JP2018048889A - 疲労試験方法及び疲労試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的小径の試験片の疲労強度を正確に評価する。
【解決手段】発振器から出力した電力により、超音波振動子に上下方向の振動を発振させ、その振動を、下端側に行くに従って細くなる柱体状のホーンで増幅して柱体状試験片に与え、疲労強度を評価する疲労試験方法において、ホーン下端部に、上端部外径がホーン下端部の外径と同等以下で、かつ、下端部外径が上端部よりも小径な柱体状に形成され、ホーンの振動と共振する補助ホーンを装着し、補助ホーンにより、ホーンで増幅した振動を疲労試験に必要な応力を試験片に発生させる振幅以上に増幅するとともに、試験片上端部に突設した試験片取付用の雄ねじ部を、補助ホーン下端部に設けた、雄ねじ部に適合する試験片取付用の雌ねじ孔に螺挿して、試験片を補助ホーンに取付け、試験片を補助ホーンの振動と共振させて、評価対象部位に最大応力を発生させ、かつ、評価対象部位の全長に必要な応力を発生させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属材料等の試験片に超音波振動を与えて疲労強度の試験を行う疲労試験方法及び疲労試験装置に関し、詳しくは、比較的小径の試験片の疲労試験に好適な疲労試験方法及び疲労試験装置に関する。

近年、金属材料の疲労強度を評価する疲労試験として、超音波を用いた疲労試験が広く用いられている。この疲労試験は、例えば、特許文献１に記載されているように、超音波の発生に必要な電力を供給する発振機と、発振機の出力を受けて超音波振動を発振する超音波振動子と、超音波振動子が発振する振動と共振して振動を増幅し、増幅した振動を略柱体状の試験片に与えるホーンとを備えた疲労試験装置を用いて、試験片をホーンの振動と共振させ、試験片の軸方向に、引張と圧縮の繰返し応力を発生させて疲労破壊を生じさせて疲労強度を評価する試験である。

通常、試験片として用いる標準試験片は、図６に示すように、試験片１０の軸方向の中間部に、疲労強度を評価する評価対象部位としての括れ部１０ａを設けた、いわゆる、サーキュラテーパ型（砂時計型）に形成されていて、括れ部１０ａに、最大応力を発生させる構造となっている。

試験片１０は、上端側に突設した雄ねじ部１０ｂを、ホーンの下端側に設けた雌ねじ孔に螺挿させることで、ホーンの下端側に連結されるが、標準試験片（外径Ｄ１：１０ｍｍ、括れ部の外径Ｄ２：３ｍｍ）は、雄ねじ部１０ｂが直径６ｍｍに設定されていて、現在、広く知られている一般的な疲労試験機においては、ホーンの雌ねじ孔が、雄ねじ部の径に適合する大きさの径に形成されている。

試験対象が、特定の金属材料又は金属製品等である場合、例えば、特定径の棒鋼や線材、又は、金属製品の一部分である場合、その金属材料等に切削等の加工を加えて試験片を成形するが、このとき、疲労試験を行いたい金属材料が、外径６ｍｍ未満の比較的小径の棒鋼や線材等である場合、又は、各種金属製品等において、疲労試験を行いたい部分が小さくて、６ｍｍの外径を取ることができない場合、直径６ｍｍの雄ねじ部を形成できないため、ホーンに取付けることができず、疲労試験を行なうことができない。

また、疲労試験を行う際、試験片において、疲労破壊を生じさせる括れ部の体積、即ち、評価体積が小さいと、括れ部の内部に存在して、内部破壊の起点となる介在物の量が小量となって、疲労破壊が生じ難くなるので、評価体積となる括れ部の体積を、十分に確保する必要がある。

そうすると、小径の試験片においては、括れ部の径が、他の部分の外径よりも細くなり、括れ部の体積、即ち、評価体積が小さくなってしまうので、何らかの方法でホーンに取付けることができたとしても、疲労によって破壊する確率が著しく低下してしまい、正確、かつ、迅速な疲労試験を行うことができない。

この問題を解消するため、図７（ａ）に示すように、括れ部の外径を可能な範囲で太くしたり、軸方向長さを長くしたりして、試験片の評価体積を大きくすることが考えられるが、そのように評価体積を増やした場合には、図７（ｂ）に示すように、評価体積部分に発生する最大応力が低下するので、疲労強度の正確な評価を行う疲労試験に必要な応力が得られない。したがって、小径の試験片については、単純に評価体積を大きくするだけでは、疲労強度を正確に評価することができない。

