JP2006162472A - Method, device and test piece for testing thermal fatigue - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱疲労試験方法、熱疲労試験装置及び熱疲労試験片に関し、例えば、高温環境下で使用される薄肉部材の素材である薄板の熱疲労強度を評価するための熱疲労試験方法、熱疲労試験装置及び熱疲労試験片に関する。 The present invention relates to a thermal fatigue test method, a thermal fatigue test apparatus, and a thermal fatigue test piece, for example, a thermal fatigue test method for evaluating the thermal fatigue strength of a thin plate that is a material of a thin member used in a high temperature environment, The present invention relates to a thermal fatigue test apparatus and a thermal fatigue test piece.
近年、自動車エンジン用エキゾーストマニホールドや燃料電池改質器等といった高温環境下で使用される部材を、薄板からなる素材にプレス成形等を行って製造することが行われるようになってきている。 In recent years, members that are used in a high temperature environment, such as an exhaust manifold for an automobile engine and a fuel cell reformer, have been manufactured by performing press molding or the like on a thin plate material.
薄板からなるこの部材の温度は一般的に使用中に大きく変動するため、この部材の主な破壊機構は熱疲労破壊である。このため、この部材の耐久性設計を行うためには、試験片として薄板を用いて熱疲労試験を行うことによって熱疲労特性を把握する必要がある。 Since the temperature of this thin plate member generally varies greatly during use, the main failure mechanism of this member is thermal fatigue failure. For this reason, in order to design the durability of this member, it is necessary to grasp the thermal fatigue characteristics by conducting a thermal fatigue test using a thin plate as a test piece.
熱疲労試験とは、試験片の温度を変動させると同時に試験片のひずみを変動させるように機械的荷重を変動させ、その温度変動及びひずみ変動(荷重変動)を繰り返すことによって、熱疲労破壊が生じるまでの繰り返し数、すなわち熱疲労寿命を測定する試験である。 The thermal fatigue test is a method of changing the mechanical load so as to change the strain of the test piece at the same time as changing the temperature of the test piece, and repeating the temperature change and strain change (load change). This is a test for measuring the number of repetitions until occurrence, that is, the thermal fatigue life.
このため、この熱疲労試験を行うには、試験片の温度及びひずみを同時に測定及び制御し、試験片の温度及びひずみを所定のパターンで変動させることができる試験装置が不可欠となる。 For this reason, in order to perform this thermal fatigue test, a test apparatus capable of simultaneously measuring and controlling the temperature and strain of the test piece and changing the temperature and strain of the test piece in a predetermined pattern is indispensable.
材料の熱疲労特性を評価する方法としては、例えば、非特許文献1に記載されている方法がある。図12は、非特許文献1に記載された方法を模式的に示す説明図である。
図12に示すように、この方法では、丸棒状又は円筒状の試験片1を用い、試験部の外周に試験片中心軸と同心円状に加熱コイル2を配置し、試験片1を高周波誘導方式によって加熱する。また、試験片1の冷却は、丸棒試験片の場合には図12に示すように試験部外周から冷却エアー3を吹き付けることにより行い、円筒状試験片の場合には内部に冷却エアーを通風することにより行う。
As a method for evaluating the thermal fatigue characteristics of a material, for example, there is a method described in Non-Patent Document 1. FIG. 12 is an explanatory diagram schematically illustrating the method described in Non-Patent Document 1.
As shown in FIG. 12, in this method, a round bar-shaped or cylindrical test piece 1 is used, a
試験片1の試験部外周には、石英ガラスやセラミックス等からなる耐熱性の押し当て棒4を所定の間隔で押し当て、試験片1の伸びに伴うこの間隔の変化から、試験片1に生じるひずみを測定する。なお、本明細書では、押し当て棒4を有するひずみ測定装置5を「伸び計」という。
A heat-resistant
また、非特許文献2には、熱疲労試験に用いる試験片の寸法として、中実の丸棒試験片では直径10mmを標準とし、中空の円筒試験片では外径13mm、肉厚1.5mmを標準とし、試験片の平行部長さ及びゲージ長さ(二本の押し当て棒の間の距離)は外径の1〜2倍が適当であることが記載されている。
In Non-Patent
さらに、非特許文献3には、板厚2mmの板状試験片に所定のヒートパターンでの熱疲労試験を行って熱疲労寿命を評価したことが記載されている。
Furthermore, Non-Patent
しかしながら、非特許文献1〜3に記載された発明には、以下に示す課題がある。
非特許文献1及び非特許文献2には、丸棒試験片や円筒試験片を用いた熱疲労試験方法は開示されているものの、平板状試験片についての熱疲労試験方法や熱疲労試験装置は一切開示されていない。このため、非特許文献1、2に記載された熱疲労試験方法や熱疲労試験装置では平板からなる部材の熱疲労特性を適正に評価することができない。
However, the inventions described in Non-Patent Documents 1 to 3 have the following problems.
Although Non-Patent Document 1 and Non-Patent
また、非特許文献3には、単に「2mm厚の板状試験片」と記載されているのみで、この板状試験片に関しては、その形状や加熱方法は全く開示されていない。
また、熱疲労試験では、試験片の自由熱膨張を拘束するように試験片に機械的な荷重が負荷されるために、試験片には昇温時(熱膨張時)に大きな圧縮荷重が生じる。このため、試験片の形状が適正に設計されていないとこの圧縮荷重により試験片が熱疲労試験の途中で座屈変形し、特に平板状試験片は丸棒試験片や円筒試験片に比べて座屈変形し易いことから、座屈を防止できる平板状試験片の形状や試験方法を確立することは、熱疲労寿命を適正に評価するために重要である。しかし、非特許文献3には、板状試験片の座屈をどのようにして防止しているかについても何ら開示されていない。
Further,
In the thermal fatigue test, a mechanical load is applied to the test piece so as to constrain the free thermal expansion of the test piece. Therefore, a large compressive load is generated on the test piece at the time of temperature rise (during thermal expansion). . For this reason, if the shape of the test piece is not designed properly, this compressive load causes the test piece to buckle and deform in the middle of the thermal fatigue test. Since it is easy to buckle and deform, it is important to establish the shape and test method of a flat specimen that can prevent buckling in order to properly evaluate the thermal fatigue life. However, Non-Patent
このため、非特許文献3に記載された熱疲労試験片を用いても、熱疲労試験中に座屈を生じ、熱疲労特性を適正に評価することができなくなる可能性が高い。
本発明の目的は、高温環境下で使用される薄肉部材の素材である薄板の熱疲労強度を適正に評価することができる熱疲労試験方法、熱疲労試験装置及び熱疲労試験片を提供することである。
For this reason, even if the thermal fatigue test piece described in Non-Patent
An object of the present invention is to provide a thermal fatigue test method, a thermal fatigue test apparatus, and a thermal fatigue test piece capable of appropriately evaluating the thermal fatigue strength of a thin plate that is a material of a thin member used in a high temperature environment. It is.
