JP2780826B2 - 熱疲労試験方法 - Google Patents
熱疲労試験方法Info
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- JP2780826B2 JP2780826B2 JP1291356A JP29135689A JP2780826B2 JP 2780826 B2 JP2780826 B2 JP 2780826B2 JP 1291356 A JP1291356 A JP 1291356A JP 29135689 A JP29135689 A JP 29135689A JP 2780826 B2 JP2780826 B2 JP 2780826B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は熱疲労試験方法に係り、特に、拘束率を一定
に保ってテストピースを所定の温度パターンで加熱冷却
し、熱疲労試験を行う熱疲労試験方法に関するものであ
る。
に保ってテストピースを所定の温度パターンで加熱冷却
し、熱疲労試験を行う熱疲労試験方法に関するものであ
る。
一般に、高温機器においては、起動、運転停止時の温
度変動に伴い、使用される金属材料は熱膨張、収縮を繰
り返す。このような熱膨張ひずみが拘束されると、第５
図に示すように熱応力が発生する。熱応力の繰り返しに
よる疲労を熱疲労という。拘束される全ひずみ範囲Δε
ｔは、 Δεｔ＝ηαΔＴ で与えられる。ここで、ηは拘束率、αは熱膨張係数、
ΔＴは温度変動範囲である。熱疲労試験では上、下限温
度を定めた条件下で、拘束率によってΔεｔを定め、Δ
εｔに対する破壊までの繰り返し数Nfが求められる。
度変動に伴い、使用される金属材料は熱膨張、収縮を繰
り返す。このような熱膨張ひずみが拘束されると、第５
図に示すように熱応力が発生する。熱応力の繰り返しに
よる疲労を熱疲労という。拘束される全ひずみ範囲Δε
ｔは、 Δεｔ＝ηαΔＴ で与えられる。ここで、ηは拘束率、αは熱膨張係数、
ΔＴは温度変動範囲である。熱疲労試験では上、下限温
度を定めた条件下で、拘束率によってΔεｔを定め、Δ
εｔに対する破壊までの繰り返し数Nfが求められる。
ところで、上記式から拘束率ηは、 η＝Δεt/αΔＴ で表され、全ひずみ範囲に対する熱膨張の比によって定
義され、固定拘束のとき１、自由膨張のとき０、倍変位
のとき−１となる。なお、温度変動範囲ΔＴは計測温度
Ｔと変動中心温度Tmとの差（Ｔ−Tm）である。
義され、固定拘束のとき１、自由膨張のとき０、倍変位
のとき−１となる。なお、温度変動範囲ΔＴは計測温度
Ｔと変動中心温度Tmとの差（Ｔ−Tm）である。
今、拘束率ηを一定にし、Δlmを制御目標値として熱
疲労試験を行う場合、従来は制御目標値Δlmを下式によ
って決定している。
疲労試験を行う場合、従来は制御目標値Δlmを下式によ
って決定している。
Δlm＝αΔＴ＋Δεｔ ＝αΔＴ−ηαΔＴ ＝αΔＴ（１−η） ＝α（Ｔ−Tm）（１−η） ……（１） この際、上式（１）中の熱膨張係数αを予め別途計測
しておき、これを運転時に上式（１）に代入して制御目
標値Δlmを求めていた。
しておき、これを運転時に上式（１）に代入して制御目
標値Δlmを求めていた。
一般に、熱膨張係数αは温度をパラメータとしてα
（Ｔ）と変化するが、上述した従来の方法では熱疲労試
験が比較的狭い温度範囲で行われていたため、この変化
を無視し試験温度範囲で熱膨張係数がほぼ一定であると
して１つの熱膨張係数を使用して目標値を求めていた。
（Ｔ）と変化するが、上述した従来の方法では熱疲労試
験が比較的狭い温度範囲で行われていたため、この変化
を無視し試験温度範囲で熱膨張係数がほぼ一定であると
して１つの熱膨張係数を使用して目標値を求めていた。
しかし、常温域から高温域まで幅広い温度範囲の熱疲
労試験を行った場合、テストピースを構成する材料の結
晶構造などが変化して熱膨張係数も大きく変化するよう
になって、広い温度範囲の試験に単一に熱膨張係数を使
用して目標値を求めたのでは試験が正確に行うことがで
きないという問題があった。