特開２００２−２４３６０４号公報

本発明は、従来、超音波疲労試験装置で疲労試験を行うことができなかった比較的小径の試験片の疲労強度を正確に評価することを課題とし、該課題を解決する疲労試験方法及び疲労試験装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決する手法につて鋭意検討した。その結果、ホーンの下端部に、ホーンの振動と共振しホーンで増幅した振動を、疲労試験に必要な応力を試験片に発生させる振幅以上に増幅する補助ホーンを取り付け、補助ホーンに試験片を取り付けて、試験片を補助ホーンの振動と共振させると、比較的小径の試験片の疲労強度を正確に評価できることを見いだした。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は次のとおりである。

（１）発振器から出力した電力により、超音波振動子に、上下方向の超音波振動を発振させ、その振動を、下端側に行くに従って細くなる柱体状のホーンによって増幅して、試験対象の柱体状の試験片に与え、試験片の疲労強度を評価する疲労試験方法であって、
上記ホーンの下端部に、上端部の外径が該ホーンの下端部の外径と同等以下で、かつ、下端部の外径が上端部よりも小径な柱体状に形成され、ホーンの振動と共振する補助ホーンを装着し、上記補助ホーンにより、ホーンで増幅した振動を、疲労試験に必要な応力を試験片に発生させる振幅以上に増幅するとともに、
試験片の上端部に突設した試験片取付用の雄ねじ部を、上記補助ホーンの下端部に設けた、該雄ねじ部に適合する試験片取付用の雌ねじ孔に螺挿して、試験片を補助ホーンに取付けて、試験片を補助ホーンの振動と共振させることにより、
試験片において、疲労強度の評価を行う評価対象部位に最大応力を発生させ、かつ、評価対象部位の全長に亘って、疲労試験に必要な応力を発生させる
ことを特徴とする疲労試験方法。

（２）前記試験片における軸方向の中間部に、上端部側及び下端部側よりも小径で、かつ、疲労強度を評価するのに必要な体積を有する評価対象部位としての括れ部を形成して、該括れ部の軸方向中央部に、最大応力を発生させることを特徴とする前記（１）に記載の疲労試験方法。

（３）前記補助ホーンの形状を、下端部側に行くに従って指数関数曲線をなすように湾曲する外周面の先細り形状とすることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の疲労試験方法。

（４）前記補助ホーンの形状を、下端部側に行くに従って次第に小径となる円錐台状、又は、下端側が段状に細くなる形状とすることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の疲労試験方法。

（５）超音波の発生に必要な電力を供給する超音波発振器と、該超音波発振器の出力を受けて超音波振動を上下方向に発振する超音波振動子と、下端側に行くに従って次第に細くなる柱体状に形成されて、上記超音波振動子が発振した振動を増幅するホーンとを有し、柱体状の試験片に振動を与え、該試験片の疲労強度を評価する疲労試験装置において、
上記ホーンの下端部に、上端部の外径が該ホーンの下端部の外径と同等以下で、かつ、下端部が上端部よりも小径な柱体状に形成され、ホーンの振動と共振して、該ホーンで増幅された振動を、上記試験片の疲労強度を評価する評価対象部位に最大応力を発生させるとともに、該評価対象部位の全長に亘って疲労試験に必要な応力を発生させる振幅以上に増幅する補助ホーンが装着され、
上記補助ホーンの下端部に、上記試験片の上端部に突設した試験片取付用の雄ねじ部を螺挿して、該試験片を取付けることができる試験片取付用の雌ねじ孔が形成されている
ことを特徴とする疲労試験装置。

（６）前記評価対象部位が、上端部側及び下端部側よりも小径で、かつ、疲労強度を評価するのに必要な体積を有し、前記評価対象部位の軸方向中央部に最大応力を発生させる括れ部を備えることを特徴とする前記（５）に記載の疲労試験装置。

本発明によれば、超音波疲労試験装置のホーンに、試験片取付用の雌ねじ孔を有する補助ホーンを取り付け、従来、直接、ホーンに取り付けることが難しかった小径の試験片の上端部に試験片取付用の雄ねじ部を突設して、該雄ねじ部を、補助ホーンの試験片取付用の雌ねじ孔に螺挿することにより、試験片を、補助ホーンを介してホーンに取り付けることができるので、小径の試験片でも、確実に疲労試験を行うことができる。

