JP6237526B2

JP6237526B2 - 材料試験機

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Publication number: JP6237526B2
Application number: JP2014160023A
Authority: JP
Inventors: 融松浦
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2014-08-06
Filing date: 2014-08-06
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2034-08-06
Also published as: JP2016038227A

Description

この発明は、破壊じん性試験を実行する材料試験機に関する。

破壊じん性試験は、破壊に対する材料の破壊抵抗性を求める試験である。破壊じん性試験では、破壊特性に応じた多様な試験方法が用いられており、これらの多くは、アメリカ材料試験協会や日本機械学会等により規格化されている。したがって、破壊じん性試験は、各規格に決められている約束ごとに準じて実施されることが必要である。例えば、構造物の安全性を定量的に評価するために、ＣＴ（ＣｏｍｐａｃｔＴｅｎｓｉｏｎ）試験片と呼称される切欠が形成された試験片に予き裂を導入した後に一定荷重を繰り返し負荷し、き裂の進展速度を求めるき裂進展試験がある。

このような試験を実行する材料試験機は、試験片を固定する試験治具と、試験片に荷重を負荷するアクチュエータと、試験片に負荷された荷重を検出するロードセルと、試験片に荷重が負荷されているときの切欠開口部の開口変位を検出するクリップゲージと、を備えている。そして、ロードセルにより検出された荷重とクリップゲージにより検出された開口変位とに基づいて、コンプライアンス法により試験片のき裂長さを算出している（特許文献１参照）。

なお、き裂進展試験では、一般的に予き裂導入時から本試験にいたるまで試験片の開口変位をクリップゲージにより計測している。これは、試験片の開口変位と荷重との関係から、予き裂として予定していた所定の長さにき裂が達したときに、荷重を調整したり、試験片に繰り返し荷重を負荷する負荷機構の動作を停止したりするためである。

コンプライアンス法においては、荷重―開口変位曲線の傾きであるコンプライアンスλを算出し、さらに、コンプライアンスλ、試験片の厚さおよび弾性率、試験片の形状により定まる定数を用いて、試験片のき裂長さを推定している。なお、コンプライアンスλは、切欠開口部の距離の最大値と最小値の差である開口変位幅Ｃと試験片にかける荷重検出値の最大値と最小値の差である荷重変化幅Ｐにより、下記式（１）で表され、ＣＴ試験片においては、コンプライアンスλとき裂長さの関係が定式化されている。

λ＝Ｃ／Ｐ・・・（１）

特開２００９−２５０８６６号公報

き裂進展試験の効率向上の観点から、予き裂の導入時間や本試験の実行時間を短くすることが要請されている。この予き裂を導入する時間を短縮するには、試験片に繰り返し負荷する荷重を大きくすることが考えられる。しかしながら、き裂を進展させる本試験に比べて予き裂導入時の荷重が大きすぎると、き裂先端の塑性変形により本試験でき裂が進展しなくなり、正確に試験を行うことができない。

また、予き裂を導入する時間を短縮するために、繰り返し荷重を負荷するときの繰り返し周波数を高くすることが考えられる。しかしながら、き裂進展試験では、予き裂導入時からクリップゲージで試験片の開口変位を計測しており、繰り返し周波数を高くすると、クリップゲージによる計測が周波数に追従することができない。すなわち、試験片に形成された切欠の開口部に差し込まれるクリップゲージの一対のバネの戻り速度の限界により、繰り返し周波数に対して位相遅れやノイズが発生する。このように、クリップゲージのバネの戻り速度が、試験片に荷重を負荷するときの繰り返し周波数に追従できないと、正確にき裂長さを推定できなくなる。

