JP2005326357A - 超小型試験片用疲労試験治具 - Google Patents

Abstract

【課題】 試験片の全長や試験部（治具間）長さの短小化を図る。
【解決手段】 試験部１２ｂの軸方向両側に設けた固定部分に肩部１２ａを形成した試験片１２用の疲労試験治具である。肩部１２ａの試験部１２ｂと連続する面１２ａａに適合する面１１ａａを有する突起１１ａを対向配置し、これら突起１１ａ間に試験部１２ｂを貫通させるための第１の空間１１ｂを形成した引張負荷部材１１と、肩部１２ａを突起１１ａとで挟持すべく、肩部１２ａの前記面１２ａａと対向する端面１２ａｂに適合する先端面１３ｂａを有する圧縮負荷部材１３を備える。引張負荷部材１１と圧縮負荷部材１３によって挟持した試験片１２の肩部１２ａを、これら部材１１，１３が配置された面と垂直の方向から拘束する拘束部材１４をさらに備える。
【効果】 試験部の長さを大幅に短くでき、圧縮荷重負荷時の座屈防止が図れる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、極めて小さな試験片を用いて、試験片を座屈させることなく疲労試験を実施することを可能とする、超小型試験片用疲労試験治具に関するものである。

材料の疲労特性を評価するために、疲労試験機を用いて試験片に繰返し負荷を与える方法が用いられる。この試験片には、丸棒若しくは板状の形状のものが採用され、試験部の断面寸法（径又は幅・厚さ）は６〜１０ｍｍ程度のものが標準的である。

しかしながら、溶接部の溶接金属や熱影響部、熱疲労損傷を受けたボイラ等の高温機器の表層部分など、局部的な領域の疲労特性を評価するためには、試験部断面寸法が前記したものよりもさらに小さな試験片を用いる必要がある。

そこで、これまでに、全長が３０ｍｍ、試験部径が２ｍｍの丸棒試験片を用いて、低サイクル疲労試験を実施可能とする装置や、平行部長さが１５ｍｍ、試験部径が０．８ｍｍの試験片を用いても試験片を座屈させることのない疲労試験機等、小型試験片の試験技術に関する発明がいくつか提案されている。
特開平７−９２０６８号公報 特開平１１−１０８８１７号公報

しかしながら、前記の疲労試験機に用いる試験片は、試験部の断面寸法は小さいものの、試験片の全長や試験部長さ（若しくは治具間長さ）が比較的大きいため、以下の問題点があった。
（１）試験片採取に必要な領域の寸法が大きくなってしまうので、より微小な溶接部（たとえば自動車用薄板のスポット溶接部）の強度評価への適用が困難である。また、熱疲労損傷機器からの試験片採取に際しては、機器に大きなダメージを与える。
（２）圧縮荷重を負荷した場合に、座屈を生じやすい。

前記の疲労試験機において、試験片の全長や試験部（治具間）長さを縮めることが困難な理由としては、試験片の固定方法の問題がある。試験片の固定方法として、従来は以下の方式が一般的に用いられてきた。
（ａ）試験片１の固定部１ａを軸と垂直な方向から挟み、摩擦力で固定する方法（図７参照）。
（ｂ）ボタンヘッド型の固定部１ａを、フランジ２を介して軸方向にボルト３で固定する方法（図８参照）。
（ｃ）試験片１の固定部１ａにねじを設け、このねじを介して固定する方法（図９参照）。

しかしながら、（ａ）の方式において、試験片１を強固かつ安定的に固定するためには、試験部１ｂの寸法に比して十分に大きな（軸方向に長い）固定部１ａが必要となる（前記の疲労試験機の例では、軸方向長さは１０ｍｍ程度）。

また、（ｂ）の方式では、ボタンヘッド部自身の軸方向長さは比較的短くて良いが、フランジ２を試験片１の試験部１ｂ側からボルト３で固定するため、その作業領域確保の観点から、試験片１の試験部（治具間）長さを十分に長くとる必要がある。

