JP2019045350A - 材料試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】 塑性ひずみ比を正確に測定することが可能な材料試験機を提供する。【解決手段】 試験片に試験力を付与する前と、付与した後に、試験片を撮影するためのカメラ１４と、このカメラ１４により撮像した試験片の画像から、試験片における一対の標点間の距離と、試験片における前記標点間の領域の面積とを測定する画像処理部２１と、画像処理部２１で測定した試験片における一対の標点間の距離と試験片における標点間の領域の面積とから、試験片に試験力を付与する前と付与した後とにおける試験片の厚さ方向の真ひずみと試験片の幅方向の真ひずみとを演算し、これにより試験片の塑性ひずみ比を演算する演算部２４と、を備える。【選択図】 図２

Description

この発明は、試験片に対して引張試験力を付与することにより、この試験片の塑性ひずみ比を測定する材料試験機に関する。

ＪＩＳ（日本工業規格）Ｚ２２５４においては、「薄板金属材料の塑性ひずみ比試験方法」が規格されている。この規格においては、塑性ひずみ比ｒの計算は、下記の式（３）のように、試験片の厚さ方向の真ひずみεａと幅方向の真ひずみεｂとの比として求められる。塑性ひずみ比ｒは、ｒ値またはランクフォード値とも呼称されるものである。
ｒ＝εｂ／εａ ・・・（３）

この塑性ひずみ比を測定する材料試験機においては、従来、厚さ方向のひずみを測定するより長さ方向のひずみを測定する方が容易であり、また、正確である理由から、材料試験前後の試験片の体積は一定であるという考え方を利用し、長さ方向のひずみと幅方向のひずみとを利用して厚さ方向のひずみを求めるという手法を採用している（特許文献１参照）。

特開２００８−１４５２１６号公報

試験片における長さ方向のひずみは、標点間距離を測定することにより容易に求めることができる。一方、試験片における幅方向のひずみを測定するときには、例えば、一対の標点の位置と、これら標点間の中央の位置との３点でひずみを測定し、それらの平均値を試験片における幅方向のひずみとすることが多い。

このような場合において、試験片の長さ方向の軸と引張試験力の付与方向の軸とにずれが生じる場合があり、また、引張試験力を付与された後の試験片の幅方向の痩せ具合も異なることから、幅方向のひずみの測定位置の誤差により測定されたひずみの値が異なることになり、正確な塑性ひずみ比を測定することが困難であるという問題が生ずる。

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、塑性ひずみ比を正確に測定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、金属材料よりなる試験片の両端を一対のつかみ具により把持し、これら一対のつかみ具を互いに離隔する方向に移動させて前記試験片に試験力を付与することにより、前記試験片の塑性ひずみ比を測定する材料試験機であって、前記試験片に試験力を付与する前と、付与した後に、前記試験片を撮影するための撮像手段と、前記撮像手段により撮像した前記試験片の画像から、前記試験片における一対の標点間の距離と、前記試験片における前記標点間の領域の面積とを測定する画像処理部と、前記画像処理部で測定した前記試験片における一対の標点間の距離と前記試験片における前記標点間の領域の面積とから、前記試験片に試験力を付与する前と付与した後とにおける、前記試験片の厚さ方向の真ひずみεａと、前記試験片の幅方向の真ひずみεｂと、を演算する演算部と、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に記載の材料試験機において、前記試験片に試験力を付与する前と付与した後とにおける、前記試験片における前記標点間の領域の面積を、一対の標点を結ぶ直線に対して各標点を通過する二本の垂線と前記試験片の両端縁とで囲まれる面積である試験領域面積Ａ０およびＡ１とし、前記試験片に試験力を付与する前と付与した後とにおける、前記試験片における標点間の距離を、Ｌ０およびＬ１とし、前記試験片に試験力を付与する前と付与した後とにおける、前記試験片の幅の代表値をｂ０およびｂ１とし、前記試験片に試験力を付与する前と付与した後とにおける、前記試験片の厚さの代表値をｔ０およびｔ１とし、前記演算部は、前記試験片に試験力を付与する前と付与した後とにおける、幅方向の真ひずみεｂを下記の式（１）で演算し、厚さ方向の真ひずみεａを下記の式(２)で演算する。
εｂ＝ｌｎ（ｂ１／ｂ０）＝ｌｎ［（Ａ１×Ｌ０）／（Ａ０×Ｌ１）］ ・・・（１）
εａ＝ｌｎ（ｔ１／ｔ０）＝ｌｎ（Ａ０／Ａ１） ・・・（２）

