JPH03144343A

JPH03144343A - 熱間変位―荷重測定システム

Info

Publication number: JPH03144343A
Application number: JP28355189A
Authority: JP
Inventors: Akira Matsuo; 松尾　晃; Toshisada Mimura; 三村　歳貞; Shigeki Uchida; 茂樹内田
Original assignee: Shinagawa Refractories Co Ltd
Current assignee: Shinagawa Refractories Co Ltd
Priority date: 1989-10-31
Filing date: 1989-10-31
Publication date: 1991-06-19
Anticipated expiration: 2012-02-05
Also published as: JP2578994B2

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〕本発明は耐火物の試験に係わり、特に熱間における試験
測定を精度よく行うことができる熱間変位−荷重測定シ
ステムに関するものである。

〔従来の技術〕

従来、耐火物等の熱間における試験は、加熱炉内に設置
した受は台にサンプルをセットし、ヒータで加熱炉を所
定温度に加熱して荷重装置によりサンプルに荷重を加え
、そのときの荷重をロードセル等のセンサで検出すると
ともに、試験機のクロスヘツドの変位、または押棒をサ
ンプルに当てたときの押棒の変位を差動トランス等で検
出して変位測定することにより行われていた。

〔発明が解決すべき課題〕

しかしながら、従来の試験方法では、測定される変位に
サンプル変位と治具の変位が含まれてしまうこと、また
サンプルのセットの仕方に起因する変位が含まれてしま
うため誤差が大きいという間頚があった。

本発明は上記課題を解決するためのもので、耐火物の熱
間（室温〜１５００℃）での測定を高精度で行うことが
できる熱間変位−荷重測定システム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〕

そのために本発明は、荷重受は台にセットされ、加圧手
段により荷重が印加されるサンプルを加熱炉中にセット
し、熱間におけるサンプルへの荷重及び変位を検出し、
検出結果を記録するとともに検出信号をＡ／Ｄ変換して
演算処理手段に取り込んでデータ処理し、熱間における
変位−荷重を測定するシステムであって、加熱炉の後壁
及び前扉に耐熱ガラスからなる窓を設け、該窓を通して
レーザ光線を照射して受光することにより変位検出を行
うようにしたことを特徴とする。

〔作用〕

本発明は、外部が冷却された炉体に耐熱ガラスからなる
窓を設け、窓を通してレーザ光線を照射し、サンプルに
荷重を加えていったときに生ずるサンプルの変位をレー
ザ光線で読み取ることにより、１５００℃の熱間におい
て高精度に変位測定することができるとともに、荷重デ
ータと変位データとを測定しながら、データ処理して変
位−荷重の関係を求め、静弾性率、破壊エネルギ等を求
めることが可能である。

〔実施例〕

以下、本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の変位−荷重測定システムの全体構成を
示す図、第２図は荷重系の構成を示す図、第３図はシェ
ブロンノツチ試験片を示す図である。

図中、１はロードセル、２はレーザ変位計、３はレコー
ダ、４．５はＡ／Ｄ変換器、６は演算処理装置、７はメ
モリ、８は表示装置、９はプリンタ、１１は電気炉、１
２はＳｉＣヒータ、１３は熱電対、１４は温度コントロ
ーラ、１５はサンプル、１６は上側治具、１７は下側治
具、１８は荷重コントローラ、１９は荷重装置、２０は
真空ポンプ、２１はガスソース、２２はレーザ発信器、
２３はレーザ受光器、２４は耐火壁、２５．２６は窓で
ある。

