JP3874490B2

JP3874490B2 - 高速引張試験における計測方法

Info

Publication number: JP3874490B2
Application number: JP14594997A
Authority: JP
Inventors: 徹橋村; 憲一渡辺; 伸一郎高橋
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1997-05-19
Filing date: 1997-05-19
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2017-05-19
Also published as: JPH10318894A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料の高速引張試験において試験片の応力と歪みの関係を計測する計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
材料の機械的性質を計測するには、引張試験が標準的な方法として一般的に用いられている。例えば我が国ではＪＩＳ−Ｚ２２４１に試験法が、同じくＺ２２０１に試験片形状が規定され、標準的な試験法とされている。
これらはいわゆる準静的な状態での引張特性を計測するものであって、試験時の載荷速度は動的な効果が問題とならない程度の速度で試験を行うものである。従来、試験した材料を用いて構造物を設計する際、静的な状態での強度を基準として設計を行うことがほとんどである為、この静的な試験データで十分であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし近年、例えば衝突力を受けて変形し乗員の安全を守る自動車、高速列車などにおいて、安全性の向上の目的でより正確な構造体の設計をするため、あるいはプレス成形後の形状や割れを正確に評価するために、衝突時や成形時に高速で変形する材料の特性を正確に評価する必要が生じてきた。
高速変形域での材料の特性の計測は、通常の引張試験機では不可能であり、従来、ホプキンソン棒法が用いられ、近年はアクチュエータが高速に一定速で動く油圧サーボ方式の試験機が製作されている。
【０００４】
ホプキンソン棒法は、例えば試験片１を計測棒２、３の間に取り付け、打撃棒４をヨーク５に衝突させて、その際発生する引張力を試験片１に加える方式などが知られている（図５参照）。この方法は、衝撃応力が計測棒２、３中を波動伝播する性質を利用して試験片１に負荷される応力を計測するものであるが、ヨーク５に慣性が存在する関係で、引張波の立ち上がりが遅くなる問題がある。また、計測可能な歪み速度が一般的に高く（歪み速度で（１０²〜１０⁴）／ｓｅｃ程度）、それより低い歪み速度領域での計測は難しい。
【０００５】
また、基本的に試験片の形状は、計測棒２、３と同じ程度の直径を持つ中実円筒状の固体が最適であり、計測棒２、３と試験片との間の応力波の伝播が複雑になるため、板材などで供給される材料の特性を計測するには不向きであった。
さらに、学術的な機関で用いられることが多く、装置の標準化がなされておらず、計測の実施や結果の正確な校正のためには、細かいノウハウが必要であった。
【０００６】
一方、油圧サーボ方式の高速引張試験機では、油圧サーボ制御装置によりアクチュエータを静止状態から適切な助走区間をとったのち、高速域（１０〜２０ｍ／ｓｅｃ程度）にて定速度で制御するものが存在する。機構的には従来の静的引張試験機に近く、試験時の発生荷重をアクチュエータ端部にあるロードセルにて計測する（図１参照）。
【０００７】
この高速引張試験機は、本発明者らの実験経験によれば、試験材料がプラスチック、ＦＲＰなどであれば計測に問題は少ない。しかし、鋼やアルミ合金などの比較的剛性又は強度の高い金属材料の引張試験では、試験片のつかみ装置やアクチュエータなど、試験片に直列につながれる部位の慣性の影響、もしくは応力波の多重反射現象が生じるため、正確な荷重が計測できないという、試験機にとって致命的な欠点があった。例えば図４（ａ）に示すグラフは、図１に示すサーボ方式の高速引張試験機を用い、板厚２．０ｍｍのＳＰＣＣ鋼板（冷間圧延鋼板、引張強さ３００Ｎ／ｍｍ²級）を１２．０ｍ／ｓｅｃで高速引張したとき得られた荷重−時間のグラフであるが、最大荷重点以降、荷重値が上下する振動現象が生じており、試験片や冶具もしくはアクチュエータの振動、あるいは応力波の多重反射が影響して、正しい計測ができていないものと考えられる。
【０００８】
