JP2018059843A - 材料試験装置及び材料試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低強度及び低剛性の試験片に対しても測定誤差を小さく抑えることができる。
【解決手段】平板状の試験片Ｓの周縁部が固定される固定部３２、３４を有するホルダ１６と、試験片Ｓの中央部に当接する球面を有する鋼球４２と、試験片Ｓと球面との間に間隔をあけた状態で鋼球４２を保持可能なロッド４０と、鋼球４２によって試験片Ｓが押圧されるように鋼球４２又はホルダ１６を駆動する駆動部４６と、鋼球４２に加わる荷重及び試験片の変位を測定するロードセル４８、変位センサ５０と、を備える材料試験装置１０を用いて材料試験を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、材料試験装置及び材料試験方法に関する。

材料の機械特性を測定する試験方法として、特許文献１、特許文献２には、試験片をホルダで狭持し、試験片に鋼球を押し当てて鋼球が試験片を貫通するまでの時間と試験片の変形量と測定する、所謂スモールパンチ試験方法が開示されている。

特開２０１４−７７６９６号公報 特開２０１６−９９１３２号公報

また、材料の機械特性を測定する試験方法として、ダンベル形状の試験片の両端に引張荷重を加えて試験片の引張強度を測定する引張試験方法が知られている。しかし、この引張試験方法では、試験片をダンベル形状に加工する必要があるため、経年劣化した現場の構造物から採取した材料や熱分析後の試料等、材料が僅かな大きさしか無い場合には試験片を作製することができなかった。

上記したスモールパンチ試験方法では、試験片の大きさが通常直径５〜１０ｍｍ程度の薄板状であるため、材料が僅かな大きさしか無い場合であっても試験片を作製することが可能となる。しかしながら、特許文献１、特許文献２のスモールパンチ試験方法では、試験時において、予め試験片上に配置しておいた鋼球をパンチャー（ロッド）によって試験片に押し当てている。このため、試験片が特に強度が低い材料で構成されている場合、試験前に鋼球の自重によって試験片に外力が加わり、試験結果に誤差が生じる虞がある。

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであって、低強度及び低剛性の試験片に対しても測定誤差を小さく抑えることができる材料試験装置及び材料試験方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の材料試験装置は、平板状の試験片の周縁部が固定される固定部を有するホルダと、前記試験片の中央部に当接する球面を有する当接部材と、前記試験片と前記球面との間に間隔をあけた状態で前記当接部材を保持可能な保持部材と、前記当接部材によって前記試験片が押圧されるように前記当接部材又は前記ホルダを駆動する駆動部と、前記当接部材に加わる荷重及び前記試験片の変位を測定する測定部と、を備える。

上記構成によれば、材料試験装置のホルダの固定部に試験片の周縁部を固定し、当接部材によって試験片が押圧されるように、駆動部によって当接部材又はホルダを駆動することで、当接部材の球面によって試験片の中央部を押圧して試験片に荷重を付加する。このとき、当接部材に加わる荷重及び試験片の変位を測定部によって測定することで、試験片の機械特性を測定することができる。

ここで、例えば材料試験前の段階において、保持部材によって当接部材を球面と試験片との間に間隔をあけた状態で保持することができる。このため、材料試験前に試験片に当接部材の球面が当接して試験片に外力が加わることを抑制することができ、材料試験の測定誤差を小さく抑えることができる。なお、当接部材における球面は、試験片に当接する側が球面であれば足り、例えば当接部材の先端が半球体形状とされている構成を含む。

請求項２に記載の材料試験装置は、請求項１に記載の材料試験装置において、前記駆動部は、前記当接部材を鉛直方向上向きに駆動する、又は前記ホルダを鉛直方向下向きに駆動することで、前記当接部材を前記試験片の下面に当接させる。

上記構成によれば、駆動部によって当接部材を鉛直方向上向きに駆動する、又はホルダを鉛直方向下向きに駆動することで、当接部材を試験片の下面に当接させる。このため、当接部材を試験片の上面に当接させる構成と比較して、保持部材は重力を利用して当接部材を球面と試験片との間に間隔をあけた状態で保持することができる。

請求項３に記載の材料試験装置は、請求項１又は２に記載の材料試験装置において、前記当接部材は鋼球である。

上記構成によれば、当接部材が鋼球であるため、当接部材のどの面が試験片に当接したとしても当接面が球面となる。このため、当接部材の当接面のみが球面とされている構成と比較して、確実に球面を試験片に当接させることができるとともに、鋼球を交換するだけで当接面を試験片の材質や大きさ、厚さ等に応じた適切な材質及び寸法とすることができる。

請求項４に記載の材料試験装置は、請求項３に記載の材料試験装置において、前記保持部材は、前記鋼球を芯出し状態で支持する凹部が長手方向一端側の端面に形成されたロッドである。

