JP2014238345A - 各種パイプの曲げ試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の試験装置をそのまま使用して、試験体に対して純粋に曲げのモーメントを作用させられる試験方法を提供すること。
【解決手段】
管状試験体の４点曲げ試験方法であって、荷重負荷点および支持点の４点をそれぞれ補強して、試験実施中の各点における管状試験体の潰れを防止したことを特徴とする、４点曲げ試験方法。
【選択図】図２

Description

本発明は各種材料の曲げに対する物性評価方法に係わり、特に中空試験体の４点曲げによる曲げ試験方法に関する。

一般に材料の力学的特性に関する評価方法は、日本工業規格などに定められている。例えば繊維強化プラスチックの曲げ試験方法は、ＪＩＳＫ７０１７やＪＩＳＫ７０７４等に定められている。この試験方法に用いられる試験片は、所定の大きさ（厚さ数ｍｍ〜数ｃｍ、幅数ｍｍ〜１ｃｍ、長さ６〜１０ｃｍ）の板状物であり、該試験片を２点で支持して、支点間の中心部の１点（３点曲げ試験）もしくは２点（４点曲げ試験）に荷重をかけ、たわんだ距離や破壊時の荷重を測定するというものである。

前記試験方法では、供試材料のバルクとしての評価が可能である反面、実際の使用形状や利用態様における物性を評価しているものではなかった。すなわちプラスチック素材は所定の形状に加工されて部品・部材として使用されるので、平板状、管状など様々な形態で用いられることになる。従って、試験片（バルク体）としての物性が、必ずしも製品に組み込んだ状態における機能を正確に評価しているとは限らなかった。

炭素繊維やガラス繊維などの補強繊維とエポキシ樹脂、その他の合成樹脂をマトリックス樹脂とする繊維強化プラスチック（以下ＦＲＰと省略する）は軽量、高強度、高弾性率という特性から各種の材料として使用され、ゴルフシャフトやつり竿から航空機の構造体として用いられている。実際の利用形態は、丸パイプや角パイプなどの管状体として利用されることが多く、成形後の部品としての形状そのままで評価したいという要望がある。

例えば、管状試験体の軸線と直交する方向へ直接荷重をかけることなく、引張荷重の付与にて管状試験体に曲げ応力を作用させることができる方法及び装置（特許文献１）、軽量、コンパクトな載荷治具が使用でき、試験体と載荷治具との芯出し及び溶接も容易で、運搬時等に試験体にねじれが発生することもなく、且つ試験体に純粋な曲げモーメントのみを付与させることが可能な曲げ試験装置（特許文献２）などである。

これらの試験装置においては管状試験体に対して純粋な曲げのモーメントを付与することができるので、製品の特性を正確に評価するという点で優れているが、従来の試験装置を所有しているものにとっては、新たに試験装置を導入する必要があり、コスト面での課題を有していた。

従来の曲げ試験装置により、管状試験体の曲げ特性を、前記ＪＩＳ規格に従って３点曲げあるいは４点曲げ試験により測定すると、通常は荷重がかかる部分において管が潰れる時の測定値が曲げに対する強度として得られることになる。しかし、純粋な曲げのモーメントを付与してその抵抗力を測定するということは、試験対象を支持する２点間の距離を直径とし、２点間の中間位置を中心とする半円の円弧上を、各支持点が接近するように曲げようとする時の抵抗力を測定しようとするものであり、３点または４点のいずれかの荷重負荷点において管が潰れるときの測定値とは実質的に異なるものである。

そこで、このような荷重負荷点または支持点での管状体の潰れを防止するために、従来の曲げ試験法の改良として、管状体の内部断面形状に合わせて金属製の棒を作製し、これを差し込んで補強するという試みもなされてきた。ただ、試験体毎に微妙に変わる断面形状に合わせて、補強材を機械加工により精度良く作製する必要があるために時間とコストがかかり、また如何に精度良く作製しても、補強材を管状体内に差し込むための僅かな隙間を必要とするので、加重負荷により隙間が広がって曲げ荷重負荷の状況が実際と異なるという課題があった。さらには、曲げ試験の後は、前記補強材の必要性がないのでこれが廃棄されてしまうという無駄も生じていたのである。

