JP2004093532A

JP2004093532A - 破壊じん性値計測装置

Info

Publication number: JP2004093532A
Application number: JP2002258861A
Authority: JP
Inventors: Noriaki Komine; 小嶺　徳晃
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2002-09-04
Filing date: 2002-09-04
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】高温環境下における破壊じん性試験においても高い応答で試験片の開口変位を検出することが可能で、また、加熱炉の検出孔のサイズに起因する検出限界を生じることなく開口変位を検出できるなど、高精度の破壊じん性値を求めることのできる破壊じん性値計測装置を提供する。
【解決手段】試験片Ｗに対する負荷機構１４もしくはその負荷機構１４と試験片Ｗとの間に介在する試験片装着治具１６ｂの変位を検出する変位検出器１８を設け、その変位検出器１８の出力を、あらかじめ記憶している当該変位検出器１８による変位検出部位の試験力による装置側の歪み量の関係を用いて開口変位に補正する補正演算手段３１を設けることにより、加熱炉１７内に試験片Ｗを収容して破壊じん性試験を行う際にも、加熱炉１７の外部において実質的に試験片Ｗに対して非接触のもとに開口変位を検出することを可能とする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料の破壊じん性値を計測するための破壊じん性値計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
材料の破壊じん性値を計測する破壊じん性試験としては、Ｋ_１Ｃ試験、Ｊ_１Ｃ試験、およびき裂進展試験などが知られている。Ｋ_１Ｃ試験は、一辺に開口する切り欠き（予き裂）が形成された試験片に対して、その切り欠きの先端開口を開く向きの準静的荷重を負荷し、その開口変位と荷重との関係からＫ_１Ｃ値（平面ひずみ破壊靱性値）を求める。また，Ｊ_１Ｃ試験は、同じく一辺に開口する切り欠きが形成された試験片に対して変位制御で上記と同方向に負荷し、開口変位の複数のレベルにおいてそれぞれ所要の率だけ除荷を繰り返し、その除荷点における開口変位と荷重の関係からＪ値とき裂長さを求め、その関係からＪ_１Ｃ値を求める。更に、き裂進展試験では、同様の試験片に対して上記と同方向への繰り返し荷重を負荷し、き裂長さａと応力の繰り返し数Ｎによって求められるき裂進展速度ｄａ／ｄＮと応力拡大係数Ｋの変動幅ΔＫ値との関係を求める。
【０００３】
以上のような各破壊じん性試験において、試験片の開口変位を計測するには、一般にクリップゲージが用いられる。クリップゲージは、歪みゲージを含む本体部から２本の片持ち式のはりを突出させた構造を有し、その２本のはりを試験片の開口の内側に挟み込み、その各はりの変位を拡大して歪みゲージで電気信号に変換する変位計である。
【０００４】
ところで、以上のような破壊じん性試験により得られる材料の破壊じん性値は、試験片の温度によってその値が変化するため、高温での破壊じん性値を計測するためには、試験片を所要温度に加熱しながら試験を行う必要がある。このような高温環境下での破壊じん性試験においては、通常、試験機に装着された試験片の周囲を囲むように加熱炉を設け、その加熱炉によって試験片を所要温度に加熱しながら試験を行う。このような加熱炉中で加熱される試験片の開口変位の計測は、クリップゲージではその本体部が加熱炉内で加熱されてしまうが故に使用することはできない。
【０００５】
そこで従来、このような場合、２本の長い検出棒を備えた変位計を用い、加熱炉の炉壁に設けられた検出孔から各検出棒を炉内に挿入して試験片の切り欠きの開口部の内側に接触させることにより、開口変位を検出する方法が採用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のような検出棒を備えた変位計は、固有振動数が低いために応答が遅く、特に高い周波数が要求されるき裂進展試験に適用することは難しい。
【０００７】
