JP6729210B2 - 材料試験機 - Google Patents

Description

この発明は、試験片に対して試験力を付与することにより、ひずみ時効の試験を行う材料試験機に関する。

試験片に対して負荷を付与することにより降伏点を超える塑性変形を与えた後、負荷を除去し、低温焼鈍を行い、あるいは、一定時間だけ放置した後、再度負荷を付与すると、再び降伏点が発生するひずみ時効（ｓｔｒａｉｎ ａｇｉｎｇ）という現象が生ずることが知られている。

図８は、このひずみ時効を説明するためのグラフである。なお、図８に示すグラフにおいて、横軸は試験片に生ずる変位ひずみを示し、縦軸は試験片に付与される応力を示している。

図８（ａ）に示すように、負荷を付与することにより降伏点Ｙ１を越えて塑性変形を受けた試験片に、負荷を除去した後、直ちに負荷を付与した場合においては、降伏点は現れない。これに対して、図８（ｂ）に示すように、負荷を付与することにより降伏点Ｙ１を越えて塑性変形を受けた試験片に、負荷を除去した後、低温焼鈍を行い、あるいは、一定時間だけ放置した後、再度負荷を付与すると、再び降伏点Ｙ２が発生する。これがひずみ時効と呼称される現象である。

なお、特許文献１には、２相ステンレス鋼に熱時効を与えると、脆化して室温のシャルピー衝撃値が変化することを利用することにより、２相ステンレス鋼部材の脆化状態を非破壊的に精度よく推定することができる２相ステンレス鋼の熱時効脆化推定方法が開示されている。

特許第２７４４７０４号公報

このようなひずみ時効についての試験を行うためには、従来の材料試験機においては、試験片の両端をつかみ具により把持させた上で、試験片に対して、試験片が降伏点を越えるまで試験力を付与して最初の試験を実行した後、一旦試験力を徐荷して試験片をつかみ具から取り外し、試験片に対して低温焼鈍等を実行し、しかる後、試験片の両端をつかみ具により把持させ、試験片に対して、試験片が破断するまで試験力を付与する二回目の試験を実行するという動作を、オペレータが手動により行っていた。このため、ひずみ時効の試験は煩雑なものとなっていた。

また、従来の材料試験機においては、試験片に対して、試験片が降伏点を越えるまで試験力を付与した後、一旦試験力を徐荷した時点で、材料試験が終了したものと取り扱われることから、上述した最初の試験と二回目の試験とで、測定データを一連のものとして共有することができず、それらのデータの比較等は、別のアプリケーションを用いて実行することが必要となっていた。

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、ひずみ時効についての試験を効率的に実行することができ、また、その試験結果を示す表示を容易に得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、試験片に対して試験力を付与することにより、ひずみ時効の試験を行う材料試験機において、前記試験片に対して当該試験片が降伏点を超える第１の試験力を付与する第１試験力付与工程と、前記試験片に対する試験力を解除する試験力解除工程と、前記試験片に対して当該試験片がひずみ時効後の降伏点を超える第２の試験力を付与する第２試験力付与工程と、を順次実行させる制御部と、前記第１試験力付与工程および前記第２試験力付与工程において、前記試験片に付与された試験力と前記試験片の変位との関係を記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された前記試験片に付与された試験力と前記試験片の変位との関係を示す表示を、表示部に表示させる画像処理部と、を備え、前記制御部が、ひずみ時効試験に関する値を演算し、その値を前記表示部に表示可能であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の材料試験機において、前記ひずみ時効試験に関する値は、時効指数または焼付硬化量である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の材料試験機において、前記画像処理部は、前記第１試験力付与工程において前記試験片に付与された試験力と前記試験片の変位との関係を第１のグラフとして表示するとともに、前記第２試験力付与工程において前記試験片に付与された試験力と前記試験片の変位との関係を第２のグラフとして表示する。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の材料試験機において、前記画像処理部は、前記第１のグラフと前記第２のグラフとを重ね合わせて表示する。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の材料試験機において、前記画像処理部は、前記第１のグラフと前記第２のグラフとを、それらの伸び原点が一致する状態で重ね合わせて表示する。

請求項１および請求項２に記載の発明によれば、第１試験力付与工程と、試験力解除工程と、第２試験力付与工程とを順次実行させた後、試験片に付与された試験力と試験片の変位との関係を示す表示を表示部に表示させることが可能となる。このため、ひずみ時効についての試験を効率的に実行することができる。

