JP5065439B2 - 低温引張試験機 - Google Patents

Description

本発明は、低温引張試験機に関し、詳しくは、各種材料の試験片を超低温に冷却した状態で引張試験を行う低温引張試験機に関する。

低温下で試験片の引張試験を行う低温引張試験機では、試験片の把持具などを収容した恒温槽内に乾燥空気を供給することにより、０℃以下の低温下でも恒温槽内各部で水分が凍結しないようにしている（例えば、特許文献１参照。）。

近年は、２００Ｋ以下の低温状態で、各種材料の残留応力、強度・変形特性解析や機械部品の内部の応力状態などを測定する際に低温引張試験機が使用されている。例えば、低温状態で試験片に中性子を照射する中性子回折法によって、原子間距離を定量的に評価することができるので、引張試験機により材料を引張り（圧縮し）ながら回折線を測定すれば、引張（圧縮）負荷中の材料の変形挙動を原子レベルのミクロ的な視点から評価することができる。

低温引張試験機を用いて３０〜３００Ｋの低温状態で中性子散乱測定を行った結果が報告されている。このとき使用した低温引張試験機は、試験片をそれぞれ把持する可動側把持部材と固定側把持部材とを収容した真空断熱筐体の内部に２台の２段式機械式冷凍機の冷却ヘッドを挿入したものであって、２段式機械式冷凍機の第１段冷却部が試験片及び把持部材を覆うように設けられた輻射シールドを冷却し、第２段冷却部が伝熱用銅部材を介して両把持具を冷却するように形成されている（例えば、非特許文献１参照。）。

特開２００４−１５６９３３号公報

Edward Oliver, Beth Evans, Mohammad Chowdhury, Robert Major, Oleg Kirichek and Zoe Bowden 著 「Novel testing chamber for neutron scattering measurements of internal stresses in engineering materials at cryogenic temperatures」 MEASUREMENT SCIENCE AND TECHHNOLOGY 19(2008)

しかし、従来の低温引張試験器では、固定側把持具を所定位置に固定するための部材や、可動側把持具を移動させる機構部分からの熱浸入によって３０Ｋ以下の超低温状態にまで試験片を冷却することができなかった。

そこで本発明は、外部からの熱侵入を極力排除し、３０Ｋ以下の超低温状態でも安定して試験を行うことができる低温引張試験機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の低温引張試験機は、試験片の一端を把持する固定把持具及び前記試験片の他端を把持する可動把持具と、両把持具を覆う輻射シールドと、把持具を覆った状態の輻射シールドを収容する真空断熱筐体と、該筐体内に冷却ヘッド部を挿入した２段式機械式冷凍機と、該２段式機械式冷凍機の第１段冷却ヘッドの冷熱を前記輻射シールドに伝達する第１伝熱手段と、前記２段式機械式冷凍機の第２段冷却ヘッドの冷熱を前記固定把持具及び前記可動把持具に伝達する第２伝熱手段とを備えた低温引張試験機において、前記試験片の軸線方向に配置されて前記輻射シールドの一側方を貫通し、更に前記筐体の一側壁を気密状態で貫通する引張軸と、前記筐体の外部側で前記引張軸を介して前記試験片に引張荷重又は圧縮荷重を与える駆動手段と、筐体の前記一側壁の内面から前記試験片の軸線方向に対して平行に筐体の他側壁の方向に向かって設けられた複数の支持軸と、筐体の前記他側壁から離れた位置で前記支持軸に保持された固定板と、該固定板に前記固定把持具を固定する固定把持具支持用ネジ部材と、前記２段式機械式冷凍機の第１段冷却ヘッドの冷熱を前記固定板に伝達する第３伝熱手段と、前記２段式機械式冷凍機の第２段冷却ヘッドに設けられたヒータとを備えていることを特徴としている。