上記構成によれば、ロッドの長手方向一端側の端面に鋼球を芯出し状態で支持する凹部が形成されているため、ロッドに対する鋼球の位置がずれたりロッドから鋼球が落下したりすることを抑制することができる。なお、「芯出し状態」とは、鋼球の中心がロッドの中心軸上に位置する状態を示す。

請求項５に記載の材料試験装置は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の材料試験装置において、前記ホルダは、互いの対向面にそれぞれ形成された前記固定部の間に前記試験片を狭持する第１ホルダ及び第２ホルダを備えており、前記第１ホルダの前記固定部及び前記第２ホルダの前記固定部の少なくとも一方には、前記対向面から突出する突起が形成されている。

上記構成によれば、試験片を狭持する第１ホルダの対向面及び第２ホルダの対向面の固定部の少なくともどちらか一方に突起が形成されている。このため、例えば突起を試験片に食い込ませる等、突起により試験片を保持することにより、ホルダから試験片が外れることを抑制することができる。

請求項６に記載の材料試験装置は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の材料試験装置において、前記ホルダを収容するハウジングを備え、前記ホルダは前記ハウジングに軸受を介して回転可能に保持されている。

上記構成によれば、ホルダがハウジングに軸受を介して回転可能に保持されている。このため、例えばハウジングへのホルダの収容時や当接部材による試験片の押圧時等にホルダにねじりモーメントが生じた際に、試験片が固定されているホルダが試験片とともにハウジングに対して回転する。このため、ねじりモーメントが試験片に作用することを抑制することができる。

請求項７に記載の材料試験方法は、構造物から採取した材料又は熱分析後の試料から平板状の試験片を作製し、ホルダの固定部に試験片の周縁部を固定し、球面を有し、前記球面と前記試験片との間に間隔をあけた状態で保持されている当接部材を、前記試験片を押圧する方向に駆動し、前記当接部材の前記球面によって前記試験片の中央部を押圧することで前記試験片に荷重を付加し、前記当接部材に加わる荷重及び前記試験片の変位を測定することで、前記試験片の機械特性を測定する。

上記構成によれば、駆動前の段階において、当接部材は球面と試験片との間に間隔をあけた状態で保持されている。このため、材料試験前に試験片に当接部材の球面が当接して試験片に外力が加わることを抑制することができ、低強度かつ小さな材料又は試料から作製した試験片に対しても機械特性を精度よく測定することができる。

以上詳述したように、本発明によれば、低強度及び低剛性の試験片に対しても測定誤差を小さく抑えることができる。

本発明の第１実施形態に係る材料試験装置の要部を示す構成図である。 （Ａ）は本発明の第１実施形態に係る材料試験装置のホルダ、当接部材、及び保持部材を示す分解断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線方向から見た平面図である。 （Ａ）は材料試験装置の試験前の状態を示す断面図であり、（Ｂ）は材料試験装置の当接部材を試験片に当接させた状態を示す断面図であり、（Ｃ）は材料試験装置の当接部材によって試験片を押圧している状態を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る材料試験装置を示す図３（Ａ）に相当する断面図である。 本発明の第３実施形態に係る材料試験装置を示す図３（Ａ）に相当する断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は試験片に加わる荷重と試験片の変位との関係を示すグラフである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る材料試験装置及び材料試験方法について、図１〜図３を用いて説明する。

＜構成＞
本実施形態の材料試験装置１０は、図１に示すように、鉛直方向に並んで配置された第１ホルダ１２及び第２ホルダ１４からなる金属製のホルダ１６と、ホルダ１６を収容する金属製のハウジング１８と、を備えている。

第１ホルダ１２は、中央に鉛直方向に沿って形成された貫通孔２０を有する円筒形状とされており、第１ホルダ１２の鉛直方向上部は、外径が鉛直方向下部の外径より小さくされた縮径部１２Ａとされている。同様に、第２ホルダ１４は、中央に鉛直方向に沿って形成された貫通孔２２を有する円筒形状とされており、第２ホルダ１４の鉛直方向下端部は、外径が鉛直方向上端部の外径より小さくされた縮径部１４Ａとされている。

ハウジング１８は、鉛直方向に並んで配置された上側ハウジング２８及び下側ハウジング３０を備えており、上側ハウジング２８及び下側ハウジング３０は、第１ホルダ１２及び第２ホルダ１４をそれぞれ収容する凹部２８Ａ、３０Ａを有している。また、上側ハウジング２８に形成された雌ネジ部２８Ｂと下側ハウジング３０に形成された雄ねじ部３０Ｂとが螺合することにより、上側ハウジング２８と下側ハウジング３０とが固定されている。

