JPH0381642A - 熱衝撃試験方法及びその装置 - 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】 （１）産業上の利用分野 本発明は炭素材料、セラミックス材料等の熱衝撃試験方
法及びその装置に関する。

（２〉従来の技術 通常、材料の熱応力強度Δは、該材料の引張強度σ、熱
伝達率に、ヤング係数Ｅ、熱膨張率αとしたとき、Δ＝
σに／已αで表される。

従来、炭素材料、セラミックス材料等について、上記熱
応力強度を測定する方法としては、例えば材料の引張強
度σ、熱伝達率に等の物性値を用いることなく、−括し
て測定する方法が知られている（特公昭５７−３８８５
８号公報等参照）。

前記測定方法では、内部発熱により熱応力破壊を引き起
こす応力のうち、最も支配的な応力が円周方法のいわゆ
るフープ応力であることに着目し、この方向の応力に対
応する異方性を考慮して採取された円板形試料を用い、
この円板形試料の中心部を円周方向熱応力分布に近似な
熱応力になるように考慮して加熱半径域を選択し、アー
ク放電、抵抗加熱等によってステップ状急加熱を行い、
材料によって定まる時間経過後に熱応力破壊を引き起こ
すに至限界放電又は通電電力を測定することにより耐熱
応力強度を支配する機械的並びに熱的物性値を一括した
σに／已αの総括値を一挙に測定するようにしている。

（３）発明が解決しようとする課題 しかしながら、前記熱応力強度測定方法によれば、次の
ような欠点があった。

（ａ）熱衝撃時における円板形試料内部の熱応力分布を
決定するためには、先ず過渡的温度分布を決定する必要
があり、このために円板形試料の半径方向の熱伝達方程
式を解いている。この際、材料の熱伝達率を温度に依存
しない定数と仮定している。しかし、一般に炭素材料及
びセラミックス材料の熱伝達率は室温では高く、高温で
は低くなるという著しい温度依存性がある。一方、アー
ク放電加熱において熱応力破壊が発生する条件下では、
炭素材料製の円板形試料の場合、中心部は３０００℃、
外周部は約５００℃となっていて著しい温度差がある。

従って、このような温度分布があるにも係わらず、熱伝
達率を一定値と仮定して熱応力強度を求めることは適切
ではなく、正確な熱応力強度を求めることは出来ない。

（ｂ）また仮に、円板形試料内部の真の温度分布が得ら
れたとしても、熱応力（フープ〉の計算法に問題がある
。すなわち、前記熱応力強度測定方法では縦弾性係数已
及び熱膨張係数αを温度に依存しない定数と仮定してい
るが、一般に炭素材料、セラミックス材料の縦弾性係数
及び熱膨張係数は室温では低く、高温では高くなるとい
う著しい温度依存性がある。一方、アーク放電加熱にお
いて前述の如く円板形試料の中心部と外周部とでは著し
い温度差がある。従って、このような温度分布に対があ
るにも係わらず、縦弾性係数及び熱膨張係数を一定値と
仮定して熱応力強度を求めても真の値を求めることは出
来ない。

（Ｃ）更に熱応力強度Δに係わる材料強度σとして引張
強度としているが、厳密には正しくない。

すなわち、一般に炭素材料及びセラミックス材料の引張
破壊モードでの強さは部材の形状、寸法及び応力分布に
よって変わり得るものなので、−様応力分布下で得られ
る引張強度で熱応力強度を求めても正しい値が得られな
い。

以上のように従来の熱応力強度測定法によれば、各種材
料の耐熱衝撃特性を定性的に比較評価するには有効であ
るが、熱応力破壊強度の絶対値の評価は不可能である。

一般に炭素材料及びセラミックス製の機械部品の耐熱機
械設計に於ける性能評価では、該機械部品の熱応力破壊
強度の絶対値が必要となる。

本発明は上記従来技術の問題点を解決するためになされ
たもので、その目的とするところは、炭素材料及びセラ
ミックス製機械部品の熱応力破壊強度の絶対値を求める
ことが出来る熱衝撃試験方法及びその装置を提供するこ
とである。

（４〉課題を解決するための手段 上記目的を達成する本発明の熱衝撃試験方法は、試験片
の中央部を熱衝撃的に加熱して、その際の前記試験片の
寸法変化を変位計によって測定することを特徴としてい
る。

ここで、試験片として円板状試験片を用いて、該円板状
試験片の中央部をアーク放電加熱方式によって熱衝撃的
に加熱して、その際の前記円板状試験片の外径変化をレ
ーザー変位計で測定するようにしてもよい。

