JP2018523828A - 平面試験システム - Google Patents

Abstract

【解決手段】試料に力を印加するための装置が提供される。この装置は、複数の接続点を備えている出力回転部材と、各々が第１の端部および第２の端部を備えており、前記第１の端部は前記出力回転部材の前記複数の接続点のうちの１つに枢動可能に連結される複数の剛体接続手段と、複数のガイド部材と、各々が前記ガイド部材のうちの１つにスライド可能に取り付けられるとともに前記複数の接続手段のうちの１つの前記第２の端部に枢動可能に連結される複数の試料ホルダと、を備える。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、試料に力を印加するための装置に関する。とくには、これに限られるわけではないが、本発明は、成形限界線図（ｆｏｒｍｉｎｇ ｌｉｍｉｔ ｄｉａｇｒａｍ）の決定において使用するために試料へと平面力を印加するための装置に関する。本発明は、等温環境ならびに高温成形および低温ダイ急冷プロセスを模擬する複雑な温度条件下での成形限界線図の決定に、とくに有用である。

引っ張りまたは圧縮のどちらであるかに関わらず、平面試験を容易に行うことができる能力が、さまざまな範囲の用途にとって望ましい。平面二軸試験は、通常は、４つの独立して制御されるアクチュエータを備えたスタンドアロンの機械であることが多い二軸試験機において行われる。あるいは、リンク機構のアタッチメントあるいはラックとギヤとからなる機構を、一軸の力を二軸の力へと変換するために従来からの一軸の装置に取り付けることができる。しかしながら、現行の平面試験方法は、多くの場合、実行に複雑な作動機構または電子機器を必要とし、したがって、そのような装置の使用は、多くの場合、必要な電子機器が低温または高温の環境においてドリフトし、壊れてしまう可能性すらあるため、室温において実行される試験に限定される。

高温および低温の両方での使用に適した平面試験システムが望ましい１つの特定の用途は、材料の成形限界線図の決定にある。とくには、成形限界線図を決定する際に、例えば高温成形および低温ダイ急冷などの複雑な材料成形条件を模擬する温度など、さまざまな温度のもとでの使用に適した平面試験システムを有することが望ましい。成形限界線図（ＦＬＤ）は、金属薄板についての複数の材料破壊試験の結果のグラフィカルな表示を提供する。ＦＬＤは、加えられた歪みが材料の一様な変形を生じさせる限界を特定する実験曲線であり、材料破壊につながる塑性不安定または拡散くびれ（ｄｉｆｆｕｓｅ ｎｅｃｋｉｎｇ）がどこで発生するかを示す。ＦＬＤの曲線よりも上方の領域は、破壊の可能性がある歪み領域と考えられ、曲線よりも下方の領域は、金属薄板などの材料の一様な変形が生じる安全な成形領域とみなされる。例えば、ＦＬＤは、種々の成形プロセスを被る場合の金属薄板の成形性を評価し、例えば金属薄板の破壊が生じる条件の予測を可能にするために、製造業者および設計者によって使用される。

鋼が、その高い強度および靱性ならびに良好な成形性ゆえに、多くの産業において主要な製造材料であり続けているが、マグネシウム合金またはアルミニウム合金などのより軽量な材料が、重量を減らすことによって車両の性能および安全性を改善し、燃料経済性および環境の両方に有益なエネルギー消費の直接的な削減をもたらすために、今や頻繁に使用されている。

しかしながら、これらの合金は、室温においては成形性が低いため、高温成形および低温ダイ急冷（ＨＦＱ）法が、形成される部品に熱変形および望ましくない機械的特性を引き起こし得るより伝統的な温間および熱間成形プロセスに代わって、これらの材料について、今やますます使用されるようになってきている。ＨＦＱ成形プロセスの際、金属薄板は、低温ダイへと移されてスタンプされる前に、金属を熱処理するために溶液中で特定の温度まで加熱される。その後に、金属は、急冷されるまでツール内に保持される。ＨＦＱ法は、熱変形を最小限に抑えつつ、複雑な形状を有する部品の形成を可能にする。

金属薄板の成形性は、固有のパラメータ（材料の機械的挙動および微細構造ならびにその構成特性など）および外的要因（すなわち、温度、歪み速度、歪み経路、およびツーリングなどの成形条件）の両方に依存するため、高温での金属薄板のＦＬＤは、室温で得られる金属薄板のＦＬＤとは大きく異なる可能性がある。したがって、適用可能な成形条件下で形成される材料の破壊限界を知ることが有用である。しかしながら、ＦＬＤの決定は、典型的には、室温（例えば、ＦＬＤの決定のための国際規格ＩＳＯ １２００４−１：２００８による）あるいは温間または熱間成形プロセスのもとで行われ、ＨＦＱプロセスに適用可能な条件でＦＬＤを決定するための方法規格は存在せず、適切な試験方法も存在しない。

現時点においてＦＬＤの決定に使用されている２つの主要な方法、すなわち面外試験および面内試験のいずれも、通常は金属薄板または他の材料を加熱プロセス、冷却プロセス、ならびに高い温度および一定の歪み速度での変形に曝すことを含むＨＦＱ条件における使用に、適していない。

面外試験は、さまざまな寸法の金属薄板を、剛体ポンチまたは油圧手段によって力を印加することによって引き伸ばすことを含む。しかしながら、この方法によって決定される成形限界線図は、金属薄板の厚さおよび薄板を変形させるために使用されるポンチの寸法への依存性を示す。これは、部分的には、たとえ潤滑剤を使用しても金属薄板と試験部品との間の摩擦の影響を回避することができないという事実に起因する。さらに、この方法を用いると、金属に大きな歪み勾配が生じ、変形歪み速度が一定でない。さらに、面外試験の実施に使用されるポンチおよびダイは、例えば高温またはＨＦＱプロセス条件下でのホウ素鋼の試験に必要な高い温度に耐えるには、充分に強くない。

