JPH08152388A - セラミックスクリープ破断試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 セラミックス材料の高温雰囲気中でのクリー
プ破断試験装置に関し、セラミックス材料の引張試験を
可能とする。 【構成】 架台１の上には本体支柱２が４本、加熱炉昇
降用ガイド４が２本設けられ、ムライトチューブ１１を
中心に固定した加熱炉３が上下移動できる。チューブ１
１内には上、下部球座２０、２９、上、下部連結棒７、
８、上、下部プルロッド１５、３２及び上、下部チャッ
ク１７、２７が挿通され、加熱炉３を上昇して試験片１
６が固定され、上端にはロードセル１９、下端には球座
保持装置３３が連結されている。加熱炉３が下降すると
ムライトチューブ１１内は雰囲気容器２６に連通し、ガ
ス注入口２３よりガスを注入し、ヒータ２４で加熱し、
サーボモータ６を回転して３１、３３を介し、試験片１
６に引張荷重を与えるのでセラミックス材料の引張試験
が高温雰囲気下でできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は大気中や、高温雰囲気中
で雰囲気を制御してセラミックス材料の引張、等のクリ
ープ破断強度を測定するセラミックスクリープ破断試験
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックス材料は塑性変形しにくい、
偏心の影響を受けやすい、試験片の加工が容易でない等
のため、通常の金属材料で行なわれている単軸応力下で
のクリープ破断試験が困難であり、そのため、もっぱら
曲げ試験によって試験され、その結果から引張特性に換
算して用いられる事が多く、クリープ破断強さはあく迄
も推定値にたよっていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】金属材料を用いた高温
構造物の設計は、これまで単軸条件下での特性が材料デ
ータの基本となっているが、前述のようにセラミックス
材料は金属材料に比べて塑性変形しにくく、また加工が
容易でない等の理由から曲げ試験によって得られた結果
を引張特性に換算して用いられる事が多い。

【０００４】しかし、曲げ試験においては試験片の断面
で引張から圧縮まで応力勾配があり、長時間加熱される
クリープ破断特性においては、試験片の断面が一様な引
張応力状態にある引張試験と比べると、この引張試験よ
りも表面酸化等による影響を受けやすい可能性がある。
又、曲げ試験のデータを引張特性に換算して設計データ
として用いるためには、曲げと引張の相関データを是非
取得しておく必要があった。

【０００５】本発明は以上のような曲げ試験データを引
張試験データに換算する手法によるのではなく、直接単
軸応力下におけるセラミックスクリープ破断試験を行う
ことのできる試験装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そのため、本発明は、試
験片を保持し、上端をロードセルに接続し、下端を引張
り負荷を与える負荷手段に連結した試験片懸架手段、試
験片懸架手段を内部に挿通し、試験片を気密に保持する
チューブ、チューブを中心に貫通すると共にこれを固定
し、加熱装置を備え、上下に移動可能な加熱炉、チュー
ブの気密空間と連通し、真空引用口、熱電対取出口及び
ガス注入口を備えた雰囲気容器とを備えた構成とする。

【０００７】即ち、本発明は、試験片の上下両端を保持
するチャック部を有し、同チャック部の上端を固定部に
設けたロードセルに接続し、下端をサーボモータにより
回転速度を変化して同試験片に引張り負荷を作用させる
負荷手段に連結した試験片懸架手段と、同試験片懸架手
段を内部に挿通すると共に前記試験片を保持したチャッ
ク部の上部及び下部がシールされ、同チャック部近辺を
気密に保持し、前記試験片を囲うように設けられたチュ
ーブと、同チューブを中心軸上で上下方向へ貫通してこ
れを固定し、同チューブの周囲より内部の前記試験片を
加熱する加熱装置を備えると共に、前記中心軸上で前記
チューブと共に上下方向に移動可能な加熱炉と、同加熱
炉が下方に移動した時前記チューブの気密空間と連通す
ると共に真空引用口、熱電対取出口及びガス注入口を有
する雰囲気容器とを備えてなることを特徴とするセラミ
ックスクリープ破断試験装置を提供する。

【０００８】

【作用】本発明はこのような手段により試験片について
試験を行う場合、加熱炉を上方へ移動して固定し、チャ
ック部をチューブの外に露出させ、試験片の上下部を試
験片懸架手段のチャック部に固定する。懸架手段の下端
に接続された負荷手段のサーボモータを回転させて回転
速度を調整し、試験片に引張力を与え、試験片に作用す
る曲げ成分が１０％以内（試験片に歪ゲージを貼り付て
計測）になるよう軸心を微調整する。