さらに、一定荷重を試験片に繰り返し負荷してき裂を進展させる本試験において、き裂長さａと繰り返し数Ｎにより求められるき裂進展速度ｄａ／ｄＮと応力拡大係数範囲ΔＫとの関係から、材料のき裂進展特性を評価する場合、き裂が進展しないとみなすことができる下限界応力拡大係数範囲ΔＫｔｈを求めるために、き裂進展速度ｄａ／ｄＮが１０−１０ｍ／ｃｙｃｌｅ程度になるまで試験を行う必要がある。このときに、設定できる繰り返し周波数がクリップゲージによる開口変位の測定が可能な周波数に制限されると、試験時間も長くなるという問題がある。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、ＣＴ試験片を用いたき裂進展試験において全体の試験時間を短くするために、予き裂導入時および本試験実行時においてクリップゲージによる計測を行わない場合でも、正確にき裂長さを推定することが可能な材料試験機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、切欠が形成された試験片に荷重を負荷するアクチュエータと、前記試験片に負荷された荷重を検出する荷重検出器と、前記アクチュエータのストローク変位を検出するストローク変位検出器と、荷重が負荷された前記試験片において進展するき裂のき裂長さを算出するき裂長さ演算部を有する制御装置と、を備え、前記制御装置は、予めクリップゲージにより計測した前記試験片における切欠開口部の開口変位と、そのときのストローク変位との関係を、予備試験片を用いてクリップゲージにより開口変位を計測する予備試験により取得した複数のき裂長さ測定点における開口変位とストローク変位との関係から導かれる係数を用いて、開口変位とストローク変位との関係を規定する関係式として記憶する記憶部と、試験中に前記ストローク変位検出器が検出したストローク変位を、前記記憶部に記憶させた前記関係式を用いて開口変位に変換する変位変換部と、を有し、前記き裂長さ演算部は、前記荷重検出器により検出された荷重と、前記変位変換部において算出された開口変位に基づいて、前記試験片のき裂長さを算出することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、切欠が形成された試験片に荷重を負荷するアクチュエータと、前記試験片に負荷された荷重を検出する荷重検出器と、前記アクチュエータのストローク変位を検出するストローク変位検出器と、荷重が負荷された前記試験片において進展するき裂のき裂長さを算出するき裂長さ演算部を有する制御装置と、を備え、前記制御装置は、予めクリップゲージにより計測した前記試験片における切欠開口部の開口変位と、そのときのストローク変位との関係を、予備試験により取得した少なくとも１のき裂長さ計測点における、前記試験片における切欠開口部のクリップゲージによる変位計測位置と、前記アクチュエータにより前記試験片に荷重を作用させる負荷軸との間の距離と、前記負荷軸と仮想的な回転中心との間の距離を利用した開口変位とストローク変位との関係から導かれる係数を用いて、開口変位とストローク変位との関係を規定する関係式として記憶する記憶部と、試験中に前記ストローク変位検出器が検出したストローク変位を、前記記憶部に記憶させた前記関係式を用いて開口変位に変換する変位変換部と、を有し、前記き裂長さ演算部は、前記荷重検出器により検出された荷重と、前記変位変換部において算出された開口変位に基づいて、前記試験片のき裂長さを算出することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、切欠が形成された試験片に荷重を負荷するアクチュエータと、前記試験片に負荷された荷重を検出する荷重検出器と、前記アクチュエータのストローク変位を検出するストローク変位検出器と、荷重が負荷された前記試験片において進展するき裂のき裂長さを算出するき裂長さ演算部を有する制御装置と、を備え、前記制御装置は、予めクリップゲージにより計測した前記試験片における切欠開口部の開口変位と、そのときのストローク変位との関係を、予備試験により取得した少なくとも１のき裂長さ計測点における開口変位とストローク変位との関係から導かれる一定値を係数として、開口変位とストローク変位との関係を規定する関係式として記憶する記憶部と、試験中に前記ストローク変位検出器が検出したストローク変位を、前記記憶部に記憶させた前記関係式を用いて開口変位に変換する変位変換部と、を有し、前記き裂長さ演算部は、前記荷重検出器により検出された荷重と、前記変位変換部において算出された開口変位に基づいて、前記試験片のき裂長さを算出することを特徴とする。

請求項１から請求項３に記載の発明によれば、予めクリップゲージにより計測した試験片における切欠開口部の開口変位と、そのときのストローク変位との関係を関係式として記憶部に記憶させ、さらに、制御装置に変位変換部を備えたことにより、試験中にストローク変位検出器が検出したストローク変位を、記憶部に記憶させた関係式を用いて開口変位に変換できることから、予き裂導入および本試験を実行する試験中においてクリップゲージによる計測を行わなくても、正確にき裂長さを推定することが可能となる。これにより、従来では、クリップゲージによる計測が困難であったために行うことができなかった、より高周波数での予き裂導入および本試験が可能となり、試験時間を短縮することができる。