平板状試験片は、丸棒試験片や円筒試験片に比較して座屈し易い。このため、平板状試験片を用いて熱疲労試験を行うと、この試験の際に平板状試験片が座屈し、ゲージ部(ゲージ長さ間)のひずみ量が不均一となるために、ひずみ量と熱疲労寿命との関係を正確に求めることができなくなることや、熱疲労試験を継続して最後まで行うことができなくなることが懸念される。このような座屈の発生を防止するには、平板状試験片のゲージ長さ及び治具間長さを短くすることが有効である。 A flat specimen is more likely to buckle than a round specimen or a cylindrical specimen. For this reason, when a thermal fatigue test is performed using a flat test piece, the flat test piece buckles during this test, and the strain of the gauge part (between the gauge lengths) becomes uneven. There is a concern that the relationship between the amount and the thermal fatigue life cannot be accurately determined, or that the thermal fatigue test cannot be continued to the end. In order to prevent the occurrence of such buckling, it is effective to shorten the gauge length of the flat test piece and the length between jigs.
一方、平板状試験片を高周波誘導加熱するには、非特許文献1及び非特許文献2に記載された丸棒試験片に対する高周波誘導加熱の手法と同様に、平板状試験片の試験部外周を包囲する加熱コイルを用いればよいのでは、と一見考えられる。
On the other hand, in order to perform high-frequency induction heating of the flat test piece, the outer periphery of the test part of the flat test piece is measured in the same manner as the high-frequency induction heating method for the round bar test piece described in Non-Patent Document 1 and
図13及び図14は、このような加熱コイルを用いて平板状試験片1’を高周波誘導加熱する状況を想定して示す説明図である。
図13及び図14に示すように、平板状試験片1’の試験部外周を包囲する加熱コイル2’を用いる場合には、加熱効率の観点から加熱コイル2’の形状を矩形として加熱コイル2’と平板状試験片1’のゲージ部7の表面との距離を縮める必要がある。また、図14に示すように、ゲージ部7の全体を均一な温度に加熱するために、軸方向(図13及び図14における両矢印方向)に加熱コイル2’を複数並設させた、いわゆる多数巻きとする必要がある。
FIG. 13 and FIG. 14 are explanatory diagrams showing a situation in which the flat-plate test piece 1 ′ is subjected to high-frequency induction heating using such a heating coil.
As shown in FIGS. 13 and 14, when the
このため、熱疲労試験における座屈を防止するために平板状試験片1’のゲージ長さ及び治具間長さを単に短縮してしまうと、複数並設された各加熱コイル2’間の軸方向の間隔を、伸び計5の押し当て棒4をゲージ部7へ向けて挿入することができる程度に確保することが、難しくなってしまう。
For this reason, if the gauge length of the flat test piece 1 ′ and the length between jigs are simply shortened in order to prevent buckling in the thermal fatigue test, a plurality of
そこで、本発明者らは、平板状試験片のゲージ長さ全体にわたって均一に加熱することができるとともに伸び計を取付けることができ、熱疲労試験の際の加熱時における座屈の発生を防止することができる平板状の熱疲労試験片、熱疲労試験方法及び熱疲労試験装置を提供するために、図1に示すように、高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置の伸び計が装着されるゲージ部10aと、このゲージ部10aの左右両側に形成され、熱疲労試験装置により掴持される掴み部10c,10cと、曲線状に形成されてゲージ部10a及び掴み部10c,10cを接続する曲率部10b,10bとを有する平板状の熱疲労試験片に高周波誘導加熱による熱疲労試験を行う際における熱疲労試験片10の応力解析や磁場解析、さらには熱疲労試験片10や治具の試作及び評価を鋭意検討することにより、本発明を完成した。
Therefore, the present inventors can uniformly heat the entire gauge length of the flat test piece and attach an extensometer to prevent the occurrence of buckling during heating during the thermal fatigue test. In order to provide a flat plate-shaped thermal fatigue test piece, a thermal fatigue test method, and a thermal fatigue test apparatus, a gauge equipped with an extensometer of a high-frequency induction heating type thermal fatigue test apparatus as shown in FIG. A curvature formed on the left and right sides of the
本発明は、平板状の熱疲労試験片の少なくとも一方の側面を除き、一方の平面又は両方の平面に離間して対向するように略平面状に配設されてこの熱疲労試験片を加熱する加熱コイルを具備する高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置を用いて、熱疲労試験を行うことを特徴とする熱疲労試験方法である。 In the present invention, except for at least one side surface of a flat plate-like thermal fatigue test piece, the thermal fatigue test piece is disposed in a substantially flat shape so as to face one plane or both planes while being spaced apart from each other. A thermal fatigue test method comprising performing a thermal fatigue test using a high-frequency induction heating type thermal fatigue test apparatus including a heating coil.
