JP2013181925A - ねじり試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試験片に対してねじり変形のみ又はねじり変形＋圧縮変形を加えることが可能であり、安価であり、しかも、高強度の材料であっても評価することが可能なねじり試験装置を提供すること。
【解決手段】ねじり試験装置１０は、筒状のガイド２０と、ガイド２０に挿入された、試験片６０の両端の把持部を把持するための上キャップ３０及び下キャップ４０と、ガイド２０に挿入された、下キャップ４０を支持するための剛体又は弾性体からなる支持部材５０とを備えている。上キャップ４０は、回転しながらガイド２０内を降下可能となるようにガイド２０内に挿入されており、下キャップ４０は、回転することなくガイド２０内を降下可能となるようにガイド２０内に挿入されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ねじり試験装置に関し、さらに詳しくは、試験片に対してねじり変形のみ又はねじり変形＋圧縮変形を加えることが可能なねじり試験装置に関する。

ねじり試験とは、円形断面の棒状試験片の一端を固定し、他端にねじりを与える試験をいう。ねじり試験時のねじりモーメントとねじれ角を測定することによって、剛性率、ねじり降伏点、ねじり強さ、破断までのねじれ角などを求めることができる。
試験片を単にねじると、試験片に純粋なせん断応力状態を生じさせることができる。しかしながら、実際の構造物においては、ねじり荷重に加えて引張荷重又は圧縮荷重が付加されることが多い。一方、このような複合応力状態を再現するために、複数個の駆動源を備えた評価装置も知られているが、このような評価装置は、一般に高価である。
そのため、ある種の構造物に用いられる材料の評価においては、純粋なせん断応力状態だけでなく、様々な応力状態における材料の変形特性（変形能）を評価できる安価な試験装置が望まれている。

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、単一の軸方向可動の駆動源と、軸方向に沿って角度が変化するラセン溝付き円筒と、ラセン溝付き円筒のラセン溝に係合されて駆動源による軸方向の駆動力をねじり方向の駆動力に変換する回転体と、回転体によって引張／圧縮荷重とねじり荷重を任意の組み合わせで同時に負荷される試験片とを備えた複合負荷試験装置が開示されている。
同文献には、ラセン溝付き円筒のラセン溝は、軸方向に沿って角度が変化しているので、回転体とラセン溝との係合位置を変えることにより、軸方向の駆動力をねじり方向の駆動力に変換することができる点、及び、引張／圧縮荷重とねじり荷重を任意の組み合わせで試験片に負荷することができる点が記載されている。

また、特許文献２には、軸方向に流体を通じる流体管と、流体管内を流れる速度制御可能な流体と、軸方向に対する角度を制御可能な羽根と、羽根が流体力を受けて発生する軸方向荷重とねじり方向荷重を同時に負荷される試験片とを備えた複合負荷試験装置が開示されている。
同文献には、羽根の角度と流体の速度をそれぞれ制御することにより、試験片に軸方向荷重とねじり方向荷重を任意の組み合わせで同時に負荷することができる点が記載されている。

さらに、特許文献３には、ネジ杆に螺合したナットプレートに連結した回転部材と、当該回転部材に対向配置した固定部材を備え、回転部材と固定部材とは、スラストベアリングを介して相互の距離を一定に保持しつつ相互に回転可能に配置したねじり試験装置が開示されている。
同文献には、回転部材と固定部材とで試験片の両端を保持し、ネジ杆を軸方向に前進又は後退移動させることで、試験片にねじり力のみを負荷することができる点が記載されている。

特許文献１に記載されている複合負荷試験装置の場合、回転体の側面には、ばねと球受で付勢された球が埋め込まれており、球をラセン溝付き円筒のラセン溝に押しつけることによって、アクチュエータの軸方向の駆動力をねじり方向の駆動力に変換している。そのため、球に加わる力がばねの付勢力より過度に大きくなると、球が溝から外れるという問題がある。すなわち、同文献に記載の複合負荷試験装置は、比較的強度の低い材料のみ評価可能であり、高強度の材料の評価には適さない。また、同文献に記載の複合負荷試験装置は、ねじり荷重のみを試験片に負荷することはできない。