請求項１に記載の発明によれば、試験中にストローク変位検出器が検出したストローク変位を開口変位に変換する関係式が、予備試験により取得した複数のき裂長さ測定点における開口変位とストローク変位との関係から導かれる係数を用いて、開口変位とストローク変位との関係を規定していることから、より正確にき裂長さを推定することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、試験中にストローク変位検出器が検出したストローク変位を開口変位に変換する関係式が、クリップゲージによる変位計測位置と試験片に荷重を作用させる負荷軸との間の距離と、負荷軸と仮想的な回転中心との間の距離を利用して導かれる係数を用いて、開口変位とストローク変位との関係を規定していることから、正確にき裂長さを推定することが可能である。また、関係式の係数の値を決めるためには、少なくとも１のき裂長さを計測すればよいことから、予備試験を簡便に行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、試験中にストローク変位検出器が検出したストローク変位を開口変位に変換する関係式の係数が、予備試験により取得した少なくとも１のき裂長さを計測点とした開口変位とストローク変位との関係から一定値に定まることから、簡便な予備試験で関係式を得ることができる。

この発明に係る材料試験機の主要な構成を示す概要図である。試験片１０の斜視図である。制御系の主要な構成を示すブロック図である。クリップゲージ２８による開口変位の計測位置と負荷軸Ｌとの関係を説明するための試験片１０の正面図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る材料試験機の概要図である。図２は、試験片１０の斜視図である。図３は、制御系の主要な構成を示すブロック図である。

この材料試験機は、テーブル１１により支持された一対のコラム１２と、これらのコラム１２により支持された架台１３とを備える。テーブル１１には、試験片１０に試験力を負荷するためのアクチュエータである油圧シリンダ２１が配設されている。この油圧シリンダ２１は、作動油の供給量を弁開度等により決定するサーボバルブ２２と、シリンダロッド２５の変位を検出するストローク変位検出器２６とに接続されている。油圧シリンダ２１のシリンダロッド２５には、試験片１０を取り付ける試験治具２９が接続されている。

架台１３の下面には、荷重を検出するための荷重検出器としてのロードセル２７と、試験片１０を取り付けるための試験治具２９とが配設されている。また、テーブル１１の下方には、油圧シリンダ２１を動作させるための作動油を供給する油圧供給部３０が配置されている。

油圧シリンダ２１は、油圧供給部３０から供給される作動油によって動作する。この油圧供給部３０からの作動油は、管路３７からサーボバルブ２２を介して油圧シリンダ２１に供給される。また、油圧シリンダ２１から排出された作動油は、サーボバルブ２２を通過した後、配管３８を介して油圧供給部３０に戻される。

ストローク変位検出器２６の出力信号と、ロードセル２７の出力信号とは、材料試験の実行中に、所定時間ごとに制御部４０に取り込まれる。

試験片１０は、切欠１５が形成されたＣＴ試験片と呼称されるものであり、一対の貫通孔１７の各々に挿入されるピン５１（図３参照）を介して、試験治具２９に連結されることにより、材料試験機における試験位置に固定される。コンプライアンス法によりき裂長さａを算出する際には、貫通孔１７の中心から切欠１５が形成されている側とは反対となる側端部までの距離を試験片幅Ｗとし、この試験片幅Ｗを基準として、き裂進展試験において推奨される試験片厚さＢおよび予き裂長さａ_０が定まる。

また、この材料試験機は、装置全体を制御するための制御部４０を備える。この制御部４０は、論理演算を実行するＣＰＵおよび記憶装置を有し、表示部４１および入力部４２を備えた入出力用コンピュータ４３と接続されている。制御部４０と入出力用コンピュータ４３は、この発明の制御装置である。サーボバルブ２２は、制御部４０からＤ／Ａ変換器６３を介して供給される制御信号によってその弁開度が制御される。ストローク変位検出器２６の出力信号はＡ／Ｄ変換器６４を介して、ロードセル２７の出力信号はＡ／Ｄ変換器６１を介して、材料試験の実行中に制御部４０に取り込まれる。

後述する予備試験を実行するときには、試験片１０の切欠１５の開口部において開口変位を計測する変位計であるクリップゲージ２８が配設される。クリップゲージ２８の出力信号は、Ａ／Ｄ変換器６２を介して制御部４０に取り込まれる。

制御部４０は、機能的構成として、予めクリップゲージ２８により計測した開口変位と、そのときのストローク変位との関係を関係式として記憶する記憶部４７と、記憶部４７に記憶させた関係式を用いて試験実行中のストローク変位検出器２６が検出したストローク変位を開口変位に変換する変位変換部４５と、ロードセル２７の検出値と開口変位とに基づいて試験片１０のき裂長さａを算出するき裂長さ演算部４６を備える。

