異なると、荷重混合モード
下における亀裂の長さすなわち深さと亀裂の開口量との
相関関係がどのように異なるのか等についても、把握し
ておく必要がある。 （３）疲労亀裂を疲労亀裂の生成箇所に関係なく均一に
成長させることができるような荷重試験装置が必要であ
る。すなわち、例として丸棒試験片に対して荷重混合モ
ードの荷重試験をした場合、この試験片に発生する疲労
亀裂は、必ずしも試験片の周面に沿って同心円状に均一
に成長するとは限らず、試験片の固定の仕方に起因する
各部位に作用する荷重のアンバランスにより、試験片上
には、亀裂の成長の比較的早い箇所と、亀裂の成長の比
較的遅い箇所とが生じ易い。このように亀裂の長さすな
わち深さが試験片上の各位置により異なると、応力拡大
係数等の力学量の正確な計算が困難となる。このため荷
重混合モード下における疲労亀裂伝播速度特性を正確に
評価するためには、試験片における疲労亀裂のいずれの
生成箇所においても疲労亀裂を疲労亀裂の生成箇所に関
係なく均一に成長させることができるような荷重試験装
置が新たに必要となる。

【０００７】そこで、本発明は、荷重混合モード下にお
ける疲労亀裂の長さすなわち深さと疲労亀裂の開口部の
変位量との相関関係をモード比や材料の材質に影響され
ることなく把握することができるようにし、疲労亀裂伝
播速度特性を高精度で評価することができるようにし、
その結果、実際の構造物構成体ひいては構造物の安全性
を確実且つ有効に評価することができるようにした、疲
労亀裂計測方法を提供しようとするものである（請求項
１）。

【０００８】また、本発明は、荷重混合モード下におい
ても疲労亀裂による材料の変位量を高い精度で測定する
ことができるようにし、荷重混合モード下における疲労
亀裂の長さすなわち深さと疲労亀裂の開口部の変位量と
の相関関係をモード比や材料の材質に影響されることな
く把握することができるようにし、荷重混合モード下に
おける荷重試験の際に試験片に生じる疲労亀裂が疲労亀
裂の生成箇所に関係なく均一に成長することができるよ
うにし、疲労亀裂伝播速度特性を高精度で評価すること
ができるようにし、その結果、実際の構造物構成体ひい
ては構造物の安全性を確実且つ有効に評価することがで
きるようにした、疲労亀裂計測装置を提供しようとする
ものである（請求項２）。

【０００９】さらに、本発明は、荷重混合モード下にお
いても疲労亀裂による材料の変位量を高い精度で測定す
ることができるようにし、疲労亀裂伝播速度特性を高精
度で評価することができるようにし、その結果、実際の
構造物構成体ひいては構造物の安全性を確実且つ有効に
評価することができるようにした、変位計を提供しよう
とするものである（請求項３）。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明の疲労亀裂計測方法は、引張荷重と圧縮荷重
と捩り荷重とが同時に複合し混合荷重として作用する荷
重混合モード下において当該混合荷重が負荷された試験
片に生成する疲労亀裂を計測する疲労亀裂計測方法であ
って、当該混合荷重により試験片に疲労亀裂を生成さ
せ、上記試験片上の亀裂発生箇所の変位と上記混合荷重
との比として求められるコンプライアンスを上記疲労亀
裂の発生時から当該疲労亀裂の成長の過程を通して時系
列的に求めることによって、試験を開始した直後のコン
プライアンスである初期コンプライアンスに対するその
後のコンプライアンスの倍率であるコンプライアンス増
加倍率を求め、各コンプライアンス増加倍率と各コンプ
ライアンス増加倍率に対応する疲労亀裂の深さとの関係
を示す曲線を予め校正曲線として求めておき、与えられ
た試験片について、上記荷重混合モード下における当該
与えられた試験片上の亀裂発生箇所の変位を計測し、計
測した変位に対応するコンプライアンス増加倍率を求
め、求めたコンプライアンス増加倍率と上記校正曲線と
に基づいて当該与えられた試験片に生成した疲労亀裂の
深さを推定することを特徴としている。