さらに、本発明の低温引張試験機は、前記固定板と前記輻射シールドとは、非接触状態で設置されていることを特徴としている。

本発明の低温引張試験機によれば、固定把持具を固定する固定板を複数の支持軸を介して保持し、固定板と筐体とが直接接触しないようにしているので、固定板を介して固定把持具に至る外部からの熱侵入を極力排除することができるとともに、２段式機械式冷凍機の第１段冷却ヘッドの冷熱によって固定板を冷却しているので、固定把持具を５Ｋ以下の超低温まで冷却することが可能となり、２段式機械式冷凍機とヒータとを制御することによって３０Ｋ以下の超低温状態での引張試験や圧縮試験も安定した状態で行うことが可能となる。また、固定板と輻射シールドとを非接触状態とすることにより、両者の熱伸縮が試験片に影響することを回避することができる。

本発明の低温引張試験機の一形態例を示す断面正面図である。 筐体の断面側面図である。 低温引張試験機の側面図である。

本形態例は中性子回折測定用の低温引張試験機の一形態例を示すもので、低温引張試験機は、天板１１ａ、底板１１ｂ、前面板１１ｃ、後面板１１ｄ、左側面板１１ｅ及び右側面板１１ｆの６枚を気密に接合した六面体形状の真空断熱筐体１１と、試験片１２の両端をそれぞれ把持する固定把持具１３及び可動把持具１４と、両把持具１３，１４を覆うように配設した輻射シールド１５と、前記固定把持具１３を真空断熱筐体１１の内部の所定位置に固定するための固定板１６及び複数の支持軸１７と、可動把持具１４を試験片１２の軸線方向（引張方向）に移動させるための駆動手段１８と、前記真空断熱筐体１１内の各部材を冷却するための２段式機械式冷凍機１９とを備えている。

前面板１１ｃ及び後面板１１ｄには、試験片１２の位置に対応した位置に中性子を照射・測定するための測定窓２０が形成されるとともに、該測定窓２０を外部から覆うようにして中性子透過板２１が設けられている。この中性子透過板２１は、中性子を透過可能な材料で形成されており、照射・測定用の中性子が透過する部分には、測定窓２０に対応するようにして薄肉部２１ａが設けられている。

前記２段式機械式冷凍機１９は、ヘリウムを利用して超低温を得るものであって、第１段冷却ヘッド１９ａと、該第１段冷却ヘッド１９ａより低温になる第２段冷却ヘッド１９ｂとを有している。この２段式機械式冷凍機１９は、真空断熱筐体１１の天板１１ａに開口した冷凍機取付口２２に冷凍機取付筒２３を介して気密に取り付けられており、第２段冷却ヘッド１９ｂは、前記冷凍機取付口２２及び輻射シールド１５の上面板１５ａに設けた冷却ヘッド挿入口２４を通って両把持具１３，１４の近傍まで挿入されている。さらに、第２段冷却ヘッド１９ｂには、該第２段冷却ヘッド１９ｂの温度調節を行うためのヒータ２５が設けられている。

輻射シールド１５は、上面板１５ａ、底面板１５ｂ、前後一対の側面板１５ｃ及び左右一対の端面板１５ｄを直方体状に組み合わせたものであって、上面板１５ａには前記冷却ヘッド挿入口２４が設けられ、両端面板１５ｄには、固定把持具１３及び可動把持具１４を保持する部材が貫通する部材貫通口２６がそれぞれ設けられている。また、側面板１５ｃは、ビスなどの固定手段によって他の面板に対して着脱可能に形成されている。

この輻射シールド１５は、２段式機械式冷凍機１９の前記第１段冷却ヘッド１９ａと前記冷却ヘッド挿入口２４の開口縁とを連結する筒状連結部材２７により、２段式機械式冷凍機１９に吊り下げられた状態で真空断熱筐体１１の内部に配置されている。また、筒状連結部材２７は、第１段冷却ヘッド１９ａの冷熱を上面板１５ａを介して輻射シールド１５に伝達するための伝熱部材（第１伝熱手段）を兼ねている。

固定把持具１３は、固定把持具支持用ネジ部材２８を介して前記固定板１６に固定され、固定板１６は、４本の前記支持軸１７により、固定板１６の設置位置から最も遠く離れた位置にある筐体１１の一側壁（本形態例では左側壁１１ｅ）に固定されている。

左側壁１１ｅの内面側の４箇所には、支持軸１７の一端部（左側壁１１ｅ側の端部）に形成された雄ねじ１７ａが螺合する雌ねじ穴が非貫通状態で形成されており、支持軸１７は、雄ねじ１７ａを雌ねじ穴に螺着することにより、試験片１２の軸線方向に対して平行な方向に植設された状態となる。