き裂長さａは、下記式（２）に示すように、コンプライアンスλの関数で表され、き裂長さ演算部４６においては、下記式（２）を利用して、き裂長さａを算出している。この式（２）での関数ｆ（λ）は、コンプライアンスλとき裂長さａとの関係を表す公知の関係式である。

ａ＝ｆ（λ）・・・（２）

次に、記憶部４７に記憶させる関係式と予備試験について説明する。なお、この予備試験は、クリップゲージ２８により計測した開口変位と、そのときにストローク変位検出器２６により検出されたストローク変位との関係を規定する関係式を得るための試験である。通常のき裂進展試験においては、試験治具２９により試験片１０を固定し、予き裂導入を実行してから、き裂を進展させるために負荷を与える本試験へと移行する。この予備試験は、試験片１０への予き裂導入前に、クリップゲージ２８を試験片１０の切欠１５の開口部に配置して行う試験であり、そのときの試験周波数はクリップゲージ２８が追従可能な任意の周波数である。

クリップゲージ２８により計測した開口変位と、そのときにストローク変位検出器２６により検出されたストローク変位との関係、すなわち、クリップゲージ変位幅Ｇとストローク変位幅Ｓとの関係は、Ｋを係数とする下記式（３）と表すことができる。

Ｇ＝Ｋ・Ｓ・・・（３）

この式（３）の係数Ｋは、予備試験により計測したき裂長さに基づいて、定義することができる。いくつかの係数Ｋの求め方について以下に説明する。

まず、式（３）の係数Ｋを、Ｋ＝Ｋ_Ｂ（Ｋ_Ｂは一定値）と定義した関係式を記憶部４７に記憶させる場合の予備試験について説明する。

この予備試験では、予き裂を導入して本試験に供する試験片１０を使用することができる。そして、クリップゲージ２８を試験片１０の切欠開口部に配置し、クリップゲージ２８が追従可能な任意の周波数（例えば１０Ｈｚ〜２０Ｈｚ）で任意のある荷重を試験片１０に繰り返し負荷する。この予備試験においては、試験開始時に切欠１５の先端位置より先にき裂が生じていないことから、最初は切欠１５の先端位置をき裂長さａ_０としておく。そして試験片１０に対して繰り返し負荷を与え、所定のタイミングでそのときの荷重変化幅Ｐと開口変位幅Ｃによりコンプライアンスλを求め、式（２）を利用してき裂長さ計算が行われる。ここで、少なくとも１の測定点でのき裂長さａを取得する。

この予備試験では、き裂を切欠１５の先端位置から試験片１０内に中に進入させる必要はなく、少なくとも１の測定点であるき裂長さａでクリップゲージ２８が検出したクリップゲージ変位とストローク変位検出器２６が検出したストローク変位とを取得すればよい。そして、き裂長さａでのクリップゲージ変位幅Ｇとストローク変位幅Ｓがわかれば、上記式（３）からＫの値が定まる。ここで、測定点とされるき裂長さａは、き裂が切欠１５の先端から試験片１０の中に進入していない場合も含むものであり、き裂の進入がゼロのときの貫通孔１７の中心から切欠１５の先端までの長さである場合を含む概念である。したがって、予備試験は、き裂が試験片１０の中に進入するほど長時間行わなくてもよい。

このようにして、記憶部４７にクリップゲージ変位とストローク変位との関係を表す関係式として式（３）のＫ＝Ｋ_Ｂ（一定値）とする式を記憶させると、試験片１０からクリップゲージ２８を取り外し、予き裂導入を行い、さらに、本試験を実行する。予き裂導入時および本試験の実行時には、変位変換部４５において先に記憶させた関係式を用いて、ストローク変位検出器２６が検出したストローク変位をクリップゲージ変位に変換している。そして、き裂長さ演算部４６において、式（１）によりコンプライアンス法におけるコンプライアンスλが算出され、式（２）により、き裂長さａが算出される。

また、式（３）のクリップゲージ変位幅Ｇは、予備試験では、クリップゲージ２８の検出値に基づく切欠１５の開口部における開口変位幅Ｃそのものである。予き裂導入時および本試験の実行時では、式（３）のクリップゲージ変位幅Ｇはストローク変位を用いて計算により求められる値であるが、これを開口変位幅Ｃに相当する値として扱う。