特開２００９−２９４１３６号公報 特開２０１１−２５７３５５号公報

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、従来の試験装置をそのまま使用して、試験体に対して純粋に曲げのモーメントを作用させられる試験方法を提供するものである。より具体的には、管状試験体に対する補強材を機械加工により作製するという高度な技術および設備を必要とせず、種々の断面形状にも容易に対応でき、試験後には補強材の再利用が可能であるという試験方法を提案することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明に係る管状試験体の４点曲げ試験方法は、以下の各工程を含むことを特徴とする。

（ａ）管状試験体の管内断面形状に合わせて第一の厚紙（厚さ１．２５〜２．０ｍｍ）を切り出し、内径３．５〜４．０ｍｍのパイプの外径に相当する大きさの貫通孔を、該第一の厚紙に形成する工程、
（ｂ）前記貫通孔に前記パイプを挿入し、パイプの一端に固定する工程、
（ｃ）前記パイプを固定した第一の厚紙を、第一の厚紙側から管状試験体内に挿入し、該管状試験体の４点曲げ試験に際して荷重が負荷される一方の位置に、第一の厚紙が配置するように固定する工程、
（ｄ）前記管状試験体を、パイプ挿入側を上方にして起立させ、溶融した低温溶融材料をパイプの周囲を埋めるように流し込み固化させる工程、
（ｅ）前記低温溶融材料が固化した後、別途（ａ）工程で準備した第二の厚紙の貫通孔を、前記パイプに挿入するとともに、第二の厚紙が、該管状試験体の４点曲げ試験に際して支持される一方の位置に第二の厚紙が配置するように固定する工程、
（ｆ）再び前記管状試験体を、パイプ挿入側を上方にして起立させ、溶融した低温溶融材料を第二の厚紙上にパイプの周囲を埋めるように流し込み固化させる工程、
（ｇ）前記（ａ）乃至（ｆ）を繰り返して、４点曲げ試験に際して荷重が負荷される他方の位置および支持される他方の位置に、低温溶融材料を固化させる工程、
（ｈ）前記（ｇ）工程の後、低温溶融材料が固化して補強された２カ所の位置で前記管状試験体を支持するとともに、低温溶融材料が固化して補強された他の２カ所に荷重を負荷して、４点曲げ試験を行う。

本発明により、管状試験体を対象とする４点曲げ試験において、試験体に加えられる応力のうち管を潰すような力は、補強材としての低温溶融材料が吸収するため、純粋に試験体の曲げ応力を測定することができる。

また、低温溶融材料は曲げ試験の後は、再度溶融させることで試験終了後に回収することができる。なお、パイプを挿入してその周囲に低温溶融材料を固化させるので、管状試験体内には密閉空間が形成されることがない。これにより、補強材は曲げ試験中における管状試験体の管の潰れを効果的に防止することに寄与し、試験体に対して余計な機械的強度は付与することがない。

本発明の試験方法は、従来の試験装置をそのまま使用して、試験体に対して純粋に曲げのモーメントを作用させられる。すなわち、管状試験体は曲げ試験の間に、荷重負荷点や支持点における管の潰れを起こすことなく試験ができるので、管状試験体の両端を支持した状態で、荷重負荷点により試験体全体に曲げのモーメントが作用して、曲げ応力が精度良く評価できるのである。

また、試験終了後の低温溶融材料は、湯煎等により容易に溶解するので非常に簡単に回収することができ、他の試験に再利用することが可能となる。

図１は、本発明の（ａ）〜（ｄ）工程後の管状試験体について、補強状態を示す断面図である。 図２は、本発明の（ａ）〜（ｆ）工程後の管状試験体について、補強状態を示す断面図である。 図３は、実施例１における試験時の状態を撮影した図である。 図４は、実施例１による４点曲げ試験後の状態を撮影した図である。 図５は、補強しない他は実施例１と同様の４点曲げ試験後の状態を撮影した図である。 図６は、実施例１における各試験体の荷重と変位の関係を示す図である。 図７は、実施例２による４点曲げ試験後の状態を撮影した図である。 図８は、実施例３による４点曲げ試験後の状態を撮影した図である。 図９は、実施例４による４点曲げ試験後の状態を撮影した図である。 図１０は、実施例５および比較例２の各試験体の荷重と変位の関係を示す図である。