本発明においては、第３図に示すように試験片を低荷重
で安定的に破壊させるためにノツチ１５ａを切り込んだ
シェブロンノツチ試験片（サンプル）１５を使用する。

シェブロンノツチ試験片の作成で重要な点は、 ■任意のノツチ角度θの試験片が作成できること。

■任意のノツチ幅で作成できること。

■２度切りによってノツチの位置がずれないこと。

であり、そのために予め試験片の長手方向の４面に平面
研削を施し、ノツチ角度θを任意に選択できる２次元デ
バイスを使用することが重要である。

作成した試験片をサンプルとして第２図（ａ）に示す電
気炉１１にセットする。電気炉内はサンプル近傍の温度
を熱電対１３で検出し、検出結果が入力される温度コン
トローラ１４で温度制御され、外部は冷却水により水冷
されている。電気炉１１の炉内雰囲気は真空ポンプ２０
で脱気後、ガスソ−ス２１よりアルゴンガスで置換する
。これは、熱間において炉内空気または電極等からの発
生ガスの揺らぎに起因して、レーザー光線が数社され、
揮発分を含む試料を測定に供した場合、レーザー光線の
測定精度は更に悪くなり、場合によっては測定不能のケ
ースもあるのでこれを防止するためである。サンプル１
５はＳｉＣからなる上側治具１６と下側治具１７とによ
り４点式（２点荷重）で上側から荷重をかけるようにな
っている。もちろん、３点式（１点荷重）で荷重をかけ
るようにしてもよい。上側治具１６は荷重系とは切り離
されており、治具が試験片の上に乗った状態になってい
る。荷重系は荷重コントローラ１８によりコントロール
される油圧回路からなる荷重装置１９で押棒を加圧する
ように構成されている。このときの荷重はロードセルｌ
により検出される。また、荷重を印加していったときの
サンプルの変位は、第２図（社）に示すように電気炉の
耐火壁の一部に設けた耐熱ガラスからなる窓を通してレ
ーザ発信器２２からのレーザ光をサンプル１５に対して
照射してレーザ受光器２３で受光する。この照射は図示
しないポリゴンミラーとレンズを用い等速平行走査ビー
ムにより行い、サンプルで影になって受光できない時間
を計測部内でクロックパルスを数えて寸法に変換する。

耐熱ガラスにはレーザ光を吸収しないようなスリット状
の透光部を設けてレーザ光を走査するか、十字状にスリ
ット透光部を設け、２つのレーザ発信器を設けて縦と横
方向に走査することにより、縦方向と横方向の変位を測
定しポアソン比を求めたり、また縦方向または横方向の
うち片方のみを測定することも可能である。

そのために、第２図（ハ）では省略しているが、レーザ
発信器２２、レーザ受信器２３に加えてさらに１セツト
レ一ザ発信器及び受信器をレーザ発信器２２、受信器２
３に対して直角に置き、ハーフミラ−で光線を曲げるよ
うにすればよい。なお、荷重系がサンプルに与えるエネ
ルギーは、正味亀裂の進展に使われるように測定された
値が破壊エネルギーと定義されているので、破壊エネル
ギーの測定の際の変位の測定では、上側治具の最下端の
変位、即ち荷重点の変位を測定し、静弾性率の測定の際
の変位の測定では、サンプルの下端中央部の変位を測定
する。

第１図に示すように、ロードセルｌで検出したサンプル
に対する荷重と、レーザ変位計２で検出した変位信号は
レコーダ３で記録される。同時にＡ／Ｄ変換器４．５で
デジタル信号に変換しコンビコータからなる演算処理装
置６に取り込んでデータ処理し、必要に応じて表示装置
８で表示するとともに、プリンタ９でプリントアウトす
る。

演算処理装置においては、取り込んだデータを適当な周
期でサンプリングし、表示装置で８により表示する。サ
ンプリング周期は１〜６０秒の間で選択できるようにな
っている。

そして、レコーダーの各チャンネルに対応した電圧単位
（ｍｖ、Ｖ）等を人力し、各チャンネルの最大電圧を入
力して、例えば第４図に示すように横軸を時間軸（秒単
位）、縦軸は変位と荷重各々の最大値を１００として表
示する。図の曲線３０は荷重を、曲１１３１は変位をそ
れぞれ表わしている。