また、長い検出棒を検出孔を介して加熱炉内に挿入してその先端を試験片の開口部に接触させるため、開口変位がある限度を越えて大きくなると検出棒が検出孔の内周面に接触し、これによる検出限界が存在する。
【０００８】
更に、試験片の破壊時などにおいて、検出棒が脱落して破損する可能性があり、この脱落という現象に関しては、常温での試験に用いるクリップゲージについても言える。
【０００９】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、高温環境下における破壊じん性試験においても高応答で開口変位を検出することが可能で、かつ、加熱炉の検出孔の大きさに起因する検出限界がなく、更には試験片の破壊時等においても開口変位の検出手段が脱落して破損等を生じる恐れのない破壊じん性値計測装置の提供を目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の破壊じん性値計測装置は、一辺に向けて開口する切り欠きが形成された試験片に対し、治具を介して上記開口が開閉する方向へのあらかじめ設定されている負荷を加える負荷機構と、試験片に作用する試験力を検出する負荷検出手段と、試験中における試験片の切り欠きの開口変位を刻々と検出する開口変位検出手段を備え、試験片に作用する試験力と開口変位とから試験片の破壊じん性値を計測する装置において、上記開口変位検出手段が、負荷機構もしくは治具の変位を検出する変位検出器と、その変位検出器の出力を、あらかじめ測定して記憶している当該変位検出器による検出部位における装置側歪み量と試験力との関係を用いて補正する補正演算手段によって構成されていることにより特徴づけられる（請求項１）。
【００１１】
ここで、本発明の破壊じん性値計測装置においては、上記治具に装着された試験片を囲んで当該試験片を加熱する加熱炉を備え、上記変位検出器は、その加熱炉の外部に設けられている構成（請求項２）を採用することができる。
【００１２】
本発明は、試験片の開口変位を、試験片の開口部に装着した変位計によって検出するのではなく、負荷機構ないしは負荷機構と試験片の間に介在する治具の変位を検出するとともに、その変位検出部位における装置側の歪み量を用いて補正することによって、所期の目的を達成しようとするものである。
【００１３】
すなわち、本発明における破壊じん性値計測装置においては、試験片の開口変位を直接的に検出するのではなく、試験片に対して負荷を加える負荷機構またはその負荷機構と試験片の間に介在する治具の変位を検出する変位検出器を設ける。この変位検出器による負荷機構ないしは治具の変位の検出値には、試験力による装置側の歪みが含まれるので、その装置側の歪みを、あらかじめ測定して記憶している変位検出部位における装置側歪み量と試験力との関係を用いて補正することにより、試験片の開口変位を実質的に非接触状態で検出することが可能となる。
【００１４】
従って、本発明によると、試験片の開口部にクリップゲージや検出棒を備えた変位計を装着する必要がなく、試験片の破壊時等においてこれらが脱落して破損する恐れがない。また、負荷機構ないしは治具の変位を検出する変位検出器は、その配設位置、換言すれば変位検出部位の選定に制約が少なく、任意の位置とすることができる。このことから、特に、試験片を加熱するための加熱炉を備えた装置構成においては、請求項２に係る発明のように、変位検出器を加熱炉外の任意の位置に配置して負荷機構ないしは治具の変位を検出することができる。
【００１５】
そして、試験片を加熱炉で囲んで破壊じん性試験を行うに当たっては、従来のように加熱棒を備えた変位計を用いる必要がないため、高応答での開口変位の検出と、加熱炉の検出孔のサイズに起因する変位検出限界をなくすることが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の全体構成図で、機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【００１７】
計測装置本体１は、テーブル１１上に複数本のコラム１２を設け、その各コラム１２の頂部にクロスヨーク１３を配するとともに、テーブル１１には負荷用の油圧アクチュエータ１４を支持した構造を有している。
【００１８】
クロスヨーク１３にはロードセル１５を介して上側の試験片装着治具１６ａが取り付けられており、アクチュエータ１４のピストン１４ａには下側の試験片装着治具１６ｂが取り付けられている。
