JPH02259544A - ３点曲げ破壊靭性試験方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は各種材料の曲げ破壊靭性の評価のために実施さ
れる３点曲げ破壊靭性試験方法に関する。

〔従来技術〕

３点曲げ破壊靭性試験は、適長離隔する２個所の支点間
に棒状をなす試験片を支持させ、該試験片に前記両支点
の略中央にてこれらの他側から曲げ荷重を作用させ、こ
の作用荷重と、該荷重の作用に伴って試験片に生じる変
位との相関関係を求め、この結果に基づいて前記試験片
の曲げ破壊靭性を評価するために行われる試験であり、
従来、第５図に示す如〈実施されている。

３点曲げ破壊靭性試験は、その−例の長手力向略中夫に
、所定形状の切欠き１ａ及びこれの先端の微小な疲労亀
裂を生ぜしめである矩形棒状の試験片ｌを用い、上下一
対のクロスヘツド２．２間に両者を接近させる方向への
荷重の印加が可能な試験機によって行われ、この試験機
の発生荷重を前記試験片１に曲げ荷重として作用せしめ
るために、従来、その−側に尖端を有する柱状の押え治
具２０、及び、その−側に各別の支承コロ２２，２２を
備えてなる一対の支持治具２１．２１が用いられている
。押え治具２０は、前記尖端を下に向けて上側のクロス
ヘツド２に固定され、また支持治具２１．２１は、前記
支承コロ２２，２２側を上に向は相互に所定長離隔した
態様にて、下側のクロスヘツド２に固定されており、こ
れらは、平面視において一線上に整列し、押え治具２０
が両支持治具２１，２１の中央に位置するようになしで
ある。

而して、試験片１を、支持治具２１，２１上側の支承コ
ロ２２，２２間に、前記切欠きＩａの形成面を下向きと
して載架し、更に、上下のクロスヘツド２゜２を相互に
接近する方向に移動させ、前記試験片１上面の切欠き１
ａの形成位置に整合する部分に、押え治具２０の尖端を
当接せしめて試験準備を完了し、次いで、両クロスヘツ
ド２，２間に両者が接近する方向への漸増する荷重を印
加せしめて試験が行われる。両クロスヘツド２．２間に
印加される荷重は、押え治具２０の尖端を介しての曲げ
荷重として試験片１に作用し、該試験片１は、この曲げ
荷重の増加に伴って変形して最終的には破断に至る。こ
の間の試験片１への作用荷重は、クロスへッド２，２間
の印加荷重として検出され、また、これに伴い試験片１
に生じる変位は、クロスヘツド２，２間に生じる変位と
して、例えば、両者間に介在せしめたダイヤルゲージ２
３にて検出され、前記試験片１の曲げ破壊靭性は、この
ように検出された荷重と変位との間の相関関係に基づき
所定の評価方法に従って評価される。

ところが以上の如〈実施される３点曲げ破壊靭性試験に
おいては、前述の如く検出される変位中に、押え治具２
０及び支持治具２Ｌ２１の変形、並びに試験片１が実際
に当接する支承コロ２２と支持治具２１との間のガタ等
が含まれるため、試験片１に実際に生じている変位を精
度良く検出できず、前記評価の信頼性が低いという問題
点があり、従来、この問題を解消する方法として以下の
２つの方法がある。

第１の方法は、所定の基準（ＡＳＴＭ　Ｅ１１５２）に
従って製造された押え治具２０及び支持治具２１を用い
ると共に、前述の如く得られる変位の検出結果を、前記
基準中に示された所定の較正手順に従って較正する方法
であり、また第２の方法は、試験片１の支点に相当する
位置にビンを夫々打設し、これらのビンを介して前記試
験片１の一側に荷重が負荷されない添え材を付設し、試
験片１の変位を、クロスヘツド２．２間の変位ではなく
、前記添え材を基準として直接的に検出する方法（ＡＳ
ＴＭ　５ＴＰ６６８）であり、これらの方法の実施によ
り、試験片１の変位は、１　／　１０００ｍｍ単位の精
度にて検出できるようになっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、セラミックス、ガラス等の３点曲げ破壊靭性
試験を行う場合、これらは脆性材料であると共に、材料
の性格上、大型の試験片を採取することができないため
、該試験片が破壊に至るまでの変位量がわずかであり、
前述の方法により得られる１　／　１０００ｍｍ単位の
検出精度では不十分であり、正確な曲げ破壊靭性の評価
が困難となる問題点があった。更に前記第２の方法にお
いては、セラミックス又はガラス製の試験片１に前記ビ
ンの打設用の孔を精度良く加工することが困難であり、
この精度悪化に伴う検出誤差を招来し、前述した１／１
０００ｍｍ単位の精度そのものが期待できないという虞
が、前記問題点に加えて生じ、前記評価の信頼性が更に
悪化するという難点があった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、試験
片に生じる変位を従来の方法に比較して更に精度良く検
出することができ、脆性材料における曲げ破壊靭性評価
の信頼性を高め得る３点曲げ破壊靭性試験方法を提供す
ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕 本発明に係る３点曲げ破壊靭性試験方法は、適長離隔す
る一対の支点間にその一側を支持された棒状の試験片に
、両点点間にて他側から曲げ荷重を作用させ、この作用
点での変位と作用荷重との関係に基づき前記試験片の曲
げ破壊靭性を評価する方法において、共通の基台の同側
に共に立設してあり、その中途に前記支点を夫々有する
一対の支持脚と、これらの中間に位置し、その先端に前
記作用点を有する作用脚とを備えた荷重ブロックを用い
、両点点間に前記試験片を支持させた状態にて両点枠脚
の先端と前記基台との間、に圧縮荷重を加え、両点枠脚
及び前記作用層に生じる歪を夫々検出して、この検出結
果に基づいて前記作用荷重及び変位を決定することを特
徴とする。

