JP2009128171A - 耐熱材試験装置、耐熱材試験方法およびテストピース - Google Patents

Abstract

【課題】高周波誘導加熱されても、局所的な急勾配の温度分布による変形や亀裂を防止することができ、適正に熱疲労強度評価できる試験装置、方法およびテストピースを提供する。
【解決手段】耐熱性が評価される被評価材１７を高周波誘導コイルによって加熱する熱疲労試験装置において、被評価材１７より高い耐熱性を有し、上部高周波誘導コイル３１および下部高周波誘導コイル３２により加熱されて被評価材１７を加熱する第１の耐熱部材１８および第２の耐熱部材１９を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、耐熱材の耐熱性試験、特に被評価材に繰り返しの温度変化と機械的な応力変化とを生じさせて熱疲労試験を行うのに好適な耐熱材試験装置、耐熱材試験方法およびテストピースに関する。

一般に、繰り返しの急激な温度変化を受ける部材がその周囲からの拘束力によって繰り返し応力や歪みを生じる場合、例えば、内燃エンジンへの締結部と排気管集合部とで拘束されながら急激な温度変化を受けるエキゾーストマニホールドのような部材では、要求される熱サイクル数に対してその部材に許容される歪みの限界を適正に設定可能にするため、その部材の材料から作製したテストピースに繰り返しの温度変化と機械的な応力変化とを生じさせる熱疲労試験がなされている。
従来、この種の熱疲労試験を行う耐熱材試験装置として、加熱および冷却がされ被評価材からなる２標点間の部分と、この２標点間以外であって、つかみ具で保持される部分とを有するテストピースを用いるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この熱疲労試験装置においては、内部の温度分布を少なくし適正な耐熱性の評価を行うため２標点間の部分および２標点間以外であって、つかみ具で保持される部分を中空にしてテストピースの厚みを小さくしている。また、冷却効果を促進するため、中空の内部に冷却水を流通させるとともに、２標点間の部分に対して冷却ガスを吹き付けている。また、繰り返し周期が短く、被評価材の外部観察も容易である高周波誘導加熱により被評価材を加熱するようになっている。
さらに、誘導加熱コイルによって急速な加熱がされる２標点間の部分とそれら２標点間以外の部分との間に局所的な高応力が生じてバルジングによる亀裂や膨張が生じ、正常な熱疲労の評価ができないということを防止すべく、この熱疲労試験装置では、２標点間以外の部分に対する冷却装置を設け、多数の吐出孔を有するリング状冷却ノズルから冷却ガスにより外側から冷却することで２標点間以外の部分と２標点間の部分との温度分布の差を小さくするようにしている。
実開平５−７１７５４号公報

しかしながら、上述のような従来の耐熱材試験装置および耐熱材試験方法では、誘導加熱コイルによってテストピースの被評価部分を直接加熱するようにしていたので、局所的に発生する急勾配の温度分布により、テストピースにバルジングやネッキングといった変形が起こることを確実に防止することができず、温度勾配が急になる部位で、被評価材に本来評価すべき熱疲労による亀裂でなく他要因による亀裂が発生し易かった。そのため、適正な熱疲労強度の評価ができないという問題があった。

本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、被評価材に熱疲労以外の要因で変形や亀裂が発生するのを防止することができ、適正に熱疲労強度の評価をすることができる耐熱材試験装置、耐熱材試験方法およびテストピースを提供することを目的とする。

本発明に係る耐熱材試験装置は、上記目的達成のため、（１）耐熱性が試験評価される被評価材を誘導加熱コイルによって加熱する耐熱材試験装置において、前記被評価材より高い耐熱性を有し、前記誘導加熱コイルにより加熱されて前記被評価材を加熱する耐熱部材を備えたことを特徴とする。

この構成により、誘導加熱コイルによって加熱される耐熱部材から被評価材に熱が伝達される。したがって、誘導加熱コイルにより耐熱部材が直接加熱され、被評価材は誘導加熱コイルにより直接加熱されないので、被評価材に、局所的な急勾配の温度分布の発生による局所的な熱膨張（バルジングやネッキング）や亀裂が発生することはない。他方、誘導加熱コイルにより耐熱部材が直接加熱されても、耐熱部材が被評価材より高い耐熱性を有しているので、耐熱部材に、局所的な急勾配の温度分布の発生による局所的な熱膨張（バルジングやネッキング）や亀裂が発生することはない。その結果、被評価材に本来の熱疲労強度による亀裂が発生するまでに予期しない異常な亀裂が生ずることはなく、適正な熱疲労強度の評価がなされる。

上記（１）に記載の耐熱材試験装置は、好ましくは（２）前記耐熱部材が、前記誘導加熱コイルにより囲まれるよう前記誘導加熱コイルの放射内方に設けられるよう構成される。

この構成により、誘導加熱コイルの放射内方に設けられた耐熱部材が、誘導加熱コイルにより囲まれているので、誘導加熱コイルに所定周波数の交流電流が流されると、誘導加熱コイルに磁界が発生した際、耐熱部材が均一に加熱され、耐熱部材を介して被評価材が加熱される。

上記（１）または（２）に記載の耐熱材試験装置においては、（３）前記被評価材が棒状の部材によって形成され、前記耐熱部材が前記被評価材の軸方向の両端部に接合されるようにしてもよい。

この構成により、各耐熱部材が誘導加熱コイルにより加熱されると、各耐熱部材から被評価材の両端部を介して均等に被評価材に熱が伝達される。

上記（１）または（２）に記載の耐熱材試験装置においては、（４）前記被評価材が棒状の部材によって形成され、前記耐熱部材が前記被評価材に近接して前記被評価材を囲むよう構成してもよい。

この構成により、被評価材に近接して被評価材を囲む耐熱部材が誘導加熱コイルにより加熱されると、耐熱部材から被評価材を介して均等に被評価材に熱が伝達される。ここで、近接とは、被評価材と耐熱部材の間に僅かの隙間を有することを意味し、被評価材と耐熱部材との間に生ずる押圧力が著しく小さい状態で、被評価材と耐熱部材とが接触する場合を含む。このように、被評価材と耐熱部材とが近接していると、被評価材に加熱による熱応力がその内部に発生し、被評価材がその軸方向に伸張する際に、耐熱部材がその伸張を妨げることはなく、適正な熱疲労強度の評価がなされる。

