JPH04118542A - Heat cycle fatigue test device for shape memory alloy and heat cycle fatigue test method - Google Patents
Heat cycle fatigue test device for shape memory alloy and heat cycle fatigue test methodInfo
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Abstract
Description
（産業上の利用分野）
本発明は、形状記憶合金の熱サイクルに伴う材負特性の
変化を調査するのに利用される形状記憶合金の熱サイク
ル疲労試験装置と熱サイクル疲労試験方法に係わり、さ
らに詳しくは、形状記憶合金線材への直接通電加熱とヒ
ートシンクを用いた強制冷却によって、疲労特性に関す
る迅速なデータ収集を可能とする形状記憶合金の熱サイ
クル疲労試験装置と、マイクロコンピュータを利用した
プログラム制御によって、一連の疲労特性データを自動
収集することが可能な形状記憶合金の熱サイクル疲労試
験方法に関するものである。
（従来の技術）
形状記憶合金は、その形状記憶特性、あるいは超弾性特
性によって、熱感応型素子、各種アクチュエータあるい
は超弾性ばねなどに利用されている。
この形状記憶合金の形状記憶効果を応用したデバイス、
装置等を設計するにあたっては、形状回復過程における
回復力の大きさや回復速度２回復率などの機能性の把握
はもちろん、耐久性、疲労などの構造性に関する知見も
重要なものとなる。
このような形状記憶合金の性佳評価の一環として、熱サ
イクルによって変形−形状回復を繰返すことによって把
握される熱サイクル疲労特性の中で、破断寿命とともに
永久ひずみは、素子の設計上のみならず、形状記憶合金
の研究開発あるいは品質管理上極めて重要な特性値と考
えられる。
（発明が解決しようとする課題）
ところが、形状記憶合金の熱サイクル疲労特性の把握が
、上記のように極めて重要であるにもかかわらず、これ
まで、とくに破断寿命および永久ひずみを迅速かつ簡便
に調査するための試験装置や試験方法は実用化されてお
らず、十分な材質評価がなされていないのが現状であっ
て、形状記憶合金の熱サイクル疲労特性の調査を迅速か
つ簡便に行うことのできる熱サイクル疲労試験装置の実
用化および試験方法の確立が形状記憶合金の各種装置へ
の適用を拡大するうえでの、さらには形状記憶合金を研
究開発、規格化するうえでの課題となっていた。
（発明の目的）
本発明は、形状記憶合金に関する上記課題を解決するた
めになされたものであって、形状記憶合金の熱サイクル
疲労特性の調査を迅速かつ簡便に行うことのできる形状
記憶合金の熱サイクル疲労試験装置および熱サイクル疲
労試験方法を提供することを目的としている。(Industrial Application Field) The present invention relates to a thermal cycle fatigue test device and a thermal cycle fatigue test method for shape memory alloys, which are used to investigate changes in negative material properties due to thermal cycles of shape memory alloys. More specifically, we will introduce a thermal cycle fatigue testing device for shape memory alloys that enables rapid collection of data on fatigue properties through direct electrical heating of shape memory alloy wires and forced cooling using a heat sink, and a program using a microcomputer. The present invention relates to a thermal cycle fatigue testing method for shape memory alloys that can automatically collect a series of fatigue property data through control. (Prior Art) Shape memory alloys are used in heat-sensitive elements, various actuators, superelastic springs, etc. due to their shape memory properties or superelastic properties. A device that applies the shape memory effect of this shape memory alloy,
When designing devices, etc., it is important not only to understand the functionality such as the magnitude of the recovery force in the shape recovery process and the recovery rate 2 recovery rate, but also knowledge about the structural properties such as durability and fatigue. As part of the evaluation of the properties of such shape memory alloys, thermal cycle fatigue characteristics are determined by repeatedly deformation and shape recovery through thermal cycles. , is considered to be an extremely important characteristic value for research and development or quality control of shape memory alloys. (Problem to be Solved by the Invention) However, although it is extremely important to understand the thermal cycle fatigue properties of shape memory alloys as described above, it has not been possible to quickly and easily measure the rupture life and permanent strain. At present, testing equipment and testing methods for investigating the thermal cycle fatigue properties of shape memory alloys have not been put into practical use, and sufficient material evaluation has not been conducted. The practical application of thermal cycle fatigue testing equipment and the establishment of testing methods are challenges for expanding the application of shape memory alloys to various types of equipment, as well as for the research, development, and standardization of shape memory alloys. Ta. (Object of the Invention) The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems regarding shape memory alloys, and is a shape memory alloy that can quickly and easily investigate the thermal cycle fatigue properties of shape memory alloys. The object of the present invention is to provide a thermal cycle fatigue test device and a thermal cycle fatigue test method.
