JPH10325787A - 材料試験機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 材料試験片の弾性率や耐力を簡易に、高精度
に計測可能なデータ処理機能を備えた材料試験を提供す
る。 【解決手段】 負荷を加えた材料試験片の伸びと荷重と
を所定のサンプリング周期で検出した計測データの系列
に従って、その荷重・伸び特性（応力・歪み特性）を近
似する３次回帰曲線を求め、この３次回帰曲線の変曲点
を接線点とする１次回帰直線を弾性直線として前記試験
片の弾性率や耐力を算出するデータ処理機能を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、硬鋼や鋳鉄等から
なる材料試験片の弾性率や耐力等の特性を検査するに好
適な材料試験機に関する。

【０００２】

【関連する背景技術】材料試験機は、材料試験片に負荷
を加えた際に該材料試験片に生じる伸び（変位）と荷重
との関係からその材料の特性を検査するもので、例えば
弾性率や耐力等を検査する場合には、材料試験片に引っ
張り荷重（負荷）を加えて行われる。ちなみに材料試験
片が破断するまで徐々に荷重を加えた場合には、或る時
点で荷重が増加することなく材料試験片が急激に伸び始
める。この現象は、材料試験片の弾性伸びが限界に達し
たことによるもので、その時の最大応力は降伏点と称さ
れて材料特性の評価に用いられる。しかしながら軟鋼の
ようなものにおいては上記降伏点が顕著に現れるもの
の、硬鋼や鋳鉄にあってはその性質上、降伏点が生じ難
い。これ故、降伏点が生じ難い材料については、一般的
に０.２％の永久歪みが生じた点の応力を降伏応力と看
做し、これを耐力として材料の評価に用いている。

【０００３】ところで従来、上記耐力の測定は、例えば
図６に示すように材料試験片の引っ張り試験特性を示す
伸びλと荷重Ｐとからなる計測データの系列に基づい
て、応力歪み特性曲線αを作成して行われる。尚、応力
σは上記荷重Ｐを材料試験片の断面積Ｓにて除すことに
より（Ｐ／Ｓ）として求められ、また歪みεは上記伸び
λの前記材料試験片における基準長Ｌに対する比（λ／
Ｌ）として求められる。そしてこの線図（応力歪み特性
曲線α）上における変化特性の直線部βを概略的に求め
た後、この直線部βと平行にその歪みを０.２％だけオ
フセットした直線（耐力直線）γを引いて当該直線γと
前記応力歪み特性曲線αとが交わる点δの応力を、その
耐力σ_0.2として求めている。この手法は、オフセット
法と称される。この場合、上記直線部βを如何に精度良
く求めるかが、その検査精度を左右する。

【０００４】このような直線部βを精度良く求める手法
の１つに、例えば特公昭６３−５５０１８号公報に開示
される技術がある。この手法は、先ず前記応力歪み特性
曲線αを得る上でのベースとなる荷重と伸びとからなる
計測データを所定の時間間隔でサンプリングし、そのサ
ンプリングデータを移動平均処理して各サンプリング点
での前記荷重および伸びの平均値を求める。その後、サ
ンプリング点間の上記荷重平均値と伸び平均値とから求
められる差分勾配（弾性率に相当）が、予め設定した上
限弾性率と下限弾性率との範囲内にあるか否かを判定
し、当該範囲内のデータ（荷重平均値と伸び平均値）か
ら最小二乗法に従って前述した応力歪み特性曲線α中の
直線部βを表す直線式を求めるものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記公報
に開示される手法にあっては、予め上限弾性率と下限弾
性率とを設定することが必要であり、この範囲内におい
て弾性率が一定となる部分（直線部β）を求めることが
前記直線式を算出する上での前提となる。従って上記条
件の下で一定の弾性率が得られた場合には、仮にその弾
性率が材料試験片に固有な弾性域から外れている場合で
あっても、具体的には異常な荷重が加えられた状態にお
いて弾性率が一定となった場合であっても当該部分（直
線部β）の直線式が求められることになり、計測信頼性
の点で問題がある。

【０００６】また前述した移動平均処理は、或る長さの
平均処理区間（サンプリング・データ数）を設定して行
われるが、その平均処理区間を短くした場合には、本来
的にはノイズとして無視すべき微小なデータがまでその
平均値を左右するので、前述した差分勾配（弾性率）の
判定に大きな影響を及ぼす。また平均処理区間を長く設
定した場合には、降伏点に相当すると判断すべきデータ
までが平坦化され、その平均値に埋もれる虞がある。従
って移動平均処理を行う場合には、その平均処理区間を
適正に設定することが必要であるが、種々の材料試験片
に応じて上記区間設定を適切に行うことは非常に困難で
ある。