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の材料試験機において、前記演算部は、前記試験片の厚さ方向の真ひずみεａと幅方向の真ひずみεｂとに基づいて、前記試験片の塑性ひずみ比ｒを下記の式（３）で演算する。
ｒ＝εｂ／εａ ・・・（３）

請求項１から請求項３に記載の発明によれば、試験片における一対の標点間の距離と標点間の領域の面積とに基づいて塑性ひずみ比を演算することから、塑性ひずみ比を正確かつ簡単に測定することが可能となる。

この発明に係る材料試験機の概要図である。 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。 試験片１００の撮影状態を示す模式図である。 試験片１００の撮影状態を示す模式図である。 試験片１００の塑性ひずみ比を測定する状態を示す説明図である。

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る。

この材料試験機は、試験片１００に対して引張試験力を付与することにより、この試験片１００の塑性ひずみ比を測定するためのものであり、駆動部１６とヨーク１７との間に架け渡された一対のねじ棹１１と、このねじ棹１１に螺合するナット部を内蔵した左クロスヘッド１８および右クロスヘッド１９と、左クロスヘッド１８に配設された左チャック１２と、右クロスヘッド１９に配設された右チャック１３と、を備える。試験片１００は、これらの左チャック１２および右チャック１３にその両端部を把持される。

各ねじ棹１１は、左ネジ領域１１ａと右ネジ領域１１ｂとを備える。駆動部１６に内蔵されたモータにより一対のねじ棹１１が同期して回転したときには、左チャック１２および右チャック１３が離隔し、あるいは、近接する方向に移動する。試験片１００は、その両端を左チャック１２および右チャック１３に把持された状態で左チャック１２および右チャック１３が互いに離隔する方向に移動することにより、引張試験力が付与される。試験片１００に付与された引張試験力は、ロードセル１５により測定される。このような試験機本体で試験片１００に引張試験力を加えると試験片１００の中心はほとんど移動しないので、本発明のように後述するカメラ１４で試験片１００を撮影する場合に好都合である。

引張試験力を付与された試験片１００は、カメラ１４により撮影される。試験片１００におけるカメラ１４と逆側の位置には、背景板２９が配設されている。この背景板２９は、試験片１００とは色やコントラストが全く異なる材料から構成されており、カメラ１４による試験片１００の視認性を向上させることができる。

図２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。

この材料試験機は、論理演算を実行するプロセッサーとしてのＣＰＵ、装置の制御に必要な動作プログラムが格納されたＲＯＭ、制御時にデータ等が一時的にストアされるＲＡＭおよびデータを記憶するハードディスク等から構成される制御部２０を備える。この制御部２０は、標点間距離測定部２２と面積測定部２３とを備えた画像処理部２１と、後述する試験片１００の厚さ方向の真ひずみεａと試験片１００の幅方向の真ひずみεｂとを演算するとともに、これらの値から塑性ひずみ比を演算する演算部２４とを備える。この制御部２０は、上述した駆動部１６、カメラ１４およびロードセル１５と接続されている。また、この制御部２０は、各種の操作を実行する操作部１０、および、試験条件や試験結果などを表示するとともに、カメラ１４により取得される映像などを表示する表示部３０と接続されている。

図３および図４は、カメラ１４による試験片１００の撮影状態を示す模式図である。

カメラ１４による試験片１００の撮影視野４０が、試験片１００に形成された一対の標点１０１を撮影可能な状態であれば、図１および図３に示すように、単一のカメラ１４により試験片１００を撮影する。試験片１００に形成された一対の標点１０１間の距離が大きく、単一のカメラ１４による撮影視野４０では一対の標点１０１間の領域を一度に撮影不可能な場合には、図４に示すように複数のカメラを使用して一対の標点１０１間の領域を撮影する。なお、単一のカメラ１４を使用し、試験片１００の撮影領域を移動させることにより、一対の標点１０１間の領域を撮影するようにしてもよい。

