JP3422524B2 - 熱疲労試験方法および熱疲労試験装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は金属、セラミックス等の
材料、特に軽金属材料の耐熱疲労性の評価に利用するこ
とが可能な簡易な熱疲労試験方法および熱疲労試験装置
に関する。

【０００２】

【従来技術】一般に、金属、セラミックス等の材料は熱
応力と機械的応力が複合的に作用する環境で使用され、
その使用に際し熱疲労試験によってその耐久性が評価さ
れる。かかる熱疲労試験方法として油圧サーボ試験機を
用いた熱疲労試験方法が最も一般的に使用されている。
この方法は高周波加熱とエアー冷却により熱疲労試験片
に温度変化を与え、高温伸び計を用いて熱疲労試験片に
発生した伸びを、またロ−ドセルを用いて熱疲労試験片
に発生した荷重を検出する方法で、油圧サーボ機構によ
って伸びと荷重を制御するものである。しかし、この方
法には以下のような問題点があった。高周波加熱装置、
油圧サーボ機構等からなるため装置が大がかりで、複雑
かつ高価である。また、熱疲労試験片が大形のため部品
から直接採取できないという問題がある。さらに、熱疲
労試験片がアルミニウム合金の場合は熱伝導が良いため
チャック部から熱が逃げてしまい試験片の温度差が大き
くなるという欠点があった。

【０００３】このような問題があるため従来、熱疲労試
験はあまり利用されず、過酷な条件で使うような場合で
も部品の肉厚を厚くする等の方法によって対応してい
た。しかし、最近は部品を限界まで薄くして使いたいと
いう要求が強くなってきた。さらに簡易に熱疲労寿命を
評価したいという要求も強くなってきた。

【０００４】このような要求に応える比較的簡易な熱疲
労試験方法として、試験片自体に温度分布を生じさせ、
発生した熱ひずみによって熱疲労試験片を破損させて熱
疲労寿命を評価する方法がある（特開昭６０−２４９０
３５号）。この方法はそろばん玉状の試験片全体を加熱
・冷却するものであるが熱サイクルにともなう熱応力お
よび熱ひずみの状態が複雑となり定量的な熱疲労寿命の
評価ができないという問題点があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は金属、セラミ
ックス等の材料、特に軽金属材料の耐熱疲労性の評価に
利用することが可能な、簡易な熱疲労試験方法および熱
疲労試験装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】（第1発明の構成） 本発明の熱疲労試験方法は、中央部に両端部よりも断面
積が小さな部分を有する熱疲労試験片と、該熱疲労試験
片と熱膨張係数の異なる材質からなり前記熱疲労試験片
の両端部と接触する部分に複数のV字形の刃を設けた２
枚のホルダとを用意し、前記熱疲労試験片の両側から前
記ホルダによって拘束するに際し、前記ホルダのV字形
の刃を前記熱疲労試験片の両端の平担部に圧入するとと
もに、前記熱疲労試験片両端部の両側から前記熱疲労試
験片とホルダとの間の結合の緩みを防止するための弾性
部材を介して結合手段によって拘束し、拘束状態のまま
前記熱疲労試験片およびホルダの全体を共に加熱・冷却
し、熱疲労試験片とホルダとの熱膨張差による熱応力と
熱ひずみを熱疲労試験片中央部の両端部よりも断面積が
小さな部分に局所的に集中させることを特徴とし、前記
熱応力と熱ひずみによって熱疲労試験片を破損させて熱
疲労寿命を求め、材料の耐熱疲労性を評価するものであ
る。

【０００７】（第2発明の構成） 本第2発明の熱疲労試験装置は、中央部に両端部よりも
断面積が小さな部分を有する熱疲労試験片と、この熱疲
労試験片を試験片両端部両側から前記熱疲労試験片とホ
ルダとの間の結合の緩みを防止するための弾性部材を介
して結合手段によって拘束するための該熱疲労試験片と
熱膨張係数が異なる材質からなり、前記熱疲労試験片の
両端部と接触する部分に前記熱疲労試験片の両端の平担
部に圧入される複数のV字形の刃を有する2枚のホルダ
と、前記熱疲労試験片とホルダとの熱膨張差による熱応
力と熱ひずみを熱疲労試験片中央部の両端部よりも断面
積が小さな部分に局所的に発生させるために前記熱疲労
試験片およびホルダを加熱・冷却するための加熱手段お
よび冷却手段と、前記熱疲労試験片の破断を検出するた
めの試料観察手段と、からなることを特徴とする。