〔作用〕

本発明においては、一対の支持脚間に支持させた試験片
には、これらの支持脚と基台との間に加えられる圧縮荷
重により該支持脚及び作用層に生じる変形に応じた曲げ
荷重が、前記作用脚先端の作用点にて作用する。

〔実施例〕

以下本発明をその実施例を示す図面に基づいて詳述する
。第１図は本発明に係る３点曲げ破壊靭性試験方法（以
下本発明方法という）の実施状態を示す模式図である。

本発明方法においても、その−側の長手方向略中夫に所
定形状の切欠き１ａが形成してあり、また該切欠き１ａ
の先端部に微小な疲労亀裂を生ぜしめである矩形棒状の
試験片１が用いられること、及び、この試験片１への作
用荷重の発生機として、上下一対のクロスヘツド２．２
間に両者を接近させる方向への荷重の印加が可能な試験
機が用いられることは従来法と全く同様であるが、本発
明方法は、前記試験機の発生荷重を試験片１に曲げ荷重
として作用させるための手段、並びに、この結果として
前記試験片１に作用する曲げ荷重、及びこれに伴って該
試験片１に生じる変位の検出方法に特徴がある。

本発明方法においては、試験片１へ曲げ荷重を作用させ
るための手段として、図示の如き荷重ブロック３を用い
る。この荷重ブロック３は、短寸の矩形柱状をなす基台
４、並びに、該基台４の同側にこれと垂直をなして共に
立設してあり、基台４の長手方向両端に夫々位置する一
対の支持脚５゜５、及び両点枠脚５．５の中央に位置す
る作用層６を備えてなるものであり、塊状をなす原材料
からの削り出し等により一体的に構成されるのが望まし
い。

第２図は支持脚５の側面形状を示す第１図の■−■緑に
よる矢視図である。本図に示す如く支持脚５には、これ
の先端から基端に向けて所定の深さを有する矩形溝５０
が、基台４の長手方向に沿って形成されており、また、
支持脚５の先端近傍には、後述する如く試験片１の支点
となる支承ビン５１が、前記矩形溝５０を幅方向に横切
る態様にて打設されている。更に支持脚５の基端部側に
は、該支持脚５を弱化せしめるべく、所定直径を有する
円孔５２が基台４の長手方向に貫通形成されており、該
円孔５２にて薄肉化された部分の外側面には歪ゲージ７
．７が夫々貼着され、この薄肉部において支持脚５に生
じる歪が検出されるようになっている。他方の支持脚５
も全く同様に、先端側に矩形溝５０が、また基端側に円
孔５２が形成され、また、先端近傍に支承ビン５１が打
設されていると共に、円孔５２にて薄肉化された部分の
外側面には、該支持脚５に生じる歪を検出すべく歪ゲー
ジ８，８が貼着されている。

第３図は第１図のｍ−ｍ綿による断面図であり、作用層
６の側面形状が示されている。作用層６は、第１図に明
らかな如く、前記支持脚５，５における矩形溝５０　、
５０の底面位置を若干超える程度の長さを有しており、
後述する如（試験片１への曲げ荷重の作用点となる尖端
６０を備えている。また第３図に明らかな如く、作用層
６の基端側には、これを弱化せしめるべく、前記支持脚
５における円孔５２，５２と同様に、所定直径を有する
円孔６１が基台４の長手方向に貫通形成されており、該
円孔６１にて薄肉化された部分の外側面には、この薄肉
部において作用層６に生じる歪を検出すべく、歪ゲージ
９．９が貼着されて、いるゆこの作用層６は、支持脚５
．５よりも相対的に開であることが必要であり、このこ
とは、図示の如く、前記円孔６１の直径を円孔５２．５
２の直径よりも小さくすることにより実現される。作用
層６の断面寸法を支持脚５゜５のそれよりも大きくして
もよいことは勿論である。