【００１１】また、本発明の疲労亀裂計測装置は、引張
荷重と圧縮荷重と捩り荷重とが同時に複合し混合荷重と
して作用する荷重混合モード下において当該混合荷重が
負荷された試験片に生成する疲労亀裂を計測するための
疲労亀裂計測装置であって、試験片の一端側を把持して
当該試験片に上記混合荷重を負荷する荷重負荷部と、上
記試験片の他端側を把持して固定する固定把持部と、上
記荷重負荷部と上記固定把持部との間の位置において上
記試験片の変位を計測するための変位計測手段と、上記
試験片の変位を計測するための変位計測位置よりも上記
固定把持部側の位置において上記試験片に対し上記固定
把持部側への引張り力を上記試験片上の任意に選択され
た位置において選択された大きさの引張り力を負荷する
引張り力調整手段と、を備えている。

【００１２】さらに、本発明の変位計は、引張荷重と圧
縮荷重と捩り荷重とが同時に複合し混合荷重として作用
する荷重混合モード下において当該混合荷重が負荷され
た試験片に生成する疲労亀裂を計測するための変位計で
あって、上記試験片上の第１の位置に着脱可能に固定さ
れる基部と、当該基部から上記試験片の表面に対して垂
直な向きに立上がるようにして立設された立上がり支柱
部と、当該立上がり支柱部の頂部から当該立上がり支柱
部の側方へ向けて張出し前後両側面が歪ゲージを適用す
ることができる側面として形成された張出し肩部と、当
該張出し肩部の先端部から上記試験片上の上記第１の位
置から離隔した第２の位置に向かうようにして突設され
上記張出し肩部の先端部寄りの部分には上記立上がり支
柱部に対して接近離反する方向に弾性変形をすることが
でき歪ゲージを適用することができる外側表面及び内側
表面を有する弾性薄肉部が形成され先端部において上記
基部の底面の水準よりも僅かに後退した位置に先端面が
形成され当該先端面に隣接して上記試験片の上記第２の
位置の表面上に立設された接触ピンに線接触状態で当接
することができる先端接触面が形成された接触腕部とを
備えている。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面により本発明の実施の
形態について説明する。図１は本発明の一実施の形態に
係る疲労亀裂計測装置の使用態様の一例を示す要部側面
図、図２は図１のＡ部拡大図、図３は図１のＢ−Ｂ線に
沿って見た要部横断平面図、図４（１）は本発明の一実
施の形態に係る疲労亀裂計測装置の側面図、図４（２）
は図４（１）の疲労亀裂計測装置の平面図、図５（１）
は試験片の一例を示す側面図、図５（２）は図５（１）
の試験片の要部拡大側面図、図５（３）は図５（１）の
試験片の端面図、図６はコンプライアンス増加倍率と試
験片の亀裂深さとの関係を示すグラフである。

【００１４】まず図５（１），図５（２）及び図５
（３）において、引張荷重と圧縮荷重と捩り荷重とが同
時に複合し混合荷重として作用する荷重混合モードの下
で、当該混合荷重により試験片に疲労亀裂を発生させる
とともに、発生した亀裂を成長させ、その際に当該試験
片上の亀裂の発生箇所によって亀裂の長さすなわち深さ
にばらつきが生じることのないように、上記発生した疲
労亀裂を均一に成長させ、成長に伴って変化する亀裂の
長さすなわち深さを変位計により即時的に計測するよう
にした疲労亀裂計測方法を実施するために、試験片とし
て例えば丸棒状の試験片２１を採用することができる。

【００１５】図５（１），図５（２）及び図５（３）に
示すように、試験片２１は、中央丸棒部２１ａと、中央
丸棒部２１ａの両端側に形成された一対の径大把持部２
１ｂと、各径大把持部２１ｂの外周部に径大把持部２１
ｂと一体的に形成されたフランジ部２１ｃとを有する。
中央丸棒部２１ａの外周部には周方向に切欠溝２１ｄが
形成されている。切欠溝２１ｄは、中央丸棒部２１ａの
周方向に一様に均一に形成され、特に図５（２）に部分
的に拡大して示すように、一方の側の切込円錐面と他方
に側の切込円錐面とは、例えば共に中央丸棒部２１ａの
軸線に垂直な面すなわち試験片２１の横断面に対して等
角度の斜角を有している。

