JP2010271248A - 超音波ねじり疲労試験システム及び超音波ねじり疲労試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、試験片が破断することなく超高サイクル疲労特性を短時間で精度よく求めることができる超音波ねじり疲労試験システム及び超音波ねじり疲労試験方法を提供することにある。
【解決手段】本発明は、試験片１を超音波振動子によって共振させて繰返しねじり振動を試験片１に付与する超音波ねじり疲労試験システムであって、ねじり角検出及び亀裂発生検出のための微小なマーカ１４（印）及び平坦面１５を試験片１に設けたことと、試験片の上下軸部半径Ｒ２と括れ部の最小半径Ｒ１の比Ｒ２／Ｒ１が１．５〜２．６の範囲で設定されたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波ねじり疲労試験システム及び超音波ねじり疲労試験方法に関する。

近年、１０^８回を超える繰返し負荷による疲労破壊の事例が多く報告されている。このような超高サイクル疲労特性を従来の機械式の疲労試験装置（１００Ｈｚ程度）を使用して求めようとすると、試験所要時間（期間）が１０日を超え、数ヶ月に及ぶものさえある。
従来、試験所要時間の短縮化を図るために、超音波式の引張り圧縮疲労試験装置が提案されている（例えば、特許文献1参照）。
この超音波式の引張り圧縮疲労試験装置は、超音波により試験片を共振させて疲労試験を行うものであり、その早い繰返し速度を利用して試験所要時間を短縮することができる。

特開２００７−１７２８８号公報

ところが、従来の引張り圧縮疲労試験装置（例えば、特許文献１参照）では、試験片の軸方向に繰返し負荷が加えられた際に、応力が軸方向に垂直な面内で均等に発生する。したがって、例えば表面硬化処理を施した金属材料の疲労特性を求めようとすると、硬度の低い内部から疲労破壊が始まった後に、硬度が高い表面層では破壊が一気に進行して試料片が破断する。そのために、従来の超音波式の引張り圧縮疲労試験装置では表面硬化処理を施した金属材料の疲労特性を精度よく求めることが困難であった。
したがって、表面硬化処理を施した金属材料の超高サイクル疲労特性を短時間で精度よく求めることができる疲労試験技術が望まれている。

そこで、本発明の課題は、表面硬化処理を施した金属材料の超高サイクル疲労特性を短時間で精度よく求めることができる超音波ねじり疲労試験システム及び超音波ねじり疲労試験方法を提供することにある。

前記課題を解決した本発明の超音波ねじり疲労試験システムは、試験片を超音波振動子によって共振させて繰返しねじり振動を前記試験片に付与する超音波ねじり疲労試験システムであって、ねじり角検出及び亀裂発生検出のための微小な印を前記試験片に設けたことを特徴とする。

また、本発明の超音波ねじり疲労試験システムは、試験片を超音波振動子によって共振させて繰返しねじり振動を前記試験片に付与する超音波ねじり疲労試験システムであって、ねじり角検出及び亀裂発生検出のための平坦面を前記試験片に設けたことを特徴とする。

また、本発明の超音波ねじり疲労試験システムは、試験片を超音波振動子によって共振させて繰返しねじり振動を前記試験片に付与する超音波ねじり疲労試験システムであって、ねじり角検出のための微小な印と、亀裂発生検出のための平坦面とを前記試験片に設けたことを特徴とする。

また、本発明の超音波ねじり疲労試験システムは、試験片を超音波振動子によって共振させて繰返しねじり振動を前記試験片に付与する超音波ねじり疲労試験システムであって、前記試験片の上下軸部半径Ｒ２と括れ部の最小半径Ｒ１の比Ｒ２／Ｒ１が１．５〜２．６の範囲で設定されたことを特徴とする。

そして、前記課題を解決した本発明の超音波ねじり疲労試験方法は、試験片を超音波振動子によって共振させて繰返しねじり振動を試験片に付与する超音波ねじり疲労試験方法であって、ねじり角検出のための微小な印と、亀裂発生検出のための平坦面とを設けた前記試験片を準備する工程と、前記試験片の共振時における前記試験片の微小な前記印の振動幅に基づいて前記試験片のねじり角を検出する工程と、前記平坦面と向き合う位置に配置したギャップセンサからの出力値をモニタリングして前記出力値の変化量が一定値以上となった際に前記試験片に亀裂が発生したと判断する工程と、を有することを特徴とする。

本発明の超音波ねじり疲労試験システム及び超音波ねじり疲労試験方法においては、共振する試験片に設けた印の振動幅に基づいて試験片のねじり角（θ_ｔ）を検出すると共に、共振する試験片の平坦面とこの平坦面と向き合う任意の位置との距離を検出することで試験片の共振周波数（ｆ_ｔ）を求める。そして、本発明は、求めた共振周波数（ｆ_ｔ）やねじり角（θ_ｔ）と、それぞれの初期値（ｆ_０，θ_０）との差、つまり共振周波数の変化量（Δｆ）やねじり角の変化量（Δθ）が予め設定した閾値以上となったときに試験片に亀裂が発生したと判断して試験工程を終了する。その結果、本発明によれば、試験片が破断する前に試験片の疲労特性を精度よく求めることができる。