労試験を行った場合、テストピースを構成する材料の結
晶構造などが変化して熱膨張係数も大きく変化するよう
になって、広い温度範囲の試験に単一に熱膨張係数を使
用して目標値を求めたのでは試験が正確に行うことがで
きないという問題があった。
よって本発明は、上述した従来の問題に鑑み、常温域
から高温域まで幅広い温度範囲で熱疲労試験を行った場
合でも、試験温度範囲全域において試験を正確に行える
ようにした熱疲労試験方法を提供することを課題として
いる。
から高温域まで幅広い温度範囲で熱疲労試験を行った場
合でも、試験温度範囲全域において試験を正確に行える
ようにした熱疲労試験方法を提供することを課題として
いる。
上記課題を解決するため本発明により成された熱疲労
試験方法は、全ひずみ範囲に対する熱膨張の比である拘
束率と、所定の温度パターンで加熱冷却されるテストピ
ースの温度と、テストピースの熱膨張係数とによりひず
み制御の目標値を求め、該目標値を利用して前記拘束率
を一定に保ち熱疲労試験を行う熱疲労試験方法におい
て、前記熱疲労試験の開始前に、テストピースを拘束し
ない状態でテストピースの温度を前記温度パターンの下
限温度と上限温度との間で変化させ、該温度変化の過程
で前記ひずみと前記温度とをサンプリングしてデジタル
信号に変換して取り込み、該取り込んだデジタル信号を
ひずみ及び温度データとして格納し、該格納したひずみ
及び温度データに基づいて演算を行って温度に対する熱
膨張係数をテーブル化して記憶手段に格納しておき、前
記熱疲労試験における各温度毎の目標値を、前記記憶手
段にテーブル化して格納した温度に対する熱膨張係数に
基づいて求めるようにしたことを特徴としている。
試験方法は、全ひずみ範囲に対する熱膨張の比である拘
束率と、所定の温度パターンで加熱冷却されるテストピ
ースの温度と、テストピースの熱膨張係数とによりひず
み制御の目標値を求め、該目標値を利用して前記拘束率
を一定に保ち熱疲労試験を行う熱疲労試験方法におい
て、前記熱疲労試験の開始前に、テストピースを拘束し
ない状態でテストピースの温度を前記温度パターンの下
限温度と上限温度との間で変化させ、該温度変化の過程
で前記ひずみと前記温度とをサンプリングしてデジタル
信号に変換して取り込み、該取り込んだデジタル信号を
ひずみ及び温度データとして格納し、該格納したひずみ
及び温度データに基づいて演算を行って温度に対する熱
膨張係数をテーブル化して記憶手段に格納しておき、前
記熱疲労試験における各温度毎の目標値を、前記記憶手
段にテーブル化して格納した温度に対する熱膨張係数に
基づいて求めるようにしたことを特徴としている。
以上の方法においては、熱疲労試験の際の制御目標値
が温度に応じて変化する熱膨張係数を考慮して求められ
ているので、常温域から高温域まで幅広い温度範囲で熱
疲労試験が行われ、熱膨張係数が温度をパラメータとし
て大きく変化していても、この熱膨張係数の変化を考慮
した目標値が求められるようになる。
が温度に応じて変化する熱膨張係数を考慮して求められ
ているので、常温域から高温域まで幅広い温度範囲で熱
疲労試験が行われ、熱膨張係数が温度をパラメータとし
て大きく変化していても、この熱膨張係数の変化を考慮
した目標値が求められるようになる。
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第１図は本発明による熱疲労試験方法を実施するため
の熱疲労試験機の一例を示す図であり、同図において、
１はテストピースで、その一端が油圧シリンダ２のピス
トン2aにチャック3aを介して連結されると共に、その他
端が荷重検出器４にチャック3bを介して連結されてい
る。上述のように連結されたテストピース１には、油圧
シリンダ２を動作させてピストン2aを図中矢印A,B方向
に移動させることにより、テストピース１に引張、圧縮
荷重を作用させる。
の熱疲労試験機の一例を示す図であり、同図において、
１はテストピースで、その一端が油圧シリンダ２のピス
トン2aにチャック3aを介して連結されると共に、その他
端が荷重検出器４にチャック3bを介して連結されてい
る。上述のように連結されたテストピース１には、油圧