【００１６】図５（１），図５（２）及び図５（３）に
おいて、各切込円錐面の中央丸棒部２１ａの軸線に垂直
な面に対する斜角は、図示の場合にはそれぞれ２２．５
度であるが、荷重試験の条件に応じて斜角２２．５度に
替えて別の斜角を採用することができる。また、一方の
側の切込円錐面と他方に側の切込円錐面とが交わる切欠
溝２１ｄの最深部の、中央丸棒部２１ａの軸線を通る面
すなわち試験片２１の縦断面内における曲率半径Ｒは、
図示の場合には０．０５ｍｍであるが、荷重試験の条件
に応じて曲率半径０．０５ｍｍに替えて別の曲率半径Ｒ
を採用することができる。

【００１７】図４（１）及び図４（２）に、荷重混合モ
ード下の疲労亀裂の生成による開口の変位量、すなわち
例えば試験片２１の切込溝２１ｄにより形成された周方
向の環状の開口の試験片２１の軸方向の変位量、を計測
するのに好適に使用することのできる変位計１３の一例
を示す。変位計１３は、試験片２１の切込溝２１ｄによ
り形成された開口を挟んで一方の側の試験片２１の表面
上に例えば基部固定用溝６を利用してボルト等の固定手
段により固定される基部１３ａを有する。当該基部１３
ａからは試験片２１の表面に対して垂直な向きに立上が
るようにして立上がり支柱部１３ｂが一体的に立設され
ている。

【００１８】図４（１）及び図４（２）において、立上
がり支柱部１３ｂの頂部から、立上がり支柱部１３ｂの
側方へ向けて張出し肩部１３ｃが一体的に張り出してお
り、当該張出し肩部１３ｃの張出し部における前後両側
面は、一方の側面上にはアクティブゲージとしての歪ゲ
ージ９を、また他方の側面上にはダミーゲージとしての
歪ゲージ１０を適用することができるように、それぞれ
滑らかな側面として形成されている。張出し肩部１３ｃ
の先端部からは、立上がり支柱部１３ｂに対して概ね平
行で試験片２１の切込溝２１ｄにより形成された開口を
跨いだ位置の他方の側の試験片２１の表面に向かうよう
にして、使用時には切込溝２１ｄにより形成された開口
を跨いだ位置の他方の側の試験片２１の表面上に立設さ
れる接触ピンに先端部が当接する接触腕部１３ｅが突設
されている。

【００１９】図４（１）及び図４（２）に示すように、
接触腕部１３ｅの基端部寄りの部分すなわち張出し肩部
１３ｃの先端部寄りの部分には、滑らかな円弧面を形成
する外面側の凹窪面１３ｄによって厚みが長手方向に滑
らかに変化し接触腕部１３ｅの先端側が外力に応じて立
上がり支柱部１３ｂに対して接近及び離反する方向に復
原自在に弾性変形をすることができ、外面側にはアクテ
ィブゲージとしての歪ゲージ７を、また裏面側にはダミ
ーゲージとしての歪ゲージ８を適用することができるよ
うに、それぞれ滑らかな表裏両面を有する弾性薄肉部１
２が形成されている一方、接触腕部１３ｅの先端部にお
いては、基部１３ａの底面の水準よりも僅かに後退した
位置に先端面１１が形成されているとともに、当該先端
面１１に隣接し立上がり支柱部１３ｂとは反対側の外向
きに僅かに突出した部分には、試験片２１の切込溝２１
ｄにより形成された開口を跨いだ位置の他方の側の試験
片２１の表面上に立設された接触ピンに当接する外向き
の先端接触面１３ｆが形成されている。