第１ホルダ１２の縮径部１２Ａの外周面及び第２ホルダ１４の縮径部１４Ａの外周面には、軸受２４、２６がそれぞれ嵌め込まれている。そして、軸受２４、２６を介して第１ホルダ１２が上側ハウジング２８の凹部２８Ａに、第２ホルダ１４が下側ハウジング３０の凹部３０Ａに、それぞれホルダ１６の中心軸Ｐ周りに回転可能に収容されている。

第１ホルダ１２の第２ホルダ１４に対向する対向面１２Ｂ（鉛直方向下端面）、及び第２ホルダ１４の第１ホルダ１２に対向する対向面１４Ｂ（鉛直方向上端面）は、互いに水平方向に延びている。また、対向面１２Ｂ、１４Ｂにおける貫通孔２０、２２の開口部２０Ａ、２２Ａの周縁部分は、それぞれ固定部３２、３４とされている。

さらに、図２（Ａ）に示すように、固定部３２、３４には、第１ホルダ１２及び第２ホルダ１４の対向面１２Ｂ、１４Ｂから突出する複数（本実施形態では３つ）の突起３６、３８がそれぞれ形成されている。

突起３６、３８は、図２（Ｂ）に示すように、貫通孔２０、２２の開口部２０Ａ、２２Ａの周縁に沿って全周にわたって形成されている。また、突起３６、３８は、図２（Ａ）に示すように、ホルダ１６の中心軸Ｐ方向に沿った断面において直角三角形形状とされている。

具体的には、突起３６、３８は、第１ホルダ１２及び第２ホルダ１４の対向面１２Ｂ、１４Ｂから突起３６、３８の頂点へ向かってホルダ１６の径方向外側へ傾斜する傾斜面３６Ａ、３８Ａと、第１ホルダ１２及び第２ホルダ１４の対向面１２Ｂ、１４Ｂから突起３６、３８の頂点へ向かって鉛直方向に延びる直交面３６Ｂ、３８Ｂと、を有している。

上側ハウジング２８及び下側ハウジング３０の螺合により、図１、図２（Ａ）に示すように、第１ホルダ１２の固定部３２と第２ホルダ１４の固定部３４との間には、試験片Ｓの周縁部が狭持される。なお、試験片Ｓは、後述するように、一例として金属材料より軟質のウレタン等の樹脂材料からなり、円形の平板状に加工されている。

また、第２ホルダ１４の貫通孔２２内には、保持部材の一例としてのロッド４０と、ロッド４０の鉛直方向上端面（長手方向一端側の端面）に載置された当接部材の一例としての鋼球４２とが挿入されている。

ロッド４０は、貫通孔２２の内径より外径が小さくされた金属製の円柱形状の部材であり、中心軸がホルダ１６の中心軸Ｐに重なるように配置されている。また、ロッド４０の鉛直方向上端面には凹部４４が形成されており、凹部４４の内周面４４Ａは、鉛直方向下端側（長手方向他端側）に向かうに従ってロッド４０の中心軸に近づくように直線状に傾斜する傾斜面（円錐面）とされている。

鋼球４２は、貫通孔２２の内径より直径が小さく、かつロッド４０の外径より直径が大きくされており、鉛直方向下側の部分がロッド４０の凹部４４内に嵌まっている。なお、鋼球４２は、ロッド４０の凹部４４の内周面４４Ａに沿って移動することにより、芯出し状態、すなわち中心がロッド４０の中心軸上に位置する状態で保持されている。また、鋼球４２は、ロッド４０の鉛直方向上端面に載置された状態において、試験片Ｓとの間に間隔をあけた状態で保持されている。

図１に示すように、ロッド４０の鉛直方向下端部には駆動部４６が連結されている。駆動部４６は、例えば図示しないポンプやシリンダ等を備える油圧シリンダであり、ポンプによって作動油に圧力を加えてシリンダ内に作動油を送り出すことにより、油圧によってロッド４０を鉛直方向上向き、すなわち試験片Ｓを押圧する方向に駆動する。

また、ロッド４０の鉛直方向下端部には、ロードセル４８が取付けられている。ロードセル４８は、ロッド４０に加わる荷重（圧力）を測定して電気信号に変換する。同様に、ロッド４０の鉛直方向上端部には、変位センサ５０が設けられている。変位センサ５０は、例えばレーザ変位計であり、レーザによってロッド４０の変位を測定して電気信号に変換する。

ロードセル４８及び変位センサ５０によって材料試験装置１０の測定部が構成されている。また、材料試験装置１０は、駆動部４６を制御するとともに、ロードセル４８及び変位センサ５０から出力された電気信号を検出して記憶し、データ処理を行う制御部５２を備えている。

＜試験方法＞
材料試験装置１０によって材料試験を行う場合、まず、試験対象である試験片Ｓを作製する。試験片Ｓは、熱分析装置によって熱分析した後の試料をそのまま用いることが可能である。また、現場に設置されている樹脂製の構造物から採取した材料を、例えば円形の平板状に加工することで試験片Ｓを作製することも可能である。本実施形態では、一例として、ウレタン樹脂材料を切削して平板状に加工した後、直径５ｍｍの円盤状に打ち抜いたものを試験片Ｓとして用いている。