次に、上述した材料試験機により試験片１００の塑性ひずみ比を測定する測定動作について説明する。図５は、試験片１００の塑性ひずみ比を測定する状態を示す説明図である。

試験片１００の塑性ひずみ比を測定するときには、最初に、試験片１００の両端部を左チャック１２および右チャック１３により把持する。この状態において、試験片１００をカメラ１４により撮影する。そして、カメラにより撮影した試験片１００の画像から、試験片１００における一対の標点１０１間の距離と、試験片１００における標点１０１間の領域の面積とを測定する。

より具体的には、図５に示すように、カメラ１４により撮影した試験片１００の画像から、図２に示す画像処理部２１における標点間距離測定部２２により、一対の標点１０１間の距離Ｌ０を測定する。また、画像処理部２１における面積測定部２３により、試験片１００における標点１０１間の領域の面積を、一対の標点１０１を結ぶ直線に対して各標点を通過する二本の垂線１０２と試験片１００の両端縁とで囲まれる面積（図５においてハッチングで示す領域の面積）である試験領域面積Ａ０として測定する。なお、この距離Ｌ０と試験領域面積Ａ０の測定は、予め校正作業を行った後の画像処理により実行される。

この状態において駆動部１６の駆動により一対のねじ棹１１を回転させ、左チャック１２および右チャック１３を互いに離隔する方向に移動させる。これにより、左チャック１２および右チャック１３を介して試験片１００に引張試験力が付与される。このときにもカメラ１４による試験片１００の撮影は継続され、一対の標点１０１間の伸びは標点間距離測定部２２によりリアルタイムで測定される。そして、一対の標点１０１間の距離が設定値となり予め設定された与ひずみ量となった時点でねじ棹１１の回転を停止させることにより試験片１００の引張動作を停止する。

そして、画像処理部２１における標点間距離測定部２２により、その時の一対の標点１０１間の距離Ｌ１を測定する。また、画像処理部２１における面積測定部２３により、試験片１００における標点１０１間の領域の面積である試験領域面積Ａ１を測定する。これにより、引張試験力を付与する前の幅の代表値ｂ０と、引張試験力を付与した後の幅の代表値ｂ１とが、下記の式（４）および式(５)で求められる。
ｂ０＝Ａ０／Ｌ０ ・・・（４）
ｂ１＝Ａ１／Ｌ１ ・・・（５）

ここで、幅の代表値とは、そのときの試験片１００の幅を代表する値である。試験片１００における試験領域面積が矩形状であれば、面積を長さで除算することにより幅が求められる。しかしながら、試験領域面積は図５に示すように矩形状ではないことから、この明細書においては、幅の平均的な値を幅の代表値として説明する。

上記の式（４）および式（５）より、以下の式（６）が成立する。
ｂ１／ｂ０＝（Ａ１×Ｌ０）／（Ａ０×Ｌ１） ・・・（６）

そして、引張試験力を付与する前の厚さの代表値をｔ０とし、引張試験力を付与した後の厚さの代表値をｔ１としたときに、下記の式（７）が成立する。この式は、引張試験の前後で試験片の幅や厚さが変化してもその体積は一定であるとの考えに基づいている。なお、厚さの代表値とは、そのときの試験片１００の厚さを代表する値である。上述した幅の代表値と同様、この明細書においては、厚さの平均的な値を厚さの代表値として説明する。
ｔ１／ｔ０＝Ａ０／Ａ１ ・・・（７）

そして、上記の式(６)および式（７）より、厚さ方向の真ひずみεａ＝ｌｎ（ｔ１／ｔ０）と、幅方向の真ひずみεｂ＝ｌｎ（ｂ１／ｂ０）とが求められ、上述した式（３）により、ｒ値（ランクフォード値）が求められる。以上の演算は、制御部２０における演算部２４により実行される。式（３）再掲する。
ｒ＝εｂ／εａ ・・・（３）