【００２０】図１ないし図３において、模式的に示した
試験片２１の一端側は図示されていない上方の荷重負荷
機構部の把持手段により把持され、試験片２１の他端側
の径大把持部２１ｂには割型フランジ１７が径大把持部
２１ｂを側方から挟み込むようにして嵌合している。割
型フランジ１７は、それぞれステッピングモータ１６に
より回転駆動される複数本のボルト１５によって固定台
２２側に締め付けられることにより、試験片２１のフラ
ンジ２１ｃを全周に亙って下向きに押圧する。図１ない
し図３においては、割型フランジ１７は一対の片側フラ
ンジ構成体よりなる半割りフランジとして示され、各片
側フランジ構成体が、それぞれステッピングモータ１６
付きの２本のボルト１５により固定台２２側に締め付け
られるように構成されているが、割型フランジ１７の形
状、ステッピングモータ１６付きのボルト１５の本数は
試験条件に応じて適宜に選択することができる。

【００２１】図１ないし図３に示すように、試験片２１
上に変位計１３を装着するに当たっては、試験片２１の
切込溝２１ｄにより形成された開口を挟んで一方の側の
試験片２１の表面上に、切込溝２１ｄに近接して、変位
計１３の基部１３ａをボルト等の固定手段により、基部
固定用溝６を利用して固定する。他方、試験片２１の切
込溝２１ｄにより形成された開口を挟んで他方の側の試
験片２１の表面上に、切込溝２１ｄに近接して、金属製
の丸棒形状の接触ピン１４を、相互に周方向に間隔をお
いて、例えば４カ所に相互に９０度ピッチの間隔で、半
径方向外方へ向けて突設しておく。

【００２２】図１ないし図３において、接触ピン１４
は、試験片２１が負荷荷重を受けて捩れても、変位計１
３の例えば４ｍｍ程度の幅に設定される先端接触面１３
ｆに対し、接触状態が変わらないように、丸棒形状とさ
れることが望ましい。接触ピン１４の試験片２１への垂
直取り付けに当たっては、例えば、パーカッションウェ
ルダーにより取付けたり、スポット溶接をしたり、試験
片２１にほぞ孔を穿設して当該ほぞ孔に差し込んで取付
けたりすることができる。いずれにしても、接触ピン１
４を試験片２１に取付ける際に、試験片２１を過剰に損
傷したり、変質させたりしないような方法を用いて、接
触ピン１４の試験片２１への垂直取り付けが行われる。

【００２３】図１ないし図３において、試験片２１上に
変位計１３を装着する際には、変位計１３の接触腕部１
３ｅの先端部における先端接触面１３ｆが、それぞれ対
応する接触ピン１４に当接し、その際、それぞれの接触
ピン１４に対して変位計１３の先端接触面１３ｆを若干
押し勝手にして変位計１３を試験片２１上に固定するよ
うにする。各接触ピン１４と先端接触面１３ｆとが上述
のように線接触をすることにより、試験片２１の捩りに
伴う回転方向の動きが、各接触ピン１４により抵抗され
ることなく円滑に行われる。

【００２４】図１ないし図３に示すように、混合荷重を
負荷する荷重試験の際には、試験片２１に対し、図示さ
れていない上方の荷重負荷機構により、矢印１９により
示されるような軸方向の引張り及び圧縮荷重が負荷され
ると同時に、矢印２０により示されるような軸周りの捩
り荷重が負荷される。試験片２１に作用する荷重は、試
験片２１に装着されたロードセル１８により検出され
る。

【００２５】図１ないし図３、図４（１）及び図４
（２）において、引張荷重と圧縮荷重と捩り荷重とが同
時に複合し混合荷重として作用する荷重混合モード下に
おける荷重試験を、例えば以下のようにして行うことが
できる。すなわち、まず各変位計１３の接触腕部１３ｅ
の先端部における先端接触面１３ｆを、対応する各接触
ピン１４に押し当てた状態で、引張荷重と圧縮荷重と捩
り荷重とが同時に複合した混合荷重を、試験片２１に負
荷する。そして、混合荷重の負荷に伴って先端接触面１
３ｆが試験片２１の軸方向へ移動するときの変位計１３
の弾性薄肉部１２に作用する曲げ応力に対応する弾性薄
肉部１２の歪量を測定し、その測定値を試験片２１の軸
方向の変位に換算する。その際、事前に試験片２１の変
位量と弾性薄肉部１２の曲げ応力に対応する歪量との関
係の校正カーブのデータを採取しておく。

