JP2014085243A - 真応力測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】引張試験中、リアルタイムで絞り発生部位の断面積を測定可能とすることで、実際に供試体に加わる真応力をリアルタイムで測定可能にする。
【解決手段】引張試験中、供試体Ｔ_ａの絞り部Ｓを撮像装置２６で撮像する。撮像装置２６の反対側から照明ランプ２８で供試体Ｔａに逆光を当て、供試体Ｔａの輪郭を鮮明に浮揚させる。撮像した画像を画像処理装置３０で画像処理し、絞り部Ｓの断面積Ａ_ｒを求める。求めた断面積Ａ_ｒから供試体Ｔ_ａに付加されている真応力σ_ｒを算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、供試体の引張試験において、引張試験中に供試体に加わる真応力を測定可能にした測定方法及び測定装置に関する。

通常、引張試験における供試体の歪は、予め供試体に印された標点間の距離を、荷重付加前後で測定することで求められる。あるいは、供試体に歪ゲージを貼り付け、この歪ゲージから読み取るようにすることもできる。従来、応力（公称応力と称されるもの）は、ロードセル等の荷重計で測定した付加荷重を荷重付加前の断面積で除することで求められている。このように、荷重付加前の供試体の断面積を用いて応力を算出するため、引張試験中、供試体に発生した絞りによる断面積の変化を考慮していない。そのため、実際に供試体に加わる真応力を算出できていない。

図９は、真応力及び公称応力を模式的に示す応力−歪線図である。供試体に加わる応力σは、σ＝Ｐ（供試体に加わる荷重）／Ａ（供試体の断面積）から算出できる。公称応力σ_ｏは、付加荷重Ｐを荷重付加前の断面積Ａ_ｏで除するため、図中、曲線Ｙのようになる。一方、真応力σ_ｒは、付加荷重Ｐを供試体に発生した絞り部の断面積Ａ_ｒで除するため、曲線Ｘとなる。真応力を算出するためには、荷重付加中に絞り発生部位の断面積を測定する必要がある。しかし、引張試験中、マイクロメータ等を用いて測定する場合、荷重の付加を一時停止した上で、断面積を測定する必要があるため、試験時間が長くなると共に、リアルタイムの測定が困難である。

特許文献１には、破断前後の供試体を撮像し、撮像した画像を画像処理して破断前の供試体の直径と、破断後の破断面の直径とを求め、これらの値から絞り値を求める測定装置が開示されている。また、特許文献２には、供試体の破断面を撮像し、撮像した画像を画像処理して破断面の面積を算出し、破断面の面積と荷重付加前の供試体の断面積とから、供試体の絞り値を算出する材料試験機が開示されている。

特開昭６１−２２８３２９号公報 特開２００４−３２５４０３号公報

特許文献１及び特許文献２に開示された画像処理技術を用いれば、引張試験中、供試体に発生した絞りによる断面積の変化をリアルタイムに測定可能かとも考えられる。しかし、通常の方法では、供試体の輪郭を明瞭に撮像することは困難である。例えば、丸棒状の供試体では、外周面が円弧であるため、輪郭領域に影部が形成され、鮮明な輪郭を撮像できない。従って、引張試験中、真応力をリアルタイムに測定することは困難である。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、引張試験中、リアルタイムで絞り発生部位の断面積を測定可能とすることで、実際に供試体に加わる真応力をリアルタイムで測定可能にすることを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の真応力測定方法は、引張試験機で供試体に引張荷重を付加する過程において、撮像素子で該供試体の絞り発生部位を撮像する撮像ステップと、撮像ステップ中、撮像方向とは逆光となる方向から供試体に光を照射し、供試体の輪郭を浮揚させる逆光照射ステップと、撮像ステップで撮像した画像を画像処理し、供試体の絞り発生部の断面積を求める画像処理ステップと、供試体に付加した荷重、及び画像処理ステップで求めた絞り発生部位の断面積から、供試体に発生する真応力を算出する真応力算出ステップとからなるものである。

