JP2014020940A - 引張圧縮試験方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】板厚数ｍｍ程度の薄鋼板試験片の引張圧縮試験において、座屈変形および測定精度低下を生じることなく、作業性および経済性が良い方法および装置を提供する。
【解決手段】試験片１の試験部長さＬと試験部幅Ｗの関係をＬ/Ｗ≧４．０とし、試験部肩ＲをＲ≦２．０ｍｍとし、試験片１の側面に抵抗溶接にて接合した伸び計保持金具１１に伸び計２を弾性体１０で固定し、試験片１を其の厚さ方向両側から座屈防止治具７と座屈防止ベース治具３、４とで挟み、バネ９Ａで座屈に抵抗する力を発生させた状態下で、前記試験部に引張から圧縮へ、又は圧縮から引張への負荷繰り返し試験を施す。
【選択図】図１

Description

本発明は、引張圧縮試験方法および装置に関する。

引張圧縮試験は、金属材料の強度性能を評価するための試験である。具体的には所定の試験片形状に加工された金属材料に引張荷重を付与し、特定ひずみ量の引張変形を与えた後、一旦荷重を除荷し、そのまま圧縮荷重を付与して圧縮変形させる試験である。あるいは、圧縮変形を与えた後に引張変形を与える場合もある。
与える荷重が引張から圧縮に反転する場合に、引張変形時に達した応力値より低い応力で再降伏し塑性変形する現象が知られている。この現象はバウシンガー効果と呼ばれている。

近年、自動車用鋼板が高強度化されるにつれ、このバウシンガー効果の影響が重要視されるようになってきた。
例えば、高強度自動車用薄鋼板のプレス成形時に、スプリングバックと呼ばれる寸法精度不良が発生する。これはプレス成形により発生した残留応力を有する材料が金型から外される場合に弾性回復して形状が変化するものである。プレス成形中に材料は複雑な変形をうけ、引張変形と圧縮変形が素材に与えられるため、上記のバウシンガー効果が残留応力の大きさに影響することが知られている。

また、自動車の重要な性能である衝突安全性能にもバウシンガー効果の影響があることが知られている。車体は、その衝突時に自動車部品が塑性変形することで衝突エネルギーを吸収し乗員の安全を確保する構造となっているが、衝突による変形時に、材料には複雑な引張変形と圧縮変形が繰り返し発生する。この負荷応力の方向が反転する場合にバウシンガー効果により降伏応力が低下するため、結果的に衝突エネルギーに影響を与えることになる。

したがって、より精度の高いプレス成形や衝突特性の最適化を実現するためには、バウシンガー効果を含めた材料の特性を正確に把握する必要がある。
バウシンガー効果を評価する引張圧縮試験を薄鋼板（略して薄板）で実施する場合、圧縮時に材料が座屈変形を起こす問題がある。さらに試験対象材料の強度が高くて板厚が薄くなると座屈変形が更に発生しやすく、精度の高い試験が難しいという問題があり、従来から薄板での引張圧縮試験方法が検討されてきた。

特許文献１には、座屈を防止するため、応力試験中に試験片に対する応力負荷方向と試験片長手方向が常に一致するように少なくとも２本のガイド材が試験片に対する応力負荷方向に平行に設置された試験方法が提案されている。これにより、１．５％以上のひずみを付与しても引張圧縮試験が可能とされている。
特許文献２には、薄板の引張圧縮試験の際に試験片を保持する試験片保持装置が提案されている。これにより圧縮試験時に試験片が曲がることが防止され、精度の良い試験がなし得るとされ、座屈防止治具に設定された窓から試験片に発生するひずみが容易に測定されるとされている。

特許文献３には、二軸荷重負荷条件下であっても座屈を起こさず、試験片が破断しても負荷グリップが変形や損傷等の不具合を生じない試験装置および試験方法が提案されている。そこでは、比較的板厚の厚い試験片を取り扱い、試験部に均一な応力を与えることを目的として試験片形状の寸法が規定されている。

特開２００８−２４１５３０号公報 特開２００９−２５７８８５号公報 特開２０００−１８０３２２号公報

プレス成形や衝突変形において、鋼板に発生するひずみは５％以上の領域になる場合があり、バウシンガー効果の測定においてもこのような高いひずみ領域で測定するニーズがある。
しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載されるとおり、ひずみは最大でも５％未満であり、前記ニーズに応じて板厚１．０ｍｍ程度の薄鋼板の引張・圧縮変形を５％以上ものひずみを加えて高い精度で行うことは困難であった。