また、本発明の超音波ねじり疲労試験システム及び超音波ねじり疲労試験方法においては、超音波振動子によって試験片を共振させて試験片に繰返しねじり振動を付与するので、その早い繰返し速度によって、従来の機械式のねじり疲労試験装置及びそれを使用したねじり疲労試験方法よりも試験所要時間を短縮することができる。

また、本発明の超音波ねじり疲労試験システム及び超音波ねじり疲労試験方法では、共振する試験片の共振周波数（ｆ_ｔ）やねじり角（θ_ｔ）を非接触で検出することができる。したがって、本発明によれば、例えば試験片に接触させたセンサ（歪みゲージ等）で歪みを検出して疲労特性を求めるものと異なって、センサの寿命が一段と延びる。

本発明によれば、試験片が破断することなく超高サイクル疲労特性を短時間で精度よく求めることができる超音波ねじり疲労試験システム及び超音波ねじり疲労試験方法を提供することができる。

本実施形態に係る超音波ねじり疲労試験システムの構成説明図である。 図１の超音波ねじり疲労試験システムに使用する試験片の構成説明図である。 （ａ）は共振している試験片の上側軸部近傍の部分拡大図、（ｂ）は（ａ）のIII−III断面を模式的に示す図である。 （ａ）は試験片に形成された平坦面を示す図であり、図２のIV−IV断面に対応する図、（ｂ）は平坦面を有する試験片の変形例を示す図である。 試験片の体積Ｖ（ｍ^３）と最大せん断応力τ（ＭＰａ）との関係を表したグラフである。 試験片における括れ部の最小半径Ｒ１に対する上側軸部及び下側軸部の半径Ｒ２の比（Ｒ２／Ｒ１比）と最大せん断応力τ（ＭＰａ）との関係を示すグラフである。 （ａ）は図１の超音波ねじり疲労試験システムに使用する試験片を軸に沿って切断した様子を示す斜視図であり、応力が集中する部分を示す図、（ｂ）は従来の超音波式の引張り圧縮応力試験装置に使用する試験片を軸に沿って切断した様子を示す斜視図であり、応力が集中する部分を示す図である。 試験片に発生する亀裂の大きさと、試験片の共振周波数の変化量Δｆとの関係を示すグラフであり、左縦軸は亀裂の面積を示し、右縦軸は亀裂の幅及び深さを示し、横軸は試験片の共振周波数の変化量Δｆを示している。 超音波ねじり疲労試験システムの制御部が超音波ねじり疲労試験を終了する際の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例で行った超音波ねじり疲労試験の試験結果、及び比較例で行った超音波式の引張り圧縮疲労試験の試験結果を示すＳ−Ｎ図であり、縦軸は疲労強度を示し、横軸はサイクル数を示している。 （ａ）は実施例１で試験片の表面に発生した亀裂の様子を示す電子顕微鏡写真、（ｂ）は実施例１で試験片の内部に発生した亀裂の様子を示す電子顕微鏡写真、（ｃ）は比較例１における試験片の破断面の電子顕微鏡写真である。

以下に、本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明において、上下方向は本実施形態に係る超音波ねじり疲労試験システムを通常の使用状態で水平面に配置した際に、その鉛直方向に一致させた図１に示す上下方向を基準としている。

図１に示すように、本実施形態に係る超音波ねじり疲労試験システムＳ（以下、単に「疲労試験システムＳ」ということがある）は、発信部３が発信する信号に応じて超音波を発振する超音波振動子２と、この超音波振動子２に取り付けられて共振する試験片１のねじり角（θ_ｔ）を検出するねじり角検出手段５と、共振する試験片１の共振周波数（ｆ_ｔ）を検出する共振周波数検出手段４と、発信部３のオンオフのタイミングを後記する所定の手順で制御する制御部６とを備えている。

この疲労試験システムＳは、後記するように、共振する試験片１における共振周波数の変化量Δｆ（｜ｆ_０−ｆ_ｔ｜）が所定の値（閾値）以上となったときに、又はねじり角の変化量Δθ（｜θ_０−θ_ｔ｜）が所定の値（閾値）以上となったときに、制御部６が試験片１に所定の大きさの亀裂が生じたと判断するように構成されていることを主な特徴とする。
なお、ｆ_０は、試験片１の共振周波数（ｆ_ｔ）の初期値（ｔ＝０のときの値）であり、θ_０は、試験片１のねじり角（θ_ｔ）の初期値（ｔ＝０のときの値）である。

前記発信部３は、信号発信器３１と増幅器３２とを備えている。信号発信器３１は、定振幅正弦波からなる電圧を発生し、その電圧の周波数及び振幅が調節可能となっている。この発信部３のオンオフは、後記する制御部６からの指令によって行われる。増幅器３２は、信号発信器３１の出力を増幅して次に説明する超音波振動子２の圧電アクチュエータ２１に入力するようになっている。

