JP2007206036A - 破面遷移温度の算出方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】観察者が異なる場合にも同一の結果の得られるようなシャルピー衝撃試験の試験結果から破面遷移温度を算出する方法を提供する。
【解決手段】各試験体の脆性破面率と試験温度との関係を近似する近似曲線Qを表す関数を求め、求めた関数において脆性破面率が50%となる試験温度を破面遷移温度(FATT)とする。
【選択図】図4

Description

本発明は、シャルピー衝撃試験において破面遷移温度を算出する方法に関する。
鋼材などの材料は、温度の変化とともに、材料の破損断面における延性破面の占める割合が変化する。特に、延性破面率が50%となる温度である破面遷移温度(以下、FATTとする)近傍の温度では、その変化の割合も大きく、破損断面における延性破面率と温度の関係を正確に把握することは設計や解析を行う上で、非常に重要である。このような、材料温度と延性破面の占める割合との関係を求める方法の一つに、シャルピー衝撃試験がある。
シャルピー衝撃試験によりFATTを算出する方法は、JIS Z2242付属書D(規定)に、延性破面率100%及び脆性破面率100%に相当する温度を含む遷移温度領域における複数の試験温度で試験を行い、縦軸を延性破面率(または脆性破面率)、横軸を試験温度としたグラフ上に試験結果をプロットし、試験結果を表す各点のほぼ中央を通るように遷移曲線を描き、遷移曲線の延性破面率(または脆性破面率)が50%となる温度をFATTとするよう規定されている。
特許文献1には、このようなシャルピー衝撃試験を効率的に行うために、材料破壊時の荷重及び変位を記憶する記憶装置と、この記憶装置に記憶された荷重データ及び変位データに基づいて材料の特性を算出する装置が記載されている。
特開昭63−113342号公報
しかしながら、特許文献1には、FATTを算出する方法について記載されていない。また、JIS Z2242付属書D(規定)に準拠した方法によりFATTの算出する場合には、試験温度に対する脆性破面率にばらつきがあるため、遷移曲線の形状が算出者の主観に左右され、FATTが算出者ごとに異なる場合がある。また、脆性破面率50%前後の試験温度における脆性破面率の観察結果を考慮して試験温度を加重平均してFATTを算出する方法が用いられる場合もあるが、得られたFATTが上記の遷移曲線を描く方法と異なる場合がある。また、FATT周辺では、シャルピー試験の結果にばらつきがある場合があるため、FATTの算出精度がよくない。
本発明は上記の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、シャルピー衝撃試験の試験結果からFATTを算出する際に、算出者が異なる場合にも同一の結果の得られるようなFATTを算出する方法を提供することである。
本発明の破面遷移温度の算出方法は、シャルピー衝撃試験により得られた各試験体の延性破面率と試験温度とに基づき破面遷移温度を算出する方法であって、各試験体の延性破面率と試験温度との関係を近似する曲線モデルを表す関数を求め、前記求めた関数において、延性破面率が50%となる試験温度を前記破面遷移温度とすることを特徴とする。
ここで、前記曲線モデルを表す関数は、次式(1)で表される関数であってもよい。
Figure 2007206036
また、ここで、前記曲線モデルを表す関数は、次式(2)で表される関数であってもよい。
Figure 2007206036
ここで、上記の式(1)又は(2)中の係数Aを適宜な値に設定し、係数B、Cを最小二乗法により調整することにより前記関数を求めてもよい。
また、上記の式(1)又は(2)中の係数A、B、Cを最小二乗法により調整することにより前記関数を求めてもよい。
上記の破面遷移温度の算出方法によれば、最小二乗法により、試験結果を表す曲線モデルを求め、この曲線モデルに基づき破面遷移温度を算出するため、算出者が異なっても等しい結果を得られる。
本発明によれば、シャルピー衝撃試験の結果を最小二乗法を用いて曲線により近似し、この曲線に基づきFATTを算出するため、算出者が異なる場合でも、等しいFATTを算出することができる。
