JP4820786B2

JP4820786B2 - 衝撃引張応力計測方法

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Publication number: JP4820786B2
Application number: JP2007197269A
Authority: JP
Inventors: 智一増田; 泉森田; 賢司斉藤; 欽也小川
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-07-30
Filing date: 2007-07-30
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2027-07-30
Also published as: JP2009031193A

Description

本発明は、高速度域（ひずみ速度＞１／Ｓの領域）を含む広範囲のひずみ速度域における衝撃引張応力計測方法に関するものである。

自動車衝突時に搭乗者に加わる障害を軽減することを目的として、近年、自動車業界では耐衝撃性に優れた車体構造の開発が行なわれており、自動車の衝突を計算機でシミュレーションすることによって耐衝撃性に優れた材料の設計が進められている。

精度の高い衝突シミュレーションを行なうためには、自動車の衝突速度に相当するひずみ速度での応力データを集めることが不可欠である。

ところで、上記応力データは準静的な試験条件のもとで測定されることが一般的であり、このような準静的な試験ではロードセルが均一に変形するため、ロードセルの弾性ひずみを試験片の断面積で除することで応力を求めることができる。

しかしながら、変形速度が増加すると、ある速度を境としてロードセル内の変形が不均一となり、この速度を超える領域では、部分的に均一化されたひずみが波として材料内を伝播し、その結果、応力の測定精度を低下させる。そのため、衝撃試験時の波の影響を受けない応力計測方法が要望されている。

なお、衝撃負荷時の応力を計測する方法としては以下の文献１〜３が知られている。

文献１では、寸法および質量が十分大きな計測用ブロック（検力台ブロックとして機能する）に小突起を設け、その小突起にひずみゲージを貼り付け、応力を検出する試験方法が示されている。

このように小突起の先端部に試験片を設置して衝撃負荷を加えると、発生する波が計測用ブロックで拡散されるため、乱れの少ない状態で応力を検出することができる。すなわち、文献１に記載の試験方法は、小突起内で波を短時間のうちになるべく多く拡散させることにより、応力を平均化し検出する方法である（特許文献１参照）。

また、文献２には、油圧サーボ式の高速引張試験機において、試験片の掴み部の延長部分にひずみゲージを貼着し、ひずみゲージ出力−時間の関係を取得し、ゲージ出力を応力信号に変換することによって衝撃試験時の応力を測定することが記載されている（特許文献２参照）。

また、文献３には、丸棒または板状の試験片を固定する締結部と、引張応力または圧縮応力を検出する応力検出部と、締結部を支持する支持機構と試験片に引張荷重を与える可動部から構成されている応力計測装置が記載されている。

この応力計測装置は、応力波が応力検出部全体を伝播するのに必要な時間を低減させるため、応力検出部の軸方向長さを短くしている。すなわち、早期に応力検出部全体を変形させようとするこの応力計測装置によれば、波が複数回往復した平均応力を応力検出部によって検出することができる（例えば、特許文献３参照）。
特開２００１−５９８０３号公報特開平１０−３１８８９４号公報特開２００５−２４９４０１号公報

しかしながら、上記文献１〜３に記載されている応力計測方法は、応力計測部において複数回応力波を反射させることによって平均的な衝撃応力値を得るものであるから、詳細な応力解析を行なう場合には、材料の正確な応力を把握することができないという不都合がある。

また、上記従来技術の応力計測方法で採用されているホプキンソン棒法は、細長い弾性棒の一端に試験片を連結して衝撃荷重を加え、弾性棒内を伝播する応力波を、その弾性棒に貼着されたひずみゲージで計測する方法であるが、原理上、装置が非常に長大であり、その取り扱いには高度な専門知識と経験を必要とするため、応力計測装置、試験器、試験片を接続し、衝撃引張応力の計測を行なったとしても振動が発生して正確な応力の計測は困難であるという問題もある。

