JP2019035603A - 二軸面内圧縮試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】十字形状の薄板試験片に二軸の圧縮荷重を作用させる材料試験において、応力のばらつきを小さくしつつ2.5%以上の圧縮ひずみを生じさせることができる二軸面内圧縮試験方法を提供する。【解決手段】本発明に係る二軸面内圧縮試験方法は、十字形状の薄板試験片１に二軸の圧縮荷重を作用させて材料試験を行うものであって、薄板試験片１は、測定部３と、前記十字形状の各角部を円形状に切り欠いた円形切欠部７と、測定部３を囲って隣り合う円形切欠部７の中心Ｏを結ぶ各線上に複数個設けられた孔形状部９とを有し、測定部３から延出される二組の対向する片部５ａおよび片部５ｂを介して測定部３に前記二軸の圧縮荷重を作用させることを特徴とするものである。【選択図】 図１

Description

本発明は、十字形状の薄板試験片に二軸方向から圧縮荷重を作用させて材料試験を行う二軸面内圧縮試験方法に関する。

従来、金属材料の機械的特性は、一軸方向から荷重を作用させる単軸引張試験により取得されてきた。
近年、金属板材の機械的特性（材料特性）を測定する材料試験として、新たに開発された試験機により、従来の単軸引張試験に留まらず、二軸引張試験（非特許文献１）や薄板の単軸圧縮試験（非特許文献２）、さらには二軸応力試験の一形態として、一軸に引張荷重を負荷しながら、もう一軸に圧縮荷重を与える材料試験（非特許文献２）が実施可能となってきている。これらの材料試験を実施することで、それまで測定できなかった材料特性が実測可能となり、プレス成形のＣＡＥ解析の予測精度向上に寄与している。

村社聡子、桑原利彦、"二軸引張試験および面内反転負荷試験による極薄ステンレス鋼板の塑性変形挙動の測定"、日本鉄鋼協会第１５７回春季講演大会、２２（２００９）、４３９ 桑原利彦、他３名、"金属薄板の面内に引張圧縮組合せ応力を負荷する材料試験法"、塑性と加工、第４８巻、第５５８号（２００７）、ｐｐ．６３０−６３４

従来の単軸引張試験は簡易な材料評価方法ではあるが、自動車部品のプレス成形時に材料に発生する応力状態は複雑であり、単軸引張試験で表現できる応力状態とは限らない。
これに対して、非特許文献１および２に開示される各種材料試験は、より多くの応力状態を再現することが可能であるが、プレス成形時の金属薄板に生じる二軸の圧縮状態を再現する材料試験方法はこれまで知られていなかった。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、金属薄板に二軸の圧縮荷重を作用させて材料試験を行う二軸面内圧縮試験方法を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る二軸面内圧縮試験方法は、十字形状の薄板試験片に二軸の圧縮荷重を作用させて材料試験を行うものであって、前記薄板試験片は、前記十字形状が交差する測定部と、前記十字形状の各角部を円形状に切り欠いた円形切欠部と、前記測定部を囲って隣り合う該円形切欠部の中心を結ぶ各線上に複数個設けられた孔形状部とを有し、前記測定部から延出される二組の対向する前記片部を介して前記二軸の圧縮荷重を前記測定部に作用させることを特徴とするものである。

（２）上記（１）に記載のものにおいて、前記円形切欠部の半径r₁と前記測定部の幅Wとが以下の式(a)を満たすことを特徴とするものである。

（３）上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記孔形状部は、長穴または円の穴形状であり、その長軸が前記各片部に作用する圧縮荷重の方向になるように設けられ、前記穴形状の長軸長さ2r_xと短軸長さ2r_yとが以下の式（b）を満たし（2r_y/2r_x＝1が円の穴形状に相当）、かつ前記r_xと前記円形切欠部の半径r₁とが以下の式(c)を満たすことを特徴とするものである。

（４）上記（３）に記載のものにおいて、前記円形切欠部の中心を結ぶ各線上にN個（N＞１）の前記穴形状の孔形状部を設けたとき、以下の式（d）を満たすことを特徴とするものである。