さらに、本発明によれば、補助ホーンは、上端部の外径が、ホーンの下端部の外径と同等以下で、かつ、下端部の外径が、上端部よりも小径の柱体状に形成されているので、ホーンによって増幅した超音波振動を、さらに、補助ホーンで増幅することができ、最終的に、超音波振動の振幅を、試験片の評価対象部位に疲労試験に必要な応力を発生させる振幅以上に増幅することができるので、試験片の評価対象部位の外径を太くしたり、又は、軸方向長さを長くしたりして、疲労強度の評価に必要な評価体積を増大しなくても、疲労破壊に必要な応力を発生させることが可能となり、従来、困難であった小径の試験片の疲労試験を確実に行うことができ、疲労強度を正確に評価することができる。

本発明の疲労試験装置の態様（左図）、及び、疲労試験装置の各位置での振幅及び応力（右図）を示す図である。 本発明の補助ホーンの一態様（上段部が左側、下端部が右側）を示す図である。 疲労試験の対象となる試験片（上段部が左側、下端部が右側）の態様を示す図である。 円錐台状の補助ホーンの態様（上段部が左側、下端部が右側）を示す図である。 下端側が段状に細くなる形状の補助ホーンの態様（上段部が左側、下端部が右側）を示す図である。 超音波疲労試験に用いる一般的な試験片の形状（上段部が左側、下端部が右側）を示す図である。 試験片の括れ部（Ｄ１：試験片の外径、Ｄ２：括れ部の外径、Ｌ：括れ部の軸方向長さ）の特性を示す図である。（ａ）は、試験片の括れ部の軸方向長さと評価体積との関係を示し、（ｂ）は、試験片の括れ部の軸方向長さと括れ部に発生する最大公称応力との関係を示す。

本発明の疲労試験方法（以下「本発明方法」ということがある。）は、
発振器から出力した電力により、超音波振動子に、上下方向の超音波振動を発振させ、その振動を、下端側に行くに従って細くなる柱体状のホーンによって増幅して、試験対象の柱体状の試験片に与え、試験片の疲労強度を評価する疲労試験方法であって、
上記ホーンの下端部に、上端部の外径が該ホーンの下端部の外径と同等以下で、かつ、下端部の外径が上端部よりも小径な柱体状に形成され、ホーンの振動と共振する補助ホーンを装着し、上記補助ホーンにより、ホーンで増幅した振動を、疲労試験に必要な応力を試験片に発生させる振幅以上に増幅するとともに、
試験片の上端部に突設した試験片取付用の雄ねじ部を、上記補助ホーンの下端部に設けた、該雄ねじ部に適合する試験片取付用の雌ねじ孔に螺挿して、試験片を補助ホーンに取付けて、試験片を補助ホーンの振動と共振させることにより、
試験片において、疲労強度の評価を行う評価対象部位に最大応力を発生させ、かつ、評価対象部位の全長に亘って、疲労試験に必要な応力を発生させる
ことを特徴とする。

本発明の疲労試験装置（以下「本発明装置」ということがある。）は、
超音波の発生に必要な電力を供給する超音波発振器と、該超音波発振器の出力を受けて超音波振動を上下方向に発振する超音波振動子と、下端側に行くに従って次第に細くなる柱体状に形成されて、上記超音波振動子が発振した振動を増幅するホーンとを有し、柱体状の試験片に振動を与え、該試験片の疲労強度を評価する疲労試験装置において、
上記ホーンの下端部に、上端部の外径が該ホーンの下端部の外径と同等以下で、かつ、下端部が上端部よりも小径な柱体状に形成され、ホーンの振動と共振して、該ホーンで増幅された振動を、上記試験片の疲労強度を評価する評価対象部位に最大応力を発生させるとともに、該評価対象部位の全長に亘って疲労試験に必要な応力を発生させる振幅以上に増幅する補助ホーンが装着され、
上記補助ホーンの下端部に、上記試験片の上端部に突設した試験片取付用の雄ねじ部を螺挿して、該試験片を取付けることができる試験片取付用の雌ねじ孔が形成されている
ことを特徴とする。

以下、本発明方法及び本発明装置について図面に基づいて説明する。

図１に、本発明の疲労試験装置の態様（左図）、及び、疲労試験装置の各位置での振幅及び応力（右図）を示す。図１に示す疲労試験装置は、外径が６ｍｍ未満、具体的には２．５〜５ｍｍ程度の試験片、即ち、標準的な試験片に比べ、比較的小径の試験片の疲労試験に適したものとなっている。