さらに、（ｃ）の方式では、試験部１ｂの（治具間）長さを短小化することは可能であるが、試験片１の小型化に伴い、ねじ切り加工が極めて困難となる。

以上のように、既存の固定方法では、小型の試験片に対して、試験片の全長や試験部（治具間）の長さを短くするのには限界がある、或いは、適用すること自体が困難である、などの問題を有していた。

また、前記の疲労試験機では、試験機の軸心を正確に調整することにより、圧縮負荷時の座屈発生を回避できるとしているが、試験部（治具間）の長さをさらに短くしなければ、より大きな圧縮荷重を負荷することが極めて難しいことは明らかであり、試験片の固定方法の改善は不可欠である。

本発明が解決しようとする問題点は、試験片の全長や試験部（治具間）長さを短小化して圧縮荷重負荷時の座屈防止を可能にした、超小型試験片用疲労試験治具はなかったという点である。

本発明では、先に述べた課題を解決するために、疲労試験治具を下記のように構成することにした。なお、本発明の超小型試験片用疲労試験治具によって固定する試験片は、その固定部分に、ボタンヘッド型若しくはそれに類する形状の引っ掛け部（以下、「肩部」と称する。）を有するものであり、その形状は丸棒のものでも、板状の形状のものでもよい。

（１）引張負荷部材は、試験部側から肩部を支持して試験片に引張荷重を負荷する構成とする。
（２）圧縮負荷部材は、試験部の反対側から肩部を支持して試験片に圧縮荷重を負荷する構成とする。
（３）必要に応じて備えさせる拘束部材は、肩部が軸方向以外に変形・変位することを防止する構成とする。

すなわち、本発明の超小型試験片用疲労試験治具は、
試験片の全長や試験部（治具間）長さを短小化して圧縮荷重負荷時の座屈防止を可能にするために、
試験部の軸方向両側に設けられた固定部分に肩部を形成した試験片用の疲労試験治具であって、
前記肩部の試験部と連続する面に適合する面を有する対を成す突起を対向配置し、これら突起間に前記試験部を貫通させるための空間を形成した引張負荷部材と、
前記肩部を前記突起とで挟持すべく、前記肩部の前記面と対向する端面に適合する面を有する圧縮負荷部材とを備えさせたことを最も主要な特徴としている。

前記の本発明の超小型試験片用疲労試験治具において、前記引張負荷部材と圧縮負荷部材によって挟持された試験片の前記肩部を、これら引張負荷部材と圧縮負荷部材が配置された面と垂直の方向から拘束する拘束部材をさらに備えさせた場合には、圧縮荷重負荷時の座屈防止をより確実に行えるようになる。

本発明では、疲労試験治具を構成する各部材の材質や鋼種については特に規定しないが、引張負荷部材（特に突起を有する部分）には、引張強さが１５００ＭＰａ以上の高強度材料を用いることが望ましい。なぜなら、突起は試験片の試験部と同等に小さいため（例えば後述する例では、突起部厚さは０．４ｍｍ）、試験荷重で塑性変形を生じないようにする必要があるからである。

本発明の疲労試験治具では、試験片の固定を、試験部の反対側から引張負荷部材と圧縮負荷部材による挟持によって行うので、試験片の固定に際し、固定部と試験部側に十分な領域を確保する必要がなくなって、試験部の長さを大幅に短くでき、極めて小さい試験片を使用できるようになる。

そして、その際、試験片の肩部を、拘束部材によって、引張負荷部材と圧縮負荷部材が配置された面と垂直の方向から拘束すれば、圧縮負荷を含む条件で確実に座屈を生じることなく疲労試験が行えるようになる。

その結果、従来は不可能であった、より局部的な領域の強度評価が、高精度で実施できるようになり、材料開発、構造物設計などに対して、有益な情報を得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１〜図５を用いて説明する。なお、以下の説明は便宜上、試験を水平方向加振式とするが、加振方向を鉛直方向としてもよい。