ところで、変位の測定は試料の変位に追随してレーザー
光線で行っているので、試料の破断直後に測定される変
位は急増して測定される。この測定値はエラーなので取
り除く必要がある。そのため、本システムで使用するレ
コーダ３には、測定終了位置の決定と、ゼロサプレッシ
ョン機能、すなわち測定データ値がスケールオーバーし
ても、零点に戻って継続して記録をする機能が設けであ
る。測定終了位置の決定は変位が急上昇する直前を選ぶ
ことにより行われ、同時刻が荷重の測定終了位置となる
。ところで、演算処理装置６に転送されてくるデータは
、スケールオーバーしても零点を基準にした値としてし
か送られてこないので、実際の継続したデータに焼き直
して補正する必要がある。例えば、第４図においては図
のＡ部分がこの補正を行うべき箇所であり、補正の結果
第５図のような連続したグラフとなる。このとき、スケ
ールが変更されるので、それにともなって第５図に示す
ように変位曲線のレベルは変化し、八部分も連続した曲
線として表示される。なお、図の縦軸の目盛りは正規か
されているので第４図と第５図とで数値は同じであるが
その値は異なっている。

次に、測定開始位置を決定する。この決定は変位曲線及
び荷重曲線がほぼフラットになっているところを基準に
してそれぞれの曲線が立ち上がり始めたところを選ぶこ
とにより行われる。次に、データ群をいくつかのグルー
プに分けて、各グループごとに最小二乗近似によって直
線を引き、各グループごとにつくった直線同士のギャッ
プを補正しスムーズにする。第６図は補正処理を行って
いるときの表示画面を示している。

次に横軸を変位、縦軸を荷重にとって変位−荷重の関係
を求めると第７図のような結果が得られる。図中、横軸
は変位（単位はｕ）、縦軸は荷重（単位はｋｇｆ）であ
る。

横軸と変位−荷重曲線で囲まれる部分の面積を台形近似
で計算すると仕事量Ｗ（単位はｅｒｇ）が得られ、この
値も表示する。なお、変位−荷重曲線の算出では、例え
ば時間に対する変位及び荷重の直線を５００個の点に区
切って変位に対する荷重に変換するようにする。このと
き破壊エネルギーγａｆｔは、ｒｍｒｔ　−Ｗ／　（２Ａ）　　　　　　　　　　　・
・・（１）として求められる。ここで、Ｗは仕事量、Ａ
は試料の破断投影面積である。

第８図は変位−荷重曲線と静弾性率の値を表示した図で
ある。

静弾性率Ｅの計算は次式により求めることかできる。

ここで、Ｃ＝　（１−ｓ）／２、ｌ　：　ｌｏｎｇ　５
ｐａｎ、ｓ　：　５ｈｏｒｔ　５ｐａｎ、　ｂ　：試験
片の幅、ｈ：試験片の厚み、Ｒ２，Ｐｉ：求める静弾性
率区間の初期荷重と最終荷重、’ｌ＋、Ｖｘ：求める静
弾性率区間の初期変位と最終変位である。このグラフは
静弾性率区間の初期位置、最終位置を決定し、求めた静
弾性率区間を最小２乗近似によって直線表示し、順次別
の静弾性率区間を決定する方法で求める。

こうして求めた破壊エネルギーや静弾性率の値等を使っ
て本発明のシステムにおいては、各種の解析ができる。

例えば、激しい急熱、急冷に対する材料の破壊抵抗性を
表す熱衝撃破壊抵抗係数Ｒ１熱応力によって発生した亀
裂に対する損傷抵抗性を表す熱衝撃損傷抵抗係数Ｒ””
　　　（ｃｍ）、大きい亀裂を持つ材料のクラック安定
性を表すクラック安定係数Ｒ，ｔ（ｍ”’　・Ｋ）　、
臨界応力拡大係数Ｋ　ＩＣ（Ｍ　Ｎ−ｍ−”’）が、Ｓ
を強度、νをポアソン比、Ｅを静弾性率、αを熱膨張係
数、Ｐ、１．を破壊エネルギー測定時の最大荷重、Ｗを
試験片の幅、Ｈを試験片の厚みとしたとき以下のように
求められる。