本発明による４点曲げの試験方法は以下の各工程を含むものであり、各工程の内容について図面を参考にしつつ順次説明する。

まず、（ａ）工程として、管状試験体の管内断面形状に合わせて第一の厚紙（厚さ１．２５〜２．０ｍｍ）を切り出し、内径３．５〜４．０ｍｍのパイプの外径に相当する大きさの貫通孔を、該第一の厚紙に形成する。この工程で作成する第一の厚紙は、管状試験体の管内に低温溶融材料を充填する際に、これを所定の位置に滞留させるためのストッパーの役割を果たす。従って厚紙の外形は、管状試験体の管内を仕切るような形状とし、厚紙の周端面と管内壁面との間の摩擦力によって、厚紙が所定の位置にとどまることが好ましい。前記摩擦力が殆どない場合には、多少手間とはなるが、市販の接着剤などを流して、厚紙を接着する方法をとることも可能である。

第一の厚紙を切り出したあとは、その厚紙の中心部分に内径３．５〜４．０ｍｍのパイプの外径に相当する大きさの貫通孔を形成する。曲げ試験の際に、管状試験体に直接接触して応力が加えられる部位に対して、厚紙を仕切り板として低温溶融材料を流し込み補強材とするわけであるが、管内を外気と遮断した状態にすると、応力が加えられる部位の間が密閉状態となり、管状試験体には元々存在しなかった強度を新たに付加していることになるからである。そこで管状試験体の開口端は、管内で連通していることを保証するためにパイプを使用して、低温溶融材料で遮蔽されるのを防止するのである。

そして、（ｂ）工程では、前記貫通孔に前記パイプを挿入し、パイプの一端に第一の厚紙を固定する。当然、パイプの外径は、管状試験体の内径よりも小さいものであり、径の比率としては１／３以下、好ましくは１／５以下で１／１０以上の大きさである。

第一の厚紙に中空のパイプを接続することにより、低温溶融材料を流し込んで補強材としても、それが管状試験体の管内を遮蔽することはない。パイプの材質は、アルミ、プラスチックなどの公知の材料で形成されていれば良く、第一の厚紙に対して接着しやすい材質であればよい。また、第一の厚紙の接着位置は、必ずしもパイプの先端である必要はなく、パイプが第一の厚紙を突き抜けていても特に問題はない。但し、管状試験体には、それぞれの開口端より第一の厚紙付きのパイプを挿入するので、４点曲げ試験における荷重負荷点の位置にそれぞれの開口端より挿入した第一の厚紙が配置されたときに、第一の厚紙を突き抜けたパイプ同士が接触するような長さで突き抜けてはならない。

次に（ｃ）工程により、前記パイプを固定した第一の厚紙を、第一の厚紙側から管状試験体内に挿入し、該管状試験体の４点曲げ試験に際して荷重が負荷される一方の位置に、第一の厚紙が配置するように固定する。この工程では、荷重が負荷される２点のうちの一方に第一の厚紙が配置される。第一の厚紙は前記のように管状試験体内壁との摩擦力で固定されてもよく、接着剤等で固定されてもよい。また、次の（ｄ）工程に入る前に、４点曲げ試験において荷重が負荷される２点のうちの他方の位置にも、前記（ａ）、（ｂ）工程と同様にして準備した第一の厚紙を配置しておいても良い。