前記超音波振動子２は、圧電アクチュエータ２１とホーン２２とを備えている。圧電アクチュエータ２１は、発信部３が発信する信号に応じて駆動し、所定周波数（ｆ_０）の正弦波からなる超音波振動を発生するようになっている。

ホーン２２は、圧電アクチュエータ２１の下部に取り付けられて、圧電アクチュエータ２１が発生する超音波振動の振幅を増大させると共に、増幅した超音波振動を試験片１に伝えて試験片１を共振させるものである。ホーン２２は、例えば二段複合コニカル型の振幅拡大ホーンを用いることができる。このホーン２２は、図示しないジョイント部を介して試験片１を取り付けると共に、試験片１の軸１６周り（図３（ａ）参照）に繰返しねじり振動を付与するように試験片１を共振させる。

このような超音波振動子２が発振する超音波振動の周波数（ｆ_０）は、試験片１の材質に応じて適宜に設定することができるが、例えばヤング率が２００ＧＰａ±１０％の鉄鋼材料を試験片１とする場合には、１４０００Ｈｚ〜２２０００Ｈｚ程度に設定することが望ましい。以下において、この周波数（ｆ_０）は入力周波数（ｆ_０）ということがある。
また、超音波振動によって試験片１に負荷する繰返しねじり振動は、試験片１の材質に応じて適宜に設定することができるが、例えばヤング率が２００ＧＰａ±１０％の鉄鋼材料を試験片１とする場合には、最大せん断応力（τ）が５００ＭＰａ以上となるように設定することが、表面硬化処理を施した鉄鋼材料の試験では望ましい。

次に、疲労試験システムＳを構成する試験片１について説明する。
試験片１は、図２に示すように、上下に長い略円柱形状の部材であって、上下方向の長さがＬ１の上側軸部１１ａ及び下側軸部１１ｂと、上側軸部１１ａと下側軸部１１ｂとの間に設けられて長さが２・Ｌ２の括れ部１１ｃとを備えている。そして、括れ部１１ｃは、上側軸部１１ａ側から下方に向かうにつれて徐々に縮径してその中央部で最小径となった後に、下側軸部１１ｂ側に向かうにつれて徐々に拡径している。上側軸部１１ａ、括れ部１１ｃ及び下側軸部１１ｂは、括れ部１１ｃの中央部を境にして上下で対照形状となっている。
このような試験片１は、上側軸部１１ａ及び下側軸部１１ｂの半径をＲ２とし、括れ部１１ｃの最小半径をＲ１とすると、Ｒ１に対するＲ２の比（Ｒ２／Ｒ１比）が後記する範囲内（１．５〜２．５）となる試験片１が望ましい。ちなみに、上側軸部１１ａに設けられた支持部１３は、超音波振動子２のホーン２２（図１参照）に取り付けられて試験片１を支持するものである。支持する形態は、支持部１３を雄ネジとし、結合するホーン２２の側を雌ネジとするものであってもよいし、又はそれらを逆にしたものでもかまわない。

上側軸部１１ａの周面には、マーカ１４が設けられると共に、下側軸部１１ｂには平坦面１５が形成されている。マーカ１４は、特許請求の範囲にいう「ねじり角検出及び亀裂発生検出のための微小な印」に相当し、平坦面１５は、特許請求の範囲にいう「ねじり角検出及び亀裂発生検出のための平坦面」に相当する。

本実施形態でのマーカ１４は、試験片１の周面の任意の位置（例えば周面上の所定ポイント）を撮像によって特定できるものであれば特に制限はなく、塗料や切片を試験片１の周面に付着して形成したものや、試験片１の周面自体を部分的に凹ませて、又は突出させて形成したものであってもよい。ちなみに、試験片１を凹ませて又は突出させてマーカ１４を形成する場合には、マーカ１４の凹凸の直径及び深さ（高さ）はそれぞれ０．１ｍｍ以下とするのが望ましい。
また、マーカ１４の形状は、後記するように、試験片１が共振した際のマーカ１４の振れ幅が測定できれば、ドット状、線状、その他の形状のいずれであってもよい。ちなみに、本実施形態でのマーカ１４は、図２に示すように、ドット状に塗布された塗料で形成されて、平面視で微小な矩形となっている。

このマーカ１４は、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、超音波振動子２（図１参照）が発振する超音波振動によって試験片１が軸１６周りに所定のねじり角（θ_ｔ）で左右交互に回動するようにして共振する際に、後記するマイクロスコープ５ａ（図１参照）を介して撮像されるマーカ１４は、中心角２θ_ｔに対応する上側軸部１１ａの周面の円弧長で残像として観察される。つまり、上側軸部１１ａの側面視では、前記円弧長は、長さｕの線分として観察される。この長さｕは特許請求の範囲にいう「印の振動幅」に相当する。