この本発明に係る熱疲労試験方法では、熱疲労試験片が、熱疲労試験装置の伸び計が装着されるゲージ部と、このゲージ部の両端側に形成され、熱疲労試験装置により掴持される掴み部と、曲線状に形成されてゲージ部及び掴み部を接続する曲率部とを有し、曲率部と掴み部との接続点である二つの肩部の間の距離である肩部間長さと板厚との比、及びゲージ部の長さであるゲージ長さと板厚との比が、熱疲労試験の際に座屈が発生しないように定められた値を有することが、望ましい。 In the thermal fatigue test method according to the present invention, the thermal fatigue test piece is formed on the gauge part to which the extensometer of the thermal fatigue test apparatus is attached, and both ends of the gauge part, and is gripped by the thermal fatigue test apparatus. Between the shoulder portion, which is a distance between the two shoulder portions that are the connection points between the curvature portion and the grip portion. It is desirable that the ratio between the length and the plate thickness, and the ratio between the gauge length and the plate thickness, which is the length of the gauge portion, have values determined so that buckling does not occur during the thermal fatigue test.
別の観点からは、本発明は、平板状の熱疲労試験片に対して熱疲労試験を行う高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置であって、この熱疲労試験片の少なくとも一方の側面を除き、一方の平面又は両方の平面に離間して対向するように略平面状に配設されてこの熱疲労試験片を加熱する加熱コイルと、平板状の熱疲労試験片の側面に装着される伸び計とを具備することを特徴とする熱疲労試験装置である。 From another viewpoint, the present invention is a high-frequency induction heating type thermal fatigue test apparatus for performing a thermal fatigue test on a flat plate-like thermal fatigue test piece, except for at least one side surface of the thermal fatigue test piece. A heating coil that heats the thermal fatigue test piece and is mounted on the side surface of the flat thermal fatigue test piece. It is a thermal fatigue testing apparatus characterized by comprising a meter.
この本発明に係る熱疲労試験装置では、加熱コイルが、渦巻き状又は波状をなすことにより略平面状を呈することが望ましい。
別の観点からは、本発明は、高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置の伸び計が装着されるゲージ部と、このゲージ部の両端側に形成され、この熱疲労試験装置により掴持される掴み部と、曲線状に形成されてゲージ部及び掴み部を接続する曲率部とを有し、高周波誘導加熱による熱疲労試験に供せられる平板状の熱疲労試験片であって、曲率部と掴み部との接続点である二つの肩部の間の距離である肩部間長さと板厚との比、及びゲージ部の長さであるゲージ長さと板厚との比が、熱疲労試験の際に座屈が発生しないように定められた値を有することを特徴とする熱疲労試験片である。
In the thermal fatigue testing apparatus according to the present invention, it is desirable that the heating coil has a substantially planar shape by forming a spiral shape or a wave shape.
From another point of view, the present invention is a gauge part to which an extensometer of a high-frequency induction heating type thermal fatigue test apparatus is attached, and formed at both ends of the gauge part, and is gripped by the thermal fatigue test apparatus. A plate-shaped thermal fatigue test piece having a grip portion and a curved portion formed in a curved shape to connect the gauge portion and the grip portion, and used for a thermal fatigue test by high frequency induction heating, wherein the curvature portion and The ratio between the shoulder length, which is the distance between the two shoulders, which is the connection point with the grip, and the plate thickness, and the ratio between the gauge length, which is the gauge portion, and the plate thickness are the thermal fatigue test. It is a thermal fatigue test piece characterized by having a value determined so that buckling does not occur at the time.
この本発明に係る熱疲労試験片では、肩部間長さと板厚との比が30以下であるとともに、ゲージ長さと板厚との比が12以下であることが望ましい。
これらの本発明に係る熱疲労試験片では、高周波誘導加熱が、平板状の熱疲労試験片の平面に離間して対向するように略平面状に配設された加熱コイルにより行われることが、望ましい。
In the thermal fatigue test piece according to the present invention, it is desirable that the ratio between the length between the shoulders and the plate thickness is 30 or less and the ratio between the gauge length and the plate thickness is 12 or less.
In these thermal fatigue test pieces according to the present invention, the high-frequency induction heating is performed by a heating coil arranged in a substantially planar shape so as to be opposed to the plane of the flat plate-like thermal fatigue test piece, desirable.
本発明にかかる熱疲労試験方法、熱疲労試験装置及び熱疲労試験片により、高温環境下で使用される薄肉部材の素材である薄板の熱疲労強度を適正に評価することができるようになった。これにより、高温環境で使用される薄肉部材の素材である薄板の開発や、この薄板を用いて機械構造物を設計するための有益な情報を得られることとなった。 With the thermal fatigue test method, the thermal fatigue test apparatus, and the thermal fatigue test piece according to the present invention, it is now possible to appropriately evaluate the thermal fatigue strength of a thin plate that is a material of a thin member used in a high temperature environment. . As a result, it has become possible to obtain useful information for developing a thin plate that is a material of a thin member used in a high-temperature environment and for designing a mechanical structure using the thin plate.
以下、本発明に係る熱疲労試験方法、熱疲労試験装置及び熱疲労試験片を実施するための最良の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
略述すると、本実施の形態では、本発明に係る平板状の熱疲労試験片に、同じく本発明に係る高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置を用いて、熱疲労試験を行う。そこで、この熱疲労試験片及び熱疲労試験装置を分説してから、これらを用いて行う熱疲労試験方法を説明する。
Hereinafter, the best mode for carrying out a thermal fatigue test method, a thermal fatigue test apparatus, and a thermal fatigue test piece according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
Briefly, in this embodiment, a thermal fatigue test is performed on the flat thermal fatigue test piece according to the present invention using the high-frequency induction heating type thermal fatigue test apparatus according to the present invention. Then, after explaining this thermal fatigue test piece and a thermal fatigue test apparatus, the thermal fatigue test method performed using these is demonstrated.
