JP2019138635A - 二軸応力試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二軸応力下でのひずみ分布を光学的手法により測定する二軸応力試験方法を提供する。【解決手段】本発明に係る二軸応力試験方法は、二軸方向から引張荷重と圧縮荷重を薄板試験片の測定部に作用させて二軸応力下での材料試験を行うものであって、前記薄板試験片は、前記測定部から前記引張荷重を作用させる引張軸方向の両側に延出し、前記引張軸方向に延在するスリットが形成されている一対の延出部と、前記測定部から前記圧縮荷重を作用させる圧縮軸方向の両側に突出する一対の延出部とを有し、前記測定部の表面の少なくとも一方の全面を開放した状態で、前記測定部における圧縮応力の引張応力に対する比が-0.8〜-1.2の範囲内となるように前記延出部および前記突出部を介して前記測定部に荷重を作用させ、前記測定部のひずみを光学的に測定することを特徴とするものである。【選択図】 図１

Description

本発明は、二軸方向から引張荷重と圧縮荷重を薄板試験片の測定部に作用させて二軸応力下での材料試験を行う二軸応力試験方法に関する。なお、本願では、引張荷重を作用させる軸方向の引張応力を正、圧縮荷重を作用させる軸方向の圧縮応力を負とすることで、二軸応力下における引張応力と圧縮応力とを表す。

従来、金属材料の機械的特性（材料特性）は、一軸方向から引張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、新たに開発された材料試験機により、一軸方向に引張荷重を負荷しながら、前記一軸方向と垂直な他の一軸方向に圧縮荷重を与えることにより、面内直交２方向に引張圧縮組合せ応力（二軸応力）下での金属材料の機械的特性を測定する二軸応力試験（非特許文献１）が実施可能となってきている。

このような二軸応力試験では、図３に示すような短冊形状の薄板試験片２１を用い、図４に示すような一対の引張用治具３１と一対の圧縮用治具３３により薄板試験片２１の測定部２３に二軸方向から引張荷重と圧縮荷重を作用させて、測定部２３におけるひずみを測定することができる。

ここで、引張用治具３１は、薄板試験片２１の長手方向（図３中のX軸方向）の両端部を掴んで引張荷重を負荷するものである。一方、圧縮用治具３３は、薄板試験片２１における測定部２３の幅方向（図３中のY軸方向）の両端面に圧縮荷重を負荷するものである。また、測定部２３に圧縮荷重を負荷したときに座屈が生じるのを防ぐため、圧縮用治具３３は、測定部２３の両面を挟んで拘束する。さらに、圧縮用治具３３は、測定部２３の両端面から圧縮荷重を負荷したときの相互干渉を防止するため、先端に櫛歯部３３ａを有し、一方の櫛歯部３３ａと他方の櫛歯部３３ａが互い違いに噛み合った状態で設置されている。
そして、引張用治具３１により測定部２３に引張荷重を作用させるとともに、圧縮用治具３３により測定部２３の両面を挟んだ状態で測定部２３に圧縮荷重を作用させることで、薄板試験片２１の座屈を防止して二軸応力下での材料試験を行うことができる。

非特許文献１に開示されている二軸応力試験方法では、薄板試験片２１の測定部２３にひずみゲージを貼付することにより二軸応力下でのひずみを測定するものであるが、当該方法では、ひずみゲージを貼付することを要するために作業効率の面で問題があり、さらに、測定部２３に作用させた圧縮荷重によりひずみゲージが欠損する場合があるという問題があった。

そこで、ひずみゲージを用いることなく二軸応力下でのひずみを測定する方法として、例えば、特許文献１に開示されているような光学的な手法が挙げられる。このような光学的手法によるひずみの測定はひずみゲージを用いずに、測定対象とする試験体に所定のパターン（模様など）を設け、該試験体に外力をさせる前後における前記パターンの画像に基づいてひずみを測定するものであるため、ひずみゲージの欠損を懸念する必要がなくひずみを測定することができる。さらに、当該光学的手法によれば、測定部全域におけるひずみ分布を測定することが容易となる。