本発明においては、十字形状の薄板試験片に二軸の圧縮荷重を作用させて材料試験を行うものであって、前記薄板試験片は、前記十字形状が交差する測定部と、前記十字形状の各角部を円形状に切り欠いた円形切欠部と、前記測定部を囲って隣り合う該円形切欠部の中心を結ぶ各線上に複数個設けられた孔形状部とを有し、前記測定部から延出される二組の対向する前記片部を介して前記二軸の圧縮荷重を前記測定部に作用させることにより、前記片部の重なりを防止して前記測定部に測定に必要な圧縮ひずみを生じさせるとともに、前記測定部における応力のばらつきを小さくすることができ、二軸圧縮応力状態における材料特性を精度良く測定することができる。

本発明の実施の形態に係る二軸面内圧縮試験方法に用いる十字形状の薄板試験片を説明する図である（（ａ）：全体図、（ｂ）円形切欠部および孔形状部の拡大図）。 従来の十字形状の薄板試験片と、十字形状の角部に円形切欠部のみを設けた薄板試験片を説明する図である（（ａ）：従来の薄板試験片、（ｂ）円形切欠部のみを設けた薄板試験片）。 本実施の形態に係る二軸面内圧縮試験方法に用いる二軸圧縮試験用治具の一例を説明する図である（その１）。 本実施の形態に係る二軸面内圧縮試験方法に用いる二軸圧縮試験用治具の一例を説明する図である（その２）。 実施例において、従来の十字形状の薄板試験片および円形切欠部のみを設けた薄板試験片に二軸の面内圧縮を作用させたときに測定部に生じたひずみの結果を示す図である（測定部の幅W＝60mm）。 実施例において、従来の十字形状の薄板試験片および円形切欠部のみを設けた薄板試験片に二軸の面内圧縮を作用させたときに測定部に生じたひずみの結果を示す図である（測定部の幅W＝30mm）。 円形切欠部のみを設けた十字形状の薄板試験片の測定部における応力測定誤差を示すグラフである。

本発明の実施の形態に係る二軸面内圧縮試験方法は、図１に示すような十字形状の薄板試験片１に二軸の圧縮荷重を作用させて材料試験を行うものである。そこで、まずは薄板試験片１について以下に説明する。

＜薄板試験片＞
薄板試験片１は、図１に例を示すように、十字形状であり、二軸の圧縮荷重を作用させてひずみや応力などの測定対象部位とする正方形または長方形の測定部３と、測定部３に作用する二軸の圧縮荷重の方向に測定部３から連続して延出する４つの片部５を有する（図１は正方形の例を示す）。

図１（ａ）に示す薄板試験片１においては、一対の片部５ａを介してx方向に荷重Fxを、一対の片部５ｂを介してy方向に荷重Fyを作用させることにより、測定部３に二軸の圧縮荷重を作用させることができる。

薄板試験片１には、図１に示すように、円形切欠部７と孔形状部９が設けられている。
円形切欠部７は、片部５ａと片部５ｂとが十字形状の交差する各角部（図２（ａ）において点線丸印で囲む部位に相当）を各角部を中心とする円形状に切り欠いたものである。

円形切欠部７は、一対の片部５ａと一対の片部５ｂのそれぞれを介して薄板試験片１に二軸圧縮荷重を作用させたとき、片部５ａと片部５ｂとが膨らんで角部で折り重なるのを防止するものである。これにより、材料特性の測定に要求される圧縮ひずみレベルまで薄板試験片１に二軸の圧縮荷重を作用させることができる。

孔形状部９は、測定部３を囲って隣り合う円形切欠部７の中心Ｏ（図１（ｂ）参照）を結ぶ各線上に孔形状部９の中心を配置して複数個が一列に設けられたものであり、図１の例においては、孔形状部９として、各片部５にN＝7個の長円の穴が設けられており、該長円の穴は、各片部５に荷重を作用させる圧縮方向を長軸とし、該圧縮方向に直交する方向を短軸としたものである。

孔形状部９を設けた薄板試験片１において各片部５を介して荷重を作用させると、孔形状部９同士の間に圧縮変形の伝播は集中する一方、片部５が局所的な長手方向（圧縮方向）への圧縮変形の伝播が孔形状部９により抑制される。したがって、孔形状部９の形状、個数、間隔を変更することにより、測定部３への圧縮変形の伝播を調整することができ、これにより、測定部３における局所的な応力集中を分散して応力分布を均一化することができる。

薄板試験片１においては、上記のように円形切欠部７と孔形状部９が設けられているため、測定部３は、円形切欠部７および孔形状部９の内側の領域とする。また、孔形状部９の長軸は円形切欠部７の直径以下とする。そして、測定部３の幅Wは、片部５の幅W₀と円形切欠部７の半径r₁とを用いて、W＝W₀−2r₁と与えることができる。