[熱疲労試験片10]
図1は、本実施の形態で用いる熱疲労試験片10の形状を示す二面図である。
この熱疲労試験片10は、板厚tの平板状を呈する。この板厚tは特に限定を要さない。しかし、後述する本発明に係る高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置20はこの熱疲労試験片10を側方から加熱するものではないため、板厚tが3mmを超えると側面から加熱しないことに起因した加熱むらが顕著となり、熱疲労試験片10の板厚方向の温度分布の不均一が大きくなる。このため、板厚tの上限は3mmとすることが望ましい。
[Thermal fatigue test piece 10]
FIG. 1 is a two-sided view showing the shape of a thermal
The thermal
また、この熱疲労試験片10は、平面図において,長さがLGLの矩形に形成されたゲージ部10aと、その両端側に形成された幅がL1の掴み部10c、10cと、曲線状に形成されてゲージ部10a及び掴み部10c、10cを接続する曲率部10b、10bとを有する。ここで、曲率部10b、10bと掴み部10c、10cとの接続点10e、10e、10e、10eを肩部と称する。ゲージ部10aは、本発明に係る高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置20の伸び計5の押し付け棒4が配置される部分であり、掴み部10c、10cは、この熱疲労試験装置20のチャック24、24で掴持するための部分である。
Further, the thermal
また、図1に示すこの熱疲労試験片10は、肩部10e、10eの試験片軸方向の間隔L0(これを肩部間長さと称する)と板厚tとの比(L0/t)、ならびにゲージ部10aの長さであるゲージ長さLGLと板厚tとの比(LGL/t)が、いずれも、本発明に係る高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置を用いた熱疲労試験における加熱の際に座屈が発生しないように定められた値を有する。
Further, the thermal
具体的には、肩部間長さL0と板厚tとの比(L0/t)が30以下であるとともに、ゲージ長さLGLと板厚tとの比(LGL/t)が12以下であることが望ましい。比(L0/t)が30超であるか、又は比(LGL/t)が12超であると、本発明に係る高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置を用いた熱疲労試験における加熱の際に座屈が発生し易くなり、熱疲労特性を適正に評価することができなくなる。 Specifically, the ratio (L 0 / t) between the length L 0 between the shoulders and the plate thickness t is 30 or less, and the ratio between the gauge length L GL and the plate thickness t (L GL / t). Is desirably 12 or less. When the ratio (L 0 / t) is greater than 30 or the ratio (L GL / t) is greater than 12, heating in a thermal fatigue test using the high-frequency induction heating type thermal fatigue test apparatus according to the present invention In this case, buckling tends to occur, and the thermal fatigue characteristics cannot be properly evaluated.
なお、肩部間長さL0及びゲージ長さLGLの下限は、このような観点からは限定を要さない。しかし、肩部間長さL0及びゲージ長さLGLを短くするには、本発明に係る高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置の伸び計5の押し付け棒4の設置間隔が一般的に5mm以上であることから、ゲージ長さLGLを5mm未満にすることは困難である。このため、ゲージ長さLGLの下限は事実上5mmである。
The lower limit of the shoulder between the length L 0 and the gauge length L GL will not require limited from this point of view. However, to shorten the shoulder between the length L 0 and the gauge length L GL extends a total of 5 of the pressing installation interval is generally
一方、肩部間長さL0を小さくすると、これに伴って曲率部10b、10bも小さくなるが、この曲率部10b、10bが極端に小さくなると曲線部への応力集中が顕著になり、この曲線部において破壊する可能性が高くなることから、肩部間長さL0はゲージ長さLGLの2倍程度以上とすることが望ましい。
On the other hand, reducing the between shoulder length L 0, the
また、一般的には、熱疲労試験装置20のチャック24、24により掴持される領域10g、10gは掴み部10c、10cよりも小さく取られる場合もあるが、圧縮負荷時の座屈を防止するためには、掴み部10c、10cのうち可能な限り広い領域を掴持することが望ましい。したがって、比(LF/t)が30以下であることが望ましい。
In general, the regions 10g and 10g gripped by the
この熱疲労試験片10は、例えば自動車エンジン用エキゾーストマニホールドや燃料電池改質器等といった高温環境下で使用される部材の素材となる薄板の熱疲労特性を評価するものであるため、熱疲労試験片10の素材としては試験の目的に応じて各種の材料が使用されるが、代表的な材料としては、SUS430J1L等のフェライト系ステンレス鋼や、SUS310S等のオーステナイト系ステンレス鋼を例示することができる。
This thermal
さらに、熱疲労試験片10の表面粗さは熱疲労特性に影響を及ぼすため、熱疲労試験片10は、400番エメリー紙で仕上げた程度以上の滑らかさの表面を有することが望ましい。
Furthermore, since the surface roughness of the thermal
この熱疲労試験片10は、後述する、この熱疲労試験片10の平面10d、10dに離間して対向するように略平面状に配設された加熱コイル21、21により行われる高周波誘導加熱による熱疲労試験に供せられる。
本実施の形態における熱疲労試験片10は、以上のように構成される。
The thermal
The thermal
[熱疲労試験装置20]
図2は、本発明に係る熱疲労試験装置20の主要部を抽出して示す説明図であり、図2(a)は斜視図、図2(b)は平面図、図2(c)は側面図である。また、図3は、この熱疲労試験装置20の構成要素である加熱コイル21及び伸び計22を示す平面図である。
[Thermal fatigue test apparatus 20]
FIG. 2 is an explanatory view showing the main part of the thermal
図3に示すように、本実施の形態の熱疲労試験装置20は、加熱コイル21と伸び計22とを具備しており、上述した熱疲労試験片10に対して熱疲労試験を行う。
図2(a)〜図2(c)に示すように、熱疲労試験片10のゲージ部10aを加熱するための熱疲労試験装置20の高周波誘導加熱式の加熱コイル21、21は、熱疲労試験片10の表面10d、10dに、所定距離だけ離間して対向するように配置される。
As shown in FIG. 3, the thermal
As shown in FIGS. 2A to 2C, the high-frequency induction heating type heating coils 21 and 21 of the thermal
加熱コイル21、21は、例えば渦巻き状又は波状をなすことによって、熱疲労試験片10の表面10d、10dと略平行な平面又は略平面に配設される。
本実施の形態では、図2及び図3に示す加熱コイル21を渦巻き形状が円形となる円形渦巻き状に構成した。円形渦巻き状とすることが、加熱コイル21の製作を最も容易にするからである。しかし、本発明はこの形態に限定されるものではない。
The heating coils 21 and 21 are disposed on a plane or a plane substantially parallel to the
In the present embodiment, the
図4は渦巻き形状の一部に直線部を有する扁平渦巻き状の加熱コイル21−1を示す二面図であり、図5は渦巻き形状が楕円となる楕円渦巻き状の加熱コイル21−2を示す二面図であり、図6は矩形渦巻き状の加熱コイル21−3を示す二面図であり、図7は波状の加熱コイル21−4を示す二面図であり、さらに、図8は略平面状の円錐面内に渦巻き状に配置した円錐渦巻き状の加熱コイル21−5を示す二面図である。 FIG. 4 is a two-sided view showing a flat spiral heating coil 21-1 having a linear portion in a part of the spiral shape, and FIG. 5 shows an elliptical spiral heating coil 21-2 in which the spiral shape is an ellipse. FIG. 6 is a two-sided view showing a rectangular spiral heating coil 21-3, FIG. 7 is a two-sided view showing a wavy heating coil 21-4, and FIG. It is a two-plane figure which shows the conical spiral heating coil 21-5 arrange | positioned spirally within the planar conical surface.