【００１９】
試験片Ｗには、一辺に向けて開口する切り欠きＣ（予き裂）があらかじめ形成されており、その開口している辺が負荷方向に沿うように、その上下両端部が上下の試験片装着治具１６ａ，１６ｂを介して計測装置本体１に装着される。
【００２０】
また、計測装置本体１には、上下の試験片装着治具１６ａ，１６ｂに装着された試験片Ｗを囲むように加熱炉１７が設けられており、試験片Ｗはこの加熱炉１７内で所定の高温に加熱された状態で試験に供される。なお、図示は省略しているが、加熱炉１７は例えばコラム１２に支持されており、上下の試験片装着治具１６ａ，１６ｂは、それぞれ加熱炉１７の上下の炉壁に形成された貫通孔を非接触状態で貫通している。
【００２１】
また、この加熱炉１７には、試験片Ｗの切り欠きＣの開口変位を検出する際に用いられる検出棒付き変位計Ｄの検出棒を挿入するための検出孔１７ａが形成されている。ただし、実際の破壊じん性試験に際しては、この検出棒つき変位計Ｄは用いられず、試験片Ｗの開口変位は、テーブル１１に設けられて下側の試験片装着治具１６ｂの上下方向への変位を検出するための変位検出器１８の出力を後述する方法で補正することによって求められる。なお、この変位検出器１８は、例えば差動トランス等の公知の変位検出器を用いることができる。
【００２２】
前記した油圧アクチュエータ１４は、コントローラ２０からの操作信号によって弁開度が操作されるサーボ弁２１を介して油圧源２２から供給される油圧により駆動制御される。また、コントローラ２０は、加熱炉１７内に設けられている温度センサ（図示せず）の出力を取り込み、加熱炉１７内の温度があらかじめ設定されている温度を維持するようにこの加熱炉１７を駆動制御する。
【００２３】
コントローラ２０は、ＣＰＵとその周辺機器、Ａ−Ｄ変換器、更には荷重アンプ並びに変位アンプなどを備え、ロードセル１５からの試験力の検出信号、変位検出器１８からの変位検出信号、更には後述する演算装置３０から送られる開口変位検出信号を取り込み、Ｋ_１Ｃ試験、Ｊ_１Ｃ試験、およびき裂進展試験などの、実行すべき破壊じん性試験に応じて定められている負荷パターンが得られるよう、サーボ弁２１に対して操作信号を供給する。
【００２４】
破壊じん性試験においては、変位検出器１８の出力およびロードセル１５の出力はコントローラ２０に刻々と取り込まれてデジタル化された後、演算装置３０の補正演算部３１に取り込まれる。補正演算部３１では、変位検出器１８からの変位データΔを、ロードセル２０からの試験力データＦと記憶部３２に格納されている補正用データＣ_０を用いて、後述する補正演算によって試験片Ｗの開口変位データδに換算する。その開口変位データδは試験力データＦとともに破壊じん性値演算部３３に送られ、この破壊じん性値演算部３３では、その開口変位データδと試験力データＦとから、前記したＪ_１Ｃ値やＫ_１Ｃ値、あるいはΔＫ値とｄａ／ｄＮ値の関係などの破壊じん性値を公知の演算によって求める。
【００２５】
また、演算装置３０には、破壊じん性試験に先立って記憶部３２に格納すべき補正用データＣ_０を求めるための補正用データ算出部３４が設けられており、この補正用データ算出部３４は、実際の試験に先立って行われる補正用データ採取動作において、検出棒付き変位計Ｄからの開口変位データδと、変位検出器１８からの変位データΔ、並びにロードセル１５からの試験力データＦを用いて、補正用データＣ_０を算出して記憶部３２に格納する。
【００２６】
なお、演算装置３０は、実際にはパーソナルコンピュータを主体として構成され、インストールされているプログラムに従った機能を発揮するのであるが、図１では、説明の簡素化のため、機能ごとのブロックによって表している。
【００２７】
次に、補正演算部３１による補正演算の方法について述べる。
変位検出器１８による変位検出結果には、試験片Ｗの切り欠きＣの開口変位に加えて、当該変位検出器１８による変位検出部位における、試験力による装置側の歪み量（弾性変形量）が含まれる。この装置側の歪み量を、実際の破壊じん性試験に先立って、図１に二点鎖線で示すように、検出棒付き変位計Ｄを加熱炉１７の検出孔１７ａから挿入して試験片Ｗの開口変位を直接測定可能とした状態で油圧アクチュエータ１４ａを低速で駆動して、検出棒付き変位計Ｄの応答速度よりも十分に遅い速度で試験力を徐々に変化させつつ、検出棒付き変位計Ｄによる開口変位データδと変位検出器１８による変位データΔ、並びにロードセル１５による試験力データＦを、それぞれコントローラ２０を介して演算装置３０の補正用データ算出部３４に取り込み、以下に示すような補正用データＣ_０を算出する。