次に、薄板試験片１に設ける円形切欠部７と孔形状部９の好ましい形状について説明する。
まず、円形切欠部７は、その半径r₁と測定部３の幅Wとが以下の式（ａ）を満たすことが望ましい。

半径r₁が小さすぎると、測定部３における圧縮ひずみが目標とする値に達する前に片部５ａと片部５ｂの重なりが生じてしまう。そこで、片部５ａと片部５ｂとの重なりを防止するべく、円形切欠部７の半径r₁と測定部３の幅Wの比r₁/Wは、1/20以上とすることが望ましい。

一方、円形切欠部７の半径r₁が大きすぎると、片部５ａと片部５ｂとが交差する角部における重なりの防止は抑制できるが、測定部３の面積が小さくなってしまう。そのため、円形切欠部７の半径r₁と測定部３の幅Wの比r₁/Wは、1/6以下とすることが望ましく、さらに望ましくは1/7以下とする。

孔形状部９として図１に示すような長円の穴を設ける場合、孔形状部９の形状は、長軸長さ（＝2r_x）と短軸長さ（＝2r_y）との比であるアスペクト比2r_y/2r_xが以下の式（ｂ）を満たすことが好ましく、長軸長さ2r_xの1/2であるr_xと円形切欠部７の半径r₁とが以下の式(ｃ)を満たすことが好ましい。なお、2r_y/2r_x＝1が円の穴形状である。

孔形状部９のアスペクト比2r_y/2r_xが1を超える場合、すなわち、長円の穴が測定部３を囲う方向に長い場合、薄板試験片１に作用する圧縮荷重により孔形状部９が潰れやすくなってしまい、測定部３に生じる応力を分散させることができず、均一な応力分布とならない。また、孔形状部９のアスペクト比2r_y/2r_xが1/20未満の場合、圧縮荷重が作用する方向と垂直な方向（測定部３を囲う方向）に発生する圧縮変形により孔形状部９が潰れやすくなる。そのため、孔形状部９のアスペクト比2r_y/2r_xは、式（ｂ）に示すように、1/20以上、1以下とすることが望ましく、さらに望ましくは、アスペクト比2r_y/2r_xは1/5以上、1以下とする。

また、孔形状部９の長軸長さの1/2であるr_xと、円形切欠部７の半径r₁との比r_x/r₁が1を超える場合も、圧縮荷重が作用する方向と垂直な方向に発生する圧縮変形により孔形状部９が円形切欠部７より優先して潰れやすくなり、r_x/r₁が1/10未満の場合、圧縮荷重により孔形状部９が潰れてやすくなる。そのため、孔形状部９のr_xと円形切欠部７の半径r₁との比r_x/r₁は、式（ｃ）に示すように、1/10以上、1以下とすることが望ましい。

さらに、円形切欠部７の中心Ｏを結ぶ各線上にN個の長穴形状の孔形状部９（図１においてはN＝7）設けたとき、以下の式（ｄ）および式（ｅ）を満たすことが望ましい。

ここで、式（ｄ）は、測定部３の幅Wに対する孔形状部９の短軸長さの総和（Σ^N2r_y）を規定するものである。
各孔形状部９の短軸長さ2r_yの総和Σ^N2r_yが幅Wに対して1/20未満と小さすぎる場合、孔形状部９が潰れて測定部３に所定の圧縮ひずみを生じさせることが難しくなるため、Σ^N2r_yは、幅Wの1/20以上とすることが好ましい。さらに、材料の機械的特性を十分な精度で測定するべく、測定部３内での応力のばらつきを十分に小さくするためには、各孔形状部９の短軸長さの総和Σ^N2r_yを1/10以上にすることがより望ましい。

一方、各孔形状部９の短軸長さの総和Σ^N2r_yが大きすぎる場合、測定部３に均一な応力分布を発生させることが困難になってしまうため、測定部３の幅Wに対して1/2以下とすることが好ましい。

なお、図１に示す薄板試験片１は、各片部５にN＝7個の孔形状部９を等間隔に設けたものであるが、本発明に係る薄板試験片は、孔形状部を等間隔に設けたものに限るものではなく、各片部の幅方向中央と外側に導入される圧縮ひずみが均一になるように、孔形状部の配置を適宜調整してもよい。