【０００８】

【作用】

（第１発明の作用）本第１発明の熱疲労試験方法によっ
て熱疲労寿命を求めることができる理由は以下の通りで
あると推定される。本第１発明の熱疲労試験片は中央部
に両端部より断面積が小さな部分を設ける。この断面積
が小さな部分を設ける理由は、以下の通りである。一般
的に、熱膨張係数α_TPの試験片に拘束なしの状態で温度
変化ΔＴを与えた時の自由膨脹ひずみ量Δε_freeは、式
（１）のようになる。 Δε_free＝α_TPΔT （１） この試験片を、たとえ熱膨張係数が０×１０^-6/ ℃で剛
性が十分に大きなホルダで拘束したとしても、熱ひずみ
量をこの自由膨脹ひずみ量以上に大きくすることはでき
ない。ところが、試験片が複雑な形状をしている場合、
すなわち局部的に断面積の小さな部分がある場合には、
当然そこに局部的に応力集中が生じる。温度変化が大き
な場合にはこの局部応力が、材料が有する降伏応力を越
え、材料の一般的な応力−ひずみ特性から材料のみかけ
上の弾性率が低下するため、それ以降はその部分にひず
みが集中し、そのひずみ量は当然、式（１）の自由膨脹
ひずみ量より大きくなる。

【０００９】本第１発明の熱疲労試験方法においても、
熱疲労試験片中央部の断面積を小さくすることによっ
て、このように自由膨脹ひずみ量より大きなひずみの熱
疲労現象を再現することができる。前記熱疲労試験片中
央部の断面積の小さな部分は断面積一定の平行部とする
ことが望ましい。このように、平行部を設けることによ
って破損位置が特定されなくなり、材料特性のばらつき
を加味した試験を行うことができるようになる。

【００１０】次に、熱疲労試験片端部を、この熱疲労試
験片と熱膨張係数の異なる材質からなるホルダによって
両側から前記熱疲労試験片とホルダとの間の結合の緩み
を防止するための弾性部材を介して結合手段によって拘
束し、拘束状態のまま前記熱疲労試験片およびホルダの
全体を加熱・冷却し、熱疲労試験片とホルダとの熱膨張
差による熱応力と熱ひずみを熱疲労試験片中央部の断面
積の小さな部分に局所的に集中させる。すなわち、熱疲
労試験片を中央にして２枚の熱膨張係数の異なる材料か
らなるホルダで挟み、この熱疲労試験片をホルダごと加
熱すると、ホルダの熱膨張係数が試験片より小さい場
合、試験片の膨張をホルダが阻止するため試験片には圧
縮の応力とひずみが、また、ホルダの熱膨張係数が試験
片より大きい場合、引張の応力とひずみが断面積の小さ
な部分に集中して生じる。さらに、冷却すると、それぞ
れ加熱の場合とは逆の応力とひずみが生じる。すなわ
ち、このように加熱と冷却を繰り返すことにより、試験
片の断面積が小さな部分には引張と圧縮の応力とひずみ
が周期的に印加されることになり、通常の熱疲労試験と
同様に、あるサイクル数が経過すると熱疲労によって破
損が生じることになる。

【００１１】（第２発明の作用） 本第２発明の熱疲労試験装置は、前記第１発明の熱疲労
試験方法において説明したと同様の作用、すなわち、中
央部に両端部よりも断面積が小さな部分を有する熱疲労
試験片と、この熱疲労試験片を試験片端部両側から前記
熱疲労試験片とホルダとの間の結合の緩みを防止するた
めの弾性部材を介して結合手段によって拘束するための
該熱疲労試験片と熱膨張係数が異なる材質からなり、前
記熱疲労試験片の両端部と接触する部分に前記熱疲労試
験片の両端の平担部に圧入される複数のV字形の刃を有
する２枚のホルダによって拘束し、前記熱疲労試験片と
ホルダとの熱膨張差による熱応力と熱ひずみを熱疲労試
験片中央部の両端部よりも断面積が小さな部分に局所的
に発生させ熱疲労試験片を破損させて熱疲労寿命を求め
るものである。