固定板１６の四隅部には、支持軸１７の他端部（右側壁１１ｆ側の端部）に形成された雄ねじ１７ｂが貫通する通孔がそれぞれ形成されており、各通孔を貫通した雄ねじ１７ｂの先端部にナット１７ｃをそれぞれ螺着することにより、試験片１２の軸線方向に対して垂直な方向に固定板１６が固定された状態となる。このとき、固定板１６と輻射シールド１５とは非接触状態になるように、固定板１６と輻射シールド１５との間には、数ｍｍ乃至十数ｍｍの間隔が設けられる。

さらに、固定板１６の中央部には、前記固定把持具支持用ネジ部材２８の基端部が貫通する通孔が形成されており、輻射シールド１５の前記部材貫通口２６を貫通し、更に固定板１６の通孔を貫通した固定把持具支持用ネジ部材２８を、固定板１６の両側から一対のナット２９，２９で締め付けることにより、固定把持具支持用ネジ部材２８が固定板１６に対して垂直に固定され、ナット２９，２９を緩めることによって固定把持具支持用ネジ部材２８を軸線方向に位置調整することができるように形成されている。固定把持具１３は、該固定把持具１３の基部側に形成した雌ねじ部を固定把持具支持用ネジ部材２８の先端部に螺着し、固定ナット２８ａで締め付けることにより固定されており、試験片１２に対応した把持部１３ａを有する固定把持具１３が着脱交換可能な状態に形成されている。

前記可動把持具１４の駆動手段１８は、前記試験片１２の軸線方向に配置されて、筐体１１の左側面板１１ｅに設けた開口３０を通って筐体内外に貫通する引張軸３１と、前記筐体１１の外部に配置された駆動装置３２とを備えている。引張軸３１は、先端に可動把持具１４が取り付けられる可動把持具取付軸３３と、駆動装置３２の雌ねじ部材３４に螺合するネジ軸３５と、可動把持具取付軸３３とネジ軸３５との間に配置されたロードセル３６とを備えている。

可動把持具１４は、該可動把持具１４の基部側に形成した雌ねじ部を可動把持具取付軸３３の先端部に形成された雄ねじ部３３ａに螺着し、固定ナット３３ｂで締め付けることにより固定されており、試験片１２に対応した把持部１４ａを有する可動把持具１４が着脱交換可能な状態に形成されている。可動把持具取付軸３３は、前記輻射シールド１５の部材貫通口２６を貫通し、更に前記左側壁１１ｅの開口３０を、ベローズ３７及びリング状摺動部材３８を介して断熱状態かつ気密状態で軸線方向に移動可能に貫通している。

駆動装置３２は、２本の駆動装置支持軸３９及び駆動装置装着板４０を介して筐体１１の左側壁１１ｅに固定されている。

左側壁１１ｅの外面側の２箇所には、駆動装置支持軸３９の基端に形成された雄ねじ３９ａを螺着する雌ねじ穴が非貫通状態でそれぞれ形成されており、両雌ねじ穴に雄ねじ３９ａを螺着することにより、駆動装置支持軸３９は、前記試験片１２の軸線方向に対して平行な状態で左側壁１１ｅに固定されている。駆動装置装着板４０の２箇所には、駆動装置支持軸３９の先端に形成された雄ねじ３９ｂが貫通する通孔が形成されており、該通孔を貫通した雄ねじ３９ｂにナット３９ｃを螺着することにより、駆動装置装着板４０が前記試験片１２の軸線方向に対して垂直な方向に固定されている。駆動装置装着板４０には、軸受部材４０ａにより回転可能に保持された前記雌ねじ部材３４の外周に設けられたウオームホイール３４ａに螺合するウオームギア４１と、該ウオームギア４１を継手４２を介して回転駆動するモータ４３とが設けられている。