なお、上述した一定値である式（３）の係数Ｋを得る予備試験では、少なくとも１のき裂長さａを測定点として、その測定点におけるクリップゲージ２８が検出したクリップゲージ変位とストローク変位検出器２６が検出したストローク変位とを取得すればよいことから、予備試験終了後に、予備試験により生じた１点のき裂長さａを実測するようにしてもよい。き裂長さａでのクリップゲージ変位幅Ｇとストローク変位幅Ｓがわかれば、上記式（３）を利用してＫの値が定まり、そのときに得られたＫの値がＫ_Ｂであったとすると式（３）においてＫ＝Ｋ_Ｂとする式を、関係式として記憶部４７に記憶させればよい。このように、予備試験におけるき裂長さａの測定点が１点でもよいため、ストローク変位幅Ｓを開口変位幅Ｃ相当のクリップゲージ変位幅Ｇに換算するための係数Ｋを、短時間で簡便に求めることができる。

次に、式（３）の係数Ｋを、き裂長さａの関数Ｍ（ａ）とする場合の予備試験について説明する。ここでの関数Ｍ（ａ）としては、き裂長さａを変数として係数Ｋを数式で表したものだけでなく、表の形でき裂長さａと係数Ｋの関係を示すものを含むものとする。

この関数Ｍ（ａ）は、き裂長さａの値が定まれば、ストローク変位幅Ｓからクリップゲージ変位幅Ｇを算出するときの係数Ｋが定まる関数である。すなわち、Ｍ（ａ）は、き裂長さａの変化にともなって変動する係数でもある。このため、式（３）における係数Ｋを関数Ｍ（ａ）とする関係式を記憶部４７に記憶させるときには、本試験に供する試験片１０と材質および形状が同じ予備試験片を用いて、複数のき裂長さａ_０〜ａ_ｎを測定点として、各測定点におけるクリップゲージ２８が検出したクリップゲージ変位とストローク変位検出器２６が検出したストローク変位とを取得する予備試験を行う。各測定点におけるクリップゲージ変位幅Ｇ_０〜Ｇ_ｎとストローク変位幅Ｓ_０〜Ｓ_ｎがわかれば、き裂長さａ_０〜ａ_ｎに応じた値（係数）が求まる関数Ｍ（ａ）が定義される。この予備試験では、クリップゲージ２８が追従可能な任意の周波数で任意のある荷重が予備試験片に繰り返し負荷される。

この予備試験においては、試験開始時には切欠１５の先端位置より先にき裂が生じていないことから、切欠１５の先端位置をき裂長さａ_０として、所定のタイミングで各測定点でのき裂長さａ_１、ａ_２・・・ａ_ｎを計測する。すなわち、き裂長さがａ_１のときを第１測定点として、クリップゲージ変位幅Ｇ_１とストローク変位幅Ｓ_１との関係が式（３）を利用して定まる。そして、クリップゲージ変位幅Ｇ_１は開口変位幅Ｃ_１と等価であるので、クリップゲージ変位幅Ｇ_１（すなわち、開口変位幅Ｃ_１）と、そのときに測定された荷重変化幅Ｐ_１により式（１）を利用してコンプライアンスλ_１＝Ｇ_１／Ｐ_１が計算され、さらに式（２）を利用して、ａ_２＝ｆ（λ_１）が計算される。次に、き裂長さがａ_２のときを第２測定点として、クリップゲージ変位幅Ｇ_２とストローク変位幅Ｓ_２との関係が式（３）を利用して定まる。そして、求められたクリップゲージ変位幅Ｇ_２（開口変位幅Ｃ_２）とそのときに測定された荷重変化幅Ｐ_２により式（１）を利用してコンプライアンスλ_２＝Ｇ_２／Ｐ_２が計算され、さらに式（２）を利用して、ａ_３＝ｆ（λ_２）が計算される。

このように、１つ前の測定点でのき裂長さａのときのクリップゲージ変位幅Ｇとストローク変位幅Ｓを利用して、次の測定点でのき裂長さａを算出する計算が繰り返される。そして、き裂長さａの各測定点での開口変位幅Ｃとストローク変位幅Ｓとの関係が規定された関係式、すなわち、式（３）における係数Ｋ＝Ｍ（ａ）とする関係式が記憶部４７に記憶される。

予備試験を終了し、定義された関数Ｍ（ａ）を係数Ｋとする式（３）を記憶部４７に記憶させると、試験片１０を試験治具２９により試験位置に取り付け、予き裂導入を行った後に、本試験を実行する。なお、予き裂導入時および本試験の実行時には、試験片１０にクリップゲージ２８は装着しない。また、式（３）のクリップゲージ変位幅Ｇは、予き裂導入時および本試験の実行時では、ストローク変位幅Ｓを用いて計算により求められる値であるが、これを開口変位幅Ｃに相当する値として扱う。