また、図１において、孔形状部９は、その中心が円形切欠部７の中心Ｏを結ぶ線上に位置するように配置したものであるが、孔形状部９は、測定部３を囲って隣り合う円形切欠部７の中心Ｏを結ぶ線上に孔形状部９が重なって位置するものであればよい。なお、孔形状部９の測定部側の端部は円形切欠部７の測定部側の最も内側同士を結ぶ線より外側とするとよい。

さらに、孔形状部９は、図１に示すようにすべて同じ形状および大きさにしたものに限らず、孔形状部を設ける位置に応じてその形状および大きさを適宜変更してもよい。
例えば、図１に示す薄板試験片１の孔形状部９の長軸長さ2r_xと短軸長さ2r_yは、一定の値である必要はなく、測定部３に生じる応力分布をより均一化するため、場所に応じて各孔形状部９の長軸長さと短軸長さを変更しても差し支えない。

また、上記の説明において、孔形状部９は、図１に示すように長円の穴としたものであったが、孔形状部としては、楕円形の穴であってもよい。また、孔形状部は、長円の穴や楕円形状の穴といった穴形状とすることが望ましく、該穴形状の孔形状部を設けた場合においては、長軸が片部５ａ又は５ｂに加える圧縮荷重の方向となるように設けることにより、片部５ａおよび５ｂを介して圧縮荷重を作用させたときに孔形状部が潰れにくくなって好ましい。

以上、上記の薄板試験片１を用いることにより、片部５ａと片部５ｂとを介して二軸の圧縮荷重を作用させたときに、測定部３に測定に必要な圧縮ひずみを生じさせることができるとともに、測定部３における応力のばらつきを小さくして二軸応力状態での材料試験を行うことができる。

なお、測定に必要な圧縮ひずみとは、薄板試験片１に二軸の圧縮荷重を作用させて材料特性を測定するのに要求される圧縮ひずみレベルであり、例えば自動車部品の成形時には2.5%以上の圧縮ひずみが生じており、また、このような自動車部品のプレス成形をＣＡＥ解析するためには2.5%以上の圧縮ひずみが生じている二軸応力状態での材料特性が必要である。そのため、本発明では、測定可能な圧縮ひずみを2.5%以上とする。

また、測定部３の幅Wに代表される薄板試験片のサイズは、二軸圧縮試験を行う試験機のサイズに合わせて適宜設定すればよく、測定部３の幅Wは特に制限されるものではない。

さらに、上記の説明において、薄板試験片１は、材料試験の測定対象となる測定部３の形状が正方形のものであり、この場合、測定部３において応力比が1の二軸応力状態を生じさせるためには、片部５ａを介して作用させる荷重Fxと、片部５ｂを介して作用させる荷重Fyとが等しくすればよい。

もっとも、測定部において平均応力の二軸の比が等しくなるように圧縮荷重を作用させることができるものであれば、測定部の形状は正方形でなく長方形であってもよく、測定部における平均応力の二軸の比が等しくなるように、各片部の断面積に応じて各片部に作用させる圧縮荷重FxおよびFyを設定すればよい。

＜二軸面内圧縮試験方法＞
本実施の形態に係る二軸面内圧縮試験方法は、図１に示す薄板試験片１における二組の対向する片部５ａと片部５ｂを介して円形切欠部７および孔形状部９の内側の領域である測定部３に二軸の面内圧縮荷重を作用させるものであり、例えば、図３に示すような二軸圧縮試験用治具２１を用いて行うことができる。以下、二軸圧縮試験用治具２１と、二軸圧縮試験用治具２１を用いる二軸面内圧縮試験方法について説明する。

≪二軸圧縮試験用治具≫
二軸圧縮試験用治具２１は、図１に一例として示す十字形状の薄板試験片１に二軸の圧縮荷重を作用させる材料試験に用いるものであって、図３に示すように、中央金型３１と、押さえ機構４１と、中央金型３１を挟んで対向配置された二組の第１側部金型５１および第２側部金型６１とを備えている。なお、図３には、薄板試験片１は図示されていない。

（中央金型）
中央金型３１は、図３に示すように、薄板試験片１（図１）を上下両面から挟持する一対の矩形のものであり、該矩形の四辺の縁部に形成された櫛歯状の凹凸からなる中央金型櫛歯部３３と、４つの中央金型櫛歯部３３に囲まれて薄板試験片１の測定部３を押圧する押圧面部３５を有している。