本発明は以上のような従来の応力計測方法における課題を考慮してなされたものであり、衝撃引張応力を正確に計測することができる衝撃引張応力計測方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、応力波の伝播特性に着目して衝撃引張応力を計測する検討を行なった。

一般的な応力計測装置で衝撃応力を測定しようとすると、変形初期から応力波形に振動が重畳されるため、応力信号を正確に測定することができない。しかも変形速度の増加につれて計測される応力信号の精度も低下していく。

そこで、本発明では試験片を通過した１回目の応力波のみを使用し、応力を正確に計測し得る方法について検討を行なった。まず、応力波の伝播特性を明らかにするため、ホプキンソン棒法にしたがって細長い棒の間に試験片を挟み込み、棒の一端に衝撃負荷を与えることで試験片を変形させ、その時、細長い棒上の複数箇所に貼着したひずみゲージによって応力信号の形状を詳細に記録した。

また、試験片の接続方法、試験軸の調整を詳細に行ない、試験片とその試験片を固定する部分との断面積比、試験前後における試験装置と応力計測部との間隔の変化、試験軸と重心との関係をそれぞれ調査した結果、これらのファクターをある範囲内に設定することで高度な技術や知識を必要とせずとも振動の影響を抑制できることが判明した。

そこで、衝撃引張試験の際、衝撃負荷方法を変化させることで形状の異なる応力波を発生させ、測定される応力信号と測定位置（測定点）とを関係付けた。その結果、変形初期からの振動を抑制し、変形初期から破断までの応力データを高精度に測定するためには、試験片の弾性応力が２０〜８０％まで増加するのに要する時間と測定位置とを関連付ける式を導くことが必要であり、衝撃引張応力を測定するためには、その関係式を満たす応力計測部を作製するとともに、上記測定位置で衝撃引張応力を測定すればよいことが明らかにされた。

そのための本発明は、棒状の応力計測部を接続した試験片に対して衝撃荷重を加え、その試験片を通過した応力波から応力を測定する衝撃応力測定方法において、衝撃引張荷重を加えた時の上記試験片の弾性応力が２０％から８０％まで増加するのに要する時間ｔ（μsec）と、上記応力計測部における試験片接続位置から応力計測点までの距離Ｌ（mm）との関係が、下記式(1)〜(3)の条件を満たすことを要旨とする。
−０．２Ｃｔ＋４Ａ^１／２≦Ｌ ……(1)
Ｌ≦−０．２Ｃｔ＋１００Ａ^１／２……(2)
Ｌ≦８０Ａ^１／２ ……(3)
ただし、Ｃ：棒状物体を伝播する縦弾性波速度（mm／μsec）
Ａ：応力計測部の断面積（mm^２）

また、上記応力計測部の試験片接続側端部に、軸方向に向けて上記試験片の掴み部を差し込んで接続するためのスリットを有し、上記試験片の断面積をＤ１（mm^２）とし上記掴み部と接触するスリット表面積をＤ２（mm^２）とするとき、または、上記応力計測部の試験片接続側端部に、上記試験片に設けられた雄ネジ部と螺合してその試験片を固定するための雌ネジ部を有し、上記試験片の断面積をＤ１（mm^２）とし上記雄ネジ部と螺合する範囲の雌ネジ部の表面積をＤ２（mm^２）とするとき、
Ｄ１とＤ２の比が、
Ｄ２／Ｄ１≧５ ……(4)
を満たすことが好ましい。

また、上記応力計測部の試験片接続側端部に、上記試験片に設けられた雄ネジ部と螺合してその試験片を接続するための雌ネジ部を有する場合、衝撃引張試験後における上記応力計測部の試験機側端面と上記試験機の応力計測部固定側端面との間隔をＷ１（mm）、応力計測部の断面積をＡ（mm^２）とするとき、
Ｗ１／Ａ^１／２≦５×１０^−２ ……(5)
を満足することが好ましい。

