JP2015087153A - 材料試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】 より正確に応力速度制御またはひずみ速度制御による材料試験を実行することが可能な材料試験機を提供する。【解決手段】 制御部４８は、試験力の変化量に基づいて、負荷機構の動作制御をイニシャル速度制御から応力速度制御に切り替えるための動作制御切替部６１を備える。この制御部４８は、圧力センサ３３、ストローク検出器３４、変位計１２、表示計４２、操作部４７およびタッチパネル４６と接続されている。また、この制御部４８は、油圧ユニット３８における電動サーボ弁３７および油圧ポンプ３６とも接続されている。【選択図】 図３

Description

この発明は、試験片に負荷を与える材料試験機に関する。

試験片に負荷を与える材料試験を実行する材料試験機は、例えば、負荷枠を構成する部材として、テーブルと、このテーブルに支柱を介して連結された上部クロスヘッドと、支柱に沿って昇降可能な下部クロスヘッドと、この下部クロスヘッドを昇降させる一対のネジ棹と、を備え、負荷機構として、テーブルと上部クロスヘッドとを同期して昇降させるラムシリンダを備える。

このような材料試験機において引張試験を行う場合には、上部クロスヘッドに配設された上つかみ具と下部クロスヘッドに配設された下つかみ具により試験片の両端を把持した状態で、ラムシリンダに油圧ユニットから作動油を供給することにより、下部クロスヘッドに対して上部クロスヘッドを上昇させて試験片に負荷を与える。一方、この材料試験機において圧縮試験を行う場合には、下部クロスヘッドとテーブルとの間に試験片を配置した状態で、ラムシリンダに油圧ユニットから作動油を供給することにより、下部クロスヘッドに対してテーブルを上昇させて試験片に負荷を与える。そして試験片に与えられた負荷は、荷重検出器により検出される。

ところで、このような材料試験機を使用した金属材料引張試験には、ＪＩＳ Ｚ ２２４１やＩＳＯ６８９２−１などの規格があり、これらの規格内には、試験速度についての規定がある。これらの規格における試験速度とは、応力速度やひずみ速度を指す。例えば、ＪＩＳ Ｚ ２２４１においては、弾性係数Ｅが１５００００ＭＰａ未満の材料に対する応力速度の上限は２０ＭＰａ／ｓ、また、下限は２ＭＰａ／ｓと規定されており、弾性係数Ｅが１５００００ＭＰａ以上の材料に対する応力速度の上限は３０ＭＰａ／ｓ、また、下限は３ＭＰａ／ｓと規定されている。従って、材料試験を行う場合には、ＪＩＳ等の規定により定められた範囲内で試験を行うために応力速度制御やひずみ速度制御を実行する必要がある。

しかしながら、試験片を無負荷状態から応力速度制御またはひずみ速度制御により試験を行う場合、試験の開始直後には、このような試験速度制御が正常に作動しない現象が生じていた。これは、引張試験の場合には、試験片の両端を把持する上つかみ具および下つかみ具に各々配設された一対のつかみ歯が試験片にくいこむまでの初期すべりが生じるためである。すなわち、引張試験において初期すべりが生じている状態では、試験片に試験荷重が伝わらずにひずみが発生しない。また、圧縮試験の場合には、圧盤と試験片との隙間によって試験荷重が伝わらずにひずみが発生しない状態となる。

このため、試験開始時は一定の速度で負荷機構を動作させ、ある程度、試験力が試験片に負荷されてから、応力速度制御またはひずみ速度制御に移行する手法が採用されている。例えば、特許文献１には、ラムシリンダ等の負荷機構のストローク検出信号により負荷機構をフィードバック制御し、荷重検出器または変位検出器の検出値が予め設定された値に達したときに、試験片が上つかみ具および下つかみ具により把持されたものとして、応力速度制御またはひずみ速度制御に切替える材料試験機の負荷制御装置が提案されている。