中央金型櫛歯部３３は、図４に示すように、押圧面部３５を挟んで対向する二組の中央金型櫛歯部３３ａおよび中央金型櫛歯部３３ｂからなり、一方の中央金型櫛歯部３３ａが延在する方向と、他方の中央金型櫛歯部３３ｂが延在する方向とが押圧面部３５において直交し、これらの方向が、薄板試験片に対して圧縮荷重を作用させる二軸の方向に対応する。

また、中央金型３１は、面内方向への移動を防止するため、その四隅が位置決めピン３７により押さえ機構４１のベース部４３に固定される。

（押さえ機構）
押さえ機構４１は、図３に示すように、中央金型３１に対して薄板試験片１の板厚方向に所定の挟持力を付与するものとしてベース部４３と天板部４５とボルト４７を備えてなるものであり、ベース部４３と天板部４５により中央金型３１の上下から薄板試験片１を挟持する。

押さえ機構４１においては、ベース部４３と天板部４５の四隅をボルト４７により任意の締付力で締め付けることにより中央金型３１に所定の挟持力を付与し、中央金型３１の押圧面部３５で薄板試験片１の測定部３を押圧することができる。

天板部４５の下面（中央金型３１側）における中央金型３１の上面（押圧面部３５に対応する上面側）には、当接する位置に凸部（図示なし）が設けられており、薄板試験片１の測定部３を押圧する挟持力を付与する際に、天板部４５を中央金型櫛歯部３３には当接させずに中央金型３１を挟持できるようになっている。

このため、当該凸部を中央金型３１の押圧面部３５に当接させて押さえ機構４１が中央金型３１に挟持力を付与した状態であっても、第１側部金型５１および第２側部金型６１を移動させることができる。

（第１側部金型および第２側部金型）
第１側部金型５１および第２側部金型６１は、図３に示すように、中央金型３１の各四辺の側方に配設され、薄板試験片１の片部５ａおよび片部５ｂそれぞれの上下両面から挟持し、薄板試験片１の面内方向に所定の圧縮荷重を作用させるものである。

第１側部金型５１は、図４に示すように、中央金型３１の押圧面部３５を挟んで対向して配設された一組の第１側部金型５１ａおよび５１ｂからなり、第１側部金型５１ａおよび５１ｂは、薄板試験片１における一組の片部５ａを保持する保持部５３ａおよび５３ｂを有している。また、第１側部金型５１ａおよび５１ｂの端部には、中央金型３１の中央金型櫛歯部３３ａに抜き差し可能な側部金型櫛歯部５５ａおよび５５ｂが形成されている。

同様に、第２側部金型６１は、図４に示すように、中央金型３１の押圧面部３５を挟んで対向して配設された一組の第２側部金型６１ａおよび６１ｂからなり、第２側部金型６１ａおよび６１ｂは、薄板試験片１の片部５ｂを保持する保持部６３ａおよび６３ｂを有している。また、第２側部金型６１ａおよび６１ｂの端部には、中央金型３１の中央金型櫛歯部３３ｂに抜き挿し可能な側部金型櫛歯部６５ａおよび６５ｂが形成されている。

第１側部金型５１および第２側部金型６１は、ベース部４３（図３）の上面に設けられたコロ５７および６７上にそれぞれ設置され、側部金型櫛歯部５５ａおよび５５ｂそれぞれが中央金型３１の中央金型櫛歯部３３ａおよび３３ｂに噛み合った状態で抜き差し可能に移動する。

≪二軸圧縮試験用治具を用いる二軸面内圧縮試験方法≫
次に、本発明の実施の形態に係る二軸面内圧縮試験方法について、二軸圧縮試験用治具２１を用いて薄板試験片１に二軸の圧縮荷重を作用させて材料試験を行う場合を例として、図１、図３および図４に基づいて説明する。

まず、上下一対の中央金型３１の間に薄板試験片１を配置し、押さえ機構４１により中央金型３１に所定の挟持力を付与し、中央金型３１で挟持された薄板試験片１の測定部３を押圧面部３５で押圧する。