また、上記応力計測部における軸方向と直交する方向の断面の重心を通る中心軸と、上記試験片における引張方向と直交する方向の断面の重心を通る中心軸との距離Ｄ（mm）が、
Ｄ≦（Ｌ／１００） ……(6)
の条件を満たすことが好ましい。

また、応力波を利用する衝撃試験機に上記応力計測部を取り付け、上記試験片に衝撃引張荷重を加えることにより、上記の衝撃引張応力計測方法を実施することができる。

本発明によれば、材料の衝撃引張応力を高精度で計測することができるため、そのデータを衝突シミュレーション等に活用することで、シミュレーション精度を格段に向上させることができる。

また、従来から行われていた実際の自動車を用いて行う衝突実験の回数を少なくすることができるため、試作のためのコストを大幅に削減することが可能になるとともに、設計に費やす時間も大幅に短縮することができる。

以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。

本発明は、試験片に対して衝撃的な荷重を加え、立上り時間が急な場合において、応力計測部に発生する横慣性や二次以上の高次波動ピーク、あるいは試験機自体に生じる振動が極力影響しない条件で衝撃引張応力を計測する方法である。

その計測方法は、
衝撃的に荷重が加えられた時の試験片の弾性応力が２０％から８０％まで増加するのに要する時間ｔ（μsec）と、応力計測部における試験片接続位置から応力計測点までの距離Ｌ（mm）との関係が、
−０．２Ｃｔ＋４Ａ^１／２≦Ｌ ……(1)
Ｌ≦−０．２Ｃｔ＋１００Ａ^１／２……(2)
Ｌ≦８０Ａ^１／２ ……(3)
の条件を満たすことを要旨とする。
ただし、Ｃ：棒状物体を伝播する縦弾性波速度（mm／μsec）
Ａ：応力計測部の断面積（mm^２）

１．試験片の弾性応力が２０％から８０％まで増加するのに要する時間ｔ
試験片に衝撃引張荷重を加える代表的な方法としては、油圧式およびスプリット・ホプキンソン棒式の試験法がある。

油圧式試験法は、原理上、速度ゼロからある有限の時間を経て最高速度に到達する。一方、スプリット・ホプキンソン棒試験法は、応力波の状態で試験片に衝撃荷重を加えることができるため、立ち上がり時間がほぼゼロのステップ波からランプ波まで、立ち上がり時間を変化させることができる。

図１は、上記油圧式試験法を実施するためのサーボ方式の高速引張試験機を示したものである。

同図において、試験装置１は、試験装置ベース２に円柱状の応力計測部３が接続され、この応力計測部３と掴み装置４との間に板状の試験片５が接続されている。

応力計測部３の上部にはスリットが形成され、このスリットに試験片５の下側掴み部が挿入され、スリットと試験片５は接着剤で固定されている。

また、試験片５の上側掴み部は掴み装置４に固定され、この掴み装置４を含む可動部６を矢印Ａ方向に移動させることにより、試験片５に対して衝撃引張荷重を与えるようになっている。

また、応力計測部３の端部３ａから所定距離Ｌ離れた位置にひずみゲージ７が貼着されており、このひずみゲージ７によって検出されるひずみゲージ出力をパソコン上で、応力信号に変換して応力−時間信号波形を得、さらにこれを応力−変位信号に変換して応力と変位の関係を得るようになっている。

なお、上記端部３ａとは、応力計測部３における試験片５接続位置を意味する。

図２は上記試験片５を拡大して示したものであり、長手方向両側に掴み部５ａが形成され、Ｄ１は試験片５の断面積を示している。

図３は上記応力計測部３における試験片固定部を拡大して示したものである。試験片５の一方の掴み部５ａを挿入するためのスリット３ｂが設けられ、このスリット３ｂにおける掴み部５ａ把持面が断面積Ｄ２となる。