特開昭５９−１８０３４３号公報

特許文献１に記載された装置では、引張試験においてストローク制御から応力速度制御またはひずみ速度制御に切替えるときの切替判断基準として、固定の試験力値を予め設定している。しかしながら、つかみ歯などの試験治具を構成する部品が摩耗していると、荷重検出器が検出した試験力が設定されている制御切替点に到達しても、つかみ歯の試験片へのくいこみが不完全で、試験片とつかみ歯との間にすべりが生じている場合がある。このような状態で制御が切り替わっても、フィードバック制御による制御量が一時的に過大になり、制御が不安定化するという問題があった。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、より正確に応力速度制御またはひずみ速度制御による材料試験を実行することが可能な材料試験機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、負荷枠内に配置された試験片に対して試験力を付与する負荷機構を備える材料試験機において、前記負荷枠を構成する負荷部材のストロークを検出するストローク検出器と、前記試験片が受ける試験力を検出する試験力検出器と、前記試験片に発生した変位を測定するための変位測定器と、前記ストローク検出器により検出された検出値、前記試験力検出器により検出された検出値、前記変位測定器により検出された検出値のいずれかをフィードバックすることにより、前記負荷機構の動作をストローク制御、応力速度制御、変位速度制御のいずれかにより制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記負荷機構を一定の速度で動作、または、ストローク制御により動作させて試験を開始したときの、前記試験力検出器または前記変位測定器の検出値から求めた変化量に基づいて、前記負荷機構の動作制御を、応力速度制御または変位速度制御に切替える動作制御切替部を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記動作制御切替部は、前記試験力検出器が検出した試験力が、所定の時間、一定の変化量で増加したときに、前記負荷機構の動作制御を応力速度制御に切替える。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記動作制御切替部は、前記変位測定器が検出した変位が、所定の時間、一定の変化量で増加したときに、前記負荷機構の動作制御を変位速度制御に切替える。

請求項４に記載の発明は、請求項１または請求項３に記載の発明において、前記変位測定器は、前記試験片に生じるひずみを接触式で計測する伸び計である。

請求項１から請求項４に記載の発明によれば、負荷機構を一定の速度で動作、または、ストローク制御により動作させて試験を開始したときの、試験力検出器または変位測定器の検出値から求めた変化量に基づいて、負荷機構の動作制御を、応力速度制御または変位速度制御に切替える動作制御切替部を備えることにより、負荷枠内での試験片の固定状態が安定しているか否かが自動的に判断されることから、負荷枠内で試験片の固定状態が安定化したことが確認された上で、応力速度制御または変位速度制御による材料試験を行うことが可能となる。これにより、応力速度制御または変位速度制御による材料試験の正確性を向上させることができる。

この発明に係る材料試験機の概要図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 この発明に係る材料試験機の制御系を示すブロック図である。 この発明に係る材料試験機における負荷機構の動作制御の切替え手順を示すフローチャートである。 この発明に係る材料試験機における負荷機構の動作制御の切替え手順を示すフローチャートである。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１はこの発明に係る材料試験機の概要図であり、図２はそのＡ−Ａ断面図である。

この材料試験機は、テーブル２１と、このテーブル２１に一対の支柱２２を介して連結された上部クロスヘッド２４と、テーブル２１と上部クロスヘッド２４とを同期して昇降させるラムシリンダ２５と、一対の支柱２２に沿って昇降可能な下部クロスヘッド２６と、この下部クロスヘッド２６の両端に設けられた図示しないナットと螺合する一対のネジ棹２３と、一対のネジ棹２３と図示しない駆動連結機構を介して連結され、一対のネジ棹２３を互いに同期して回転させるモータ２７とを備える。