供試体の撮像中、撮像方向とは逆光となる方向から供試体に光を照射することで、供試体の輪郭を明瞭に浮かび上がらせることができる。また、撮像した供試体の画像を画像処理することで、引張試験中、リアルタイムで絞り発生部位の断面積を求めることができる。こうして求めた断面積から、真応力を算出することで、引張試験中に真応力をリアルタイムで算出できる。

本発明方法において、供試体の絞り発生部位の軸線方向長さが絞り発生部位の横断方向長さと同等以下であり、撮像素子の撮像範囲が絞り発生部位のみに限定されているとよい。このように、絞り発生部位の軸線方向長さを短縮し、撮像範囲を限定することで、画素を細かくでき、高解像度の撮影が可能となる。その結果、絞り発生部位の断面積の測定精度を向上できる。

前記本発明方法の実施に直接使用可能な本発明の真応力測定装置は、供試体を把持し供試体に引張荷重を付加する引張試験機と、引張試験機に把持された供試体に、撮像方向とは逆光となる方向から光を照射し、供試体の輪郭を浮揚させる光源と、引張試験機に把持された供試体の絞り発生部位を引張試験中に撮像する撮像素子と、撮像素子で撮像した画像を画像処理し、供試体の絞り発生部位の断面積を求める画像処理部と、供試体に付加した荷重、及び画像処理部で求めた絞り発生部位の断面積から、真応力を算出する真応力算出部とを有する画像処理装置とを備えているものである。

本発明装置では、供試体の撮像中、撮像方向とは逆光となる方向から供試体に光を照射することで、供試体の輪郭を明瞭に浮かび上がらせることができる。また、画像処理部で供試体の撮像を画像処理することで、引張試験中、リアルタイムで絞り発生部位の断面積を求めることができる。こうして求めた断面積から、真応力をリアルタイムで算出できる。

本発明装置において、撮像素子は、供試体の絞り度が異なる複数の方向に配置された複数の撮像素子で構成され、光源は、複数の撮像素子の撮像方向に対し逆光となる方向から夫々光を照射する複数の光源で構成され、複数の撮像素子で供試体の絞り発生部位を撮像すると共に、画像処理装置の画像処理部で、複数の撮像素子で撮像した複数の画像から、供試体の絞り発生部位の断面積を求めるようにするとよい。

供試体は、円形断面のものや板状のもの等、種々の形状を有する。そのため、撮像方向によって供試体の絞り度が異なるものもある。このような場合、一方向からの撮像のみでは、絞り発生部位の断面積を正確に測定できない。そのため、供試体の絞り度が異なる複数の方向に複数の撮像素子を配置し、各撮像素子で供試体の絞り発生部位を撮像することで、正確な断面積を測定できる。異なる方向から撮像した画像から絞り発生部位の断面積を求める方法は、様々な算出方法がある。例えば、撮像した画像毎に複数の断面積を求め、これら複数の断面積の平均値を算出し、該平均値を絞り発生部位の断面積とする手法や、複数の断面積に重み度を付けた後、平均値を算出する手法がある。

本発明装置において、撮像素子を２台設けると共に、撮像素子の撮像範囲を、供試体の絞り発生部位の中心軸線で左右に２分割され、夫々片側輪郭を含む２つの撮像範囲に分割し、これらの撮像範囲を２台の撮像素子に割り当てるようにするとよい。これによって、１台の撮像素子で撮像する場合より撮像範囲を半分にできる。そのため、画素を細かくでき、高解像度の撮影が可能となり、その結果、絞り発生部位の断面積の測定精度を向上できる。