請求項３に記載の発明によれば、試験片に付与された試験力と試験片の変位との関係を、第１、第２のグラフとして、関連付けて表示することが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、第１のグラフと第２のグラフとを重ね合わせて表示することにより、試験結果を容易に比較することが可能となる。

請求項５に記載の発明によれば、第１のグラフと第２のグラフとを伸び原点が一致する状態で重ね合わせて表示することにより、試験結果を伸び原点を基準として容易に比較することが可能となる。

この発明に係る材料試験機の概要図である。 この発明に係る材料試験機の制御系を示すブロック図である。 この発明に係る材料試験機によりひずみ時効の試験を行う試験工程を示すフローチャートである。 第１試験力付与工程における試験力と時間との関係を示すグラフである。 第２試験力付与工程における試験力と時間との関係を示すグラフである。 表示部５１に表示される試験片１００に付与された試験力と時間との関係を示すグラフである。 表示部５１に表示される試験片１００に付与された試験力と時間との関係を示すグラフである。 ひずみ時効を説明するためのグラフである。

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。

この材料試験機は、基台１１とクロスヨーク１５とにわたり回転可能に立設された左右一対のねじ棹１２を備える。このねじ棹１２は、ボールねじから構成される。また、この材料試験機は、クロスヘッド１４を備える。このクロスヘッド１４の両端付近には、ねじ棹１２と螺合するボールねじ用のナット１３が内蔵されている。

また、この材料試験機は、サーボモータ２３と、このサーボモータ２３の回転情報を取得するエンコーダ２４とを備える。サーボモータ２３の回転力は、サーボモータ２３の回転軸に配設された同期プーリ２５、同期ベルト２８、同期プーリ２７を介して回転軸２６に伝達される。回転軸２６の両端部には複数のギアを有するギアボックス２１が配設されており、回転軸２６の回転力が一対のねじ棹１２の回転力に変換され、一対のねじ棹１２が同期して回転する。そして、一対のねじ棹１２が同期して回転することにより、クロスヘッド１４が昇降する。

クロスヘッド１４には、上つかみ具３１が、ロードセル１６を介して支持されている。
また、基台１１には、下つかみ具３２が支持されている。試験片１００は、これらの上つかみ具３１および下つかみ具３２によりその両端を把持される。この状態において、クロスヘッド１４が上昇することにより、試験片１００に対して引張試験力が付与され、材料試験としての引張試験が実行される。このときの試験片１００に生じる変位は、変位計１８により測定される。なお、上つかみ具３１および下つかみ具３２を圧盤等に変更することにより、試験片に対して圧縮試験を実行することも可能となっている。

図２は、この発明に係る材料試験機の制御系を示すブロック図である。

この材料試験機は、論理演算を実行するプロセッサーとしてのＣＰＵ、制御時にデータ等が一時的にストアされるＲＡＭ、装置の制御に必要な動作プログラムが格納されたＲＯＭや、各種のデータを記憶するハードディスク等を有し、装置全体を制御する制御部５０を備える。この制御部５０は、上述したロードセル１６、変位計１８、エンコーダ２４およびサーボモータ２３と接続されている。また、この制御部５０は、液晶表示パネル等から構成され、各種の表示を行う表示部５１と接続されている。この制御部５０は、後述するように、試験片１００に付与された試験力と試験片１００の変位との関係を記憶する記憶部５２と、試験片１００に付与された試験力と試験片１００の変位との関係を示す表示を表示部５１に表示させる画像処理部５３とを備える。

次に、この発明に係る材料試験機によりひずみ時効の試験を行う試験工程について説明する。図３は、この発明に係る材料試験機によりひずみ時効の試験を行う試験工程を示すフローチャートである。

ひずみ時効の試験を行う場合には、最初に、試験片１００を上つかみ具３１および下つかみ具３２に装着した上で、制御部５０の制御により、試験片１００に対して、この試験片１００が降伏点を超える第１の試験力を付与する第１試験力付与工程を実行する（ステップＳ１）。この第１試験力付与工程において試験片１００に付与される第１の試験力は、試験片１００が降伏点を越えることが予想される大きさとして、予め設定されている。このときの試験力は、例えば、試験片１００に生ずるひずみが１０パーセントとなる大きさとして、予め、設定される。このときの試験力は、試験力の大きさとして設定されてもよく、また、材料試験機の定格に対する割合として設定されてもよい。そして、試験力が設定値を超えた段階で（ステップＳ２）、制御部５０の制御により、試験力を解除する（ステップＳ３）。