図１の左図に示す本発明装置は、超音波の発生に必要な電力を供給する超音波発振器１と、超音波発振器１の出力を受けて超音波振動を上下方向に発振する超音波振動子２と、超音波振動子２が発振した振動を増幅するホーン３とを有している。

ホーン３の下端部には、ホーン３によって増幅された振幅を、さらに増幅する補助ホーン４が装着され、補助ホーン４の下端部には、疲労試験の対象の試験片５が取り付けられている。ホーン３及び補助ホーン４を通じて試験片５に振動を加えることにより、試験片５に、軸方向の引張及び圧縮の繰り返し応力を発生させて、試験片５の疲労強度を評価する。

試験片５の下方には、試験片５の振幅を測定する変位計（図示なし）が設置されている。図１の右図（疲労試験装置の各位置での振幅及び応力を示す）において、実線及び一点鎖線は応力を、破線及び二点鎖線は振幅（変位）を表していて、図１の右図は、破線で表す振幅が生じている時には、実線で表す応力が発生し、一点鎖線で表す振幅が生じている時には、二点鎖線で表す応力が発生していることを示している。

超音波振動子２は、ランジュバン式のピエゾ素子を備えていて、超音波発振器１からの出力によって、上下方向に振動する超音波振動を発生させ、超音波振動は、超音波振動を増幅させるブースター２ａを介してホーン３に伝達される。例えば、超音波振動子２は、２０ｋＨｚの超音波振動を発振するように設定されている。

ホーン３は、超音波振動子２の下端部（実際には、ブースター２ａの下端部）に取付けられていて、断面が略円形状で、かつ、下端側に行くに従って次第に細くなる柱体状に形成されていて、超音波振動子２から発振された超音波振動に共振して、超音波振動を増幅する。例えば、ホーンは２０ｋＨｚで共振するように設定されている。

なお、超音波発振器１、超音波振動子２、及び、ホーン３は、周知の超音波疲労試験装置（例えば、特許文献１に記載、参照）の構成と略同じであるから、詳細な説明は省略する。

補助ホーン４は、上端部の外径がホーン３の下端部の外径と同等以下（図１は、同等の場合を示している。）で、かつ、下端部が上端部よりも小径な柱体状に形成されていて、ホーン３と同じ周波数特性に設定されているので、ホーン３の振動に共振する。

補助ホーン４がホーン３の振動と共振すると、ホーン３で増幅された振動がさらに増幅されるので、補助ホーン４は、最終的には、超音波振動を、試験片５の括れ部６（後述する）に疲労試験に必要な応力を発生させる振幅以上に増幅する。

疲労試験に必要な応力は、疲労試験の対象となる金属材料の用途等による要求特性（耐疲労性）に基づき、所定の負荷回数で破損しない（又は、疲労破壊する）応力を求める場合等、疲労試験の目的により適宜決定するものであるが、その必要な応力に基づいて補助ホーン４の振幅をどの程度の大きさにすればよいか、又は、ホーン３からの振動の振幅を補助ホーン４でどの程度増幅する必要があるか等が判断され、その結果に基づいて、補助ホーン４の最終的な形状が設定される。なお、補助ホーン４が振動を増幅する原理は、基本的に、ホーン３と同じである。

図２に、本発明の補助ホーンの一態様（上段部が左側、下端部が右側）を示す。補助ホーン４は、図２に示すように、下端部（右側）に行くに従って指数関数曲線をなすように湾曲する外周面を備える先細り状に形成され、断面が略円形状である（以下、「指数型」ということがある。）。指数型の補助ホーン４は、外周面がなだらかに細くなるので、補助ホーン内での最大応力を低く抑制できるという利点を有している。

指数型の補助ホーン４は、振動方程式が次式で表され、ホーン３と２０ｋＨｚで共振するように設定されている。

上記（１）式において、ｌは、補助ホーンの軸方向長さ、Ｓ１は、下端側（小径側）の断面積、Ｓ２は、上端側（大径側）の断面積、ωは、角振動数（ｒａｄ／ｓ）、ｃは、超音波振動の速度（ｍ／ｓ）である。

指数型の補助ホーン４においては、Ｓ１及びＳ２を設定し、ホーン３の振動の周波数と共振する長さｌを上記（１）式で決定すれば、指数関数の曲線に倣って外周面の軸方向の曲がり具合を算出することができる。