特許第５３７８３４０号公報

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

しかしながら、非特許文献１に開示されている二軸応力試験方法は、薄板試験片の測定部の両面を圧縮用治具で挟んだ状態で引張荷重と圧縮荷重を作用させるものであるために、荷重を作用させているときの測定部を視認することはできず、特許文献１に開示されているような光学的な手法を適用してひずみを測定することはできなかった。

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、二軸方向から引張荷重と圧縮荷重を作用させた二軸応力下での薄板試験片の測定部におけるひずみを光学的に測定することができる二軸応力試験方法を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る二軸応力試験方法は、二軸方向から引張荷重と圧縮荷重を薄板試験片の測定部に作用させて二軸応力下での材料試験を行うものであって、前記薄板試験片は、前記測定部から前記引張荷重を作用させる引張軸方向の両側に延出し、前記引張軸方向に延在するスリットが形成されている一対の延出部と、前記測定部から前記圧縮荷重を作用させる圧縮軸方向の両側に突出する一対の突出部とを有し、前記測定部の表面の少なくとも一方の全面を開放した状態で、前記測定部における圧縮応力の引張応力に対する比が-0.8〜-1.2の範囲内となるように前記延出部および前記突出部を介して前記測定部に荷重を作用させ、前記測定部のひずみを光学的手法により測定することを特徴とするものである。

本発明においては、二軸方向から引張荷重と圧縮荷重を薄板試験片の測定部に作用させて二軸応力下での材料試験を行うものであって、前記薄板試験片は、前記測定部から前記引張荷重を作用させる引張軸方向の両側に延出し、前記引張軸方向に延在するスリットが形成されている一対の延出部と、前記測定部から前記圧縮荷重を作用させる圧縮軸方向の両側に突出する一対の突出部とを有し、前記測定部の表面の少なくとも一方の全面を開放した状態で、前記測定部における圧縮応力の引張応力に対する比が-0.8〜-1.2の範囲内となるように前記延出部および前記突出部を介して前記測定部に荷重を作用させ、前記測定部のひずみを光学的手法により測定することにより、従来の材料試験で用いられていたひずみゲージを用いることなく、二軸応力下における測定部全域のひずみ分布を測定することができる。

本発明の実施の形態に係る二軸応力試験方法を説明する図である。 本実施の形態に係る二軸応力試験方法で用いる薄板試験片を説明する図である。 従来の二軸応力試験方法で用いる薄板試験片を説明する図である。 従来の二軸応力試験方法を説明する図である。 本発明の実施例における薄板試験片の測定部のひずみ分布の測定結果を示すグラフである。

本発明の実施の形態に係る二軸応力試験方法は、図２に示すような薄板試験片１に二軸方向から引張荷重と圧縮荷重を作用させて二軸応力下での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２に例を示すように、引張軸（図２中のX軸）と圧縮軸（図２中のY軸）との二軸方向から引張荷重と圧縮荷重を作用させる測定部３と、測定部３から引張軸方向の両側に延出する一対の延出部５と、測定部３から圧縮軸方向に突出し、測定部３を挟んで対向する一対の突出部７を有するものである。

測定部３は、二軸方向から引張荷重と圧縮荷重を作用させてひずみや応力などの測定対象となる部位である。

延出部５は、後述する引張用治具１１（図１参照）が端部を掴んで引張荷重を負荷するものであり、各延出部５には、引張軸方向に延在する複数のスリット５ａが形成されている。

スリット５ａは、突出部７を介して測定部３に作用した圧縮荷重が延出部５に伝播するのを防ぐものであり、スリット５ａを形成することで、測定部３に均一な引張荷重を作用させることができる。スリット５ａは、例えばレーザー加工により形成することができ、スリット５ａの寸法（長さ、幅）や本数は、適宜設定すればよい。

突出部７は、後述する圧縮用治具１３（図１参照）により掴まれて圧縮荷重を負荷するものであり、ひずみなどの測定対象とする部位を確保するため、測定部３から圧縮軸方向の両側に突出する形状としている。

薄板試験片１を用いた二軸応力下での材料試験においては、延出部５を介して引張荷重を作用させ、突出部７を介して圧縮荷重を測定部３に作用させることにより、二軸応力下でのひずみを測定することができる。ここで、測定部３における応力は、延出部５に負荷する引張荷重を延出部５の断面積で除した平均の引張応力、および、突出部７に負荷する圧縮荷重を突出部７の断面積で除した平均の圧縮応力とすればよい。