【００２６】図４（１）及び図４（２）に示すように、
変位計１３の弾性薄肉部１２における曲げ応力に対応す
る歪量を計測するに当たっては、例えば変位計１３に歪
ゲージ７，８，９，１０を貼り付けて弾性薄肉部１２に
おける曲げ応力に対応する歪量を計測することができ
る。その際、接触腕部１３ｅの凹窪面１３ｄが形成され
た外面側にはアクティブゲージとしての歪ゲージ７を、
また裏面側にはダミーゲージとしての歪ゲージ８を貼り
付け、また張出し肩部１３ｃの張出し部における一方の
側面上にはアクティブゲージとしての歪ゲージ９を、ま
た他方の側面上にはダミーゲージとしての歪ゲージ１０
を貼り付けることができる。ゲージの結線方法として
は、例えば４ゲージ法に従って結線することができ、曲
げ歪は、例えば概ね２倍あるいはそれ以上の出力にして
感度良く計測することができる。

【００２７】図１ないし図３において、疲労亀裂計測装
置に設定された試験片２１に対し、矢印１９により示さ
れる方向の引張及び圧縮荷重と、矢印２０により示され
る方向の捩り荷重とを、同時に混合させて複合的に作用
させ、切込溝２１ｄに沿って環状に疲労亀裂を発生さ
せ、さらに発生した疲労亀裂を成長させて、混合モード
下における正確な疲労亀裂伝播速度特性を評価するため
には、疲労亀裂を周方向の生成個所において均一に、同
心円状に成長させる必要がある。そこで疲労亀裂が周方
向の生成個所において均一に成長するように、試験片２
１の下部の割型フランジ１７による試験片２１のフラン
ジ部２１ｃに対する軸方向への押圧力を、ステッピング
モータ１６とボルト１５とを備えた引張り力調整手段を
介して制御する。例えば、疲労亀裂が他の箇所に比べて
あまり伸びない箇所が生じた場合には、その箇所が引張
荷重の負荷時における引張荷重が作用しにくい状態にあ
ることから、当該箇所に最寄りのステッピングモータ１
６を回転させて対応するボルト１５を締付け回転させ、
対応する割型フランジ１７による締付け力を増加させ
て、試験片２１の対応する部分に対し荷重を受け易い状
態にする。

【００２８】試験中におけるステッピングモータ１６の
回転制御、すなわちボルト１５の締付け制御は、コンピ
ュータにより行うことができ、疲労亀裂の長さすなわち
深さを変位計１３により計測しながら、疲労亀裂の長さ
すなわち深さが他の箇所に比べて短い箇所がないかどう
かをコンピュータにより監視し、他の箇所に比べて疲労
亀裂の長さすなわち深さが短い箇所が生じた場合には、
コンピュータからの指令に従って自動的に該当する箇所
のボルト１５を適量だけ締め付けるようにすることがで
きる。

【００２９】以上のような疲労亀裂計測装置により、試
験片２１上の疲労亀裂の発生箇所の全幅に亙って均一な
長さすなわち深さに、例えば試験片が試験片２１のよう
に円柱形状である場合には全周に亙る同心円状に均一な
深さに、疲労亀裂を成長させることができ、複雑な荷重
混合モードの荷重条件下においても、疲労亀裂の計測を
正確に行うことができ、精度の高い疲労亀裂伝播速度特
性を評価することができる。

【００３０】次に、疲労亀裂伝播速度特性の評価の手順
について説明する。試験片２１に発生した疲労亀裂の長
さすなわち深さは、疲労亀裂計測装置における変位計１
３を用いて計測した試験片２１の変位量δとロードセル
１８により検出された荷重Ｐとの比として求められるコ
ンプライアンスＣ＝δ／Ｐから推定される。まず疲労亀
裂計測装置における変位計１３を用いて計測された試験
片２１の変位量δと、ロードセル１８により検出された
荷重Ｐとから、試験を開始した直後のコンプライアンス
である初期コンプライアンスＣ₀ と、その後のコンプラ
イアンスＣとを求める。コンプライアンスＣを求めるに
当たっては、疲労亀裂の成長を追って定期的にコンプラ
イアンスＣを求める。