本発明によれば、引張試験中、リアルタイムで絞り発生部位の断面積を測定可能となり、その結果、実際に供試体に加わる真応力をリアルタイムで測定できる。

本発明方法及び本発明装置の第１実施形態に係る引張試験機の正面図であり、（Ａ）は荷重付加前を示し、（Ｂ）は荷重付加後を示す。 前記引張試験機の平面図である。 前記引張試験機の画像処理装置を示すブロック線図である。 第１実施形態における絞り部の直径の変化を示す線図である。 （Ａ）は本発明方法の第２実施形態に係る供試体の正面図であり、（Ｂ）は従来の供試体の正面図である。 本発明装置の第２実施形態に係る引張試験機の平面図である。 本発明装置の第３実施形態に係る引張試験機の平面図である。 前記第３実施形態で用いる供試体の正面図である。 真応力及び公称応力に係る応力−歪線図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（実施形態１）
本発明方法及び本発明装置の第１実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１は、引張試験機１０Ａの概要図である。下クロスヘッド１２に２本の支柱１４、１４が立設され、支柱１４、１４間に上クロスヘッド１６が上下動可能に架設されている。上クロスヘッド１６の下面に、プルロッド２０が上クロスヘッド１６に取り付けられている。プルロッド２０にはロードセル等の荷重計２４が取り付けられ、プルロッド２０の下端に供試体Ｔ_ａを把持する上掴み具２２が取り付けられている。

下クロスヘッド１２に下掴み具１８が設けられ、供試体Ｔの上下両端を掴み具１８及び２２で把持した状態で、上クロスヘッド１６を駆動装置（図示省略）によって上昇させることで、供試体Ｔ_ａに引張荷重を付加する。本実施形態では、供試体Ｔ_ａは絞り発生部位Ｓ_０が円形断面をした丸棒形状に構成されている。図１（Ａ）は荷重付加前の状態を示し、図１（Ｂ）は荷重付加後の状態を示す。Ａ_ｏは荷重付加前の供試体Ｔ_ａの断面積を示し、Ａ_ｒは荷重付加後、供試体Ｔ_ａに発生した絞り部Ｓの断面積を示す。

図２は、引張試験機１０Ａの平面図である。供試体Ｔ_ａの絞り発生部位Ｓ_ｏを撮像対象として、供試体Ｔ_ａの正面側方に、例えば、デジタルカメラ、ビデオカメラ、又は高速カメラ等からなる撮像装置２６が配置されている。また、撮像装置２６に対して、供試体Ｔ_ａを挟んで反対位置に光源となる照明ランプ２８が配置されている。

かかる構成において、引張試験中、照明ランプ２８で供試体Ｔ_ａを照射した状態で、撮像装置２６により供試体Ｔ_ａの絞り発生部位Ｓ_ｏを撮像する。撮像方法は、例えば、１／１００〜１／４，０００秒等の微小間隔で、供試体Ｔ_ａが破断するまで連続的に撮像する。撮像中、照明ランプ２８から発する光が逆光となり、供試体Ｔ_ａとその周辺領域との明暗及び濃淡を際立たせることができる。そのため、絞り発生部位Ｓ_ｏの輪郭を鮮明に浮揚できる。

図３は、引張試験機１０Ａの画像処理装置３０を示す。撮像装置２６で撮影した画像は、画像処理装置３０に送られる。画像処理装置３０は、画像処理部３２と、真応力算出部３４と、表示部３６とを有し、例えば、ＣＰＵや表示画面を有するパソコンで構成される。画像処理部３２では、撮像装置２６で撮像した画像に対して、通常の画像処理、例えば、特定色素画像の抽出、濃淡画像処理、二値化画像処理、又はエッジ検出処理等を行う。画像処理された画像データは真応力算出部３４に送られる。真応力算出部３４では、この画像データから、供試体Ｔ_ａが破断するまでの間、発生した絞り部Ｓの断面積Ａ_ｒを連続的に求める。本実施形態では、供試体Ｔ_ａの絞り度が円周方向で同一であり、円形断面が絞り発生後も維持されると仮定している。

真応力算出部３４では、こうして求めた絞り部Ｓの断面積Ａ_ｒを用い、σ＝Ｐ／Ａの式から、真応力σ_ｒ＝Ｐ／Ａ_ｒを算出する。こうして算出した真応力σ_ｒを表示部３６にリアルタイムに表示する。図４に、引張試験中の、絞り部Ｓの直径の変化状況の一例を示す。

本実施形態によれば、供試体Ｔ_ａの撮像中、照明ランプ２８により撮像方向とは逆光となる方向から供試体Ｔ_ａに光を照射しているので、供試体Ｔ_ａの輪郭を鮮明に浮揚できる。そして、引張試験中に、供試体Ｔ_ａを連続的に撮像し、この画像を画像処理装置３０で画像処理し、荷重付加中に引張試験機１０Ａの動作を中断することなく、真応力σ_ｒをリアルタイムで算出できる。なお、図２に示すように、照明ランプ２８の逆光効果を増すため、必要とあれば、照明ランプ２８と供試体Ｔと間に、スクリーン３８を設けるようにしてもよい。