Ｒ＝Ｓ　（１−ν）／（Ｅα）　　　　　　　　−（３
）Ｒ”　”　＝ｒ、ｔｒ　Ｅ／　（Ｓ２（１−ν））・
・・（４）Ｒ−ｉ＝　（ｒａｔｅ　　（１−ν’　）　
／　（Ｅｃｒ’　）　）＋／２・・・（５）Ｋ＋ｃ＝Ｙ”−＋−・Ｐ−−−／（ＷＨ１７２）　　　
”（６）ただし、Ｙ”ｓｌｒ＋は、Ｂｌｕｈｍ％Ｍｕｎ
ｚによって検討された５ｌｉｃｅモデルから求めた値で
ある。

第９図は横軸にａ／Ｈ（試料の厚みに対する切り込んだ
ノツチの先端までの距離の比率）、縦軸にＹ”　　（Ｖ
形ノツチの形状に関する量）をとったグラフである。

横軸右方向にいくにつれてノツチの先端までの距離が大
きくなるので、破断が生じることを意味し、ＹＩ＋＋ｕ
ｎは最大荷重のときのＹｏであり、Ｙ１９を越えるとＹ
ｏがどんどん変化して破断に至ることになる。したがっ
て、Ｙ”　ａｌｅのａ　／　Ｈが大きいほど壊れにくい
試料ということになり、このＹ”ｍｌｎとＰ、□が分か
ると（６）式からＫＩＣが求められ、Ｋ　＋ｃにより材
料の破断のし易さの評価を行うことができる。

弾性率Ｅは、静弾性率と動弾性率とが考えられるが耐火
物の熱間における応力を問題にする場合は、静弾性率で
考えるのが妥当である。しかも、耐火物の場合、はとん
どが引張応力によって破壊が生じていることを考えれば
、引張応力下での静弾性率を選ぶのがもっとも理想的で
ある。熱間での引張応力試験は、現在のところ技術的に
困難な点が多いので、本システムでは、曲げ試験時の静
弾性率の測定方法を開発した。

ポアソン比νは、もっとも測定のむずかしい量であり、
室温での圧縮応力下での測定結果を代用しているのが現
状であるが、本システムによりポアソン比を容易に求め
ることができる。

強度Ｓは、耐火物においては、引張強度と考えてよい。

しかし、熱間での単純引張試験は難しいので、例えばカ
ツレツ試験で代用することができ、本システムでは荷重
受は台を凹曲面状にすることにより求めることが可能で
ある。

熱膨張係数αは、従来の方法でも測定できるが、試料の
測定装置での平行度や試料のセツティングの仕方などで
精度が落ちることがあるが、本システムにより高精度に
測定することができる。

破壊エネルギーＴは、ノツチ幅に依存してその値が大き
く異なる可能性があり、一般に、ノツチ先端の曲率半径
が零に近ければ近いほど、実際に耐火物の中に生じるク
ランクに近いノツチを表すと考えられる。クラックと見
なせるノツチ先端の曲率半径の限界は、今後検討して行
かなければならない問題である。