面内試験は、円筒状の断面の平底ポンチを覆って金属薄板を引き延ばす（あるいは、油圧手段を使用して金属を引き延ばす）ことを含む。この方法を使用して、金属薄板の中央領域を、測定が行われる金属薄板の中心部の曲げを伴わずに、一様かつ比例した歪み経路で変形させることができる。金属薄板試料とポンチとの間の摩擦接触を避けるために、中心穴を有するキャリアブランクが多くの場合に使用され、キャリアブランクによる支持がない金属薄板の領域において、金属薄板が局所的に薄くなり、あるいは破壊されるはずである。しかしながら、この方法を用いて決定される成形限界線図は、材料欠陥、表面品質、およびキャリアブランクのサイズの選択の影響を受けやすい。さらに、キャリアブランクによる支持がない金属薄板試料の領域において歪みの局在化および割れを誘発するために、キャリアブランクおよびポンチの寸法および形状を最適化する必要があり、これが試験手順を複雑にし、コストを増加させる。面外法と同様に、面内試験法も、ＨＦＱプロセス条件下では適用不可能である。

したがって、さまざまな範囲の材料成形プロセスに関連する条件のもとでの金属薄板の試験を容易にするために、金属薄板のＦＬＤを決定するための装置および方法であって、標準的な試験に関連する困難を克服し、ＨＦＱ条件下で使用することができる装置および方法が、必要とされている。

第１の態様によれば、試料に力を印加するための装置であって、
複数の接続点を備えている出力回転部材と、
各々が第１の端部および第２の端部を備えており、第１の端部は出力回転部材の複数の接続点のうちの１つに枢動可能に連結される複数の剛体接続手段と、
複数のガイド部材と、
各々がガイド部材のうちの１つにスライド可能に取り付けられるとともに複数の接続手段のうちの１つの第２の端部に枢動可能に連結される複数の試料ホルダと、を備える装置、が提供される。

第１の態様の装置は、二軸などの多軸の力を試料に印加するために使用可能である。出力回転部材の回転により、出力回転部材と試料ホルダとの間に連結された剛体接続手段の枢動ゆえに、各々の試料ホルダがガイド部材のうちの１つに沿ってスライドする。装置が試料とともに使用されるとき、出力回転部材の回転が、回転の方向に応じて引っ張りまたは圧縮のいずれかである平面力を試料に作用させることができる。

好都合なことに、装置が試料とともに使用されるとき、出力回転部材の回転速度を変更することによって、歪み速度を調整することができ、複数の接続点が存在するのであればどの接続点に剛体接続手段を連結するかを変更することによって、試料において種々の異なる歪み経路を実現することができる。歪み経路を、複数の接続手段の長さを変更することによって変更することも可能である。例えば、複数の接続手段の各々は、異なる長さであってもよい。この装置は、種々の異なる歪み経路を試料に適用するように構成することが可能である。この装置によって適用することができ、成形限界線図（ＦＬＤ）の決定に典型的に使用される５つの歪み経路は、一軸、一軸〜平面歪み、平面歪み、平面歪み〜二軸、および二軸である。とくには、装置を、ＦＬＤの決定に重要な一軸、平面歪み、および二軸歪み経路を適用するように構成することができる。

好ましくは、試料に加えられる力は二軸であるが、随意により、力は、複数の接続点に対する剛体接続手段の特定の配置および接続手段自体の長さに依存して、別の多軸の力または一軸の力であってよい。この装置は、入力された一軸の力または回転力を二軸などの多軸の出力へと変換することができる。好都合なことに、この装置は、従来からの一軸の引っ張りまたは圧縮装置を使用して試料に二軸の力を加えることを容易にすることができる。これは、伝統的な二軸試験機構と比較して、二軸加力試験のコストおよび複雑さを低減することができる。さらに、この装置は、同様の荷重能力を有する他のリンク機構よりもはるかに小さくできるため、有利である。

この構造は、試料への平面力の印加およびこの試料における複数の歪み経路の実現を容易にする。したがって、装置を、成形限界線図（ＦＬＤ）を決定するために好都合に使用し、上述した伝統的なＦＬＤの決定方法に関連する問題を克服することができる。例えば、第１の態様の装置は、歪み経路が試料の寸法とは無関係である材料試験を可能にすることができ、試験結果に影響を及ぼす摩擦の作用を防止することができる。さらに、装置を、材料の機械的挙動（疲労、クリープ、弾塑性挙動、降伏条件、または硬化法則、など）を調査するためにも使用することができる。好都合なことに、第１の態様の装置は、伝統的な二軸平面試験装置よりも単純で安価な装置とすることができる。

有利には、この装置は、試料の各々の端部に等しい力を加えることを可能にすることにより、材料のより正確な試験を容易にすることができる。多くの従来からの二軸装置は、４つではなく２つのアクチュエータしか使用しないため、引っ張り試験の最中に試料の変形が生じると、試料の中心点が変化する。これは、得られる結果の精度に影響を及ぼす可能性がある。第１の態様の装置は、４つの別々のアクチュエータのコストを必要とせずに、試料のすべての端部に力を加えて一様な変形を保証することを可能にすることによって、この問題の克服を助けることができる。

随意により、装置は、出力回転部材に結合した駆動シャフトをさらに備えることができる。これにより、例えばモータまたは他の駆動力による出力回転部材の回転を容易にすることができる。随意により、装置は、駆動シャフトに結合した入力回転部材をさらに備える。

随意により、装置は、出力回転部材を回転させるように構成された剛体駆動部材をさらに備える。この構成は、従来からの一軸試験機またはその他の一軸の力の発生源による装置の使用を容易にすることができる。出力部材を回転させるように構成された剛体駆動部材に直線力を加えて、直線運動を二軸の運動に変換することができる。剛体駆動部材は、出力回転部材に直接的に結合しても、間接的に結合してもよい。例えば、剛体駆動部材を、駆動シャフトまたは入力回転部材に結合させ、出力回転部材を回転させるべく駆動シャフトを回転させるように構成することができる。

好ましい実施形態において、出力回転部材は、円板状である。この構造は、より軽量でよりコンパクトな装置を容易にする。好ましくは、接続点は、出力回転部材の一平面に分布している。出力回転部材が円板である場合、接続点は、円板の一平面に分布する。あるいは、接続点は、出力回転部材のその他の形状の一平面に分布してもよい。好ましくは、接続点は、接続点への剛体接続手段のより容易な結合および平面力の印加を容易にするために、出力回転部材の平坦な表面上に分布する。