（課題を解決するための手段）
本発明に係わる形状記憶合金の熱サイクル疲労試験装置
は、形状記憶合金試料に種々の波形のパルス電流を供給
することによって当該形状記憶合金試料を加熱するパル
ス発生手段と、前記形状記憶合金試料を強制冷却するヒ
ートシンクと、前記形状記憶合金試料に応力の負荷およ
び除荷を行う応力負荷手段と、前記形状記憶合金試料の
変位量を検出する変位検出手段ど、必要に応じて前記形
状記憶合金試料に負荷される荷重を検出する荷重検出手
段を設けた構成としたものであり、また本願発明に係わ
る形状記憶合金の熱サイクル疲労試験方法は、ヒートシ
ンクにより冷却される形状記憶合金試料に応力を負荷し
つつパルス電流を供給することによって加熱−冷却の熱
サイクルを与え、熱サイクル疲労特性を調査する形状記
憶合金の熱サイクル疲労試験において、マイクロコンピ
ュータを用いて、前記形状記憶合金試料にパルス電流を
供給するパルス発生手段と前記形状記憶合金試料に応力
の負荷および除荷を行う応力負荷手段とをプログラム制
御すると共に、前記形状記憶合金試料に負荷される荷重
を検出する荷重検出手段および前記形状記憶合金試料の
変位量を検出する変位検出手段からの入力データを処理
することによって、所定の熱サイクル繰返し後の永久ひ
ずみ、応力とひずみの相関、および破断寿命の熱サイク
ル疲労特性値を自動収集する構成としたものであって、
形状記憶合金の熱サイクル疲労試験装置および熱サイク
ル疲労試験方法における上記構成を従来の課題を解決す
るための手段としたことを特徴としている。
（作用）
本発明に係わる形状記憶合金の熱サイクル疲労試験装置
は、上記構成としたことにより、形状記憶合金試料に所
定の波形を有するパルス電流を直接供給することによっ
て、当該試料はパルス電流の供給と同時に急速に加熱さ
れるとともに、電流の消滅と同時にヒートシンクによっ
て急速に冷却されるようになっているので、加熱による
試料の形状回復と、冷却および応力負荷による試料の変
形とを高サイクルで繰返し、形状記憶合金の熱サイクル
疲労試験を迅速かつ簡便に行い得るものとなっている。
なお、この時、破断に到るまでの熱サイクル繰返し数を
カウントすることによって、当該試料の破断寿命が求め
られる。また所定の熱サイクル数の繰返しを終了するご
とに試験を中断すると共に応力負荷手段によって形状記
憶合金試料への応力負荷を解除させ、当該試料をそのＡ
ｆ点以上に加熱した時の変位量を試験開始時の基準変位
量と比較することによって、その時の永久ひずみが求め
られる。
また、前記熱サイクル疲労試験装置に、形状記憶合金試
料に負荷される荷重を検出する荷重検出手段をさらに設
けることによって、負荷荷重とその時のひずみとの関係
が得られ、応力−ひすみ線図をも求め得るようになって
いる。
本発明に係わる形状記憶合金の熱サイクル疲労試験方法
は、前述の構成とすることによって、ノ々ルス発生手段
と応力負荷手段の制御と、荷重検出手段および変位検出
手段からのデータ処理をマイクロコンピュータによって
行うようにしたものであるから、一連の熱サイクル疲労
特性値、すなわち所定の熱サイクル繰返し後の永久ひず
み、応力とひずみの相関、および破断寿命をより一層迅
速かつ簡便に求め得るものとなっている。
（実施例）
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明する
。
第１図ないし第４図は、本発明に係わる形状記憶合金の
熱サイクル疲労試験装置の一実施例を示すものであって
、第１図は、その正面図である。
第１図に示す形状記憶合金の熱サイクル疲労試験装置１
は、架台基板２と、前記架台基板２に固定した架台下枠
３２３に支持された架台中板４と、前記架台中板４に立
設した支柱５，５に支持された架台上板６を備え、前記
架台上板６の下面側中央部には、固定フランジ７を介し
て荷重検出手段であるロードセル８が取付けられ、前記
ロードセル８の下端側には、中継軸９ａおよびチャック
固定軸９ｂを介して、後述するヒートシンク１０内に収
容された形状記憶合金試料１１の上端側を固定するため
のチャック９が取付けられており、前記チャック固定軸
９ｂには、前記形状記憶合金試料１１にパルス電流を供
給するための給電端子１２ａが取付けられている。
一方、前記形状記憶合金試料１１の下端側を固定するチ
ャック１３は、前記架台中板４を貫通すると共に、当該
架台中板４に固定された４個のガイドシリンダ１４を挿
通して、図中上下方向に摺動自在な４本の摺動ロッド１
５の上端に固定された載荷上板１６にチャック固定軸１
３ａ、ポールジヨイント１７および固定フランジ１６ａ
を介して取付けられている。
前記ポールジヨイント１７は、形状記憶合金試料１１に
ねじり応力が加わらないようにするためのものであって
、第２図にも示すように、前記載荷上板１６の下面側中
央部には給電部１８を介して前記形状記憶合金試料１１
にパルス電流を供給する給電端子１２ｂが取付けられて
いる。
前記給電部１８は、第２図に示すような構造を有し、内
部にコイルスプリング１８ａによって図中上方に付勢さ
れた通電端子１８ｂを収容しており、前記通電端子１８
ｂがポールジヨイント１７のポールピン１７ａにねじ込
まれたボルト１７ｂに常時当接することによって、前記
形状記憶合金試料１１への給電を完全なものにしている
。
架台中板４から下方に突出した前記摺動口７ド１５の下
端には、載荷下板１９が固定され、当該載荷下板１９の
中央部には、第３図にも示すように、下端に載荷台２０
を固定した載荷支柱２１が垂設され、前記載荷台２０に
おもり２２を載置することによって、前記形状記憶合金
試料１１に弓張応力を負荷するようになっている。なお
、前記おもり２２は数個に分割され適宜増減することに
よって試料１１への負荷応力を調整することができる。
そして、前記載荷台２０およびおもり２２の直下には、
ゴムシート２３ａを貼った除荷フランジ２３が設けてあ
り、この除荷フランジ２３は、架台基板２に固定したモ
ータ２４によって図中上下に駆動されるようになってい
る。すなわち、モータ２４によって前記除荷フランシン
２３を上下に駆動し、おもり２２を持ち上げたり、降し
たりすることによって、前記おもりによって形状記憶合
金試料に負荷されている引張応力を除荷したり、再度負
荷したりすることができるようになっており、これらに
よって応力負荷手段が構成されている。
前記架台基板２には、固足台２５ａにより変位検出手段
としてのポテンショメータ２５が取付けてあり、前記除
荷フランジ２３に設けた挿通孔２３ｂを挿通して、前記
おもり２２の変位量を検出することによって前記形状記
憶合金試料１１の変位量としている。
なお、前記除荷フランジ２３には、第３図に示すように
、ポルト挿通孔２３ｃが、載荷台２０の前記ポルト挿通
孔２３Ｃに対向する位置にほめねじ孔２０ａがそれぞれ
設けである。これは、ボルトによって載荷台２０と除荷
フランジ２３とを一体化したうえでモータ２４を下方駆
動することによって形状記憶合金試料１１におもり２２
より以上の応力を負荷できるようにするものであって、
これによって当該疲労試験装置を引張試験にも利用する
ことができるようになる。また、モータ２４を適当な位
置で停止させることによって形状記憶合金試料１１の変
形を拘束した状態で熱サイクルを付加し、このときの前
記試料１１に加わる応力の推移をロードセル８の出力に
よって調査することもできる。
前述した給電端子１２ａおよび１２ｂのそれぞれ他端側
は、パルス発生手段であるＰＷＭ （Ｐｕｌｓｅ Ｗ
ｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｒａｔｉｏｎ）方式のパルス発振
器２６および駆動回路２７（第５図参照）に接続され、
形状記憶合金試料１１に試験条件に応じた種々の波形の
矩形パルス電流を供給し、当該試料１１を所定の周期で
加熱するようにしている。
また、前記形状記憶合金試料１１は、ヒートシンク内に
収容され、強制冷却によって冷却時間を短縮するように
なっており、前記ヒートシンク１０は、架台上板６およ
び架台中板４に上下両端を固定された固定軸２８に２本
のアーム２８ａを介して取付けられており、背面パネル
２９には、当該ヒートシンク１０の冷却効率を高めるよ
うに冷却ファン３０が取付けである。
前記ヒートシンク１０は、第４図（ａ）および（ｂ）に
示すように、放熱フィン１０ｂを備えた１対のアルミニ
ウム製吸熱体１０ａ、１０ａの相対向する面に半円形の
溝をそれぞれ設け、この溝内にシリコーンゴム１０ｃ、
１０ｃを介して石英管１０ｄを挟持し、当該石英管１０
ｄの中空部内にシリコーングリース１０ｅを介して形状
記憶合金試料１１を収容するようにした３層構造のもの
で・シリコーンゴム１０ｃと石英管１０ｄによって吸熱
体１０ａと形状記憶合金試料１１との間の絶縁性を確保
すると共に、シリコーングリース１０ｅによって石英管
１０ｄ内での形状記憶合金試料１１の動きを円滑なもの
とし、さらに前記試料１１の熱がシリコーングリース１
０ｅ９石英管１０ｄ、シリコーンゴム１０ｃを経て速や
かに吸熱体１０ａに伝導され、外部に放出される構造と
なっている。
このような構造を有する形状記憶合金の熱サイクル疲労
試験装置１は、ヒートシンク１０内に収容され、おもり
２２によって引張応力を負荷された状態の形状記憶合金
試料１１に、パルス発振器２６および駆動回路２７から
の種々の波形のパルス電流を直接供給することによって
前記試料１１を急速に加熱すると共に、前記パルス電流
の供給遮断と同時にヒートシンク１０および冷却ファン
３０によって前記試料１１を急速に冷却することができ
る。したがって試料１１は直接通電加熱による形状回復
と、冷却および応力負荷による変形とを高サイクルで繰
返し、形状記憶合金の熱サイクル疲労試験を迅速かつ簡
便に行うことができる。なおこの時、パルス電流のデユ
ーデイ比を変化させることによって試料１１の加熱速度
を調整することができる。