【効果】（第１発明の効果） 本第１発明の熱疲労試験方法では、同じ形状・寸法の熱
疲労試験片およびホルダを用いれば冷熱サイクルにより
生じる熱ひずみは、ホルダと試験片との熱膨張差のみに
よって決まるため、試験温度さえ一定に制御すれば一定
の熱ひずみを生じさせることができる。一方、熱疲労試
験方法では、試験片とホルダが小さいので温度分布も当
然小さく、試験の信頼性が高い。また、本試験における
熱応力・熱ひずみ、温度は高温ひずみゲージや熱電対を
用いて実測可能であるため、同じ形状のホルダと試験片
の組み合わせについて一度測定しておけば、試験片が破
損するサイクル数をこれらの実測した試験条件と対応づ
けて、定量的に熱疲労寿命を評価することが可能であ
る。

【００１２】また、本第１発明の熱疲労試験方法では、
試験片を拘束するための特別な治具、熱ひずみを制御す
るための特別な装置をともに必要としないため、試験装
置全体を小さく簡単に安価にできる。また、用いる試験
片は小さいので、小さな部品から試験片を直接切り出し
て評価することも可能である。さらに、温度分布が小さ
いため、熱ひずみ条件についても従来の大掛かりな試験
法と同様、一定にできることから、定量的な熱疲労寿命
の評価が可能である。

【００１３】（第２発明の効果）本第２発明の熱疲労試
験装置により、試験片が破損する過程を連続的に観察、
記録でき、熱疲労現象の解明が可能になる。

【００１４】

【具体化した発明１】 （構成）本具体化した発明１は第１発明および第２発明
で用いるホルダに関するものである。本ホルダは、中央
部に両端部よりも断面積が小さな部分を有する熱疲労試
験片の両端の平坦部を両側から弾性部材を介して結合手
段によって結合して拘束するとともに、前記熱疲労試験
片の両端の平坦部に接触する部分が複数のＶ字形の刃か
らなり、該ホルダの硬さが熱疲労試験片の硬さの２倍以
上であることを特徴とする。

【００１５】（作用）本具体化した発明１のホルダは、
該ホルダが熱疲労試験片の両端の平坦部に接触する部分
が複数のＶ字形の刃からなっている。このＶ字形の刃の
先端を熱疲労試験片の両端の平坦部に圧入し、かつこの
圧入部の外側から弾性部材を介して結合手段によって結
合して熱疲労試験片を拘束するため結合が緩まず、常に
熱疲労試験片とホルダの熱膨張差のみによって決まる一
定の熱ひずみ条件で試験ができる。

【００１６】このホルダのＶ字形の刃の先端を直接熱疲
労試験片に圧入し、かつ、ホルダを何回も再使用するた
めに、ホルダのＶ字刃部の硬さは熱疲労試験片の硬さの
２倍以上になるようにする。図２は種々の硬さ（ビッカ
ース硬さＨ_v ）を有する材質からなる刃型を、アルミニ
ウム合金に圧入荷重を増加させながら圧入したときの、
圧入荷重とＶ字形の刃の先端の鈍化程度（刃型高さ減少
量）の関係を示したものである。この図から、刃型の硬
さが試験片の２倍以上あれば、圧入荷重を増して繰り返
し圧入しても刃先が鈍化しないことが分かる。

【００１７】（効果）熱疲労試験片とホルダを試験片両
端部で結合する手段として、双方が互いにはまり合う様
な形状（例えば、ねじ構造）に加工しておいてそれらを
組合わせて固定する方法が考えられるが、その場合に
は、極めて厳しい加工精度が要求される上、加工のバラ
ツキがそのまま試験時の初期ひずみのばらつきになって
しまう。それに対し本ホルダでは、試験片１本１本に現
物合わせでホルダの刃を圧入するため、適切な一定の荷
重で圧入さえ行えば、試験片の中央部の両端部より断面
積の小さな部分の初期ひずみを小さくほぼ一定にできる
利点がある。