図１〜図５に示した本発明の疲労試験治具は、図６に示した、たとえば断面が０．３ｍｍ×０．３ｍｍ、平行部長が０．５ｍｍの試験部１２ｂと、軸方向長さが０．７ｍｍの肩部１２ａを備えた全長が２．４ｍｍと極めて小さな板状の試験片１２を対象としたものである。

なお、図６では、試験片１２の肩部１２ａにおける試験部１２ｂと連続する面１２ａａは、図８に示した通常の丸棒ボタンヘッドのように、試験片１２の軸方向に垂直としたものを示したが、テーパをつけたものでもよい。このような超小型の試験片１２に対しては、先に説明した従来の固定方法を適用できないことは明らかである。

図１は本発明の疲労試験治具を構成する引張負荷部材を上方から見た斜視図であり、この引張負荷部材１１は、前記試験片１２における肩部１２ａの、試験部１２ｂに連続する面１２ａａと適合した形状の面１１ａａを有する対を成す突起１１ａを対向して配置している。

そして、これら突起１１ａ間に形成した第１の空間１１ｂに試験片１２の試験部１２ｂを貫通させることで、対を成す突起１１ａに試験片１２の肩部１２ａを試験部１２ｂ側から引っ掛け、試験片１２に引張荷重を負荷するようにしている。

この図１に示した例では、前記突起１１ａを設けた第１のブロック１１ｃの対向する面１１ｃａ間に第２の空間１１ｅを形成して、この第２の空間１１ｅ内に突起１１ａに引っ掛けた前記肩部１２ａを収容するようになすと共に、この肩部１２ａを引っ掛けた試験片１２の軸と同方向にねじ孔１１ｃｂを設け、後述する圧縮負荷部材１３をこれらの第１のブロック１１ｃに取り付けるようにしている。

また、この図１に示した例では、前記対を成す第１のブロック１１ｃに設けた突起１１ａの前記面１１ａａと対向する側に、第１のブロック１１ｃと所定の間隔を存した溝１１ｆを介して第２のブロック１１ｄを一体的に配置し、この第２のブロック１１ｄにおける前記試験片１２の軸と直交する方向の上面１１ｄｂに、後述する拘束部材１４を取り付けるねじ穴１１ｄａを設けている。

図２は本発明の疲労試験治具を構成する圧縮負荷部材を上方から見た斜視図であり、この圧縮負荷部材１３は、前記突起１１ａに引っ掛けた試験片１２の肩部１２ａを、試験部１２ｂの反対側から挟持状に支持することで、試験片１２に圧縮負荷を与えるものである。

この図２に示した例では、前記ねじ孔１１ｃｂに合致する位置にボルト挿入用のキリ孔１３ａａを設けた平板状の挟持板１３ａの中央部に、前記第２の空間１１ｅ内に挿入して、肩部１２ａの前記面１２ａａと反対側の端面１２ａｂに当接する突出部１３ｂを設けたものを示している。

図３は本発明の疲労試験治具を構成する肩部の拘束部材を上方から見た斜視図である。この拘束部材１４は、前記引張負荷部材１１の第２のブロック１１ｄの上面１１ｄｂに載置される平板状の押さえ蓋１４ａの一方端側に、図５に示したように、前記引張負荷部材１１と圧縮負荷部材１３とで挟持状に固定された試験片１２の肩部１２ａを、その上下方向から押さえ付けて拘束すべく、前記第２の空間１１ｅ内に挿入する突出部１４ｂを設けた構成である。

この突出部１４ｂの奥行きＬ１は、引張負荷部材１１と圧縮負荷部材１３とで試験片１２の肩部１２ａを挟持状に固定できるように、図４に示したように、肩部１２ａの軸方向長さＬ２よりも短くなされている。そして、押さえ蓋１４ａを前記第２のブロック１１ｄの上面１１ｄｂに載置した際、前記ねじ穴１１ｄａと合致する位置には、この拘束部材１４を第２のブロック１１ｄに固定するためのボルトを挿入するキリ孔１４ａａが設けられている。