好ましい実施形態において、出力回転部材の一平面は、出力回転部材の回転軸に垂直である。好ましくは、複数のガイド部材の各々は、出力回転部材の回転軸に垂直な方向に延びる。より好ましくは、各々のガイド部材は、そのガイド部材に隣接するガイド部材に対して垂直に延びる。好ましい実施形態において、複数のガイド部材は、出力回転部材の一平面に平行な平面を定める。この構造は、二軸の力が平面配向で試料に加えられるコンパクトな装置を容易にすることができるので、有利である。これは、成形限界線図の決定において重要であり、なぜならば、試料が曲がると材料試験に影響が及ぶ可能性があるからである。さらに、平面配向での力の印加は、ねじり力を防止することによって装置のコンポーネントの疲労を低減することができる。

随意により、各々のガイド部材は、互いに平行に向けられた２つのレールを備える。この構成は、試料ホルダを試料ホルダの幅よりも長くにわたって保持することによって試料ホルダの安定性の向上を容易にできる一方で、単一の部品で形成される同等のガイド部材と比べて装置の重量を低減する。

第１の態様の装置は、比較的単純な構成を有し、従来からの試験機上で利用可能な限られたスペース内で使用可能であるため、好都合である。さらに、試料の変形の有効歪み速度は、装置の平面構成ゆえに試験の最中に一定である。加えて、ＦＬＤを決定する従来からの方法における問題である装置と試料との間の摩擦の影響が、回避される。

好ましくは、装置を、試料を含むシステムにおいて使用することができ、試料は複数の試料ホルダによって保持される。随意により、システムは、装置を収容する環境チャンバをさらに備える。好ましくは、システムは、試料の温度を制御するための温度制御部をさらに備える。温度制御部は、試料自体の温度、または環境チャンバ内の周囲温度を制御することができる。

この構成は、ＨＦＱ成形プロセスを模擬するやり方での試料の加熱および冷却を可能にするだけでなく、その後に装置を使用して試料について材料延伸試験を実行しつつ試料の全体にわたって等温温度を維持することも可能にすることによって、成形限界線図（ＦＬＤ）の決定を容易にすることができる。これを、装置が環境チャンバ内に収容されるとき、環境チャンバ内に等温環境を維持することによって達成することができる。あるいは、環境チャンバを備える実施形態において、チャンバ内の環境は制御されず、試料の温度が直接制御される。

好ましくは、温度制御部は、環境チャンバにおいて試料の高温形成および低温急冷を模擬するために、試料の加熱速度およびその後の試料の冷却速度を制御するように構成される。これは、製造時に金属薄板について使用される成形プロセスに適用可能な条件で、試料によって代表される金属薄板のＦＬＤの決定を容易にできるため、好都合である。これにより、決定されるＦＬＤが金属薄板の挙動を反映することを保証でき、製造時の金属薄板の割れおよび破壊による材料の浪費が低減され、したがってコストが削減される。

随意により、システムは、試料の歪みおよび／または試料に印加される力を測定するように構成された測定システムをさらに備える。随意により、システムは、試料に印加される力を検出するように構成された少なくとも１つのセンサをさらに備える。いくつかの実施形態において、力センサは、装置の複数のスライド要素に組み込まれ、試料に加えられる力を検出するように構成される。随意により、システムは、試料の歪みを検出するように構成されたセンサを備える。例えば、歪みを検出するように構成されたセンサは、例えばカメラなど、デジタル画像相関を実行するように構成されたセンサであってよい。力および／または歪みの測定は、試料によって代表される金属薄板のＦＬＤを生成するために必要なデータ点の決定を可能にすることができる。

第２の態様によれば、試料に力を印加するための方法であって、
複数の接続点を備えている出力回転部材と、
各々が第１の端部および第２の端部を備えており、第１の端部は出力回転部材の複数の接続点のうちの１つに枢動可能に連結される複数の剛体接続手段と、
複数のガイド部材と、
各々がガイド部材のうちの１つにスライド可能に取り付けられるとともに複数の接続手段のうちの１つの第２の端部に枢動可能に連結される複数の試料ホルダと
を備える装置を用意するステップと、
試料を用意し、試料を複数の試料ホルダで保持するステップと、
出力回転部材を回転させて試料に力を印加するステップと、を含む方法が提供される。

第２の態様の装置は、第１の態様の装置の特徴のいずれも、単独または互いに組み合わせて備えることができる。試料ホルダは、クランプまたは把持によって試料を保持することができる。あるいは、試料を、例えばねじ、ボルト、またはピンなどの固定手段によって試料ホルダに固定することができる。好ましくは、固定手段のせん断強度は、装置によって試料に加えられる力よりも大きくなければならない。

好ましい実施形態において、回転させるステップは、出力回転部材を回転させるように配置された剛体駆動部材に直線力を印加するステップを含む。例えば、出力回転部材を、出力回転部材の回転方向に応じて試料に二軸の引っ張りまたは圧縮力を加えるように従来からの一軸試験機によって回転させることができる。

好ましくは、この方法は、試料の温度を制御するステップをさらに含む。随意により、装置が環境チャンバに収容される場合、試料の温度を制御するステップは、試料を収容した環境チャンバ内の温度を制御するステップ、または試料の温度を直接制御するステップを含むことができる。装置および試料が環境チャンバなしで使用される場合、温度を制御するステップは、試料の温度を直接制御するステップを含む。試料の直接の加熱または冷却は、装置が成形限界線図の決定時に室温で行われてもよく、したがって装置のコンポーネントの強度への高い温度または低温急冷の影響を考慮する必要がないため、好都合である。

好ましくは、試料の温度を制御するステップは、環境チャンバ内で試料の高温成形および低温急冷を模擬するように試料の加熱速度およびその後の試料の冷却速度を制御するステップを含む。好ましくは、この方法は、試料の歪みおよび／または試料に印加される力を測定するステップをさらに含む。第１の態様の装置は、従来からの面外および面内ＦＬＤ決定方法を使用したのでは行うことはきわめて困難な試料の時間依存性の歪みおよび変形履歴の決定を容易にする。したがって、第２の態様の方法は、金属薄板が製造時に典型的に被る高温成形および低温急冷プロセスに適用可能な条件下での金属薄板のＦＬＤの正確な決定を容易にすることができる。