図２に示すように測定部３の形状が正方形の場合、例えば測定部３における圧縮応力の引張応力に対する比が-1（引張応力と圧縮応力の応力比1：-1）の純粋剪断応力状態とするためには、測定部３に作用させる圧縮荷重と引張荷重、すなわち、延出部５に負荷する引張荷重と突出部７に負荷する圧縮荷重の絶対値を等しくすればよい。

なお、薄板試験片１のサイズ（例えば測定部３の幅）は、二軸応力試験機や該二軸応力試験に薄板試験片１を設置するための治具のサイズに合わせて適宜設定すればよく、本発明は薄板試験片１のサイズを特に制限するものではない。

また、測定部３の形状は正方形に限るものではなく、測定部３における平均の引張応力と圧縮応力の比が所定の範囲となるように引張荷重と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３の形状は長方形であってもよい。この場合、測定部３における引張と圧縮の平均応力の比が所定の範囲となるように、延出部５と突出部７それぞれの断面積に応じて延出部５に負荷する引張荷重と突出部７に負荷する圧縮荷重を設定すればよい。

さらに、測定部３を長方形とした場合、所定の応力比となるように圧縮荷重と引張荷重を負荷することができるものであれば、引張荷重を負荷する延出部は該長方形の長辺又は短辺のいずれから延出するものであってもよく、圧縮荷重を負荷する突出部についても同様に、該長方形の短辺又は長辺のいずれから突出するものであってもよい。

＜二軸応力試験方法＞
本実施の形態に係る二軸応力試験方法は、図２に示す薄板試験片１の測定部３に二軸方向から引張荷重と圧縮荷重を作用させて二軸応力下での材料試験を行うものであり、例えば、図１に示すような引張用治具１１と圧縮用治具１３を用いて行うことができる。以下、引張用治具１１と圧縮用治具１３を用いた二軸応力試験方法について説明する。

引張用治具１１は、薄板試験片１の延出部５の端部を掴んで引張軸方向に引張荷重を負荷するものである。一方、圧縮用治具１３は、薄板試験片１の突出部７の端部を掴んで圧縮軸方向に圧縮荷重を負荷するものである。そして、引張用治具１１と圧縮用治具１３は、二軸応力試験機（図示なし）に設置され、所定の引張荷重と圧縮荷重を薄板試験片１に負荷する。
そして、引張用治具１１により延出部５に負荷した引張荷重を測定部３に伝播させるとともに、圧縮用治具１３により突出部７に負荷した圧縮荷重を測定部３に伝播させることで、二軸方向から引張荷重と圧縮荷重を測定部３に作用させる。

このとき、引張用治具１１と圧縮用治具１３は、測定部３の外側である延出部５と突出部７を押圧・拘束しているので、測定部３を開放した状態で引張荷重と圧縮荷重を作用させることができる。したがって、圧縮と引張の二軸応力下でのひずみ分布を光学的手法により測定することができる。なお、ひずみ分布の測定に用いる光学的手法としては、例えば、特許文献１に記載のカメラを用いた撮像などが適用できる。

さらに、本実施の形態に係る二軸応力試験方法は、測定部３における引張と圧縮の応力比が1:-1の純粋剪断応力状態でひずみの測定を行うものに限らず、測定部３における圧縮応力の引張応力に対する比が-0.8〜-1.2（引張応力と圧縮応力の応力比が1:-0.8から1:-1.2）となるように引張荷重と圧縮荷重を作用させることで、測定部３における座屈の発生を防止してひずみ分布を測定することができる。

以上、本実施の形態に係る二軸応力試験方法によれば、薄板試験片の測定部を開放した状態で二軸方向から引張荷重と圧縮荷重を作用させたときに、座屈の発生を防止して二軸応力下でのひずみ分布を光学的に測定することができる。
なお、光学的手法により測定部におけるひずみ分布を測定するに際し、測定部は、ひずみの測定対象とする一方の表面の全面を開放し、当該表面と反対側となる表面は圧縮荷重による座屈を防止するために開放した状態とせずに拘束してもよい。