以下、本発明のFATTの算出方法の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、試験温度と脆性破面率の関係に基づき、FATTを算出する構成としているが、脆性破面率と延性破面率の合計は100%であるため、脆性破面率にかえて延性破面率を用いても同様に行うことができる。
図1は、シャルピー衝撃試験により得られた各試験体の試験温度と脆性破面率との関係をプロットしたグラフの一例を示す。同図に示すように、一般的にFATT付近では、温度変化にともない脆性破面率が大きく変化し、FATTから離れると脆性破面率の変化は小さくなる傾向がある。
そこで、本出願人らは、このような試験結果と同様の傾向を有する曲線により近似し、最小二乗法によりこの曲線を表す関数を決定し、得られた関数の脆性破面率が50%となる点の温度をFATTとする方法を提案する。なお、以下の説明において、シャルピー衝撃試験により得られた各試験体i(i=1、…、n)の試験温度をx[℃]、脆性破面率をy[%]とする。
<第1実施形態>
第1実施形態では、試験温度x[%]と、脆性破面率y[℃]との関係に近い傾向を有する次式(3)で表される双曲線関数を用いて近似する。
Figure 2007206036
ここで、試験結果よりFATTを算出する流れを図2に示すフローチャートを参照して説明する。
まず、ステップ100において、Aの値を適宜な値に設定する。式(3)の右辺の
Figure 2007206036
は、xが実数の範囲で0から1の値をとり、また、式(3)における左辺y(x)は、0[%]から100[%]の間の値をとる。そこで、本実施形態では、例えば、A=100[%]とすることとした。
次に、ステップ102において、図3に示すように、シャルピー衝撃試験により得られた試験結果をプロットしたグラフの脆性破面率yが50%付近の試験結果を直線Lにより近似し、この直線Lの勾配Mを求める。ここで、式(3)の試験温度x=Cにおける勾配を微分により算出すると(A・B/4)となり、直線Lと式(3)で表される曲線がx=Cにおいて傾きが等しいとすると、次式(5)が導かれる。
Figure 2007206036
次に、ステップ104において、式(5)によりBを算出し、BをBの初期値とする。
次に、ステップ106において、図3に示すように、試験結果を近似する直線Lの脆性破面率xが50%となる試験温度を求め、この値をCの初期値Cとして設定する。なお、ステップ102及びステップ106においてグラフより求めたM及びCは、後のステップにおいて、最小二乗法によりB及びCが最適値となるまで更新を行うので、概数でよい。
次に、ステップ107において、t=0として、以下、ステップ120で肯定判別されるまでtをインクリメントしながらステップ108〜118を繰り返す。なお、tは繰り返し回数に対応するパラメータである。
まず、ステップ108において、Cの近傍の複数の値をC (j=1、…、m)として設定する。
次に、ステップ110において、C (j=1、…、m)を式(3)に代入し、j=1、…、mの夫々の場合について、各試験体(i=1、…、n)の試験温度xにおける式(3)により算出されたy(x)と、試験により得られた脆性破面率yとの差の二乗の合計Σs=Σ{y−y(x)}を算出する。
次に、ステップ112において、上記算出した複数のΣsにおいて、Σsを最小とするC を、Ct+1とする。
次に、ステップ114において、Bの近傍の複数の値をB (k=1、…、l)として設定する。
次に、ステップ116において、C=Ct+1、及びB (k=1、…、l)を式(3)に代入し、k=1、…、lの夫々の場合について各試験体(i=1、…、n)の試験温度xにおける式(3)により算出されたy(x)と、試験により得られた脆性破面率yとの差の二乗の合計Σs=Σ{y−y(x)}を算出する。
次に、ステップ118において、上記算出した複数のΣsにおいて、Σsを最小とするB を、Bt+1とする。
そして、ステップ120において、B及びCが、Bt+1及びCt+1の差が大きい場合(図2のステップ120でNO)には、ステップ121においてtをt+1として、ステップ108からステップ118を繰り返す。このように繰り返すことにより、B及びCは式(3)により表される曲線が試験結果を近似するような値になるように更新されていく。充分に繰り返すと、B及びCは最適値の近傍の値で略一定となる。
このように、ステップ120において、B及びCとBt+1及びCt+1とが略等しい場合(図2のステップ120でYES)には、ステップ122において、このときのBt+1及びCt+1の値をBmin及びCminとする。