上部クロスヘッド２４には上つかみ具３１が付設されており、下部クロスヘッド２６には下つかみ具３２が付設されている。引張試験がなされる試験片１０は、これらの上つかみ具３１および下つかみ具３２によりその両端を把持され、負荷枠内に固定される。また、下部クロスヘッド２６には圧盤２８が付設されており、圧縮試験がなされる試験片１１は、下部クロスヘッド２６とテーブル２１の間に配置され、この圧盤２８とテーブル２１とによりその上下端部を押圧される。

ラムシリンダ２５は、シリンダ室２５ａに作動油を供給することによりラム２５ｂが移動する構成を有する。そして、ラム２５ｂが移動することにより、テーブル２１、一対の支柱２２および上部クロスヘッド２４が同期して上昇する。このテーブル２１および上部クロスヘッド２４の上昇により、引張試験を行うときには上つかみ具３１および下つかみ具３２によりその両端を把持された試験片１０に引張荷重が付与され、圧縮試験を行うときには圧盤２８とテーブル２１との間に配置された試験片１１に圧縮荷重が付与される。このラムシリンダ２５は、油圧ユニット３８から作動油の供給を受けることにより動作する。

このように、引張試験においては、一対の支柱２２と、上部クロスヘッド２４と、下部クロスヘッド２６により負荷枠が構成され、圧縮試験においては、一対の支柱２２と、下部クロスヘッド２６とテーブル２１により負荷枠が構成される。

この材料試験機は、試験力等の計測およびこの材料試験機全体の動作を制御する計測制御装置４０を備える。この計測制御装置４０は、制御部４８と、試験片１０、１１に与えられた試験力を表示する表示計４２と、制御部４８に接続されたスイッチ群からなる操作部４７を備える。

操作部４７には、油圧ユニット３８に配設された油圧ポンプ３６の始動と停止、材料試験の開始と停止、表示計４２における試験力の表示範囲変更等の各動作に対応した複数のスイッチが配設されている。

この材料試験機により引張試験または圧縮試験を行ったときの試験力は、試験力検出器としての圧力センサ３３により測定される。すなわち、この圧力センサ３３により測定された圧力値は、計測制御装置４０の制御部４８に送信され試験力に変換され、必要に応じ入力表示装置として機能するタッチパネル４６および表示計４２に表示される。なお、試験治具を上部クロスヘッド２４や下部クロスヘッド２６にジョイントを介して配設する場合には、試験力検出器としてのロードセルをジョイント部分に介装して試験力を検出するようにしてもよい。

また、このときのテーブル２１および上部クロスヘッド２４の移動量は、ストローク検出器３４により検出される。すなわち、このストローク検出器３４は、ラムシリン２５のストロークとしてテーブル２１の移動量を検出する。このストローク検出器３４の検出値は、制御部４８に送信され、必要に応じタッチパネル４６に表示される。なお、負荷機構のストロークを検出する手法としては、例えば、油圧シリンダのシリンダロッドの移動量を計測してもよく、試験中に試験片１０の変形に伴って移動する上部クロスヘッド２４などの負荷部材の移動量を計測するようにしてもよい。

さらに、引張試験を行ったときの試験片１０における標点間の距離の変位を測定する変位計１２が付設されている。この変位計測器としての変位計１２はストレーンゲージを備え、接触式で試験片１０に配設することによりひずみ計測を行うことが可能な伸び計である。この変位計１２の検出値も、制御部４８に送信される。

図３は、この発明に係る材料試験機の制御系を示すブロック図である。

制御部４８は、記憶装置としてのＲＡＭ、ＲＯＭおよび演算装置としてのＣＰＵにより後述する各種機能を実現するものである。制御部４８は、後述する負荷機構の動作制御を切替えるための各種の動作を実行するための機能的構成として、動作制御切替部６１を備える。この制御部４８は、上述した圧力センサ３３、ストローク検出器３４、変位計１２、表示計４２、操作部４７およびタッチパネル４６と接続されている。また、この制御部４８は、上述した油圧ユニット３８における電動サーボ弁３７および油圧ポンプ３６とも接続されている。