歪ゲージ７．８．９の出力信号は演算処理部１０に夫々
与えられており、該演算処理部１０は、これらの出力信
号により支持脚５，５及び作用層６に生じている歪を認
識し、これらから、試験片１に作用している曲げ荷重及
びこの作用点における変位を後述する如く演算する。

以上の如く構成された荷重ブロック３を用い、本発明方
法を実施する場合、まずこれに先立って支持力５．５及
び作用層６の夫々に、これらの長手方向の圧縮荷重を単
独にて負荷せしめ、このときに生じる歪を各別の歪ゲー
ジ７．８．９の出力から得て、これらとそのときの負荷
荷重とから支持脚５．５及び作用層６夫々の歪検出位置
における圧縮荷重に対するコンプライアンス（ばね定数
の逆数）ＣＩ、ＣＺ、Ｃ３を夫々求める前処理が行われ
る。コンプライアンスの算出は前記演算処理部１０内に
て行われ、圧縮荷重Ｆを負荷せしめたときに一方の支持
脚５に貼着された歪ゲージ７にてε。なる歪が検出され
た場合、該支持脚５のコンプライアンスＣ，は次式にて
算出される。

ＣＩ＝ε。／Ｆ　　　・・・（１） 他方の支持脚５のコンプライアンスＣ２及び作用層６の
コンプライアンスＣ１も同様にして算出され、得られた
コンプライアンスＣｒ　、　　Ｃｍ　、　　Ｃｘは演算
処理部１０に記憶される。以上の前処理は、試験実施の
都度その際の環境条件下にて行われるべきであるが、環
境条件を一定に保ち得るような場合にはこの限りではな
い。

前処理終了後、第１図に示す如く、基台４が上側のクロ
スヘツド２に、また支持脚５，５の先端が下側のクロス
ヘツド２に夫々当接した状態にて、荷重ブロック３を両
クロスヘツド２．２間に挾持させ、次いで、試験片１を
支持脚５，５の矩形溝５０．５０に挿通せしめ、支承ピ
ン５１．５１上に載架して、前記切欠き１ａの形成面を
下向きとした態様にて支持御５，５間に支持させる。こ
のように支承ビン５１．５１を支点として支持された試
験片１は、前記切欠き１ａの形成位置と作用層６の尖端
６０位置とが正面視にて正しく整合するように位置決め
され、試験準備を完了する。このとき、前記尖端６０と
試験片１の上面との間には微小な間隙が生じていてもよ
く、この間隙が後述する試験の際の誤差要因となること
はない。

以上の如く試験準備が完了した後、本発明方法は、上下
のクロスヘツド２．２間に両者が接近する向きの荷重を
導入し、この荷重を、試験片１が破断するまで連続的に
漸増させることにより実施される。この荷重は、作用層
６の尖端６０が試験片１に当接するまでの間、支持脚５
，５にこれらの長手方向への圧縮荷重として作用し、こ
の圧縮に応じて側皮枠脚５，５が縮短して前記当接が生
じると共に、試験片１を介しての圧縮荷重として作用層
６へも作用し、同時に試験片１には、作用層６に加わる
圧縮荷重の反力が、前記尖端６０の当接位置にて曲げ荷
重として作用する。即ち、試験片１に作用する曲げ荷重
は、該試験片１を介して作用層６に加わる圧縮荷重に等
しく、また、この曲げ荷重の作用点において試験片１に
生じる変位は、夫々に作用する圧縮荷重により側皮枠脚
５．５に生じる歪と作用層６に生じる歪との差から得ら
れる。支持脚５．５に生じている歪中には、作用層６と
試験片１との当接が生じるまでの間の歪が含まれるが、
前記当接前には作用層６に加わる圧縮荷重、即ち試験片
１に作用する曲げ荷重がＯであることから、後述する如
く、当接後における作用層５．５の歪を抽出することは
容易である。

演算処理部１０は、前記歪ゲージ７．８．９夫々の出力
信号により、支持脚５．５及び作用層６に生じる歪を各
別に認識し、支持脚５，５の母検出値ε８．ε２及び作
用ｍ６の歪検出値ε３、並びに先に算出した支持脚５，
５及び作用層６のコンプライアンスＣ＋、Ｃｚ及びＣ１
を用いて、試験片１に作用する曲げ荷重Ｐと、これの作
用点における変位ΔＶとを次式により夫々演算する。