【０００９】次に、熱電対を試験片に取り付け、加熱炉
を雰囲気容器の上まで降し、加熱炉と雰囲気容器の間を
シールする。シールを行った後、雰囲気容器の真空引口
より真空引きを行い、雰囲気容器内と加熱炉内（チュー
ブ内）を真空とした後、任意のガスを注入口より封入す
る。

【００１０】しかる後、加熱炉内を加熱装置で熱電対取
出口より取り出した熱電対が検出する試験片の温度が所
定の温度にまで加熱する。所定の温度となると、負荷手
段のサーボモータを回転させて懸架手段を介して試験片
に引張荷重を与え、その負荷をロードセルで検知しなが
ら設定荷重を保持し、セラミックス試験片のクリープ破
断試験を行う。

【００１１】このような試験装置により、セラミックス
の引張試験が可能で雰囲気（セラミックスはその雰囲気
によって強度が変化する）を任意に選択出来る試験装置
が実現出来たため、高温雰囲気中でのセラミックスのク
リープ破断試験が可能となるものである。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて具体
的に説明する。図１は本発明の一実施例に係るセラミッ
クスクリープ破断試験装置の断面図である。図におい
て、架台１の上面四隅には４本の本体支柱２および２本
の加熱炉昇降用ガイド４が固定され、それらの上部に支
持板５が取付けられている。６は下端負荷用のサーボモ
ータで、ウォームギヤー３２、ネジ棒３１と連動し、球
座保持装置３３を上下に動かすものである。７は上部連
結棒、８は下部連結棒であり、それらの一端にはそれぞ
れ上部球座２０と下部球座２９が設けられている。９
ａ、９ｂは案内車で支持板５の上面に設けられ、それぞ
れ、加熱炉昇降用チェーン１０ａ、１０ｂを懸架してお
り、これらチェーン１０ａ、１０ｂの一端は加熱炉３
に、他端は図示省略のカウンタウエイトに接続されてい
る。

【００１３】１１はムライトチューブで加熱炉３の中心
部を貫通し、加熱炉３に固定されている。このムライト
チューブ１１の上部は上部ベローズ１２、水冷ジャケッ
ト１３ａが設けられ、Ｏリング１４でシールされ、上部
連結棒７にピン３４ａで連結された上部プルロッド１５
が挿入されている。

【００１４】１７は上部チャックで、ピン３４ｂで上部
プルロッド１５に連結され、試験片１６の上端を保持す
る上部試験片ピン１８ａ、１８ｂが螺合されている。２
７は同じく下部チャックで、下部試験片ピン２８ａ、２
８ｂが螺合され、試験片１６の下部を保持し、その下部
にはピン３４ｃで下部プルロッド３２が連結されてい
る。下部プルロッド３２の下端にはピン３４ｄで前述の
下部連結棒８が接続され、この連結棒８の下部には下部
球面座２９が設けられている。なお、特にこの試験片１
６を保持する試験片ピン１８ａ、１８ｂ、２８ａ、２８
ｂは１２００〜１３００℃の試験に耐えられるような高
温強度を有する材料、例えばＳｉＣを用いる。

【００１５】１９は支持板５に設けられたロードセル
で、上部連結棒７からの荷重を受けるものである。２１
は真空引用口で雰囲気容器２６に設けられ、真空引きを
行うものである。２２は架台１に設けられ、雰囲気容器
２６内に熱電対を挿入するためのハーメチック、２３は
同じく雰囲気容器２６内にガスを入れるためのガス注入
口である。２４は加熱炉３内でムライトチューブ１１の
表面から試験片１６を加熱するヒータ、２５は雰囲気容
器２６を気密に保ち、下部連結棒８を移動可とするため
の下部ベローズである。３０は同じく雰囲気容器２６を
可動部材からシールするためのＯリング、３７はストッ
パー、３６ａ、３６ｂは各々上部、下部の通水路、１３
ｂは水冷ジャケットである。

【００１６】このような構成において、試験片１６のク
リープ破断試験を行う場合について説明する。まず、ボ
ルト４０ａ、４０ｂを外す。次に図示省略駆動源もしく
はハンドルを手動で廻すと、案内車９ａ、９ｂが回転
し、連結したチェーン１０ａ、１０ｂが上方に引張られ
て加熱炉３が上昇する。加熱炉３と共に上昇する部分
は、ムライトチューブ１１、取付フランジ４１及びムラ
イトチューブ支持部４２、４３の部分で加熱炉３と一体
となって上部へ移動する構造である。