シリンダ２を動作させてピストン2aを図中矢印A,B方向
に移動させることにより、テストピース１に引張、圧縮
荷重を作用させる。
また、テストピース１の周囲には、これを取り囲むよ
うに加熱手段としての高周波コイル５が配置されてい
る。この高周波コイル５には、高周波電流を制御して加
熱温度を調節する温度調節器5aが設けられている。上記
高周波コイル５の周囲には、第２図に示すように、高周
波コイル５及びテストピース１に冷却用空気を吹き付け
るノズル６が配置されている。このノズル６に冷却用空
気を送る流路７には、流量を連続的に調節するサーボ弁
８が設けられている。
うに加熱手段としての高周波コイル５が配置されてい
る。この高周波コイル５には、高周波電流を制御して加
熱温度を調節する温度調節器5aが設けられている。上記
高周波コイル５の周囲には、第２図に示すように、高周
波コイル５及びテストピース１に冷却用空気を吹き付け
るノズル６が配置されている。このノズル６に冷却用空
気を送る流路７には、流量を連続的に調節するサーボ弁
８が設けられている。
更に、テストピース１には、熱電対から構成された温
度センサ９が取付けられると共に、チャック3a及び3b間
を距離を計測してテストピース１のひずみを検出する変
位検出器10が配置されている。
度センサ９が取付けられると共に、チャック3a及び3b間
を距離を計測してテストピース１のひずみを検出する変
位検出器10が配置されている。
上記荷重検出器４、温度センサ９及び変位検出器10の
出力はそれぞれアンプ11a乃至11cで増幅されて予め定め
られたプログラムに従って動作するマイクロコンピュー
タ（CPU）によって構成された制御回路12に入力され
る。
出力はそれぞれアンプ11a乃至11cで増幅されて予め定め
られたプログラムに従って動作するマイクロコンピュー
タ（CPU）によって構成された制御回路12に入力され
る。
制御回路12はアンプ11a乃至11cを介して入力されるア
ナログ信号をデジタル信号に変換して取り込み、この取
り込んだ信号を処理してテストピース１の温度を所定の
温度に上昇下降するため高周波コイル５に流す高周波電
流を制御したり、サーボ弁８の開度を制御するための制
御信号を出力する。
ナログ信号をデジタル信号に変換して取り込み、この取
り込んだ信号を処理してテストピース１の温度を所定の
温度に上昇下降するため高周波コイル５に流す高周波電
流を制御したり、サーボ弁８の開度を制御するための制
御信号を出力する。
上述した構成の熱疲労試験機を使用して実行する本発
明による熱疲労試験方法を、第３図のタイミングチャー
トを参照して以下説明する。
明による熱疲労試験方法を、第３図のタイミングチャー
トを参照して以下説明する。
まず、試験機の制御をテストピース１にかかる荷重が
零、すなわち拘束率が０になるような荷重制御にし、時
点t1において加熱コイル５によるテストピース１の加熱
を開始させ、温度センサ９によってテストピース１の温
度を監視しながら試験温度範囲の下限温度T1から上限温
度T2に適当な上昇率で上昇させる。テストピース１の温
度が時点t2において上限温度T2に達したらその温度を時
点t3までの所定時間保持した後、加熱コイル５による加
熱を停止し、必要な場合はテストピース１にノズル６か
ら冷却用空気を吹き付けてその温度を上限温度T2から下
限温度T2まで適当な下降率で下降させる。テストピース
１の温度が時点t4で下限温度T1に達したらその温度を一
定時間保持した後、時点t5で加熱コイル５によるテスト
ピース１の加熱を再度開始し、時点t6までの時間をかけ
て熱疲労試験開始温度T0までテストピース１の温度を上
昇させる。
零、すなわち拘束率が０になるような荷重制御にし、時
点t1において加熱コイル５によるテストピース１の加熱
を開始させ、温度センサ９によってテストピース１の温
度を監視しながら試験温度範囲の下限温度T1から上限温
度T2に適当な上昇率で上昇させる。テストピース１の温
度が時点t2において上限温度T2に達したらその温度を時
点t3までの所定時間保持した後、加熱コイル５による加