本発明に係る耐熱材試験方法は、上記目的達成のため、（５）耐熱性が評価される被評価材を誘導加熱コイルによって加熱する耐熱材試験方法において、前記誘導加熱コイルが前記被評価材より高い耐熱性を有する耐熱部材を直接加熱する加熱ステップと、前記加熱ステップにおいて前記誘導加熱コイルにより加熱された前記耐熱部材の熱を前記被評価材に伝達する熱伝達ステップと、を含むことを特徴とする。

この構成により、加熱ステップにおいて誘導加熱コイルにより耐熱部材が直接加熱され、被評価材は誘導加熱コイルにより直接加熱されないので、被評価材に、局所的な急勾配の温度分布の発生による局所的な熱膨張（バルジングやネッキング）や亀裂が発生することはない。他方、誘導加熱コイルにより耐熱部材が直接加熱されても、耐熱部材が被評価材より高い耐熱性を有しているので、耐熱部材に、局所的な急勾配の温度分布の発生による局所的な熱膨張（バルジングやネッキング）や亀裂が発生することはない。熱伝達ステップにおいて、誘導加熱コイルにより加熱された耐熱部材の熱が被評価材に伝達されるので、被評価材に適正な加熱がなされる。その結果、被評価材に本来の熱疲労強度による亀裂が発生するまでに予期しない異常な亀裂が生ずることはなく、適正な熱疲労強度の評価がなされる。

本発明に係るテストピースは、上記目的達成のため、（６）耐熱性が評価される被評価材と、前記被評価材の一端部側に連結された第１の保持部材と、前記被評価材の他端部側に連結された第２の保持部材とを有し、前記被評価材が誘導加熱コイルによって加熱されるテストピースにおいて、前記被評価材の一端部と前記第１の保持部材との間に前記被評価材より高い耐熱性を有する第１の耐熱部材が介在し、前記第１の耐熱部材が前記第１の保持部材と前記被評価材とに接合されるとともに、前記被評価材の他端部と前記第２の保持部材との間に前記被評価材より高い耐熱性を有する第２の耐熱部材が介在し、前記第２の耐熱部材が前記第２の保持部材と前記被評価材とに接合されたことを特徴とする。

この構成により、第１の耐熱部材および第２の耐熱部材が誘導加熱コイルにより直接加熱されると、それぞれの耐熱部材と被評価材の接合部分から被評価材に均等に熱が伝達される。被評価材が誘導加熱コイルにより直接加熱されることはない。

本発明に係るテストピースは、上記目的達成のため、（７）耐熱性が評価される被評価材と、前記被評価材の一端部側に連結された第１の保持部材と、前記被評価材の他端部側に連結された第２の保持部材とを有し、前記被評価材が誘導加熱コイルによって加熱されるテストピースにおいて、前記被評価材より高い耐熱性を有し、前記被評価材に近接して前記被評価材を囲む耐熱部材が配置されるよう構成する。

この構成により、被評価材に近接して被評価材を囲む耐熱部材が誘導加熱コイルにより加熱されると、耐熱部材から被評価材を介して均等に被評価材に熱が伝達される。

上記（６）または（７）に記載のテストピースは、好ましくは、（８）前記被評価材と前記第１の保持部材と前記第２の保持部材とが、中空のパイプで形成される。

この構成により、前記被評価材と前記第１の保持部材と前記第２の保持部材との内部に中空の通路が画成されるので、この通路内に圧縮ガスや冷却水などの冷媒を流通させ、温度サイクルにおける冷却が速まる。また、被評価材が中空のパイプで形成されると、被評価材の厚みを小さくすることができ、被評価材においてその表面部と内部との温度分布の差が少なくなり、適正な熱疲労強度の評価がなされる。

また、上記（６）ないし（８）のいずれかに記載のテストピースは、好ましくは、（９）前記耐熱部材が前記被評価材より熱伝導率が高い高熱伝導材料で形成される。

この構成により、耐熱部材が高熱伝導材料で形成されていると、誘導加熱コイルにより加熱する際、耐熱部材から被評価材に効率よく熱伝導できる。

本発明によれば、誘導加熱コイルにより耐熱部材が直接加熱され、被評価材は誘導加熱コイルにより直接加熱されないので、被評価材に、局所的な急勾配の温度分布の発生による局所的な熱膨張や亀裂が発生することはない。耐熱部材が被評価材より高い耐熱性を有しているので、耐熱部材においても、局所的な急勾配の温度分布の発生による局所的な熱膨張や亀裂が発生することはない。誘導加熱コイルにより加熱された耐熱部材の熱が被評価材に伝達され、被評価材が適正に加熱される。その結果、被評価材に本来の熱疲労強度による亀裂が発生するまでに予期しない異常な亀裂が生ずることはなく、適正な熱疲労強度の評価をすることができる耐熱材試験装置、耐熱材試験方法およびテストピースを提供することができる。

以下、本発明の第１の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るテストピースを装着した耐熱材試験装置の構成の概略を示す構成図であり、図２は、本発明の第１の実施の形態に係るテストピースの図１のＡ−Ａ断面を示す断面図であり、図３は、本発明の第１の実施の形態に係るテストピースに熱を加える際の温度と時間の関係を示すグラフであり、図４は、本発明の第１の実施の形態に係るテストピースの端部を拘束する際の拘束率と亀裂が生ずるときの熱サイクル数を示すグラフである。

まず、本発明の第１の実施の形態に係る耐熱材試験装置の構成および耐熱材試験方法について説明する。

なお、本発明に係る耐熱材試験方法は、本発明に係る耐熱材試験装置およびテストピースにより実施することができ、耐熱材試験装置およびテストピースの説明を通じてその耐熱材試験方法の詳細をも明らかにすることとする。具体的には、本発明に係る耐熱材試験方法における加熱ステップは、本発明に係る耐熱材試験装置における、制御部、高周波電源および出力整合部により実施することができ、本発明に係る耐熱材試験方法における熱伝達ステップは、本発明に係る耐熱材試験装置におけるテストピースへの誘導加熱コイルによる加熱により実施することができる。