なお、上述した実施形態においては、一対の標点１０１間の距離が設定値となり予め設定された与ひずみ量となった時点でねじ棹１１の回転を停止させ、この状態で一対の標点１０１間の距離Ｌ１と試験領域面積Ａ１とを測定しているが、引張荷重を解除した状態で標点１０１間の距離Ｌ１と試験領域面積Ａ１とを測定するときには、駆動部１６の駆動により一対のねじ棹１１を引張試験力の付与時とは逆方向に回転させ、ロードセル１５による引張加重の測定値がゼロとなった時点で、標点１０１間の距離Ｌ１と試験領域面積Ａ１とを測定する。

また、上述した実施形態においては、各ねじ棹１１は左ネジ領域１１ａと右ネジ領域１１ｂを備え、クロスヘッドも二つ存在して試験片１００の中心が移動しないような機構を採用しているが、そのような試験機本体でなくても本発明は適用できる。例えば、ベースに一組の右ネジのねじ棹を立設し、これにクロスヘッドを横架した構造の試験機本体にカメラを備えた装置であってもよい。この場合には、カメラの視野を広くするか、試験片中心の移動に伴ってカメラを移動させる構成を採用すればよい。

以上のように、この発明に係る材料試験機によれば、試験片１００における一対の標点１０１間の距離と標点１０１間の領域の面積とに基づいて塑性ひずみ比を演算することから、塑性ひずみ比を正確かつ簡単に測定することが可能となる。

１０ 操作部
１１ ねじ棹
１２ 左チャック
１３ 右チャック
１４ カメラ
１５ ロードセル
１６ 駆動部
１７ ヨーク
１８ 左クロスヘッド
１９ 右クロスヘッド
２０ 制御部
２１ 画像処理部
２２ 標点間距離測定部
２３ 面積測定部
２４ 演算部
２９ 背景板
３０ 表示部
４０ 撮影視野
１００ 試験片
１０１ 標点

Claims (3)

1. 金属材料よりなる試験片の両端を一対のつかみ具により把持し、これら一対のつかみ具を互いに離隔する方向に移動させて前記試験片に試験力を付与することにより、前記試験片の塑性ひずみ比を測定する材料試験機であって、
   前記試験片に試験力を付与する前と、付与した後に、前記試験片を撮影するための撮像手段と、
   前記撮像手段により撮像した前記試験片の画像から、前記試験片における一対の標点間の距離と、前記試験片における前記標点間の領域の面積とを測定する画像処理部と、
   前記画像処理部で測定した前記試験片における一対の標点間の距離と前記試験片における前記標点間の領域の面積とから、前記試験片に試験力を付与する前と付与した後とにおける、前記試験片の厚さ方向の真ひずみεａと、前記試験片の幅方向の真ひずみεｂと、を演算する演算部と、
   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、
   前記試験片に試験力を付与する前と付与した後とにおける、前記試験片における前記標点間の領域の面積を、一対の標点を結ぶ直線に対して各標点を通過する二本の垂線と前記試験片の両端縁とで囲まれる面積である試験領域面積Ａ０およびＡ１とし、
   前記試験片に試験力を付与する前と付与した後とにおける、前記試験片における標点間の距離を、Ｌ０およびＬ１とし、
   前記試験片に試験力を付与する前と付与した後とにおける、前記試験片の幅の代表値をｂ０およびｂ１とし、
   前記試験片に試験力を付与する前と付与した後とにおける、前記試験片の厚さの代表値をｔ０およびｔ１とし、
   前記演算部は、前記試験片に試験力を付与する前と付与した後とにおける、幅方向の真ひずみεｂを下記の式（１）で演算し、厚さ方向の真ひずみεａを下記の式(２)で演算する材料試験機。
   εｂ＝ｌｎ（ｂ１／ｂ０）＝ｌｎ［（Ａ１×Ｌ０）／（Ａ０×Ｌ１）］ ・・・（１）
   εａ＝ｌｎ（ｔ１／ｔ０）＝ｌｎ（Ａ０／Ａ１） ・・・（２）
3. 請求項１または請求項２に記載の材料試験機において、
   前記演算部は、前記試験片の厚さ方向の真ひずみεａと幅方向の真ひずみεｂとに基づいて、前記試験片の塑性ひずみ比ｒを下記の式（３）で演算する材料試験機。
   ｒ＝εｂ／εａ ・・・（３）
   

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