熱を停止し、必要な場合はテストピース１にノズル６か
ら冷却用空気を吹き付けてその温度を上限温度T2から下
限温度T2まで適当な下降率で下降させる。テストピース
１の温度が時点t4で下限温度T1に達したらその温度を一
定時間保持した後、時点t5で加熱コイル５によるテスト
ピース１の加熱を再度開始し、時点t6までの時間をかけ
て熱疲労試験開始温度T0までテストピース１の温度を上
昇させる。
上述したテストピース１の時点t1乃至t4の間の加熱・
冷却のサイクルにおいて、制御回路12は、変位検出器10
の出力に得られアンプ11cによって増幅されたテストピ
ース１のひずみを表すアナログ信号及び温度センサ９の
出力に得られアンプ11bによって増幅されたテストピー
ス１の温度を表すアナログ信号を適当なサンプリング周
波数でデジタル信号に変換し、これらをそれぞれ取り込
む。そして、この取り込んだデジタル信号の内上記時点
t1乃至t2及び時点t3乃至t4の期間の信号をひずみデータ
及び温度データとしてその内部に有する記憶手段として
のメモリ12aにそれぞれ格納する。勿論、制御回路12
は、上記サイクルにおいて荷重零の荷重制御を行うた
め、荷重検出器４からの荷重信号によって油圧シリンダ
２をサーボ制御している。
冷却のサイクルにおいて、制御回路12は、変位検出器10
の出力に得られアンプ11cによって増幅されたテストピ
ース１のひずみを表すアナログ信号及び温度センサ９の
出力に得られアンプ11bによって増幅されたテストピー
ス１の温度を表すアナログ信号を適当なサンプリング周
波数でデジタル信号に変換し、これらをそれぞれ取り込
む。そして、この取り込んだデジタル信号の内上記時点
t1乃至t2及び時点t3乃至t4の期間の信号をひずみデータ
及び温度データとしてその内部に有する記憶手段として
のメモリ12aにそれぞれ格納する。勿論、制御回路12
は、上記サイクルにおいて荷重零の荷重制御を行うた
め、荷重検出器４からの荷重信号によって油圧シリンダ
２をサーボ制御している。
その後、制御回路12はメモリ12aに格納したひずみ及
び温度データに基づいて演算を行い、各温度における熱
膨張係数α求め、これを後の熱疲労試験の際制御目標値
Δlmを算出するためのデータとして使用するため、テー
ブル化してメモリ12aの所定の領域に格納する。第４図
はメモリ12aに格納した温度に対する熱膨張係数α
（Ｔ）の変化をグラフにして示している。
び温度データに基づいて演算を行い、各温度における熱
膨張係数α求め、これを後の熱疲労試験の際制御目標値
Δlmを算出するためのデータとして使用するため、テー
ブル化してメモリ12aの所定の領域に格納する。第４図
はメモリ12aに格納した温度に対する熱膨張係数α
（Ｔ）の変化をグラフにして示している。
上述のように温度に対する熱膨張係数αを求め終わっ
たら、時点t7において熱疲労試験を開始する。この熱疲
労試験においては、テストピース１を下限温度T1と上限
温度T2との間で予め定められたパターンで加熱冷却する
ため、制御回路12が加熱コイル５及びサーボ弁８を制御
する。このとき制御回路12は、拘束率ηを所定の一定値
η１に固定してひずみ制御するため、温度センサ９によ
ってテストピース１の実測温度Ｔを測定すると共に、こ
の温度に対する熱膨張係数α（Ｔ）をメモリ12aから読
み出して、制御目標値Δlmを上式（１）を変形した下
式、 Δlm＝α（Ｔ）（Ｔ−Tm）（１−η１） によって演算し、この演算した制御目標値Δlmを用いて
油圧シリンダ２をサーボ制御する。
たら、時点t7において熱疲労試験を開始する。この熱疲
労試験においては、テストピース１を下限温度T1と上限
温度T2との間で予め定められたパターンで加熱冷却する
ため、制御回路12が加熱コイル５及びサーボ弁８を制御
する。このとき制御回路12は、拘束率ηを所定の一定値
η１に固定してひずみ制御するため、温度センサ９によ
ってテストピース１の実測温度Ｔを測定すると共に、こ
の温度に対する熱膨張係数α（Ｔ）をメモリ12aから読
み出して、制御目標値Δlmを上式（１）を変形した下
式、 Δlm＝α（Ｔ）（Ｔ−Tm）（１−η１） によって演算し、この演算した制御目標値Δlmを用いて