そして、前記２段式機械式冷凍機１９の第１段冷却ヘッド１９ａと前記固定板１６との間には、第１段冷却ヘッド１９ａの冷熱を固定板１６に伝達するための伝熱部材（第３伝熱手段）４４が伝熱部材取付具４４ａ、４４ｂを介して取り付けられている。さらに、第１段冷却ヘッド１９ａと前記可動把持具取付軸３３との間には、第１段冷却ヘッド１９ａの冷熱を可動把持具取付軸３３に伝達するための伝熱部材４５が伝熱部材取付具４５ａ、４５ｂを介して取り付けられている。

また、２段式機械式冷凍機１９の第２段冷却ヘッド１９ｂと固定把持具１３及び可動把持具１４との間には、第２段冷却ヘッド１９ｂの冷熱を固定把持具１３及び可動把持具１４にそれぞれ伝達するための伝熱部材（第２伝熱手段）４６が伝熱部材取付具４６ａ、４６ｂを介して取り付けられるとともに、第２段冷却ヘッド１９ｂと固定把持具１３とには、温度センサ（図示せず）がそれぞれ取り付けられている。なお、伝熱部材４５は、可動把持具取付軸３３と同時に輻射シールド１５の端面板１５ｄを冷却するように形成することができる。

さらに、真空断熱筐体１１の外部には、前記温度センサにより測定した第２段冷却ヘッド１９ｂの温度及び固定把持具１３の温度に基づいて、２段式機械式冷凍機１９の運転状態を制御したり、前記ヒータ２５の発熱量を制御したりするための温度制御を行ったり、前記ロードセル３６の測定荷重に基づいて駆動手段１８のモータ４３を制御したりするための制御手段（図示せず）が設けられている。また、本形態例に示す低温引張試験機では、駆動装置３２に、可動把持具１４を手動で移動させることができる手動操作部４７が設けられている。さらに、真空断熱筐体１１の上部には、低温引張試験機を吊り上げる際に用いるアイボルト４８が設けられている。

なお、固定把持具１３及び可動把持具１４は、ステンレス鋼で形成することもできるが、熱伝導性が良好な銅で形成することによって試験片１２を効果的に冷却することができ、輻射シールド１５や固定板１６も熱伝導性が良好な金属、例えばアルミニウム（合金を含む、以下同じ。）で形成することにより、輻射シールド効果を高めることができる。同様に、筒状連結部材２７や各伝熱部材４４，４５，４６も熱伝導性が良好な金属で形成することが好ましく、特に伝熱部材４４，４５，４６は、取付状態を考慮すると、複数の導線を束ねたものを用いることが好ましい。また、中性子透過板２１は、中性子を透過し易いアルミニウムで形成することが好ましく、薄肉部２１ａを設けることによって中性子の透過性を向上させることができる。他の構成部材は、一般的なステンレス鋼にて形成することができ、真空断熱筐体１１の断熱構造は、真空断熱構造に他の断熱構造を組み合わせることができる。

また、２段式機械式冷凍機１９は、所望の低温を得ることができれば任意の形式冷凍機を使用することが可能であり、２段式機械式冷凍機１９を複数台設置することもできる。さらに、ヒータ２５の構造は、第２段冷却ヘッド１９ｂを過熱することができれば、任意のものを用いることができ、ヒータ発熱量の制御も任意の制御手段で行うことが可能である。

次に、本形態例に示す低温引張試験機を使用して試験片１２の中性子回折測定を行う手順を説明する。まず、真空断熱筐体１１内が常温、常圧状態において、真空断熱筐体１１の前面板１１ｃを取り外して筐体１１の前面を開放し、さらに、輻射シールド１５の前面側の側面板１５ｃを取り外して固定把持具１３及び可動把持具１４を露出させ、必要に応じて固定把持具１３及び可動把持具１４を試験片１２に対応したものに交換する。

次に、固定把持具支持用ネジ部材２８のナット２９を操作して固定把持具支持用ネジ部材２８を適宜軸方向に移動させ、試験片１２の長さに応じた位置に固定把持具１３を固定する。さらに、駆動手段１８のモータ４３を作動させたり、手動操作部４７を操作して可動把持具１４を適当な位置に移動させながら、固定把持具１３及び可動把持具１４の把持部１３ａ，１４ａに試験片１２の両端を把持させる。なお、把持部がねじ込み形式の場合には、試験片１２の両端をねじ込んで固定把持具１３及び可動把持具１４で試験片１２を保持する。また、必要に応じて試験片１２に歪みゲージや伸び計を装着しておくこともできる。