この形状記憶合金の熱サイクル疲労試験装置１を利用す
れば、破断に到るまでの熱サイクル数を適当な手段によ
ってカウントすることによって試料１１の破断寿命を求
めることができると共に、所定の熱サイクル数の繰返し
を終了するごとに、前記試料１１への熱サイクル付加を
中断し、モータ２４によって除荷フランジ２３を上方に
駆動し、形状記憶合金試料１１への応力を除荷した状態
で試料１１をＡｆ点以上に加熱し、その時の変位量をポ
テンショメータ２５によって検出し、熱サイクル付加前
の基準変位量と比較することにより、その時の永久ひず
みを求めることができ、熱サイクルの繰返しに伴う永久
ひずみの変化を調査することができる。さらに前記モー
タ２４をゆっくりと駆動し、除荷フランジ２３を徐々に
降下させながら形状記憶合金試料１１に負荷される荷重
と、その時の変位量との関係をロードセル８とポテンシ
ョンメータ２５によって検出することによって応力−ひ
すみ線図を求めることができる。
なお、前記実施例ではロードセル８を搭載して応力−ひ
すみ線図や引張特性をも求め得るものを例示したが、こ
のような機能を必要としない場合には、ロードセル８を
搭載しない安価な普及型の試験装置とすることもできる
。
次に、前記形状記憶合金の熱サイクル疲労試験装置１を
マイクロコンピュータに接続して制御することによって
、各疲労特性値データを自動収集する方法例について説
明する。
第５図は、その構成を示すブロック図であり、マイクロ
コンピュータはＩ１０ユニットを介してパルス発振器２
６およびモータ２４の駆動回路３１に接続されており、
形状記憶合金試料１１の加熱および当該試料１１への応
力の負荷および除荷を所定のプログラムに従って制御す
るようになっている。また、ポテンショメータ２５の出
力である前記試料１１の変位量はＡ／Ｄ変換器を介して
、ロードセル８の出力である前記試料１１への負荷荷重
は増幅器によって増幅されたうえで前記Ａ／Ｄ変換器を
介してマイクロコンピュータに取込まれ、制御に利用さ
れると共に、プログラムに従って記録され、試料１１の
疲労特性を評価するための特性値データとなる。なお、
この実施例では、前記試料１１にセラミックコーティン
グしたＣＡ熱電対３２が取付けてあり、その出力は増幅
器およびＡ／Ｄ変換器を介して前記コンピュータに入力
されて、試料１１の温度データをも記録できるようにし
である。
試験順序を第６図に示すフローチャートに基づいて説明
すると、まずステップ１０１において試料のセツティン
グを行う、すなわち、シリコーングリース１０ｅを満た
したヒートシンク１０の石英管１０ｄ内に約１７０ｍｍ
長さの形状記憶合金試料１１（この実施例では線径０．
７５ｍｍ）を貫通させ、上下端をチャー２り９および１
３に取付け、ゲージ長さ約１２０ｍｍで固定する。
次に、ステップ１０２において、上昇させた状態の除荷
フランジ２３の上におもり２２を載置し、モータ２４を
駆動させて前記除荷フランジ２３を下降させることによ
って、試料１１に引張応力が負荷できる状態にしておく
。
次いでステップ１０３において、試料番号、試験日、試
験荷重（負荷応力）、線径、ゲージ長さ、初期ひずみ、
ひずみ振幅、さらには熱サイクルを中断して永久ひずみ
を求める繰返し数などの試験条件を入力する。なお、こ
の実施例では、試料線径が０．７５ｍｍであるほか、負
荷応力（ｃｒａｐ）３５０ＭＰａ 、初期ひずみ１．４
％。
ひずみ振幅（εａ）１．５％の試験条件を採用した。ま
た、この実施例では、繰返し数１０００回までは２００
サイクルごとに、１０００回以降については５００サイ
クルゴとに永久ひずみを求めるようにした。
これら試験条件の入力が終了すると、実質的な試験プロ
グラムが開始され、まずステップ１０４において、モー
タ２４が下方駆動され除荷フランジ２３が降下すること
によって、形状記憶合金試料１１に引張応力が負荷され
、前記試料１１の変形量が所定のひずみ量、すなわちこ
の実施例の場合には、初期ひずみ１．４％とひずみ振幅
（εａ）１．５％の和、２．９％に相当する３、４８ｍ
ｍの変位量をポテンショメータ２５が検出した時に前記
モータ２４が停止して、試料１１がそれ以上変形しない
ようにする。
次に、ステップ１０５において試料１１にパルス電流を
供給することによってＡｆ点以上に加熱し準備熱サイク
ルを与えた後、ステップ１０６においてモータ２４を上
方駆動させて試料１１への応力を除荷する。
この状態からステップ１０７において、前記試料１１に
デユーティ比０．３のパルス電流を供給して約３秒かけ
て、比較的ゆっくりとＡｆ点以上に加熱することによっ
て形状回復させ、この時にポテンショメータ２５によっ
て検出される変位量を変位基準ＴＯとしてコンピュータ
に記憶させる。
次に、ステップ１０８において、試料１１は、前ステッ
プにおけるパルス電流が遮断されると同時にヒートシン
ク１０によって冷却されることになる。
次いで、ステップ１０９においては除荷フランジ２３を
再度降下駆動することによって、試料１１に引張応力を
負荷し、ステップ１０４と同様に試料１１のひずみ量が
２．９％に達するまで応力が負荷される。この時、前記
試料に負荷される荷重と、その時の変位量との関係をロ
ードセル８およびポテンショメータ２５の出力から求め
、コンピュータに記憶させておく。
ステップ１０９の応力負荷によって、試料１１が２．９
％のひずみに相当する変位をポテンショメータ２５が検
出すると、ステップ１１０において、パルス電流が試料
１１に供給され、試料１１を加熱することによって形状
回復させる。試料１１の形状回復がポテンショメータ２
５によって確認されると、ステップ１１１においてパル
ス電流が遮断され、ヒートシンク１０によって冷却され
ることによって試料１１は再度２．９％の変形をする。
このとき、試料１１が破断していない限り、また、永久
ひずみを求めるサイクル数に達しない限り、試料１１は
ステップ１１０の加熱（形状回復）およびステップ１１
１の冷却（２，９％変形〕を繰返す、ステップ１１０の
加熱に際しては、デユーティ比０．９電圧５ｖのパルス
電流を供給することによって加熱を速やかなものとして
おり、これによって１サイクル約３秒の熱サイクルを可
能としている。
なお、制御プログラムにはカウンターメモリが設定して
あり、プログラム開始時にクリアされると共に、前記ス
テップ１１０を通過するごとに１ずつ加算されるように
なっており、ステップ１１３において前記カウンタ値が
所定のサイクル数（この実施例では、まず２００回）に
達したと判断された場合には、ステップ１１４に進み、
除荷フランジ２３を上昇駆動することによって試料１１
への応力を除荷すると共に、ステップ１１５において、
ステップ１０７と同様の条件のパルス電流が供給され、
無負荷状態でＡｆ点以上に加熱され試料１１は形状回復
する。この時の変位量を変位基準ＴＯと比較することに
より、所定の熱サイクル繰返し後（この実施例では２０
０回）のひずみεｐを求めることができ、コンピュータ
に記憶させておく。
永久ひずみεｐのデータ採取を糾えると、制御はステッ
プ１０８に戻って、同様の熱サイクル疲労試験を繰返し
、この実施例ではこのあと、サイクル数が４００，６０
０，８００，１０００゜１５００．２０００ 、参・・
、に達した時に応力と永久ひずみの相関データを採取す
るようになっており、熱サイクルに伴う永久ひずみ（ｐ
および応力−ひすみ線図の推移を把握することができる
。
ステップ１１２においてポテンショメータ２５が所定の
ひずみ量、すなわちこの実施例では２．９％を超えた変
位量を検出したときには、試料１１が破断したものと判
断して、その時のカウンタ値を破断寿命としてコンピュ
ータに記憶させて当該試料１１の試験を終了する。
コンピュータに記憶させた各種疲労特性値は、試料番号
などと共にフロッピーディスク等の外部記憶装置に保存
され、これらデータは、必要に応じて表やグラフの形で
ＣＲＴなどの表示装置に表示されたり、Ｘ−Ｙプロッタ
ーやプリンターによってハードコピーとして、形状記憶
合金の性能評価に利用することができる。
第７図および第８図は、上記方法によって得られた疲労
特性値データの一例を示すものである。
なお第７図において「Ｘ」印は破断寿命を示すものであ
る。(Means for Solving the Problems) The thermal cycle fatigue testing device for shape memory alloys according to the present invention provides pulse generation for heating the shape memory alloy sample by supplying pulse currents of various waveforms to the shape memory alloy sample. means, a heat sink for forcibly cooling the shape memory alloy sample, stress loading means for loading and unloading stress on the shape memory alloy sample, displacement detection means for detecting the amount of displacement of the shape memory alloy sample, etc. The configuration is provided with a load detection means for detecting the load applied to the shape memory alloy sample as necessary, and the method for thermal cycle fatigue testing of a shape memory alloy