【０００７】また一般的な材料試験機による伸びλと荷
重Ｐとからなる計測データには誤差が含まれ、弾性領域
内の計測データであっても、この計測データから求めら
れる応力歪み特性曲線の一部が直線とならないことが多
い。即ち、材料試験片に荷重を加える際、その初期時に
おいて材料試験片とこれを保持する治具（チャック）と
の間に抗力が発生するまで、その間に滑りが生じる。ま
た上記治具による材料試験片の掴みの方向が、該材料試
験片に加える引っ張り荷重の向きと完全に直交しないた
め、その断面に対して偏心応力（偏心荷重）が加わる。
しかも材料試験片は完全な弾性体でもなく、また完全な
塑性体でもないので、引っ張り荷重を加えた場合、上記
材料試験片は弾性体および塑性体の両方の特性を示す。
従って前述した弾性率や耐力を高精度に計測するには、
これらの誤差要因を考慮することが必要となる。

【０００８】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たもので、その目的は、試験材料の特性の１つのである
弾性率や耐力を、簡易にして高精度に計測することので
きる材料試験機を提供することにある。特に本発明は、
荷重を加えた材料試験片の伸びと荷重とからなる計測デ
ータを得る上での引っ張り試験方法や、そのデータ処理
における種々の設定値の影響を受けることなしに、材料
試験片の引っ張り試験特性を示す伸びλと荷重Ｐとから
なる計測データ、或いはこの計測データから求められる
歪みεと応力σとからなる検出データに基づいてその弾
性率Ｅや耐力σ_0.2を高精度に求めることのできるデー
タ処理手段を備えた材料試験機を提供することを目的と
している。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
べく本発明の係る材料試験機は、試験機本体により材料
試験片に負荷を加えたときに該材料試験片に生じる伸び
と荷重とをそれぞれ計測してなり、特に計測した上記伸
びλと荷重Ｐとを所定のサンプリング周期で順次抽出し
て計測データの系列として記憶し（記憶手段）、前記計
測データまたは該計測データから求められる歪みεおよ
び応力σからなる検出データの一方を独立変数、他方を
従属変数とする３次回帰曲線式を求めると共に（第１の
演算手段）、上記３次回帰曲線式にて示される回帰曲線
上の変曲点を求め、該変曲点を接線点とする１次回帰直
線式を求め（第２の演算手段）、この１次回帰直線式に
て示される回帰直線に基づいて前記材料試験片の特性、
例えば弾性率Ｅや耐力σ_0.2を求める（第３の演算手
段）データ処理機能を備えたことを特徴としている。

【００１０】また本発明は請求項２に記載するように、
荷重または伸びの下限値を越えた計測データが検出され
たサンプリング時点から、その上限値を越えた計測デー
タが検出されたサンプリング時点までのサンプリング区
間における計測データまたは検出データに基づいて逐次
リアルタイムに３次回帰曲線式を回帰処理することを特
徴としている。つまり予め設定した所定の荷重または伸
びの範囲内の計測（検出）データに基づいて３次回帰曲
線式を求めることを特徴としている。

【００１１】或いは請求項３に記載するように、荷重ま
たは伸びの下限値を越えたデータが計測されたサンプリ
ング時点から予め定めた数のサンプリング後に３次回帰
曲線式の回帰処理を逐次的にリアルタイムに開始し、前
記第２の演算手段により上記３次回帰曲線式に基づいて
求められる１次回帰直線に所定伸び量のオフセットを与
えたオフセット直線に応じて規定される荷重値を下回る
荷重データが計測された時点で前記３次回帰曲線式の回
帰処理を終了することを特徴としている。つまり荷重ま
たは伸びの下限値を越えたデータが計測された時点から
リアルタイムに３次回帰曲線式を求めながら、その３次
回帰曲線式に基づいて求められる１次回帰直線に基づい
てそのデータ処理範囲を検証して、上述した回帰処理の
終了時点を自動的に定めるようにしたことを特徴として
いる。

【００１２】また本発明は請求項４に記載するように、
前記３次回帰曲線式を、該３次回帰曲線式の正規方程式
を用いて前記計測データまたは検出データから最小二乗
法によりその係数を算出して求めることを特徴としてい
る。更に請求項５に記載するように前記第３の演算手段
においては、前記回帰直線から前記材料試験片の弾性率
を求めると共に、前記回帰直線を伸び方向にオフセット
した直線を耐力直線として該耐力直線と前記計測データ
または検出データの系列とから前記材料試験片の耐力を
求めることを特徴としている。