【００１８】また、冷熱試験時に試験片とホルダの結合
部が密着しており、たとえ試験片が軟化して刃の圧入が
進んでもホルダの外側から弾性部材を介して結合手段に
よって結合していて弾性力が働いているため結合が緩ま
ない。このように拘束部のガタ、ゆるみがないので、加
熱冷却の際にホルダと試験片の間で、応力伝達ロスがな
く常に試験片とホルダの熱膨張差のみによって決まる一
定の熱ひずみ条件で試験ができる。

【００１９】

【具体化した発明２】 （構成）本具体化した発明２は、前記第２発明の熱疲労
試験装置において、前記熱疲労試験片の可視光による像
を取り出すためのシリコンウエハからなるミラーと、取
り出した像を外部へ導くための光路手段と、前記像を表
示するための表示手段とを設置したことを特徴とする。 （作用）本具体化した発明２の熱疲労試験装置は、熱疲
労試験中の熱疲労試験片の状態を連続的に観察等ができ
る装置であり、熱疲労試験片の像を外部に取り出すため
のミラーとしてシリコンウエハを用いた点に特徴を有す
る。シリコンウエハは加熱炉内に配置され、赤外線を透
過させるが可視領域のほとんどの光を反射するため、加
熱の妨げとならず、試験片の像のみを効果的に取り出す
ことができる。また、シリコンウエハは熱膨張係数が小
さく単一の材料なので加熱冷却によって割れたり、歪ん
だりしない。さらに、表面の平坦度が高く緻密に鏡面仕
上げされているが大量に生産されているため安価に入手
できる。

【００２０】（効果）本具体化した発明２の熱疲労試験
装置により、試験片が破損する過程を連続的に観察、記
録でき、熱疲労現象の解明が可能になる。

【００２１】

【具体化した発明３】前記第１発明の熱疲労試験方法を
実施するための熱疲労試験装置は例えば図１に示すよう
な装置を用いて行う。本熱疲労試験装置は、熱疲労試験
片１と、熱疲労試験片１を拘束するホルダ２と、赤外線
加熱炉等からなる加熱手段３と、エアーノズル等からな
る冷却手段４と、熱疲労試験片の熱ひずみ量および熱応
力を測定するために熱疲労試験片に取付けたひずみゲー
ジ（図示せず）と、熱疲労試験片の可視光による像を取
り出すためのシリコンウエハからなるミラー５と、取り
出した像を外部へ導くためのミラー（６、７、８）、レ
ンズ（９、１０）からなる光路手段と、冷熱サイクル数
を表示するカウンタ１１と、ＶＴＲカメラ等からなる試
料観察手段１２と、ＶＴＲカメラ、炉の温度、エアーノ
ズル等を冷熱サイクルパターンにしたがって制御する制
御手段１３、熱疲労試験片の像を表示するためのビデオ
モニター等からなる表示手段１４とから構成される。

【００２２】ここで、加熱および冷却手段としては赤外
線加熱炉およびエアーノズルがあるが、熱疲労試験片と
ホルダを加熱・冷却できるものであれば、それらに限定
されないが、実用上、数分／サイクルの冷熱サイクルが
可能な加熱および冷却手段であることが望ましい。

【００２３】また、光路手段であるミラーとレンズの組
み合わせと配置は、加熱手段や冷却手段、および装置全
体の構成によって変更可能である。また、熱疲労試験片
の拘束は、通常以下のようにして行う。すなわち熱膨張
係数が熱疲労試験片と異なる材料からなり両端にＶ字形
の刃等を有する２枚のホルダで熱疲労試験片を挟み、油
圧プレス等の圧縮装置によって、ホルダの両端のＶ字形
の刃を試験片の両端の平坦部に圧入する。このときの圧
入荷重は、試験片中央の平行部に塑性ひずみが生じない
大きさとするのが望ましい。また、ホルダを構成する材
料の熱膨張係数は、試験を行いたいひずみ範囲によって
自由に選択できる。圧入後、圧入部が緩まないようにば
ねを介してボルト・ナット等の結合手段で結合する。