上記試験において、試験片５におけるひずみの応答は、弾性変形→均一変形→不均一変形へと遷移していき、それに応じた応力値が出力される（図４参照）。

なお、スプリット・ホプキンソン棒試験法でも衝撃負荷直後は試験軸の僅かなずれや試験機固有の剛性の影響を受けてゼロとはならず、衝撃負荷直後から、弾性応力が２０％となる時間の経過に伴い、そのずれが矯正され影響が除去される。

また、応力８０％以降は、塑性変形の影響が出てくるため、測定する供試材によって値が変化する恐れがある。そのため、対象とする応力範囲を２０％〜８０％とした。好ましくは２３％〜７８％、より好ましくは２５％〜７５％である。

応力範囲が狭くなると、応力計測部の端部から応力計測点までの距離Ｌ（図１参照）は短くなるが、Ｌの範囲内であれば応力値は正しく測定することができる。

２．棒状物体を伝播する縦弾性波速度Ｃ
縦弾性波速度Ｃは材料固有の値であり、Ｃ＝√（Ｅ／ρ）で求めることができる。

ただし、Ｅは縦弾性係数(GPa)、ρは密度(g／cm^３)である。

例えば、応力計測部３を構成する材料の主成分がＦｅであると、縦弾性係数Ｅ＝２１０GPa、密度ρ＝７.９g／cm^３から、Ｃ＝５mm／μsecが求められる。

このように縦弾性波速度Ｃが大きい場合には、弾性応力σが２０％から８０％まで増加するのに要する時間ｔを短くして、上記距離Ｌを現実的な長さに収めることが必要となる。

３．応力計測部の端部から応力計測点までの距離Ｌ
応力計測部３の端部３ａとは、図１に示したように応力計測部３における試験片５との接続位置を示し、応力計測点とはひずみゲージ７による応力計測位置のことである。

立ち上がり時間を変化させた際に、測定される応力の立ち上がり時間が速く、且つ応力計測点が試験片５に近い場合には、応力計測部３の横慣性や二次以上の高次波動ピークが発生し、その後、時間の経過とともに荷重波形が振動する。

時間の経過とともにその振動は減衰し、波形後期においては振動の無い比較的安定した荷重信号が得られる。

このような振動の影響を抑制するためには、距離Ｌを、
−０．２Ｃｔ＋４Ａ^１／２≦Ｌ
とする必要がある。

好ましくは、−０．２Ｃｔ＋５Ａ^１／２≦Ｌ、
より好ましくは、−０．２Ｃｔ＋６Ａ^１／２≦Ｌ
である。

一方、応力計測点までの距離Ｌが大きくなり（離れ）すぎると、波の伝播距離の増加に伴って、波の分散の影響が顕著となり、逆に大きな周期の振動が重畳されることになる。そのため、距離Ｌを、
Ｌ≦−０．２Ｃｔ＋１００Ａ^１／２、且つＬ≦８０Ａ^１／２
にする必要がある。

好ましくは、Ｌ≦−０．２Ｃｔ＋８０Ａ^１／２、且つＬ≦５０Ａ^１／２
より好ましくは、Ｌ≦−０．２Ｃｔ＋７０Ａ^１／２、且つＬ≦５０Ａ^１／２
である。

４．応力計測部の断面積
応力計測部３固有の値である断面積Ａが決まると、距離Ｌの範囲が決まる。

断面積Ａが大きくなると、応力計測部３内で軸方向以外にも波も伝播するようになり、応力計測部３内を伝播する縦波は一次元状態から外れてくる。

したがって縦波の一次元状態を維持するためには、断面積Ａの影響を無視できる程度に距離Ｌを長くしなければならない。

すなわち、応力計測部３を設計する場合には、予め縦弾性波速度Ｃを計算により求め、時間ｔを実測し、試験機に合わせて断面積Ａと距離Ｌを決定する必要がある。

５．試験片固定部が円柱状
試験片固定部の形状を円柱状にすることにより、応力計測部３の重心を容易に判定することができる。

その方法として、例えば、試験装置１に応力計測部３を取り付け、軸まわりに回転させれば回転軸からのずれを容易に確認することができる。ずれの確認は、具体的にはレーザ変位計を用い、応力計測部３の端面を引張方向から観測することによって行われる。