式（３）においてＫ＝Ｍ（ａ）とする式を関係式として記憶部４７に記憶させておけば、予き裂導入時および本試験実施時に、クリップゲージ２８を試験片１０に装着しなくても、変位変換部４５において、式（３）を用いてストローク変位検出器２６の検出に基づくストローク変位幅Ｓが開口変位幅Ｃ相当のクリップゲージ変位幅Ｇに変換される。これにより、クリップゲージ２８では追従することが困難な高い周波数（例えば、１００Ｈｚ）で一定荷重を繰り返し試験片１０に負荷するき裂進展試験であっても、図２に示す予き裂長さａ_０およびき裂長さａを、クリップゲージ２８で開口変位を計測した場合と同等の精度で算出することが可能となる。

また、式（３）においてＫ＝Ｍ（ａ）とする関係式では、き裂長さａにともなって変化する関数Ｍ（ａ）を用いて、ストローク変位幅Ｓを開口変位幅Ｃ相当のクリップゲージ変位幅Ｇに換算することから、き裂長さ演算部４６において算出されるき裂長さａによって、その値に含まれる誤差（計算値と実測値の差）が変動することを低減することができる。

記憶部４７に記憶させる関係式における、係数Ｋを定める他の手法についてさらに説明する。この手法は係数Ｋがき裂長さａの関数であると考えたときの関数Ｍ（ａ）を以下で説明する数式で表すものである。この手法では、試験片の変形は仮想的な回転中心を中心として回転するもの見なせるとの考え方に立っている。図４は、クリップゲージ２８による開口変位の計測位置と負荷軸Ｌとの関係を説明するための試験片１０の正面図である。なお、図４においては、負荷軸Ｌに沿って荷重がかかる方向を白抜き矢印で示している。

このときの予備試験は、上述した式（３）における係数Ｋを、Ｋ＝（ｒ＋ｄ）／ｒとした場合の関係式を記憶部４７に記憶させるためのものである。ｒは、予備試験により導入された任意のき裂さａを測定点としたときの回転半径であり、ｄはそのときの負荷軸Ｌと線Ｅの間の距離である（図４参照）。なお、回転半径ｒは下記式（４）で表される。

ｒ＝ａ＋（Ｗ−ａ）×α ・・・（４）

式（４）におけるＷは試験片幅であり（図４参照）、αは０〜１までの係数であり、経験的に適当な値（例えば０．５）に設定する。このき裂長さａは、所定のタイミングで式（２）を利用して計算される。

この予備試験では、上述した式（３）における係数Ｋを一定値（Ｋ_Ｂ）とする関係式を記憶部４７に記憶させるときに行う予備試験と同様に、本試験に供する試験片１０をそのまま使用する。そして、クリップゲージ２８を試験片１０の切欠１５の開口部に配置し、クリップゲージ２８が追従可能な任意の周波数で任意の一定荷重を試験片１０に繰り返し負荷する。この予備試験では、少なくとも１のき裂長さａを取得すればよい。

この予備試験におけるき裂長さａは、予き裂（例えば、試験片幅Ｗの５０％）ほどに導入する必要はない。また、ここで１の測定点とされるき裂長さａは、き裂が切欠１５の先端から試験片１０の中に進入していない場合も含むものであり、き裂の進入がゼロのときの一対の貫通孔１７の中心を通る負荷軸Ｌから切欠１５の先端までの長さである場合を含む概念である。したがって、予備試験は、き裂が試験片１０の中に進入するほど長時間行わなくてもよい。