図４および図５は、この発明に係る材料試験機における負荷機構の動作制御の切替え手順を示すフローチャートである。

この発明に係る材料試験機においては、ＪＩＳ Ｚ ２２４１（金属材料引張試験方法）などの試験規格において、材料への負荷方法として、応力速度制御方式、ひずみ速度制御方式のいずれかを選択して試験を行うことが可能である。なお、ひずみ速度は、伸び計を用いて単位時間当たりの試験片１０の標点間距離の変位をもとに求められるひずみ増加分である。したがって、ひずみ速度制御は、この発明の変位速度制御の一態様である。

また、この材料試験機では、上つかみ具３１と下つかみ具３２とに試験片１０を把持させて引張試験を開始してから、応力速度制御またはひずみ速度制御を行うまでに、一定のストローク速度で負荷機構を動作させる開ループ制御を行っている。なお、このとき、ストローク検出器３４の検出値をフィードバックする閉ループ制御を実行してもよい。

また、試験を開始してから応力速度制御またはひずみ速度制御を行うまでの開ループまたは閉ループによるストローク速度制御を、以下この明細書において、イニシャル速度制御と呼称する。

この材料試験機では、イニシャル速度制御から応力速度制御またはひずみ速度制御への切替えは、試験片１０が上つかみ具３１と下つかみ具３２により安定的に把持されたか否かの判断を経てから実行するようにしている。この試験片１０が上つかみ具３１と下つかみ具３２により安定的に把持されたか否かの判断には、金属材料のように変形が応力に比例する関係となる一定以上の弾性域が存在する材料では、一定のイニシャル速度で試験片１０に引張負荷を加えたときに、試験片１０と上つかみ具３１および下つかみ具３２のつかみ歯との間にすべりがなく、引張負荷が試験片１０に伝達されていれば、試験力の増加量がほぼ一定量となることを利用する。

まず、上つかみ具３１と下つかみ具３２とに試験片１０を把持させ、応力速度制御で試験を行うか、ひずみ速度制御で試験を行うかの試験モードの選択を、オペレータが操作部４７またはタッチパネル４６を利用して行う。このとき、応力速度制御が選択されると、制御部４８において応力増加速度が試験速度として設定される。また、ひずみ速度制御が選択された場合には、ひずみ増加速度が試験速度として設定される。

応力速度制御が選択された後、試験が実行されると、圧力センサ３３からの検出値が制御部４８に入力され、検出値から求められる試験力（Ａ）が制御部４８の記憶装置に取り込まれる（ステップＳ１）。そして、イニシャル速度での負荷機構の動作が開始する（ステップＳ２）。しかる後、所定の時間が経過するのを待って（ステップＳ３）、現在速度（現在の応力増加速度）と設定されている試験速度（設定されている応力増加速度）とを比較する（ステップＳ４）。なお、ステップＳ３での所定の時間は、試験力の変化量を算出するために設定するものであり、実際に制御切替が実行されるまでの時間より十分に短い時間が設定される。例えば、５０ｍｓ（ミリ秒）と設定すると、後述するステップＳ５１において利用される試験力の変化量が５０ｍｓの間の変化量として算出される。また、試験力（Ａ）は、図４に示すステップＳ１〜Ｓ６のループを繰り返すことにより書き換えられる。

現在速度が設定試験速度以上となっているときには、イニシャル速度制御から応力速度制御への制御切替が実行される（ステップＳ７）。一方、現在速度が設定試験速度より小さい場合には、さらに試験片１０の上つかみ具３１および下つかみ具３２による把持状態が、負荷機構の動作制御をイニシャル速度制御から応力速度制御へ切替えてもよい状態にあるか否かの判定を行う（ステップＳ５）。