６．Ｄ２／Ｄ１≧５
６.１板状試験片の場合
試験片固定部を円柱状とした場合、図３に示したように、試験片５の掴み部５ａを固定するためのスリット３ｂをその試験片固定部に形成する。この場合、スリット３ｂの表面積をＤ２（mm^２）とする。

６.２円柱または角柱状の試験片の場合
円柱または角柱状の試験片を使用する場合は、試験片の端部に雄ネジ部を形成し、この雄ネジ部を試験片固定部に形成された雌ネジ部に螺合して固定する。この場合、雄ネジ部と接する雌ネジ部の溝またはネジ孔の表面積をＤ２（mm^２）とする。

衝撃引張応力を計測するには、試験中、試験片５が試験片固定部に完全に固定されていなければならない。試験片５の固着方法としては、接着、溶着、摩擦圧着等の固着方法を利用することができる。

試験片５の断面積がＤ１（mm^２）のとき、
試験片５が完全に固着されていると考えるには、いずれにおいても
Ｄ２／Ｄ１≧５ ……(4)
の関係を満足する必要がある。

なお、試験片５の強度が非常に高い（例えば引張強度７８０MPa以上の高強度鋼）場合には、固着に加えて試験片掴み部５ａと応力計測部３の試験片固定部にそれぞれピン挿通孔を設け、ピンを圧入することによって両者の接続強度を高めてもよい。

ただし、ピンを使用する場合、応力波を正常に伝播させるため、挿入するピンの長さを応力計測部３の直径と同じ長さにして不規則な突起部分が発生しないようにしなければならない。

なお、Ｄ２／Ｄ１の値は大きければ大きいほど固着という面では好ましいが、大きすぎる場合には応力計測部３と試験片５の接合が不均一となりやすく、応力波が正常に伝播しない虞れがある。

したがってＤ２／Ｄ１≧５とした。
好ましくはＤ２／Ｄ１≧１０、より好ましくはＤ２／Ｄ１≧２０である。

また、Ｄ２／Ｄ１の値が５を下回ると、試験中に試験片５が外れたり、試験片５の変形が均一でなくなる等の問題が生じ、応力を正しく測定することができなくなる。

また、応力計測部３と試験片５とのバランスを考慮するとＤ２／Ｄ１≦２００が好ましい。

７．応力計測部と試験装置との間隔Ｗ１、および応力計測点の断面積Ａの比が
Ｗ１／Ａ^１／２≦５×１０^−２ ……(5)
を満たすこと
Ｗ１とは、試験前後において応力計測部３と試験装置ベース２との間に生じる間隔（隙間）を意味する。

衝撃試験の場合、応力波が試験機の様々な部分に伝播し反射を繰り返すが、応力計測部３と試験装置ベース２間は、特にその影響を受けやすく、試験中に両者の結合が緩んでしまうことがある。

そのとき発生する隙間をＷ１（mm）とし、
Ｗ１／Ａ^１／２≦５×１０^−２の関係を満たす場合には、試験機が十分に剛性を保っていると考えることができ、試験結果にも影響が及ばない。

上記Ｗ１／Ａ^１／２の比率は好ましくは、４×１０^−２以下、より好ましくは３×１０^−２以下である。

８．応力計測部の断面の重心を通る中心軸と、試験片の断面の重心を通る中心軸の引張方向から見た間隔Ｄ（mm）が、
Ｄ≦（Ｌ／１００） ……(6)
間隔Ｄは試験片５に対して応力波を一次元的に伝播させるために重要な要素である。

衝撃引張応力を高精度で計測するためには、試験片と応力計測部の各中心軸を揃えることが重要となる。

各中心軸が完全に一致していれば、波は一次元的に伝播することができる。しかしながら、中心軸がずれていると、そのずれに伴って横慣性の影響が大きくなり、応力データに振動が含まれてしまう。また、試験片５を均一に変形させることが困難になり、正しい応力データが得られない。