同様に、特許文献２に記載されている複合負荷試験装置の場合、羽根が流体力を受けることによって発生する軸方向荷重とねじり方向荷重を試験片に負荷している。そのため、羽根に加わる流体力が過度に大きくなると、羽根が破損するという問題がある。すなわち、同文献に記載の複合負荷試験装置は、比較的強度の低い材料のみ評価可能であり、高強度の材料の評価には適さない。また、同文献に記載の複合負荷試験装置は、ねじり荷重のみを試験片に負荷することはできない。

これに対し、特許文献３に記載のねじり試験装置は、ネジ杆を用いて回転部材を回転させているので、高強度の材料の評価も可能である。
しかしながら、同文献に記載のねじり試験装置は、ねじり荷重と圧縮荷重が重畳した複合的な応力状態における材料の変形能を評価することができない。

特開平０４−１０６４５２号公報 特開平０４−１０６４５３号公報 特開２００８−２７５４０４号公報

本発明が解決しようとする課題は、試験片に対してねじり変形のみ又はねじり変形＋圧縮変形を加えることが可能であり、安価であり、しかも、高強度の材料であっても評価することが可能なねじり試験装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係るねじり試験装置は、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記ねじり試験装置は、
筒状のガイドと、
前記ガイドに挿入された、試験片の上端の把持部を把持するための上キャップと、
前記ガイドに挿入された、前記試験片の下端の把持部を把持するための下キャップと、
前記ガイドに挿入された、前記下キャップを支持するための剛体又は弾性体からなる支持部材と
を備え、
前記上キャップは、回転しながら前記ガイド内を降下可能となるように前記ガイド内に挿入されており、
前記下キャップは、回転することなく前記ガイド内を降下可能となるように前記ガイド内に挿入されている。
（２）前記ガイドの先端には、回転対称となるように配置された、複数個のらせん状スロープが設けられ、
前記上キャップの側面には、前記らせん状スロープに沿って摺動可能なピンが設けられている。
（３）前記ガイドの内周面又は前記下キャップの外周面のいずれか一方には、突起が設けられ、
他方には、前記突起を挿入することができ、かつ、前記下キャップを前記ガイドの軸方向に沿って降下させることが可能な溝が設けられている。

両端が上キャップ及び下キャップで拘束された試験片をガイド内に挿入し、上キャップを下方に押圧すると、上キャップの側面に設けられたピンがガイドの先端に設けられたらせん状スロープに沿って摺動する。その結果、上キャップは、回転しながらガイド内を降下する。
一方、上キャップを押圧すると、下キャップも下方に押圧されるが、ガイドの内周面及び下キャップの外周面のいずれか一方に設けられた突起は、他方に設けられた溝に挿入されている。その結果、下キャップは、回転することなくガイド内を降下する。

そのため、試験片の両端の把持部を、それぞれ、上キャップ及び下キャップで把持した状態で、上キャップ−試験片−下キャップをガイド内に挿入し、上キャップを下方に押圧すると、試験片にねじり変形を加えることができる。また、下キャップを支持する支持部材の弾性力を調整すると、試験片に対して、純粋なねじり変形だけでなく、圧縮変形させながらねじり変形させる複合的な変形を付与することができる。

本発明に係るねじり試験装置は、圧縮荷重の全部又は一部を容易にねじりモーメントに変換することができるので、汎用の圧縮試験装置にそのまま取り付けて使用することができる。また、各部材の寸法及び材料を任意に選択することができるので、高強度の材料であっても評価することができる。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、それぞれ、本発明に係るねじり試験装置の平面図及び正面図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、それぞれ、図１に示すねじり試験装置のＡ−Ａ’線断面図及びＢ−Ｂ’線断面図である。 図３（ａ）は、上キャップの正面図、右側面図、左側面図及び底面図、並びに、下キャップの正面図、右側面図、左側面図及び平面図である。図３（ｂ）は、試験片の正面図、右側面図及び平面図である。