制御切替判定は、図５に示す手順により実行される。まず、試験力変化量平均（Ｂ）を算出する（ステップＳ５１）。上述したように、ステップＳ３での所定の時間は実際に制御切替が実行されるまでの時間より十分に短い時間であり、イニシャル速度制御から応力速度制御への制御切替が実行されるまで、ステップＳ１〜Ｓ６のループが繰り返されることになる。したがって、ステップＳ５１では、それまでに所定の時間ごとに計算された試験力変化量の平均値（Ｂ）を算出するようにしている。

続いて、現在試験力から試験力（Ａ）を減算した値が０より大きいか否かを判断する（ステップＳ５２）。ここで、試験力（Ａ）は、上述したステップＳ１において記憶された試験力（Ａ）であり、ステップＳ３の所定の時間が経過する前の試験力（Ａ）である。すなわち、所定の時間が５０ｍｓであったとすると、試験力（Ａ）は現在から５０ｍｓ前の試験力である。また、試験力（Ａ）は、図４に示すステップＳ１〜Ｓ６のループを繰り返すことにより書き換えられることから、ステップＳ５２においては、現在試験力が所定の時間前の試験力より増加しているか否かを判断することになる。現在試験力が所定の時間前の試験力より増加していなければ、上つかみ具３１および下つかみ具３２による試験片１０の把持が不十分であるとして、負荷機構の動作制御をイニシャル速度制御から応力速度制御に切替えることはできないとの判定がされる（ステップＳ５６）。

一方、現在試験力が所定の時間前の試験力より増加していれば、次に、その試験力の増加が一定時間以上継続しているものであるか否かの判断が行われる（ステップＳ５３）。これは、試験片１０が上つかみ具３１および下つかみ具３２により完全に把持されていれば、試験力は与えられた引張負荷に応じて単調に増加する傾向にあるのに対し、試験片１０が上つかみ具３１および下つかみ具３２により完全に把持されておらず、試験片１０と上つかみ具３１および下つかみ具３２のつかみ歯との間にすべりが生じている場合には、試験力が変動し単調な増加傾向を示さないことに着目したものである。なお、ここでの一定時間は、試験力の増加傾向を検討するための所定の時間であって、上述したステップＳ３における所定の時間より長い時間であり、例えば、ステップＳ３における所定の時間を５０ｍｓに設定しているとすると、ステップＳ５３における一定時間には１〜２ｓ（秒）が設定される。

ステップＳ５３において試験力増加が一定時間以上継続していないと判断された場合には、負荷機構の動作制御をイニシャル速度制御から応力速度制御に切替えることはできないとの判定がされる（ステップＳ５６）。一方、試験力増加が一定時間以上継続していれば、次に、その試験力の増加量が一定しているか否かの判断が行われる（ステップＳ５４）。

ステップＳ５４では、現在試験力から試験力（Ａ）を除した値の絶対値、すなわち、所定の時間での試験力の変化量（増加量）が、ステップＳ５１で算出した試験力変化量平均（Ｂ）に０．８を乗算した値より大きく、試験力変化量平均（Ｂ）に１．２を乗算した値より小さい場合に、試験力の増加量がほぼ一定していると判断する。これは、一定以上の弾性域が存在する材料では、一定のイニシャル速度で試験片１０に引張負荷を加えたときに、試験片１０と上つかみ具３１および下つかみ具３２のつかみ歯との間にすべりがなければ、引張負荷が試験片１０に確実に伝達され、試験力の増加量がほぼ一定量となることに着目したものである。なお、この発明における変位測定器が検出した変位が一定の変化量で増加したときの一定とは、試験力の増加量が試験力変化量平均（Ｂ）の０．８倍より大きく１．２倍より小さい状態のことである。

しかる後、負荷機構の動作制御をイニシャル速度制御から応力速度制御に切替えることが可能であるとの判定がされる（ステップＳ５５）。なお、ステップＳ５４において試験力の変化量が一定でないと判断された場合には、負荷機構の動作制御をイニシャル速度制御から応力速度制御に切替えることはできないとの判定がされる（ステップＳ５６）。