特許文献１および特許文献３で提案されている技術は、板厚が１０ｍｍ以上あるラインパイプ用の材料や構造用ステンレスおよびセラミックスを対象にした試験方法であるため、板厚が数ｍｍ以下と薄い自動車用の薄鋼板で実施する場合、容易に座屈変形が生じてしまう問題がある。
特許文献２に記載された技術は薄鋼板を対象にした試験方法であるが、座屈防止治具に設置された窓からのひずみ測定では、窓部に位置する試験体部分に座屈押さえがないため試験体の座屈を完全にゼロにすることは難しく、さらには座屈が懸念される部位でひずみを測定することから精度上問題がある。さらに、ひずみ測定手段として、ひずみゲージを用いるため、現状市販されているひずみゲージの最大限界ひずみである５％未満のひずみを超えると精度低下やゲージの剥離が問題を生じる。なお、ひずみゲージは繰り返しの引張ひずみと圧縮ひずみには対応しておらず、引張変形後の圧縮変形では測定される精度が保証されない問題がある。また、ひずみゲージは事前に試験体に接着する作業を伴うため、試験の作業効率が悪いという問題や、ひずみゲージは使い捨てであって経済性にも問題がある。

以上の様に、従来技術では、板厚数ｍｍ程度の薄鋼板試験片の引張圧縮試験において、圧縮ひずみが５％以上になると座屈変形或いは引張及び圧縮共に測定精度の低下を生じ易く、又、作業性や経済性が良くないと云う課題があった。

本発明は、前記課題を解決する為に成されたものであり、その要旨構成は以下の通りである。
（請求項１）
試験片（１）の試験部に引張から圧縮へと、圧縮から引張へとの何れかの負荷繰り返し試験を行う引張圧縮試験方法であって、
試験片（１）の試験部長さＬと試験部幅Ｗの関係をＬ/Ｗ≧４．０とし、試験部肩ＲをＲ≦２．０ｍｍとし、試験片（１）の側面に抵抗溶接にて接合した伸び計保持金具（１１）に伸び計（２）を弾性体（１０）で固定し、試験片（１）をその厚さ方向両側から座屈防止治具（７）と座屈防止ベース治具（３、４）とで挟み、バネ（９Ａ）で座屈に抵抗する力を発生させた状態下で、前記試験部に前記負荷繰り返し試験を施すことを特徴とする引張圧縮試験方法。
（請求項２）
試験片（１）の試験部に引張から圧縮へと、圧縮から引張へとの何れかの負荷繰り返し試験を行う引張圧縮試験装置であって、
試験片（１）の試験部長さ方向Ｌと試験部幅Ｗの関係をＬ/Ｗ≧４．０とし、試験部肩ＲをＲ≦２．０ｍｍとし、試験片（１）の側面に抵抗溶接にて接合した伸び計保持金具（１１）に伸び計（２）を弾性体（１０）で固定し、試験片（１）をその厚さ方向両側から座屈防止治具（７）と座屈防止ベース治具（３、４）とで挟み、バネ（９Ａ）で座屈に抵抗する力を発生させる構成とされた試験治具を、試験治具ベース（２００）のボールベアリング（３００）付きスライド軸（４００）によるスライド機構である高剛性スライド機構に組み込んでなることを特徴とする引張圧縮試験装置。

本発明によれば、形状を特定した試験片の側面部に弾性体で固定した伸び計により前記負荷繰り返し試験時のひずみを測定し、さらに圧縮時の座屈を防止する治具（座屈防止治具及び座屈防止ベース治具）を用いたから、高精度で前記負荷繰り返し試験時のひずみを計測することが可能となる。又、従来のひずみゲージ貼付に代えて伸び計を弾性体により固定するとしたから、作業性、経済性が向上する。

本発明の実施形態の一例として、(a)は試験片形状、(b)は試験治具を高剛性スライド機構に組み込んだ引張圧縮試験装置全体、(c)は伸び計の固定方法、(d)は(c)のＡ部拡大、(e)は試験治具の詳細を示す立体図である。 寸法を種々変えて引張試験した試験片の中央部ひずみλＣと、該λＣに対する側面部ひずみλＥの誤差Δλ（＝λＥ−λＣ）との関係の一例を示す線図である。 実施例１の試験で得た応力‐ひずみ履歴曲線を示す線図である。 実施例２の試験で得た応力‐ひずみ履歴曲線を示す線図である。