（実施形態２）
次に、本発明方法の第２実施形態を図５により説明する。本実施形態における装置構成は、前記第１実施形態と同一であり、第１実施形態との相違は、供試体Ｔ_ｂを用いたことにある。図５（Ａ）に示すように、供試体Ｔ_ｂは円形断面を有する形状をしているが、小径に形成された絞り発生部位Ｓ_ｏの軸方向長さは、絞り発生部位Ｓ_ｏの直径Ｄと同等に構成されている。また、撮像装置２６の撮像範囲Ｆは絞り発生部位Ｓ_ｏの軸線方向長さのみに限定されている。これによって、画素を細かくでき、高解像度の撮影が可能になる。その結果、絞り発生部位Ｓ_ｏの断面積Ａ_ｒの測定精度を向上できる。

図５（Ｂ）は、第１実施形態で用いた従来の供試体Ｔ_ａを示す。供試体Ｔ_ａは、絞り発生部位Ｓ_ｏの軸線方向長さが絞り発生部位Ｓ_ｏの直径Ｄよりずっと大きい。そのため、撮像範囲Ｆが大きくなり、画素を細かくできないので、撮像の解像度に限界がある。

（実施形態３）
次に、本発明装置の第２実施形態を図６により説明する。本実施形態で用いる供試体Ｔ_Ｃは、楕円形の断面を有している。そのため、供試体Ｔ_ｃの絞り発生部位Ｓ_ｏで長辺方向と短辺方向とでは絞り度が異なる可能性がある。そのため、本実施形態の引張試験機１０Ｂでは、２個の撮像装置４０及び４２を用いる。即ち、供試体Ｔ_ｃの長辺に正対する位置に撮像装置４０を配置し、供試体Ｔ_ｃの短辺に正対する位置に撮像装置４２を配置している。そして、供試体Ｔ_ｃを挟んで撮像装置４０の反対側に照明ランプ４４を配置し、照明ランプ４４から逆光を供試体Ｔ_ｃに照射する。また、供試体Ｔ_ｃを挟んで撮像装置４２の反対側に照明ランプ４６を配置し、照明ランプ４６から逆光を供試体Ｔ_ｃ照射するようにする。その他の構成は、第１実施形態と同一である。

撮像装置４０及び４２で撮像した画像は、画像処理装置３０の画像処理部３２に送られ、画像処理部３２で供試体Ｔ_ｃの長辺と短辺の長さを求める。画像処理部３２で求めた長辺と短辺の長さから、真応力算出部３４で供試体Ｔ_ｃの絞り部Ｓの断面積Ａ_ｒを算出し、算出した断面積Ａ_ｒから、供試体Ｔ_ｃに発生した真応力σ_ｒを算出する。

本実施形態によれば、撮像方向によって絞り度が異なるおそれがある供試体Ｔ_ｃに対して、絞り度が異なるおそれがある２方向から絞り部Ｓを撮像し、２方向から撮像した画像から断面積Ａ_ｒを算出するので、真応力σ_ｒを正確に算出できる。なお、本実施形態は、楕円形断面を有する供試体のほか、例えば、長辺と短辺を有する長方形断面を有する供試体にも好適である。

（実施形態４）
次に、本発明装置の第３実施形態を図７及び図８により説明する。図７に示すように、本実施形態の引張試験機１０Ｃでは、２台の撮像装置５０及び５２が隣接配置され、撮像素子５０及び５２は、同一方向から供試体Ｔ_ｂを撮像する。撮像素子５０及び５２の撮像範囲Ｆ_ａ及びＦ_ｂは、絞り発生部位Ｓ_ｏの中心軸線Ｏから左右に分割されている。撮像範囲Ｆ_ａは、絞り発生部位Ｓ_ｏの右側輪郭５４ａを含み、撮像範囲Ｆ_ｂは、絞り発生部位Ｓ_ｏの左側輪郭５４ｂを含んでいる。なお、供試体Ｔ_ｂは図５に示す供試体Ｔ_ｂと同一構成を有している。その他の引張試験機１０Ｃの構成は、図１、２に示す第１実施形態と同一である。