したがって、衝撃応力を高精度で計測するためには、Ｄ≦（Ｌ／１００）である必要がある。この条件を満たすときには、応力測定波形に振動の影響が及ばない。

なお、好ましくはＤ≦（Ｌ／１２０）、より好ましくはＤ≦（Ｌ／１５０）である。

上記(1)式〜(3)式を満足する方法で衝撃引張試験を行えば、試験片に対して衝撃的な荷重を加えた際に、応力計測部に発生する横慣性や二次以上の高次波動ピークの影響を極力受けずに衝撃応力を正確に計測することが可能になる。

さらに、上記(4)〜(6)式も満足する方法で衝撃引張試験を行えば、試験装置に生じる振動の影響を極力受けずに衝撃応力を正確に計測することが可能になる。

上述した応力計測部３は、応力波を利用した衝撃試験機に取り付けることができる。具体的には、前述した油圧式衝撃試験装置やスプリット・ホプキンソン棒試験機に適用することができる。

本実施例では衝撃引張試験として、図５に示すスプリット・ホプキンソン棒法による衝撃試験装置を使用した。

この衝撃引張試験装置１０は、出力棒１１に応力計測部１２が接続され、この応力計測部１２と入力棒１３との間に試験片１４が接続されている。応力計測部１２と試験片１４との締結はネジ接合で行なった。

上記入力棒１３の下端にはフランジ１５が固定されており、このフランジ１５に対して衝撃用円管で構成されたストライカ１６をガス圧によって衝突させるようになっている。

上記ストライカ１６の衝突によって発生した引張応力波は、入力棒１３を伝播して試験片１４に達し、その試験片１４を引張り破断する。

試験片１４は、断面積Ｄ１が４mm^２の角柱状に形成されており、標点間長さＳは１０mmとし、応力計測部１２と同一の材質で作製した（図６参照）。

応力計測部１２は、直径１４mm、長さ３００mmの円柱を切出し加工によって作製した。入力棒１３および出力棒１１は応力計測部１２と同径、同素材である。円柱の材質として炭素鋼（縦弾性係数Ｅ＝２１０GPa、密度ρ＝７．９g／cm^３、弾性波の伝播速度Ｃ＝５mm／μsec）を用いた。

また、応力検出部として応力計測部１２の胴部外壁に、試験片側端部から１０，２５，５０，１００，１５０，２００mmの位置にひずみゲージ１７を貼着している。各部位でのひずみゲージ１７は応力計測部１２の円周方向についても９０°毎に等間隔に配置されている。なお、図では紙面の都合上、ひずみゲージ１７を配置している縮尺は無視している。

また、応力計測部１２の上端には形成されている雄ネジ部１２ａは、出力棒１１に形成されている雌ネジ部１１ａと螺合し、それにより、応力計測部１２と出力棒１１はネジで接合されている。

なお、ストライカ１６を発射させるガス圧を調節することにより、ストライカ速度を６〜１８m／secで変化させた。

また、最高速度までの到達時間（立ち上がり時間）を変化させるため、ストライカ１６の端面に様々な角度のテーパを設けた。

また、応力はホプキンソン棒装置に備えられているロードセルでも計測し、本発明によって計測された応力と比較できるようにした。

また、レーザ変位計を用い、試験片１４、応力計測部１２、入力棒１３および出力棒１１の締結前の配置、具体的には、図６の矢印Ｂ方向から見た各部の中心軸のずれを測定し、軸同士の間隔Ｄを求めた。

９．応力信号の判定
応力信号の判定は以下の方法で行なった。

ホプキンソン棒試験装置を用い、予め、応力−時間曲線を計測しグラフ化しておく（図７参照）。

その後、応力計測部３を取り付け、同一条件で本発明の応力計測方法（試験片から１５０mmの応力計測点で測定）に基づき衝撃引張試験を行ない、同様に応力−時間曲線を計測しグラフ化したものを図８に示す。