according to the present invention also includes a shape memory alloy sample that is cooled by a heat sink. A microcomputer was used in a thermal cycle fatigue test of a shape memory alloy in which a thermal cycle of heating and cooling was applied by applying stress to a shape memory alloy sample and supplying a pulsed current to investigate the thermal cycle fatigue characteristics. A pulse generating means for supplying a pulse current to the shape memory alloy sample and a stress loading means for applying and unloading stress to the shape memory alloy sample are program-controlled, and the load applied to the shape memory alloy sample is controlled. By processing the input data from the load detecting means for detecting and the displacement detecting means for detecting the amount of displacement of the shape memory alloy sample, it is possible to determine the permanent strain after repeated thermal cycles, the correlation between stress and strain, and the rupture life. It is configured to automatically collect thermal cycle fatigue characteristic values,
The present invention is characterized in that the above configuration of the thermal cycle fatigue testing apparatus and thermal cycle fatigue testing method for shape memory alloys is a means for solving the conventional problems. (Function) The shape memory alloy thermal cycle fatigue test device according to the present invention has the above configuration, and by directly supplying a pulse current having a predetermined waveform to the shape memory alloy sample, the sample is exposed to the pulse current. The sample is rapidly heated at the same time it is supplied, and is rapidly cooled by the heat sink at the same time as the current disappears, so that the shape recovery of the sample due to heating and the deformation of the sample due to cooling and stress loading can be performed in high cycles. Repeated thermal cycle fatigue tests on shape memory alloys can be performed quickly and easily. At this time, the rupture life of the sample can be determined by counting the number of thermal cycles until rupture. In addition, the test is interrupted every time a predetermined number of thermal cycles are completed, and the stress load on the shape memory alloy sample is released by the stress load means, and the sample is
By comparing the amount of displacement when heated to point f or above with the reference amount of displacement at the start of the test, the permanent strain at that time is determined. Furthermore, by further providing the thermal cycle fatigue testing apparatus with a load detection means for detecting the load applied to the shape memory alloy sample, the relationship between the applied load and the strain at that time can be obtained, and a stress-strain diagram can be obtained. It is now also possible to obtain The thermal cycle fatigue test method for shape memory alloys according to the present invention has the above-described configuration, and controls the nourus generation means and stress loading means, and processes data from the load detection means and displacement detection means using a microcomputer. As a result, a series of thermal cycle fatigue characteristic values, i.e., permanent strain after repeated thermal cycles, stress-strain correlation, and rupture life, can be determined more quickly and easily. ing. (Examples) Hereinafter, the present invention will be explained in more detail with reference to Examples. 1 to 4 show an embodiment of a thermal cycle fatigue testing apparatus for shape memory alloys according to the present invention, and FIG. 1 is a front view thereof. Thermal cycle fatigue test device 1 for shape memory alloys shown in Figure 1
The gantry substrate 2, the gantry middle plate 4 supported by the gantry lower frame 323 fixed to the gantry substrate 2, and the gantry top plate 6 supported by the pillars 5, 5 erected on the gantry middle plate 4 are assembled. A load cell 8, which is a load detection means, is attached to the center of the lower surface of the gantry top plate 6 via a fixed flange 7, and a relay shaft 9a and a chuck fixing shaft 9b are attached to the lower end of the load cell 8. A chuck 9 for fixing the upper end side of a shape memory alloy sample 11 housed in a heat sink 10, which will be described later, is attached to the chuck fixing shaft 9b. A power supply terminal 12a for supplying power is attached. On the other hand, the chuck 13 that fixes the lower end side of the shape memory alloy sample 11 penetrates the middle plate 4 of the pedestal, and also passes through the four guide cylinders 14 fixed to the middle plate 4 of the pedestal, as shown in the figure. Four sliding rods 1 that can be slid vertically