以下、図１を参照して、本発明の実施形態を説明する。
試験片１の側面部でひずみを計測する場合、任意の試験片形状を用いるとひずみが試験片幅方向で不均一になり、試験片の中央部とのひずみ値の誤差が懸念されるが、各種試験片形状で開発検討を行った結果、図１（ａ）に示す試験片形状において、試験部（平行部）長さＬと試験部幅Ｗの関係がＬ/Ｗ≧４．０であって、かつ、試験部肩ＲがＲ≦２．０ｍｍとなる試験片を用いることで中央部と側面部のひずみがほぼ等しくなる（誤差０．１５％以下となる）という知見を得た。
（開発検討実験の一例）
試験片サイズ（試験部の長さＬ，幅Ｗ，肩Ｒ）を例えば表１に示す各水準とした試験片にケガキ線を付して最大１４％までの引張変形を加え、ケガキ線間隔の変化から試験片の中央部ひずみλＣと、側面部ひずみλＥの差Δλ（＝λＥ−λＣ）との関係を求めた。すると、例えば図２に線図で示す様に、Δλは、Ｌ/Ｗ≧４．０およびＲ≦２．０ｍｍを満たす寸法範囲（便宜上、特定寸法範囲と云う）内であるＳ４およびＳ５では、λＣの増加に対し減少から増加に転じる極小点(該極小点におけるΔλ＝−０．１５％)（｜Δλ｜では最大値０．１５％である）を有する谷形状曲線を呈し、一方、前記特定寸法範囲外であるＳ１〜Ｓ３、Ｓ６、Ｓ７では、λＣの増加に対し単調減少曲線を呈することが分った。尚、表１には各水準における１４％引張時の最大誤差Δλｍａｘ（｜Δλ｜が最大を示すΔλの値）を記した。

上述の知見に基づき、本発明で用いる試験片を、Ｌ/Ｗ≧４．０且つＲ≦２．０ｍｍであるものに限定した。
斯かる試験片寸法限定により、ひずみゲージで測定していた従来で生じがちであった前記負荷繰り返し試験時の測定誤差を排除することができる。
それとともに、図１（ａ）（ｃ）（ｄ）の如く、試験片１の側面に抵抗溶接にて接合した伸び計保持金具１１に伸び計２を弾性体１０で固定することで作業効率が格段に向上した。伸び計２は繰り返し使用することができるため、試験毎に廃棄されるひずみゲージを用いていた従来の試験形態におけるような非経済性を解消することが可能となる。

伸び計２を固定するために試験片１側面には伸び計保持金具１１が必要になるが、抵抗溶接を用いることで簡便・強固に伸び計保持金具１１を試験片１に固定することが可能となる。伸び計２の計測部は試験片側面部に、伸び計保持金具１１で固定された弾性体１０の弾性力で、押し付けられて保持される。この弾性力により伸び計２の計測部が試験片１の側面部に対して試験中に滑ることなく固定されるため、精度の高いひずみ測定が可能である。

又、座屈防止の為に、図１(ｅ)の如く、上下に分割される座屈防止ベース治具３および４の凹部垂直平面に試験片１の一方の面を当接させ、該試験片１の他方の面に座屈防止治具７を当接させて、前記試験片１を座屈防止治具７と座屈防止ベース治具３および４との間に挟み込み、座屈防止治具７を座屈押さえ８および座屈押さえ力調整用バネ９Ａ付きボルト９で押さえる。斯かる構成とされた試験治具を用いることで板厚数ｍｍ程度以下の薄鋼板の引張圧縮試験でひずみが５％以上の圧縮時の座屈変形を極力抑えて試験する事が可能となる。

座屈押さえ力が試験片の引張方向の変形に影響することが懸念されるが、本発明では、座屈押さえ力は座屈押さえ力調整用バネ９Ａ付きボルト９で、座屈押さえ力の付与レベルを調整することが可能であり、座屈押さえ力の影響をできるだけ小さくして試験することが可能である。
また、座屈は試験片１を圧縮した際に発生しやすいが、試験片１の一方の面は座屈防止治具７の端部平面に常に当接され、試験片１の他方の面は座屈防止ベース治具３および４の凹部垂直平面に大半が当接し、かつ、圧縮時には座屈防止ベース治具３と４が近接するため、これらの隙間が僅かとなり、座屈を充分防止できるわけである。