図２に示す補助ホーンの場合、下端側の直径が６ｍｍ、上端側の直径が１９ｍｍ、軸方向長さ１が３０．７１ｍｍに設定されており、外周面は、補助ホーンの径方向をｙ軸、軸方向をｘ軸とした場合、外周面は、ｙ＝３ｅｘｐ（８．８７２ｘ）で表される指数関数の曲線状をなすように形成されている。

指数型の補助ホーン４の増幅率Ｔは、下記（２）式で表される。下記（２）式において、Ｓ１は、下端側（小径側）の断面積、Ｓ２は、上端側（大径側）の断面積である。

上記（２）式により増幅率Ｔを決定すれば、試験片５の疲労試験に最低限必要とされる応力を発生させる振幅を得るために、超音波振動子２及びホーン３の振幅、さらに、超音波発振器１の出力を設定することができる。図２に示す補助ホーン４の場合、増幅率は約３．１７倍程度である。

図３に、疲労試験の対象となる試験片（上段部が左側、下端部が右側）の態様を示す。試験片５は、図３に示すように、軸方向の中間部に、上端部側及び下端部側の外径よりも小径の括れ部６が形成された、サーキュラテーパ型（砂時計型）の形状の試験片である。括れ部６の中央を中心に上下対称であり、上端部には、補助ホーン４への取付けに供する試験片取付用の雄ねじ部５ａ（後述する）が突設されている。

試験片５は、ホーン３及び補助ホーン４と同じ周波数特性を有していて、ホーン３及び補助ホーン４の振動と同じ周波数で共振する。

括れ部６は、疲労強度の評価を行う評価対象部位となる部分を含んでいる。補助ホーン４の振動と共振すると（図１、参照）、括れ部のほぼ中央に、補助ホーン４によって増幅された振動の節が位置し、この部分に、最大応力が発生する。試験片５は、下記（３）式の振動方程式に従って、補助ホーン４と２０ｋＨｚで共振するように設計されている。

上記（３）式において、Ｄ１は、外径（ｍｍ）、Ｄ２は、括れ部の外径（ｍｍ）、Ｌは、括れ部の軸方向長さ（ｍｍ）、ｌは、試験片の端部から括れ部の一番近い端部までの軸方向長さ（ｍｍ）、ρは、密度（ｋｇ／ｍ³）、Ｅは、ヤング率（Ｎ／ｍ²）、ωは、角振動数（ｒａｄ／ｓ）、ｃは、超音波振動の速度（ｍ／ｓ）である。

試験片５は、外径、括れ部の径、及び、括れ部の軸方向長さを設定することにより、上記（３）式から、試験片の端部から括れ部の端までの軸方向長さｌを決定することができれば、試験片全体の形状を決定することができる。

試験片５の括れ部６は、疲労強度を評価するために必要な体積（評価対象部位の体積）、即ち、評価体積Ｖを有しており、評価体積Ｖは下記（４）式で算出される。

上記（４）式において、Ｄ１は、外径（ｍｍ）、Ｄ２は、括れ部の外径（ｍｍ）、Ｌは、括れ部の軸方向長さ（ｍｍ）である。

サーキュラテーパ型の試験片の疲労破壊は、多くの場合、発生する最大応力の約９０％以上の大きさの応力が発生する範囲で生じることが既に知られている。したがって、評価体積を決定する際には、最大応力の約９０％以上の大きさの応力が発生する範囲（評価対象部位）が括れ部内に位置するように、括れ部の外径や、軸方向長さを設定する必要がある。

小径の試験片の場合、括れ部の外径は変更する余地が少ないことから、多くの場合、括れ部の軸方向長さを長くすることで、評価体積を大きくすることになる。

評価体積の大きさは、できるだけ大きい方が望ましいが、実際は、括れ部に発生させることができる最大応力の大きさ、即ち、ホーン３や補助ホーン４によって増幅できる超音波振動の振幅との関係で決定され、括れ部６に最大応力の約９０％以上の大きさの応力が発生する範囲内で設定される。

試験片５の括れ部６に発生する最大応力（最大公称応力）Ｓは、下記（５）式で表される。

上記（５）式において、ａは、試験片の下端部での振幅（変位：ｍ）、Ｅは、ヤング率（Ｎ／ｍ²）であり、β及びｂは、上記（３）式におけるβ及びｂである。

最大応力は、変位計で測定した、試験片５の下端部の変位量を、上記（５）式に代入して算出することができる。上記（５）式から解るように、最大応力は振幅に比例するから、上記（５）式で算出する最大応力が、括れ部６を疲労試験するのに必要な応力以上となるよう、試験片５に与える振動の振幅を、補助ホーンで増幅する。