ＪＩＳ Ｓ４５Ｃからなる試験片にねじり変形のみを加えたときの相当ひずみ及び応力三軸度の数値解析結果を示す図である。 ＪＩＳ Ｓ４５Ｃからなる試験片にねじり変形のみを加えたときの回転角度及び相当ひずみの数値解析結果を示す図である。 ＪＩＳ Ｓ４５Ｃ及びＪＩＳ Ｓ４５Ｃ ＳＡ材から切り出した試験片の切り出し角度θと破壊に至る相当ひずみとの関係を示す図である。 ＪＩＳ Ｓ１０Ｃから切り出した試験片の切り出し角度θと破壊に至る相当ひずみとの関係を示す図である。

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． ねじり試験装置］
図１（ａ）及び図１（ｂ）に、それぞれ、本発明に係るねじり試験装置の平面図及び正面図を示す。図２（ａ）及び図２（ｂ）に、それぞれ、図１に示すねじり試験装置のＡ−Ａ’線断面図及びＢ−Ｂ’線断面図を示す。
図１及び図２において、ねじり試験装置１０は、ダイ１２と、ガイド２０と、上キャップ３０と、下キャップ４０と、支持部材５０とを備えている。

［１．１． ダイ］
ダイ１２は、ガイド２０の下端部を外側から拘束するためのものであり、その中央には、ガイド２０を挿入するための貫通穴が設けられている。ダイ１２は、ねじり試験中にガイド２０が分離したり、あるいは、ガイド２０が過度に変形しないように、ガイド２０を外側から拘束するためのものである。従って、ガイド２０が一体物からなる場合、あるいは、ガイド２０に過度の応力が作用しない場合、ダイ１２は、必ずしも必要ではない。

［１．２． ガイド］
ガイド２０は、その内周面に沿って上キャップ３０及び下キャップ４０を降下させるためのものであり、筒状を呈している。ガイド２０は、ガイド２０の軸方向に沿って２個のガイド素片２２、２４に分割されている。また、各ガイド素片２２、２４の先端には、それぞれ、回転対称となるように配置されたらせん状スロープ２２ａ、２４ａが設けられている。さらに、ガイド素片２２の内周面には、ガイド２０の軸方向に沿って伸びる溝２２ｂが設けられている。溝２２ｂは、下キャップ４０に設けられる突起４２を挿入するためのものである。

らせん状スロープ２２ａ、２４ａの傾き（＝ガイド２０の軸に対して垂直な面と、らせん状スロープ２２ａ、２４ａの表面とのなす角）は、特に限定されるものではなく、上キャップ３０を回転可能な傾きであれば良い。一般に、らせん状スロープ２２ａ、２４ａの傾きが大きくなるほど、上キャップ３０の回転が容易になるが、上キャップ３０の単位降下量あたりの回転角度は小さくなる。

ガイド２０の先端に、２個又は３個のらせん状スロープ２２ａ、２４ａを回転対称となるように設ける場合、上キャップ３０を円滑に回転させるためには、それらの傾きは、同一である必要がある。一方、４個以上のらせん状スロープを回転対称となるように設ける場合、上キャップ３０をらせん状スロープに沿って回転させることが可能な限りにおいて、個々のらせん状スロープの傾きを変えても良い。
例えば、４個のらせん状スロープを回転対称となるように設ける場合、向かい合うらせん状スロープの傾きを互いに同一とし、隣り合うらせん状スロープの傾きを互いに非同一にしても良い。２組のらせん状スロープの内、いずれか１組を使うことによって、上キャップ３０の単位降下量あたりの回転角度を変えることができる。