【００２４】前記ホルダのＶ字形の刃の先端角は熱疲労
試験片への圧入し易さの点で小さな方がよいが、刃先の
強度の点では大きな方がよく、５０〜７５°程度が望ま
しい。Ｖ字形の刃は、刃先が滑らない程度まで食い込む
ことが必要であり、深さは０．１ｍｍ程度あれば十分で
ある。このとき、Ｖ字形の刃の谷底形状はＲや平坦であ
ってもよい。Ｖ字形の刃のピッチは、圧入したときの試
験片の圧入されていない部分とホルダＶ字刃谷部との隙
間（試験中にこの分だけ食い込みが進む可能性がある）
を小さくするために、できるだけ細かいほうが望ましい
が、深さを０．１ｍｍ以上にするため、約０．１ｍｍ以
上が望ましい。

【００２５】また、本熱疲労試験装置で用いる熱疲労試
験片とホルダの熱膨張係数は、試験条件を把握しやすい
という理由で１０×１０^-6／℃程度以上異なっているこ
とが望ましい。また、本熱疲労試験装置では、シリコン
ウエハを用いて試験片の可視光による像を取りだし、冷
熱サイクルパターンに合わせて、一定の周期で破損状態
を自動記録することもできる。

【００２６】

【実施例】

（実施例１）図１の熱疲労試験装置を用いて試験片の熱
疲労寿命を求めた。本熱疲労試験装置は、熱疲労試験片
１と、熱疲労試験片１を拘束するためのホルダ２と、加
熱手段である赤外線加熱炉３と、冷却手段であるエアー
ノズル４と、熱疲労試験片の熱ひずみ量および熱応力を
測定するために熱疲労試験片に取付けたひずみゲージ
（図示せず）と、熱疲労試験片の可視光による像を取り
出すためのシリコンウエハ製ミラー５と、取り出した像
を外部へ導くためのミラー（６、７、８）およびレンズ
（９、１０）からなる光路手段と、冷熱サイクル数を表
示するカウンタ１１と、試料を観察するためのＶＴＲカ
メラ１２と、ＶＴＲカメラ、炉の温度およびエアーノズ
ルを冷熱サイクルパターンに従って制御するコントロー
ラ１３、熱疲労試験片の像を表示するためのビデオモニ
タ１４から構成される。

【００２７】図３に熱疲労試験片とホルダの形状を示
す。熱疲労試験片はアルミニウム合金ＪＩＳＡＣ２Ｂに
熱処理（Ｔ６処理）を施したものである。熱疲労試験片
は、長さが５０ｍｍ、中央部に両端部よりも断面積が小
さな平行部を有し、平行部は円柱状の丸棒でその直径は
４ｍｍ、その平行部の長さは６ｍｍである。また、両端
部は、直径が８ｍｍで、長さが１０ｍｍであり両側から
ホルダで把持可能な平坦部を有する。また、ホルダの材
質はＩｎｃｏｌｏｙ９０４で、Ｖ字形の刃２３の先端角
は６０°、ピッチは０．３ｍｍ、圧入荷重は４０００ｋ
ｇｆとし、このときの熱疲労試験片の平行部の軸方向ひ
ずみは約−０．１％であった。前記熱疲労試験片とホル
ダの熱膨張係数はそれぞれ２５×１０^-6／℃、３．３×
１０^-6／℃である。

【００２８】圧入後、５枚の皿ばね２１を介しＭ４のボ
ルト・ナット２２で均等に結合した。このときの締め付
けトルクは２５ｋｇｆ・ｃｍとした。このホルダで拘束
した熱疲労試験片を赤外線加熱炉の中央に配置した。本
実施例では２分加熱、３分冷却の条件で３５〜２５０℃
間の冷熱サイクル試験を行った。図４は、この冷熱サイ
クル試験を行った際の試験片の平行部付近の温度変化を
示したものである。加熱終了時、冷却終了時とも温度は
ほぼ一定値に漸近しており、平行部付近の温度分布はい
ずれも５℃以内であった。また、図５に前記冷熱サイク
ル試験において試験片に生じた熱ひずみパターンを示し
た。ＲとＬは試験片平行部に貼った２枚のひずみゲージ
の値を示しており、２枚とも加熱・冷却によりほぼ一定
値に漸近することが確認された。この場合の全ひずみ範
囲は約０．８％であった。