図３に示す試験片５は、外径が５ｍｍ、括れ部の外径が３ｍｍ、括れ部の軸方向長さが６０ｍｍに設定されている。評価体積は１２８ｍｍ³で、標準試験片の評価体積の約４倍程度の体積であり、補助ホーン４の使用により、約１６７４ＭＰａ程度の最大応力が発生する。

補助ホーン４は、補助ホーン４の上端部に突設した補助ホーン取付用の雄ねじ部４ａが、ホーン３の下端部に設けた補助ホーン取付用の雌ねじ孔（図示なし）に螺挿されることにより、ホーン３に連結、装着されている。

ホーン３には、通常、上端部に直径６ｍｍの雄ねじ部を突設し標準試験片が取付けられるので、標準試験片の雄ねじ部を螺挿する直径６ｍｍの雌ねじ孔が下端部に形成されている。それ故、ホーン３へ補助ホーン４を装着する際には、補助ホーン４の雄ねじ部４ａの直径は６ｍｍとし、ホーン３の雌ねじ孔を、補助ホーン取付用として、そのまま利用するのが好ましい。

試験片５は、試験片５の上端部に突設した試験片取付用の雄ねじ部５ａが、補助ホーン４の下端部に設けた試験片取付用の雌ねじ孔４ｂに螺挿して、補助ホーン４に連結されて、補助ホーン４に取付けられる。

補助ホーン４の試験片取付用の雌ねじ孔４ｂは、試験片５の雄ねじ部５ａと適合する大きさに形成されている。疲労試験の対象が、外径２．５〜５ｍｍの試験片の場合、試験片取付用の雄ねじ部５ａの外径は２ｍｍに設定され、試験片取付用の雌ねじ孔４ｂも直径２ｍｍに設定されている。

試験片５の雄ねじ部５ａの外径が６ｍｍ未満で、ホーン３の雌ねじ孔に螺挿できず、試験片５を、直接、ホーン３に取付けられない場合、補助ホーン４がアタッチメントとして機能して、試験片５を、間接的にホーン３に装着することができ、標準試験片よりも小径の試験片でも、疲労試験を行うことが可能となる。

なお、図１に示すように、補助ホーン４とホーン３の連結部分、及び、補助ホーン４と試験片５の連結部分は、いずれも、振動の振幅の腹に当たり、振幅自体は大きいものの、発生する応力は略０となるので、これらの連結部分において、疲労破壊は生じ難い。

図１に示す疲労試験装置で疲労試験を行う際には、ホーン３の下端部に共振する補助ホーン４を装着するとともに、試験片５の試験片取付用の雄ねじ部５ａを、補助ホーン４の下端部に設けた、該雄ねじ部５ａに適合する試験片取付用の雌ねじ孔４ｂに螺挿して、試験片５を補助ホーン４に取り付け、その後、超音波振動子２を振動させて、２０ｋＨｚの超音波振動を発振し、ホーン３、補助ホーン４、及び、試験片５を、２０ｋＨｚで共振させる。

このとき、超音波振動子２からの振動をホーン３によって増幅し、さらに、ホーン３の振動を、補助ホーン４によって、ホーン３で増幅された振動の振幅よりも増幅する。最終的に、超音波振動の振幅を、補助ホーン４によって、疲労試験に必要な応力を発生させる振幅以上に増幅し、補助ホーン４の振動と共振させた試験片５の括れ部６に、疲労試験に必要な応力を発生させる。この発生した応力により、試験片５の疲労強度を評価することができる。

このように、試験片５を、試験片５の試験片取付用の雄ねじ部５ａに適合する試験片取付用の雌ねじ孔４ｂを有する補助ホーン４に取付けることにより、試験片５は、補助ホーン４を介してホーン３に取付けられるので、従来、超音波疲労試験装置のホーンに、直接取付けることが難しかった小径の試験片でも、確実に疲労試験を行うことができる。

さらに、補助ホーン４により、超音波振動の振幅が疲労試験に必要な応力を発生させる振幅以上に増幅することができるので、評価対象部位の括れ部６の評価体積を増大しても、括れ部６に、疲労試験に必要な応力を発生させることが可能となる。したがって、従来きわめて困難であった、小径の試験片の疲労試験を確実に行うことができ、小径の試験片の疲労強度を正確に評価することができる。