こうして第一の厚紙が配置された管状試験体を、（ｄ）工程では、パイプ挿入側を上に向けて起立させ、溶融した低温溶融材料をパイプの周囲を埋めるように流し込み固化させる。このとき低温溶融材料の厚みが厚くなりすぎないように注意する。あくまでも荷重が負荷されることに対して管状試験体が潰れてしまうことがないようにするために補強するのであり、管状試験体に対して余計な強度を付加しては、却って正確に強度評価ができないからである。従って、低温溶融材料の厚みは９〜１１ｍｍの範囲であることが好ましい。

前記低温溶融材料としては、Ｕ−アロイ７０（大阪アサヒ商事（株）；商品名）などの低温溶融金属があり、室温で固化し、約１００℃以下の温度で溶融するような金属であれば良い。このような低温溶融金属は、補強材として使用した後の回収も極めて容易であり好ましい。また、あくまで管状試験体の管の圧縮による潰れを防止することができれば良いので、例えばポリエチレンなどの樹脂材料を加熱溶融して用いても良いのである。

前記（ｄ）工程では、４点曲げ試験に際して荷重が負荷される２点に、低温溶融材料を流して補強材とする。従って、一方だけでなく他方にも第一の厚紙が配置されていれば、次の（ｅ）工程に入る前に、両方に低温溶融材料を流し込み硬化させておいても良い。

ここまでの工程を表したのが図１である。図１には、管状試験体（１）の長さ方向に対する断面図が示されている。左側よりの一点鎖線は試験体の長さ方向の中心線を示している。管状試験体の上側の三角形は４点曲げ試験に際して荷重が負荷される一方の位置（２）を、下側の三角形は４点曲げ試験に際して支持される一方の位置（３）を示したものである。管状試験体には向かって左側より第一の厚紙（４）を先端に固定したパイプ（５）が挿入され、厚紙の右側には低温溶融材料（U）が固化した状態となっている。このときパイプ（５）を通して厚紙から左側の空間と外気とは連通している。

４点曲げ試験で荷重が負荷される位置に補強をした後は、管状試験体を支持（保持）する位置に管が潰れないように補強する必要がある。荷重が負荷される位置のみの補強では充分とは言えず、支持する位置においても管が潰れることがあるからである。そこで、（ｅ）工程では、前記低温溶融材料が固化した後、別途（ａ）工程で準備した第二の厚紙の貫通孔を、前記パイプに挿入するとともに、第二の厚紙は、該管状試験体の４点曲げ試験に際して支持される２点のうちの少なくとも一方の位置に配置されるように固定する。厚紙の固定方法は、（ｃ）工程と同様に、管状試験体内壁との摩擦力であっても、別途接着剤を使用しても良い。

また、荷重負荷点である２点にそれぞれ低温溶融材料を流し込んで補強済みであれば、この（ｅ）工程で、支持される２点の位置にそれぞれ第二の厚紙を挿入して配置しても良い。なお、「第一の厚紙」「第二の厚紙」との表現は、４点曲げ試験において、管状試験体に対する２点の荷重負荷点に配置する厚紙を第一の厚紙、２点の支持点に配置する厚紙を第二の厚紙として表している。

第二の厚紙をセットした後は、（ｆ）工程として、再び管状試験体を、パイプ挿入側を上に向けて起立させ、溶融した低温溶融材料を第二の厚紙上にパイプの周囲を埋めるようにして流し込み固化させる。支持される２点ともに厚紙がセットされていれば、他方についても同様にして低温溶融材料を流し込み、試験中に管状試験体を支持（保持）する位置で管が潰れないように補強する。

上記の手順において、管状試験体の荷重負荷点および支持点の一方の側のみを先に補強した場合には、（ｇ）工程として、残りの荷重負荷点および支持点の補強のために前記（ａ）乃至（ｆ）工程を繰り返すこととなる。

ここまでの工程を表したのが図２である。図２には管状試験体（１）の一方の支持位置に第二の厚紙（６）を配置し右側に低温溶融材料（U）が固化した状態となっている。管状試験体の右半分が示されており、一点鎖線を対称軸としてその左側には図２と同様の配置で厚紙や低温溶融材料が配置されることとなる。