本実施形態によれば、撮像装置５０及び５２の撮像範囲は、図１，２に示す撮像装置２６の半分となる。そのため、撮像装置２６より画素を細かくでき、高解像度の撮影が可能となり、その結果、絞り発生部位Ｓ_ｏの断面積Ａ_ｒの測定精度を向上できる。

本発明によれば、引張試験中、リアルタイムで絞り発生部位の断面積を測定可能であるため、実際に供試体に加わる真応力をリアルタイムで算出できる。

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 引張試験機
１２ 下クロスヘッド
１４ 支柱
１６ 上クロスヘッド
１８ 下掴み具
２０ プルロッド
２２ 上掴み具
２４ 荷重計
２６、４０，４２，５０，５２ 撮像装置
２８、４４，４６ 照明ランプ
３０ 画像処理装置
３２ 画像処理部
３４ 真応力算出部
３６ 表示部
３８ スクリーン
５４ａ 右側輪郭
５４ｂ 左側輪郭
Ａ_ｏ、Ａｒ 断面積
Ｆ、Ｆａ、Ｆｂ 撮像範囲
Ｏ 中心軸線
Ｓ 絞り部
Ｓ_ｏ
絞り発生部位
Ｔ_ａ、Ｔ_ｂ、Ｔ_ｃ 供試体
σ_ｏ
公称応力
σ_ｒ
真応力

Claims (5)

1. 引張試験機で供試体に引張荷重を付加する過程において、撮像素子で該供試体の絞り発生部位を撮像する撮像ステップと、
   前記撮像ステップ中、撮像方向とは逆光となる方向から前記供試体に光を照射し、該供試体の輪郭を浮揚させる逆光照射ステップと、
   前記撮像ステップで撮像した画像を画像処理し、該供試体の絞り発生部の断面積を求める画像処理ステップと、
   前記供試体に付加した荷重、及び前記画像処理ステップで求めた前記絞り発生部位の断面積から、該供試体に発生する真応力を算出する真応力算出ステップとからなることを特徴とする真応力測定方法。
2. 前記供試体の絞り発生部位の軸線方向長さが該絞り発生部位の横断方向長さと同等以下であり、
   前記撮像素子の撮像範囲が該絞り発生部位のみに限定されていることを特徴とする請求項１に記載の真応力測定方法。
3. 供試体を把持し該供試体に引張荷重を付加する引張試験機と、
   前記引張試験機に把持された前記供試体に、撮像方向とは逆光となる方向から光を照射し、該供試体の輪郭を浮揚させる光源と、
   前記引張試験機に把持された前記供試体の絞り発生部位を引張試験中に撮像する撮像素子と、
   前記撮像素子で撮像した画像を画像処理し、前記供試体の絞り発生部位の断面積を求める画像処理部と、前記供試体に付加した荷重、及び該画像処理部で求めた前記絞り発生部位の断面積から、真応力を算出する真応力算出部とを有する画像処理装置とを備えていることを特徴とする真応力測定装置。
4. 前記撮像素子は、前記供試体の絞り度が異なる複数の方向に配置された複数の撮像素子で構成され、
   前記光源は、前記複数の撮像素子の撮像方向に対し逆光となる方向から夫々光を照射する複数の光源で構成され、
   前記複数の撮像素子で前記供試体の絞り発生部位を撮像すると共に、前記画像処理装置の画像処理部で、前記複数の撮像素子で撮像した複数の画像から、前記供試体の絞り発生部位の断面積を求めることを特徴とする請求項３に記載の真応力測定装置。
5. 前記撮像素子が２台設けられ、
   前記撮像素子の撮像範囲が、前記供試体の絞り発生部位の中心軸線で左右に２分割され、夫々片側輪郭を含む２つの撮像範囲に分割され、
   該２つの撮像範囲を前記２台の撮像素子に割り当てるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の真応力測定装置。

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