JP2004125555A - 引張試験方法および外径測定器 - Google Patents

Abstract

【課題】高速引張りにおいても真応力、真ひずみを高精度に自動測定できるようにする。
【解決手段】引張試験機にセットした切欠１１付きの棒状試験片１０に、上・下クランプ手段２６と２７との間に弾性体２８を介して挟持させる状態で測定器本体２１をフローティング可能に取付け、この測定器本体２１に、試験片１０の切欠１１に巻回される絹糸２２とこの絹糸２２の長さ変化を検出する変位検出手段２３とを持たせる。変位検出手段２３は、測定器本体２１に一端が固定された糸状体２２の他端を係止し、ばね３２を介して絹糸２２に張力を付与する可動体３１の変位を渦電流変位センサ３３により検出する構成とし、引張試験中、絹糸２２の長さ変化から試験片１０の切欠底の断面積変化を連続測定し、この断面積変化から把握されるひずみ速度がほぼ一定となるように引張試験機のアクチュエータをフィードバック制御すると共に、真応力と真ひずみとの相関を求める。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料の引張試験を行う引張試験方法に係り、特に高速引張りのもとでも真応力、真ひずみの自動測定を可能にする引張試験方法とこの試験方法の実施に用いる外径測定器とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＪＩＳ　Ｚ２２４１（金属材料引張試験方法）、ＪＩＳ　Ｋ７１１３（プラスチックの引張試験方法）などで規定される標準的な引張試験方法においては、試験片に負荷した荷重を試験片の平行部の原断面積で徐することにより応力を求めるようにしているが、降伏以降の塑性領域では、試験片にくびれ（断面縮小）が生じるため、前記したように荷重を原断面積で除したのでは、真応力を表すことにならず、真の応力−ひずみの関係を得ることはできない。
そこで、例えば、特許文献１、２においては、引張試験機にセットした試験片の周りにレーザビーム等を利用した非接触式の外径測定器を配置し、引張試験中、この外径測定器を試験片の軸方向へ往復運動させながら試験片の外径を連続に測定することを行っており、この測定で得られる最小外径を用いることで、真応力が得られるようになる。
【０００３】
ところで最近、例えば、車両製造の分野では、衝突解析に資する早い変形速度での材料特性が重要視されるようになってきており、これに応えるには、いわゆる高速引張り（１００００ｍｍ／ｍｉｎ以上）による特性把握が必要になる。しかしながら、上記した特許文献１、２に記載の引張試験は、何れも低速（５００ｍｍ／ｍｉｎ以下）で静的に引張るものであり、この方法を高速引張りに適用した場合には、平行部におけるくびれ箇所が予測できないこともあって、最小外径をリアルタイムに測定することはできず、真の応力−ひずみの相関を得ることは困難となる。なお、これら特許文献１、２に記載のものでは、ある程度くびれが生じたら、くびれ箇所を重点に外径測定器を往復運動させるようにしている（特許文献１の第２頁左下欄第１８〜２０行、特許文献２の段落［００１０］）が、高速引張りでは、このような方法も採用できない。
【０００４】
一方、非特許文献１には、樹脂材料を対象に、平板状引張試験片の平行部に所定のピッチで線を描き、高速引張り試験中の線の変化をビデオテープレコーダにより観測することにより、真の応力−ひずみの相関を求めることが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平２−１０３４４２号公報
【特許文献２】
特開平７−１１３７３２号公報
【非特許文献１】