【００２９】図６に冷熱サイクルに伴う全ひずみ範囲の
変化を２サイクルを基準とした比率で示した。１サイク
ル目は室温から試験を開始するためやや大きな値を示し
たが、２サイクル目以降の変動幅は±５％以内と非常に
安定していた。この試験条件でアルミニウム合金ＪＩＳ
ＡＣ２Ｂの熱処理（Ｔ６処理）材の熱疲労試験を行った
ところ、７０〜１２０サイクルで破断が生じた。なお、
熱ひずみは、熱疲労試験片の中央部に１２０°おきに接
着した３枚のひずみゲージを用いて測定し、熱応力は、
ホルダ中央部に接着した４枚のひずみゲージを用いて測
定した。

【００３０】（実施例２）実施例１と同様の熱疲労試験
装置、熱疲労試験片およびホルダを用い冷熱サイクル試
験を行って熱疲労破断寿命を求めた。実施例１との違い
は、ホルダとしてアンバー合金（Ｆｅ−４２％Ｎｉ）、
Ｔｉ、ステンレス鋼ＪＩＳＳＵＳ４３０と３種類の材料
を、熱疲労試験片としてアルミニウム合金ＪＩＳＡＣ２
Ｂの鋳造（Ｆ）材を用いた点ならびに冷熱サイクル条件
としてニクロム炉中での３０分間の加熱と、炉から出し
てエアーを吹き付ける１０分間の冷却を繰り返し、３０
〜２５０℃間で試験を実施した点にある。前記熱疲労試
験片とホルダの熱膨張係数はそれぞれ２５×１０^-6／℃
（熱疲労試験片）、４×１０^-6／℃（Ｆｅ−４２％Ｎ
ｉ）、９×１０^-6／℃（Ｔｉ）、１１×１０^-6／℃（Ｓ
ＵＳ４３０）である。

【００３１】熱疲労寿命を求めた結果を図７に示す。図
７において縦軸のΔαは試験片とホルダの熱膨張係数の
差を示す。この図より、熱膨張係数の小さな（試験片と
の差が大きい）ホルダを用いた場合ほど、ひずみの条件
が厳しくなるため寿命が短くなることがわかる。

【００３２】（実施例３）実施例１と同様の熱疲労試験
装置を用い、かつ図８に示す３組の形状と寸法を有する
ホルダと熱疲労試験片（アルミニウム合金ＪＩＳＡＣ２
Ｂの熱処理（Ｔ６処理）材）を用いて熱疲労試験を行っ
た。図９は、全ひずみ範囲と破断サイクル数の関係を示
した。全ひずみ範囲は熱疲労試験片の熱ひずみを高温ひ
ずみゲージにより実測して求めた。熱疲労試験片は、鋳
造の際の溶湯中のガス量を種々変えて引け巣量を約０．
１、０．５、１．０（ｃｃ／１００ｇ）の３段階に変え
たものを用いた。冷熱サイクルは２分間の加熱と３分間
の冷却を繰り返し、５０〜２５０℃間で試験を実施し
た。

【００３３】図９から全ひずみ範囲の大きなものほど破
断寿命が短い傾向にあることがわかる。このように、本
熱疲労試験方法によれば試験条件と破断寿命の関係を定
量的に評価できる。