そして、ねじり角（θ_ｔ）は微小角度であるので、ねじり角（θ_ｔ）はｕ／（２・Ｒ２）として近似的に求められる。なお、Ｒ２は、図２に示す上側軸部１１ａの半径である。
このようにマーカ１４の振動幅である長さｕに基づいて得られた試験片１のねじり角（θ_ｔ）は、後記するように、試験片１の表面に亀裂が発生したことを検出するため使用される。

本実施形態での平坦面１５は、図２に示すように、下側軸部１１ｂの周面を切削加工して形成したものであり、試験片１の軸方向（図２の上下方向）に沿うように形成されている。そして、この平坦面１５には、図４（ａ）に示すように、後記するギャップセンサ４ａが向き合う位置に配置される。更に詳しく説明すると、超音波振動子２（図１参照）が発振する超音波振動によって試験片１が軸１６周りに左右交互に回動するようにして共振する際に、ギャップセンサ４ａは、平坦面１５のエッジ部１５ａとの距離の変動差Ｄを検出する。そして、ギャップセンサ４ａと平坦面１５（エッジ部１５ａ）との距離の単位時間当りにおける変動回数（変動差Ｄの往復回数）を求めることによって、試験片１の共振周波数（ｆ_ｔ）を演算することができる。

本実施形態での平坦面１５は、前記したように、下側軸部１１ｂの周面を切削加工して形成したものであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図４（ｂ）に示すように、下側軸部１１ｂに切片等の別部材１７を取り付けて平坦面１５を形成してもよい。また、その位置を上側軸部１１ａに設けてもよい。

そして、本実施形態での試験片１の形状は、超音波振動子２（図１参照）の出力を最大限に生かして効率よく共振することで大きなねじり角（θ_ｔ）を発生するように設計されることが望ましい。このような形状の試験片１は、所定の理論式に基づいた計算結果から決定することもできるが、理論式で試験片１の形状を決定しようとすると、理論式の入力条件が無限に設定できるので、実際の疲労試験にそぐわないものとなる場合がある。また、決定した試験片１の形状をＣＡＥ（Computer Aided Engineering）解析や経験側に基づいて再調整する必要もある。

本発明者らは、試験片１の体積（質量）と、疲労試験時に試験片１に発生させる最大せん断応力（τ）との関係について検討した結果、試験片１の体積（質量）を最小化すると共に、最大せん断応力（τ）を最大化するような括れ部１１ｃの最小半径Ｒ１と上側軸部１１ａ及び下側軸部１１ｂの半径Ｒ２との関係を見出した。言い換えれば、超音波振動子２（図１参照）の出力を最大限に生かして効率よく共振する試験片１においては、最大せん断応力（τ）が大きくなるほどＲ２／Ｒ１比が収束することを見出した。

本発明者らは、括れ部１１ｃの最小半径Ｒ１が１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ、２．５ｍｍ、及び３．０ｍｍであるそれぞれの試験片１について、体積と最大せん断応力との関係を理論計算式によって求めた。ちなみに、試験片１はヤング率が２００ＧＰａ±１０％の鉄鋼材料のものを使用し、入力周波数（ｆ_０）は、１４０００Ｈｚ〜２２０００Ｈｚ程度に設定した。その結果を示す図５は、試験片の体積Ｖ（ｍ^３）と最大せん断応力τ（ＭＰａ）との関係を表したグラフである。なお、図５中、Ｒ１_ｍｉｎは前記した最小半径Ｒ１を表している。
ちなみに、図５に示すように、試験片１の体積が小さいほど、そして最大せん断応力（τ）が大きいほど、言い換えれば、矢印の「良」方向寄りとなるほど試験片１は望ましいものとなる。つまり、試験片１は、超音波振動子２（図１参照）の出力を最大限に生かして効率よく共振するものとなる。
図５のグラフで符号５１は、最小半径Ｒ１が３．０ｍｍ（図５中、Ｒ１_ｍｉｎ＝３ｍｍ）である試験片１の最大せん断応力と体積の関係における変曲点である。

次に、本発明者らは、このような試験片１において、Ｒ２／Ｒ１比と最大せん断応力τ（ＭＰａ）との関係を求めた。図６はＲ２／Ｒ１比と最大せん断応力τ（ＭＰａ）との関係を示すグラフである。
図６のグラフで符号６２は、最小半径Ｒ１が１．０ｍｍ（図６中、Ｒ１_ｍｉｎ＝１ｍｍ）である試験片１の最大せん断応力とＲ２／Ｒ１比の関係における変曲点である。
図５における変曲点５１は図６における変曲点６１と同条件での計算結果であり、同様に図５における変曲点５２は図６における変曲点６２と同条件での計算結果である。