なお、図１及び図２に示す例において、ガイド２０は２分割されているが、ガイド２０の分割数は２個に限定されない。すなわち、ガイド２０は、一体物でも良く、あるいは、３個以上に分割されていても良い。
また、図１及び図２に示す例において、ガイド２０の先端には、１８０°回転対称となるように、２個のらせん状スロープ２２ａ、２４ａが設けられているが、らせん状スロープの数は、２個に限定されない。すなわち、ガイド２０の先端には、回転対称となるように配置された３個以上のらせん状スロープが設けられていても良い。
さらに、ガイド２０を分割する場合、らせん状スロープの位置とは無関係に分割しても良い。しかしながら、ガイド２０の加工を容易にするためには、ガイド２０は、図１及び図２に示すように、個々のらせん状スロープの境界線に沿って分割するのが好ましい。

［１．３． 上キャップ］
上キャップ３０は、試験片６０の上端の把持部を把持するためのものである。上キャップ３０は、回転しながらガイド２０内を降下可能となるようにガイド２０内に挿入されている。上キャップ３０には、ガイド２０を軸に対して垂直方向に貫通するように、ピン３２が挿入されており、ピン３２の両端は、それぞれ、らせん状スロープ２２ａ、２４ａの表面に沿って摺動可能になっている。
さらに、上キャップ３０の上面には、一軸の圧縮試験装置（図示せず）から負荷される荷重を上キャップ３０に伝達するためのパンチ３４が載置されている。

なお、図１及び図２に示す例において、上キャップ３０を水平方向に貫通するように、長い１本のピン３２が上キャップ３０に挿入されているが、上キャップ３０の左右に、それぞれ、別個のピンを固定しても良い。
また、らせん状スロープの数が２個又は３個である場合、円滑に上キャップ３０を回転させながら降下させるためには、らせん状スロープと同数のピンを上キャップ３０に設ける必要がある。一方、４個以上のらせん状スロープを回転対称となるように設ける場合、上キャップ３０をらせん状スロープに沿って円滑に回転させることが可能な限りにおいて、ピンの数は、らせん状スロープの数より少なくても良い。
例えば、４個のらせん状スロープを回転対称となるように設ける場合、４個のらせん状スロープの表面をそれぞれ摺動する４個のピンを設けても良く、あるいは、向かい合う２個のらせん状スロープの表面をそれぞれ摺動する２個のピンを設けても良い。

［１．４． 下キャップ］
下キャップ４０は、試験片６０の下端の把持部を把持するためのものである。下キャップ４０は、回転することなくガイド２０内を降下可能となるようにガイド２０内に挿入されている。下キャップ４０の外周面には、突起４２が設けられている。突起４２は、ガイド素片２２に設けられた溝２２ｂに挿入されている。すなわち、下キャップ４０を降下させた時に、突起４２は、溝２２ｂに沿ってガイド２０の軸方向に降下するようになっている。

なお、図１及び図２に示す例において、ガイド２０側に溝が設けられ、下キャップ４０側に突起４２が設けられているが、ガイド２０側に突起を設け、下キャップ４０側に溝を設けても良い。
また、図１及び図２に示す例において、一組の溝２２ｂ及び突起４２が設けられているが、溝及び突起は、２組以上設けても良い。

［１．５． 支持部材］
支持部材５０は、下キャップ４０を支持するためのものであり、剛体又は弾性体からなる。図１及び図２において、支持部材５０はバネ状に描かれているが、これは単なる例示であり、支持部材５０はブロック状の剛体又は弾性体であっても良い。
支持部材５０が剛体からなる場合、上キャップ３０を降下させても、下キャップ４０は実質的に降下しない。そのため、ねじり試験片６０に対して、ねじり変形と同時に、大きな圧縮変形を加えることができる。
一方、支持部材５０が弾性体からなる場合、支持部材５０の弾性率が小さくなるほど、試験片６０に加えられる圧縮変形を小さくすることができる。また、支持部材５０の弾性率が下キャップ４０及び試験片６０を支持するために必要かつ十分な大きさであるときには、試験片６０に純粋なねじり変形のみを加えることができる。