ありもと　ひであき（Ｈｉｄｅａｋｉ　Ａｒｉｍｏｔｏ）外３名、「プラスチックリブのエネルギー吸収機構に関する研究（Ａ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｅｎｅｒｇｙ−Ａｂｓｏｒｂｉｎｇ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　Ｐｌａｓｔｉｃ　Ｒｉｂｓ）」，アイベック’９８のプロシーディング（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆＩＢＥＣ’９８），米国，ＳＡＥ　イナターナショナル（ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ），１９９８．ＣＥ−４（第４〜６図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記非特許文献１に記載の方法によれば、伸びや断面積変化を、ビデオ画像を１コマごとに画像処理して求める必要があるため、試験後のデータ解析となり、試験中に真応力、真ひずみを自動測定することは不可能で、材料特性の把握に時間がかかる。
また、樹脂材料の高速引張り試験においては、くびれ発生によりひずみ速度が急増するので、ほぼ一定のひずみ速度となるように引張試験機側のアクチュエータをフィードバック制御する必要があるが、この非特許文献１に記載の方法によれば、試験後のデータ解析となるため、前記したフィードバック制御は不可能で、特に樹脂材料に関しては、得られる特性値の信頼性が低いものとなる。
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、高速引張りにおいても真応力、真ひずみを高精度に自動測定できるようにし、もって試験時間の短縮と得られる特性値の信頼性の向上とに大きく寄与する引張試験方法を提供し、併せてこの試験方法の実施に用いて好適な外径測定器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る引張試験方法は、平行部の一部に円弧状乃至Ｕ字状切欠を設けた棒状試験片を引張試験機にセットし、引張試験中、前記試験片の切欠底の外径を連続測定することを特徴とする。
このように行う引張試験においては、棒状試験片の切欠底に集中的にひずみが生じるので、高速引張りを行う場合でも、この切欠底に的をしぼってリアルタイムに外径を測定することができる。また、この外径測定の結果からひずみ速度も把握できるので、ひずみ速度をほぼ一定にするためのフィーバック制御も可能になる。
本試験方法において、上記切欠底の外径を測定する方法は任意であるが、試験片の切欠底に糸状体望ましくは絹糸を巻回し、該糸状体の長さ変化から前記切欠底の外径変化を測定する方法を採用することができる。この場合は、試験片の円形断面が非円形の状態に変形しても糸状体の長さ変化から高精度に断面積変化を把握することができる。
本発明の方法で対象とする試験片材料は、金属材料であっても、樹脂材料であってもよいが、上記したようにひずみ速度をほぼ一定にすることができることから、ひずみ速度の影響を大きく受ける樹脂材料を対象とした場合に、特に有用となる。
【０００８】
一方、上記引張試験方法に用いる本発明に係る外径測定器は、引張試験機にセットした切欠付き棒状試験片に、その軸方向へフローティング可能に脱着される測定器本体と、前記試験片の切欠底に巻回される糸状体と、前記測定器本体に設けられ、前記試験片の切欠底に巻回された糸状体の長さ変化を検出する変位検出手段とを備えていることを特徴とする。
このように構成した外径測定器においては、試験片の切欠底の断面縮小に応じて糸状体の長さが延びるので、この糸状体の延びを変位検出手段により測定することで、試験片の切欠底の平均直径すなわち断面積を正確に把握することができる。この場合、前記糸状体としては、糸自体の伸びが小さく高精度に試験片の外径変化に追従する柔軟性を有することから絹糸を選択するのが望ましい。
本外径測定装置において、上記測定器本体は、試験片の挿通孔を上・下板部に有する枠形状をなし、前記試験片に脱着可能に固定される上・下クランプ部材の間に弾性体を介して挟持される構成とすることができ、該弾性体の弾発力を利用して測定器本体を簡単にフローティングさせ、外径測定位置を常に切欠底に保つことができる。