次に、測定部３を押圧した状態のまま、第１側部金型５１の側部金型櫛歯部５５が中央金型３１の中央金型櫛歯部３３ａに噛み合った状態で抜き差し可能となるように第１側部金型５１を配設するとともに、第２側部金型６１の側部金型櫛歯部６５が中央金型櫛歯部３３ｂに噛み合った状態で抜き差し可能となるように第２側部金型６１を配設する。

ここで、上下一対の各第１側部金型５１の保持部５３で薄板試験片１の片部５ａの上下両面を保持し、上下一対の各第２側部金型６１の保持部６３で薄板試験片１の片部５ｂの上下両面を保持する。

そして、各第１側部金型５１が片部５ａを、各第２側部金型６１が片部５ｂを保持した状態で、第１側部金型５１および第２側部金型６１を中央金型３１に向かって移動させる。

第１側部金型５１および第２側部金型６１は、それぞれが互いに干渉することなく中央金型３１に向けて移動することができるため、薄板試験片１の測定部３を二軸圧縮状態とすることができる。

さらに、二軸圧縮試験用治具２１においては、押さえ機構４１により上下一対の中央金型３１を挟持し、押圧面部３５により薄板試験片１における測定部３の全面を押圧するため、測定部３に押圧荷重を付与できない部位は存在しない。そのため、測定部３に二軸圧縮荷重を作用させた状態においても測定部３の座屈変形を防止することができる。

以上、本実施の形態に係る二軸面内圧縮試験方法によれば、円形切欠部と孔形状部を設けた十字形状の薄板試験片に二軸の圧縮荷重を作用させたときに、前記十字形状の角部における片部の重なりを防止して前記測定部に2.5%以上の圧縮ひずみを生じさせるとともに、前記測定部における応力のばらつきを小さくすることができ、二軸圧縮状態における材料特性を精度良く測定することができる。

本実施の形態に係る二軸面内圧縮試験方法により、測定部に2.5%以上の圧縮ひずみを生じさせるとともに、測定部における応力のばらつきを小さくすることができることに関しては、後述する実施例にて示している。

なお、測定部３における圧縮ひずみは、例えば、薄板試験片１の測定部３にひずみゲージを貼り付けておくことにより測定することができる。

また、本実施の形態に係る二軸面内圧縮試験方法で用いる二軸圧縮試験用治具２１は、上述のとおり、薄板試験片１の片部５ａを保持する第１側部金型５１と、片部５ｂを保持する第２側部金型６１とをそれぞれ独立に移動させることができる。

ここで、測定部３が正方形の場合、片部５ａにより作用させる荷重Fxと片部５ｂにより作用させる荷重Fyとが等しくなるように、第１側部金型５１と第２側部金型６１のそれぞれを移動させればよい。
これに対し、測定部３が長方形の場合、測定部３における平均応力の二軸の比が等しくなるように片部５ａと片部５ｂのそれぞれに作用させる荷重F（図１中のFxおよびFy）を、各軸方向における測定部３の幅Wと薄板試験片１の板厚tを用いて応力σ＝F/(W×t)の関係から算出し、該算出した荷重が片部５ａおよび片部５ｂそれぞれに作用するように第１側部金型５１と第２側部金型６１のそれぞれを移動させればよい。

本発明に係る二軸面内圧縮試験方法の作用効果を検証する実験を行ったので、以下、これについて説明する。

本実施例では、十字形状の薄板試験片に二軸圧縮荷重を作用させて材料試験を行うときの前記薄板試験片の変形挙動のＣＡＥ解析を行ない、前記薄板試験片に設ける円形切欠部と孔形状部の前記材料試験に及ぼす影響について調査した。

まず、十字形状の薄板試験片に設ける円形切欠部の影響について説明する。
ここでは、図２（ａ）に示す片部１５ａと片部１５ｂとが交差する角部に円形切欠部を設けていない十字形状の薄板試験片１１と、図２（ｂ）に示す片部５ａと片部５ｂとが交差する角部に円形切欠部７を設けた十字形状の薄板試験片１７を解析対象として二軸圧縮荷重を作用させたときの変形挙動のＣＡＥ解析を行い、円形切欠部７の有無又はその半径r₁が測定部１３又は測定部３に生じさせる圧縮ひずみと応力に及ぼす影響を調査した。

ＣＡＥ解析において、薄板試験片１１および薄板試験片１７の供試材として引張強度1180MPa級、板厚1mmの高張力鋼板を用い、測定部３又は測定部１３の幅をW＝60mm又は30mmとした。また、測定部３および測定部１３は正方形とし、測定部３および測定部１３に生じる平均応力の二軸の比が1となるように、x方向の荷重Fxとy方向の荷重Fyとを等しくした。