そして、ステップ124において、B=Bmin、C=Cminを式(3)に代入する。これにより得られた近似曲線Qを図4に示す。この近似曲線Qによれば、任意の温度x[℃]における脆性破面率y[%]を算出することができる。ここで、FATTを算出する場合には、FATTは脆性破面率y=50[%]における試験温度xであるので、式(3)にy=50[%]を代入し、xについて解けばよい。なお、これを解くと、x=Cminとなり、上記求めたCminがFATTと等しいことがわかる。
<第2実施形態>
以下、本発明の第2実施形態について説明する。
第2実施形態では、試験温度x[%]と、脆性破面率y[℃]との関係に近い傾向を有する次式(6)で表される三角関数曲線を用いてFATTを算出する。
Figure 2007206036
ここで、試験結果よりFATTを算出する流れを図5に示すフローチャートを参照して説明する。
まず、ステップ200において、Aの値として複数の値A(p=1、…、P)を適宜設定する。式(6)の右辺の
Figure 2007206036
は、実数領域で(−π/2)から(π/2)の間の値をとり、また、式(6)において、脆性破面率yが0[%]から100[%]の間の値をとる。そこで、本実施形態では、例えば、A(p=1、…、P)を、次式(8)及び(9)を満たすように設定することとした。
Figure 2007206036
次にp=1、…、Pの夫々について以下のステップ202〜222を行う。
まず、ステップ202において、図6に示すように得られた試験結果をプロットしたグラフの脆性破壊率20%〜80%の間のデータを近似する直線Lを想定し、この直線Lの勾配Mを求める。なお、グラフより求める勾配Mは概数でよい。
この時、式(6)の近似曲線Qとこの直線Lの傾きがy=50%において等しいとすると、次式(10)の関係が成立する。
Figure 2007206036
ステップ204において、上記の式(10)におけるM=Mとしたときの、Bの値を初期値Bとして設定する。
次に、ステップ206において、Cの初期値Cを設定する。図6に示すように直線Lのy切片をNとすると、直線Lは次式(11)により表される。
Figure 2007206036
式(11)におけるy=50[%]におけるxの値をCの初期値Cとして用いることとすると、Cは次式(12)で算出される。
Figure 2007206036
次に、ステップ207において、t=0として、以下ステップ220で肯定判別されるまでtをインクリメントしながらステップ208〜218を繰り返す。なお、tは繰り返し回数に対応するパラメータである。
まず、ステップ208において、例えば、Cより±10以内の値を等間隔で20個程度の値を選ぶなどの方法により、Cの近傍の複数の値をC (j=1、…、m)として設定する。
次に、ステップ210において、A=A、B=B、C (j=1、…、m)を式(6)に代入し、j=1、…、mの夫々の場合について、各試験体(i=1、…、n)の試験温度xにおける式(6)により算出されたy(x)と、試験により得られた脆性破面率yとの差の二乗の合計Σs=Σ{y−y(x)}を算出する。
次に、ステップ212において、上記算出した複数のΣsにおいて、差の二乗の合計Σsを最小とするC を、Ct+1とする。
次に、ステップ214において、例えば、Bを中心に等間隔で20個程度の値を選ぶなどの方法により、Bの近傍の複数の値をB (k=1、…、l)として設定する。
次に、ステップ216において、C=Ct+1、B=B (k=1、…、l)を式(6)に代入し、k=1、…、lの夫々の場合について、各試験体(i=1、…、n)の試験温度xにおける式(6)により算出されたy(x)と、試験により得られた脆性破面率yとの差の二乗の合計Σs=Σ{y−y(x)}を算出する。
次に、ステップ218において、上記算出した複数のΣsにおいて、差の二乗の合計Σsを最小とするB を、Bt+1とする。
そして、ステップ220において、B及びCが、Bt+1及びCt+1との差が大きい場合(図5のステップ220でYES)には、ステップ221において、tをt+1として、ステップ208からステップ218を繰り返す。このように繰り返すことにより、B及びCは式(6)により表される曲線が試験結果を良好に近似する値になるように更新されていく。充分に繰り返すと、B及びCはこの値の近傍で略一定となる。