【００１７】上方に移動した加熱炉は試験片１６取付用
の上下チャック１７、２７が露出し、操作可能となる位
置で加熱炉昇降用ガイド４に設けた図示省略のストッパ
ーで固定し、落下を防止する。次に、試験片を取り換え
る場合は、荷重が「０」となるように荷重調節計（ペン
ダントスイッチでも可）でサーボモータ６を逆回転さ
せ、ネジ棒３１が左回転して球座保持装置３３が上昇さ
せる。この上昇により試験片１６に作用していた荷重は
「０」となる。（ロードセル１９の検知信号を見て調整
する。）この状態で試験片ピン２８ａ、２８ｂを引き抜
き、上部試験片ピン１８ａを引き抜き、上部チャック１
７、下部チャック２７より試験片１６を横方向へ移動し
て外はずす。その後新たな試験片１６をセットする。

【００１８】加熱炉３の上昇に際しては、加熱炉３と前
述の図示省略のカウンターウエイトはほぼ同重量であ
り、２本のチェーン１０ａ、１０ｂによって連続され、
支持板５の上部２ヶ所に設けた案内車９ａ、９ｂにより
懸吊され、容易に引き上げることができるようになって
いる。

【００１９】図２は図１における上部、下部チャック１
７、２８で試験片１７を取付けた状態の平面図、図３は
図２の側面図である。これらの図において、前述のよう
に加熱炉３を押し上げた後、試験片１６をセットする場
合は、上部チャック１７をピン３４ｂで上部プルロッド
１５へ連結し、前述の取はずしとは逆の要領で試験片１
６の上部を上部試験ピン１８ａ、１８ｂでチャック１７
に取付ける。同様に、試験片１６の下部を下部チャック
２７の下部試験ピン２８ａ、２８ｂで図示のように取付
けると共に、下部チャック２７をピン３４ｃで下部プル
ロッド３２に連結する。このようにして試験片１６のセ
ットが完了する。なお、試験片１６の形状は図示のよう
に両端部を試験ピンの両周辺部で形成される隙間よりも
大きくし、少くとも試験ピンの軸心部まで幅を大きくし
てピンではさまれて固定されるようにしておく。

【００２０】試験片１６には、標点距離の中央部の表、
裏、左、右の４面に歪ゲージを添付しておき、そのリー
ド線は外部に取出せるようにシールして配線しておくも
のとする。

【００２１】前述のようにセットを完了後の作用を説明
する。まず、試験片１６の標点距離中央４面に貼り付け
た歪ゲージを図示省略の歪計に結線した状態でサーボモ
ータ６を図示省略の荷重負荷用調節計にて自動又は手動
運転し、回転させる。この回転力はウォームギヤー３２
に伝達され、ネジ棒３１が右回転（手動で逆回転も可）
する。すると、同ネジ棒３１にネジで噛み合った球座保
持装置３３が下方へ移動し、下部連結棒８先端の下部球
座２９が下方へ引張られることにより、遂には試験片１
６に引張荷重が負荷される。

【００２２】この引張荷重は上部チャック１７、上部プ
ルロッド１５、上部連結棒７を伝わってロードセル１９
に作用し、この負荷は外部の測定器で検知される。その
時、試験片１６の引張破壊荷重の１／２を最高とし、そ
の間を適宜（低荷重から破断荷重の１／２の間を１０数
点）サーボモータ６の回転を制御して中断し、歪ゲージ
のリード線を介して歪計で測定し、試験片１６に作用す
る表、裏、左、右４面の曲げ歪を測定し、次式に示す曲
げ歪成分が破断荷重の１／２の時、１０％以下になるよ
う低荷重の段階から順次軸芯を手動で調整する。

【００２３】曲げ歪成分（％）＝（表−裏）／（表、
裏、左、右の平均値）及び（左−右）／（表、裏、左、
右の平均値）；で表わされる。

【００２４】その後、試験片１６より歪ゲージを取り外
し、試験片１６に熱電対を取り付けた後、図示省略のス
トッパーをゆるめて加熱炉３の下端が雰囲気容器２６の
上部に来るまでチェーン１０ａ、１０ｂにより加熱炉３
を下降させ、ボルト４０ａ、４０ｂで固定する。この
時、雰囲気容器２６とムライトチューブ１１とは気密状
態を保持して接続される。

【００２５】次にガス注入口２３のバルブを閉じ、真空
引き用口２１を開にして図示省略の真空装置で試験片１
６の周囲及び雰囲気容器２６内を２×１０^-4Torr迄真空
引きした後、該バルブ２１を閉じ、ガス注入口２３のバ
ルブを開いて任意のガスを注入し、注入完了後、注入口
２３のバルブを閉じる。上記状態にした後、図示省略の
温度制御装置より加熱炉３のヒータ２４に通電して試験
片１６の温度が試験温度になるように熱電対挿入用ハー
メチック２２より挿入された熱電対により点検しながら
ヒータ２４の通電を調整する。