次に、下側ハウジング３０の凹部３０Ａに軸受２６を介して第２ホルダ１４を嵌め込み、第２ホルダ１４の対向面１４Ｂに試験片Ｓを載置する。そして、試験片Ｓの上に第１ホルダ１２を載置することで、第１ホルダ１２の固定部３２及び第２ホルダ１４の固定部３４によって試験片Ｓを狭持する。

その後、軸受２４を介して第１ホルダ１２に上側ハウジング２８を嵌め込み、上側ハウジング２８の雌ネジ部２８Ｂを下側ハウジング３０の雄ねじ部３０Ｂに螺合することで、図１に示すように、材料試験装置１０に試験片Ｓを固定する。

このとき、試験片Ｓが金属より軟質のウレタン樹脂で構成されているため、図３（Ａ）に示すように、第１ホルダ１２の固定部３２及び第２ホルダ１４の固定部３４に形成されている突起３６、３８の頂点が、試験片Ｓの周縁部の上面及び下面にそれぞれ食い込む。なお、試験片Ｓをホルダ１６に固定した段階において、鋼球４２は駆動部４６に連結されたロッド４０によって試験片Ｓとの間に間隔をあけた状態で保持されている。

次に、図１に示す駆動部４６によってロッド４０を鉛直方向上向きに駆動して、図３（Ｂ）に示すように、鋼球４２を試験片Ｓの下面の中央部に当接させる。そのまま、図３（Ｃ）に示すように、鋼球４２によって試験片Ｓを押圧することで試験片Ｓに荷重を付加し、図１に示す駆動部４６によって、試験片Ｓが破断する位置までロッド４０をさらに鉛直方向上向きに駆動する。

鋼球４２が試験片Ｓに当接してから試験片Ｓが破断するまでの間のロッド４０に加わる荷重、すなわち鋼球４２に加わる荷重を図１に示すロードセル４８で測定し、ロッド４０の変位、すなわち鋼球４２の変位を図１に示す変位センサ５０で測定することで、試験片Ｓの機械特性を測定する。

＜作用及び効果＞
本実施形態では、試験片Ｓがウレタン樹脂で構成されているため、金属材料で構成されている試験片と比較して、小さい外力で試験片Ｓが大きく変形（変位）する。また、ハウジング１８へのホルダ１６の収容時や鋼球４２による試験片Ｓの押圧時に生じるホルダ１６の中心軸Ｐ周りのねじりモーメントにより、試験片Ｓが変形（変位）し易い。

しかしながら、本実施形態によれば、試験片Ｓを押圧する前の段階（材料試験前の段階）において、鋼球４２はロッド４０によってホルダ１６に固定された試験片Ｓとの間に間隔をあけた状態で保持されている。このため、試験片Ｓを押圧する前に試験片Ｓに鋼球４２が当接して試験片Ｓに外力が加わることを抑制することができ、試験片Ｓが低強度及び低剛性の材料又は試料から作製されている場合であっても、材料試験の測定誤差を小さく抑え、試験片Ｓの機械特性を精度よく測定することができる。

また、ホルダ１６が、ハウジング１８に対して軸受２４、２６を介して中心軸Ｐ周りに回転可能とされているため、試験片Ｓにねじりモーメントが生じた際に、試験片Ｓとともに試験片Ｓが固定されているホルダ１６がハウジング１８に対して回転する。このため、ねじりモーメントが試験片Ｓに作用することを抑制することができる。

また、本実施形態によれば、駆動部４６によってロッド４０を鉛直方向上向きに駆動することで、鋼球４２を試験片Ｓの下面に当接させている。このため、ロッド４０を鉛直方向下向きに駆動して鋼球４２を試験片Ｓの上面に当接させる構成と比較して、ロッド４０は重力を利用して鋼球４２を試験片Ｓとの間に間隔をあけた状態で容易に保持することができる。

また、ロッド４０の鉛直方向上端面に凹部４４が形成されており、凹部４４の内周面４４Ａが傾斜面とされている。このため、鋼球４２の中心がロッド４０の中心軸上に位置するようにロッド４０の凹部４４内において鋼球４２を芯出し状態とすることができ、ロッド４０に対する鋼球４２の位置がずれたりロッド４０から鋼球４２が落下したりすることを抑制することができる。

なお、本実施形態では、当接部材として鋼球４２を用いているため、鋼球４２のどの面が試験片Ｓに当接したとしても当接面が球面となる。このため、試験片Ｓに当接する当接面のみが球面とされている当接部材を用いる構成と比較して、確実に球面を試験片Ｓに当接させることができ、材料試験の精度を高めることができる。また、鋼球４２を交換するだけで、当接面を試験片Ｓの材質や大きさ、厚さ等に応じた適切な材質及び寸法とすることができる。