【００３１】疲労亀裂の計算に当たっては、初期コンプ
ライアンスＣ₀ に対するその後のコンプライアンスＣの
倍率であるコンプライアンス増加倍率Ｃimag（Ｃimag＝
Ｃ／Ｃ₀ ）を求める。図６に、コンプライアンス増加倍
率Ｃimagと疲労亀裂の長さａとの関係を示す校正曲線の
一例を示す。図６の校正曲線を求めるに当たっては、以
下の試験条件で、試験を実施した。 試験環境：室温大気中 試験片 ：図５に例示した環状切欠試験片 材料 ：ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３４７ モード比：０， ０．５， １ ここで、モード比＝捩りの応力拡大係数範囲／引張・圧
縮の応力拡大係数範囲とする。

【００３２】図６の校正曲線からも明らかなように、引
張荷重と圧縮荷重と捩り荷重とが同時に複合し混合荷重
として作用する荷重混合モード下においても、疲労亀裂
の長さと、コンプライアンス増加倍率Ｃimagとの間に
は、相関があることが認められる。そして、コンプライ
アンス増加倍率Ｃimagを求め、その校正曲線を求めるこ
とによって、精度の高い亀裂計測が可能となることが確
認された。同時に、上述のモード比＝捩りの応力拡大係
数範囲／引張及び圧縮の応力拡大係数範囲にも影響され
ることなく、疲労亀裂の計測が可能であることも確認さ
れた。

【００３３】図１ないし図６に示した疲労亀裂計測方法
及び装置は、本発明の好適な実施の形態を例示したもの
にすぎず、本発明は、特許請求の範囲に記載した事項の
範囲内で種々の実施の形態に従って実施をすることがで
きる。