このように、ステップ220において、B及びCが、Bt+1及びCt+1が略等しい場合(図5のステップ220でNO)には、ステップ222において、このときのBt+1及びCt+1の値をBmin 及びCmin とする。
上記のステップ208〜222をp=1、…、Pの夫々の場合について行い、夫々のAに対するB及びCの最適値であるBmin (p=1、…、P)及びCmin (p=1、…、P)を求める。
次に、ステップ224において、p=1、…、Pの夫々の場合について、A=A、B=Bmin 、C=Cmin を式(6)に代入し、夫々の場合について、各試験体(i=1、…、n)の試験温度xにおける式(6)により算出されたy(x)と、試験により得られた脆性破面率yとの差の二乗の合計Σs=Σ{y−y(x)}を算出する。
次に、ステップ226において、ステップ224において算出したΣsを最小とするA、Bmin 、Cmin をA,B,Cの最適値とし、これらの値を式(6)に代入する。これにより得られた近似曲線Qを図7に示す。この近似曲線Qを用いることにより、任意の温度x[℃]における脆性破面率y[%]を算出することができる。ここで、FATTは脆性破面率y=50%における試験温度xであるので、式(6)にy=50を代入し、xについて解けばよい。なお、これを解くと、x=Cmin となり、上記求めたCmin がFATTと等しいことがわかる。
上記説明したように、本実施形態のFATTの算出方法によれば、シャルピー衝撃試験の結果を近似する曲線を最小二乗法を用いて算出するため、算出者が異なる場合でも、同一のFATTを算出することができる。また、上記説明したFATTの算出方法は、略全ての工程を計算機により処理することができるため、労力を削減することができる。
ここで、一例として、CrMoV鋳鋼のシャルピー試験の試験結果に基づき、上記のFATTの算出方法と従来の手法とを比較する。ここでは、調査対象の材料が小さいなどの理由により試験体数の少ない場合を想定して、夫々の方法について、6通りの試験結果に基づきFATTを算出する場合を考える。
従来の手法では、脆性破面率が50%の付近の試験温度における試験結果に基づきFATTを算出していた。そこで、試験温度60℃における3通りの試験結果及び80℃における3通りの試験結果(計6通りの試験結果)に基づきFATTを算出する場合、及び試験温度60℃における3通りの試験結果及び100℃における3通りの試験結果(計6通りの試験結果)に基づきFATTを算出する場合について、従来の手法によりFATTを算出した。なお、比較対象として、21通りの試験体の試験結果に基づきFATTを算出したところ、82.1℃であった。
図8は、試験温度60℃における試験結果の平均と、試験温度80℃における試験結果の平均を結ぶ直線(図8における破線)と、試験結果60℃における試験結果の平均と、試験結果100℃における試験結果の平均を結ぶ直線(同図における一点鎖線)を示すグラフである。同図には、直線を求める際に用いた60℃及び80℃の試験結果、60℃及び100℃の試験結果、及び比較対象としてFATTを算出するのに用いた21通りの試験結果を重ねて示す。
同図に示すように、従来の手法で用いるFATT付近の試験温度における試験結果はばらつきが大きい。このため、これらの試験結果に基づき算出したFATTは、夫々72.8℃、92.3℃と、21通りの試験体の試験結果に基づき算出したFATT(82.1℃)と大きく異なっている。このように、試験体数の少ない場合には、従来の手法により精度良くFATTを算出することが困難である。
これに対し、本実施形態のFATTの算出方法は、広い範囲の試験温度における脆性破面率と試験温度との関係を近似する曲線を用いているため、試験温度はFATT付近の温度に限られない。そこで、試験温度をFATT付近の0〜200℃の6通りの温度に設定した場合、及び試験温度をFATTから離れた6通りの温度に設定した場合について、本実施形態のFATTの算出方法によりFATTを算出した。
図9は、FATT付近の0〜200℃の結果に基づき得られた近似曲線(図9における実線)と、FATTから離れた温度における試験結果に基づき得られた近似曲線(図9における破線)を示す。なお、同図には、近似曲線の算定に用いた試験結果もプロットするが、一部の試験結果は試験温度及び脆性破面率が等しいものについては、重ねてプロットしている。