【００１３】即ち、本発明は所定のサンプリング周期で
検出される伸びと荷重とからなる計測データの系列に基
づいてその荷重伸び特性（応力歪み特性）を３次回帰曲
線にて近似し、この３次回帰曲線の変曲点を接線点とす
る１次回帰直線を求め、この１次回帰直線に基づいて前
記材料試験片の弾性直線、ひいては耐力直線を求めるこ
とで、材料試験片の弾性率や耐力を高精度に算出するこ
とを特徴としている。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態に係る材料試験機の、特に材料試験片の弾性率
や耐力を算出するデータ処理機能について説明する。図
１は材料試験機の概略的な構成を示すもので、１は供試
体である材料試験片に所定の負荷を加える材料試験機本
体である。材料試験片の特性の１つである弾性率や耐力
を測定する場合には、上記材料試験機本体１を用いて材
料試験片に対して引っ張り荷重を加えながら、該材料試
験片に生じる伸びλと、材料試験片に加わる荷重Ｐとを
検出して行われる。ちなみに材料試験片に加えられる荷
重Ｐは、材料試験機本体１に組み込まれたロードセル等
の荷重検出器２により検出され、また上記伸びλは材料
試験機本体１に組み込まれたカメラやラインセンサ等か
らなる非接触式、或いは一般的な接触式の伸び検出器３
にて検出される。

【００１５】しかして上記荷重検出器２および伸び検出
器３によりそれぞれ検出される材料試験片の荷重Ｐと伸
びλは、Ａ／Ｄ変換器２ａ,３ａを介して所定のサンプ
リング周期でデジタルデータに変換され、データ処理機
能の主体部をなす中央演算処理装置（ＣＰＵ）５に取り
込まれて、一旦、計測データの系列としてメモリ６に順
次記憶される。

【００１６】尚、上記ＣＰＵ５は、例えばプログラムメ
モリとしてのＲＯＭ４に記憶された処理プログラムに従
ってその演算処理動作が制御され、前述したように上記
メモリ６へのデータ記憶と同時に、その計測データ（荷
重データＰと伸びデータλ）に基づいて後述するように
リアルタイムに前記材料試験片の弾性率Ｅや耐力σ_{0. 2}
等を算出する為の演算処理（データ処理）を実行する。
そしてＣＰＵ５にて算出された演算結果である上記弾性
率Ｅや耐力σ_0.2を示す特性データは、後述する３次回
帰曲線等と共にＣＲＴ等の表示器７にて表示出力され、
或いは図示しないプリンタによりプリントアウトされる
ようになっている。

【００１７】ここで前記ＲＯＭ４に記憶されたプログラ
ムの下での前記計測データに基づく前記弾性率や耐力の
算出の為の前記ＣＰＵ５におけるデータ処理機能につい
て説明すると、このデータ処理は概略的には計測（検
出）データに基づいてそのデータ系列の３次回帰曲線式
を求める第１の演算手段５ａと、上記３次回帰曲線式上
の変曲点Ｘを求め、この変曲点Ｘを接線点とする１次回
帰直線を求める第２の演算手段５ｂと、上記１次回帰直
線に基づいて材料試験片の弾性率や耐力を求める第３の
演算手段５ｃを備えて実現される。

【００１８】尚、上記第１の演算手段５ａは、計測デー
タの系列として与えられる伸びデータλを独立変数ｘ、
荷重データＰを従属変数ｙとして、その荷重伸び特性を
近似表現する３次回帰曲線式を回帰処理により求める如
く実現されるが、前記伸びデータλを歪みデータε（＝
λ／Ｌ）に変換すると共に、前記荷重データＰを応力デ
ータρ（＝Ｐ／Ｓ）に変換し、これら歪みεと応力ρと
からなる検出データに従って、その応力歪み特性を近似
表現する３次回帰曲線式を求めても良いことは言うまで
もない。