【００３４】（実施例４）実施例１と同様、図１に示し
た熱疲労試験機を用いて実施した。本試験機の試験片観
察手段は、シリコンウエハ製ミラー５、一般のミラー
６、７、８、試料レンズ９、カウンタレンズ１０、望遠
レンズ付きＶＴＲカメラ１２、ビデオモニタ１４等から
構成される。熱疲労試験片１を取付けたホルダを赤外線
加熱炉３の中央に配置し、その横に熱疲労試験片の中心
軸に対し45℃傾斜させてシリコンウエハ製のミラー５を
配置する。このミラー５は、試験片平行部のミラー面上
への投影像が収まる大きさであればよいが、ここでは撮
影像の位置合わせを容易にするため、少し大きめの１０
×６０ｍｍとした。炉の直上に配置するミラー６は、や
や温度が上がるため、石英ガラスにアルミニウムを蒸着
したものを用いた。試料レンズ９としては直径が１００
ｍｍで焦点距離が５００ｍｍの球面凸レンズを用い、虫
眼鏡の原理で試験片の像を遠方に大きく結像させるた
め、試験片からの光路距離が４５０〜５００ｍｍの位置
に設置した。カウンタレンズ１０としては、直径３０ｍ
ｍ、焦点距離１．５ｍの球面凸レンズを用い、同様の原
理で試験片の像と同じ位置に結像するよう、ビデオモニ
タ１５を見ながら、カウンタ１１の位置をカウンタレン
ズ１０より１〜１．５ｍの間で調整した。

【００３５】熱疲労試験片の像はシリコンウエハ製ミラ
ー５と炉の外に置かれたミラー７で反射され試料レンズ
９へと導かれる。試料レンズはこの場合凸レンズであ
り、焦点距離は試験片までの光路距離よりもやや長いも
のを用いる。試料レンズ７を通った光は虫眼鏡と同じ原
理で試験片よりも遠方に大きな像を作るため、ＶＴＲカ
メラ１２の望遠機能を最大に利用して試験片の拡大像を
得ることができる。また、冷熱サイクル数を表示するカ
ウンタ１１の像を同様にミラー７、８とレンズ１０を通
してＶＴＲカメラ１２に取り込み試験片と重ねてビデオ
モニタ１５に表示することにより、破損の生じたサイク
ル数を直ちに知ることができる。

【００３６】本熱疲労試験装置には、赤外線加熱炉用の
温度コントローラと冷却エアーとＶＴＲを制御するコン
トローラ１３があり、加熱終了時に前者より後者に信号
が入り両者が同期して作動する機構となっている。ま
た、撮影開始時期と撮影時間、撮影サイクル間隔は、試
験中に任意に設定できる機構となっている。試験片を撮
影するための光源（図示せず）は装置の直上に配し、Ｖ
ＴＲに直接光が入らないようにシェードを設けた。ま
た、撮影時に赤外線ランプが弱く発光するように温度制
御パターンを設定したが、この場合でも赤外線ランプの
光だけで亀裂を十分に観察することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例で用いた熱疲労試験装置の概略図であ
る。