補助ホーンは、指数型の形状以外の形状の補助ホーンでもよい。図４に、円錐台状の補助ホーンの態様（上段部が左側、下端部が右側）を示す。図５に、下端側が段状に細くなる形状の補助ホーンの態様（上段部が左側、下端部が右側）を示す。

図４に示す円錐台状の補助ホーン７は、下記（６）式の振動方程式に従って、指数型の補助ホーンと同様に、ホーン３と、２０ｋＨｚで共振するように設計されており、指数型の補助ホーンに比べ成形し易いという利点を有している。

上記（６）式において、ｌは、補助ホーンの軸方向長さ、Ｓ１は、下端側（小径側）の断面積、Ｓ２は、上端側（大径側）の断面積、ωは、角振動数（ｒａｄ／ｓ）、ｃは、超音波振動の速度（ｍ／ｓ）である。

図４に示す補助ホーン７は、下端側の直径が６ｍｍ、上端側の直径が１９ｍｍ、軸方向長さが１２７．３７ｍｍに設定されており、上端部には、直径６ｍｍの補助ホーン取付用の雄ねじ部７ａが、下端部には、直径２ｍｍの試験片取付用の雌ねじ孔７ｂが設けられている。

円錐台状型の補助ホーン７の増幅率Ｔは、下記（７）式で表される。下記（７）式において、ｌは、補助ホーンの軸方向長さ、Ｓ１は、下端側（小径側）の断面積、Ｓ２、は上端側（大径側）の断面積、ωは、角振動数（ｒａｄ／ｓ）、ｃは、超音波振動の速度（ｍ／ｓ）である。

上記（７）式により増幅率Ｔを決定すれば、試験片５の疲労試験に最低限必要な応力を発生させる振幅を得るために、超音波振動子２及びホーン３の振幅、さらに、超音波発振器１の出力を設定することができる。補助ホーン７の場合、増幅率は約３．２０倍程度である。

図５に示す補助ホーン８は、軸方向の略中間部に段部８ａが形成されていて、上端部側が下端部側より細く、全体として、外径の異なる円柱が結合したような段状型の補助ホーンである。

下記（８）が振動方程式であり、ホーン３と２０ｋＨｚで共振するように設定されている。補助ホーン８は、成形が比較的簡単で、増幅率が指数型に比べて高いという利点を有するが、段状に細くなる部分で、補助ホーン内での最大応力が指数型と比較して大きくなる。

上記（８）式において、ｌは、補助ホーンの軸方向長さ、ｆは、振動数（Ｈｚ）、ｃは、超音波振動の速度（ｍ／ｓ）である。

図５に示す補助ホーン８は、下端側（細径側）の直径が１０ｍｍ、上端側（太径側）の直径が１８ｍｍ、太径側の軸方向長さが６１ｍｍ、全体の軸方向長さが１２２ｍｍに設定されている。

指数型の補助ホーン、及び、円錐台状型の補助ホーンと同様に、補助ホーン８の上端部には、直径６ｍｍの補助ホーン取付用の雄ねじ部８ｂが設けられ、下端部には、直径３ｍｍの試験片取付用の雌ねじ孔８ｃが設けられている。

段状型の補助ホーン８の増幅率Ｔは、下記（９）式で表される。下記（９）式において、Ｓ１は、下端側（小径側）の断面積、Ｓ２は、上端側（大径側）の断面積である。

上記（９）式により増幅率Ｔを決定すれば、試験片５の疲労試験に最低限必要な応力を発生させる振幅を得るために、超音波振動子２及びホーン３の振幅、さらに、超音波発振器１の出力を設定することができる。補助ホーン８の増幅率は約３．２４倍程度である。

これまで、該径が６ｍｍ未満の、標準試験片の外径より小径の試験片の疲労試験について説明したが、本発明方法及び本発明装置は、基本的に、試験片の試験片取付用の雄ねじ部を、補助ホーンの試験片取付用の雌ねじ孔に螺挿できる試験片に適用することができる。また、試験片に、通常よりも大きな応力を発生させたい場合にも、本発明方法及び本発明装置を適用することができる。

前述したように、本発明によれば、超音波疲労試験装置のホーンに、試験片取付用の雌ねじ孔を有する補助ホーンを取り付け、従来、直接、ホーンに取り付けることが難しかった小径の試験片の上端部に試験片取付用の雄ねじ部を突設して、該雄ねじ部を、補助ホーンの試験片取付用の雌ねじ孔に螺挿し、試験片を、補助ホーンを介してホーンに取り付けることができるので、小径の試験片でも、確実に疲労試験を行うことができる。