また、本実施形態によれば、第１ホルダ１２の固定部３２及び第２ホルダ１４の固定部３４にそれぞれ突起３６、３８が形成されており、突起３６、３８の頂点を試験片Ｓに食い込ませることで試験片Ｓを固定部３２、２４に固定している。

このため、現場で採取した僅かな大きさの材料から試験片Ｓを作製した場合や、熱分析装置に入るように小さく加工した試料から試験片Ｓを作製した場合等、試験片Ｓの直径が小さい場合であっても、突起３６、３８によって試験片Ｓの周縁部を保持することにより、材料試験中にホルダ１６から試験片Ｓが外れることを抑制することができる。

さらに、突起３６、３８が、ホルダ１６の径方向外側へ傾斜する傾斜面３６Ａ、３８Ａ、及び鉛直方向に延びる直交面３６Ｂ、３８Ｂを有する直角三角形形状とされている。このため、突起３６、３８上に載置された試験片Ｓが鋼球４２によって押圧された際に、試験片Ｓの径方向内側へのずれを突起３６、３８の直交面３６Ｂ、３８Ｂによって抑えることができ、試験片Ｓが小さい材料又は試料から作製されている場合であっても、試験片Ｓの機械特性を精度よく測定することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る材料試験装置及び材料試験方法について、図４を用いて説明する。なお、ハウジング１８やロードセル４８、変位センサ５０等の第１実施形態と同様の構成については、図示及び説明を省略する。

＜構成＞
図４に示すように、本実施形態の材料試験装置６０は、水平方向に並んで配置された第１ホルダ６２及び第２ホルダ６４からなる金属製のホルダ６６を備えている。また、第１ホルダ６２及び第２ホルダ６４は、中央に水平方向に沿って形成された貫通孔６８、７０を有する円筒形状とされている。

第１ホルダ６２の第２ホルダ６４に対向する対向面６２Ａ、及び第２ホルダ６４の第１ホルダ６２に対向する対向面６４Ａは互いに鉛直方向に延びている。また、第１実施形態のホルダ１６と同様に、対向面６２Ａ、６４Ａにおける貫通孔６８、７０の周縁部分は、複数の突起７２、７４がそれぞれ形成された固定部７６、７８とされており、固定部７６、７８には試験片Ｓが保持される。

また、第２ホルダ６４の貫通孔７０内には、当接部材の一例としてのピン８０が挿入されている。ピン８０は、貫通孔７０の内径より外径が小さくされた金属製の円柱形状の部材であり、中心軸がホルダ６６の中心軸Ｐに重なるように配置されている。さらに、試験片Ｓに対向するピン８０の長手方向一端側の端部は半球体形状とされており、試験片Ｓに当接するピン８０の当接面８０Ａが球面とされている。

また、第２実施形態では、駆動部４６がピン８０の保持部材を兼ねており、駆動部４６によってピン８０を水平方向に駆動するとともに、駆動前の段階において、ピン８０を当接面８０Ａと試験片Ｓとの間に間隔をあけた状態で保持している。

＜試験方法＞
材料試験装置６０によって材料試験を行う場合、第１実施形態と同様に、第１ホルダ６２の固定部７６及び第２ホルダ６４の固定部７８によって試験片Ｓを狭持する。なお、試験片Ｓをホルダ６６に固定した段階において、ピン８０はクランプ８２によって当接面８０Ａと試験片Ｓとの間に間隔をあけた状態で保持されている。

次に、駆動部４６によってピン８０を水平方向一端側（図４における右側）に駆動して、ピン８０の当接面８０Ａによって試験片Ｓの端面（図４における左端面）の中央部を押圧することで試験片Ｓに荷重を付加する。

第１実施形態と同様に、ピン８０の当接面８０Ａが試験片Ｓに当接してから試験片Ｓが破断するまでの間のピン８０に加わる荷重、及びピン８０の変位を図示しないロードセルと変位センサで測定することで、試験片Ｓの機械特性を測定する。

＜作用及び効果＞
本実施形態では、当接部材が円柱形状のピン８０とされているため、当接部材が鋼球である第１実施形態の構成と比較して、当接部材の取り扱いが容易となる。すなわち、当接部材を第１ホルダ６２の貫通孔６８内に挿入したり、当接部材を試験片Ｓとの間に間隔をあけた状態で保持したりすることが容易となる。

また、本実施形態によれば、駆動部４６によってピン８０を駆動するとともに、ピン８０を試験片Ｓとの間に間隔をあけた状態で保持することができる。このため、駆動部４６とは別に保持部材を設ける構成と比較して、部品点数を減らすことができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る材料試験装置及び材料試験方法について、図５を用いて説明する。なお、ハウジング１８やロードセル４８、変位センサ５０等の第１実施形態、第２実施形態と同様の構成については、図示及び説明を省略する。