また本発明の熱衝撃試験装置は、円板状試験片を支持す
る試験片支持台と、前記試験片支持台に支持される円板
状試験片の中心部を熱衝撃的に加熱するアーク放電電極
と、前記試験片支持台に支持される円板状試験片の外径
変化を測定するレーザー変位計とから構成したことを特
徴としている。

（５）作用 上記手段によれば、試験片支持台に例えば円板状試験片
をセットし、該円板状試験片の中央部分をアーク放電電
極によって熱衝撃的に加熱し、このときの円板状試験片
の外径の変化をレーザー変位計によって直接測定する。

ここで、円板状試験片の外径の急激な変化は、円板状試
験片の外周においてフープ応力により熱応力破壊するこ
とに対応している。また熱応力破壊時の外径変化量は熱
膨張と熱応力破壊ひずみとからなっている。

従って、熱応力破壊時の外径変化量から熱膨張量を差し
引けば、熱応力破壊ひずみを測定するこたが出来る。ま
た円板状試験片の外周部の温度を測定して、該温度に対
する応力−ひずみとの関係を用いれば、熱応力破壊強度
そのものが測定出来る。

また同一形状の試験片を多数用いて上記手段で熱衝撃試
験を行うことによって熱応力破壊強度の素材内の変動、
素材間の変動、すなわち熱応力破壊強度の統計的変動を
直接測定することが出来る。

更に異なる形状の試験片を多数用いて上記手段で熱衝撃
試験を行うと、熱応力破壊強度寸法（体積〉又は応力分
布の依存性を直接測定することが出来る。

（６〉実施例 以下本発明の実施例について説明する。

図面は本発明の熱衝撃試験装置の一実施例を示している
０図中符号１は例えばステンレス鋼等の鋼製真空容器で
、基台２上に支持脚３を介して装備されている。この真
空容器１の内部には、耐熱セラミックス製の試験片支持
台４と、該試験片支持台４上にセットされる炭素材料又
はセラミックス製の円板状試験片５を熱衝撃的に加熱す
る高強度等方性黒鉛製のアーク放電電極６と、該円板状
試験片５の中央部から外周部にかけての温度を測定する
熱電対７とが配置されている。

前記真空容器１の上面中央部と底面中央部にはそれぞれ
石英ガラス窓８が嵌め込まれていて、該石英ガラス窓８
を通してレーザー変位計９によって真空容器１内部の円
板状試験片５の寸法変化（外径変化）を測定出来るよう
に構成されている。

すなわち、真空容器１の上面中央部に嵌め込まれた石英
ガラス窓８上にはレーザー変位計９を構成するレーザー
送光素子９ａが配置され、また底面中央部に嵌め込みま
た石英ガラス窓８の下方には同じくレーザー変位計９を
構成するレーザー受光素子９ｂが配置されていて、レー
ザー送光素子９ａから出射したレーザー光が上面中央部
の石英ガラス窓８を透過して真空容器１内に入射し、円
板状試験片５を照射した後、底面中央部の石英ガラス窓
８を透過してレーザー受光素子９ｂに入射するように構
成されており、該レーザー受光素子９ｂの出力に基づい
て円板状試験片５の外径変化を測定するようになってい
る。

また前記真空容器１の上面中央部に嵌め込まれた石英ガ
ラス窓８上には、前記熱電対７と同様に円板状試験片５
の温度を測定する放射温度計１０ａ、ｔａｂが装備され
ている。これら放射温度計１０ａ、１０ｂの測定径はΦ
２ｍｍに設定され、そして一方の放射温度計１０ａは石
英ガラス窓８を介して円板状試験片５の外周部の温度を
測定し、また他方の放射温度計ｔｏｂは石英ガラス窓８
ｂを介して円板状試験片５の中央部の温度を測定するよ
うになっている。

更に前記真空容器１の底面周辺部には、図示しない真空
ポンプ等からなる真空排気系に接続される排気孔１１ａ
と真空容器１内部をヘリウム（Ｈｅ）ガスやアルゴン（
＾ｒ）ガスと置換する図示しないガス置換系に接続され
る置換孔９ｂが設けられている。また前記真空容器１の
一側面には内部にセットされた円板状試験片５を透視す
るための透明ガラス窓１２が設けられている。