図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る耐熱材試験装置は、装置本体部１１と、制御部１２と、高周波電源部１３と、出力整合部１４と、圧縮ガス供給部１５とを含むＣｏｆｆｉｎ型の熱疲労試験装置１で構成されている。この熱疲労試験装置１においては、装置本体部１１内に保持したテストピース１６に対して加熱および冷却の熱サイクルを繰り返し加え、このテストピース１６の一部を構成する被評価材（後述する）に亀裂が生ずるまでの熱サイクル数を測定し熱疲労強度の評価を行うようになっている。テストピース１６における亀裂の有無は、例えば、シリコンなどのスプレーを表面に吹き付け、目視で確認することができる。また、歪ゲージなどの変形量を測定する測定器によりテストピース１６の歪みが大きく変化した時点で外観検査を行い確認することもできる。

装置本体部１１は、上側固定板２１と、下側固定板２２と、この上側固定板２１および下側固定板２２を支持する支柱２３、２４と、テストピース１６の上端部を保持する上端保持機構部２５と、テストピース１６の下端部を保持する下端保持機構部２６と、テストピース１６の軸方向の変形量を測定する歪センサ２７と、テストピース１６の温度を測定するようテストピース１６に設けられた熱電対２８と、テストピース１６の上部を加熱する上部高周波誘導コイル３１（誘導加熱コイル）と、テストピース１６の下部を加熱する下部高周波誘導コイル３２（誘導加熱コイル）とを含んで構成されている。

上端保持機構部２５は、ばねなどの弾性体の上側を固定し下側でテストピース１６を保持するよう構成されたプルロッドからなり、テストピース１６の軸方向の変形量を吸収できるようになっている。上端保持機構部２５は、油圧により変形量を吸収できる油圧サーボ機構であってもよい。上端保持機構部２５で吸収される変形量は制御部１２により制御されるようになっており、テストピース１６の軸方向の拘束の度合いを表すいわゆる拘束率（％）が制御されるようになっている。拘束率は、例えば、１００％であれば、テストピース１６の軸方向の変形量を全く吸収しない完全固定保持を意味し、０％であれば、保持されない完全な開放状態を意味し、８０％であれば、やや変形量を吸収できる状態を意味している。また、この拘束率は、熱疲労試験により評価される材料が使用される部品の設計条件などを考慮し、実際の取付状態に近似した拘束状態になるよう設定されることが好ましい。また、上端保持機構部２５の内部は、上下方向に貫通した通路を有しており、圧縮ガス供給部１５から供給される圧縮ガスなどの冷媒を流通させるようになっている。

下端保持機構部２６は、テストピース１６を保持するチャック機構などの保持機構で構成されており、テストピース１６が軸方向に動かないよう保持されるようになっている。
この下端保持機構部２６も、上端保持機構部２５と同様に、内部は上下方向に貫通した通路を有しており、圧縮ガス供給部１５から供給される圧縮ガスなどの冷媒を流通させるようになっている。
歪センサ２７は、図２に示すように、テストピース１６の中央部上側に接触させた上側押し当て棒２７ａと、テストピース１６の中央部下側に接触させた下側押し当て棒２７ｂの２本のセンサ部分で構成されており、テストピース１６の軸方向の変形量を測定し、変形量に応じた検出信号を制御部１２に出力するようになっている。

熱電対２８は、例えば、ニッケル、クロムなどの異種金属を接合した接点およびこの接点と接続された電圧計からなり、接点に生ずる熱起電力を電圧計により測定し温度に応じた信号を制御部１２に出力するようになっている。この熱電対２８は、テストピース１６の表面部の温度を正確に測定するようテストピース１６の表面部に、例えば、スポット溶接などにより接合されている。この熱電対２８は、テストピース１６の表面部の温度をより正確に測定できるよう、複数箇所に設置してもよい。

上部高周波誘導コイル３１は、例えば、銅チューブなどの金属管からなり、熱疲労試験条件やテストピース１６の形状、大きさなどに応じて、形状や巻数などが決定される。
図１および図２に示すように、上部高周波誘導コイル３１は、テストピース１６の外径よりも大きな内径と、軸方向にＬ１の長さを有し、巻数が３のコイルで形成されており、その両端部３１ａ、３１ｂで出力整合部１４に接続され、所定周波数の交流電流が流れるよう構成されている。上部高周波誘導コイル３１は、テストピース１６を囲みその放射外方になるよう配置されており、交流電流が流されると、磁界が発生してテストピース１６に渦電流が発生し、この渦電流によりテストピース１６の表面部が加熱されるようになっている。また、上部高周波誘導コイル３１で発生した磁界の急峻な変化に対する抵抗が生じ、その抵抗によってもテストピース１６が加熱されるようになっている。

下部高周波誘導コイル３２は、上部高周波誘導コイル３１と同様に構成され、図２に示すように上部高周波誘導コイル３１と距離Ｌ２だけ離隔して配置されている。これによって、テストピース１６の軸方向中央に位置する管状の被評価材１７の部分が上部高周波誘導コイル３１および下部高周波誘導コイル３２から直接加熱されないようになっている。
下部高周波誘導コイル３２は、その両端部３２ａ、３２ｂで出力整合部１４に接続され、所定周波数の交流電流が流れるよう構成されている。

制御部１２は、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、処理プログラムなどを記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、一時的にデータを記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、書換え可能な不揮発性のメモリからなるＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ ａｎｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、Ａ／Ｄ変換器やバッファなどを含む入力インターフェース回路、および、駆動回路などを含む出力インターフェース回路を含んで構成されている。

制御部１２の入力インターフェース回路には、歪センサ２７、熱電対２８、上端保持機構部２５がそれぞれ接続されており、これら歪センサ２７、熱電対２８から出力される情報は、入力インターフェース回路を介して制御部１２に取り込まれるようになっている。

また、制御部１２は、歪センサ２７により検出されたテストピース１６の歪みに基づいて、前述のテストピース１６に対する拘束率（％）が、例えば、試験条件により設定された８０％で一定に維持するよう、上端保持機構部２５におけるテストピース１６の歪みを吸収する度合いをフィードバック制御するようになっている。