油圧シリンダ２をサーボ制御する。
なお、上述した熱膨張係数α（Ｔ）の計測ルーチンは
熱疲労試験の途中の任意の区間において定期的に実行す
るようにすることもできる。このようにすると、テスト
ピース１の疲労の度合いによって変化する熱膨張係数α
（Ｔ）をも考慮した熱疲労試験が可能になり、より一層
正確な試験が行えるようになる。
熱疲労試験の途中の任意の区間において定期的に実行す
るようにすることもできる。このようにすると、テスト
ピース１の疲労の度合いによって変化する熱膨張係数α
（Ｔ）をも考慮した熱疲労試験が可能になり、より一層
正確な試験が行えるようになる。
以上説明したように本発明によれば、熱疲労試験の際
の制御目標値が各温度における熱膨張係数を考慮して求
められているので、常温域から高温域まで幅広い温度範
囲で熱疲労試験が行われて熱膨張係数が温度をパラメー
タとして大きく変化していても、この熱膨張係数の変化
を考慮した目標値によりひずみ制御されるようになり、
試験温度範囲全域において熱疲労試験を正確に行えると
いう効果が得られる。
の制御目標値が各温度における熱膨張係数を考慮して求
められているので、常温域から高温域まで幅広い温度範
囲で熱疲労試験が行われて熱膨張係数が温度をパラメー
タとして大きく変化していても、この熱膨張係数の変化
を考慮した目標値によりひずみ制御されるようになり、
試験温度範囲全域において熱疲労試験を正確に行えると
いう効果が得られる。
第１図は本発明による熱疲労試験方法を実施するために
使用される熱疲労試験機の一例を示す図、 第２図は第１図の一部分の詳細を示す図、 第３図は本発明の熱疲労試験方法を説明するための説明
図、 第４図は本発明の方法の実行の過程で得られるデータを
示す図、 第５図は熱膨張によって生じるひずみ、拘束及び熱応力
の関係を示す図である。 １……テストピース、２……油圧シリンダ、2a……ピス
トン、４……荷重検出器、５……加熱コイル、６……ノ
ズル、９……温度センサ、10……変位検出器、12……制
御回路、12a……メモリ。
使用される熱疲労試験機の一例を示す図、 第２図は第１図の一部分の詳細を示す図、 第３図は本発明の熱疲労試験方法を説明するための説明
図、 第４図は本発明の方法の実行の過程で得られるデータを
示す図、 第５図は熱膨張によって生じるひずみ、拘束及び熱応力
の関係を示す図である。 １……テストピース、２……油圧シリンダ、2a……ピス
トン、４……荷重検出器、５……加熱コイル、６……ノ
ズル、９……温度センサ、10……変位検出器、12……制
御回路、12a……メモリ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01N 3/00 - 3/62
Claims (1)
- 【請求項１】全ひずみ範囲に対する熱膨張の比である拘
束率と、所定の温度パターンで加熱冷却されるテストピ
ースの温度と、テストピースの熱膨張係数とによりひず
み制御の目標値を求め、該目標値を利用して前記拘束率
を一定に保ち熱疲労試験を行う熱疲労試験方法におい
て、 前記熱疲労試験の開始前に、テストピースを拘束しない
状態でテストピースの温度を前記温度パターンの下限温
度と上限温度との間で変化させ、 該温度変化の過程で前記ひずみと前記温度とをサンプリ
ングしてデジタル信号に変換して取り込み、 該取り込んだデジタル信号をひずみ及び温度データとし
て格納し、 該格納したひずみ及び温度データに基づいて演算を行っ
て温度に対する熱膨張係数をテーブル化して記憶手段に
格納しておき、 前記熱疲労試験における各温度毎の目標値を、前記記憶
手段にテーブル化して格納した温度に対する熱膨張係数
に基づいて求めるようにした ことを特徴とする熱疲労試験方法
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1291356A JP2780826B2 (ja) | 1989-11-10 | 1989-11-10 | 熱疲労試験方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1291356A JP2780826B2 (ja) | 1989-11-10 | 1989-11-10 | 熱疲労試験方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03152441A JPH03152441A (ja) | 1991-06-28 |