＜構成＞
図５に示すように、本実施形態の材料試験装置９０は、鉛直方向に並んで配置された第１ホルダ９２及び第２ホルダ９４からなる金属製のホルダ９６を備えている。また、第１ホルダ９２及び第２ホルダ９４は、中央に鉛直方向に沿って形成された貫通孔９８、１００を有する円筒形状とされている。

第１ホルダ９２の第２ホルダ９４に対向する対向面９２Ａ、及び第２ホルダ９４の第１ホルダ９２に対向する対向面９４Ａは互いに水平方向に延びている。また、第１実施形態、第２実施形態のホルダ１６、６６と同様に、対向面９２Ａ、９４Ａにおける貫通孔９８、１００の周縁部分は、複数の突起１０２、１０４がそれぞれ形成された固定部１０６、１０８とされており、固定部１０６、１０８には試験片Ｓが保持される。

また、第２ホルダ９４の貫通孔１００内には、保持部材の一例としてのロッド１１０と、ロッド１１０の鉛直方向下端面（長手方向一端側の端面）に保持された当接部材の一例としての磁性体からなる鋼球１１２とが挿入されている。

ロッド１１０は、貫通孔１００の内径より外径が小さくされた円柱形状の部材であり、中心軸がホルダ９６の中心軸Ｐに重なるように配置されている。また、ロッド１１０は、全体又は鋼球１１２と接する部分である鉛直方向下端部がフェライト磁石等の磁力を有する材料で構成されている。

さらに、ロッド１１０の鉛直方向下端面には凹部１１４が形成されており、凹部１１４の内周面１１４Ａは、鉛直方向上端側（長手方向他端側）に向かうに従ってロッド１１０の中心軸に近づくように傾斜し、かつ鋼球１１２の外面に沿って湾曲する傾斜面（球面）とされている。

鋼球１１２は、貫通孔１００の内径より直径が小さく、かつロッド１１０の外径より直径が大きくされており、ロッド１１０の鉛直方向下端面に磁力によって吸着（磁着）されている。このとき、鋼球１１２は、ロッド１１０と接する部分である鉛直方向上側の部分がロッド１１０の凹部１１４内に嵌まるとともに、芯出し状態、すなわちロッド１１０の凹部１１４の内周面１１４Ａに沿って中心がロッド１１０の中心軸上に位置する状態で保持されている。また、鋼球１１２は、ロッド１１０によって試験片Ｓとの間に間隔をあけた状態で保持されている。

＜試験方法＞
材料試験装置９０によって材料試験を行う場合、第１実施形態、第２実施形態と同様に、第１ホルダ９２の固定部１０６及び第２ホルダ９４の固定部１０８によって試験片Ｓを狭持する。なお、試験片Ｓをホルダ９６に固定した段階において、鋼球１１２はロッド１１０によって試験片Ｓとの間に間隔をあけた状態で保持されている。

次に、図示しない駆動部によってロッド１１０及び鋼球１１２を鉛直方向下向きに駆動して、鋼球１１２によって試験片Ｓの上面の中央部を押圧することで試験片Ｓに荷重を付加する。

第１実施形態、第２実施形態と同様に、鋼球１１２が試験片Ｓに当接してから試験片Ｓが破断するまでの間のロッド１１０に加わる荷重（鋼球１１２に加わる荷重）、及びロッド１１０の変位（鋼球１１２の変位）を図示しないロードセルと変位センサで測定することで、試験片Ｓの機械特性を測定する。

＜作用及び効果＞
本実施形態では、鋼球１１２が磁性体とされ、ロッド１１０が磁力を有する材料で構成されているため、鋼球１１２をロッド１１０の鉛直方向下端面に磁力によって吸着させることができる。このため、ロッド１１０によって、鋼球１１２を試験片Ｓとの間に間隔をあけた状態で鉛直方向下向きに保持することが可能となる。

また、本実施形態によれば、ロッド１１０の鉛直方向下端面に凹部１１４が形成されており、凹部１１４の内周面１１４Ａが湾曲面とされている。このため、鋼球１１２の中心がロッド１１０の中心軸上に位置するように、鋼球１１２をロッド１１０の凹部１１４の内周面１１４Ａに沿って芯出し状態とすることができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能である。また、第１〜第３実施形態の構成は適宜組み合わせることができる。

例えば、第２実施形態ではピン８０を水平方向一端側に駆動し、第３実施形態ではロッド１１０を鉛直方向下向きに駆動していたが、第１実施形態と同様に、ピン８０やロッド１１０を鉛直方向上向きに駆動して試験片Ｓの下面に押し当てる構成としてもよい。