ＣＰＵは、集積回路などの電子回路からなり、ＲＯＭおよびＲＡＭなどとともに出力整合部１４における上部高周波誘導コイル３１および下部高周波誘導コイル３２の電圧、電流を整合する制御、圧縮ガス供給部１５における圧縮空気の供給量の制御および上端保持機構部２５におけるフィードバック制御などを実行するよう構成されている。

高周波電源部１３は、例えば、サイリスタ、ＭＯＳＦＥＴおよびＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ）などからなるスイッチング素子で構成されており、三相交流電源をいったん直流に変換し、数１００Ｈｚないし数Ｍｈｚの高周波エネルギーを発生させるようになっている。
高周波電源部１３においては、テストピース１６の試験条件に基づいて、出力電力、周波数などの最適な高周波電源が選定されるようになっている。

出力整合部１４は、高周波電源部１３で発生した高周波エネルギーを負荷である上部高周波誘導コイル３１および下部高周波誘導コイル３２に必要な電圧、電源に合わせる出力の整合を行うよう構成されている。

圧縮ガス供給部１５は、エアポンプなどからなり、圧縮した空気を上端保持機構部２５を介してテストピース１６に供給するよう構成されている。

図２に示すように、テストピース１６は、熱疲労強度などの耐熱性が評価される被評価材１７と、上部高周波誘導コイル３１により直接加熱される第１の耐熱部材１８と、下部高周波誘導コイル３２により直接加熱される第２の耐熱部材１９と、第１の保持部材３５と、第２の保持部材３６とにより構成されている。

また、第１の保持部材３５と第１の耐熱部材１８の一端部とが連結され、第１の耐熱部材１８の他端部と被評価材１７の一端部とが連結され、被評価材１７の他端部と第２の耐熱部材１９の一端部とが連結され、第２の耐熱部材１９の他端部と第２の保持部材３６とが連結されて、これらが一体的になった複合型のテストピース１６が構成されている。
テストピース１６における各連結部分は、例えば、レーザ溶接などによるすみ肉溶接により接合され、接合された部分の表面が滑らかになるよう研磨加工が施されており、熱応力がテストピース１６に生じた際、テストピース１６に生ずる歪みが均一になるようにしている。

一体的に形成された被評価材１７、第１の耐熱部材１８、第２の耐熱部材１９、第１の保持部材３５、第２の保持部材３６の内部は中空となっており、内部通路４７（冷却流体通路）が形成されている。内部通路４７には、圧縮ガス供給部１５から圧縮空気が供給されテストピース１６の内部から冷却するようになっている。

また、被評価材１７の軸方向中央の表面部には熱電対２８が、スポット溶接などにより接合され、被評価材１７の表面部の温度が検出されるようになっている。この熱電対２８は、被評価材１７の軸方向中央の円周方向に等間隔で複数箇所設けてもよい。
また、被評価材１７の軸方向中央の表面部には、上側押し当て棒２７ａおよび下側押し当て棒２７ｂが被評価材１７の軸方向中央の表面部に当接して配置されており、被評価材１７が加熱により生ずる熱応力で伸長する変形量を検出するようにしている。

被評価材１７は、例えば、自動車の排気マニホールドに使用される高い耐熱亀裂性や耐熱変形性等の耐熱疲労性を有する耐熱材としてのステンレスからなり、外径Ｄ_２、内径Ｄ_３であって所定の厚みを有するパイプ状に形成されている。この被評価材１７の厚み（肉厚）は使用される排気マニホールドなどの部品の厚みと近似していることが好ましいが、試験条件や部品の設計条件などにより適宜選択される。
また、被評価材１７は、上部高周波誘導コイル３１により直接加熱される第１の耐熱部材１８からの熱伝導および下部高周波誘導コイル３２により直接加熱される第２の耐熱部材１９からの熱伝導を主とする熱の伝達によって間接的に加熱されるようになっている。

ここで、第１の耐熱部材１８および第２の耐熱部材１９は、加熱し易くかつ熱が伝達され易い高熱伝導材料で、しかも、高温でも亀裂や変形の生じ難い高い耐熱亀裂性や耐熱変形性といった耐熱性を持つ高熱疲労強度の材料、例えば、ＳＵＨ４４６などのフェライト系の耐熱鋼で形成されている。また、被評価材１７は、例えば、ＳＵＳ４４４などのフェライト系のステンレスからなる鋼管を特定の試験長に切断したものである。
第１の保持部材３５および第２の保持部材３６は、例えば、高い機械的強度を有する金属からなり、外径Ｄ_１で形成され、上端保持機構部２５および下端保持機構部２６に保持されるようになっている。

以下、被評価材１７に加えられる熱サイクルの試験条件の具体例について説明する。
このような試験条件は、評価の対象となる実際の部品に加わる環境と同様な環境条件を負荷することにより実施することが適正な評価が得られ易いと考えられるが、長期間を要するので現実的ではない。試験条件は一種の加速試験であり、実際の環境を想定した熱サイクルの負荷を加えて耐熱強度を評価するようにしたものである。

具体的には、図３に示すように、被評価材１７に対して、低温時２００℃からａ秒間の間にで９００℃まで上昇させ、高温時の９００℃で、ｂ秒間維持し、もとの低温２００℃までｃ秒間かけて温度を下降させるという加熱および冷却の熱サイクルを１サイクルとして複数サイクルの試験を行うようになっている。ここでの１サイクルは、被評価材料の材質や大きさなど種々の条件により異なるが、例えば、４分ないし５分程度で実施される。そして、この熱サイクルを被評価材１７に亀裂が生ずるまで繰り返し被評価材１７に負荷して、亀裂が生じるまでの熱サイクル数を測定することにより熱疲労強度を評価するようにしている。目標とする熱サイクル数は、被評価材料の材質や大きさなど種々の条件により異なるが、本実施形態では、例えば、少なくとも２，０００回を超え、さらに５，０００回を超えるものである。