| JP2780826B2 true JP2780826B2 (ja) | 1998-07-30 |
Family
ID=17767867
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1291356A Expired - Fee Related JP2780826B2 (ja) | 1989-11-10 | 1989-11-10 | 熱疲労試験方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2780826B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101956349B1 (ko) | 2017-01-26 | 2019-03-11 | 동아대학교 산학협력단 | 시편을 이용한 자동차 구동축의 고주파열처리에 따른 피로수명 예측 방법 및 이를 위한 시편과 시편 열처리용 유도가열코일 |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ES2361349B1 (es) * | 2008-12-24 | 2012-04-19 | Asociacion De Investigacion Metalurgica Del Noroeste | Procedimiento de ensayo de materiales para predecir su comportamiento en un conformado por calentamiento r�?pido en procesos progresivos. |
| CN106644749B (zh) * | 2016-10-27 | 2020-04-10 | 长春机械科学研究院有限公司 | 一种适用于高温真空的拉伸力学性能测试装置 |
| JP7433786B2 (ja) * | 2019-06-28 | 2024-02-20 | 株式会社Kelk | 状態推定システム |
| JP2022044097A (ja) * | 2020-09-07 | 2022-03-17 | 株式会社島津製作所 | 材料試験機、及び材料試験機の制御方法 |
| CN113720706B (zh) * | 2021-08-08 | 2023-11-28 | 中国飞机强度研究所 | 一种混合结构三钉连接件热疲劳试验的热应力等效方法 |
| CN114878200B (zh) * | 2022-07-08 | 2022-09-30 | 中国飞机强度研究所 | 一种空天飞机部件强度试验加热系统及其方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6212834A (ja) * | 1985-07-11 | 1987-01-21 | Saginomiya Seisakusho Inc | 機械的ひずみ重畳型熱疲労試験方法 |
-
1989
- 1989-11-10 JP JP1291356A patent/JP2780826B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101956349B1 (ko) | 2017-01-26 | 2019-03-11 | 동아대학교 산학협력단 | 시편을 이용한 자동차 구동축의 고주파열처리에 따른 피로수명 예측 방법 및 이를 위한 시편과 시편 열처리용 유도가열코일 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03152441A (ja) | 1991-06-28 |
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