図９は不適切な位置（試験片から1０mmの応力計測点）で測定した応力−時間曲線を比較例として示したものである。

図８に示した本発明の応力計測方法によれば、降伏点から引張強度までスプリット・ホプキンソン棒法とほぼ同じ結果が得られた。

一方、図９に示した比較例では、降伏点付近において横振動の影響が大きく（Ｃ部参照）、正しい波形になっていないことがわかる。

９.１ノイズレベルの判定
ノイズレベルは降伏点における面積比と降伏比で判断する。

スプリット・ホプキンソン棒法で測定される上降伏点（ＵＹＰ）および下降伏点（ＬＹＰ）で挟まれる面積との比、すなわち、図７の三角形で示したＤ部と図８の三角形で示したＥ部との面積比が、
０．５≦面積比≦１．５ ……(7)
であり、且つ
図７の三角形で示したＤ部における上降伏点（ＵＹＰ）と下降伏点（ＬＹＰ）の差ΔＹＰを算出し、図８の三角形で示したＥ部における上降伏点（ＵＹＰ）と下降伏点（ＬＹＰ）の差ΔＹＰを算出し、
各ΔＹＰの比が、
０．５≦ΔＹＰ比≦１．５ ……(8)
を満足する場合に合格“○”と判定し、いずれか一方でも満足しない場合は不合格“×”と判定した。

図８に示した本発明の応力計測方法では面積比については(7)式を、ΔＹＰの比については(8)式をそれぞれ満足しているため、“○”と判定されるが、図９の比較例ではΔＹＰの比については(8)式を満足しているものの、面積比が(7)式を満足していないため、“×”と判定された。

下記に示す表１は、距離Ｌおよび時間ｔ等の各条件を変えて衝撃引張試験を行った結果を示したものである。

試験Ｎｏ．１、２、４、６〜１１、１５、１６については、(1)式〜(6)式のすべてを満足し、且つノイズ判定においても“○”と評価され、衝撃引張応力の計測が良好に行われたことがわかる。

ところが、試験Ｎｏ．１２および１３は(1)式を満足していないため、(6)式の可否を考慮せずとも、結果として上下降伏点で挟まれる面積比および上記ΔＹＰ比が条件（(7)式、(8)式参照）を満足せず、結果としてノイズ判定が“×”と評価された。このことは、試験Ｎｏ．１２については距離Ｌが１０mm、また、試験Ｎｏ．１３については距離Ｌが２５mmといずれも短すぎることにより、衝撃荷重を加えた際に応力計測部に発生する横慣性や高次波動ピークの影響を避けられなかったものと推測される。

なお、試験Ｎｏ．３および１４については、(6)式のみ満足しておらず、ノイズ判定は“○”と評価された。この場合、試験前の準備において、応力計測部における軸方向と直交する方向の断面の重心を通る中心軸と、試験片における引張方向と直交する方向の断面の重心を通る中心軸との距離Ｄを、Ｄ≦（Ｌ／１００）に調整することよって衝撃応力を正確に計測することができるようになる。

また、試験Ｎｏ．５については(1)式〜(4)式および(6)式を満足しているが(5)式を満足していない。ノイズ判定は“○”と評価された。この場合、応力計測部と試験装置との接合を高めれば、正確な衝撃応力を計測することができるようになる。

また、試験Ｎｏ．１７〜１９については、(5)式および(6)式を満足していないが、ノイズ判定は“○”と評価された。この場合、上記したように、距離Ｄを調整するとともに応力計測部と試験装置との接合を高めることにより、正確な衝撃応力を計測することができるようになる。