また、上記変位検出手段は、測定器本体に一端が固定されかつ試験片の切欠底に巻回された糸状体の他端を係着する可動体と、該可動体を、常時は前記糸状体に張力を付与する方向へ付勢する付勢手段と、前記可動体の変位を測定する変位センサとからなる構成とすることができる。この場合、前記変位センサとしては、比較的小型で測定精度に優れている渦電流変位センサを用いるのが望ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る引張試験方法の一つの実施形態を示したものである。同図において、１は、プレス機械の固定テーブル、２は、プレス機械の可動テーブルで、両テーブル１、２には、後述の試験片１０の両端部を支持するチャック３、４が配設されている。可動テーブル２は、アクチュエータ（図示略）および早送り手段（図示略）により昇降駆動されるようになっており、引張試験に際しては、アクチュエータの駆動で可動テーブル２が上昇することにより、試験片１０に引張荷重が加えられ、この荷重は、固定テーブル１側のチャック３に付設した荷重測定器（ロードセンサ）５により検出されるようになっている。
【００１０】
本実施の形態で用いる試験片１０は、図２によく示されるように、全体が棒状をなしており、その長手方向の中間部位には、円弧状の切欠１１が形成されている。この試験片１０は、一例として、全長が１５０ｍｍ、棒状部（平行部）の直径Ｄが１０ｍｍ、切欠１１の底の径ｄが３ｍｍ、切欠１１の底面のアールＲが７ｍｍとなるようにその寸法形状が設定されている。なお、前記切欠１１は、Ｕ字状としてもよい。
【００１１】
引張試験に際しては、両チャック３、４を介して引張試験機にセットした試験片１０に対し、本発明に係る外径測定器２０が装着される。この外径測定器２０は、引張試験中、試験片１０の切欠１１の底（以下、これを切欠底という）の直径を連続測定するもので、引張試験機にセットした試験片１０にその軸方向へフローティング可能に脱着される測定器本体２１と、試験片１０の切欠底に巻回される絹糸（糸状体）２２とこの絹糸２２の長さ変化を検出する変位検出手段２３とから概略構成されている。
【００１２】
測定器本体２１は、四角枠状をなし、その相対向する２つの壁部２４に試験片１０の挿通を許容する挿通孔２５を設けている。測定器本体２１は、その挿通孔２５に試験片１０を挿通させた状態で横向きに試験片１０にセットされ、試験片１０に脱着可能に固定した上・下クランプ手段２６と２７との間に弾性体２８を介して挟持されるようになっている。
より詳しくは、上・下クランプ手段２６と２７のそれぞれは、図３および４にも示されるように、試験片１０に嵌合可能な断面半円形の嵌合部２９ａを有する一対のＬ字板２９と、各一対のＬ字板２９を一体化する一対のボルト・ナット３０とからなっている。各一対のＬ字板２９は、それぞれの嵌合部２９ａを試験片１０に沿わせた状態で相互に合わされ、この状態で前記一対のボルト・ナット３０を用いて試験片１０に締付け固定される。しかして、上・下クランプ手段２６と２７は、切欠１１を間にして、測定器本体２１の対向壁部２４間の外側寸法よりわずか大きな間隔で試験片１０に固定されるようになっている。これにより各弾性体２８は、適当に圧縮する状態で測定器本体２１と上・下クランプ手段２６と２７との間に介装され、この結果、測定器本体２１は、試験片１０の軸方向へフローティング可能となる。なお、前記弾性体２８は、その種類を特に問うものではないが、粘弾性を有するスポンジを用いるのが望ましく、この場合は、測定器本体２１の対向壁部２４の外面に接着しておくようにする。
【００１３】
上記変位検出手段２３は、測定器本体２１に一端が固定されかつ試験片１０の切欠底に巻回された絹糸２２の他端を係着する可動体３１と、この可動体３１を、常時は絹糸２２に張力を付与する方向へ付勢する皿ばね（付勢手段）３２と、前記可動体３１の変位を測定する渦電流変位センサ３３とからなっている。渦電流変位センサ３３は、ここでは、下クランプ手段２７を構成する片側のＬ字板２９と一体をなすブラケット３４のフォーク状の起立片３４ａに、ボルト３５を用いて前記可動体３１に対向するように位置決め固定されている。