本発明における加熱コイルは、円形渦巻き状の加熱コイル21のみならず、扁平渦巻き状の加熱コイル21−1、楕円渦巻き状の加熱コイル21−2、矩形渦巻き状の加熱コイル21−3、波状の加熱コイル21−4、略平面状の円錐面内に渦巻き状に配置した円錐渦巻き状の加熱コイル21−5、さらにはこれらの加熱コイル21〜21−5と技術的に均等と判断される形状であっても同様の作用効果を奏することができる。
The heating coil in the present invention is not limited to the circular
加熱コイル21の形状や巻き数は特に限定を要するものではない。例えば、コイル径はこの種の加熱コイルとして一般的な3〜5mm程度であればよい。また、図2及び図3に示す本実施の形態の円形渦巻き状の加熱コイル21の場合には、巻き数は2〜4巻き程度とすればよい。
The shape and the number of turns of the
なお、本実施の形態の熱疲労試験装置20は、この加熱コイル21とともに、この加熱コイル21に通電して加熱コイル21を起動する装置や、加熱コイル21により誘導加熱された熱疲労試験片10を冷却するための冷却装置等の附帯設備も備えるが、これらの附帯設備は、上述した非特許文献1、2等により周知である、丸棒試験片や円筒試験片の熱疲労試験装置の附帯設備を流用すればよく、本実施の形態でもこの公知の附帯設備を流用して用いたので、この附帯設備に関する説明は省略する。
The thermal
また、図3に示すように、本実施の形態の熱疲労試験装置20は、平板状の熱疲労試験片10の側面に装着される伸び計22を具備する。この伸び計22は、所定のゲージ長さLGLだけ離れて配置された、石英ガラスやセラミックス等からなる二本の押し当て棒23を有する。
As shown in FIG. 3, the thermal
そして、二本の押し当て棒23は、熱疲労試験片10の側方から、すなわち、熱疲労試験片10の板厚方向及び荷重軸方向にともに垂直な方向(図3における左右方向)から、熱疲労試験片10のゲージ部10aの側面に押し当てられる。熱疲労試験の際における熱疲労試験片10の伸びに伴って、二本の押し当て棒23の間隔が変化すると、この間隔の変化に基づいて熱疲労試験片10に生じたひずみを測定することができる。
Then, the two
なお、本実施の形態の熱疲労試験装置20は、この伸び計22とともに、この伸び計22から連続して出力される歪みの値を、連続して自動記録するための装置や、熱疲労試験の際における熱疲労試験片10に負荷される荷重を測定するための装置等の附帯設備も備えるが、これらの附帯設備は、上述した非特許文献1、2等により周知である、丸棒試験片や円筒試験片の熱疲労試験装置の附帯設備を流用すればよく、本実施の形態でもこの公知の附帯設備を流用して用いたので、この附帯設備に関する説明は省略する。
本実施の形態における熱疲労試験装置20は、以上のように構成される。
The thermal
The thermal
[熱疲労試験方法]
本実施の形態では、上述した平板状の熱疲労試験片10に、同じく上述した高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置20を用いて、熱疲労試験を行う。
[Thermal fatigue test method]
In the present embodiment, a thermal fatigue test is performed on the flat thermal
具体的には、肩部間長さL0と板厚tとの比(L0/t)、ならびにゲージ長さLGLと板厚tとの比(LGL/t)が熱疲労試験における加熱の際に座屈が発生しないように定められた値を有する平板状の熱疲労試験片10に、この熱疲労試験片10の平面に離間して対向するように略平面状に配設されてこの熱疲労試験片10を加熱する加熱コイル21、21と、平板状の熱疲労試験片10の側面に装着された伸び計23とを具備する高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置20を用いて、熱疲労試験を行う。
Specifically, the ratio (L 0 / t) between the length L 0 between the shoulders and the sheet thickness t, and the ratio (L GL / t) between the gauge length L GL and the sheet thickness t are determined in the thermal fatigue test. A flat plate-shaped thermal
熱疲労試験の操作や手順等は、上述した非特許文献1、2等により周知である、丸棒試験片や円筒試験片の熱疲労試験の操作や手順等をそのまま流用して行えばよい。
このため、本実施の形態によれば、以下に列記する効果が奏せられる。
The operation and procedure of the thermal fatigue test may be carried out by diverting the operation and procedure of the thermal fatigue test of a round bar test piece and a cylindrical test piece, which are well known from
For this reason, according to this Embodiment, the effect listed below is show | played.