The chuck fixing shaft 1 is attached to the loading upper plate 16 fixed to the upper end of the chuck 5.
3a, pole joint 17 and fixed flange 16a
It is installed through. The pole joint 17 is provided to prevent torsional stress from being applied to the shape memory alloy sample 11, and as shown in FIG. The shape memory alloy sample 11 through the section 18
A power supply terminal 12b is attached to supply a pulse current to. The power supply section 18 has a structure as shown in FIG.
By constantly contacting the bolt 17b screwed into the pole pin 17a of the pole joint 17, the power supply to the shape memory alloy sample 11 is completed. A lower loading plate 19 is fixed to the lower end of the sliding opening 7 door 15 protruding downward from the middle plate 4 of the gantry, and a lower end plate 19 is fixed to the center of the lower loading plate 19, as shown in FIG. loading platform 20
A loading strut 21 to which is fixed is installed vertically, and by placing a weight 22 on the loading platform 20, bow tension stress is applied to the shape memory alloy sample 11. Note that the weight 22 is divided into several parts and the stress applied to the sample 11 can be adjusted by increasing or decreasing the weight as appropriate. And, directly below the loading platform 20 and the weight 22,
An unloading flange 23 to which a rubber sheet 23a is attached is provided, and this unloading flange 23 is driven up and down in the figure by a motor 24 fixed to the gantry base plate 2. That is, by driving the unloading francine 23 up and down by the motor 24 and lifting and lowering the weight 22, the tensile stress applied to the shape memory alloy sample by the weight can be unloaded and re-loaded. These elements constitute a stress applying means. A potentiometer 25 as a displacement detection means is attached to the pedestal board 2 by a fixed foot 25a, and is inserted through an insertion hole 23b provided in the unloading flange 23 to detect the amount of displacement of the weight 22. The amount of displacement of the shape memory alloy sample 11 is defined as the amount of displacement of the shape memory alloy sample 11. As shown in FIG. 3, the unloading flange 23 is provided with a port insertion hole 23c, and a female threaded hole 20a is provided at a position facing the port insertion hole 23C of the loading platform 20. This is done by integrating the loading platform 20 and the unloading flange 23 with bolts and then driving the motor 24 downward to attach the weight 22 to the shape memory alloy sample 11.
It is possible to load more stress than
This allows the fatigue testing device to be used for tensile testing as well. Further, a thermal cycle is applied with the deformation of the shape memory alloy sample 11 being restrained by stopping the motor 24 at an appropriate position, and the transition of the stress applied to the sample 11 at this time is investigated by the output of the load cell 8. You can also do that. The other ends of the power supply terminals 12a and 12b described above are connected to a PWM (Pulse W) which is a pulse generating means.
idth Modulation) type pulse oscillator 26 and drive circuit 27 (see FIG. 5),
Rectangular pulse currents with various waveforms depending on the test conditions are supplied to the shape memory alloy sample 11, and the sample 11 is heated at a predetermined cycle. Further, the shape memory alloy sample 11 is housed in a heat sink, and the cooling time is shortened by forced cooling. A cooling fan 30 is attached to the rear panel 29 to improve cooling efficiency of the heat sink 10. As shown in FIGS. 4(a) and 4(b), the heat sink 10 includes a pair of aluminum heat absorbers 10a and 10a each having a semicircular groove provided on the opposing surfaces thereof, each having a heat dissipating fin 10b. Inside this groove, silicone rubber 10c,
The quartz tube 10d is sandwiched through the quartz tube 10c.