再度図４を参照して、制御切替判定により制御切替可能（ＯＫ）と判定された場合には、制御を切替える判断がされ（ステップＳ６）、イニシャル速度制御から応力速度制御への切替えが実行される（ステップＳ７）。一方、制御切替判定により制御切替不可（ＮＧ）と判定された場合には、ステップＳ１〜Ｓ６を繰り返す。

なお、上述した例では、イニシャル速度制御から応力速度制御に切替える場合を説明したが、イニシャル速度制御からひずみ速度制御に切替える場合にも、同様の手順により制御切替を行う。すなわち、試験開始前に試験モードとしてひずみ速度制御を選択し、図４および図５における試験力をひずみに置き換えて、制御部４８に入力される変位計１２の検出値によりひずみの変化量を監視する。そうすることで、試験片１０が上つかみ具３１および下つかみ具３２により安定的に把持されたと判断できたタイミングで、イニシャル速度制御からひずみ速度制御に切替えて試験を実行することが可能となる。

また、上述した例では、引張試験の場合について説明したが、圧縮試験の場合にも、図４および図５を参照して説明した手順により、圧盤２８と試験片１１との間に隙間がなく、圧盤を介した圧縮負荷が試験片１１に伝わっていることを確認した上で、負荷機構の動作制御をイニシャル速度制御から応力速度制御またはひずみ速度制御に切替えることができる。

このように、この発明の材料試験機では、負荷枠内での試験片１０、１１の固定状態が安定しているか否かを、試験力またはひずみの変化量を監視することで判断していることから、試験片１０、１１に意図した試験負荷が加えられる前に、イニシャル速度制御から応力速度制御またはひずみ速度制御に切り替わることがなく、応力速度制御またはひずみ速度制御による試験を、より正確に実行することが可能となる。

１０ 試験片
１１ 試験片
１２ 変位計
２１ テーブル
２２ 支柱
２３ ネジ棹
２４ 上部クロスヘッド
２５ ラムシリンダ
２６ 下部クロスヘッド
３１ 上つかみ具
３２ 下つかみ具
３３ 圧力センサ
３４ ストローク検出器
３６ 油圧ポンプ
３７ 電動サーボ弁
３８ 油圧ユニット
４０ 計測制御装置
４２ 表示計
４６ タッチパネル
４７ 操作部
４８ 制御部
６１ 動作制御切替部

Claims (4)

1. 負荷枠内に配置された試験片に対して試験力を付与する負荷機構を備える材料試験機において、
   前記負荷枠を構成する負荷部材のストロークを検出するストローク検出器と、
   前記試験片が受ける試験力を検出する試験力検出器と、
   前記試験片に発生した変位を測定するための変位測定器と、
   前記ストローク検出器により検出された検出値、前記試験力検出器により検出された検出値、前記変位測定器により検出された検出値のいずれかをフィードバックすることにより、前記負荷機構の動作をストローク制御、応力速度制御、変位速度制御のいずれかにより制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記負荷機構を一定の速度で動作、または、ストローク制御により動作させて試験を開始したときの、前記試験力検出器または前記変位測定器の検出値から求めた変化量に基づいて、前記負荷機構の動作制御を、応力速度制御または変位速度制御に切替える動作制御切替部を備えることを特徴とする材料試験機。
2. 請求項１に記載の材料試験機において、
   前記動作制御切替部は、前記試験力検出器が検出した試験力が、所定の時間、一定の変化量で増加したときに、前記負荷機構の動作制御を応力速度制御に切替える材料試験機。
3. 請求項１に記載の材料試験機において、
   前記動作制御切替部は、前記変位測定器が検出した変位が、所定の時間、一定の変化量で増加したときに、前記負荷機構の動作制御を変位速度制御に切替える材料試験機。
4. 請求項１または請求項３に記載の材料試験機において、
   前記変位測定器は、前記試験片に生じるひずみを接触式で計測する伸び計である材料試験機。

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