図５および図６に、ＣＡＥ解析結果により得られたひずみ分布と、角部において片部同士の重なりを生じる直前の測定部中央のひずみの結果を示す。図５および図６に示すひずみ分布は、圧縮ひずみを負の値、引張ひずみを正の値で示したものである。
なお、図５および図６は、x方向ひずみの分布を示したものであるが、y方向ひずみの分布はx方向ひずみの分布を90度回転させたものと同等であるので、以下、x方向ひずみの結果について説明する。

図５は、測定部１３および測定部３の幅をW＝60mmとした場合の結果であり、円形切欠部７を設けた薄板試験片１７については、円形切欠部７の半径をr₁＝2mmおよび3mmとした。また、図６は、測定部１３および測定部３の幅をW＝30mmとした場合の結果であり、円形切欠部７を設けた薄板試験片１７については、円形切欠部７の半径をr₁＝1mmおよび1.5mmとした。
なお、図５および図６において、円形切欠部の半径r₁＝0mmの結果は、円形切欠部が設けられていない薄板試験片１１を用いた場合のものである。

W＝60mmの場合、図５に示すように、円形切欠部が設けられていない薄板試験片１１および円形切欠部７の半径r₁を2mmとした薄板試験片１７では、角部に重なりが生じる直前における測定部中央での圧縮ひずみはそれぞれ1.3%および1.9%であり、角部に重なりを生じさせずに測定部中央に2.5%以上の圧縮ひずみを生じさせることはできなかった。

これに対し、円形切欠部７の半径r₁を3mmとした薄板試験片１７においては、角部に重なりが生じる直前における測定部中央での圧縮ひずみは2.7%であり、角部に重なりを生じさせずに測定部中央に2.5%以上の圧縮ひずみを生じさせることができた。

同様に、W＝30mmの場合、図６に示すように、円形切欠部が設けられていない薄板試験片１１および円形切欠部７の半径r₁を1mmとした薄板試験片１７では、角部に重なりが生じる直前における測定部中央での圧縮ひずみはそれぞれ1.2%および1.8%であり、角部に重なりを生じさせずに測定部中央に2.5%以上の圧縮ひずみを生じさせることはできなかった。

これに対し、円形切欠部７の半径r₁を1.5mmとした薄板試験片１７においては、角部に重なりが生じる直前における測定部中央での圧縮ひずみは2.8%であり、角部に重なりを生じさせずに測定部３中央に2.5%以上の圧縮ひずみを生じさせることができた。

図５および図６に示した結果から、円形切欠部７の半径r₁と測定部３の幅Wとの比r₁/Wが1/20未満の場合では、測定部３における圧縮ひずみが2.5%に達する前に、十字形状の角部に重なりが生じてしまうのに対し、r₁/Wを1/20以上とすれば、十字形状の角部に重なりを生じさせずに、測定部に圧縮ひずみを2.5%以上生じさせることができることが示唆された。

なお、上記の図５および図６に示す結果は、円形切欠部７のみを設けた薄板試験片１７を用いた場合のものであるが、円形切欠部７に加えて孔形状部９を設けた本発明に係る薄板試験片１（図１）用いた場合においても、円形切欠部７の半径r₁と測定部３の幅Wとの比r₁/Wを1/20以上とすることで、圧縮ひずみ2.5%以上を達成できる結果が得られた。

しかしながら、円形切欠部７のみを設けた薄板試験片１７では、測定部３において応力にばらつきが生じてしまった。
実際の二軸面内圧縮試験において、圧縮ひずみは、薄板試験片１の測定部３中央に貼り付けたひずみゲージにより測定し、応力は、薄板試験片１の各片部５に与えた荷重F（図１中のFx又はFy）を、測定部３の幅Wと薄板試験片１の板厚tで割ることにより算出した平均応力σ_average（＝F/(W×t)）とする。

このように圧縮ひずみと応力を求めた場合、圧縮ひずみを測定した場所と平均応力を算出した範囲とが異なるため、信頼性の高いデータ（圧縮ひずみと応力の関係など）を得ることは困難である。
例えば、上記の円形切欠部７のみを設けた薄板試験片１７を用いた場合、測定部３に加える応力を変更してひずみを変えた場合、加える平均応力と測定部３中央における応力との比は、図７に示すように約0.88であり、平均応力との差が大きく、このときの誤差は-12%であり、誤差が大きい結果であった。