図６中の網掛け部Ａに示すように、最大せん断応力τが増大するに従って、Ｒ２／Ｒ１比は約２．０に収束していく。又、図６の変曲点６１は、図５の変曲点５１に対応するため、この点より最大せん断応力の高い側は、体積が急に増加することになって超音波振動子２の出力が足りなくなることも考えられる。つまり試験片１の設定としては良くない。同様に、図６の変曲点６２は、最大せん断応力とＲ２／Ｒ１比の関係が急な変化をするため、計算の諸条件と実物のわずかなズレによって計算上の最大せん断応力が発生できない恐れがある。したがって、試験片１に生じる最大せん断応力（τ）は、Ｒ２／Ｒ１比を１．５以上、２．６以下に設定することで全てのせん断応力域での試験を行うことができる。
以上のことから、本発明の疲労試験システムＳで使用する試験片１としては、Ｒ１が１ｍｍ以上のものであって、Ｒ２／Ｒ１比が１．５以上、２．６以下のものが望ましいことが判明した。

本実施形態での前記ねじり角検出手段５は、図１に示すように、マイクロスコープ５ａを備えて構成されている。
マイクロスコープ５ａは、試験片１のマーカ１４（図２参照）と向き合うように配置され、マーカ１４を撮像した撮像信号を出力するものである。後記する制御部６は、この撮像信号に基づいてねじり角の変化量Δθを演算することになる。
なお、図１中、符号５ｂはマイクロスコープ５ａが出力した撮像信号に基づいてマーカ１４の残像を映し出すモニタである。

本実施形態での前記共振周波数検出手段４は、図１に示すように、ギャップセンサ４ａを備えて構成されている。
ギャップセンサ４ａは、前記したように、試験片１の平坦面１５のエッジ部１５ａ（図４（ａ）参照）と向き合うように配置され、平坦面１５（エッジ部１５ａ）との距離を検出した距離信号を出力するものである。後記する制御部６は、この距離信号に基づいて共振周波数の変化量Δｆを演算することになる。
なお、図１中、符号４ｂはギャップセンサ４ａが出力した距離信号に基づいて共振周波数（ｆ_ｔ）の波形を映し出すオシロスコープである。

本実施形態での前記制御部６は、マイクロスコープ５ａ及びギャップセンサ４ａと共にねじり角検出手段５及び共振周波数検出手段４を構成しており、共振する試験片１のねじり角（θ_ｔ）及び共振周波数（ｆ_ｔ）を演算する。更に詳しく説明すると、制御部６は、格納された画像解析ソフトによって、マイクロスコープ５ａが出力した撮像信号に基づいてマーカ１４の残像として観察される線分の長さｕ（図３（ａ）及び（ｂ）参照）を演算し、この長さｕに基づいて図３（ａ）及び（ｂ）に示すねじり角（θ_ｔ）を演算するように構成されている。
また、制御部６は、格納された変位解析ソフトによって、ギャップセンサ４ａが出力した距離信号に基づいて、単位時間当りにおける変動差Ｄ（図４（ａ）参照）の往復回数を求めて、試験片１の共振周波数（ｆ_ｔ）を演算するように構成されている。
また、制御部は、演算したこれらのねじり角（θ_ｔ）及び共振周波数（ｆ_ｔ）に基づいて、後記する手順で超音波振動子２（発信部３）のオンオフのタイミングを制御するように構成されている。
このような制御部６は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、電子回路等を含んで構成することができる。

次に、本実施形態に係る疲労試験システムＳの動作について説明しつつ、この疲労試験システムＳを使用した超音波ねじり疲労試験方法（以下、単に「疲労試験方法」ということがある）について説明する。

図１に示すように、ホーン２２に試験片１が取り付けられて疲労試験システムＳが構成される。この試験片１には、前記したように、マーカ１４及び平坦面１５（図２参照）が設けられている。

この疲労試験システムＳにおいては、制御部６の指令によってオンとなった発信部３は、信号発信器３１が出力した定振幅正弦波からなる電圧を増幅器３２が増幅して超音波振動子２の圧電アクチュエータ２１に入力する。その結果、圧電アクチュエータ２１は所定周波数（ｆ_０）の正弦波からなる超音波ねじり振動を発生し、この超音波ねじり振動はホーン２２を介して増幅されて試験片１に伝播する。

超音波ねじり振動が伝播した試験片１は、共振して軸１６周りに繰返しねじり振動が付与される。
そして、共振する試験片１は、図７（ａ）に示すように、括れ部１１ｃの中央部における周面１０ａに応力が集中し、軸心部１０ｂには応力が殆ど発生しない。
ところが、従来の超音波式の引張り圧縮疲労試験装置（例えば、特許文献１参照）では、図７（ｂ）に示すように、括れ部１１ｃの中央部の全体に亘って均等に応力が集中する。つまり、応力が所定値を超えると括れ部１１ｃが中央部断面内の任意の箇所を起点として破断する。