［１．６． 上キャップ、下キャップ及び試験片の詳細］
図３（ａ）に、上キャップ３０の正面図、右側面図、左側面図及び底面図、並びに、下キャップ４０の正面図、右側面図、左側面図及び平面図を示す。また、図３（ｂ）に、試験片６０の正面図、右側面図及び平面図を示す。

試験片６０は、中央の変形部６０ａと、変形部６０ａの両端に設けられた把持部６０ｂ、６０ｃとを備えている。変形部６０ａは、断面が円形になっている。また、把持部６０ｂ、６０ｃは、円板の両側を円弧状に切り落とした形状になっている。
上キャップ３０の下面には、試験片６０の上端の把持部６０ｂを挿入するための凹溝３０ａが設けられている。また、下キャップ４０の上面には、試験片６０の下端の把持部６０ｃを挿入するための凹溝４０ａが設けられている。

［２． ねじり試験装置の作用］
まず、ガイド２０内に、支持部材５０、下キャップ４０、試験片６０、及び、上キャップ３０を挿入する。この時、
（ａ）試験片６０の把持部６０ｂ、６０ｃが、それぞれ、上キャップ３０の凹溝３０ａ及び下キャップ４０の凹溝４０ａに挿入され、
（ｂ）下キャップ４０の外周面に設けられた突起４２が、ガイド２０の内周面に設けられた溝２２ｂに挿入され、かつ、
（ｃ）上キャップ３０の側面から張り出しているピン３２の両端がらせん状スロープ２２ａ、２４ｂの上に均等に乗るように、
下キャップ４０、試験片６０、及び、上キャップ３０の位置合わせを行う。

この状態で上キャップ３０の上にパンチ３４を乗せ、一軸の圧縮試験装置（図示せず）を用いてパンチ３４を押圧すると、上キャップ３０の側面に設けられたピン３２がガイド２０の先端に設けられたらせん状スロープ２２ａ、２４ａに沿って摺動する。その結果、上キャップ３０は、図１の矢印Ｃ方向に回転しながらガイド２０内を降下する。
一方、上キャップ３０を押圧すると、下キャップ４０も下方に押圧されるが、下キャップ４０の外周面に設けられた突起４２は、ガイド２０の内周面に設けられた溝２２ｂに挿入されている。その結果、下キャップ４０は、回転することなくガイド２０内を降下（図１の矢印Ｄ方向に降下）する。

そのため、試験片６０の両端の把持部６０ｂ、６０ｃを、それぞれ、上キャップ３０及び下キャップ４０で把持した状態で、上キャップ３０−試験片６０−下キャップ４０をガイド２０内に挿入し、上キャップ３０を下方に押圧すると、試験片６０にねじり変形を加えることができる。また、下キャップ４０を支持する支持部材５０の弾性力を調整すると、試験片６０に対して、純粋なねじり変形だけでなく、圧縮変形させながらねじり変形させる複合的な変形を付与することができる。

本発明に係るねじり試験装置１０は、圧縮荷重の全部又は一部を容易にねじりモーメントに変換することができるので、汎用の圧縮試験装置にそのまま取り付けて使用することができる。また、各部材の寸法や材料を任意に選択することができるので、高強度の材料であっても評価することができる。

（実施例１）
［１． 数値解析］
図１及び図２に示すねじり試験装置１０を用いて試験片にねじり変形のみを加えた時の相当ひずみ及び応力三軸度を数値解析により求めた。試験片６０の変形部６０ａの直径は１０ｍｍとし、変形部６０ａの長さは２０ｍｍとした。
解析ソフトには、ＤＥＦＯＲＭ ３Ｄを用いた。試験片６０は、ＪＩＳ Ｓ４５Ｃからなる剛塑性体と仮定し、ねじり試験装置１０の構成要素は、支持部材５０を除き、剛体と仮定した。潤滑条件は固着とし、温度は常温（２０℃）とした。また、要素数は、２００００とした。