この渦電流変位センサ３３には、信号線３６を介して変位検出回路３７が接続されている。変位検出回路３７は、渦電流変位センサ３３と可動体３１との間に発生する高周波磁界の変化から両者の間隔を検出する機能を有しており、その検出信号は、演算装置３８に送出されるようになっている。演算装置３８は、変位検出回路３７と前記荷重測定器５とからの信号に基づいて応力、ひずみを演算し、応力−ひずみの相関を求める機能を有している。
【００１４】
以下、上記試験片１０および外径測定器２０を用いて行う引張試験方法について説明する。
引張試験に際しては、先ず、引張試験機の可動テーブル２を上昇させた状態で、固定テーブル１のチャック３に試験片１０の一端部を支持させ、次に、この試験片１０の、切欠１１より所定距離だけ下方へ離れた部位に、下クランプ手段２７を構成する一対のＬ字板２９をボルト・ナット３０を用いて締付け固定する。この時、前記一対のＬ字板２９の一方と一体のブラケット３４には、渦電流変位センサ２３が取付けられており、下クランプ手段２７を試験片１０に固定すると同時に、前記渦電流変位センサ２３が試験片１０の切欠１１に対向する側方位置に位置決めされる。
【００１５】
その後、測定器本体２１の挿通孔２５に試験片１０を通しながら該測定器本体２１を上方から前記下クランプ手段２７上に着座させ、続いて、上クランプ手段２６を構成する一対のＬ字板２９をボルト・ナット３０を用いて試験片１０に締付け固定する。この時、上クランプ手段２６に適宜の載荷重を加えて上・下弾性体２８を所定量圧縮させるようにし、これにより測定器本体２１は上・下クランプ手段２６と２７との間にフローティング可能に挟持される。
【００１６】
次に、予め測定器本体２１に一端が係着されている絹糸２２を試験片１０の切欠１１に巻回し、その他端を可動体３１の一端に係着し、この係着完了により引張試験機の可動テーブル２を図示を略す早送り手段の作動により高速で下降させ、そのチャック４に試験片１０の他端部を支持させる。そして、この準備完了により引張試験機のアクチュエータの作動により可動テーブル２を一定速度で上昇させる。すると、試験片１０は、弾性変形した後、降伏して塑性変形を起こし、この塑性変形により切欠底が次第に断面縮小（縮径）する。すると、この切欠底の断面縮小に応じて絹糸２２の長さが次第に延び、これに応じて可動体３１が皿ばね３２の付勢力で渦電流変位センサ３３側へ接近する。渦電流変位センサ３３の信号は前記したように変位検出回路３７を経て演算装置３８へ送出されるようになっており、演算装置３８は、変位検出回路３７からの信号に基づいて試験片１０の切欠底の平均直径すなわち断面積を演算し、さらに前記荷重検出器５で得られた荷重データを前記断面積で除することで真応力を演算する。一方、試験片１０の切欠底の外径変化から真のひずみ速度が分かるので、演算装置３８は、前記ひずみ速度が、予め設定した値よりも大きくなる場合は、所定のひずみ速度が得られるように前記引張試験機のアクチュエータをフィードバック制御する。
【００１７】
このようにしてほぼ一定のひずみ速度のもとで引張試験が進行し、遂には試験片１０がその切欠１１の底から破断する。しかして、この引張試験中、変位検出手段２３および荷重検出器５からの信号により真応力、真ひずみが連続測定されているので、樹脂材料を対象に高速引張りしても、真応力−真ひずみの相関を正確に把握することができるようになる。
本実施の形態においては特に、試験片１０に伸びが生じても、弾性体２８を介して測定器本体２１がフローティングし、試験片１０の切欠１１に対する中立位置を維持するので、変位検出手段２３による試験片１０の切欠底の外径測定を正確に行うことができる。ここで、上記したごとき切欠１１を有する試験片１０の伸びは、せいぜい２〜３ｍｍであり、前記平板状の弾性体２８を用いても十分にフローティング機能が維持される。また、外径測定器２０を構成する絹糸２２は、それ自体の伸びが小さい上、試験片１０の外径変化にも追従する柔軟性を有しているので、試験片１０の切欠底がだ円状に断面縮小する場合でも、該絹糸２２の長さ変化から切欠底の断面積変化を正確に求めることができる。