また、テストピース１６の上端保持機構部２５で保持される拘束率（％）は、熱サイクルが負荷される間、フィードバック制御により一定に維持されており、例えば、８０％、７０％などで設定される。一般に、この拘束率が高くなるほど、評価されるテストピースに亀裂が生ずるまでの熱サイクル数は少なくなり、拘束率が低くなるほど、亀裂が生ずるまでの熱サイクル数は大きくなる。被評価材料の材質や大きさなど種々の条件により適宜選定され、少なくとも３種類の拘束率で熱疲労試験を実施することにより、図４に示すような熱サイクル数（回）と拘束率（％）の曲線グラフを作成することができ、被評価材を評価することができる。

次いで、本発明の第１の実施の形態に係る熱疲労試験装置１の動作について説明する。
まず、テストピース１６を作製し、図２に示すように、テストピース１６を第１の耐熱部材１８が上部高周波誘導コイル３１に囲まれて対向する位置および第２の耐熱部材１９が下部高周波誘導コイル３２に囲まれて対向する位置になるよう配置する。次いで、テストピース１６の第２の保持部材３６が下端保持機構部２６に動かないよう保持され、第１の保持部材３５が上端保持機構部２５に移動可能に保持される。

テストピース１６が熱疲労試験装置１にセットされると、上部高周波誘導コイル３１および下部高周波誘導コイル３２に出力整合部１４により交流電流が負荷され、第１の耐熱部材１８および第２の耐熱部材１９が低温状態から高温状態になるまで直接加熱される。
すなわち、上部高周波誘導コイル３１および下部高周波誘導コイル３２に交流電流が負荷されると、上部高周波誘導コイル３１および下部高周波誘導コイル３２の近傍でそれぞれ生じる磁束変化を打ち消す方向にテストピース１６の第１の耐熱部材１８および第２の耐熱部材１９内に誘導電流（渦電流）が流れて電気抵抗による熱が発生する。
このとき、被評価材１７は、全体的に誘導加熱されるのではなく、第１の耐熱部材１８および第２の耐熱部材１９からの熱伝導により加熱され、図３に示すようにａ秒間で予め設定された高温に達する。
この状態で、逐次、被評価材１７に設けられた熱電対２８によりその温度がモニターされ、制御部１２に出力される。同時に、歪センサ２７が動作し、テストピース１６の歪が逐次検出され、テストピース１６が設定された一定の拘束率になるよう、制御部１２によりフィードバック制御が実行される。
このように被評価材１７が間接的に加熱されながら、図３に示すようにｂ秒間だけ高温が維持されると、次いで、圧縮ガス供給部１５により圧縮空気がテストピース１６の内部通路４７に供給され、テストピース１６が冷却される。これによりテストピース１６はｃ秒間かけて低い温度に到達する。

このような１サイクルが繰り返し制御部１２の指令に基づいて実行され、被評価材１７に亀裂が生ずるまで、継続される。例えば、被評価材１７に亀裂が生じたことがオペレータにより目視で観察されたとき、熱疲労試験は停止し、開始から停止までの熱サイクル数が測定される。次いで、拘束率を代えて、同様に熱疲労試験を実施し、同様に、開始から停止までの熱サイクル数が測定される。少なくとも、異なる３種の拘束率によりそれぞれの拘束率で熱疲労試験を実施する。

ところで、本実施の形態に係る熱疲労試験装置１においては、テストピース１６が、評価される被評価材１７と、被評価材１７の一端部側の第１の保持部材３５と、被評価材１７の他端部側の第２の保持部材３６とを有し、さらに、被評価材１７の一端部と第１の保持部材３５との間には被評価材１７より高い耐熱性を有する第１の耐熱部材１８を、被評価材１７の他端部と第２の保持部材３６との間には被評価材１７より高い耐熱性を有する第２の耐熱部材１９を、それぞれ有している。そして、第１の耐熱部材１８が第１の保持部材３５と被評価材１７とに一体に接合されるとともに、第２の耐熱部材１９が第２の保持部材３６と被評価材１７とに一体に接合されている。

このテストピース１６においては、被評価材１７より高い耐熱性を有し、上部高周波誘導コイル３１により高周波誘導加熱されるとき熱伝導により被評価材１７を加熱する第１の耐熱部材１８と、被評価材１７より高い耐熱性を有し、下部高周波誘導コイル３２により高周波誘導加熱されるとき熱伝導により被評価材１７を加熱する第２の耐熱部材１９とを含んで構成されている。

したがって、熱疲労試験装置１の上部高周波誘導コイル３１および下部高周波誘導コイル３２に所定周波数の交流電流が流されると、上部高周波誘導コイル３１および下部高周波誘導コイル３２により励起される交番磁束を打ち消す方向で第１の耐熱部材１８および第２の耐熱部材１９に渦電流が生じてジュール熱が発生し、あるいは更にヒステリシス加熱による熱が生じて、第１の耐熱部材１８および第２の耐熱部材１９が直接加熱される。このとき、被評価材１７は第１の耐熱部材１８および第２の耐熱部材１９からの熱伝導により間接的に加熱されるので、被評価材１７に局所的な急勾配の温度分布に起因するバルジングやネッキング、亀裂等の不具合が発生することはない。また、第１の耐熱部材１８が上部高周波誘導コイル３１に離隔して対向するよう配置されるとともに、第２の耐熱部材１９が下部高周波誘導コイル３２に離隔して対向するよう配置されているので、テストピース１６の着脱も容易である。

他方、上部高周波誘導コイル３１および下部高周波誘導コイル３２により第１の耐熱部材１８および第２の耐熱部材１９が直接加熱されても、第１の耐熱部材１８および第２の耐熱部材１９が被評価材１７より高い耐熱性を有しているので、第１の耐熱部材１８および第２の耐熱部材１９に、局所的な急勾配の温度分布によるバルジングやネッキング、亀裂等が発生することはない。その結果、被評価材１７に本来の熱疲労強度による亀裂が発生するまでに他要因による予期しない異常な亀裂が生ずることはなく、適正な熱疲労強度の評価がなされる。

また、テストピース１６は、内部通路４７を有しており、圧縮空気を供給し効果的にテストピース１６を冷却することができるので、熱サイクルを効率よく実施することができる。また、被評価材１７が中空のパイプで形成されると、被評価材１７の厚みを小さくすることができ、被評価材１７においてその表面部と内部との温度分布の差が少なくなり、適正な熱疲労強度の評価をすることができる。