これに対して、本実施形態の疲労試験システムＳにおいては、括れ部１１ｃの中央部における周面１０ａに亀裂が生じ始める。
そして、本発明者らは、括れ部１１ｃの周面１０ａに亀裂が生じ始めてからその亀裂が徐々に大きくなって試験片１が破断するまでの間に、その亀裂の大きさに応じて共振周波数の変化量（Δｆ）が所定の増加率で徐々に大きくなっていくことをＣＡＥ解析により見出した。
更に具体的に説明すると、図８に示すように、亀裂の面積（図８の左縦軸）が大きくなるほど、そして亀裂の幅及び深さ（図８の右縦軸）が大きくなるほど、試験片１の共振周波数の変化量Δｆは所定の増加率で徐々に大きくなっている。

つまり、本実施形態の疲労試験システムＳ（疲労試験方法）においては、前記したように、共振する試験片１における共振周波数の変化量Δｆが所定の値（後記する閾値α）以上となったときに、制御部６が試験片１に所定の大きさの亀裂が生じたと判断し、試験片１が破断する前に疲労試験を終了するものである。又はねじり角の変化量Δθが所定の値（後記する閾値β）以上となったときに、制御部６が試験片１に所定の大きさの亀裂が生じた若しくは試験に異常が生じたと判断し、疲労試験を終了するものである。

この疲労試験システムＳ（疲労試験方法）においては、共振周波数の変化量Δｆ及びねじり角の変化量Δθを求めるに際に、先ずギャップセンサ４ａは、平坦面１５（エッジ部１５ａ）との距離を検出した距離信号を出力し、マイクロスコープ５ａは、マーカ１４を撮像した撮像信号を出力する。
これらの距離信号及び撮像信号を入力した制御部６は、前記したように、距離信号に基づいて試験片１の共振周波数（ｆ_ｔ）を演算すると共に、撮像信号に基づいて試験片１のねじり角（θ_ｔ）を演算する。

そして、制御部６は、図９に示すように、試験片１の共振周波数の変化量Δｆを演算し（ステップＳ１）、試験片１のねじり角の変化量Δθを演算する（ステップＳ２）。
ちなみに、共振周波数の変化量Δｆは、ギャップセンサ４ａから出力された距離信号に基づいて演算された共振周波数（ｆ_ｔ）と、初期の入力周波数（ｆ_０）との差の絶対値（｜ｆ_０−ｆ_ｔ｜）に等しい。また、ねじり角の変化量Δθは、マイクロスコープ５ａから出力された撮像信号に基づいて演算されたねじり角（θ_ｔ）と、初期のねじり角（θ_０）との差の絶対値（｜θ_０−θ_ｔ｜）に等しい。そして、入力周波数（ｆ_０）及びねじり角（θ_０）は、この疲労試験システムＳの起動時における共振周波数（ｆ_ｔ）及びねじり角（θ_ｔ）に等しい。
なお、試験片１に亀裂が生じ始めるとｆ_０＞ｆ_ｔとなるが、このことは試験片１に発生した亀裂によって断面の剛性と断面積の対称性が変化することによって共振周波数が低下するものと考えられる。
また、試験片１に亀裂が生じ始めるとθ_０＜θ_ｔとなるが、このことは試験片１に発生した亀裂によって断面の剛性が小さくなることによってねじり角が増大するものと考えられる。

次に、制御部６は、共振周波数の変化量Δｆがα（閾値）以上か否か、又はねじり角の変化量Δθがβ（閾値）以上か否かを判断する（ステップＳ３）。
ちなみに、αは１０Ｈｚ以上の範囲で設定することが望ましい。また、αは入力周波数（ｆ_０）の１％以下の範囲で設定することが望ましい。
また、βは試験精度を保障する意味から、初期ねじり角（θ₀）の５％以下の範囲で設定することが望ましい。

そして、制御部６は、共振周波数の変化量Δｆがα（閾値）未満であり、かつねじり角の変化量Δθがβ（閾値）未満である場合には（ステップＳ３のＮｏ）、ステップＳ１に戻る。また、制御部６は、共振周波数の変化量Δｆがα（閾値）以上であるか、又はねじり角の変化量Δθがβ（閾値）以上である場合には（ステップＳ３のＹｅｓ）、試験片１に所定の大きさの亀裂が生じた、若しくは試験に異常が生じたと判断してこの試験工程を終了させる（ステップＳ４）。つまり、制御部６は超音波振動子２の発信部３をオフにする指令を出力し、発信部３をオフにすることで超音波振動子２の超音波ねじり振動の発振を停止する。

本実施形態に係るねじり疲労試験システムＳ及びねじり疲労試験方法によれば、超音波振動子２によって試験片１を共振させて試験片１に繰返しねじり振動を付与するので、その早い繰返し速度によって、従来の機械式のねじり疲労試験装置及びそれを使用したねじり疲労試験方法よりも試験所要時間を短縮することができる。したがって、いわゆるギガサイクルを超えるものについても、精度の高いＳ−Ｎ図を短時間で作成することができる。