【００１９】ちなみに上記第１乃至第３の演算手段５
ａ,５ｂ,５ｃによるデータ処理は、例えば図２に示す処
理手順に従って実行される。具体的には、先ず弾性率Ｅ
を算出するためのデータ処理範囲を特定するべく、例え
ば材料試験片に加える荷重についてその上限値と下限値
とを初期設定する［ステップＳ１］。但し、上記荷重に
代えて材料試験片の伸びについて、その下限値と上限値
とを初期設定することも可能である。このような初期設
定により、例えば図４に示すように弾性率演算用の計測
データの収集開始点（荷重下限値）Ｐiと、その収集終
了点（荷重上限値）Ｐeとがそれぞれ設定される。尚、
この初期設定は、材料試験片に対する操作者（計測者）
の知見に基づいて行われる。例えば荷重下限値を試験機
の持つ荷重上限の２.０％として設定し、また荷重上限
値については材料試験片に対する規格抗張力にその断面
積を乗算して求められる荷重値として与えるようにすれ
ば良い。

【００２０】このような初期設定を終えたならば、次に
前記材料試験機本体１を作動させて所定の制御条件の下
で材料試験片に対して引っ張り荷重を加えながら、その
ときの荷重値Ｐと材料試験片に生じた伸び量λとを所定
のサンプリング周期で検出し、これを計測データとして
前記メモリ６に順次記憶する［ステップＳ２］。このよ
うな荷重値Ｐおよび伸び量λの計測と、その計測データ
の前記メモリ６への記憶は、前記収集開始点Ｐiおよび
収集終了点Ｐeに拘わることなく、材料試験機本体１に
より材料試験片に引っ張り荷重を加えている試験期間に
亘って連続的に行われる。この結果、メモリ６には材料
試験片の全体的な荷重・伸び特性を示す生の計測データ
の系列が記憶されることになる。

【００２１】この際、上記の如く検出される荷重値Ｐを
監視し、その荷重値Ｐが前記計測データに対する収集開
始点Ｐi（下限値）を越えるか否かを判定する［ステッ
プＳ３］。そして上記収集開始点Ｐiを越える荷重値Ｐ
が計測された時点から、そのときの計測データ（荷重値
Ｐと伸び量λ）を弾性率演算用のデータとして取り込む
［ステップＳ４］。そして取り込んだ計測データに従っ
て、その計測データの系列が示す荷重・伸び特性を近似
する３次回帰曲線式を求めるべく、その正規方程式をリ
アルタイムに計算する［ステップＳ５］。上記計測デー
タの取り込みと、その計測データに基づく正規方程式の
演算は、前記荷重値Ｐが前記データ収集終了点Ｐe（上
限値）を越えるまで逐次繰り返し実行される［ステップ
Ｓ６］。この際、上記荷重値Ｐが初期設定された収集終
了点Ｐeを越える前に材料試験片の破断が検出された
り、材料試験機本体１に対する停止指令が発せられた場
合、或いは計測データからその降伏点が検出された場合
には、その時点を計測データの収集終了点Ｐeと看做し
て上記計測データの取り込みを終了する。

【００２２】ここで上記ステップＳ５に示される処理
（第１の演算手段５ａ）について説明すると、この処理
は理想的な３次回帰曲線式 Ｙ＝ａＸ³＋ｂＸ²＋ｃＸ＋ｄ に、前記収集開始点Ｐiおよび収集終了点Ｐeにて特定さ
れる範囲の計測データの系列が示す荷重・伸び特性を近
似させるべく、例えば上記３次回帰曲線式の以下に示す
４連の正規方程式 Σｙ ＝ａΣｘ³＋ｂΣｘ²＋ｃΣｘ＋ｄΣｘ⁰ Σｘｙ ＝ａΣｘ⁴＋ｂΣｘ³＋ｃΣｘ²＋ｄΣｘ Σｘ²ｙ ＝ａΣｘ⁵＋ｂΣｘ⁴＋ｃΣｘ³＋ｄΣｘ² Σｘ³ｙ ＝ａΣｘ⁶＋ｂΣｘ⁵＋ｃΣｘ⁴＋ｄΣｘ³ …(１) を解き、その残差平方和が最小となる解を求めることに
よってなされる。但し、上記正規方程式における独立変
数ｘは伸びデータであり、また従属変数ｙは荷重データ
である。

【００２３】具体的には所定のサンプリング周期で伸び
と荷重に関するデータｘ,ｙが検出される都度、上記正
規方程式に示される左辺の各項[ｙ],[ｘｙ],[ｘ²ｙ],
[ｘ³ｙ]の値と、右辺の各項[ｘ⁰],[ｘ],[ｘ²],[ｘ³],
[ｘ⁴],[ｘ⁵],[ｘ⁶]の値をそれぞれリアルタイムに計算
する。そしてこれらの各項の計算値を各項毎に前回のサ
ンプリング時点までに求められている累積値に順次足し
込むことで、前記各項の和[Σｙ],[Σｘｙ],[Σｘ²ｙ],
[Σｘ³ｙ],[Σｘ⁰],[Σｘ],[Σｘ²],[Σｘ³],[Σｘ ⁴],
[Σｘ⁵],[Σｘ⁶]をそれぞれ求める。このような演算処
理は、前記収集開始点Ｐiで示されるサンプリング開始
時点から、前記収集終了点Ｐeで示されるサンプリング
終了時点まで逐次繰り返し実行される。