同図に示すように、本実施形態のFATTの算出手法を用いて、6通りの試験結果に基づき算出したFATTは夫々84℃及び85℃と、21通りの試験結果に基づき算出したFATT(82.1℃)と非常に近い値となっている。このように、本実施形態のFATT算出方法によれば、試験体数が少ない場合にも、従来の手法に比べてFATTを精度良く算出することができることがわかる。このことは、本実施形態の算出方法では、試験温度をばらつきの大きいFATT周辺に設定する必要がなく、ばらつきの少ない試験温度における試験結果を近似曲線の算出に用いていることにより、脆性破面率と試験温度の関係の全体的な傾向を捉えられるためであると考えられる。従って、本実施形態のFATTの算出方法を用いれば、試験体数が少ない場合でも試験温度を幅広く設定することにより、FATTを精度よく算出できることがわかる。
なお、上記説明した実施形態では、双曲線関数及び三角関数を近似曲線として用いたが、これに限らず、試験温度と、FATTとの関係と近い傾向を有する関数ならば近似曲線として用いることができる。
また、第1実施形態では、係数Aを適宜な値に設定したのち、係数B、Cの値を最小二乗法により調整する構成としたが、第2実施形態のように、係数A、B、Cを最小二乗法により調整する構成としてもよい。同様に、第2実施形態では、係数A、B、Cの値を最小二乗法により調整する構成としたが、第1実施形態のように、係数Aを適宜な値に設定したのち、係数B、Cの値を最小二乗法により調整する構成としてもよい。
シャルピー衝撃試験により得られた各試験体の試験温度と、脆性破面率との関係を示すグラフである。 第1実施形態のFATTを算出する方法の流れを示す図である。 試験結果より、M及びCを求める方法を説明するための図である。 第1実施形態のFATTを算出する方法により得られた、試験温度と、脆性破面率との関係を近似する曲線を示すグラフである。 第2実施形態のFATTを算出する方法の流れを示す図である。 脆性破壊率20%〜80%の間のデータを近似する直線Lを示す図である。 第2実施形態のFATTを算出する方法により得られた、試験温度と、脆性破面率との関係を近似する曲線を示すグラフである。 試験結果に60℃と80℃の試験結果を結ぶ直線(破線)と、60℃と100℃の試験結果を結ぶ直線(点破線)を記載したグラフである。 FATT付近の0〜200℃の結果に基づき得られた近似曲線(実線)と、FATTから離れた温度における試験結果に基づき得られた近似曲線(破線)を記載したグラフである。
符号の説明
Q 近似曲線
L 直線

Claims (5)

  1. シャルピー衝撃試験により得られた各試験体の延性破面率と試験温度とに基づき破面遷移温度を算出する方法であって、
    各試験体の延性破面率と試験温度との関係を近似する曲線モデルを表す関数を求め、
    前記求めた関数において、延性破面率が50%となる試験温度を前記破面遷移温度とすることを特徴とする破面遷移温度の算出方法。
  2. 前記曲線モデルを表す関数は、次式(1)で表されることを特徴とする請求項1記載の破面遷移温度の算出方法。
    Figure 2007206036
  3. 前記曲線モデルを表す関数は、次式(2)で表されることを特徴とする請求項1記載の破面遷移温度の算出方法。
    Figure 2007206036
  4. 請求項2又は3記載の破面遷移温度の算出方法であって、
    式中の係数Aを適宜な値に設定し、
    係数B、Cを最小二乗法により調整することにより前記関数を求めることを特徴とする破面遷移温度の算出方法。
  5. 請求項2又は3記載の破面遷移温度の算出方法であって、
    式中の係数A、B、Cを最小二乗法により調整することにより前記関数を求めることを特徴とする破面遷移温度の算出方法。


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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2019132653A (ja) * 2018-01-30 2019-08-08 株式会社東芝 照射脆化評価方法及び照射脆化評価装置

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