図４に示すように、試験片１０に形成された一対の貫通孔１７の中心をとおり、油圧シリンダ２１により試験片１０に荷重を作用させる負荷軸Ｌと、試験片１０の切欠１５の開口部に配設するクリップゲージ２８による開口変位の測定位置を示す負荷軸Ｌと平行な線Ｅとは、距離ｄだけ離れている。したがって、荷重が負荷されるときに、半径ｒの円の中心Ｏから負荷軸Ｌまでの垂線の長さと、半径ｒの円と同心円となる半径（ｒ＋ｄ）の円の中心Ｏから線Ｅまでの垂線の長さとの比であるｒ／（ｒ＋ｄ）は、図４において中心Ｏから延びる２本の破線で切り取られる負荷軸Ｌの長さと線Ｅの長さの比、すなわち、負荷軸Ｌ上の変位／線Ｅ上の変位（クリップゲージ変位）と同じ値となる。なお、中心Ｏの位置は、この例では、負荷軸Ｌから０．５×（Ｗ−ａ）により求まる距離にある位置である。シリンダロッド２５の上下変位によっておこる試験片１０の変形が、試験片１０の上部と下部が回転中心Ｏを中心としてそれぞれ回転することと等価であると見なせば、ｒ／（ｒ＋ｄ）は、ストローク変位幅Ｓ／クリップゲージ変位幅Ｇと等しくなる。すなわち、き裂長さａにより定まる円の中心Ｏから負荷軸Ｌまでの距離と、き裂長さａにより定まる円の中心Ｏから線Ｅまでの距離との関係は、ストローク変位幅Ｓとクリップゲージ変位幅Ｇの関係を示すことになる。

予備試験によりき裂長さａがわかれば、式（４）により回転半径ｒが決まり、式（３）における、クリップゲージ２８による変位計測位置と負荷軸Ｌとの間の距離を利用したストローク変位とクリップゲージ変位との関係から導きだされる係数Ｋが定まる。そして、式（３）における係数Ｋの値が定まった式を関係式として記憶部４７に記憶させることによりストローク変位幅Ｓを開口変位幅Ｃ相当のクリップゲージ変位幅Ｇに変換することが可能となる。

上述したように、式（３）における係数Ｋをｒ／（ｒ＋ｄ）とする式を関係式として記憶部４７に記憶させる場合は、式（３）における係数Ｋを実験的に求めた関数Ｍ（ａ）を記憶させる場合と異なり、予備試験において予備試験片を準備する必要がなく、予備試験におけるき裂長さａの測定点が１点でもよいため、ストローク変位をクリップゲージ変位に変換するための係数Ｋを簡便に求めることができる。

このようにして、記憶部４７にクリップゲージ変位幅Ｇとストローク変位幅Ｓとの関係を表す関係式として係数Ｋが定まった式（３）を記憶させると、試験片１０からクリップゲージ２８を取り外し、予き裂導入を行い、さらに、本試験を実行する。予き裂導入時および本試験の実行時には、変位変換部４５において式（３）を用いて、ストローク変位検出器２６の検出値に基づくストローク変位幅Ｓをクリップゲージ変位幅Ｇに変換している。そして、き裂長さ演算部４６において、式（１）を用いてコンプライアンス法におけるコンプライアンスλが算出された後、式（２）を用いて、き裂長さａが算出される。

具体的な試験の進行としては、先に説明した手法と同様に、次のように行う。クリップゲージ変位幅Ｇ_１と、そのときに測定された荷重変化幅Ｐ_１により式（１）を利用してコンプライアンスλ_１＝Ｇ_１／Ｐ_１が計算され、さらに式（２）を利用して、ａ_２＝ｆ（λ_１）が計算される。次に、き裂長さがａ_２のときを第２測定点として、クリップゲージ変位幅Ｇ_２とストローク変位幅Ｓ_２との関係が式（３）を利用して定まる。そして、求められたクリップゲージ変位幅Ｇ_２（開口変位幅Ｃ_２）とそのときに測定された荷重変化幅Ｐ_２により式（１）を利用してコンプライアンスλ_２＝Ｇ_２／Ｐ_２が計算され、さらに式（２）を利用して、ａ_３＝ｆ（λ_２）が計算される。以後もこの手順を繰り返す。

この材料試験機では、クリップゲージ２８により計測した開口変位であるクリップゲージ変位と、ストローク変位検出器２６により検出したストローク変位との関係を規定した関係式、すなわち、上述した予備試験により式（３）における係数Ｋが定義された関係式のいずれかを記憶部４７に記憶させた状態であれば、予き裂導入時および本試験の実行時においては、クリップゲージ２８を試験片１０の切欠１５の開口部に配置する必要がない。そして、式（３）における係数Ｋを決定し、記憶させるための予備試験は、材質、形状が同じ試験片１０について、複数回の試験を行う場合には、最初の試験を行う前に１度行っておけばよい。