本発明では、管状試験体への荷重負荷あるいは支持の際に直接試験装置と接触する部位での管の潰れを防止することを目的としている。従って、上記以外の順にて２点の荷重負荷点および２点の支持点を補強することも可能である。例えば、一方の側の支持点を先に補強してから、同じ側の荷重負荷点を補強し、他方の荷重負荷点を補強して最後に同じく他方の側の支持点を補強するという順である。この場合、一方の側の支持点が補強されているので、同じ側の荷重負荷点の補強には、パイプを挿入していない側の管開口部から厚紙を挿入したり、低温溶融材料を流し込むことになる。その際には、管状試験体の開口部から補強部位までの距離が（ｃ）、（ｄ）工程に比較して相対的に長くなること、及び挿入されているパイプの開口部を低温溶融材料で塞ぐおそれもあるために、注意が必要である。

こうして準備が整った管状試験体を、（ｈ）工程として、補強されている２点の支持点で支持すると共に、補強された２点の荷重負荷点に荷重がかかるようにして、４点曲げ試験を行う。試験中は支持点や荷重負荷点で管の潰れが生じないので、曲げのモーメントに対する試験体の機械的な強度を正確に評価することができる。

材料そのものの評価ではなく、製品形状にしたときの曲げ試験を行う場合、特に中空の被験物に対しては、試験装置によって加えられる応力が中空の構造破壊に向けられて、曲げモーメントへの応力を正確に測定できないという課題があった。本発明の試験方法によって管の潰れを簡易的に防止するので、管状試験体であっても純粋に曲げに対する機械的な強度を評価することができる。
以下に、本発明の試験方法を適用した例についてさらに詳しく説明する。

外径３２．０７ｍｍ、内径３０．０６ｍｍの円管状試験体（Ａｌ−３０：アルミパイプＡ６０６３（押出型材））内壁の荷重負荷点および支持点に、厚紙（厚さ２．０ｍｍ）を取り付けたアルミ製のパイプ（外径６ｍｍ、内径４ｍｍ）を挿入し、図２に示すような補強を行った。このときの低温溶融材料は、Ｕ−アロイ７０（大阪アサヒ商事株式会社販売）を用い、充填量は、各荷重負荷点、支持点ごとに６３ｍｇ使用した。

補強後の試験体を、４点曲げ試験装置（Ｉｎｓｔｒｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製、万能試験機５９８５型）にセットし、荷重負荷速度３ｍｍ／ｍｉｎで曲げ試験を行った。その結果、最大荷重は４．０１ｋＮ、変位１１．２ｍｍ、曲げ応力は２７２ＭＰａ、せん断応力４１ＭＰａであった。

比較として補強をしないこと以外は同様の条件で４点曲げ試験を行ったところ、最大荷重２．２６ｋＮ、変位１２．７ｍｍ、曲げ応力１５６ＭＰａ、せん断応力２４ＭＰａであった。

試験時の状態を図３に、補強有りの試験体について試験後の状態を図４に、補強なしの試験体（比較例１）について試験後の状態を図５にそれぞれ示す。図から明らかなように、補強をしていない側の試験体では、荷重が負荷された位置で管が潰れており、曲げの応力を必ずしも評価しているものではないことが判る。一方、本発明により補強した試験体では、荷重負荷点間の中央部で曲げにより屈服座屈しており、曲げの応力に対して製品の形状での評価がされていることが判る。

この実施例において、本発明例と比較例１の荷重（Ｎ）と変位（ｍｍ）の関係を図６に示す。

管状試験体として、炭素繊維強化プラスチックの円管（外径２１．２６ｍｍ、内径２０．０６ｍｍ）を用い、実施例１と同様に荷重負荷点および支持点を補強した。同様にして４点曲げ試験を行った結果、最大荷重２．８４７ｋＮ、変位１３．２２ｍｍであった。このときの変形状態を図７に参考までに示す。

管状試験体として、炭素繊維強化プラスチックの角パイプ（内断面の縦１６．００ｍｍ、横２６．０２ｍｍで、肉厚２．４８ｍｍ）を用い、実施例１と同様に荷重負荷点および支持点を補強し、４点曲げ試験を行った結果、最大荷重９．８７ｋＮ、変位１１．００ｍｍであった。このときの変形状態を図８に参考までに示す。