なお、ロードセル１６により測定した試験力の大きさと変位計１８により測定した変位との関係から試験片１００が降伏点を超えたことを判定し、降伏点を超えた段階の試験力を第１の試験力として取り扱うことにより、試験片１００に付与された試験力が設定値を超えたと判定し、この段階で試験力を解除してもよい。

図４は、第１試験力付与工程における試験力と時間との関係を示すグラフである。この図において、縦軸は試験片１００に付与される試験力を示し、横軸は試験開始後の時間（クロスヘッド１４を移動させるためにモータが回転を開始してからの経過時間）を示している。

試験力が付与された最初の段階においては、装置各部の隙間やギアボックス２１におけるバックラッシュの影響により、時間の経過に対して試験力が緩やかに増加する領域が存在する。そして、時間が経過してクロスヘッド１４が移動するに伴い、試験片１００に付与される試験力が増加し、試験片１００の上降伏点Ｙ１となる。この上降伏点Ｙ１は初期降伏とも呼ばれるものである。上降伏点Ｙ１が発生した後は、図４に示すように、時間の経過に伴って、一旦、試験力が減少した後、再度、増加する。この上降伏点Ｙ１を越えた
時点で、試験片１００に対する試験力が解除される。このときの試験片１００に付与され、ロードセル１６により測定された試験力と変位計１８により測定された試験片１００の変位との関係は、制御部５０における記憶部５２に記憶される。

なお、図４における符号Ｐは伸び原点を示す。この伸び原点は、「回帰点」とも呼称されるものであり、弾性率の測定範囲内の直線部分と変位軸（変位ひずみを示す横軸）との交点である。

次に、試験片１００に対して、低温焼鈍を実行する（ステップＳ４）。このときには、オペレータが上つかみ具３１および下つかみ具３２から試験片１００を取り外し、この試験片１００に対して低温焼鈍を行う。なお、低温焼鈍を行う代わりに、試験片１００を一定時間だけ常温で放置してもよい。しかる後、オペレータが試験片１００を上つかみ具３１および下つかみ具３２に装着する。

次に、制御部５０の制御により、試験片１００に対して、この試験片１００がひずみ時効後の降伏点Ｙ２を超える第２の試験力を付与する第２試験力付与工程を実行する（ステップＳ５）。この実施形態においては、第２試験力付与工程において、ひずみ時効後の降伏点Ｙ２を超えた後、試験片１００が破断するまで、試験力を付与している。

図５は、第２試験力付与工程における試験力と時間との関係を示すグラフである。この図において、縦軸は試験片１００に付与される試験力を示し、横軸は試験開始後の時間（クロスヘッド１４を移動させるためにモータが回転を開始してからの経過時間）を示している。

この図に示すように、負荷を付与することにより上降伏点Ｙ１を越えて塑性変形を受けた試験片１００に、負荷を除去した後、低温焼鈍を行い、あるいは、一定時間だけ放置した後、再度負荷を付与すると、再び上降伏点Ｙ２が発生する。これがひずみ時効と呼称される現象であり、この上降伏点Ｙ２においては初期の上降伏点Ｙ１と比較して降伏応力が上昇し、試験片１００の強度が大きくなっている。なお、この図においても、符号Ｐは伸び原点を示している。

そして、試験片１００に対して上降伏点Ｙ２を越えた後も試験力を付与した場合には、試験片１００が破断する。制御部５０は、ロードセル１６による試験力の測定値が急激に減少したことにより試験片１００の破断を検出し（ステップＳ６）、試験を停止する（ステップＳ７）。なお、このときの試験片１００に付与された試験力と試験片１００の変位との関係は、制御部５０における記憶部５２に記憶される。

次に、制御部５０における画像処理部５３により、表示部５１に対して、第１試験力付与工程において試験片１００に付与された試験力と試験片１００の変位との関係を第１のグラフとして表示するとともに、第２試験力付与工程において試験片１００に付与された試験力と試験片１００の変位との関係を第２のグラフとして表示する（ステップＳ８）。このときには、制御部５０において、ＡＩ（時効指数／Ａｇｉｎｇ Ｉｎｄｅｘ）やＢＨ（焼付硬化量／Ｂａｋｅ Ｈａｒｄｅｎａｂｉｌｉｔｙ）が演算され、この演算結果も表示部５１に併せて表示される。