なお、上記実施形態では試験片として炭素鋼を例に取り説明したが、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇについて縦弾性波速度Ｃを計算したところ、いずれも５μm／secであり、鉄鋼の値とほとんど変わりがない。したがって、本発明の衝撃引張応力計測方法は炭素鋼に限らず、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ等の材料からなる試験片についても適用することができる。

本発明の衝撃引張応力計測方法に使用される油圧式高速引張試験機の構成を示す説明図である。図１の試験片の拡大図である。図１の試験片固定部の拡大図である。試験片のひずみ応答特性を示すグラフである。本発明の衝撃引張応力計測方法に使用されるスプリット・ホプキンソン棒試験装置の構成を示す説明図である。図５の試験片の拡大図である。スプリット・ホプキンソン棒試験方法により測定した応力−時間曲線のグラフである。本発明の応力計測方法により測定した応力−時間曲線のグラフである。比較例として測定した応力−時間曲線のグラフである。

符号の説明

１試験装置
２試験装置ベース
３応力計測部
３ａ端部
３ｂスリット
４掴み装置
５試験片
５ａ掴み部
６可動部
７ひずみゲージ
１０衝撃引張試験装置
１１出力棒
１１ａ雌ネジ部
１２応力計測部
１２ａ雄ネジ部
１３入力棒
１４試験片
１５フランジ
１６ストライカ
１７ひずみゲージ

Claims

棒状の応力計測部を接続した試験片に対して衝撃荷重を加え、その試験片を通過した応力波から応力を測定する衝撃応力測定方法において、
衝撃引張荷重を加えた時の上記試験片の弾性応力が２０％から８０％まで増加するのに要する時間ｔ（μsec）と、上記応力計測部における試験片接続位置から応力計測点までの距離Ｌ（mm）との関係が、下記式(1)〜(3)の条件を満たすことを特徴とする衝撃引張応力計測方法。
−０．２Ｃｔ＋４Ａ^１／２≦Ｌ ……(1)
Ｌ≦−０．２Ｃｔ＋１００Ａ^１／２……(2)
Ｌ≦８０Ａ^１／２ ……(3)
ただし、Ｃ：棒状物体を伝播する縦弾性波速度（mm／μsec）
Ａ：応力計測部の断面積（mm^２）
上記応力計測部の試験片接続側端部に、軸方向に向けて上記試験片の掴み部を差し込んで接続するためのスリットを有し、上記試験片の断面積をＤ１（mm^２）とし上記掴み部と接触するスリット表面積をＤ２（mm^２）とするとき、
または、上記応力計測部の試験片接続側端部に、上記試験片に設けられた雄ネジ部と螺合してその試験片を接続するための雌ネジ部を有し、上記試験片の断面積をＤ１（mm^２）とし上記雄ネジ部と螺合する範囲の雌ネジ部の表面積をＤ２（mm^２）とするとき、
Ｄ１とＤ２の比が、
Ｄ２／Ｄ１≧５ ……(4)
を満たす請求項１記載の衝撃引張応力計測方法。
上記応力計測部の試験片接続側端部に、上記試験片に設けられた雄ネジ部と螺合してその試験片を接続するための雌ネジ部を有する場合、
衝撃引張試験前後における上記応力計測部の試験機側端面と上記試験機の応力計測部固定側端面との間隔をＷ１（mm）、応力計測部の断面積をＡ（mm^２）とするとき、
Ｗ１／Ａ^１／２≦５×１０^−２ ……(5)
を満足する請求項２記載の衝撃引張応力計測方法。
上記応力計測部における軸方向と直交する方向の断面の重心を通る中心軸と、上記試験片における引張方向と直交する方向の断面の重心を通る中心軸との距離Ｄ（mm）が、
Ｄ≦（Ｌ／１００） ……(6)
の条件を満たす請求項１〜３のいずれか１項に記載の衝撃引張応力計測方法。
応力波を利用する衝撃試験機に上記応力計測部を取り付け、上記試験片に衝撃引張荷重を加える請求項１〜４のいずれか１項に記載の衝撃引張応力計測方法。