(A)熱疲労試験片10の表面10d、10dに離間して対向するように配置された加熱コイル21、21により、熱疲労試験片10のゲージ部10aを加熱するため、図3に示すように、伸び計22の押し当て棒23、23を熱疲労試験片10の側方から、熱疲労試験片10のゲージ部10aに所定の間隔で押し当てることが可能となる。このため、ゲージ部10aの表面10d、10dから押し当て棒23、23を押し当てる場合に比較して、押し当ての横荷重により座屈を誘発する危険性を大幅に低減できる。
(A) In order to heat the
(B)このように配置された加熱コイル21、21を用いることにより、例えば、加熱コイルの幅を熱疲労試験片10の掴み部10cの幅よりも大きくしなければならないといった、熱疲労試験片10の寸法に起因した加熱コイルの形状についての制約が解消されるため、加熱コイル21、21の形状を自由に設計できる。
(B) By using the heating coils 21, 21 arranged in this way, for example, the thermal fatigue test piece in which the width of the heating coil must be larger than the width of the
(C)加熱コイル21、21の形状を、熱疲労試験片10の平面10dに離間して対向するように略平面状に配設されてゲージ部10aの平面全域を覆うことができる形状とすることができるため、加熱コイル21、21によりゲージ部10aを均一に加熱することができる。
(C) The heating coils 21 and 21 are shaped so as to be substantially planar so as to be opposed to the
(D)加熱コイル21、21を用いることにより、熱疲労試験片10の形状を自由に設定できるため、熱疲労試験における圧縮負荷により座屈を生じないように、肩部間長さL0と板厚tとの比(L0/t)、ならびにゲージ長さLGLと板厚tとの比(LGL/t)を設定することができる。
(D) Since the shape of the thermal
(E)具体的には、比(L0/t)を30以下とするとともに比(LGL/t)を12以下とすることにより、熱疲労試験における座屈の発生を確実に防止することができる。
このように、本実施の形態により、高温環境で使用される薄肉部材の素材である薄板の熱疲労強度を適正に評価することができるようになった。これにより、高温環境で使用される薄肉部材の素材である薄板の開発や、この薄板を用いて機械構造物を設計するための有益な情報を得られる。
(E) Specifically, by making the ratio (L 0 / t) 30 or less and the ratio (L GL / t) 12 or less, occurrence of buckling in the thermal fatigue test is surely prevented. Can do.
As described above, according to the present embodiment, it is possible to appropriately evaluate the thermal fatigue strength of a thin plate that is a material of a thin member used in a high temperature environment. As a result, it is possible to obtain useful information for developing a thin plate that is a material of a thin member used in a high temperature environment and for designing a mechanical structure using the thin plate.
さらに、本発明を実施例を参照しながらより具体的に説明する。
図1及び表1に示す試験片形状(板厚t、ゲージ長LGL、肩部間長さL0、比(LGL/t)及び比(L0/t))を有する平板状の熱疲労試験片に、同じく図2、図4又は図13及び表1に示す加熱コイル(形状、巻き数、配置)と、図3に示す伸び計22とを有する熱疲労試験装置20を用いて、表1に示す伸び計押し当て位置に伸び計22の押し当て棒23、23を押し当てて、熱疲労試験を行った。
Furthermore, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
Plate-like heat having the test piece shape (plate thickness t, gauge length L GL , shoulder-to-shoulder length L 0 , ratio (L GL / t) and ratio (L 0 / t)) shown in FIG. 1 and Table 1 Using the thermal
なお、表1における加熱コイルの形状の欄におけるAは、図13に示す熱疲労試験片1’の外周を包囲する形式の矩形形状(比較形状)を示し、Bは図2に示す円形渦巻き形状(本発明に係る形状)を示し、さらに、Cは図4に示す直線部を有する偏平渦巻き形状(本発明に係る形状)を示す。 A in the column of the shape of the heating coil in Table 1 indicates a rectangular shape (comparative shape) of a form surrounding the outer periphery of the thermal fatigue test piece 1 ′ shown in FIG. 13, and B indicates a circular spiral shape shown in FIG. (Shape according to the present invention), and C represents a flat spiral shape (shape according to the present invention) having a straight portion shown in FIG.
この熱疲労試験に供した熱疲労試験片は、自動車排ガス系部品等に使用されるフェライト系ステンレス鋼(SUS430J1L)製の冷延鋼板から、荷重軸方向が圧延方向と一致するようにして、採取した。 The thermal fatigue test piece subjected to this thermal fatigue test was collected from a cold rolled steel sheet made of ferritic stainless steel (SUS430J1L) used for automobile exhaust gas parts and the like so that the load axis direction coincides with the rolling direction. did.
熱疲労試験では、熱疲労試験片に、図9にグラフで示すひずみ及び温度波形を与えた。すなわち、温度を200℃から900℃までの範囲で変動させると同時に、加熱時の熱膨張に伴う伸び(ひずみ)を機械的に30%及び50%拘束した条件(これらの数値を拘束率という)で、疲労試験を行った。熱疲労試験片の線膨張係数をαとし、温度変動範囲をΔT(本実施例では700℃)とすると、図9のグラフにおけるひずみの変動範囲は、拘束率30%の場合には0.7×α×ΔTであり、拘束率50%の場合には0.5×α×ΔTである。なお、熱疲労試験片の冷却は、その外周から冷却エアーを吹き付けることにより、行った。 In the thermal fatigue test, the strain and temperature waveforms shown in the graph of FIG. 9 were given to the thermal fatigue test piece. That is, the temperature is varied in the range of 200 ° C. to 900 ° C., and at the same time, the elongation (strain) associated with the thermal expansion during heating is mechanically constrained by 30% and 50% (these numerical values are referred to as the constraining rate). A fatigue test was conducted. If the coefficient of linear expansion of the thermal fatigue test piece is α and the temperature fluctuation range is ΔT (700 ° C. in this embodiment), the strain fluctuation range in the graph of FIG. 9 is 0.7 when the constraint rate is 30%. × α × ΔT, and 0.5 × α × ΔT when the constraint rate is 50%. The thermal fatigue test piece was cooled by blowing cooling air from its outer periphery.