図６および図７は、表示部５１に表示される試験力と時間との関係を示すグラフである。これらの図においては、上述した図４および図５と同様、縦軸は試験片１００に付与される試験力を示し、横軸は試験開始後の時間（クロスヘッド１４を移動させるためにモータが回転を開始してからの経過時間）を示している。ここで、これらのグラフの横軸を時間としているが、これは実質的に、試験片１００の変位を表示したものと等価であり、変位相当量といえるものとなる。なお、これらのグラフの横軸を、変位計１８により測定した試験片１００の変位としてもよい。また、材料試験の最終的な結果の表示として用いられる試験片１００の伸び量やひずみ量は、上述の試験片１００の変位から伸び原点のずれ量などを勘案したうえで演算されるものである。この明細書で述べる「試験片に付与された試験力と試験片の変位との関係」とは、試験力に相当する値と、変位に相当する値との関係を示すものであればよい。

図６に示すグラフにおいては、第１試験力付与工程において試験片１００に付与された試験力と時間との関係示す第１のグラフと、第２試験力付与工程において試験片１００に付与された試験力と時間との関係示す第２のグラフとを、重ね合わせて表示している。一方、図７に示すグラフにおいては、第１グラフと第２グラフとを、それらの伸び原点が一致する状態で重ね合わせて表示している。図６に示すグラフによれば、試験結果を容易に比較することが可能となり、図７に示すグラフによれば、試験結果を伸び原点を基準として容易に比較することが可能となる。

以上のように、上述した材料試験機によれば、第１試験力付与工程と、試験力解除工程と、第２試験力付与工程とを順次実行させた後、試験片１００に付与された試験力と試験片の変位との関係を示す二つのグラフを表示部５１に表示させることが可能となる。このため、ひずみ時効についての試験を実行するときに、従来のように、マニュアルで操作を行い、また、試験結果についてのグラフをマニュアルで加工する必要がなく、ひずみ時効の試験を効率的に実行することが可能となる。

なお、上述した実施形態においては、一対のねじ棹１２をサーボモータ２３の駆動により回転させることでクロスヘッド１４を昇降させ、このクロスヘッド１４の昇降により試験片１００に試験力を付与する材料試験機にこの発明を適用した場合について説明したが、この発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、油圧シリンダの駆動により試験片１００に試験力を付与する材料試験機にこの発明を適用してもよい。

１１ 基台
１２ ねじ棹
１３ ナット
１４ クロスヘッド
１５ クロスヨーク
１６ ロードセル
１８ 変位計
２１ ギアボックス
２３ サーボモータ
２４ エンコーダ
３１ 上つかみ具
３２ 下つかみ具
５０ 制御部
５１ 表示部
５２ 記憶部
５３ 画像処理部
Ｐ 伸び原点
Ｙ１ 上降伏点
Ｙ２ 上降伏点

Claims (5)

1. 試験片に対して試験力を付与することにより、ひずみ時効の試験を行う材料試験機において、
   前記試験片に対して当該試験片が降伏点を超える第１の試験力を付与する第１試験力付与工程と、前記試験片に対する試験力を解除する試験力解除工程と、前記試験片に対して当該試験片がひずみ時効後の降伏点を超える第２の試験力を付与する第２試験力付与工程と、を順次実行させる制御部と、
   前記第１試験力付与工程および前記第２試験力付与工程において、前記試験片に付与された試験力と前記試験片の変位との関係を記憶する記憶部と、
   前記記憶部に記憶された前記試験片に付与された試験力と前記試験片の変位との関係を示す表示を、表示部に表示させる画像処理部と、
   を備え、
   前記制御部が、ひずみ時効試験に関する値を演算し、その値を前記表示部に表示可能であることを特徴とする材料試験機。
2. 請求項１に記載の材料試験機において、前記ひずみ時効試験に関する値は、時効指数または焼付硬化量である材料試験機。
3. 請求項１または請求項２に記載の材料試験機において、
   前記画像処理部は、前記第１試験力付与工程において前記試験片に付与された試験力と前記試験片の変位との関係を第１のグラフとして表示するとともに、前記第２試験力付与工程において前記試験片に付与された試験力と前記試験片の変位との関係を第２のグラフとして表示する材料試験機。
4. 請求項３に記載の材料試験機において、
   前記画像処理部は、前記第１のグラフと前記第２のグラフとを重ね合わせて表示する材料試験機。
5. 請求項４に記載の材料試験機において、
   前記画像処理部は、前記第１のグラフと前記第２のグラフとを、それらの伸び原点が一致する状態で重ね合わせて表示する材料試験機。

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