It has a three-layer structure in which the shape memory alloy sample 11 is accommodated in the hollow part of d through the silicone grease 10e.The silicone rubber 10c and the quartz tube 10d create a gap between the heat absorbing body 10a and the shape memory alloy sample 11. In addition to ensuring insulation, the silicone grease 10e allows the shape memory alloy sample 11 to move smoothly within the quartz tube 10d, and the heat of the sample 11 is transferred to the silicone grease 1.
The structure is such that the heat is quickly conducted to the heat absorbing body 10a via the 0e9 quartz tube 10d and the silicone rubber 10c, and is emitted to the outside. The thermal cycle fatigue testing apparatus 1 for shape memory alloys having such a structure is housed in a heat sink 10 and applies a pulse oscillator 26 and a drive circuit 27 to a shape memory alloy sample 11 that is loaded with tensile stress by a weight 22. The sample 11 can be rapidly heated by directly supplying pulsed currents of various waveforms from the source, and the sample 11 can be rapidly cooled by the heat sink 10 and the cooling fan 30 at the same time as the supply of the pulsed current is cut off. . Therefore, sample 11 undergoes shape recovery by direct current heating and deformation by cooling and stress loading at a high cycle rate, allowing a thermal cycle fatigue test of the shape memory alloy to be performed quickly and easily. Note that at this time, the heating rate of the sample 11 can be adjusted by changing the duty ratio of the pulse current. By using this thermal cycle fatigue testing device 1 for shape memory alloys, it is possible to determine the rupture life of the sample 11 by counting the number of thermal cycles until rupture by an appropriate means, and also Each time the number of repetitions is completed, the thermal cycle application to the sample 11 is interrupted, and the unloading flange 23 is driven upward by the motor 24, and the sample 11 is unloaded with the stress on the shape memory alloy sample 11 unloaded. The permanent strain caused by repeated heat cycles can be determined by heating the material above the Af point, detecting the amount of displacement at that time with the potentiometer 25, and comparing it with the reference amount of displacement before adding the heat cycle. Changes in strain can be investigated. Furthermore, the motor 24 is slowly driven to gradually lower the unloading flange 23, and the load cell 8 and potentiometer 25 detect the relationship between the load applied to the shape memory alloy sample 11 and the amount of displacement at that time. By this, a stress-strain diagram can be obtained. In the above embodiment, the load cell 8 is mounted to obtain the stress-strain diagram and tensile properties. However, if such functions are not required, an inexpensive method that does not include the load cell 8 may be used. It can also be used as a popular test device. Next, an example of a method for automatically collecting fatigue characteristic value data by connecting and controlling the shape memory alloy thermal cycle fatigue testing apparatus 1 to a microcomputer will be described. FIG. 5 is a block diagram showing its configuration, in which the microcomputer is connected to the pulse oscillator 2 via the I10 unit.
6 and the drive circuit 31 of the motor 24,
The heating of the shape memory alloy sample 11 and the loading and unloading of stress on the sample 11 are controlled according to a predetermined program. Further, the displacement of the sample 11, which is the output of the potentiometer 25, is transmitted through an A/D converter, and the load applied to the sample 11, which is the output of the load cell 8, is amplified by an amplifier, and then converted to the A/D converter. The data is taken into the microcomputer via the device, used for control, and recorded according to a program, and becomes characteristic value data for evaluating the fatigue characteristics of the sample 11. In addition,
In this embodiment, a ceramic-coated CA thermocouple 32 is attached to the sample 11, and its output is input to the computer via an amplifier and an A/D converter, so that temperature data of the sample 11 can also be recorded. That's how it is. The test sequence will be explained based on the flowchart shown in FIG. 6. First, in step 101, a sample is set. That is, a sample is placed about 170 mm into the quartz tube 10d of the heat sink 10 filled with silicone grease 10e.
Shape memory alloy sample 11 of length (in this example, wire diameter 0.
75mm), and pierce the upper and lower ends with char 2 9 and 1.
3 and fix it with a gauge length of about 120mm. Next, in step 102, a weight 22 is placed on the lifted unloading flange 23, and the motor 24 is driven to lower the unloading flange 23, thereby applying tensile stress to the sample 11. Make it possible. Next, in step 103, the sample number, test date, test load (load stress), wire diameter, gauge length, initial strain,
Enter test conditions such as the strain amplitude and the number of repetitions to determine the permanent strain by interrupting the thermal cycle. In addition, in this example, the sample wire diameter was 0.75 mm, the load stress (crap) was 350 MPa, and the initial strain was 1.4.
%. A test condition of strain amplitude (εa) of 1.5% was adopted. In addition, in this embodiment, up to 1000 repetitions, 200
For each cycle, the permanent strain was determined after 500 cycles after 1000 cycles. When the input of these test conditions is completed, the actual test program is started. First, in step 104, the motor 24 is driven downward and the unloading flange 23 is lowered, thereby applying tensile stress to the shape memory alloy sample 11. , the amount of deformation of the sample 11 corresponds to a predetermined amount of strain, that is, in the case of this example, the sum of the initial strain of 1.4% and the strain amplitude (εa) of 1.5%, which is 2.9%; 48m
When the potentiometer 25 detects the amount of displacement m, the motor 24 is stopped to prevent the sample 11 from deforming any further. Next, in step 105, a pulse current is supplied to the sample 11 to heat it above the Af point and give a preparatory heat cycle, and then in step 106, the motor 24 is driven upward to relieve stress on the sample 11. From this state, in step 107, a pulse current with a duty ratio of 0.3 is supplied to the sample 11, and the sample 11 is heated relatively slowly to the Af point or higher for about 3 seconds, thereby recovering the shape. The detected displacement amount is stored in the computer as a displacement reference TO. Next, in step 108, the sample 11 is cooled by the heat sink 10 at the same time as the pulsed current in the previous step is interrupted. Next, in step 109, tensile stress is applied to the sample 11 by driving the unloading flange 23 downward again, and the stress is applied until the strain amount of the sample 11 reaches 2.9%, as in step 104. . At this time, the relationship between the load applied to the sample and the amount of displacement at that time is determined from the outputs of the load cell 8 and the potentiometer 25, and is stored in the computer. Due to the stress loading in step 109, the sample 11 becomes 2.9
When the potentiometer 25 detects a displacement corresponding to % strain, a pulsed current is supplied to the sample 11 in step 110 to heat the sample 11 and thereby restore its shape. The shape recovery of sample 11 is performed using potentiometer 2.