また、第１の耐熱部材１８および第２の耐熱部材１９が高熱伝導材料で形成されているので、上部高周波誘導コイル３１および下部高周波誘導コイル３２により加熱される際、加熱効果が高まる。

本実施の形態に係る熱疲労試験装置におけるテストピース１６は、被評価材１７の両端部に第１の耐熱部材１８および第２の耐熱部材１９を連結し間接的に被評価材が加熱されるよう構成された場合について説明したが、本発明に係る熱疲労試験装置におけるテストピースは、被評価材１７に近接して被評価材１７を囲む耐熱部材が配置されるよう構成してもよい。以下、そのような外側の耐熱部材を備えたテストピースとする第２の実施の形態について説明する。

（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係るテストピースを装着した熱疲労試験装置の構成の概略を示す構成図であり、図６は、本発明の第２の実施の形態に係るテストピースの図５のＢ−Ｂ断面を示す断面図である。
なお、第２の実施の形態に係る熱疲労試験装置１０においては、第１の実施の形態に係るテストピースを装着した熱疲労試験装置１におけるテストピースが異なっているが、他の構成は同様に構成されている。したがって、同一の構成については、図１から図４に示した第１の実施の形態と同一の符号を用いて説明し、相違点についてのみ詳述する。

まず、本発明の第２の実施の形態に係る熱疲労試験装置１０の構成について説明する。
図５に示すように、本第２の実施の形態に係る熱疲労試験装置１０は、装置本体部５１と、制御部１２と、高周波電源部１３と、出力整合部１４と、圧縮ガス供給部１５とを含むＣｏｆｆｉｎ型熱疲労試験装置で構成されている。この熱疲労試験装置１０においては、装置本体部５１内に保持したテストピース４６に対して加熱および冷却の熱サイクルを繰り返し加え、このテストピース１６に亀裂が生ずるまでの熱サイクル数を測定し熱疲労強度の評価を行うようになっている。

装置本体部５１は、上側固定板２１と、下側固定板２２と、この上側固定板２１および下側固定板２２を支持する支柱２３、２４と、テストピース１６の上端部を保持する上端保持機構部２５と、テストピース１６の下端部を保持する下端保持機構部２６と、テストピース１６の軸方向の変形量を測定する歪センサ２７と、テストピース１６の温度を測定するようテストピース１６に設けられた熱電対２８と、テストピース１６の加熱する高周波誘導コイル４１（誘導加熱コイル）とを含んで構成されている。

高周波誘導コイル４１は、上部高周波誘導コイル３１と同様に、チューブなどの金属管からなり、熱疲労試験条件やテストピース４６の形状、大きさなどに応じて、形状や巻数などが決定される。

図６に示すように、高周波誘導コイル４１は、テストピース４６の外径Ｄ_４よりも大きな内径と、軸方向にＬ３の長さを有し、巻数が６回のコイルで形成されており、その両端部４１ａ、４１ｂで出力整合部１４に接続され、所定周波数の交流電流が流れるよう構成されている。高周波誘導コイル４１は、テストピース４６を囲みその放射外方になるよう配置されており、交流電流が流されると、磁界が発生してテストピース１６に渦電流が発生し、この渦電流によりテストピース４６の表面部が加熱されるようになっている。また、高周波誘導コイル４１で発生した磁界の急峻な変化に対する抵抗が生じ、その抵抗によってもテストピース１６が加熱されるようになっている。

図６に示すように、テストピース４６は、熱疲労強度などの耐熱性が評価される被評価材５２と、高周波誘導コイル４１により直接加熱される外側の耐熱部材５３と、第１の保持部材５５と、第２の保持部材５６とにより構成されている。

第１の保持部材５５の端部と被評価材５２の一端部とが連結され、被評価材５２の他端部と第２の保持部材５６の端部とが連結されてこれらが一体的に形成されている。
各連結部分は、例えば、レーザ溶接などによるすみ肉溶接により接合され、接合された部分の表面が滑らかになるよう研磨加工が施されており、熱応力がテストピース４６に生じた際、テストピース４６に生ずる歪みが均一になるようにしている。

外側の耐熱部材５３は、近接して被評価材５２を囲むよう配置されており、被評価材５２、第１の保持部材５５および第２の保持部材５６と一体的に形成されており、軸方向中央部分に、歪センサ２７の上側押し当て棒２７ａと下側押し当て棒２７ｂを通し、熱電対２８の接続線を通すためのスリット孔５３ａが形成されている。また、外側の耐熱部材５３は、装置本体部５１の図示しない静止部材に固定されており、テストピース４６内で移動しないようになっている。一体的に形成された被評価材５２、第１の保持部材５５および第２の保持部材５６の内部は中空となっており、内部通路５７（冷却流体通路）が形成されている。内部通路５７には、圧縮ガス供給部１５から圧縮空気が供給されテストピース４６の内部から冷却するようになっている。

また、被評価材５２の軸方向中央の表面部には熱電対２８が、スポット溶接などにより接合され、被評価材５２の表面部の温度が検出されるようになっている。この熱電対２８は、被評価材５２の軸方向中央の円周方向に等間隔で複数箇所設けてもよい。
また、被評価材５２の軸方向中央の表面部には、上側押し当て棒２７ａおよび下側押し当て棒２７ｂが被評価材１７の軸方向中央の表面部に当接して配置されており、被評価材５２が加熱により生ずる熱応力で伸長する変形量を検出するようにしている。

被評価材５２は、被評価材１７と同様、例えば、自動車の排気マニホールドに使用される高い耐熱性を有するステンレスなどからなり、外径Ｄ_２、内径Ｄ_６であって所定の厚みを有するパイプ状に形成されている。この厚みは使用される排気マニホールドなどの部品の厚みと近似していることが好ましいが、試験条件や部品の設計条件などにより適宜選択される。