【００２８】
変位検出器１８と検出棒付き変位計Ｄの出力は、図２にグラフを例示するような関係となる。これは、前記したように、変位検出器１８の出力には当該変位検出器１８による変位検出部における装置側の歪み量（弾性変形量）が含まれているからであり、これら両出力の差は試験力に比例する。補正用データ算出部３４では、これら両出力の差と試験力の大きさとの関係を取り込み、両出力の差を試験力で除した値Ｃ_０を算出し、補正用データとして記憶部３２に格納する。
【００２９】
そして、実際の破壊じん性試験は検出棒付き検出器Ｄを取り外した状態で行われ、試験片Ｗの開口変位δは、補正演算部３１において変位検出器１８からの刻々の変位データΔと、ロードセル１５からの刻々の試験力Ｆと、記憶部３２に格納されている補正用データＣ_０とを用いて、
δ＝Δ−Ｃ_０・Ｆ
によって算出され、破壊じん性値演算部３３における演算に供される。
【００３０】
以上の実施の形態によると、試験片Ｗの開口変位が、実質的に加熱炉１７の外部に配置された適宜の応答を有する変位検出器１８によって非接触のもとに検出され、検出棒付き変位計Ｄにより検出する場合に比して、高い応答速度のもとに開口変位の検出が可能となる。
【００３１】
なお、以上の実施の形態においては、変位検出器１８により試験片装着治具１６ｂの変位を検出したが、油圧アクチュエータ１４のピストン１４ａの変位を検出するように構成しても、上記と同等の作用効果を奏することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、破壊じん性試験に供される試験片の開口変位を、試験片に直接接触させることなく、負荷機構の変位、あるいは負荷機構と試験片との間に介在して試験片を装置に装着するための治具の変位を検出する変位検出器による変位検出出力を、その変位検出部位における装置側の試験力による歪み量を用いて補正することによって求めるので、従来のクリップゲージや検出棒付き変位計を用いる場合のように、試験片から外れて試験を失敗する恐れがなく、特に、加熱炉を用いて高温の環境下で破壊じん性試験を行う場合において、検出棒付き変位計を用いる必要がなくなり、開口変位を高い応答速度で正確に測定することができるとともに、加熱炉の検出孔のサイズに起因する検出限界も生じない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の全体構成図で、機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における変位検出器１８の出力と、検出棒付き変位計Ｄによる試験片Ｗの開口変位との関係を例示するグラフである。
【符号の説明】
１　計測装置本体
１１　テーブル
１２　コラム
１３　クロスヨーク
１４　油圧アクチュエータ
１５　ロードセル
１６ａ，１６ｂ　試験片装着治具
１７　加熱炉
１８　変位検出器
２０　コントローラ
２１　サーボ弁
２２　油圧源
３０　演算装置
３１　補正演算部
３２　記憶部
３３　　破壊じん性値演算部
３４　補正用データ算出部
Ｄ　検出棒付き変位計
Ｗ　試験片

Claims

一辺に向けて開口する切り欠きが形成された試験片に対し、治具を介して上記開口が開閉する方向へのあらかじめ設定されている負荷を加える負荷機構と、試験片に作用する試験力を検出する負荷検出手段と、試験中における試験片の切り欠きの開口変位を刻々と検出する開口変位検出手段を備え、試験片に作用する試験力と開口変位とから試験片の破壊じん性値を計測する装置において、
上記開口変位検出手段が、上記負荷機構もしくは治具の変位を検出する変位検出器と、その変位検出器の出力を、あらかじめ測定して記憶している当該変位検出器による検出部位における装置側歪み量と試験力との関係を用いて補正する補正演算手段によって構成されていることを特徴とする破壊じん性値計測装置。
上記治具に装着された試験片を囲んで当該試験片を加熱する加熱炉を備え、上記変位検出器は、その加熱炉の外部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の破壊じん性値計測装置。