さらに、この方法は、これらに限られるわけではないがアルミニウム合金、マグネシウム合金、およびホウ素鋼を含む幅広い範囲の金属薄板のＦＬＤを決定するために使用できるので、好都合である。好都合なことに、同じ装置および方法を、あらゆる材料について改変することなく使用することができ、試料自体を変更するだけでよい。

次に、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して説明する。

本発明の好ましい実施形態による装置の上面図である。 図１に示した好ましい実施形態の装置の線Ａ−Ａに沿って得た側面図である。 本発明の好ましい実施形態による装置の底面図である。 装置とともに使用するための試料の上面図である。 図３に示した試料と併せた本発明の好ましい実施形態の装置の斜視図である。 本発明の一実施形態による装置を含むシステムの概略図である。 装置の動作の最中の第１の時点における装置の各コンポーネントの位置を説明する装置の斜視図である。 装置の動作の最中の第２の時点における装置の各コンポーネントの位置を説明する装置の斜視図である。 好ましい実施形態の装置の種々の動作モードを示している。 好ましい実施形態の装置の種々の動作モードを示している。 好ましい実施形態の装置の種々の動作モードを示している。 好ましい実施形態の装置の種々の動作モードを示している。 好ましい実施形態の装置の種々の動作モードを示している。

図１Ａを参照すると、好ましい実施形態による二軸加力装置１００の平面図が示されている。装置１００は、出力回転部材１０２と、複数の接続点１０４と、複数の剛体接続手段１０６と、複数のガイド部材１０８と、複数の試料ホルダ１１０とを備える。装置１００は、複数の試料ホルダ１１０によって所定の位置に保持された試料（図示せず）に二軸の力を加えるように設計されている。装置１００を、小さな寸法となるように形成することができ、例えば、装置は、２５０ｍｍ×２５０ｍｍ×１００ｍｍであってよく、８０ｋＮの負荷容量を有することができる。あるいは、装置は、より実質的な材料の試料を収容するために、これよりも大きくてよく、もしくは装置を、上記の寸法よりも小さく形成することができる。装置の負荷容量は、装置のコンポーネントの強度に依存する。

装置１００の好ましい実施形態においては、４つの試料ホルダ１１０が存在し、各々が４つのガイド部材１０８のうちの１つに取り付けられている。試料ホルダ１１０は、２つのペアにて配置されている。試料ホルダ１１０の各ペアは、軸に沿って配置され、試料ホルダ１１０の２つのペアの各ペアが位置する軸は、互いに直交している。４つのガイド部材１０８の各々は、隣接する２つのガイド部材に対して垂直に延びている。４つのガイド部材１０８は、試料ホルダ１１０の整列の軸によって画定される平面に平行な平面内に位置するように配置される。この配置は、平面内の二軸の力の試料への印加を容易にし、試料ホルダ１１０の各ペアが、装置の使用時に１つの軸に沿って試料に力を印加することができる。

この好ましい実施形態において、複数のガイド部材１０８の各々は、互いに平行に並べられた２つのレールを備える。試料ホルダ１１０は、きわめて低い摩擦でガイド部材のレールに沿って前後にスライドすることができるように、それぞれのガイド部材１０８に摺動可能に取り付けられている。他の実施形態において、各々のガイド部材は、１つのレールのみを備えてもよく、あるいは３つ以上のレールを備えてもよい。あるいは、ガイド部材１０８は、試料ホルダ１１０のスライドを容易にするその他の形状であってよい。

好ましい実施形態において、出力回転部材１０２は、円板の形状を有するように形成され、複数の接続点１０４が、円板の表面上の平面内に分布する。この実施形態においては、少なくとも４つの接続点が存在する。複数の剛体接続手段１０６の各々は、第１の端部において接続点１０４のうちの１つへと枢動可能に連結され、第２の端部において試料ホルダ１１０のうちの１つに枢動可能に連結される。明らかに、この好ましい実施形態においては、４つの剛体接続手段１０６が存在する。接続点１０４は、例えばボルトまたはねじを受け入れるためのねじ穴であってよく、あるいはプッシュ固定用のねじ山のない穴であってよい。あるいは、剛体接続手段を出力回転部材へと枢動可能に連結するために適したその他の形態の接続点を、使用することができる。

いくつかの実施形態においては、２つの試料ホルダおよび２つの接続手段のみが存在してもよく、装置を、二軸の力ではなく一軸の力を印加するように構成することができる。あるいは、装置は、試料に所望の歪み経路を印加するために必要なその他の数の試料ホルダおよび接続手段を有することができる。

好ましくは、所望の歪み経路を実現するために、接続手段を複数の接続点のうちの異なる接続点へと接続することにより、接続手段を異なる構成に設定することができるように、接続手段よりも多数の接続点が存在する。例えば、一軸、一軸〜平面歪み、平面歪み、平面歪み〜二軸、および二軸歪みのすべてを、接続手段が複数の接続点のうちのどの接続点に連結されるかを調整することにより、装置によって達成することができる。例えば、図１Ａに示されるように、複数の接続点１０４は、出力回転部材１０２の全体に分布し、接続手段１０６よりも多数の接続点１０４が設けられ、接続手段１０６の構成の変更を可能にする。

図１Ｂを参照すると、好ましい実施形態の装置１００の側面図が示されている。図１Ｂから、装置１００が、駆動シャフト１１２および入力回転部材１１４をさらに備えることを、見て取ることができる。出力回転部材１０２は、駆動シャフト１１２に結合し、この駆動シャフト１１２は、入力回転部材１１４に結合している。駆動シャフト１１２は、この好ましい実施形態においては出力回転部材１０２の平面に対して垂直に向けられた回転軸１１８を有する。また、出力回転部材１０２の平面は、ガイド部材１０８が延びる平面に平行である。

図２が、この実施形態の入力機構を示す装置１００の斜視図を示している。図２を参照すると、装置１００が、剛体駆動部材１１６をさらに備えることを、見て取ることができる。剛体駆動部材１１６の第１の端部が、入力回転部材１１４に枢動可能に連結され、剛体駆動部材１１６の第２の端部が、一軸試験機の可動顎部１２０に直接連結される。顎部１２０は、装置１００の一部ではない。