【００２４】しかしてサンプリング終了時点において前
記各項の和[Σｙ],[Σｘｙ],[Σｘ²ｙ],[Σｘ³ｙ],[Σ
ｘ⁰],[Σｘ],[Σｘ²],[Σｘ³],[Σｘ⁴],[Σｘ⁵],[Σ
ｘ⁶]が求められたならば、次にこれらの各項の値を前記
４連の正規方程式にそれぞれ代入し、マトリックス演算
により該正規方程式における各項の係数ａ,ｂ,ｃ,ｄを
それぞれ算出する［ステップＳ７］。

【００２５】しかして上述した如く係数ａ,ｂ,ｃ,ｄが
計算され、これによって材料試験片の荷重・伸び特性を
近似した３次回帰曲線式が ｙ＝ａｘ³＋ｂｘ²＋ｃｘ＋ｄ …(２) として特定されたならば、次に第２の演算手段５ｂにお
いて上記３次回帰曲線式で示される荷重・伸び特性曲線
を近似表現した３次回帰曲線上の変曲点（最大勾配点）
Ｘの値ｘpを求める［ステップＳ８］。この変曲点ｘpの
算出は、前記３次回帰曲線式を微分処理することで、該
３次回帰曲線の傾きを示す特性曲線を ｙ′＝３ａｘ²＋２ｂｘ＋ｃ …(３) として求め、更にこの傾きの曲線を微分処理してその傾
きの変化を示す曲線を ｙ″＝６ａｘ＋２ｂ …(４) として求める。そしてこの傾きの変化曲線上においてそ
の傾きの変化が零［ｙ″＝０］となり、以て前記３次回
帰曲線上で直線部となる点を上記(４)式から ｙ″＝６ａｘp ＋２ｂ（＝０） ｘp ＝−２ｂ／６ａ＝−ｂ／３ａ …(５) として求めることによってなされる。

【００２６】ちなみに上記変曲点Ｘの前記３次回帰曲線
上におけるｙpは、 ｙp＝ａｘp³＋ｂｘp²＋ｃｘp＋ｄ ＝ａ(−ｂ／３ａ)³＋ｂ(−ｂ／３ａ)²＋ｃ(−ｂ／３ａ)＋ｄ ＝ [(２ｂ³−９ａｂｃ)／２７ａ²]＋ｄ …(６) として与えられる。

【００２７】しかる後、上記３次回帰曲線上の変曲点Ｘ
（ｘp,ｙp）を接線点とする１次回帰直線Ｙe（＝Ａｘ＋
Ｂ）を求める［ステップＳ９］。ちなみに１次回帰直線
Ｙeの傾きＡは、前述した(３)式に示す傾き曲線に上記
(５)式に示される変曲点ｘp（＝−ｂ／３ａ）を代入す
ることで Ａ＝ｙ′＝３ａ(−ｂ／３ａ)²＋２ｂ(−ｂ／３ａ)＋ｃ ＝(ｂ²／３ａ)＋(−２ｂ²／３ａ)＋ｃ ＝(−ｂ²／３ａ)＋ｃ …(７) として計算される。

【００２８】また上記１次回帰直線Ｙeの切片Ｂは、前
記変曲点ｘp,ｙpを通る上記傾きＡの直線における[ｘo
(＝０),ｙo(＝Ｂ)]なる点として与えられるので、 ｙp ＝Ａｘp＋Ｂ なる関係から、 Ｂ ＝ｙp−Ａｘp として求められ、従って前記(５)式に示される変曲点ｘ
pの値と、前記(６)式に示される変曲点ｙpの値、および
前記(７)式に示される傾きＡの値とから Ｂ ＝ｙp−Ａｘp ＝ [(２ｂ³−９ａｂｃ)／２７ａ²]＋ｄ ＋[(−ｂ²／３ａ)＋ｃ](−ｂ／３ａ) ＝(−ｂ³／２７ａ²)＋ｄ …(８) として計算される。