以上の熱間でのＲＳＲ””、Ｒａｔ値の信頼性は、本発
明のシステムにより熱間での変位測定が精度良く行うこ
とができるようになり、静弾性率や破壊エネルギーが精
度良く求めることができるようになったため非常に向上
した。耐火物の場合、試料のばらつきからくる測定値の
誤差は大きく　（１〜２割は普通）、そのばらつきを更
に増幅する測定データでない限り、そのデータの信頼性
は高いと見なせる。本システムによって測定できる熱間
での値は、その意味で充分精度の高いものになった。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、変位検出に精度の高い受
発振装置を用いてレーザ光線を使用することにより、測
定される変位にサンプル変位や治具の変位やサンプルの
セットの仕方に起因する変位が含まれないようにするこ
とができ、また、炉内雰囲気を不活性ガスで置換するこ
とにより炉内空気や電極などからの発生ガスによる揺ら
ぎの発生を防止し、その結果耐火物の熱間（室温〜１５
００℃）での測定を高精度で行うことができるとともに
、荷重データと変位データとを測定しながら、データ処
理して変位−荷重の関係を求め、静弾性率、破壊エネル
ギ等を瞬時に求めることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の変位−荷重測定システムの全体構成を
示す図、第２図は荷重系の構成を示す図、第３図はシェ
ブロンノツチ試験片を示す図、第４図はレコーダに記録
される荷重と変位曲線を示す図、第５図、第６図補正し
た荷重と変位曲線を示す図、第７図は変位−荷重曲線と
、曲線とＸ軸とから囲まれた面積を計算して破断に要し
た仕事量をＷとして表示した図、第８図は変位−荷重曲
線と静弾性率値を示す図、第９図はａ　／　ＨとＹｏの
関係を示す図である。ｌ・・・ロードセル、２・・・レーｆ変位計、３・・・
レコーダ、４．５−Ａ　／　Ｄ変換器、６・・・演算処
理装置、７・・・メモリ、８・・・表示装置、９・・・
プリンタ、１１・・・電気炉、１２・・・ＳｉＣヒータ
、１３−・・熱電対、１４・・・温度コントローラ、１
５・・・サンプル、１６・・・上側治具、１７・・・下
側治具、１８・・・荷重コントローラ、１９−・・荷重
装置、２０・・・真空ポンプ、２１・・・ガスソース、
２２−・・レーザ発（ｆｆＬ　２３・・・レーザ受光器
、２４・・・耐火壁、２５．２６−・・窓。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）荷重受け台にセットされ、加圧手段により荷重が
印加されるサンプルを加熱炉中にセットし、熱間におけ
るサンプルへの荷重及び変位を検出し、検出結果を記録
するとともに検出信号をＡ／Ｄ変換して演算処理手段に
取り込んでデータ処理し、熱間における変位−荷重を測
定するシステムであって、加熱炉の後壁及び前扉に耐熱
ガラスからなる窓を設け、該窓を通してレーザ光線を照
射して受光することにより変位検出を行うようにしたこ
とを特徴とする熱間変位−荷重測定システム。
（２）耐熱ガラスにはスリット状のレーザ光透過部を設
け、レーザビームをスリットに沿って走査することを特
徴とする請求項１記載の熱間変位−荷重測定システム。
（３）スリット状のレーザ透過部は十字状であり、レー
ザ装置を縦方向及び横方向の光透過部に対応してそれぞ
れ設け、両方向同時または片方のみ測定するようにした
ことを特徴とする請求項２記載の熱間変位−荷重測定シ
ステム。
（４）加熱炉には、測定時に脱気後不活性ガスを充満さ
せることを特徴とする請求項１記載の熱間変位−荷重測
定システム。
（５）荷重受け台のサンプル支持面は、凹曲面状である
ことを特徴とする請求項１記載の熱間変位−荷重測定シ
ステム。
（６）破壊エネルギーの測定時には、サンプルを固定す
る上側治具の最下端の変位を測定することを特徴とする
請求項１記載の熱間変位−荷重測定システム。
（７）静弾性率の測定時には、サンプルの下端中央部の
変位を測定することを特徴とする請求項１記載の熱間変
位−荷重測定システム。
（８）演算処理手段は、データを取り込むサンプリング
周期が可変であることを特徴とする請求項１記載の熱間
変位−荷重測定システム。
（９）演算処理手段は、ゼロサプレッション処理手段、
最小二乗処理手段、静弾性率及び破壊エネルギ算出手段
を有することを特徴とする請求項１記載の熱間変位−荷
重測定システム。