本発明は、上記のような高速引張試験機において、試験片にかかる荷重を正確に評価できる計測方法を得ることを目的としてなされたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明では、両端のつかみ装置を介して試験片を引っ張り、高歪み速度領域で材料の機械的特性を測定する引張試験において、試験片のつかみ部の片側又は両側の延長部位に歪みゲージを貼付し、当該ゲージ出力を変換して荷重信号となし、もって高歪み速度領域での試験片の応力と歪みの関係を得る。
上記ゲージ出力を荷重信号に変換するため、本発明では、低速度にて準静的に（例えばＪＩＳ−Ｚ２２４１の規定に準拠した荷重負荷速度）引っ張る予備試験を前記高歪み速度領域での引張試験と同じ引張試験機及び試験片にて同じ荷重負荷状態で行い、荷重値をロードセルで計測するとともに歪みゲージ出力を計測し、該予備試験におけるロードセル出力をＡ、歪みゲージ出力をＧとするとき、
ｋ＝Ａ／Ｇ
なる校正係数ｋを前記高歪み速度領域での引張試験における歪みゲージ信号出力に乗じる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（試験片の形状）
本発明では、高速引張試験機において、試験片にかかる荷重を正確に評価するため、標準的な試験片の形状を変更して、試験片に直接貼付した歪ゲージ波形から荷重信号を採取する。すなわち、試験片の形状に工夫を加え、試験片のつかみ部の一方又は両方を従来より延長した形状とし、その延長部位に電気抵抗線式又は半導体式歪みゲージを貼付する。図３は、ＪＩＳ５号試験片をベースにして、通常のつかみ部ａの片側又は両側に延長部位ｂを設けた例であり、この延長部位ｂに歪みゲージ１０を貼付し、そのゲージ出力を変換して荷重信号とする。
【００１１】
本発明に係る引張試験片では、高速引張（高歪み速度領域）により試験材料の破断応力が通常の静的な状態より大きくなり、つかみ部付近から破断が生じることを避けるための工夫として、つかみ部の幅Ｂを平行部の幅Ｗと比較して十分広くすることが望ましい。
そして、引張試験片のつかみ部は、高速引張試験のあいだ弾性変形範囲に留まるのが好ましく、そのための条件は次のように導き出される。
【００１２】
いま、材料の高速引張での破断強さをσｂ’、静的状態での降伏応力をσｙ、平行部の断面積をＡ１、つかみ部の断面積をＡ２とすると、平行部に変形が集中するため平行部は高速歪み速度領域であり、つかみ部は静的な歪み速度領域であると考えられるから、平行部の破断荷重と、つかみ部の降伏荷重を比較して、平行部が破断するときにつかみ部が弾性範囲内に留まる条件は、次式（１）のようになる。
σｂ’×Ａ１＜σｙ×Ａ２・・・・・・（１）
これを変形して次式（２）を得る。
Ａ２＞（σｂ’／σｙ）×Ａ１・・・・・・（２）
【００１３】
本発明者らの金属材料を用いた高速引張実験での検討結果によれば、高速引張では（σｂ’／σｙ）の値は２未満であり、これより次式（３）を満たせば、高速引張試験においてつかみ部が弾性範囲に留まる。
Ａ２≧２．０×Ａ１・・・・・・（３）
板材の引張試験片では板厚が一定であるので、高速引張試験においてつかみ部が弾性範囲に留まる条件は下記（４）式となる。
Ｂ≧２．０×Ｗ・・・・・（４）
【００１４】
（計測方法）
図１及び図２に、本発明が適用される一般的な油圧サーボ方式の高速引張試験機の構成図と計測機器の構成例を示す。
この高速引張試験機はアクチュエータ１１、流量制御弁（サーボ機構）１２、油圧源１３、荷重計（ロードセル）１４、つかみ装置１５、変位検出機１６等からなり、試験片１の両つかみ部がつかみ装置１５によりチャッキングされている。一方、計測機器は、アンプ１７、オシロスコープ１８、パソコン１９等からなり、変位検出機１６、試験片１の延長部位に貼付された歪みゲージ１０、及びロードセル１４の出力信号がアンプ１７に入力される。この例では、電気抵抗式歪みゲージ１０が試験片１の表裏両面に貼付され、表裏の歪みを平均して曲げ成分をキャンセルするためブリッジ回路２０を設け、２ゲージ法にて伸び方向の歪みを計測するように構成されている。なお、ロードセル１４とアンプ１７の接続は後述する予備試験でのみ行えばよい。
【００１５】
高速引張試験における歪みゲージ出力がピックアップされてオシロスコープ１８により計測記録され、歪みゲージ出力（ｍＶ）−時間（ｍｓ）関係を得ることができる。歪みゲージ出力には、従来問題となっていた慣性の影響、あるいは引張応力波の多重反射現象の影響が及ばないため、それ自体正確な値の測定が可能である。例えば、図４（ｂ）に示すグラフは、図４（ａ）と同じ条件で測定した歪みゲージ出力−時間関係のグラフであり、初期に若干の振動現象がみられるものの、その影響は小さく、塑性変形開始後の歪硬化の勾配や最大応力点を読み取ることが可能であり、改善された波形と考えられる。
そして、歪みゲージ出力を荷重信号に変換して荷重−時間信号波形を得、さらにこれを荷重−変位信号に変換し、応力−変位関係を得る。この変換作業及びそれらの波形の保存と出力はパソコン１９により行われる。
【００１６】