使用時に、可動顎部１２０は、直線状の様相で移動し、駆動部材１１６を変位させる。駆動部材１１６の変位は、入力回転部材１１４を回転させ、この入力回転部材１１４が、駆動シャフト１１２を回転させる。駆動シャフト１１２は、回転軸１１８を中心にして回転することによって、駆動シャフト１１２に結合した出力回転部材１０２を回転軸１１８を中心にして回転させる。これにより、剛体接続手段１０６が、出力回転部材１０２の回転方向に応じて、複数の試料ホルダ１１０を回転軸１１８から遠ざかる方向に押し、あるいは試料ホルダ１１０を回転軸１１８の方向に引っ張る。この好ましい実施形態において、駆動シャフト１１２、出力回転部材１０２、および入力回転部材１１４はすべて、回転軸１１８を中心にして回転する。

他の実施形態においては、出力回転部材を、異なる機構によって駆動することができる。例えば、駆動部材を、出力回転部材に直接結合させ、移動する顎部１２０によって駆動することができる。あるいは、駆動部材を、異なる機構によって駆動することができる。さらに他の実施形態において、装置は、出力回転部材を駆動するように構成された駆動部材を備えなくてもよく、代わりに、出力回転部材を、別の手段によって駆動することができ、例えばモータを、駆動軸を直接回転させるように配置することができる。

図３を参照すると、装置１００と組み合わせて使用するための典型的な試料３００が、十字形の形状を有している。これは、装置の好ましい実施形態の直角をなすように向けられた試料ホルダ１１０のペアへの試料の取り付けを容易にする。試料３００は、十字形の角における応力集中を低減するためのフィレット３３４と、印加される荷重を試験領域３３０へとより一様に分布させるように機能するスロット３３２とを有する。試験領域３３０の厚さ（ゲージ）は、試料とともに装置を使用したときに引き起こされるネッキングまたは破壊などの主要な塑性変形が、試料３００の試験領域３３０において生じることを保証するために、減らされている。種々の金属の成形限界線図を決定するために、異なる幾何学的形状および材料の試料を使用することができる。

試料３００は、取り付け手段３３６を介して試料ホルダ１１０に取り付けられる。試料３００と試料ホルダ１１０との間の取り付けが、図４を参照して説明される。図４に示される実施形態において、試料ホルダ１１０の各々は、天板４２２を備える。試料３００は、天板４２２の下方に配置され、天板４２２は、固定手段が試料３００の取り付け手段３３６を通過するように、試料ホルダ１１０の本体に固定される。固定手段は、ボルトまたはねじ、あるいはその他の適切な固定手段であってよい。他の実施形態において、試料ホルダ１１０は、天板４２２を備えなくてもよく、代わりに、クランプまたは把持装置によって試料３００を保持することができる。あるいは、試料３００に変形力を加えることができる限りにおいて、試料を試料ホルダに固定するその他の適切な手段を使用することができる。

装置１００は、ガイド部材１０８に沿った試料ホルダ１１０の変位を制限するストッパ４２４をさらに備えることができる。したがって、剛体接続手段１０６の長さおよびそれらの接続点１０４は、必要な歪みおよび歪み経路が試料ホルダ１１０の限定された移動範囲内で試料３００内に生成されるように調整されるべきであり、試料ホルダ１１０がストッパ４２４に到達した後には、試料３００を変形させるべく装置によって試料３００にそれ以上の力を加えることができない。

装置は、ベースプレート１２６をさらに備えることができる。ベースプレート１２６は、ストッパ４２４および／またはガイド部材１０８などの装置のコンポーネントをしっかりと取り付けることができる剛体プレートであり得る。ベースプレート１２６は、好ましくは、例えば試料ホルダ１１０をガイド部材１０８に沿って滑ることがないように固定するためのさらなる固定点を有する。例えば、ベースプレートは、各々の試料ホルダを１つ（または複数）の固定点に結合させることができるように配置された複数の固定点を備えることができる。この配置は、試料内に異なる歪み経路を生成するうえで有用となり得る。１つ以上の試料ホルダを、固定点に結合させることができる。あるいは、二軸の歪み経路が適用される場合、試料ホルダのいずれも、ベースプレートに結合されない。すべての試料ホルダがベースプレートに結合されている場合、試料ホルダは、ガイド部材に沿ってスライドすることがなく、したがって、試料ホルダに保持された試料に力が加えられないことを、理解すべきである。試料ホルダ１１０は、ベースプレート１２６への試料ホルダ１１０のボルトによる固定またはねじ込みを容易にするために、ねじ穴を有してもよい。あるいは、試料ホルダ１１０を、その他の適切な固定手段によってベースプレート１２６に取り付けることができる。

いくつかの実施形態においては、図５に示されるように、上述の装置１００を環境チャンバ５００内に収容するシステムが提供される。随意により、システムは、温度フィードバック制御システム５５０および測定システム５５８の一方または両方をさらに備えることができる。環境チャンバ５００は、試料３００の変形が生じ得る等温環境を提供する。市販の環境チャンバを使用することができる。環境チャンバ内の温度を制御することができ、あるいは環境チャンバ内の実際の試料の温度を、環境チャンバ内の周囲温度とは無関係に制御することができる。

他の実施形態において、装置は、図５に示されるような環境チャンバ内には収容されていない。代わりに、装置１００と試料３００とを含むシステムが提供され、試料は、試料ホルダ１１０によって所定の位置に保持される。試料３００の温度を、例えばＨＦＱによる材料の成形時に被る加熱および冷却プロセスを模擬する温度が試料に適用された後に、試料の温度が等温であるように制御することができる。

閉ループ温度フィードバック制御システム５５０を、（試料が環境チャンバ内にあるとき、および環境チャンバ内にないときの両方において）試料自体の温度を制御し、あるいは環境チャンバ内の温度を制御するために使用することができる。例えば、熱電対または赤外線パイロメータなどの他の温度センサ５５２を、試料３００に組み込むことができ、あるいは試料３００の近傍に配置することができる。温度センサ５５２の検出結果を、温度制御システム５５０へとフィードバックすることができ、検出結果に基づいて温度を調整することができる。これに代え、あるいはこれに加えて、温度センサ５５４を使用して、環境チャンバ５００内の周囲温度を感知することができる。温度センサ５５４の検出結果を、温度制御システム５５０へともたらすことができ、それに応じてチャンバ５００内の温度を調整することができる。