また、被評価材５２は、高周波誘導コイル４１により直接加熱された外側の耐熱部材５３に生ずる熱から伝達された熱により加熱されるようになっている。
外側の耐熱部材５３は、例えば、超伝導材料などの、加熱がされ易く、熱が伝達され易く高い耐熱性のある材料で形成されている。
第１の保持部材５５および第２の保持部材５６は、例えば、高い機械的強度を有する金属からなり、外径Ｄ_４で形成され、上端保持機構部２５および下端保持機構部２６に保持されるようになっている。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る熱疲労試験装置１０の動作について説明する。
まず、第１の実施の形態と同様に、テストピース４６を作製し、図６に示すように、テストピース４６を外側の耐熱部材５３が高周波誘導コイル４１に囲まれて対向する位置になるよう配置する。次いで、テストピース４６の第２の保持部材５６が下端保持機構部２６に動かないよう保持され、第１の保持部材５５が上端保持機構部２５に移動可能に保持される。テストピース４６が熱疲労試験装置１０にセットされると、高周波誘導コイル４１に出力整合部１４により交流電流が負荷され、外側の耐熱部材５３が低温状態から高温状態になるまで直接加熱される。

また、逐次、被評価材５２に設けられた熱電対２８によりその温度がモニターされ、制御部１２に出力される。同時に、歪センサ２７が動作し、テストピース４６の歪が逐次検出され、テストピース４６が設定された一定の拘束率になるよう、制御部１２によりフィードバック制御が実行される。

次いで、加熱されて外側の耐熱部材５３に生じた熱が被評価材５２に均一に伝達され、被評価材５２が間接的に均一に加熱される。加熱により被評価材５２が高温で維持されたのち、圧縮ガス供給部１５により圧縮空気が、テストピース４６の内部通路５７に供給され、テストピース４６が冷却され低温に到達する。

このような１サイクルが繰り返し制御部１２の指令に基づいて実行され、テストピース４６に亀裂が生ずるまで、継続される。テストピース４６に亀裂が生じたことがオペレータにより目視で観察されたとき、熱疲労試験は停止し、開始から停止までの熱サイクル数が測定される。次いで、拘束率を代えて、同様に熱疲労試験を実施し、同様に、開始から停止までの熱サイクル数が測定される。少なくとも、異なる３種の拘束率によりそれぞれ熱疲労試験を実施する。

本実施の形態に係る熱疲労試験装置１０においては、テストピース４６が、評価される被評価材５２と、被評価材５２の一端部で連結された第１の保持部材５５と、被評価材５２の他端部で連結された第２の保持部材５６とを有し、被評価材５２を近接して囲むよう被評価材５２より高い耐熱性を有する外側の耐熱部材５３が設けられている。また、このテストピース４６の外側の耐熱部材５３が高周波誘導コイル４１に離隔して対向するよう配置されている。

したがって、熱疲労試験装置１０の高周波誘導コイル４１に所定周波数の交流電流が流されると、外側の耐熱部材５３に渦電流あるいは更にヒステリシス加熱による熱が発生し、外側の耐熱部材５３が直接加熱される。
このとき、外側の耐熱部材５３に発生した熱は、被評価材５２に熱伝導、熱伝達あるいは熱放射のいずれかによって伝達されることから、被評価材５２に、局所的な急勾配の温度分布が生じることはなく、バルジングやネッキング、亀裂等が発生することはない。
また、高周波誘導コイル４１により外側の耐熱部材５３が直接加熱されても、外側の耐熱部材５３が被評価材５２より高い耐熱性（高い耐熱疲労強度）を有しているので、外側の耐熱部材５３にも、バルジングやネッキング、亀裂等が発生することはない。その結果、被評価材５２に本来の熱疲労強度による亀裂が発生するまでに他要因による予期しない異常な亀裂が生ずることはなく、適正な熱疲労強度の評価ができることになる。

また、テストピース４６は、内部通路５７を有しており、圧縮空気を供給し効果的にテストピース４６を冷却することができるので、熱サイクルを効率よく実施することができる。また、被評価材５２が中空のパイプで形成されると、被評価材５２の厚みを小さくすることができ、被評価材５２においてその表面部と内部との温度分布の差が少なくなり、適正な熱疲労強度の評価をすることができる。
また、外側の耐熱部材５３が高熱伝導材料で形成されているので、高周波誘導コイル４１により加熱される際、加熱効果が高まる。

図７は、本発明に係るテストピースの他の実施の形態を示し、（ａ）は、断面が円形の中実のテストピースを示し、（ｂ）は、断面が長方形のテストピースを示し、（ｃ）は、断面が円形の丸棒評価材を囲んで高熱伝導部材を設けたテストピースを示し、（ｄ）は、断面が長方形の角材を囲んで高熱伝導部材を設けたテストピースを示す。

本実施の形態に係る熱疲労試験装置１および熱疲労試験装置１０においては、テストピース１６およびテストピース４６を中空のパイプ状のもので形成した場合について説明したが、本発明に係る熱疲労試験装置およびテストピースにおいては、他の形状で構成してもよい。例えば、図７（ａ）に示すように、テストピース８１を丸棒で形成し、被評価材８６と、高周波誘導コイルにより直接加熱される耐熱部材８４、８５と、第１の保持部材８２と、第２の保持部材８３とにより構成してもよい。この場合には、圧縮ガス供給部１５により供給される圧縮ガスをテストピース８１の外部から吹き付けて冷却するようにしてもよい。

また、図７（ｂ）に示すように、テストピース９１を板材で形成し、被評価材９４と、高周波誘導コイルにより直接加熱される耐熱部材９３、９５と、第１の保持部材９２と、第２の保持部材９６とにより構成してもよい。この場合にも、圧縮ガス供給部１５により供給される圧縮ガスをテストピース９１の外部から吹き付けて冷却するようにしてもよい。

また、図７（ｃ）に示すように、テストピース１０１を丸棒で形成し、被評価材１０５と、高周波誘導コイルにより直接加熱される外側の耐熱部材１０４と、第１の保持部材１０２と、第２の保持部材１０６とにより構成してもよい。この場合にも、圧縮ガス供給部１５により供給される圧縮ガスをテストピース１０１の外部から吹き付けて冷却するようにしてもよい。

また、図７（ｄ）に示すように、テストピース１１１を板材で形成し、被評価材１１５と、高周波誘導コイルにより直接加熱される外側の耐熱部材１１４と、第１の保持部材１１２と、第２の保持部材１１６とにより構成してもよい。この場合にも、圧縮ガス供給部１５により供給される圧縮ガスをテストピース１１１の外部から吹き付けて冷却するようにしてもよい