【００２９】このような演算処理の下で前記１次回帰直
線Ｙeが Ｙe ＝ [(−ｂ²／３ａ)＋ｃ]ｘ＋(−ｂ³／２７ａ²)＋ｄ …(９) として算出される。尚、３次回帰曲線上の変曲点Ｘ（ｘ
p,ｙp）が、例えば図３(ａ)に示すように前述した収集
開始点Ｐiおよび収集終了点Ｐeにおける伸びｘ1,ｘ2の
範囲内にある場合には、上記変曲点Ｘ（ｘp,ｙp）をそ
のまま接線点として上述したようにして１次回帰直線を
求めれば良い。

【００３０】しかし図３(ｂ)(ｃ)にそれぞれ示すように
前記３次回帰曲線上の変曲点Ｘ（ｘp,ｙp）が上記伸び
ｘ1,ｘ2の範囲から外れている場合には、例えば前記収
集開始点Ｐiにおける３次回帰曲線の接線の傾きと、前
記収集終了点Ｐeにおける３次回帰曲線の接線の傾きと
を比較し、傾きの大きい方を１次回帰直線Ｙeとして求
めるようにすれば良い。即ち、この場合には、前述した
３次回帰曲線の傾きを示す特性曲線から、収集開始点Ｐ
i（ｘ1）における接線の傾きｙsと、収集終了点Ｐe（ｘ
2）における接線の傾きｙeとを ｙs＝３ａ・ｘ1²＋２ｂ・ｘ1＋ｃ ｙe＝３ａ・ｘ2²＋２ｂ・ｘ2＋ｃ としてそれぞれ計算し、大きい方の傾きｙsまたはｙeを
求める。そしてこの傾きを用いてその切片Ｂを算出し、
その１次回帰直線Ｙeを Ｙe ＝ｙs・ｘ＋Ｂ または Ｙe ＝ｙe・ｘ＋Ｂ として算出するようにすれば良い。

【００３１】以上のようにして３次回帰曲線の変曲点ｘ
p,ｙpを接線点とする１次回帰直線Ｙeを求めたならば、
次に第３の演算手段５ｃにおいて上記１次回帰直線Ｙe
を前記材料試験片の弾性直線と看做して、先ずその弾性
率Ｅを算出する［ステップＳ１０］。即ち、材料試験片
の弾性率Ｅは、応力σと歪みεとの関係から Ｅ＝σ／ε＝ (Ｐ／Ｓ)／(λ／Ｌ) ＝ＰＬ／Ｓλ として与えられるので、例えば前述した１次回帰直線Ｙ
eの傾きＡを用いて Ｅ＝Ａ・（材料試験片の基準長Ｌ）／（材料試験片の断
面積Ｓ） として計算される。

【００３２】また材料試験片の耐力については、前記１
次回帰直線Ｙeをその伸び方向に０.２％分オフセットし
た直線（耐力荷重直線）Ｙpを図４に示すように算出し
［ステップＳ１１］、この耐力荷重直線Ｙpと前記メモ
リ６に記憶された検出データの系列で示される荷重・伸
び特性曲線との交点を計算することで、その交点を前記
材料試験片の耐力荷重点Ｐ_0.2として算出する［ステッ
プＳ１２］。このようにして計算される上記耐力荷重直
線Ｙpおよび耐力荷重点Ｐ_0.2は、前記荷重・伸び特性曲
線や１次回帰直線Ｙeと共に前記ＣＲＴ７にて表示され
る。尚、０.２％の永久歪みが生じた降伏応力点からな
る耐力σ_0.2を求める場合には、上記耐力耐力点Ｐ_0.2を
前述した材料試験片の断面積Ｓや基準長Ｌに基づいて係
数処理すれば良い。

【００３３】尚、ここでは荷重・伸び特性を近似表現し
た３次回帰曲線の係数ａ,ｂ,ｃ,ｄを回帰処理により算
出してその３次回帰曲線式を Ｙ＝ａＸ³＋ｂＸ²＋ｃＸ＋ｄ として求めたが、応力・歪み特性を近似表現した３次回
帰曲線の係数ａ′,ｂ′,ｃ′,ｄ′を回帰処理により算
出してその３次回帰回帰曲線式を σ＝ａ′ε³＋ｂ′ε²＋ｃ′ε＋ｄ′ として求めることも勿論可能である。この場合、上記各
係数の間には ａ＝ (Ｓ／Ｌ³)ａ′ ｂ＝ (Ｓ／Ｌ²)ｂ′ ｃ＝ (Ｓ／Ｌ)ｃ′ ｄ＝ Ｓｄ′ なる関係が成立し、材料試験片の基準長Ｌとその断面積
Ｓとに依存する定数が作用するだけであるので、実質的
に同様な処理が可能である。