いくつかの実施形態においては、自動電子制御システムを使用して、温度プロファイルをプログラムし、あるいは他のやり方で定義することができる。これを、上述の温度フィードバック制御システム５５０に統合することができる。プログラムされた温度と温度の検出結果との間の比較を、試料の温度がプログラムされた温度に従って調整されるように、温度制御部への入力を自動的に調整するために使用することができる。例えば、温度制御システム５５０は、高温成形および低温急冷の製造プロセスにおいて体験される温度および温度の変動を再現することができる。このようにして、試料の温度履歴を制御することができる。

装置１００を使用して試料に二軸の力を印加する方法を、図６Ａおよび図６Ｂを参照して説明する。図６Ａは、第１の時点Ｔ１における装置１００のコンポーネントの位置を示す。使用時に、例えば図３を参照して説明した試料などの試料が、例えば図４に示されるように、試料ホルダ１１０に備えられる。

好ましい実施形態においては、出力回転部材を、駆動部材１１６に加えられる一軸の力によって回転させる。一軸の力は、従来からの一軸試験機の可動顎部１２０の直線的な変位によってもたらされる。この一軸の力は、入力回転部材１１４を回転させ、この入力回転部材１１４は、この入力回転部材１１４に結合した駆動シャフト１１２を回転させる。駆動シャフトが回転すると、駆動シャフトは、駆動シャフトに結合した出力回転部材を回転させる。これら３つのコンポーネントのすべてが、回転軸１１８を中心にして回転する。図６Ｂに示されている時点Ｔ２において、出力回転部材１０２は、図６Ａに示されているとおりの時点Ｔ１における位置から回転軸１１８を中心にして約３０度回転している。出力回転部材１０２の回転により、出力回転部材１０２の接続点１０４に枢動可能に連結された剛体接続手段１０６が、試料ホルダ１１０をガイド部材１０８に沿ってスライドさせる。この移動により、試料ホルダ１１０に固定された試料に力が加えられる。

時点Ｔ２は、時点Ｔ１よりも早くても、遅くてもよい。出力回転部材１０２が回転軸１１８を中心にして時計回り（装置を図６Ａのように上方から見たとき）に回転する場合、Ｔ２は時点Ｔ１よりも遅く、試料に加えられる力は引っ張りである。あるいは、出力回転部材１０２が回転軸１１８を中心にして反時計回りに回転する場合、Ｔ２は時点Ｔ１よりも早く、試料に加えられる力は圧縮である。

装置１００が図５を参照して説明したシステムに組み込まれる場合、材料の破壊に関する情報を、高温成形および低温急冷の製造プロセスを模擬するように試料を加熱および冷却した後に、（図６Ａおよび図６Ｂを参照して）上述した方法によって試料３００に二軸の平面の力を加えることによって得ることができる。したがって、成形限界線図を決定するための試験を、一定の高められた試料温度で行うことができ、試料の温度は、図５を参照して上述したように、温度制御システム５５０によって制御される。

試料３００を、さまざまな方法で直接加熱することができる。例えば、試料３００を加熱する以下の方法、すなわち、２つの電極を通して試料に電流を印加する抵抗加熱、電磁場を使用して試料内に生じる渦電流によって試料を加熱する誘導加熱、および試料が熱伝導性材料との直接接触によって加熱される熱伝導加熱、のうちの１つ以上を使用することができる。熱伝導性材料は、炉またはその他の方法によって加熱されてよい。あるいは、試料を加熱するその他の可能な方法を使用することができる。

試料３００を冷却する方法は、対流冷却または伝導冷却のうちの１つ以上を含むことができるが、試料３００の冷却は、これらの方法に限定されない。冷却速度は急速でなければならず、なぜならば、これがホットスタンピングおよび低温ダイ急冷プロセスにとって重要な条件であるからである。対流冷却においては、試料が、空気、ガス冷却剤、水、またはミスト散布の制御された流れに曝され、これは単純であるが、信頼性の低い冷却方法である。伝導冷却においては、試料から熱伝導性材料へと熱伝導が生じるように、試料を熱伝導性材料に直接接触させる。

装置１００の動作時に試料３００へと加えられる力は、力センサによって測定される。力センサ１２８を、例えば図１および図５に示されるように、複数の試料ホルダ１１０のうちの１つに埋め込むことができる。あるいは、力センサ１２８を、試料に加えられる力の測定に適したシステム内の任意の場所に配置することができる。

試料ホルダ１１０を向かい合う試料ホルダからなる２つのペアへと配置し、各ペアを他方のペアに対して直角をなすように向け、４つの試料ホルダのすべてを一平面に配置することで、好ましい実施形態の装置１００の使用時に、試料３００の各々の端部への力の印加が容易になる。各々の試料ホルダ１１０を、出力回転部材１０２の回転時にガイド部材１０８に沿って同じ距離だけ移動するように構成することができるため、試料３００の各々の端部が、試料３００を保持する試料ホルダ１１０のスライドによって各々の方向に同じ距離だけ（装置が圧縮または引っ張りのどちらで動作しているかに応じて）押され、あるいは引っ張られる。したがって、試料３００の変形の最中においても、歪み速度が一様であり、中央の試験領域３３０は試料３００の中心に位置したままである。

さらに、この構成は、出力回転部材１０２を一定の速度で回転させる場合、試料３００への一定の歪み速度の印加を容易にすることができる。歪みセンサ５５６を使用して、装置１００の動作時に試料３００が被る歪みが計算される。好ましい実施形態において、歪みセンサ５５６は、デジタル画像相関（ＤＩＣ）を使用する。変形前の試料３００の試験領域３３０に（確率的な）スペックルパターンを吹き付けることができ、後の試料の変形中のパターン内のスペックルの移動を追跡するために、カメラが使用される。次いで、カメラからの画像を分析して、材料試料の変形履歴を決定することができる。あるいは、歪みセンサ５５６は、例えば試料の１つ以上の縁部の変位を測定するように配置された１つ以上の線形ポテンショメータなど、別の種類のセンサであってよい。