また、本実施の形態に係る熱疲労試験装置１および熱疲労試験装置１０においては、テストピース１６の第１の耐熱部材１８および第２の耐熱部材１９を高熱伝導材料で構成し、テストピース４６の外側の耐熱部材５３を高熱伝導材料で形成した場合について説明したが、本発明に係る熱疲労試験装置およびテストピースにおいては、他の材料で構成してもよい。例えば、高い耐熱性を有するステンレスや熱伝導性の高い金属材料で形成し、その厚みを高熱伝導材料で形成した厚みよりも厚みの大きいもので形成してもよい。

以上説明したように、本発明は、高周波誘導コイルにより耐熱部材を直接加熱し、被評価材を間接的に加熱するようにしているので、被評価材に、局所的な急勾配の温度分布による熱膨張や亀裂が発生するのを防止することができ、被評価材に本来の熱疲労強度による亀裂が発生するまでに予期しない異常な亀裂が生ずるのを防止し、適正な熱疲労強度試験を行うことができるという効果を奏するものであり、耐熱材の耐熱性試験、特に被評価材に繰り返しの温度変化と機械的な応力変化とを生じさせて熱疲労試験を行うのに好適な耐熱材試験装置、耐熱材試験方法およびテストピース全般に有用である。

本発明の第１の実施の形態に係るテストピースを装着した熱疲労試験装置の構成の概略を示す構成図である。 本発明の第１の実施の形態に係るテストピースの図１のＡ−Ａ断面を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るテストピースに熱を加える際の温度と時間の関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態に係るテストピースの端部を拘束する際の拘束率と亀裂が生ずるときの熱サイクル数を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態に係るテストピースを装着した熱疲労試験装置の構成の概略を示す構成図である。 本発明の第２の実施の形態に係るテストピースの図５のＢ−Ｂ断面を示す断面図である。 本発明に係るテストピースの他の実施の形態を示し、（ａ）は、断面が円形の中実のテストピースを示し、（ｂ）は、断面が長方形のテストピースを示し、（ｃ）は、断面が円形の丸棒評価材を囲んで高熱伝導部材を設けたテストピースを示し、（ｄ）は、断面が長方形の角材を囲んで高熱伝導部材を設けたテストピースを示す。

符号の説明

１、１０ 熱疲労試験装置（耐熱材紙面装置）
１１、５１ 装置本体部
１２ 制御部
１３ 高周波電源部
１４ 出力整合部
１５ 圧縮ガス供給部
１６、４６、８１、９１、１０１、１１１ テストピース
１７、５２、８６、９４、１０５、１１５ 被評価材
１８ 第１の耐熱部材（耐熱部材、耐熱疲労強度部材）
１９ 第２の耐熱部材（耐熱部材、耐熱疲労強度部材）
２１ 上側固定板
２２ 下側固定板
２３、２４ 支柱
２５ 上端保持機構部
２６ 下端保持機構部
２７ 歪センサ
２８ 熱電対
３１ 上部高周波誘導コイル（誘導加熱コイル）
３２ 下部高周波誘導コイル（誘導加熱コイル）
３５、５５、８２、９２、１０２、１１２ 第１の保持部材
３６、５６、８３、９６、１０６、１１６ 第２の保持部材
４１ 高周波誘導コイル（誘導加熱コイル）
４７、５７ 内部通路（冷却流体通路）
５３、１０４、１１４ 外側の耐熱部材（耐熱部材）
８４、８５、９３、９５ 耐熱部材

Claims (9)

1. 耐熱性が試験評価される被評価材を誘導加熱コイルによって加熱する耐熱材試験装置において、
   前記被評価材より高い耐熱性を有し、前記誘導加熱コイルにより加熱されて前記被評価材を加熱する耐熱部材を備えたことを特徴とする耐熱材試験装置。
2. 前記耐熱部材が、前記誘導加熱コイルにより囲まれるよう前記誘導加熱コイルの放射内方に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の耐熱材試験装置。
3. 前記被評価材が棒状の部材によって形成され、前記耐熱部材が前記被評価材の軸方向の両端部に接合されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の耐熱材試験装置。
4. 前記被評価材が棒状の部材によって形成され、前記耐熱部材が前記被評価材に近接して前記被評価材を囲むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の耐熱材試験装置。
5. 耐熱性が評価される被評価材を誘導加熱コイルによって加熱する耐熱材試験方法において、
   前記誘導加熱コイルが前記被評価材より高い耐熱性を有する耐熱部材を直接加熱する加熱ステップと、
   前記加熱ステップにおいて前記誘導加熱コイルにより加熱された前記耐熱部材の熱を前記被評価材に伝達する熱伝達ステップと、
   を含むことを特徴とする耐熱材試験方法。
6. 耐熱性が評価される被評価材と、前記被評価材の一端部側に連結された第１の保持部材と、前記被評価材の他端部側に連結された第２の保持部材とを有し、前記被評価材が誘導加熱コイルによって加熱されるテストピースにおいて、
   前記被評価材の一端部と前記第１の保持部材との間に前記被評価材より高い耐熱性を有する第１の耐熱部材が介在し、前記第１の耐熱部材が前記第１の保持部材と前記被評価材とに接合されるとともに、
   前記被評価材の他端部と前記第２の保持部材との間に前記被評価材より高い耐熱性を有する第２の耐熱部材が介在し、前記第２の耐熱部材が前記第２の保持部材と前記被評価材とに接合されたことを特徴とするテストピース。
7. 耐熱性が評価される被評価材と、前記被評価材の一端部側に連結された第１の保持部材と、前記被評価材の他端部側に連結された第２の保持部材とを有するテストピースにおいて、
   前記被評価材より高い耐熱性を有し、前記被評価材に近接して前記被評価材を囲む耐熱部材が配置されたことを特徴とするテストピース。
8. 前記被評価材と前記第１の保持部材と前記第２の保持部材とが、中空のパイプで形成されたことを特徴とする請求項６または請求項７に記載のテストピース。
9. 前記耐熱部材が前記被評価材より熱伝導率が高い高熱伝導材料で形成されたことを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか１の請求項に記載のテストピース。

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