【００３４】但し、この場合には、前述した如く計測さ
れる荷重Ｐおよび伸びλからなる計測データを、一旦、
応力σと歪みεとからなる検出データに変換処理した
後、前述した３次回帰曲線の算出を行う必要があるの
で、処理効率の観点からは荷重Ｐおよび伸びλからなる
計測データを用いて前述した処理を実行した後、最終時
点で所定の係数処理を施して弾性率Ｅや耐力σ_0.2を求
めるようにした方が好都合である。

【００３５】かくして上述した如く所定のサンプリング
周期で求められた計測データの系列から、材料試験片の
荷重・伸び特性を近似する３次回帰曲線ｙを求め、その
変曲点ｘpを接線点とする１次回帰直線Ｙeを求めて該材
料試験片の弾性率Ｅや耐力荷重点Ｐ_0.2（耐力σ_0.2）を
求めるデータ処理機能を備えた本材料試験機によれば、
初期設定した荷重下限値を超えた時点からの計測データ
に基づき、伸びデータを独立変数、荷重データを従属変
数として前記荷重・伸び特性（応力・歪み特性）を３次
回帰曲線に回帰させて近似するので、材料試験機本体１
において材料試験片を把持する為の治具（チャック）に
おける滑り等の影響を受けることなしに、その計測を高
精度に行うことができる。しかも材料試験片に固有な特
性に因らない不本意なデータを排除して、例えば定常状
態外の計測データ（検出データ）を効果的に排除して、
上記計測（演算処理）を実行することができる。

【００３６】また伸びまたは荷重に基づく収集開始点Ｐ
i（下限値）と収集終了点Ｐe（上限値）とを設定して、
前述した演算処理を実行するサンプリング区間（演算範
囲）を設定するだけで良く、演算処理によって求められ
る弾性率に対する上限および下限や、更には移動平均処
理を実行する上での平均処理区間（サンプリング・デー
タ数）等の演算処理条件については何ら初期設定する必
要がないので、操作者の負担を大幅に軽減することがで
きる。

【００３７】特に計測データ（検出データ）の系列に基
づいて作成される荷重・伸び曲線（応力・歪み曲線）を
３次回帰曲線に近似させ、この３次回帰曲線を用いて弾
性直線を求めるので、前述した如く初期設定される収集
開始点Ｐi（下限値）および収集終了点Ｐe（上限値）の
影響を受けることなく前述した演算処理を実行すること
ができ、誤差要因の問題を効果的に排除することができ
る。

【００３８】尚、上述した実施形態においては荷重上限
値を初期設定してデータ処理区間を定めたが、回帰処理
によりリアルタイムに求められる３次回帰曲線に従って
そのデータ処理を検証しながら、上述したデータ処理の
終了時点を定めるようにしても良い。即ち、図５にその
処理手順を示すように、計測データの荷重値Ｐがそのデ
ータ収集開始点Ｐiを越えた時点から、３次回帰処理に
必要な数、例えば１０個以上のデータをサンプリングし
た後から、そのときの計測データを用いて３次回帰曲線
式を求める回帰処理を前述したように開始する。そして
その正規方程式に基づいて荷重・伸び特性を近似した３
次回帰曲線式を各サンプリング時点毎にリアルタイムに
求める［ステップＳ２１〜Ｓ２７］。次いで上記３次回
帰曲線式の変曲点を求めると共にこの変曲点を接線点と
する１次回帰直線を求め、更にこの１次回帰直線をその
伸び方向に、例えば０.１％オフセットした判定用の、
図４中２点鎖線で示すようなオフセット直線を求める
［ステップＳ２８〜Ｓ３０］。

【００３９】しかる後、次のサンプリング時点の計測デ
ータ（荷重Ｐと伸びλ）と上記オフセット直線とを比較
し、その伸びλを同じくするオフセット直線上の荷重値
Ｐeに対して検出荷重値Ｐが下回るか否かを判定する
［ステップＳ３１］。そして検出荷重値Ｐが上記オフセ
ット直線上の荷重値Ｐeを下回ったとき、これを計測デ
ータが前記３次回帰直線から外れたと判定する。換言す
れば検出荷重値Ｐが上記オフセット直線上の荷重値Ｐe
を下回るまで、順次計測される計測データに基づく３次
回帰処理を繰り返し実行することで、十分な回帰精度が
確保されるまで、各サンプリング時点毎に計測データに
基づく前述したステップＳ２４からの処理手続き（回帰
処理）を繰り返し実行する。