5, the pulse current is cut off in step 111, and the sample 11 is again deformed by 2.9% by being cooled by the heat sink 10. At this time, unless the sample 11 is broken and the number of cycles for determining permanent strain is not reached, the sample 11 is heated in step 110 (shape recovery) and heated in step 11.
During heating in step 110, which involves repeating the cooling (deformation of 2.9%) in step 1, heating is made rapid by supplying a pulse current with a duty ratio of 0.9 and a voltage of 5V, so that one cycle takes approximately 3 seconds. A counter memory is set in the control program, and is cleared at the start of the program, and is incremented by 1 each time the step 110 is passed. If it is determined in step 113 that the counter value has reached a predetermined number of cycles (in this example, 200 times), the process proceeds to step 114;
By driving the unloading flange 23 upward, the sample 11
In step 115, while unloading the stress on
A pulse current under the same conditions as in step 107 is supplied,
The sample 11 is heated above the Af point under no load and recovers its shape. By comparing the amount of displacement at this time with the displacement reference TO, it is determined that after a predetermined heat cycle is repeated (20
0 times) can be calculated and stored in the computer. After data collection of the permanent strain εp is completed, the control returns to step 108 to repeat the same thermal cycle fatigue test, and in this example, the number of cycles is 400, 60, etc.
0,800,1000゜1500.2000, reference...
Correlation data between stress and permanent strain is collected when , and the permanent strain (p
and the transition of the stress-strain diagram. When the potentiometer 25 detects a predetermined strain amount, that is, a displacement amount exceeding 2.9% in this example, in step 112, it is determined that the sample 11 has fractured, and the counter value at that time is set as the rupture life. The test for the sample 11 is completed. The various fatigue characteristic values stored in the computer are stored in an external storage device such as a floppy disk along with the sample number, and these data can be displayed on a display device such as a CRT in the form of tables or graphs as necessary. It can be used as a hard copy using an X-Y plotter or printer to evaluate the performance of shape memory alloys. FIGS. 7 and 8 show examples of fatigue characteristic value data obtained by the above method. Note that in FIG. 7, the "X" mark indicates the rupture life.
以上説明してきたように、本発明に係わる形状記憶合金
の熱サイクル疲労試験装置は、形状記憶合金試料に種々
の波形のパルス電流を供給することによって当該形状記
憶合金試料を加熱するパルス発生手段と、前記形状記憶
合金試料を強制冷却するヒートシンクと、前記形状記憶
合金試料に応力の負荷および除荷を行う応力負荷手段と
、前記形状記憶合金の変位量を検出する変位検出手段と
を備えると共に、さらに前記形状記憶合金試料に負荷さ
れる荷重を検出する荷重検出手段を必要に応じて備えた
ものであるから、破断寿命、熱サイクル繰返し後の永久
ひずみ、さらに荷重検出手段を設けることによって、応
力とひずみの相関、などの疲労特性を迅速かつ簡便に調
査することができるという優れた効果を発揮するもので
ある。
また、本発明に係わる形状記憶合金の熱サイクル試験方
法は、ヒートシンクにより冷却される形状記憶合金試料
に応力を負荷しつつパルス電流を供給することによって
加熱−冷却の熱サイクルを与え、熱サイクル疲労特性を
調査する形状記憶合金の熱サイクル疲労試験において、
マイクロコンピュータを用いて、前記形状記憶合金試料
にパルス電流を供給するパルス発生手段と前記形状記憶
合金試料に応力の負荷および除荷を行う応力負荷手段と
をプログラム制御すると共に、前記形状記憶合金試料に
負荷される荷重を検出する荷重検出手段および前記形状
記憶合金試料の変位量を検出する変位検出手段からの入
力データを処理するようにしたものであるから、所定の
熱サイクル繰返し後の永久ひすみ、応力とひずみの相関
、破断寿命など一連の疲労特性値をより一層簡便かつ迅
速に調査することができるという顕著な効果をもたらす
ものである。As explained above, the shape memory alloy thermal cycle fatigue test apparatus according to the present invention includes a pulse generating means that heats the shape memory alloy sample by supplying pulse currents of various waveforms to the shape memory alloy sample. , comprising a heat sink that forcibly cools the shape memory alloy sample, stress loading means that loads and unloads stress on the shape memory alloy sample, and displacement detection means that detects the amount of displacement of the shape memory alloy, Furthermore, since it is equipped with a load detection means for detecting the load applied to the shape memory alloy sample as necessary, it is possible to determine the rupture life, permanent strain after repeated thermal cycles, and stress by providing the load detection means. It has the excellent effect of being able to quickly and easily investigate fatigue properties such as the correlation between strain and strain. In addition, the thermal cycle test method for shape memory alloys according to the present invention applies a heating-cooling thermal cycle by supplying a pulsed current while applying stress to a shape memory alloy sample cooled by a heat sink, thereby preventing thermal cycle fatigue. In thermal cycle fatigue tests of shape memory alloys to investigate their properties,
A microcomputer is used to programmatically control a pulse generating means for supplying a pulse current to the shape memory alloy sample and a stress loading means for applying and unloading stress to the shape memory alloy sample, and Since the input data from the load detection means for detecting the load applied to the shape memory alloy sample and the displacement detection means for detecting the amount of displacement of the shape memory alloy sample are processed, there is no permanent damage after repeated thermal cycles. This has the remarkable effect of making it possible to more easily and quickly investigate a series of fatigue characteristic values such as stress, stress-strain correlation, and fracture life.