また、本実施形態に係るねじり疲労試験システムＳ及びねじり疲労試験方法によれば、共振する試験片１の共振周波数の変化量（Δｆ）、及びねじり角の変化量（Δθ）が予め設定した閾値以上となったときに試験片に亀裂が発生したと判断して試験工程を終了するので、試験片１が破断する前に試験片１の疲労特性を精度よく求めることができる。特に、表面に硬化処理を施した試験片１のねじり疲労試験では、試験片１が破断することなく、試験片１の表面部分（硬化処理部分）にのみ亀裂を形成することができるので、硬化処理された試験片１の疲労特性を精度よく求めることができる。

また、本実施形態に係るねじり疲労試験システムＳ及びねじり疲労試験方法によれば、試験片１に亀裂が発生した後に余剰の繰り返し応力を与えることなく疲労試験を停止することができるので、発生した亀裂等が余剰の繰り返し応力で潰れることが防止できる。そのため、発生した亀裂等の状態を容易に精度よく観察することができる。

また、本実施形態に係るねじり疲労試験システムＳ及びねじり疲労試験方法によれば、疲労試験中は常に試験片１の共振周波数（ｆ_ｔ）やねじり角（θ_ｔ）を検出することができるので、検出したこれらに基づいて試験が正常に進行しているか否かを早期に見極めることができる。その結果、正常で適正な試験が行われていない場合には、直ちに疲労試験を停止することもできる。

また、本実施形態に係るねじり疲労試験システムＳ及びねじり疲労試験方法によれば、括れ部１１ｃの最小半径Ｒ１に対する上側軸部１１ａ及び下側軸部１１ｂの半径Ｒ２の比（Ｒ２／Ｒ１比）が１．５以上、２．５以下の試験片１を使用することによって、効率よく試験片１を共振させることができるので、試験片１の作製に煩雑な経験則を必要とせずに簡単に試験片１の形状を求めることができる。

また、本実施形態に係るねじり疲労試験システムＳ及びねじり疲労試験方法によれば、共振する試験片１の共振周波数（ｆ_ｔ）やねじり角（θ_ｔ）を非接触で検出するので、例えば試験片１に接触させたセンサ（歪みゲージ等）で歪みを検出して疲労特性を求めるものと異なって、センサの寿命が一段と延びる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、種々の形態で実施することができる。
前記実施形態に係るねじり疲労試験システムＳでは、マーカ１４をマイクロスコープで撮像することで試験片１のねじり角（θ_ｔ）を検出しているが、本発明はギャップセンサ４ａで検出した変動差Ｄ（図４（ａ）参照）等の、試験片１における任意の位置の変位に基づいてねじり角（θ_ｔ）を検出してもよい。

また、前記実施形態に係るねじり疲労試験システムＳは、検出した前記ねじり角（θ_ｔ）に基づいて、試験片１に生じるせん断応力（最大せん断応力）を演算するように構成されたものであってもよい。このような疲労試験システムＳは、予めねじり角（θ_ｔ）とせん断応力（最大せん断応力）との関係をシミュレーション試験で求めておき、この関係を示す関数やマップ等に基づいて制御部６がせん断応力（最大せん断応力）を演算するように構成することができる。

次に、実施例を示しながら本発明をさらに具体的に説明する。
（実施例１）
この実施例１では、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４２０Ｈ）製の図２に示す試験片１を作製した。この試験片１は、Ｌ１が８．８ｍｍ、Ｌ２が４．６ｍｍ、Ｒ１が２．０ｍｍ、Ｒ２が５．０ｍｍ、Ｒ２／Ｒ１比が２．５であった。
そして、この試験片１には、有効浸炭層の深さが約１ｍｍとなるように試験片にガス浸炭処理を施した。

次に、図１に示すねじり疲労試験システムＳと同様にこの試験片１を取り付けてねじり疲労試験を行った。試験片１に対する入力周波数（ｆ_０）は、約１７６００Ｈｚに設定し、共振周波数の変化量Δｆの閾値αは１０Ｈｚに設定した。その結果を図１０に示す。
ちなみに、図１０の横軸のサイクル数は、試験片１の共振周波数の変化量Δｆが閾値α以上となって、試験片１に所定の大きさの亀裂が発生したと判断した際の繰り返し回数である。図１０の縦軸の疲労強度は、試験初期の試験片１のねじり角（θ_０）から求めた試験片１の最大せん断応力（ＭＰａ）である。

また、試験片１の共振周波数の変化量Δｆが閾値α以上となって、疲労試験を終了した際の試験片１の電子顕微鏡写真を図１１（ａ）及び（ｂ）に示す。図１１（ａ）は、試験片の表面に発生した亀裂の様子を示す電子顕微鏡写真である。図１１（ｂ）は、試験片の内部に発生した亀裂の様子を示す電子顕微鏡写真である。
図１１（ａ）に示すように、試験片１の表面には、短い初期亀裂が軸直交方向に入った後、軸方向に対して略４５°をなす方向へ亀裂が進展していることが観察された。
そして、図１１（ｂ）に示すように、表面に発生した亀裂は、試験片１の内部の符号３０で示す位置で止まっていることが確認された。
なお、本実施例１では、試験開始から繰り返し回数が１０の９乗回に達するまでの時間は、約４８時間であった。