表1には、上述した平板状の熱疲労試験片の試験片形状(板厚t、ゲージ長LGL、肩部間長さL0、比(LGL/t)及び比(L0/t))と、加熱コイル(形状、巻き数、配置)とともに、試験No.1〜13についての試験結果(900℃への加熱適否)を示す。また、表2には、熱疲労試験を行うことができた試験No.1〜10についての試験結果(熱疲労試験時における座屈の有無、及び試験実施の可否)を示す。 Table 1 shows the specimen shape (plate thickness t, gauge length L GL , shoulder-to-shoulder length L 0 , ratio (L GL / t) and ratio (L 0 / t) of the flat plate-like thermal fatigue test piece described above. )) And the heating coil (shape, number of windings, arrangement), as well as test no. The test result (heating suitability to 900 degreeC) about 1-13 is shown. Table 2 shows the test No. in which the thermal fatigue test could be performed. The test result about 1-10 (the presence or absence of buckling at the time of a thermal fatigue test, and the possibility of test implementation) is shown.
表1、2における試験No.1〜5及び9は、熱疲労試験片の形状、加熱コイルの形状及び配置がいずれも本発明が規定する範囲を満足するものである。いずれの場合も、熱疲労試験片に座屈を生じることなく、熱疲労試験片を所定の温度に加熱しながら熱疲労試験を最後まで行うことができた。また、加熱コイルの形状が円形渦巻き形状である(加熱コイル形状:B)か、又は偏平渦巻き形状である(加熱コイル形状:C)かには関わらず、熱疲労試験片を目標温度である900℃に加熱することもできた。 Test No. in Tables 1 and 2 In Nos. 1 to 5 and 9, the shape of the thermal fatigue test piece and the shape and arrangement of the heating coil all satisfy the range defined by the present invention. In either case, the thermal fatigue test could be performed to the end while heating the thermal fatigue test piece to a predetermined temperature without causing buckling of the thermal fatigue test piece. Regardless of whether the shape of the heating coil is a circular spiral shape (heating coil shape: B) or a flat spiral shape (heating coil shape: C), the thermal fatigue test piece is at a target temperature of 900. It was also possible to heat to ° C.
また、表3には、試験No.1の熱疲労試験結果を示す。なお、同表における「熱疲労寿命(サイクル)」とは、亀裂の発生によって1サイクル中の応力変動範囲が低下し始めた時点における繰返し数を意味する。50%又は30%のいずれの拘束率であっても、熱疲労寿命を適正に評価することができたことがわかる。 Table 3 also shows test numbers. The thermal fatigue test result of 1 is shown. The “thermal fatigue life (cycle)” in the table means the number of repetitions when the stress fluctuation range in one cycle starts to decrease due to the occurrence of cracks. It can be seen that the thermal fatigue life could be properly evaluated regardless of the constraint rate of 50% or 30%.
表1における試験No.6、7、8及び10は、いずれも、加熱コイルの形状及び配置がいずれも本発明が規定する範囲を満足するが、熱疲労試験片が、ゲージ部、掴み部及び曲率部を有するものの、肩部間長さと板厚との比、及びゲージ長さと板厚との比が、熱疲労試験の際に座屈が発生しないように定められた値を有さないため、熱疲労試験の途中で座屈を生じてしまい、熱疲労試験を最後まで行うことができなかった。 Test No. 1 in Table 1 6, 7, 8, and 10 all satisfy the range defined by the present invention in the shape and arrangement of the heating coil, but the thermal fatigue test piece has a gauge part, a grip part, and a curvature part. The ratio between the length between the shoulders and the plate thickness, and the ratio between the gauge length and the plate thickness do not have values determined so that buckling does not occur during the thermal fatigue test. As a result, the thermal fatigue test could not be performed to the end.
また、試験No.11及び12では、熱疲労試験片の形状は本発明が規定する範囲内にあるものの、加熱コイルの形状が図13に示す熱疲労試験片1’の外周を包囲する形式の矩形形状であることから、伸び計22の押し当て棒23、23を挿入する間隙を確保するために、加熱コイルの巻数を1巻又は2巻とせざるを得なくなり、熱疲労試験片を目標温度である900℃まで加熱することはできず、熱疲労試験を行うことができなかった。
In addition, Test No. 11 and 12, although the shape of the thermal fatigue test piece is within the range defined by the present invention, the shape of the heating coil is a rectangular shape surrounding the outer periphery of the thermal fatigue test piece 1 'shown in FIG. Therefore, in order to secure a gap for inserting the
さらに、試験No.13では、試験No.11及び12に対して、加熱コイルの巻数を3巻に増加したために熱疲労試験片を目標温度である900℃まで加熱することは可能になったものの、加熱コイルの巻数を増加したことに伴って、隣接する加熱コイルの間の間隙が狭くなり、伸び計の押し当て棒23、23を熱疲労試験片に押し当てることが不可能となり、熱疲労試験を行うことができなかった。
Furthermore, test no. 13, test no. Although the number of turns of the heating coil was increased to 3 with respect to 11 and 12, it became possible to heat the thermal fatigue test piece to the target temperature of 900 ° C., but with the increase in the number of turns of the heating coil As a result, the gap between the adjacent heating coils is narrowed, and the
以上のように、本発明によれば、平板状試験片の熱疲労特性を適正に評価することができる。
一般的に、熱疲労試験を行って熱疲労試験片の熱疲労特性を適正に評価するためには、熱疲労試験片のゲージ部の内部における温度を、できる限り均一にすることも重要である。そこで、本実施例においても熱疲労試験片のゲージ部の内部の温度分布と、加熱コイルの形状との関係を検討した。
As described above, according to the present invention, it is possible to appropriately evaluate the thermal fatigue characteristics of a flat test piece.