【００３４】

【発明の効果】（１）本発明の疲労亀裂計測方法によれ
ば、引張荷重と圧縮荷重と捩り荷重とが同時に複合し混
合荷重として作用する荷重混合モード下において当該混
合荷重が負荷された試験片に生成する疲労亀裂を計測す
る疲労亀裂計測方法であって、当該混合荷重により試験
片に疲労亀裂を生成させ、上記試験片上の亀裂発生箇所
の変位と上記混合荷重との比として求められるコンプラ
イアンスを上記疲労亀裂の発生時から当該疲労亀裂の成
長の過程を通して時系列的に求めることによって、試験
を開始した直後のコンプライアンスである初期コンプラ
イアンスに対するその後のコンプライアンスの倍率であ
るコンプライアンス増加倍率を求め、各コンプライアン
ス増加倍率と各コンプライアンス増加倍率に対応する疲
労亀裂の深さとの関係を示す曲線を予め校正曲線として
求めておき、与えられた試験片について、上記荷重混合
モード下における当該与えられた試験片上の亀裂発生箇
所の変位を計測し、計測した変位に対応するコンプライ
アンス増加倍率を求め、求めたコンプライアンス増加倍
率と上記校正曲線とに基づいて当該与えられた試験片に
生成した疲労亀裂の深さを推定することを特徴としてい
るので、荷重混合モード下における材料の疲労亀裂の長
さすなわち深さと疲労亀裂の開口部の変位量との相関関
係をモード比や材料の材質に影響されることなく把握す
ることができ、複雑な疲労亀裂伝播速度特性を高精度で
評価することができ、実際の構造物構成体ひいては構造
物の安全性を確実且つ有効に評価することができる（請
求項１）。 （２）本発明の疲労亀裂計測装置によれば、引張荷重と
圧縮荷重と捩り荷重とが同時に複合し混合荷重として作
用する荷重混合モード下において当該混合荷重が負荷さ
れた試験片に生成する疲労亀裂を計測するための疲労亀
裂計測装置であって、試験片の一端側を把持して当該試
験片に上記混合荷重を負荷する荷重負荷部と、上記試験
片の他端側を把持して固定する固定把持部と、上記荷重
負荷部と上記固定把持部との間の位置において上記試験
片の変位を計測するための変位計測手段と、上記試験片
の変位を計測するための変位計測位置よりも上記固定把
持部側の位置において上記試験片に対し上記固定把持部
側への引張り力を上記試験片上の任意に選択された位置
において選択された大きさの引張り力を負荷する引張り
力調整手段と、を備えているので、荷重混合モード下に
おいても疲労亀裂による材料の変位量を高い精度で計測
することができ、荷重混合モード下における荷重試験の
際に試験片に生じる疲労亀裂が疲労亀裂の生成箇所に関
係なく均一に成長することができ、疲労亀裂伝播速度特
性を高精度で評価することができ、実際の構造物構成体
ひいては構造物の安全性を確実且つ有効に評価すること
ができる（請求項２）。 （３）本発明の変位計によれば、引張荷重と圧縮荷重と
捩り荷重とが同時に複合し混合荷重として作用する荷重
混合モード下において当該混合荷重が負荷された試験片
に生成する疲労亀裂を計測するための変位計であって、
上記試験片上の第１の位置に着脱可能に固定される基部
と、当該基部から上記試験片の表面に対して垂直な向き
に立上がるようにして立設された立上がり支柱部と、当
該立上がり支柱部の頂部から当該立上がり支柱部の側方
へ向けて張出し前後両側面が歪ゲージを適用することが
できる側面として形成された張出し肩部と、当該張出し
肩部の先端部から上記試験片上の上記第１の位置から離
隔した第２の位置に向かうようにして突設され上記張出
し肩部の先端部寄りの部分には上記立上がり支柱部に対
して接近離反する方向に弾性変形をすることができ歪ゲ
ージを適用することができる外側表面及び内側表面を有
する弾性薄肉部が形成され先端部において上記基部の底
面の水準よりも僅かに後退した位置に先端面が形成され
当該先端面に隣接して上記試験片の上記第２の位置の表
面上に立設された接触ピンに線接触状態で当接すること
ができる先端接触面が形成された接触腕部とを備えてい
るので、荷重混合モード下においても疲労亀裂による材
料の変位量を高い精度で計測することができ、疲労亀裂
伝播速度特性を高精度で評価することが可能となり、そ
の結果、実際の構造物構成体ひいては構造物の安全性を
確実且つ有効に評価することが可能となる（請求項
３）。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る疲労亀裂計測装置
の使用態様の一例を示す要部側面図である。

【図２】図１のＡ部拡大図である。

【図３】図１のＢ−Ｂ線に沿って見た要部横断平面図で
ある。

【図４】（１）図は本発明の一実施の形態に係る疲労亀
裂計測装置の側面図、（２）図は（１）図の疲労亀裂計
測装置の平面図である。

【図５】（１）図は試験片の一例を示す側面図であり、
（２）図は（１）図の試験片の要部拡大側面図であり、
（３）図は（１）図の試験片の端面図である。

【図６】コンプライアンス増加倍率と試験片の亀裂の長
さすなわち深さとの関係を示すグラフである。

【図７】試験片の疲労亀裂の長さすなわち深さを測定す
る従来の亀裂深さ測定方法を説明するための亀裂深さ測
定装置の要部平面図である。

【図８】亀裂の長さすなわち深さを荷重と材料の変位あ
るいは歪量との関係から推定する従来の亀裂深さ推定方
法を説明するためのグラフである。

【符号の説明】

１ 試験片 ２ 亀裂 ３ 歪ゲージ ４ 従来の変位計 ５ 荷重の向きを示す矢印 ６ 基部固定用溝 ７ 歪ゲージ ８ 歪ゲージ ９ 歪ゲージ １０ 歪ゲージ １１ 先端面 １２ 薄肉連続部 １３ 変位計 １３ａ 基部 １３ｂ 立上がり支柱部 １３ｃ 張出し肩部 １３ｄ 凹窪面部 １３ｅ 接触腕部 １３ｆ 先端接触面 １４ 接触ピン １５ ボルト １６ ステッピングモータ １７ 割型フランジ １８ ロードセル １９ 引張り・圧縮荷重の向きを示す矢印 ２０ 捩り荷重の向きを示す矢印 ２１ 試験片 ２１ａ 中央丸棒部 ２１ｂ 径大把持部 ２１ｃ フランジ部 ２１ｄ 切欠溝 ２２ 固定台