図５に示した例では、拘束部材１４を２つ製作し、その一方を、試験片１２を載せるステージ（以下、下方に配置する拘束部材を「ステージ１４’」と称する。）として使用したものを示している。具体的には、引張負荷部材１１のねじ穴１１ｄａにキリ孔１４ａａを介して下側からボルトで固定し、突出部１４ｂの先端面１４ｂａに試験片１２の肩部１２ａを載せる。ただし、この試験片１２を支持する部分については、平坦なステージを有し、かつ、試験片１２をしっかりと支持することができる限りは、他の構造もしくは固定方法を用いてもよい。

以上のように、本発明の疲労試験治具の特徴は、図８に示した従来のボタンヘッド用固定治具とは逆に、圧縮負荷部材１３と引張負荷部材１１を、試験部１２ｂの反対側からボルトにより固定することである。この方式により、従来のように、固定作業のために試験片１２の試験部１２ｂ側に十分な領域を確保する必要はなくなり、試験部１２ｂ（治具間）の長さを大幅に短くできるようになる。したがって、このような引張負荷部材１１と圧縮負荷部材１３を用いた場合には、試験片１２の試験部１２ｂ（治具間）の長さを短くできることによって、疲労試験時における座屈の発生を低減できるという効果が得られる。

しかし、さらなる座屈防止対策を講じるには、拘束部材１４によって試験片１２の肩部１２ａを軸方向に垂直な方向から挟み込む方法を併用することが望ましい。なぜならば、前記引張負荷部材１１と圧縮負荷部材１３の２つの部材のみでは、疲労試験中に試験片１２の肩部１２ａが軸方向に垂直な方向に変形・変位して、軸心のずれや曲げ変形が生じ、座屈を誘発してしまう可能性があるからである。したがって、さらに拘束部材１４を用いてその変形を防止すれば、座屈の生じる可能性がさらに低減する。

拘束部材１４は、摩擦力により試験荷重を分担することが目的ではないため、試験片１２の肩部１２ａの軸方向長さを大きくとる必要はない。したがって、上記の圧縮負荷部材１３の効果と併せて、試験片１２の全長を大幅に短小化することが可能となる。

以上の構成の本発明の疲労試験治具にあっては、先ず試験片１２の肩部１２ａを引張負荷部材１１の第２の空間１１ｅ内に投入し、肩部１２ａをステージ１４’の突出部１４ｂ上に載せる。

次に、引張負荷部材１１の第１のブロック１１ｃと第２のブロック１１ｄ間の溝１１ｆに圧縮負荷部材１３を入れ、ボルトを試験部１２ｂの反対側からキリ孔１３ａａに挿入してねじ孔１１ｃｂに締め込んでいくと、圧縮負荷部材１３の突出部１３ｂの先端面１３ｂａがステージ１４’の突出部１４ｂに当たる前に肩部１２ａの端面１２ａｂと接触する。これにより、試験片１２の肩部１２ａは引張負荷部材１１の突起１１ａと圧縮負荷部材１３の先端面１３ｂａにより軸方向前後から固定され、引張・圧縮の両荷重を試験片１２に負荷することが可能となる。

このように、引張負荷部材１１と圧縮負荷部材１３を試験部１２ｂの反対側からボルトによって結合する構造により、試験片１２の試験部１２ｂ（治具間）長さを大幅に低減することができる。

なお、本例と異なり、ステージ１４’の突出部１４ｂの奥行きＬ１は、試験片１２の肩部１２ａの長さＬ２より大きくしてもよい。その場合は、肩部１２ａの端面１２ａｂと圧縮保持部材１３の先端面１３ｂａとの間に、試験片１２と同一かわずかに薄い板厚を有し、かつ、ステージ１４’の突出部１４ｂからはみ出るような負荷方向長さを有するスペーサを挿入し、このスペーサを介して試験片１２を固定すればよい。