固定把持具１３及び可動把持具１４に試験片１２をセットした後、側面板１５ｃを取り付けて輻射シールド１５を試験片１２や把持具１３，１４を覆う状態に戻した後、前面板１１ｃを取り付けて真空断熱筐体１１を気密に密閉された状態とする。このとき、必要に応じて中性子透過板２１を試験片１２に応じたものに交換することができる。なお、真空断熱筐体１１や輻射シールド１５は、操作性を考慮して前後両面を開放することもできる。

次に、図示しない真空ポンプを作動させて真空断熱筐体１１内の真空引きを開始し、真空断熱筐体１１内があらかじめ設定された真空度に達した後、２段式機械式冷凍機の運転を開始して真空断熱筐体１１内の各部を冷却する。各部の温度、特に、試験片１２の温度は、第２段冷却ヘッド１９ｂ及び固定把持具１３に設けた温度センサからの信号に基づいて制御され、あらかじめ設定された測定温度を保持するように制御手段がヒータ２５の発熱量を制御する。例えば、第２段冷却ヘッド１９ｂから伝熱部材４６及び把持具１３，１４を介して冷却される試験片１２の温度を５Ｋにする場合、第１段冷却ヘッドから筒状連結部材２７を介して冷却される輻射シールド１５の温度や、伝熱部材４４，４５を介して冷却される固定板１６や可動把持具取付軸３３の温度は約７０Ｋに保持される。

この冷却状態において、固定把持具支持用ネジ部材２８は、伝熱部材４４を介して冷却されている固定板１６に取り付けられており、固定板１６は、支持軸１７によって固定板１６から離れた真空断熱筐体１１の左側面板１１ｅに取り付けられているので、外部から真空断熱筐体１１を介して固定把持具支持用ネジ部材２８への熱浸入を極力排除することができ、固定把持具１３を超低温に冷却した状態で保持することができる。同様に、可動把持具取付軸３３を伝熱部材４５を介して冷却することにより、可動把持具取付軸３３から固定把持具１３への熱浸入を極力排除することができる。

試験片１２が設定温度になった後、制御装置によってモータ４３を作動させ、引張軸３１を介して可動把持具１４を軸線方向に移動させることにより、試験片１２に引張荷重又は圧縮荷重を与える。試験片１２に与えられた引張荷重又は圧縮荷重は、ロードセル３６によって検出され、ロードセル３６で測定した値は、制御手段に送信されて随時記録される。

中性子の照射は、原子炉等の中性子発生源から連続的又はパルス状に発生する熱中性子を中性子導管、モノクロメーター結晶を利用し、中性子透過板２１を介して試験片１２に導くことで行われる。中性子の照射は、試験片１２からの信号が十分積算されるまで行われる。なお、単位時間当たりの照射量は、中性子発生源の能力に依存する。中性子の照射量の測定は、単色中性子を利用する場合、試験片１２からの回折中性子は、試験片１２の回折角近傍に設置した中性子検出器によって回折角に対する中性子強度のスペクトルを観測することで測定する。また、白色光のパルス中性子を利用する場合は、対面する中性子検出器群により、中性子飛行時間と中性子強度のスペクトルとして測定する。

ロードセル３６の測定値と試験片１２の断面積とによって試験片１２に加わる応力を測定し、任意の荷重における中性子回折により、試験片１２を構成する結晶の格子面間隔を、中性子の回折現象を利用して測定することができる。また、非晶質試験片の場合には、中性子回折現象によるハローパターンを測定することができる。さらに、求められた格子面間隔等から歪み量を算出することにより、応力−ひずみ線図から試験片１２の弾性定数を求めることもできる。さらに、歪みゲージや伸び計を試験片１２に装着しておくことにより、試験片全体の変形情報を中性子回折と同時に測定することができる。

このようにして測定を行う際に、固定板１６と輻射シールド１５とを非接触状態に配置しておくことにより、筒状連結部材２７の熱伸縮によって輻射シールド１５が試験片１２の軸線方向に対して直角方向に移動することによる影響を無くすことができ、試験片１２に荷重をかける工程である負荷過程における測定値と、試験片１２にかけた荷重を徐々に減じる工程である除荷過程における測定値との誤差の発生を防止できる。これにより、超低温下における高精度の測定が可能となる。