Ｐ”１３／Ｃ３・・・（２） 前述した如く、支持脚５．５の歪を検出する歪ゲージ７
．８は、円孔５２，５２にて弱化された部分に貼着され
ており、作用層６の歪を検出する歪ゲージ９もまた、円
孔６１にて弱化された部分に貼着されているから、これ
らからは十分なレベルの出力信号が得られ、この出力信
号に基づいて決定される前記歪の検出値ε３．ε２．ε
、には十分な精度が期待でき、（２）式及び（３）式に
よる荷重値Ｐ及び変位値Δ■の演算は高い精度のもとに
て実行できる。演算処理部１０におけるこれらの演算結
果は、図示しない適宜の表示手段に出力され、例えば、
曲げ荷重Ｐと変位Δ■との相関関係を示すグラフ又は数
表として表示されるようになっており、この表示結果に
基づき、試験片ｌの曲げ破壊靭性の評価がなされる。

第４図は、本発明方法の実施により得られた曲げ荷重Ｐ
と変位Δ■の関係を示すグラフである。

この結果は、長さ４０ｍｍ、幅８ｍｍ、厚さ４ｍｍのセ
ラミックス製の試験片１に対して得られたものであり、
荷重ブロック３としては、３０　Ｘ　１２ｍｍの矩形断
面を有する支承層５，５及び作用層６を備え、基台４の
基面から支承層５，５先端までの長さが５４ｍｍであり
、側皮単層５．５の支承ピン５１．５１間の距離、即ち
試験片１の支点間のスパンが３２ｍｍであるものを用い
た。なお、支承層５．５における円孔５２，５２の直径
はいずれも２４１ｍｍ、作用層６における円孔６１の直
径は１４１である。

本図に示す如く、クロスヘツド２，２間に荷重の印加を
開始した後、曲げ荷重Ｐが０に保たれたまま、変位Δ■
のみが増加する部分が現出する。

この部分は、作用層６の尖端６０と試験片１との当接前
作用脚５．５に生じる歪であり、試験片１の曲げ破壊靭
性の評価は、これ以降の部分についてなされる。なお、
この間の変位は０．００５ｍｍであった。当接後の部分
に着目すると、本発明方法の実施により、従来法におい
て認識不可能であるとされていた破断点に至る直前のわ
ずかな非直線部分における詳細な変位挙動が得られ、ま
た、この非直線部分における変位が０．００３１ｍｍで
あること、及び、試験片１が破断するまでの全変位が０
．０２１３ｍｍであること等、試験片１に生じる変位を
従来法よりも１桁高い１　／１００００　ｍｍ単位の精
度にて求めることができ、セラミックス、ガラス等の脆
性材料に対する曲げ破壊靭性の評価を、高い信頼性のも
とにて行えることが明らかとなった。

〔効果〕

以上詳述した如く本発明方法においては、荷重ブロック
の作用層は、一対の支持脚に生じる圧縮変形に応じて、
該支持脚間に支持させた試験片を介して圧縮され、この
際の反力が該作用層との接点において前記試験片に作用
し、この作用荷重及び該荷重の作用点に生じる変位を、
前記支持脚及び作用層に生じる歪の検出結果から高精度
にて決定でき、セラミックス、ガラス等、破断に至るま
での変位量がわずかである脆性材料に対しても高い信頼
性のもとにて曲げ破壊靭性の評価を行うことが可能とな
り、新素材の開発促進に貢献し得る等、本発明は優れた
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明方法の実施状態を示す模式図、第２図は
支持脚の側面形状を示す第１図のｎ−ｍ線による矢視図
、第３図は作用層の側面形状を示す第１図のｍ−ｍ線に
よる矢視図、第４図は本発明方法の実施により得られる
荷重と変位との関係を示すグラフ、第５図は従来の３点
曲げ破壊靭性試験の実施状態を示す模式図である。 １・・・試験片　　２・・・クロスヘツド　　３・・・
荷重ブロック　　５・・・支持脚　　６・・・作用脚特
　許　出願人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、適長離隔する一対の支点間にその一側を支持された
   棒状の試験片に、両支点間にて他側から曲げ荷重を作用
   させ、この作用点での変位と作用荷重との関係に基づき
   前記試験片の曲げ破壊靭性を評価する方法において、 共通の基台の同側に共に立設してあり、そ の中途に前記支点を夫々有する一対の支持脚と、これら
   の中間に位置し、その先端に前記作用点を有する作用脚
   とを備えた荷重ブロックを用い、両支点間に前記試験片
   を支持させた状態にて両支持脚の先端と前記基台との間
   に圧縮荷重を加え、両支持脚及び前記作用脚に生じる歪
   を夫々検出して、この検出結果に基づいて前記作用荷重
   及び変位を決定することを特徴とする３点曲げ破壊靭性
   試験方法。