さらに、本発明に係る引張圧縮試験装置は、前記試験治具（図１（ｅ）参照）を、図１（ｂ）の如く、試験治具ベース２００のボールベアリング３００付きスライド軸４００によるスライド機構である高剛性スライド機構に組み込んだ構造の装置とした。これにより、引張圧縮負荷方向の軸が試験中に偏心するのを防止でき、座屈変形のない安定した引張圧縮試験が可能となる。

（実施例１）
実施例１として、板厚１．６ｍｍ、ＴＳ（引張強度の略号である。以下同じ）＝５９０ＭＰａ級の薄鋼板から表１の水準Ｓ５の寸法に合わせて採取した試験片を用い、図１に示した通りの実施形態に従い、表２に示す各条件で引張圧縮（但し条件３は引張のみ）試験を行い、図３に示す処の、真応力と真ひずみの関係を表す応力‐ひずみ履歴曲線を得た。

図３に示される通り、条件１、条件２（何れも此処では本発明例である）、条件３（参考例である）とも、ひずみ及び応力は精度よく計測できた。
（実施例２）
実施例２として、板厚１．６ｍｍ、ＴＳ＝９８０ＭＰａ級の薄鋼板から表１の水準Ｓ５の寸法に合わせて採取した試験片を用い、図１に示した通りの実施形態に従い、表２に示す各条件で引張圧縮（但し条件３は引張のみ）試験を行い、図４に示す処の、真応力と真ひずみの関係を表す応力‐ひずみ履歴曲線を得た。

図４に示される通り、条件１、条件２（何れも此処では本発明例である）、条件３（参考例である）とも、ひずみ及び応力は精度よく計測できた。
尚、前記実施例１及び実施例２では、本発明例として引張・圧縮の負荷繰り返し試験の場合を示したが、これ以外の、圧縮・引張の負荷繰り返し試験の場合においても本発明を適用して同様の高精度のひずみ計測ができる事を確認済みである。
（従来例）
従来例として、前記伸び計の使用に代えてひずみゲージを試験片に貼って、図１のベース冶具３、４および座屈防止冶具７を付帯していない引張試験機を用いて実施例１及び実施例２と同様の条件の試験を試みたが、条件１では２回目の引張（ひずみ+１０％）負荷途上、条件２では１回目の引張（ひずみ+１０％）負荷途上、条件３では１回のみの引張（ひずみ+１５％）負荷途上で、何れもひずみゲージが壊れてひずみ計測ができなくなった。また、条件１では圧縮（ひずみ-５％）負荷時に試験片がたわんで、試験片長手（Ｌ）方向に正確に圧縮ひずみが加わらなかった。

１ 試験片
２ 伸び計
３、４ 座屈防止ベース治具
７ 座屈防止治具
８ 座屈押さえ
９Ａ バネ
９ バネ付きボルト
１０ 弾性体
１１ 伸び計保持金具
２００ 試験治具ベース
３００ ボールベアリング
４００ スライド軸

Claims (2)

1. 試験片（１）の試験部に引張から圧縮へと、圧縮から引張へとの何れかの負荷繰り返し試験を行う引張圧縮試験方法であって、
   試験片（１）の試験部長さＬと試験部幅Ｗの関係をＬ/Ｗ≧４．０とし、試験部肩ＲをＲ≦２．０ｍｍとし、試験片（１）の側面に抵抗溶接にて接合した伸び計保持金具（１１）に伸び計（２）を弾性体（１０）で固定し、試験片（１）をその厚さ方向両側から座屈防止治具（７）と座屈防止ベース治具（３、４）とで挟み、バネ（９Ａ）で座屈に抵抗する力を発生させた状態下で、前記試験部に前記負荷繰り返し試験を施すことを特徴とする引張圧縮試験方法。
2. 試験片（１）の試験部に引張から圧縮へと、圧縮から引張へとの何れかの負荷繰り返し試験を行う引張圧縮試験装置であって、
   試験片（１）の試験部長さ方向Ｌと試験部幅Ｗの関係をＬ/Ｗ≧４．０とし、試験部肩ＲをＲ≦２．０ｍｍとし、試験片（１）の側面に抵抗溶接にて接合した伸び計保持金具（１１）に伸び計（２）を弾性体（１０）で固定し、試験片（１）をその厚さ方向両側から座屈防止治具（７）と座屈防止ベース治具（３、４）とで挟み、バネ（９Ａ）で座屈に抵抗する力を発生させる構成とされた試験治具を、試験治具ベース（２００）のボールベアリング（３００）付きスライド軸（４００）によるスライド機構である高剛性スライド機構に組み込んでなることを特徴とする引張圧縮試験装置。
   

Images