さて、上記（４）式を満たす試験片形状であれば、つかみ部は弾性範囲に留まるので、この延長部位に貼付した歪みゲージ出力から当該部位にかかる応力を計測することができるはずである。しかし、応力が加わった試験片のつかみ部（延長部位）には、図３（ｂ）のように板幅方向に応力が分布し一様な応力状態ではない。従って、この部位の歪みは局所的な歪みであり、当位置での歪みゲージ出力そのままでは正確な試験片の負荷荷重が測定できない。
【００１７】
本発明では正確な負荷荷重を測定するため、次のような予備試験を行う。すなわち、準静的な引張速度、例えば数ｍｍ／ｓｅｃ程度の速度で、同じ引張試験機、試験片にて予備的な引張試験を実施し、ロードセルで計測される荷重値と試験片にて計測される歪みゲージ出力を比較する。つまり、予備試験においてある時刻にロードセル出力がＡ（ｋＮ）、歪みゲージ出力がＧ（ｍＶ）を示すとき、歪みゲージ出力を荷重値に変換する校正係数ｋを次式（５）で表す。
ｋ＝Ａ／Ｇ・・・・・・（５）
この予備試験は同じ引張試験機、試験片にて行うものであるから、試験片への荷重負荷状態（試験片の応力分布）は高速引張試験における荷重負荷状態とほぼ同一であると考えられる。従って、高速引張試験で歪みゲージ出力より得られる出力信号に、その出力信号に対応する上記校正係数ｋを乗じることにより、高速引張試験で試験片に負荷される荷重信号を得ることができる。
【００１８】
一方、油圧サーボ式引張試験機の場合、アクチュエータの移動速度は一定であると考えられ、試験片に加えられる歪み速度はほぼ一定と見なすことができる。すなわち、アクチュエータの移動速度をＶとし、試験片の平行部長さをＰとするとき、歪み速度ε^*（単位：ｓ^-1）は、次式（６）で表される。
ε^*＝Ｖ／Ｐ・・・・・・（６）
さらに歪みεは、アクチュエータの移動時間をｔ（単位：ｓ）とするとき、次式（７）で計算できる。
ε＝ε^*×ｔ・・・・・・（７）
従って、荷重−時間信号の時間軸に上記ε^*を乗じれば歪みεが、荷重軸を試験片平行部の平均断面積で除すれば、試験片の負荷応力値σが得られる。
【００１９】
なお、アクチュエータの移動速度及び移動時間から求める代わりに、試験片の標点間距離の変化を直接、接触式又は非接触式（光学式など）に計測する装置を用いて、試験片の歪みεを測定することもでき、その場合さらに精度の高い計測ができる。
以上述べた方法により、高速引張試験により計測された歪みゲージ信号−時間関係から、応力−歪み関係を得ることができ、油圧サーボ式高速引張試験機の計測法の欠陥が克服され、高速領域での正確な荷重計測が可能になる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、高速引張試験機において、試験片にかかる荷重を正確に計測することができ、高歪み速度領域における正確な応力−歪み関係を求めることができる。
また、本発明は、鋼、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金など金属材料の高速引張試験に適用できるが、その他ＦＲＰ、ＣＦＲＰなどの強度、剛性の高いプラスチック系材料の高速引張試験にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の計測法に使用されるサーボ式高速引張試験機の模式図である。
【図２】その計測機器の部分の構成を示す模式図である。
【図３】本発明に係る引張試験片を説明する図である。
【図４】サーボ式高速引張試験機のロードセルにて測定した荷重−時間波形（ａ）、及び本発明による歪みゲージ出力−時間波形（ｂ）である。
【図５】ホプキンソン棒法による引張試験の装置原理図である。
【符号の説明】
１試験片
１０歪みゲージ
１１アクチュエータ
１４ロードセル
１５つかみ装置
ａつかみ部
ｂ延長部位

Claims

両端のつかみ装置を介して試験片を引っ張り、高歪み速度領域で材料の機械的特性を測定する引張試験において、試験片のつかみ部の片側又は両側の延長部位に歪みゲージを貼付し、当該ゲージ出力を変換して荷重信号となし、もって高歪み速度領域での試験片の応力と歪みの関係を得る計測方法であり、低速度にて準静的に引っ張る予備試験を前記高歪み速度領域での引張試験と同じ引張試験機及び同じ試験片にて同じ荷重負荷状態で行い、荷重値を前記引張試験機のロードセルで計測するとともに歪みゲージ出力を計測し、該予備試験におけるロードセル出力をＡ、歪みゲージ出力をＧとするとき、
ｋ＝Ａ／Ｇ
なる校正係数ｋを前記高歪み速度領域での引張試験におけるゲージ出力信号に乗じることにより該ゲージ出力を試験片に負荷される荷重に変換することを特徴とする計測方法。
前記試験片が板厚が一定の板材からなり、そのつかみ部の幅をＢ、平行部の幅をＷとするとき、
Ｂ≧２．０×Ｗ
としたことを特徴とする請求項１に記載された計測方法。