本発明に係る二軸応力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、発明例として、図２に示す形状の薄板試験片１を測定対象とし、図１に示す引張用治具１１と圧縮用治具１３を用いて薄板試験片１の測定部３に二軸方向から引張荷重と圧縮荷重を作用させたときのひずみを測定した（発明例）。

薄板試験片１の供試材には、引張強度590MPa級、板厚1.2mmの鋼板を用い、引張軸方向における長さを260mmとし、また、測定部３は正方形とし、その幅を60mmとした。

実験は、引張用治具１１と圧縮用治具１３により延出部５と突出部７のそれぞれを把持した薄板試験片１を二軸応力試験機（図示なし）に設置し、測定部３に所定の引張荷重と圧縮荷重を作用させた。
本実施例では、測定部３に引張荷重と圧縮荷重を作用させたときの圧縮応力の引張応力に対する比が-1（引張応力と圧縮応力の応力比1：-1）となるように、引張用治具１１により延出部５に負荷する引張荷重Fxと、圧縮用治具１３により突出部７に負荷する圧縮荷重Fyの絶対値が等しくなるように荷重制御した。

そして、測定部３におけるひずみ分布を光学的手法により測定した。ここで、ひずみ分布の測定は、２台のカメラを用いて三角測量の原理に基づいて、ひずみによる微小凹凸を測定した。

また、本実施例では、比較対象として、図３に示す形状の薄板試験片１を測定対象とし、図４に示す引張用治具３１と圧縮用治具３３を用いて薄板試験片２１の測定部２３に引張荷重と圧縮荷重を作用させたときのひずみを測定した（従来例）。
なお、薄板試験片２１は、測定部２３から引張軸方向（図３中のX軸方向）の両側に延出する一対の延出部２５を有し、各延出部２５には引張軸方向に延在するスリット２５ａが形成されている。

発明例と同様に、従来例に係る薄板試験片２１の供試材には、引張強度590MPa級、板厚1.2mmの鋼板を用い、引張軸方向における長さを260mmとし、また、測定部２３は正方形とし、その幅を60mmとした。

従来例では、測定部２３に作用させる引張荷重と圧縮荷重の荷重条件を発明例と同様とし、測定部２３に貼付したひずみゲージによりひずみを測定した。

本実施例では、発明例および従来例とも、同一条件でのひずみの測定を3回行った。表１に、本実施例における試験条件をまとめて示す。

図５に、発明例と従来例のそれぞれにおけるひずみの測定結果を示す。
図５において、発明例は、測定部３中央からの引張軸方向の各位置におけるX軸方向ひずみとY軸方向ひずみであり、従来例は、測定部２３の中央におけるX軸方向ひずみとY軸方向ひずみである。

図５より、発明例における測定部中央のひずみの測定結果は、引張軸方向と圧縮軸方向ともに従来例のひずみの測定結果とよく一致していることがわかる。また、発明例においては、測定部全域にわたってひずみ分布が均一であることが示されている。これより、本発明に係る二軸応力試験方法により、測定部の全域におけるひずみ分布を光学的手法により精度良く測定できることが示された。

１ 薄板試験片
３ 測定部
５ 延出部
５ａ スリット
７ 突出部
１１ 引張用治具
１３ 圧縮用治具
２１ 薄板試験片（従来例）
２３ 測定部
２５ 延出部
２５ａ スリット
３１ 引張用治具
３３ 圧縮用治具
３３ａ 櫛歯部

Claims (1)

1. 二軸方向から引張荷重と圧縮荷重を薄板試験片の測定部に作用させて二軸応力下での材料試験を行う二軸応力試験方法であって、
   前記薄板試験片は、
   前記測定部から前記引張荷重を作用させる引張軸方向の両側に延出し、前記引張軸方向に延在するスリットが形成されている一対の延出部と、
   前記測定部から前記圧縮荷重を作用させる圧縮軸方向の両側に突出する一対の突出部とを有し、
   前記測定部の表面の少なくとも一方の全面を開放した状態で、前記測定部における圧縮応力の引張応力に対する比が-0.8〜-1.2の範囲内となるように前記延出部および前記突出部を介して前記測定部に荷重を作用させ、前記測定部のひずみを光学的手法により測定することを特徴とする二軸応力試験方法。