［２． 結果］
図４に、相当ひずみと応力三軸度との関係を示す。また、図５に、回転角度と相当ひずみとの関係を示す。
図４及び図５より、以下のことがわかる。
（１）図１及び図２に示すねじり試験装置１０を用いると、応力三軸度を０程度に保ちながらねじり試験を行うことができる。
（２）試験片６０の回転角度を測定することによって、相当ひずみを算出できる。

（実施例２）
［１． 試験方法］
棒材から試験片６０を切り出し、図１及び図２に示すねじり試験装置１０を用いてねじり試験を行った。
試験片６０の材料には、（１）ＪＩＳ Ｓ４５Ｃ、（２）ＪＩＳ Ｓ４５Ｃ ＳＡ材（ＪＩＳ Ｓ４５Ｃを球状化処理したもの）、及び、（３）ＪＩＳ Ｓ１０Ｃ、を用いた。また、棒材から、切り出し角度（棒材の長手方向と試験片６０の長手方向とのなす角）θの異なる種々の試験片を切り出し、これらを試験に供した。
ねじり試験は、試験片６０が割れるまで行い、割れ発生時の回転角度から相当ひずみ（破壊に至る相当ひずみ）を算出した。

［２． 結果］
図６に、ＪＩＳ Ｓ４５Ｃ及びＪＩＳ Ｓ４５Ｃ ＳＡ材から切り出した試験片の切り出し角度θと破壊に至る相当ひずみとの関係を示す。また、図７に、ＪＩＳ Ｓ１０Ｃから切り出した試験片の切り出し角度θと破壊に至る相当ひずみとの関係を示す。
図６及び図７より、以下のことがわかる。
（１）３種類の材料のいずれも、切り出し角度θの増加に伴って、破壊に至る相当ひずみの値が減少した。
（２）球状化処理を行うと、破壊に至る相当ひずみ量が大きくなった。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

本発明に係るねじり試験装置は、各種金属材料の特性評価に使用することができる。

１０ ねじり試験装置
２０ ガイド
２２ａ、２４ａ らせん状スロープ
２２ｂ 溝
３０ 上キャップ
３２ ピン
４０ 下キャップ
４２ 突起
５０ 支持部材

Claims (2)

1. 以下の構成を備えたねじり試験装置。
   （１）前記ねじり試験装置は、
   筒状のガイドと、
   前記ガイドに挿入された、試験片の上端の把持部を把持するための上キャップと、
   前記ガイドに挿入された、前記試験片の下端の把持部を把持するための下キャップと、
   前記ガイドに挿入された、前記下キャップを支持するための剛体又は弾性体からなる支持部材と
   を備え、
   前記上キャップは、回転しながら前記ガイド内を降下可能となるように前記ガイド内に挿入されており、
   前記下キャップは、回転することなく前記ガイド内を降下可能となるように前記ガイド内に挿入されている。
   （２）前記ガイドの先端には、回転対称となるように配置された、複数個のらせん状スロープが設けられ、
   前記上キャップの側面には、前記らせん状スロープに沿って摺動可能なピンが設けられている。
   （３）前記ガイドの内周面又は前記下キャップの外周面のいずれか一方には、突起が設けられ、
   他方には、前記突起を挿入することができ、かつ、前記下キャップを前記ガイドの軸方向に沿って降下させることが可能な溝が設けられている。
2. 前記ガイドの下端部を外側から拘束するためのダイをさらに備え、
   前記ガイドは、軸方向に沿って複数個に分割されている
   請求項１に記載のねじり試験装置。

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