尚、前記熱電対５は円板状試験片５の温度に応じてに型
又はＲ型が使用される。

次に前記装置を使用した熱衝撃試験方法の一実施例を説
明する。

先ず、真空容器１内の試験片支持台４上に円板状試験片
５をセットする。この円板状試験片５は、例えば外径が
２０鴫〜１００ｍｍのものが使用される。

次いで、真空容器１内を排気して例えば１０−’Ｐａ以
下にする。尚、真空容器１内を真空にする他に、例えば
ヘリウムガスやアルゴンガスを封入するようにしてもよ
い。

この後、アーク放電電極６によって円板状試験片５の中
央部を熱衝撃的に加熱して熱衝撃試験を行うが、この熱
衝撃試験に先立って、−回の熱衝撃で円板状試験片５が
破壊しない程度の加熱条件と、この加熱条件で円板状試
験片５が最終的に破壊するまでのサイクル数とを設定す
る。そして、設定した加熱条件の下で所定サイクル数だ
け熱衝撃を繰り返し、このときの円板状試験片５の外径
変位をレーザー変位計９によって測定する。

前記熱衝撃試験時において、円板状試験片５の外径が急
激に変化すること、すなわち円板状試験片５の外周位置
を起点としてクラックが発生することは、円板状試験片
５の外周においてフープ応力によって熱応力破壊すすこ
とに対応している。

また、熱応力破壊時の外径の変化量は熱膨張と熱応力破
壊ひずみからなっている。

従って、前記レーザー変位計９によって測定した円板状
試験片５の外径変化量から熱膨張量を差し引くことによ
って熱応力破壊ひずみが測定出来る。また前記熱衝撃試
験時に熱電対７によって円板状試験片５の中央部から外
周部にかけての温度を測定するか、又は放射温度計１０
ａ、１０ｂによって円板状試験片５の中央部と外周部の
２カ所の温度を測定し、この円板状試験片５の外周部温
度に対応する応力−ひすみ関係から熱応力破壊強度を求
めることが出来る。

このように熱応力破壊時の外径の変化量を直接的に測定
して、この変化量に基づいて熱応力破壊強度を求めるよ
うにすると、従来法のように材料の熱伝導率、縦弾性係
数及び熱膨張係数を温度に依存しない定数と仮定する等
、現実と一致しない仮定をしなくても済み、熱応力破壊
強度の絶対値を求めることが可能となる。

また、前記装置は次のような熱衝撃試験も行うことが出
来る０例えば、同一形状の試験片を多数用いて前記装置
によって熱衝撃試験を行うと、熱応力破壊強度の素材内
の変動、素材間の変動、すなわち熱応力破壊強度の統計
的変動を直接測定することが出来る。また異なる形状の
試験片を多数用いて前記装置によって熱衝撃試験を行う
と、熱応力破壊強度寸法（体積）又は応力分布の依存性
を直接測定することが出来る。

炭素材料及びセラミックス材料は耐熱性が高く、多くの
工業分野で実用化されていると共に、更に高性能機器と
しての応用も期待されている。他方、これらの材料は脆
性材料でもあり、その設計に当たっては金属材料と異な
る多くの特徴又は欠点を充分に考慮しなければならない
。特に、耐熱性に関する設計においては、■異方性、■
素材内の変動、■素材間の変動を考慮してデータベース
を確執しなければならない。

本実施例では、前述の如く熱応力破壊強度及び熱疲労強
度という基本的な物性値を上記の三点を考慮して求める
ことが出来る。

例えば、炭素材料やセラミックス材料等からなるロケッ
トノズル等の特定機器の製作にあたっては、従来、必ず
実機模擬試験によって設計の妥当性を確認していたが、
本実施例によって得られる機械的性質をデータベースと
して設計を行えば、機器の合理化、高性能化、安全性向
上及び信頼性向上を図ることが可能となる。

（７〉発明の詳細 な説明したように本発明によれば、試験片の中央部を熱
衝撃的に加熱して、その際前記試験片の寸法変化を測定
するので、炭素材料及びセラミックス製機械部品の熱応
力破壊強度の絶対値を求めることが出来る。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の熱衝撃試験装置の一実施例を示す概略断
面図である。 １は真空容器、４は試験片支持台、５は円板状試験片、
６はアーク放電電極、９はレーザー変位計である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、試験片の中央部を熱衝撃的に加熱して、その際の前
   記試験片の寸法変化を測定することを特徴とする熱衝撃
   試験方法。 ２、前記試験片が円板状試験片で、該円板状試験片の中
   央部をアーク放電加熱方式によって熱衝撃的に加熱して
   、その際の該円板状試験片の外径変化をレーザー変位計
   によって測定することを特徴とする請求項（１）記載の
   熱衝撃試験方法。 ３、円板状試験片を支持する試験片支持台と、前記試験
   片支持台に支持される円板状試験片の中心部を熱衝撃的
   に加熱するアーク放電電極と、前記試験片支持台に支持
   される円板状試験片の外径変化を測定するレーザー変位
   計とから構成したことを特徴とする熱衝撃試験装置。