【００１８】
なお、上記実施の形態においては、試験片１０の切欠底の外径を検出する外径測定器２０を、試験片１０の切欠底に巻回した糸状体（絹糸）２２の長さ変化を渦電流変位センサ３３により測定する構造としたが、本発明において、この外径検出の方法、手段は任意であり、汎用のレーザ外径測定器を始め、ＣＣＤカメラ等による画像測定方式を採用することができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係る引張試験方法によれば、試験片に切欠を設けてこの切欠底の外径を測定するようにしたので、高速引張りを行う場合でも真応力、真ひずみをリアルタイムに測定でき、ひずみ速度ほぼ一定に制御することも可能になって、試験時間の短縮と得られる特性値の信頼性の向上とに大きく寄与するものとなる。
また、本発明に係る外径測定器によれば、試験片の切欠底に巻回した糸状体の長さ変化から該切欠底の断面積変化を正確に求めることができるので、測定精度が著しく高いものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る引張試験方法の実施形態とこの引張試験に用いる外径測定器の構造とを示す側面図である。
【図２】本引張試験で用いる試験片の形状を示す側面図である。
【図３】本外径測定器を構成する測定器本体を試験片に取付けるためのクランプ手段の構造を示す平面図である。
【図４】本外径測定器を構成する測定器本体の構造を示す側面図である。
【符号の説明】
１　　引張試験機の固定テーブル
２　　引張試験機の可動テーブル
３、４　チャック
５　　荷重測定器
１０　試験片
１１　試験片の切欠
２０　外径測定器
２１　測定器本体
２２　絹糸（糸状体）
２３　変位測定手段
２６、２７　クランプ手段
３１　可動体
３２　皿ばね（付勢手段）
３３　渦電流変位センサ

Claims (9)

1. 平行部の一部に円弧状乃至Ｕ字状切欠を設けた棒状試験片を引張試験機にセットし、引張試験中、前記試験片の切欠底の外径を連続測定することを特徴とする引張試験方法。
2. 試験片の切欠底に糸状体を巻回し、該糸状体の長さ変化から前記切欠底の外径変化を測定することを特徴とする請求項１に記載の引張試験方法。
3. 糸状体として、絹糸を用いることを特徴とする請求項２に記載の引張試験方法。
4. 試験片が、樹脂材料からなることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の引張試験方法。
5. 引張試験機にセットした切欠付き棒状試験片に、その軸方向へフローティング可能に脱着される測定器本体と、前記試験片の切欠底に巻回される糸状体と、前記測定器本体に設けられ、前記試験片の切欠底に巻回された糸状体の長さ変化を検出する変位検出手段とを備えていることを特徴とする外径測定器。
6. 糸状体が、絹糸であることを特徴とする請求項５に記載の外径測定器。
7. 測定器本体が、試験片の挿通孔を上・下板部に有する枠形状をなし、前記試験片に脱着可能に固定される上・下クランプ部材の間に弾性体を介して挟持されることを特徴とする請求項５または６に記載の外径測定器。
8. 変位検出手段が、測定器本体に一端が固定されかつ試験片の切欠底に巻回された糸状体の他端を係着する可動体と、該可動体を、常時は前記糸状体に張力を付与する方向へ付勢する付勢手段と、前記可動体の変位を測定する変位センサとからなることを特徴とする請求項５乃至７の何れか１項に記載の外径測定器。
9. 変位センサが、渦電流変位センサであり、可動体に対向して配置されることを特徴とする請求項８に記載の外径測定器。

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