【図２】Ｖ字刃型の硬さを変化させた場合の、アルミニ
ウム合金への圧入荷重と刃型高さ減少の関係を示す図で
ある。

【図３】ホルダと熱疲労試験装片の概略図である。

【図４】実施例における熱疲労試験装片の温度変化を示
す図である。

【図５】実施例で用いた冷熱サイクルパターンを示した
図である。

【図６】実施例における冷熱サイクルに伴う全ひずみ範
囲の変化を示す図である。

【図７】熱疲労試験における熱疲労試験片とホルダの熱
膨張係数の差と破断サイクルスウ数との関係を示す図で
ある。

【図８】種々の形状と寸法を有するホルダと熱疲労試験
片の組合せを示す図である。

【図９】全ひずみ範囲と破断サイクル数との関係を示す
図である。

【符号の説明】

１、２７．熱疲労試験片 ２、２６．ホルダ ３．加熱手段 ４．冷却手段 ５．シリコンウエハ ６、７、８．ミラー ９、１０．レンズ １１．カウンタ １２．試料観察手段 １３．制御手段 １４．表示手段 １５．電磁バルブ １６．赤外線ランプ １７．赤外線ミラー ２１、２５．皿バネ ２２．ボルト・ナット ２３．Ｖ字形の刃 ２４．熱応力測定用のひずみゲージ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 粟野 洋司 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１株式会社 豊田中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−159640（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−281937（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−62247（ＪＰ，Ｕ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中央部に両端部よりも断面積が小さな部
   分を有する熱疲労試験片と、 該熱疲労試験片と熱膨張係数の異なる材質からなり前記
   熱疲労試験片の両端部と接触する部分に複数のV字形の
   刃を設けた２枚のホルダとを用意し、 前記熱疲労試験片の両側から前記ホルダによって拘束す
   るに際し、前記ホルダのV字形の刃を前記熱疲労試験片
   の両端の平担部に圧入するとともに、前記熱疲労試験片
   両端部の両側から前記熱疲労試験片とホルダとの間の結
   合の緩みを防止するための弾性部材を介して結合手段に
   よって拘束し、 拘束状態のまま前記熱疲労試験片およびホルダの全体を
   共に加熱・冷却し、熱疲労試験片とホルダとの熱膨張差
   による熱応力と熱ひずみを熱疲労試験片中央部の両端部
   よりも断面積が小さな部分に局所的に集中させることを
   特徴とし、 前記熱応力と熱ひずみによって熱疲労試験片を破損させ
   て熱疲労寿命を求め、材料の耐熱疲労性を評価すること
   を特徴とする熱疲労試験方法。
2. 【請求項２】 中央部に両端部よりも断面積が小さな部
   分を有する熱疲労試験片と、 該熱疲労試験片と熱膨張係数の異なる材質からなり前記
   熱疲労試験片の両端部と接触する部分に複数のV字形の
   刃を設けた2枚のホルダとを用意し、 前記熱疲労試験片の両側から前記ホルダによって拘束す
   るに際し、前記ホルダのV字形の刃を前記熱疲労試験片
   の両端の平担部に前記熱疲労試験片の長軸方向に直交す
   る方向に圧入するとともに、前記熱疲労試験片両端部の
   両側から前記熱疲労試験片とホルダとの間の結合の緩み
   を防止するための弾性部材を介して結合手段によって前
   記熱疲労試験片の長軸方向に直交する方向に拘束し、 拘束状態のまま前記熱疲労試験片およびホルダの全体を
   共に加熱・冷却し、熱疲労試験片とホルダとの熱膨張差
   による熱応力と熱ひずみを熱疲労試験片中央部の両端部
   よりも断面積が小さな部分に局所的に集中させることを
   特徴とし、 前記熱応力と熱ひずみによって熱疲労試験片を破損させ
   て熱疲労寿命を求め、材料の耐熱疲労性を評価すること
   を特徴とする請求項1記載の熱疲労試験方法。
3. 【請求項３】 中央部に両端部よりも断面積が小さな部
   分を有する熱疲労試験片と、 この熱疲労試験片を試験片両端部の両側から前記熱疲労
   試験片とホルダとの間の結合の緩みを防止するための弾
   性部材を介して結合手段によって拘束するための、該熱
   疲労試験片と熱膨張係数が異なる材質からなり、前記熱
   疲労試験片の両端部と接触する部分に前記熱疲労試験片
   の両端の平担部に圧入される複数のV字形の刃を有する2
   枚のホルダと、 前記熱疲労試験片とホルダとの熱膨張差による熱応力と
   熱ひずみを熱疲労試験片中央部の両端部よりも断面積が
   小さな部分に局所的に発生させるために前記熱疲労試験
   片およびホルダを加熱・冷却するための加熱手段および
   冷却手段と、前記熱疲労試験片の破断を検出するための
   試料観察手段と、からなることを特徴とする熱疲労試験
   装置。
4. 【請求項４】 中央部に両端部よりも断面積が小さな部
   分を有する熱疲労試験片と、 この熱疲労試験片を試験片両端部両側から前記熱疲労試
   験片とホルダとの間の結合の緩みを防止するための弾性
   部材を介して結合手段によって前記熱疲労試験片の長軸
   方向に直交する方向に拘束するための該熱疲労試験片と
   熱膨張係数が異なる材質からなり、前記熱疲労試験片の
   端部と接触する部分に前記熱疲労試験片の長軸方向に直
   交する方向に圧入される複数のV字形の刃を有する2枚の
   ホルダと、 前記熱疲労試験片とホルダとの熱膨張差による熱応力と
   熱ひずみを熱疲労試験片中央部の両端部よりも断面積が
   小さな部分に局所的に発生させるために前記熱疲労試験
   片およびホルダを加熱・冷却するための加熱手段および
   冷却手段と、 前記熱疲労試験片の破断を検出するための試料観察手段
   と、からなることを特徴とする請求項3記載の熱疲労試
   験装置。