（実施例２）
この実施例２では、ガス浸炭処理を行っていない以外は実施例１と同様の試験片１を使用し、実施例１と同様にねじり疲労試験を行った。その結果を図１０に示す。

（比較例１）
この比較例１では、材料とガス浸炭処理については実施例１と同様の試験片１を使用して、超音波式の引張り圧縮疲労試験を行った。この引張り圧縮疲労試験では、試験片１の軸方向に超音波振動による引張り圧縮負荷が加えられた。この引張り圧縮疲労試験では、試験片１に対する入力周波数（ｆ_０）が、約２０２００Ｈｚに設定された。その結果を図１０に示す。
ちなみに、図１０の横軸のサイクル数は、試験片１が破断した際の繰り返し回数である。図１０の縦軸の疲労強度は、試験初期の試験片１に負荷された引張り圧縮応力（ＭＰａ）である。
また、試験片１の破断面の電子顕微鏡写真を図１１（ｃ）に示す。
図１１（ｃ）に示すように、試験片１の内部には試験片の軸周りにストライエーションが観察されたことから、浸炭層内部より破断が始まったことがわかる。また、試験片１の表層部は粒界破壊により破断していることも観察できた。

（比較例２）
この比較例２では、ガス浸炭処理を行っていない以外は比較例１と同様の試験片１を使用し、比較例１と同様に引張り圧縮疲労試験を行った。その結果を図１０に示す。

（疲労試験の評価）
図１０に示すように、ガス浸炭処理を行った試験片１を使用した比較例１は、ガス浸炭処理を行っていない比較例２よりも疲労強度が低い結果となっている。つまり、従来の超音波式の引張り圧縮疲労試験では、図１１（ｃ）に示すように、浸炭によって硬化処理された試験片１の表層部より先に内部から破断したので、ガス浸炭処理を行って硬化処理した結果を反映した疲労試験結果を得ることができなかった。

これに対して、実施例１では、図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、試験片１の表面から内部に向かって亀裂が発生する。その結果、図１０に示すように、ガス浸炭処理を行った試験片１を使用した実施例１は、ガス浸炭処理を行っていない実施例２よりも疲労強度が高い結果となっている。つまり、本実施例の超音波ねじり疲労試験では、ガス浸炭処理を行って硬化処理した結果を反映する疲労試験結果となっており、本発明によれば、試験片１の疲労特性を精度よく求めることができることが判明した。

１ 試験片
２ 超音波振動子
４ 共振周波数検出手段
４ａ ギャップセンサ
５ ねじり角検出手段
５ａ マイクロスコープ
６ 制御部
１１ａ 上側軸部
１１ｂ 下側軸部
１１ｃ 括れ部
１３ 支持部
１４ マーカ（印）
１５ 平坦面
２１ 圧電アクチュエータ
２２ ホーン
３１ 信号発信器
３２ 増幅器
５１ 変曲点
５２ 変曲点
６１ 変曲点
６２ 変曲点
Ｓ 超音波ねじり疲労試験システム

Claims (5)

1. 試験片を超音波振動子によって共振させて繰返しねじり振動を前記試験片に付与する超音波ねじり疲労試験システムであって、
   ねじり角検出及び亀裂発生検出のための微小な印を前記試験片に設けたことを特徴とする超音波ねじり疲労試験システム。
2. 試験片を超音波振動子によって共振させて繰返しねじり振動を前記試験片に付与する超音波ねじり疲労試験システムであって、
   ねじり角検出及び亀裂発生検出のための平坦面を前記試験片に設けたことを特徴とする超音波ねじり疲労試験システム。
3. 試験片を超音波振動子によって共振させて繰返しねじり振動を前記試験片に付与する超音波ねじり疲労試験システムであって、
   ねじり角検出のための微小な印と、亀裂発生検出のための平坦面とを前記試験片に設けたことを特徴とする超音波ねじり疲労試験システム。
4. 試験片を超音波振動子によって共振させて繰返しねじり振動を前記試験片に付与する超音波ねじり疲労試験システムであって、
   前記試験片の上下軸部半径Ｒ２と括れ部の最小半径Ｒ１の比Ｒ２／Ｒ１が１．５〜２．６の範囲で設定されたことを特徴とする超音波ねじり疲労試験システム。
5. 試験片を超音波振動子によって共振させて繰返しねじり振動を前記試験片に付与する超音波ねじり疲労試験方法であって、
   ねじり角検出のための微小な印と、亀裂発生検出のための平坦面とを設けた前記試験片を準備する工程と、
   前記試験片の共振時における前記試験片の微小な前記印の振動幅に基づいて前記試験片のねじり角を検出する工程と、
   前記平坦面と向き合う位置に配置したギャップセンサからの出力値をモニタリングして前記出力値の変化量が一定値以上となった際に前記試験片に亀裂が発生したと判断する工程と、
   を有することを特徴とする超音波ねじり疲労試験方法。