好ましい実施形態の装置によって提供される平面の試験の構成は、試料の変形履歴全体の記録を容易にするが、対照的に、従来からの面外および面内の方法を用いると、時間に依存した試料における歪みの測定は、きわめて困難である。

力および／または歪み速度を割り出すその他の適切な方法も、使用することができる。力センサ１２８および／または歪みセンサ５５６の検出結果は、好ましい実施形態の装置１００によって平面の二軸の力が加えられる試料の変形プロセスの最中に測定システム５５８によって測定される。これは、金属薄板の製造プロセスを模擬する条件下での試料材料の成形限界線図の決定を容易にする。

上述したように、好ましい実施形態の装置１００を、接続手段１０６の長さおよび接続点を変えることによって、種々の歪み経路を試料３００へと印加するために使用することができる。これらの種々の歪み経路、すなわち一軸、一軸〜平面歪み、平面歪み、平面歪み〜二軸、および二軸を、図７Ａ〜図７Ｅを参照して以下で説明する。図７Ａ〜図７Ｅの各々は、各々の歪み経路における装置１００の概要（図の左側）と、試料３００が被る力の方向（図の右側）とを示している。これらの例において、試料３００（図示せず）の端部は、図７Ａ〜図７Ｅに示されている試料ホルダ１１０の各々によって保持される。

一軸歪みを達成するために、２つの対向する試料ホルダが、出力回転部材１０２から切り離され、試料は、接続手段によって出力回転部材へとそれぞれ接続された残りの２つの対向する接続された試料ホルダ１１０によってのみ保持される。したがって、装置の使用時に、出力回転部材１０２が回転すると、力は、（図７Ａに示されるように）試料の２つの対向する端部にのみ印加される。

平面歪みは、２つの切り離された試料ホルダをベースプレート１２６に固定することによって達成することができる。試料ホルダ１１０を、ボルトまたはねじ、あるいは他の固定手段によって固定することができる。切り離された試料ホルダ１１０を、ガイド部材１０８に沿った摺動を防止するその他のやり方で固定することもでき、例えばガイド部材１０８自体に固定することが可能である。２つの接続された試料ホルダ１１０は、一軸歪みの印加の場合と同様に、依然としてガイド部材に沿って自由にスライドすることができる。しかしながら、平面の歪み経路を形成するために、試料は、４つの試料ホルダ１１０のすべてによって所定の位置に保持される。したがって、試料が一軸歪みの状況と同じやり方で変形することが防止され（図７Ｃ）、例えば試料が印加力の方向に垂直な方向において細くなることが、対向する固定された試料ホルダ１１０のペアによって防止される。平面歪みにおいては、固定された試料ホルダ１１０によって試料へと加えられる引っ張り力が、２つの接続されたスライドする試料ホルダに垂直な方向において試料が細くなることに対抗する。

二軸の加力においては、４つの試料ホルダ１１０のすべてが、好ましくは等しい長さの接続手段１０６によって出力回転部材１０２に接続され、各々の試料ホルダ１１０が試料の端部を保持する（図７Ｅ）。

本発明の可能性が、図７Ｂに示されている。４つの試料ホルダ１１０のすべてが、出力回転部材１０２に接続され、各々の試料ホルダ１１０は、試料の端部を保持する。しかしながら、接続手段１０６の長さおよび向きは、図７Ａの一軸の場合ほどには試料が引き伸ばされることがないが、平面歪みの場合のように試料の４つの端部のうちの２つが固定に保持されることがないように、調整される。例えば、対向する接続手段１０６の第１のペアは、対向する接続手段１０６の第２のペアよりも短く、第２のペアが試料へと引っ張り力を加えるときに試料の圧縮を制御するために、第１のペアに対して反対の方向に向けられている（図７Ｂ）。

平面歪みと二軸歪みとの間および一軸と平面歪みとの間の中間の歪み経路が、図７Ｄに示される。４つの試料ホルダ１１０のすべてが、出力回転部材１０２に接続され、各々の試料ホルダ１１０は、試料の端部を保持する。しかしながら、接続手段１０６の長さおよび向きは、直交する方向に同じではない引っ張りの二軸の力を印加するように調整される。例えば、対向する接続手段１０６の第１のペアが、対向する接続手段１０６の第２のペアよりも短い（図７Ｄ）。一軸〜平面歪みの場合、２つの対向する試料ホルダ１１０によって試料に加えられる引っ張り力は、他の２つの対向する試料ホルダ１１０の変位に起因して試料が細くなることを防止するために必要な力よりも小さい。したがって、試料への全体としての力は、一方の軸に沿って圧縮性であり、もう一方の軸に沿って引っ張り性である。平面〜二軸歪みの場合、対向する試料ホルダ１１０の一方のペアによって試料に加えられる力は、対向する試料ホルダ１１０の他方のペアによって加えられる力よりも小さいが、試料が細くなることを防止するために必要な力よりも大きい。したがって、試料への力は、全方向に引っ張り性である。これら２つの異なる中間の歪み経路を達成するために、異なる接続点および異なる長さの接続手段が使用される。

図７Ａ〜図７Ｅによって示されるように、同じ装置で上述の歪み経路（一軸、一軸〜平面歪み、平面歪み、平面歪み〜二軸、および二軸）のうちの２つ以上を達成するために、接続手段１０６の数よりも多くの接続点１０４が設けられることが好ましい。例えば、接続手段１０６は、それぞれ二軸歪みならびに平面歪みと二軸歪みとの間の中間の歪み経路の試料への印加を可能にするために、図７Ｅおよび図７Ｄにおいて異なる接続点１０４に連結される。このように、２つ以上の異なる歪み経路の実現を可能にするための装置の構成の変更を、装置のいずれのコンポーネントの交換または除去も必要とすることなく容易にすることができる。