【００２６】上記試験片１６が設定温度になった後、荷
重負荷用調節計でサーボモータ６を作動させ、負荷（規
定荷重になると自動的にサーボモータは停止し、不足す
ると再度作動して常に一定荷重を保持するように自動制
御する。）を与え、試験片１６が破断すると、ヒーター
２４の電源はＯＦＦとなり、下部連結棒８の底部３５が
球座保持装置３３のストッパー３７に落下して止まり、
それ以下には下降しないで保持される。

【００２７】そこで、炉温が充分低下してから試験片１
６の装着と反対の操作を行って試験片１６を取り外す。

【００２８】実際の例として、試験片１６の供試部が厚
さ６mm×巾５mm×標点距離３０mmの板型セラミックス試
験片１６を用いて試験温度１２００℃で１００時間の試
験を大気中で行ったが、破断は試験片平行部中央付近で
破断し、精度良く試験することが出来た。

【００２９】上記に説明の実施例によれば、試験片１６
の上部を肩部の左右から高温強度の高い材料で作られた
丸棒製の試験ピン１８ａ、１８ｂで保持するようにし
た、いわゆる首吊り型のチャック１７、上部プルロッド
１５及び球座２０を介して上端がロードセル１９に接続
され、また同試験片１６の下部肩部の左右から試験ピン
２８ａ、２８ｂで保持するようにした下部チャック２
７、下部プルロッド３２及び球座２９からなる懸架手段
を設け、更に、この球座２９を介して球座保持装置３
３、ネジ棒３１、ウォームギヤ３２及びサーボモータ６
を接続し、回転を自由に制御して試験片１６に引張り負
荷を作用させる負荷手段を設ける。また、試験片１６を
気密に保持するために懸架手段を挿通するムライトチュ
ーブ１１および真空引用口２１と熱電対取出口となるハ
ーメチック２２、ガス注入口２３とを有する雰囲気容器
２６との間にシール装置が配設され、この雰囲気容器２
６と接続可能で上下方向へ移動可能な加熱炉３とを備え
た構成としたので、セラミックス材の単軸応力下でのク
リープ破断試験が可能となったものである。

【００３０】

【発明の効果】以上、具体的に説明したように、本発明
は、試験片を保持し、上端をロードセルに接続し、下端
を引張り負荷を与える負荷手段に連結した試験片懸架手
段、同懸架手段を内部に挿通し、試験片を気密に保持す
るチューブ、チューブを中心に貫通すると共にこれを固
定し、加熱装置を備え、上下に移動可能な加熱炉、チュ
ーブの気密空間と連通し、真空引用口、熱電対取出口及
びガス注入口を備えた雰囲気容器とを備えた構成とした
ので曲げ試験のデータから引張特性が換算されるのでな
く、実際の単軸応力下（雰囲気中も可）でのセラミック
ス材料のクリープ破断試験結果が得られるようになっ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るセラミックスクリープ
破断試験装置の側面図で、主要部を断面図で示したもの
である。

【図２】図１における上、下チャックと試験片部の拡大
した平面図である。

【図３】図２における側面図である。

【符号の説明】

１ 架台 ２ 本体主柱 ３ 加熱炉 ４ 電気炉昇降用ガイド ５ 支持板 ６ サーボモータ ７ 上部連結棒 ８ 下部連結棒 １１ ムライトチューブ １２ 上部ベローズ １５ 上部プルロッド １６ 試験片 １７ 上部チャック １９ ロードセル ２０ 上部球座 ２１ 真空引用口 ２３ ガス注入口 ２４ ヒータ ２５ 下部ベローズ ２６ 雰囲気容器 ２７ 下部チャック ２９ 下部球座 ３１ ネジ棒 ３２ ウォームギヤー ３３ 球座保持装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試験片の上下両端を保持するチャック部
   を有し、同チャック部の上端を固定部に設けたロードセ
   ルに接続し、下端をサーボモータにより回転速度を変化
   して同試験片に引張り負荷を作用させる負荷手段に連結
   した試験片懸架手段と、同試験片懸架手段を内部に挿通
   すると共に前記試験片を保持したチャック部の上部及び
   下部がシールされ、同チャック部近辺を気密に保持し、
   前記試験片を囲うように設けられたチューブと、同チュ
   ーブを中心軸上で上下方向へ貫通してこれを固定し、同
   チューブの周囲より内部の前記試験片を加熱する加熱装
   置を備えると共に、前記中心軸上で前記チューブと共に
   上下方向に移動可能な加熱炉と、同加熱炉が下方に移動
   した時前記チューブの気密空間と連通すると共に真空引
   用口、熱電対取出口及びガス注入口を有する雰囲気容器
   とを備えてなることを特徴とするセラミックスクリープ
   破断試験装置。