また、第１〜第３実施形態では、第１ホルダ１２、６２、９２及び第２ホルダ１４、６４、９４によって試験片Ｓの両面を狭持する構成とされていたが、試験片Ｓの保持方法は上記実施形態には限られず、試験片Ｓの片面のみをホルダ１６、６６、９６によって保持する構成としてもよい。

また、例えば第１実施形態では、ロッド４０を駆動することによって鋼球４２を試験片Ｓに押し当てていた。しかし、駆動部４６をホルダ１６側に設け、駆動部４６によって試験片Ｓが保持されたホルダ１６を駆動することによって試験片Ｓを鋼球４２に押し当てる構成としてもよい。ホルダ１６側を駆動させる、すなわちロッド４０側を駆動させないことで、ロッド４０に対する鋼球４２の位置がずれたりロッド４０から鋼球４２が落下したりすることをより抑制することができる。

さらに、第１実施形態において、材料試験装置１０のホルダ１６の周囲に、制御部５２で制御され、加熱機能及び冷却機能の少なくとも一方を有する図示しない温度制御装置を設け、試験片Ｓを任意の温度に保持しながら、又は試験片Ｓの温度を変化させながら材料試験を行ってもよい。

また、第３実施形態では、鋼球１１２を磁力によってロッド１１０の鉛直方向下端面に吸着（磁着）させる構成とされていた。しかし、例えばロッド１１０の鉛直方向下端面に開口する小さな貫通孔をロッド１１０内に形成し、空気を吸引して貫通孔内を負圧にすることで、ロッド１１０の鉛直方向下端面に鋼球１１２を吸着させる構成としてもよい。

また、第１実施形態では、試験片Ｓが金属材料より軟質のウレタン樹脂で構成されていたが、試験片Ｓはウレタン樹脂より硬質なエポキシ樹脂や金属材料等、どのような材料で構成されていてもよい。なお、試験片Ｓが硬質な材料で構成されている場合、ホルダ１６の突起３６、３８は試験片Ｓに食い込む必要は無く、突起３６、３８によって試験片Ｓが保持されていればよい。

また、第１実施形態では、第１ホルダ１２及び第２ホルダ１４にそれぞれ軸受２４、２６が嵌め込まれていたが、第１ホルダ１２及び第２ホルダ１４のどちらか一方のみに軸受が嵌め込まれていてもよい。さらに、上側ハウジング２８及び下側ハウジング３０に、第１ホルダ１２及び第２ホルダ１４が軸受２４、２６を介さずに直接収容されていてもよい。

さらに、第１実施形態では、上側ハウジング２８及び下側ハウジング３０を互いに螺合することで、上側ハウジング２８と下側ハウジング３０との間に収容された第１ホルダ１２及び第２ホルダ１４を互いに固定していた。

しかし、例えば第１ホルダ１２に貫通孔が形成されたフランジを設け、第２ホルダ１４に雌ネジ部が形成されたフランジを設け、ボルトを貫通孔に挿入して雌ネジ部に螺合させる、もしくは、第２ホルダ１４の雌ネジ部を貫通孔とし、両貫通孔に挿入したボルトにナットを螺合することにより、第１ホルダ１２及び第２ホルダ１４を互いに固定してもよい。

このような構成とすることで、第１ホルダ１２及び第２ホルダ１４を固定する際に、第１ホルダ１２及び第２ホルダ１４にねじりモーメントが生じることを抑制することができる。その他、第１ホルダ１２及び第２ホルダ１４にねじりモーメントが生じることを抑制することができる固定方法であれば、図示しないクリップで第１ホルダ１２及び第２ホルダ１４を狭持する方法等、任意の固定方法を用いることができる。

以下、本発明の実施例１、２、及び比較例１について図６を用いて具体的に説明する。なお、以下の実施例１、２及び比較例１では、図１に示す第１実施形態の材料試験装置１０と同様の構成の材料試験装置を用いて試験片の材料試験を行った。

試験片は、未劣化のウレタン樹脂からなる平板状の材料片を、コルクポーラ等の工具を用いて直径５ｍｍ、厚さ１ｍｍの円盤状に打ち抜くことで作製した。また、試験片を保持する第１ホルダの固定部の幅を０．７５ｍｍ、貫通孔の内径を３．５ｍｍとした。なお、鋼球を保持するロッドの外径、及び第２ホルダの貫通孔の内径は、鋼球の直径に合わせて適宜設定した。

（実施例１）
実施例１では、鋼球の直径を２．０ｍｍとして材料試験を複数回行った。なお、試験片Ｓに付加する荷重は、試験片Ｓの平面内の点対称引張モードの荷重である。ロードセルによって測定した試験片に加わる荷重と、変位センサによって測定した試験片の変位を図６（Ａ）に示す。図６（Ａ）から分かるように、直径５ｍｍの試験片の下面に直径２．０ｍｍの鋼球を押し当てることによって荷重変位曲線を得ることができ、試験片の機械特性を得ることができた。