また、本発明によれば、ホーンによって増幅した超音波振動を、さらに、補助ホーンで増幅し、最終的に、超音波振動の振幅を、試験片の評価対象部位に疲労試験に必要な応力を発生させる振幅以上に増幅することができるので、試験片の評価対象部位の外径を太くしたり、又は、軸方向長さを長くしたりして、疲労強度の評価に必要な評価体積を増大しなくても、疲労破壊に必要な応力を発生させることが可能となり、従来、困難であった小径の試験片の疲労試験を確実に行うことができ、疲労強度を正確に評価することができる。よって、本発明は、疲労試験を必要とする各種産業において利用可能性が高いものである。

１ 超音波発振器
２ 超音波振動子
２ａ ブースター
３ ホーン
４、７、８ 補助ホーン
４ａ、７ａ、８ｂ 補助ホーン取付用の雄ねじ部
４ｂ、７ａ、８ｃ 補助ホーン取付用の雌ねじ孔
５ 試験片
５ａ 試験片取付用の雄ねじ部
６ 括れ

Claims (6)

1. 発振器から出力した電力により、超音波振動子に、上下方向の超音波振動を発振させ、その振動を、下端側に行くに従って細くなる柱体状のホーンによって増幅して、試験対象の柱体状の試験片に与え、試験片の疲労強度を評価する疲労試験方法であって、
   上記ホーンの下端部に、上端部の外径が該ホーンの下端部の外径と同等以下で、かつ、下端部の外径が上端部よりも小径な柱体状に形成され、ホーンの振動と共振する補助ホーンを装着し、上記補助ホーンにより、ホーンで増幅した振動を、疲労試験に必要な応力を試験片に発生させる振幅以上に増幅するとともに、
   試験片の上端部に突設した試験片取付用の雄ねじ部を、上記補助ホーンの下端部に設けた、該雄ねじ部に適合する試験片取付用の雌ねじ孔に螺挿して、試験片を補助ホーンに取付けて、試験片を補助ホーンの振動と共振させることにより、
   試験片において、疲労強度の評価を行う評価対象部位に最大応力を発生させ、かつ、評価対象部位の全長に亘って、疲労試験に必要な応力を発生させる
   ことを特徴とする疲労試験方法。
2. 前記試験片における軸方向の中間部に、上端部側及び下端部側よりも小径で、かつ、疲労強度を評価するのに必要な体積を有する評価対象部位としての括れ部を形成して、該括れ部の軸方向中央部に、最大応力を発生させることを特徴とする請求項１に記載の疲労試験方法。
3. 前記補助ホーンの形状を、下端部側に行くに従って指数関数曲線をなすように湾曲する外周面の先細り形状とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の疲労試験方法。
4. 前記補助ホーンの形状を、下端部側に行くに従って次第に小径となる円錐台状、又は、下端側が段状に細くなる形状とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の疲労試験方法。
5. 超音波の発生に必要な電力を供給する超音波発振器と、該超音波発振器の出力を受けて超音波振動を上下方向に発振する超音波振動子と、下端側に行くに従って次第に細くなる柱体状に形成されて、上記超音波振動子が発振した振動を増幅するホーンとを有し、柱体状の試験片に振動を与え、該試験片の疲労強度を評価する疲労試験装置において、
   上記ホーンの下端部に、上端部の外径が該ホーンの下端部の外径と同等以下で、かつ、下端部が上端部よりも小径な柱体状に形成され、ホーンの振動と共振して、該ホーンで増幅された振動を、上記試験片の疲労強度を評価する評価対象部位に最大応力を発生させるとともに、該評価対象部位の全長に亘って疲労試験に必要な応力を発生させる振幅以上に増幅する補助ホーンが装着され、
   上記補助ホーンの下端部に、上記試験片の上端部に突設した試験片取付用の雄ねじ部を螺挿して、該試験片を取付けることができる試験片取付用の雌ねじ孔が形成されている
   ことを特徴とする疲労試験装置。
6. 前記評価対象部位が、上端部側及び下端部側よりも小径で、かつ、疲労強度を評価するのに必要な体積を有し、前記評価対象部位の軸方向中央部に最大応力を発生させる括れ部を備えることを特徴とする請求項５に記載の疲労試験装置。