第１図は本発明に係わる形状記憶合金の熱サイクル疲労
試験装置の一実施例を示す正面図、第２図および第３図
は第１図に示した形状記憶合金の熱サイクル疲労試験装
置の給電部および載荷台まわりのそれぞれ拡大断面図、
第４図（ａ）および（ｂ）は第１図に示した形状記憶合
金の熱サイクル疲労試験装置のヒートシンク部分の拡大
図およびそのＡ−Ａ線断面図、第５図は本発明に係わる
形状記憶合金の熱サイクル疲労試験方法の一実施例に用
いた装置の構成を示すブロック図、第６図は前記実施例
における試験順序を示すフローチャート、第７図および
第８図は前記実施例によって得られたデータの一例を示
すそれぞれグラフである。
１・・・形状記憶合金の熱サイクル疲労試験装置、８・
・・ロードセル（荷重検出手段）。
１０・・・ヒートシンク。
１１・・・形状記憶合金試料、
２０・・・載荷台（応力負荷手段）、
２１・・・載荷支柱（応力負荷手段）、２２・・・おも
り（応力負荷手段）、
２３・・・除荷フランジ（応力負荷手段）、２４・・・
モータ（応力負荷手段）、
２５・・・ポテンショメータ（変位検出手段）。
特許出願人 京浜発條株式会社代理人弁理士
小 塩 豊ロノ
第６図
第７図
糾りし歓
（ロ）
ｔ）−Φ“什
ε
（ゾ、〕FIG. 1 is a front view showing an embodiment of the thermal cycle fatigue test apparatus for shape memory alloys according to the present invention, and FIGS. 2 and 3 are the views of the thermal cycle fatigue test apparatus for shape memory alloys shown in FIG. Enlarged cross-sectional views of the power supply section and loading platform, respectively.
4(a) and 4(b) are an enlarged view of the heat sink portion of the thermal cycle fatigue testing apparatus for shape memory alloys shown in FIG. 1 and a cross-sectional view thereof taken along the line A-A, and FIG. 5 is a shape according to the present invention. A block diagram showing the configuration of an apparatus used in an example of a thermal cycle fatigue test method for memory alloys, FIG. 6 is a flowchart showing the test order in the example, and FIGS. 7 and 8 show the results obtained by the example. These graphs each show an example of the data obtained. 1... Heat cycle fatigue test device for shape memory alloy, 8.
...Load cell (load detection means). 10...Heat sink. DESCRIPTION OF SYMBOLS 11... Shape memory alloy sample, 20... Loading platform (stress loading means), 21... Loading strut (stress loading means), 22... Weight (stress loading means), 23... Unloading Flange (stress loading means), 24...
Motor (stress loading means), 25... Potentiometer (displacement detection means). Patent applicant Keihin Hatsujo Co., Ltd. Patent attorney
Ko Shio Yutaka Rono Fig. 6 Fig. 7 ARISHI HUAN (RO) t)-Φ“什ε (Z,)
Claims (3)
給することによって当該形状記憶合金試料を加熱するパ
ルス発生手段と、前記形状記憶合金試料を強制冷却する
ヒートシンクと、前記形状記憶合金試料に応力の負荷お
よび除荷を行う応力負荷手段と、前記形状記憶合金試料
の変位量を検出する変位検出手段とを備えたことを特徴
とする形状記憶合金の熱サイクル疲労試験装置。(1) A pulse generator that heats the shape memory alloy sample by supplying pulsed currents of various waveforms to the shape memory alloy sample, a heat sink that forcibly cools the shape memory alloy sample, and A thermal cycle fatigue testing apparatus for a shape memory alloy, comprising a stress loading means for loading and unloading stress, and a displacement detection means for detecting the amount of displacement of the shape memory alloy sample.
労試験装置に、さらに前記形状記憶合金試料に負荷され
る荷重を検出する荷重検出手段を設けたことを特徴とす
る形状記憶合金の熱サイクル疲労試験装置。(2) The shape memory alloy thermal cycle fatigue test apparatus according to claim (1) further comprises a load detection means for detecting a load applied to the shape memory alloy sample. Heat cycle fatigue test equipment.
に応力を負荷しつつパルス電流を供給することによって
加熱−冷却の熱サイクルを与え、熱サイクル疲労特性を
調査する形状記憶合金の熱サイクル疲労試験において、
マイクロコンピュータを用いて、前記形状記憶合金試料
にパルス電流を供給するパルス発生手段と前記形状記憶
合金試料に応力の負荷および除荷を行う応力負荷手段と
をプログラム制御すると共に、前記形状記憶合金試料に
負荷される荷重を検出する荷重検出手段および前記形状
記憶合金試料の変位量を検出する変位検出手段からの入
力データを処理することによって、所定の熱サイクル繰
返し後の永久ひずみ、応力とひずみの相関、および破断
寿命の熱サイクル疲労特性値を自動収集することを特徴
とする形状記憶合金の熱サイクル疲労試験方法。(3) In a thermal cycle fatigue test of a shape memory alloy, which is cooled by a heat sink, a thermal cycle of heating and cooling is applied by supplying a pulse current while applying stress to the shape memory alloy sample, and investigating the thermal cycle fatigue characteristics. ,
A microcomputer is used to programmatically control a pulse generating means for supplying a pulse current to the shape memory alloy sample and a stress loading means for applying and unloading stress to the shape memory alloy sample, and By processing the input data from the load detection means for detecting the load applied to the shape memory alloy sample and the displacement detection means for detecting the amount of displacement of the shape memory alloy sample, the permanent strain, stress and strain after a predetermined thermal cycle repetition are calculated. A thermal cycle fatigue test method for shape memory alloys, characterized by automatically collecting thermal cycle fatigue characteristic values of correlation and fracture life.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23953790A JPH04118542A (en) | 1990-09-10 | 1990-09-10 | Heat cycle fatigue test device for shape memory alloy and heat cycle fatigue test method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23953790A JPH04118542A (en) | 1990-09-10 | 1990-09-10 | Heat cycle fatigue test device for shape memory alloy and heat cycle fatigue test method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04118542A true JPH04118542A (en) | 1992-04-20 |
Family
ID=17046288
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23953790A Pending JPH04118542A (en) | 1990-09-10 | 1990-09-10 | Heat cycle fatigue test device for shape memory alloy and heat cycle fatigue test method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04118542A (en) |
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