この材料試験機では、上述した予備試験により係数Ｋを定めた関係式（３）を用いて、ストローク変位幅Ｓを開口変位幅Ｃに相当するクリップゲージ変位幅Ｇに換算できることから、予き裂導入時および本試験の実行時に、クリップゲージ２８から制御部４０への検出値の入力がなくても、関係式を用いて、ストローク変位検出器２６から制御部４０への検出値の入力があれば、開口変位幅Ｃ相当のクリップゲージ変位幅Ｇを計算により求めることができ、き裂長さａを算出することが可能となる。そして、本試験中にクリップゲージ２８による計測を行う必要がないことから、試験片１０に負荷する繰り返し周波数を高くでき、試験時間を大幅に短縮することができる。例えば、従来では１週間〜１０日かかっていたき裂進展試験を、２〜３日で行うことも可能となる。

１０試験片
１１テーブル
１２コラム
１３架台
２１油圧シリンダ
２２サーボバルブ
２５シリンダロッド
２６ストローク変位検出器
２７ロードセル
２８クリップゲージ
２９試験治具
３０油圧供給部
３７管路
３８管路
４０制御部
４１表示部
４２入力部
４３入出力用コンピュータ
４５変位変換部
４６き裂長さ演算部
４７記憶部
５１ピン
６１Ａ／Ｄ変換器
６２Ａ／Ｄ変換器
６３Ｄ／Ａ変換器
６４Ａ／Ｄ変換器

Claims

切欠が形成された試験片に荷重を負荷するアクチュエータと、
前記試験片に負荷された荷重を検出する荷重検出器と、
前記アクチュエータのストローク変位を検出するストローク変位検出器と、
荷重が負荷された前記試験片において進展するき裂のき裂長さを算出するき裂長さ演算部を有する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
予めクリップゲージにより計測した前記試験片における切欠開口部の開口変位と、そのときのストローク変位との関係を、予備試験片を用いてクリップゲージにより開口変位を計測する予備試験により取得した複数のき裂長さ測定点における開口変位とストローク変位との関係から導かれる係数を用いて、開口変位とストローク変位との関係を規定する関係式として記憶する記憶部と、
試験中に前記ストローク変位検出器が検出したストローク変位を、前記記憶部に記憶させた前記関係式を用いて開口変位に変換する変位変換部と、
を有し、
前記き裂長さ演算部は、前記荷重検出器により検出された荷重と、前記変位変換部において算出された開口変位に基づいて、前記試験片のき裂長さを算出することを特徴とする材料試験機。
切欠が形成された試験片に荷重を負荷するアクチュエータと、
前記試験片に負荷された荷重を検出する荷重検出器と、
前記アクチュエータのストローク変位を検出するストローク変位検出器と、
荷重が負荷された前記試験片において進展するき裂のき裂長さを算出するき裂長さ演算部を有する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
予めクリップゲージにより計測した前記試験片における切欠開口部の開口変位と、そのときのストローク変位との関係を、予備試験により取得した少なくとも１のき裂長さ計測点における、前記試験片における切欠開口部のクリップゲージによる変位計測位置と、前記アクチュエータにより前記試験片に荷重を作用させる負荷軸との間の距離と、前記負荷軸と仮想的な回転中心との間の距離を利用した開口変位とストローク変位との関係から導かれる係数を用いて、開口変位とストローク変位との関係を規定する関係式として記憶する記憶部と、
試験中に前記ストローク変位検出器が検出したストローク変位を、前記記憶部に記憶させた前記関係式を用いて開口変位に変換する変位変換部と、
を有し、
前記き裂長さ演算部は、前記荷重検出器により検出された荷重と、前記変位変換部において算出された開口変位に基づいて、前記試験片のき裂長さを算出することを特徴とする材料試験機。
切欠が形成された試験片に荷重を負荷するアクチュエータと、
前記試験片に負荷された荷重を検出する荷重検出器と、
前記アクチュエータのストローク変位を検出するストローク変位検出器と、
荷重が負荷された前記試験片において進展するき裂のき裂長さを算出するき裂長さ演算部を有する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
予めクリップゲージにより計測した前記試験片における切欠開口部の開口変位と、そのときのストローク変位との関係を、予備試験により取得した少なくとも１のき裂長さ計測点における開口変位とストローク変位との関係から導かれる一定値を係数として、開口変位とストローク変位との関係を規定する関係式として記憶する記憶部と、
試験中に前記ストローク変位検出器が検出したストローク変位を、前記記憶部に記憶させた前記関係式を用いて開口変位に変換する変位変換部と、
を有し、
前記き裂長さ演算部は、前記荷重検出器により検出された荷重と、前記変位変換部において算出された開口変位に基づいて、前記試験片のき裂長さを算出することを特徴とする材料試験機。