このように、本発明の低温引張試験機は、各種材料の中性子回折による残留応力（引っ張り・圧縮・曲げ・熱処理等の外力に対して物体内部に生じ、外力を除いたあとにも保留される応力）を、５Ｋ以下の超低温状態において測定することで、材料内部の残留応力分布や歪み等の状態を知ることができ、材料の強化や安全性確保等の目的に利用することができ、様々な産業利用分野に活用できる。

１１…真空断熱筐体、１１ａ…天板、１１ｂ…底板、１１ｃ…前面板、１１ｄ…後面板、１１ｅ…左側面板、１１ｆ…右側面板、１２…試験片、１３…固定把持具、１３ａ…把持部、１４…可動把持具、１４ａ…把持部、１５…輻射シールド、１５ａ…上面板、１５ｂ…底面板、１５ｃ…側面板、１５ｄ…端面板、１６…固定板、１７…支持軸、１７ａ…雄ねじ、１７ｂ…雄ねじ、１７ｃ…ナット、１８…駆動手段、１９…２段式機械式冷凍機、１９ａ…第１段冷却ヘッド、１９ｂ…第２段冷却ヘッド、２０…測定窓、２１…中性子透過板、２１ａ…薄肉部、２２…冷凍機取付口、２３…冷凍機取付筒、２４…冷却ヘッド挿入口、２５…ヒータ、２６…部材貫通口、２７…筒状連結部材（第１伝熱手段）、２８…固定把持具支持用ネジ部材、２８ａ…固定ナット、２９…ナット、３０…開口、３１…引張軸、３２…駆動装置、３３…可動把持具取付軸、３３ａ…雄ねじ部、３３ｂ…固定ナット、３４…雌ねじ部材、３４ａ…ウオームホイール、３５…ネジ軸、３６…ロードセル、３７…ベローズ、３８…リング状摺動部材、３９…駆動装置支持軸、３９ａ…雄ねじ、３９ｂ…雄ねじ、３９ｃ…ナット、４０…駆動装置装着板、４０ａ…軸受部材、４１…ウオームギア、４２…継手、４３…モータ、４４…伝熱部材（第３伝熱手段）、４４ａ、４４ｂ…伝熱部材取付具、４５…伝熱部材、４５ａ、４５ｂ…伝熱部材取付具、４６…伝熱部材（第２伝熱手段）、４６ａ、４６ｂ…伝熱部材取付具、４７…手動操作部、４８…アイボルト

Claims (2)

1. 試験片の一端を把持する固定把持具及び前記試験片の他端を把持する可動把持具と、両把持具を覆う輻射シールドと、把持具を覆った状態の輻射シールドを収容する真空断熱筐体と、該筐体内に冷却ヘッド部を挿入した２段式機械式冷凍機と、該２段式機械式冷凍機の第１段冷却ヘッドの冷熱を前記輻射シールドに伝達する第１伝熱手段と、前記２段式機械式冷凍機の第２段冷却ヘッドの冷熱を前記固定把持具及び前記可動把持具に伝達する第２伝熱手段とを備えた低温引張試験機において、前記試験片の軸線方向に配置されて前記輻射シールドの一側方を貫通し、更に前記筐体の一側壁を気密状態で貫通する引張軸と、前記筐体の外部側で前記引張軸を介して前記試験片に引張荷重又は圧縮荷重を与える駆動手段と、筐体の前記一側壁の内面から前記試験片の軸線方向に対して平行に筐体の他側壁の方向に向かって設けられた複数の支持軸と、筐体の前記他側壁から離れた位置で前記支持軸に保持された固定板と、該固定板に前記固定把持具を固定する固定把持具支持用ネジ部材と、前記２段式機械式冷凍機の第１段冷却ヘッドの冷熱を前記固定板に伝達する第３伝熱手段と、前記２段式機械式冷凍機の第２段冷却ヘッドに設けられたヒータとを備えていることを特徴とする低温引張試験機。
2. 前記固定板と前記輻射シールドとは、非接触状態で設置されていることを特徴とする請求項１記載の低温引張試験機。

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