二軸面内圧縮試験で信頼性の高いデータを得るためには、測定部３における応力のばらつきが小さく、ひずみを測定した場所の応力と測定部の平均応力が十分に近い値となる必要がある。そして、測定部の中央における応力と平均応力との差（応力測定誤差）は、実用上、±8%以下であることが望ましい。

そこで、円形切欠部７に加えて孔形状部９を設けた薄板試験片１についても、上記と同様に二軸圧縮荷重を作用させたときの変形挙動のＣＡＥ解析を行い、測定部３における応力測定誤差を調査した。

孔形状部９を設けた薄板試験片１を解析対象としたＣＡＥ解析においても、上記と同様に、供試材を引張強度1180MPa級、板厚1mmの高張力鋼板とし、測定部３の幅をW＝60mm、円形切欠部７の半径をr₁＝4mm（r₁/W＝1/15）とした。

薄板試験片１の各片部５に、r_x＝4mm、r_y＝2mm、N＝2個の孔形状部９を設けた場合、測定部３の中央における圧縮ひずみが2.5%に達したときの誤差は8%であり、上述の円形切欠部７のみを設けた薄板試験片１７の誤差（＝12%）に比べて低下する結果となった。

さらに、各片部５にr_x＝2mm、r_y＝1mm、N＝9個の孔形状部９を設けた薄板試験片１を用いた場合、測定部３の中央における圧縮ひずみが2.5%に達したときの応力測定誤差は1%となり、良好な結果が得られた。

以上、本発明に係る二軸面内圧縮試験方法によれば、円形切欠部と孔形状部を設けた薄板試験片を用いることで、片部同士の重なりを防止しつつ、測定部に2.5%以上の圧縮ひずみを与えることができ、さらに、測定部における応力分布を均一にして応力測定誤差を低減し、信頼性の高い材料試験を行なうことができることが示された。

１ 薄板試験片
３ 測定部
５、５ａ、５ｂ 片部
７ 円形切欠部
９ 孔形状部
１１ 薄板試験片
１３ 測定部
１５ａ、１５ｂ 片部
１７ 薄板試験片
２１ 二軸圧縮試験用治具
３１ 中央金型
３３、３３ａ、３３ｂ 中央金型櫛歯部
３５ 押圧面部
３７ 位置決めピン
４１ 押さえ機構
４３ ベース部
４５ 天板部
４７ ボルト
５１ 第１側部金型
５１ａ、５１ｂ 第１側部金型
５３、５３ａ、５３ｂ 保持部
５５、５５ａ、５５ｂ 側部金型櫛歯部
５７ コロ
６１、６１ａ、６１ｂ 第２側部金型
６３、６３ａ、６３ｂ 保持部
６５、６５ａ、６５ｂ 側部金型櫛歯部
６７ コロ

Claims (4)

1. 十字形状の薄板試験片に二軸の圧縮荷重を作用させて材料試験を行う二軸面内圧縮試験方法であって、
   前記薄板試験片は、
   前記十字形状が交差する測定部と、
   前記十字形状の各角部を円形状に切り欠いた円形切欠部と、
   前記測定部を囲って隣り合う該円形切欠部の中心を結ぶ各線上に複数個設けられた孔形状部とを有し、
   前記測定部から延出される二組の対向する前記片部を介して前記二軸の圧縮荷重を前記測定部に作用させることを特徴とする二軸面内圧縮試験方法。
2. 前記円形切欠部の半径r₁と前記測定部の幅Wとが以下の式(a)を満たすことを特徴とする請求項１記載の二軸面内圧縮試験方法。
   
3. 前記孔形状部は、長穴または円の穴形状であり、その長軸が前記各片部に作用する圧縮荷重の方向になるように設けられ、
   前記穴形状の長軸長さ2r_xと短軸長さ2r_yとが以下の式（b）を満たし、かつ前記r_xと前記円形切欠部の半径r₁とが以下の式(c)を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の二軸面内圧縮試験方法。
   
4. 前記円形切欠部の中心を結ぶ各線上にN個（N＞１）の前記穴形状の孔形状部を設けたとき、以下の式（d）を満たすことを特徴とする請求項３記載の二軸面内圧縮試験方法。