In general, in order to properly evaluate the thermal fatigue characteristics of a thermal fatigue test piece by performing a thermal fatigue test, it is also important to make the temperature inside the gauge part of the thermal fatigue test piece as uniform as possible. . Therefore, also in this example, the relationship between the temperature distribution inside the gauge portion of the thermal fatigue test piece and the shape of the heating coil was examined.
図10は、この検討に用いた平板状の熱疲労試験片の各部の寸法を示す説明図である。
この検討では、試験No.1(加熱コイル形状:B(円形渦巻き)、巻数:3)及び試験No.2(加熱コイル形状:C(偏平渦巻き)、巻数:3)を、最高温度900℃に加熱した状態におけるゲージ部の内部の温度を測定した。測定結果を、表4に示す。また、比較のため、試験No.11(加熱コイル形状:A(外周包囲形状)、巻数:1)の結果も同表に併記する。
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the dimensions of the respective portions of the flat plate-like thermal fatigue test piece used in this study.
In this study, test no. 1 (heating coil shape: B (circular spiral), number of windings: 3) and test no. 2 (heating coil shape: C (flat spiral), number of turns: 3) was heated to a maximum temperature of 900 ° C., and the temperature inside the gauge portion was measured. The measurement results are shown in Table 4. For comparison, Test No. The result of 11 (heating coil shape: A (periphery surrounding shape), number of turns: 1) is also shown in the table.
なお、以上の3例では熱疲労試験片の形状は同じであり、図10に示すように、板厚は2mmであり、ゲージ部長さは12mm(平行部長さは14mm)であり、さらに肩部間長さは34mmであった。 In the above three examples, the shape of the thermal fatigue test piece is the same, and as shown in FIG. 10, the plate thickness is 2 mm, the gauge portion length is 12 mm (parallel portion length is 14 mm), and the shoulder portion. The interspace length was 34 mm.
試験No.1及びNo.2では、ともに900℃まで加熱することができたとともに、ゲージ部の中央部及び端部間の温度差は3℃以内と小さかった。これに対して、試験No.No.11では、最高温度900℃まで加熱することができず、かつ、ゲージ部の中央部と端部との温度差は10℃と大きくなった。 Test No. 1 and no. In No. 2, both could be heated to 900 ° C., and the temperature difference between the central portion and the end of the gauge portion was as small as 3 ° C. or less. In contrast, test no. No. No. 11 could not be heated up to a maximum temperature of 900 ° C., and the temperature difference between the central portion and the end of the gauge portion was as large as 10 ° C.
以上のような温度分布の差異の理由について考察するため、有限要素法を用いて磁場解析を行い、解析対象は図10に示した熱疲労試験片を解析対象としてその発熱量を評価した。有限要素磁場解析条件の解析条件を表5に、まとめて示す。 In order to consider the reason for the difference in temperature distribution as described above, a magnetic field analysis was performed using a finite element method, and the heat generation was evaluated using the thermal fatigue test piece shown in FIG. 10 as the analysis target. Table 5 summarizes the analysis conditions of the finite element magnetic field analysis conditions.
また、加熱コイルの形状は、実施例に示したコイルA(外周包囲、1巻き)、B(円形渦巻き、3巻き)及びC(偏平渦巻き、3巻き)であり、コイルB及びCは熱疲労試験片の表裏面の両側に配置した。また、コイルと試験片表面との距離は、全てのケースで1mmとした。 Moreover, the shape of a heating coil is the coil A (periphery surrounding, 1 winding), B (circular spiral, 3 winding), and C (flat spiral, 3 winding) which were shown in the Example, and coils B and C are thermal fatigue. It arrange | positioned on both sides of the front and back of a test piece. The distance between the coil and the test piece surface was 1 mm in all cases.
図11は、熱疲労試験片の表面におけるゲージ内の中心軸上における発熱量分布を示すグラフである。ただし、図12のグラフにおける縦軸は、無次元化発熱量として最大値で無次元化して示す。また、横軸は、図10に示す通りであり、熱疲労試験片の中央を原点Oとしている。 FIG. 11 is a graph showing the calorific value distribution on the central axis in the gauge on the surface of the thermal fatigue test piece. However, the vertical axis in the graph of FIG. 12 shows the dimensionless calorific value as dimensionless with the maximum value. Further, the horizontal axis is as shown in FIG. 10, and the center of the thermal fatigue test piece is the origin O.
図12のグラフから、コイルAを用いて熱疲労試験片を加熱すると、熱疲労試験片の中央(X=0)のみが局部的に発熱してしまっており、1巻きではゲージ部の内部も温度分布を均一化できないことが説明できる。 From the graph of FIG. 12, when the thermal fatigue test piece is heated using the coil A, only the center (X = 0) of the thermal fatigue test piece is locally heated. It can be explained that the temperature distribution cannot be made uniform.
一方、コイルB、Cを用いて熱疲労試験片を加熱すると、ゲージ部の両端近傍(X=±4〜5)に発熱量のピークが存在し、これらの位置を起点として熱がゲージ部の内部に伝導し、ゲージ部全体について均一な温度分布が得られたと考えられる。 On the other hand, when the thermal fatigue test piece is heated using the coils B and C, there is a peak of the calorific value in the vicinity of both ends of the gauge part (X = ± 4 to 5), and the heat from the gauge part starts from these positions. It is thought that a uniform temperature distribution was obtained for the entire gauge part.
このように、本実施例により、高温環境下で使用される薄肉部材の素材である薄板の熱疲労強度を適正に評価することができるようになった。 As described above, according to this example, the thermal fatigue strength of a thin plate that is a material of a thin member used in a high temperature environment can be appropriately evaluated.
10 熱疲労試験片
10a ゲージ部
10b、10b 曲率部
10c、10c 掴み部
10d、10d 平面
20 熱疲労試験装置
21、21−1〜21−5 加熱コイル
22 伸び計
23 押し当て棒
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