（実施例２）
実施例２では、鋼球の直径を２．５ｍｍとして材料試験を複数回行った。ロードセルによって測定した試験片に加わる荷重と、変位センサによって測定した試験片の変位を図６（Ｂ）に示す。図６（Ｂ）から分かるように、直径５ｍｍの試験片の下面に直径２．５ｍｍの鋼球を押し当てることによって荷重変位曲線を得ることができ、試験片の機械特性を得ることができた。

（比較例１）
比較例１では、鋼球の直径を３．０ｍｍとして材料試験を複数回行った。ロードセルによって測定した試験片に加わる荷重と、変位センサによって測定した試験片の変位を図６（Ｃ）に示す。比較例１では、図６（Ｃ）に示すように、荷重変位曲線が段々状となり、所望の荷重変位曲線を得ることができなかった。

すなわち、鋼球によって押圧されて変形した試験片が第１ホルダの貫通孔の内周面に接触し、試験片に鋼球による押圧力以外の荷重が加わってしまうため、鋼球の影響のみによる荷重変位曲線を得ることができなかった。

実施例１、２、及び比較例１より、第１ホルダの貫通孔の内径を３．５ｍｍ、試験片を直径５ｍｍ、厚さ１ｍｍとした場合、鋼球の直径を３．０ｍｍより小さくすることで所望の荷重変位曲線を得ることができることが確認できた。

なお、鋼球の直径が試験片の厚さよりも小さい場合、負荷モードが試験片を針で突いた場合のような穿孔による破壊モードになってしまい、引張モードでは無くなってしまう。すなわち、鋼球の直径が試験片の厚さよりも小さい場合、所望の荷重変位曲線を得ることができないため、鋼球の直径を１．０ｍｍより大きくすることが好適である。

１０、６０、９０ 材料試験装置
１２、６２、９２ 第１ホルダ
１２Ｂ、６２Ａ、９２Ａ 対向面
１４、６４、９４ 第２ホルダ
１４Ｂ、６４Ａ、９４Ａ 対向面
１６、６６、９６ ホルダ
１８ ハウジング
３２、３４、７６、７８、１０６、１０８ 固定部
３６、３８、７２、７４、１０２、１０４ 突起
４０、１１０ ロッド（保持部材の一例）
４２、１１２ 鋼球（当接部材の一例）
４４、１１４ 凹部
４４Ａ、１１４Ａ 内周面
４６ 駆動部
４８ ロードセル（測定部の一例）
５０ 変位センサ（測定部の一例）
８０ ピン（当接部材の一例）
Ｓ 試験片

Claims (7)

1. 平板状の試験片の周縁部が固定される固定部を有するホルダと、
   前記試験片の中央部に当接する球面を有する当接部材と、
   前記試験片と前記球面との間に間隔をあけた状態で前記当接部材を保持可能な保持部材と、
   前記当接部材によって前記試験片が押圧されるように前記当接部材又は前記ホルダを駆動する駆動部と、
   前記当接部材に加わる荷重及び前記試験片の変位を測定する測定部と、
   を備える材料試験装置。
2. 前記駆動部は、前記当接部材を鉛直方向上向きに駆動する、又は前記ホルダを鉛直方向下向きに駆動することで、前記当接部材を前記試験片の下面に当接させる、請求項１に記載の材料試験装置。
3. 前記当接部材は鋼球である、請求項１又は２に記載の材料試験装置。
4. 前記保持部材は、前記鋼球を芯出し状態で支持する凹部が長手方向一端側の端面に形成されたロッドである、
   請求項３に記載の材料試験装置。
5. 前記ホルダは、互いの対向面にそれぞれ形成された前記固定部の間に前記試験片を狭持する第１ホルダ及び第２ホルダを備えており、
   前記第１ホルダの前記固定部及び前記第２ホルダの前記固定部の少なくとも一方には、前記対向面から突出する突起が形成されている、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の材料試験装置。
6. 前記ホルダを収容するハウジングを備え、前記ホルダは前記ハウジングに軸受を介して回転可能に保持されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の材料試験装置。
7. 構造物から採取した材料又は熱分析後の試料から平板状の試験片を作製し、
   ホルダの固定部に試験片の周縁部を固定し、
   球面を有し、前記球面と前記試験片との間に間隔をあけた状態で保持されている当接部材を、前記試験片を押圧する方向に駆動し、
   前記当接部材の前記球面によって前記試験片の中央部を押圧することで前記試験片に荷重を付加し、
   前記当接部材に加わる荷重及び前記試験片の変位を測定することで、前記試験片の機械特性を測定する、
   材料試験方法。