管状試験体として、炭素繊維強化プラスチックの角パイプ（内断面の縦３４．４７ｍｍ、横４９．４５ｍｍで、肉厚２．６８ｍｍ）を用い、実施例１と同様に荷重負荷点および支持点を補強し、４点曲げ試験を行った結果、最大荷重３２．６１ｋＮ、変位９．３４ｍｍであった。このときの変形状態を図９に参考までに示す。

管状試験体として、アクリルパイプ（外径３８．０ｍｍ、内径３０．０ｍｍ）を用い、実施例１と同様に荷重負荷点および指示点を補強し、４点曲げ試験を行った。また同種の管状試験体を用いて補強なしの試験体（比較例２）に対して、同様に４点曲げの試験を行った。このときの本実施例５と比較例２の荷重（Ｎ）と変位（ｍｍ）の関係を図１０に示す。

以上説明したように、本発明の４点曲げ試験方法によれば、製品としての状態で曲げ試験を行うことができる。特に中空の被験体の場合に、外から加えられる力が直接作用する部位の変形を抑えつつ測定できるので、純粋の曲げのモーメントに対する評価が行える。

１・・・管状試験体
２・・・荷重負荷点
３・・・支持点
４・・・第一の厚紙
５・・・パイプ
６・・・第二の厚紙
Ｕ・・・低温溶融材料

Claims (3)

1. 管状試験体の４点曲げ試験方法であって、
   荷重負荷点および支持点の４点をそれぞれ補強して、試験実施中の各点における管状試験体の潰れを防止したことを特徴とする、４点曲げ試験方法。
2. 前記管状試験体の４点曲げ試験方法が、
   （ａ）管状試験体の管内断面形状に合わせて第一の厚紙（厚さ１．２５〜２．０ｍｍ）を切り出し、内径３．５〜４．０ｍｍのパイプの外径に相当する大きさの貫通孔を、該第一の厚紙に形成する工程、
   （ｂ）前記貫通孔に前記パイプを挿入し、パイプの一端に固定する工程、
   （ｃ）前記パイプを固定した第一の厚紙を、厚紙側から管状試験体内に挿入し、該管状試験体の４点曲げ試験に際して荷重が負荷される一方の位置に、第一の厚紙が配置するように固定する工程、
   （ｄ）前記管状試験体を、パイプ挿入側を上方にして起立させ、溶融した低温溶融材料をパイプの周囲を埋めるように流し込み固化させる工程、
   （ｅ）前記低温溶融材料が固化した後、別途（ａ）工程で準備した第二の厚紙の貫通孔を、前記パイプに挿入するとともに、第二の厚紙が、該管状試験体の４点曲げ試験に際して支持される一方の位置に第二の厚紙が配置するように固定する工程、
   （ｆ）再び前記管状試験体を、パイプ挿入側を上方にして起立させ、溶融した低温溶融材料を第二の厚紙上にパイプの周囲を埋めるように流し込み固化させる工程、
   （ｇ）前記（ａ）乃至（ｆ）を繰り返して、４点曲げ試験に際して荷重が負荷される他方の位置および支持される他方の位置に、低温溶融材料を固化させる工程、
   （ｈ）前記（ｇ）工程の後、低温溶融材料が固化して補強された２カ所の位置で前記管状試験体を支持するとともに、低温溶融材料が固化して補強された他の２カ所に荷重を負荷して、４点曲げ試験を行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記（ｇ）工程の代わりに、
   前記（ｄ）工程の後、（ａ）乃至（ｄ）工程を繰り返して、荷重が負荷される位置に、低温溶融材料を固化させる工程、
   前記（ｆ）工程の後、（ｅ）工程（ｆ）工程を繰り返して、支持される位置に、低温溶融材料を固化させる工程を行い、
   ４点曲げ試験を行うことを特徴とする請求項２に記載の方法。