上述したように、装置１００は、試料３００における線形歪み経路、試料３００の試験領域３３０における等温温度分布、および試料の変形中の一定の歪み速度を容易にする。環境チャンバ５００の有無に関わらず、上述のシステムは、これらの状態の正確な制御も容易にする。線形歪み経路を、接続手段１０６の異なる長さおよび組み合わせを使用し、それらを異なる接続点１０４に接続することによって、制御することができる。試料３００の温度、すなわち加熱および冷却の温度プロファイルならびにその後の等温温度の両方を、フィードバック制御システム５５０によって制御することができる。出力回転部材１０２の回転を制御することにより、変形中の試料への一定の歪み速度の印加が可能になる。

他の変形および修正が、当業者にとって明らかであろう。そのような変形および修正は、本明細書に記載された特徴に代え、あるいは本明細書に記載された特徴に加えて使用することができる既知の同等な他の特徴を含むことができる。別々の実施形態の文脈において説明された特徴を、単一の実施形態において組み合わせて備えてもよい。反対に、単一の実施形態の文脈において説明された特徴を、別個に備えても、任意の適切な部分的組み合わせにて備えてもよい。

用語「・・・を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、他の要素またはステップを排除するものではなく、用語「ａ」または「ａｎ」は、複数を排除するものではなく、単一の特徴が、特許請求の範囲に詳述したいくつかの特徴の機能を満たしてもよく、特許請求の範囲における参照符号を、特許請求の範囲の技術的範囲を限定するものとして解釈すべきではないことに、注意すべきである。図面は必ずしも縮尺どおりではなく、むしろ一般的に、本開示の原理を説明することに重点が置かれていることに、注意すべきである。

本発明へとつながる研究は、欧州連合第７フレームワーク計画（ＦＰ７／２００７−２０１３）からの資金提供を、交付契約番号６０４２４０のもとで受けている。

Claims (29)

1. 試料に力を印加するための装置であって、
   複数の接続点を備えている出力回転部材と、
   各々が第１の端部および第２の端部を備えており、前記第１の端部は前記出力回転部材の前記複数の接続点のうちの１つに枢動可能に連結される複数の剛体接続手段と、
   複数のガイド部材と、
   各々が前記ガイド部材のうちの１つにスライド可能に取り付けられるとともに前記複数の接続手段のうちの１つの前記第２の端部に枢動可能に連結される複数の試料ホルダと、を備える装置。
2. 前記出力回転部材に結合した駆動シャフトをさらに備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記駆動シャフトに結合した入力回転部材をさらに備える、請求項２に記載の装置。
4. 前記出力回転部材を回転させるように構成された剛体駆動部材をさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記出力回転部材は、円板である、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 第１の数の接続点および第２の数の剛体接続手段が存在し、前記第１の数は前記第２の数よりも大きい、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記接続手段は、２つ以上の異なる歪み経路を試料へと印加するために、前記複数の接続点のうちの異なる接続点に連結されるように構成されている、請求項６に記載の装置。
8. 剛体ベースプレートをさらに備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記複数のガイド部材は、前記ベースプレートに結合される、請求項８に記載の装置。
10. 前記ベースプレートは、前記試料ホルダに結合するように配置された複数の固定点を備える、請求項８または９に記載の装置。
11. 前記接続点は、前記出力回転部材の一平面に分布している、請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記出力回転部材の前記一平面は、前記出力回転部材の回転軸に垂直である、請求項１１に記載の装置。
13. 前記複数のガイド部材の各々は、前記出力回転部材の回転軸に垂直な方向に延びる、請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 各々のガイド部材は、前記ガイド部材に隣接するガイド部材に垂直に延びる、請求項１から１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 前記複数のガイド部材は、前記出力回転部材の前記一平面に平行な平面を定める、請求項１から１４のいずれか一項に記載の装置。
16. 各々のガイド部材は、互いに平行に向けられた２つのレールを備える、請求項１から１５のいずれか一項に記載の装置。
17. 請求項１から１６のいずれか一項に記載の装置を備えるシステムであって、
    前記複数の試料ホルダに保持された試料をさらに備えるシステム。
18. 前記装置を収容する環境チャンバをさらに備える、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記試料の温度を制御するための温度制御部をさらに備える、請求項１７または１８に記載のシステム。
20. 前記温度制御部は、前記試料の高温成形および低温急冷を模擬するために、前記試料の加熱速度およびその後の前記試料の冷却速度を制御するように構成される、請求項１９に記載のシステム。
21. 前記試料の歪みおよび／または前記試料に印加される力を測定するように構成された測定システムをさらに備える、請求項１７から２０のいずれか一項に記載のシステム。
22. 前記試料に印加される力を検出するように構成された少なくとも１つのセンサをさらに備える、請求項２１に記載のシステム。
23. 前記試料の前記歪みを検出するように構成された少なくとも１つのセンサをさらに備える、請求項２１または２２に記載のシステム。
24. 試料に力を印加するための方法であって、
    複数の接続点を備えている出力回転部材と、
    各々が第１の端部および第２の端部を備えており、前記第１の端部は前記出力回転部材の前記複数の接続点のうちの１つに枢動可能に連結される複数の剛体接続手段と、
    複数のガイド部材と、
    各々が前記ガイド部材のうちの１つにスライド可能に取り付けられるとともに前記複数の接続手段のうちの１つの前記第２の端部に枢動可能に連結される複数の試料ホルダと
    を備える装置を用意するステップと、
    試料を用意し、前記試料を前記複数の試料ホルダで保持するステップと、
    前記出力回転部材を回転させて前記試料に力を印加するステップと、を含む方法。
25. 前記回転させるステップは、前記出力回転部材を回転させるように配置された剛体駆動部材に直線力を印加するステップを含む、請求項２４に記載の方法。
26. 前記試料の温度を制御するステップをさらに含む、請求項２４または２５に記載の方法。
27. 前記装置は、環境チャンバに収容され、前記試料の温度を制御するステップは、前記試料を収容した前記環境チャンバ内の温度を制御するステップを含む、請求項２６に記載の方法。
28. 前記試料の温度を制御するステップは、前記試料の高温成形および低温急冷を模擬するように前記試料の加熱速度およびその後の前記試料の冷却速度を制御するステップを含む、請求項２６または２７に記載の方法。
29. 前記試料の歪みおよび／または前記試料に印加される力を測定するステップをさらに含む、請求項２４から２８のいずれか一項に記載の方法。

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