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉本賢太郎 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 松本 征史 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 Ｆターム(参考） 2G061 AA18 AB05 BA03 DA14 EA02 EA04 EB04

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 引張荷重と圧縮荷重と捩り荷重とが同時
   に複合し混合荷重として作用する荷重混合モード下にお
   いて当該混合荷重が負荷された試験片に生成する疲労亀
   裂を計測する疲労亀裂計測方法であって、当該混合荷重
   により試験片に疲労亀裂を生成させ、上記試験片上の亀
   裂発生箇所の変位と上記混合荷重との比として求められ
   るコンプライアンスを上記疲労亀裂の発生時から当該疲
   労亀裂の成長の過程を通して時系列的に求めることによ
   って、試験を開始した直後のコンプライアンスである初
   期コンプライアンスに対するその後のコンプライアンス
   の倍率であるコンプライアンス増加倍率を求め、各コン
   プライアンス増加倍率と各コンプライアンス増加倍率に
   対応する疲労亀裂の深さとの関係を示す曲線を予め校正
   曲線として求めておき、与えられた試験片について、上
   記荷重混合モード下における当該与えられた試験片上の
   亀裂発生箇所の変位を計測し、計測した変位に対応する
   コンプライアンス増加倍率を求め、求めたコンプライア
   ンス増加倍率と上記校正曲線とに基づいて当該与えられ
   た試験片に生成した疲労亀裂の深さを推定することを特
   徴とする、疲労亀裂計測方法。
2. 【請求項２】 引張荷重と圧縮荷重と捩り荷重とが同時
   に複合し混合荷重として作用する荷重混合モード下にお
   いて当該混合荷重が負荷された試験片に生成する疲労亀
   裂を計測するための疲労亀裂計測装置であって、試験片
   の一端側を把持して当該試験片に上記混合荷重を負荷す
   る荷重負荷部と、上記試験片の他端側を把持して固定す
   る固定把持部と、上記荷重負荷部と上記固定把持部との
   間の位置において上記試験片の変位を計測するための変
   位計測手段と、上記試験片の変位を計測するための変位
   計測位置よりも上記固定把持部側の位置において上記試
   験片に対し上記固定把持部側への引張り力を上記試験片
   上の任意に選択された位置において選択された大きさの
   引張り力を負荷する引張り力調整手段と、を備えたこと
   を特徴とする、疲労亀裂計測装置。
3. 【請求項３】 引張荷重と圧縮荷重と捩り荷重とが同時
   に複合し混合荷重として作用する荷重混合モード下にお
   いて当該混合荷重が負荷された試験片に生成する疲労亀
   裂を計測するための変位計であって、上記試験片上の第
   １の位置に着脱可能に固定される基部と、当該基部から
   上記試験片の表面に対して垂直な向きに立上がるように
   して立設された立上がり支柱部と、当該立上がり支柱部
   の頂部から当該立上がり支柱部の側方へ向けて張出し前
   後両側面が歪ゲージを適用することができる側面として
   形成された張出し肩部と、当該張出し肩部の先端部から
   上記試験片上の上記第１の位置から離隔した第２の位置
   に向かうようにして突設され上記張出し肩部の先端部寄
   りの部分には上記立上がり支柱部に対して接近離反する
   方向に弾性変形をすることができ歪ゲージを適用するこ
   とができる外側表面及び内側表面を有する弾性薄肉部が
   形成され先端部において上記基部の底面の水準よりも僅
   かに後退した位置に先端面が形成され当該先端面に隣接
   して上記試験片の上記第２の位置の表面上に立設された
   接触ピンに線接触状態で当接することができる先端接触
   面が形成された接触腕部とを備えていることを特徴とす
   る、変位計。