次に、前記ステージ１４’と同様にして、引張負荷部材１１の上側に拘束部材１４を固定する（図５参照）。拘束部材１４の突出部１４ｂの長さＬ３、ステージ１４’の突出部１４ｂの長さＬ３’（図５の例では長さＬ３に等しい）および試験片１２の厚さｔの和が、引張負荷部材１１の突起１１ａの高さＬ４に等しいか、もしくはわずかに大きくなるように、前記突出部１４ｂの長さＬ３とステージ１４’の突出部１４ｂの長さＬ３’を調整する。これにより、試験片１２の肩部１２ａは上下からも挟まれることになり、その方向への変形・変位が拘束される。

ちなみに、図６に示した疲労試験片１２および図１〜図５に示した疲労試験治具を用いて、市販の疲労試験機で、引張応力と圧縮応力の振幅の比が等しい条件（応力比Ｒ＝−１）の繰返し応力を与えたところ、試験片１２が座屈することなく、正常に破断まで疲労試験を実施することができた。

以上のように、本発明の疲労試験治具では、
（１）試験片１２の肩部１２ａを引張負荷部材１１と圧縮負荷部材１３により軸方向前後から挟み、かつ、両部材１１，１３を試験部１２ｂの反対側から固定する。
（２）併せて、必要に応じて、試験片１２の肩部１２ａを上下からも挟むことにより、軸方向に垂直な方向への変形および変位を拘束する。
という方式を採用することにより、全長および試験部１２ｂ（治具間）長さの極めて小さい試験片１２に、座屈を生じることなく引張−圧縮負荷を与えることが可能となる。

本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範囲内で、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。たとえば、図１〜図５に示した例では、第１のブロック１１ｃ（通常のボタンヘッド固定治具におけるフランジに相当）と第２のブロック１１ｄ（試験機のアクチュエータやロードセルと接続される部分）を一体に形成したものを示したが、適宜複数の部位に分けて製作し、後から組み上げてもよい。

また、本例とは異なり、圧縮負荷部材１３と第２のブロック１１ｄを組み合わせ、第１のブロック１１ｃを分離した構造（すなわち、従来のボタンヘッド用治具と同様）としてもよい。いずれにしても、試験部１１ｂの反対側からボルトを締め込む方式であれば、試験片１２の試験部１２ｂ（治具間）長さを低減できる効果は同じであるため、問題はない。

また、本例では、拘束部材１４を一体物として製作したものを示したが、例えば突出部１４ｂと押さえ蓋１４ａを分割するなど、同様の機能を有する構造であればよい。

以上の本発明は、疲労試験治具に限らず、各種の試験を実施する際の試験片固定用治具にも適用できる。

引張負荷部材の概要図である。 圧縮負荷部材の概要図である。 拘束部材の概要図である。 試験片を引張負荷部材と圧縮負荷部材で固定した場合の試験片近傍の上視図である。 試験片を拘束部材で固定した場合の横視図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。 疲労試験片の一例を示す概要図である。 従来の摩擦力式固定部の概要図である。 従来のボタンヘッド式固定部の概要図である。 従来のねじ式固定部の概要図である。

符号の説明

１１ 引張負荷部材
１１ａ 突起
１１ａａ 面
１１ｂ 第１の空間
１２ 試験片
１２ａ 肩部
１２ａａ 面
１２ａｂ 端面
１２ｂ 試験部
１３ 圧縮負荷部材
１３ｂａ 先端面
１４ 拘束部材

Claims (2)

1. 試験部の軸方向両側に設けられた固定部分に引っ掛け部を形成した試験片用の疲労試験治具であって、
   前記引っ掛け部の試験部と連続する面に適合する面を有する対を成す突起を対向配置し、これら突起間に前記試験部を貫通させるための空間を形成した引張負荷部材と、
   前記引っ掛け部を前記突起とで挟持すべく、前記引っ掛け部の前記面と対向する端面に適合する面を有する圧縮負荷部材とからなることを特徴とする超小型試験片用疲労試験治具。
2. 前記引張負荷部材と圧縮負荷部材によって挟持された試験片の前記引っ掛け部を、これら引張負荷部材と圧縮負荷部材が配置された面と垂直の方向から拘束する拘束部材をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の超小型試験片用疲労試験治具。
   

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