【００４０】そして検出荷重値Ｐが上記オフセット直線
上の荷重値Ｐeを下回ったとき、その時点で荷重・伸び
特性を十分に高精度に近似した３次回帰直線と、その変
曲点を接線点とした１次回帰直線が求められたと判定
し、これらの演算結果に基づいて弾性率Ｅの演算、およ
び耐力直線に基づく耐力σ_0.2の算出を実行する［ステ
ップＳ３２〜Ｓ３４］。

【００４１】このような処理手続きによれば、計測デー
タ（検出データ）を回帰処理して求められる３次回帰曲
線を自ら検証しながら処理を進め、荷重・伸び特性を良
好に近似した３次回帰曲線が得られた時点で上記回帰処
理を終了することができるので、前述した実施形態に示
すようなデータ収集の終了点を定める荷重または伸びの
上限値を初期設定する必要がなくなるので、更に条件設
定の煩わしさを軽減することができる等の効果が奏せら
れる。

【００４２】尚、本発明は上述した実施形態に限定され
るものではない。例えば伸びデータおよび荷重データの
系列を得る上でのサンプリング周期は、ＣＰＵ５におけ
るデータ処理速度や、要求される測定精度等に応じて定
めれば良いものである。またデジタルデータとして取り
扱われる上記伸びデータおよび荷重データの変換ビット
数についても、上記ＣＰＵ５におけるデータ処理速度
や、要求される測定精度等に応じて定めるようにすれば
十分である。またここでは所定のサンプリング周期で検
出データが得られる都度、リアルタイムに演算処理した
が、メモリ６に記憶された検出データの系列に基づいて
その演算処理を進めるようにしても良い。その他、本発
明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施する
ことができる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、種
々の誤差要因を排除して簡易にして高精度に材料試験片
の弾性率や耐力を求めることができる。しかも計測デー
タやその計測データから求められる検出データを移動平
均処理を実行する上での平均処理区間（サンプリング・
データ数）等、データ処理条件を左右するような条件設
定の煩わしさがなく、操作者の負担を大幅に軽減するこ
とができる等の効果が奏せられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る材料試験機の概略構
成図。

【図２】本発明に係る材料試験機における特徴的なデー
タ処理手順の一例を示す図。

【図３】３次回帰曲線と弾性曲線をなす１次回帰曲線と
の関係を示す図。

【図４】本発明に係る弾性率および耐力の計測処理の概
念を示す図。

【図５】本発明に係る材料試験機におけるデータ処理手
順の変形例を示す図。

【図６】材料試験片の応力・歪み特性に基づく耐力計測
の処理概念を示す図。

【符号の説明】

１ 材料試験機本体 ２ 荷重検出器 ３ 伸び検出器 ４ ＲＯＭ（プログラムメモリ） ５ ＣＰＵ（データ処理手段） ５ａ 第１の演算手段 ５ｂ 第２の演算手段 ５ｃ 第３の演算手段 ６ メモリ ７ ＣＲＴ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 材料試験片に負荷を加える材料試験機本
   体と、 上記材料試験片に加わる荷重と該材料試験片に生じた伸
   びとをそれぞれ計測する手段と、 計測された上記伸びと荷重とを所定のサンプリング周期
   で順次抽出して計測データの系列として記憶する記憶手
   段と、 前記所定のサンプリング周期で抽出される計測データま
   たはこの計測データから求められる応力および歪みとか
   らなる検出データの一方を独立変数、他方を従属変数と
   する３次回帰曲線式を求める第１の演算手段と、 上記３次回帰曲線式にて示される回帰曲線上の変曲点を
   求め、該変曲点を接線点とする１次回帰直線式を求める
   第２の演算手段と、 上記１次回帰直線式にて示される回帰直線に基づいて前
   記材料試験片の特性を求める第３の演算手段とを具備し
   たことを特徴とする材料試験機。
2. 【請求項２】 前記第１の演算手段は、荷重または伸び
   下限値を越えた計測データが検出されたサンプリング時
   点から、その上限値を越えた計測データが計測されたサ
   ンプリング時点までのサンプリング区間における計測デ
   ータまたは検出データに基づいて３次回帰曲線式を回帰
   することを特徴とする請求項１に記載の材料試験機。
3. 【請求項３】 前記第１の演算手段は、荷重または伸び
   の下限値を越えたデータが計測されたサンプリング時点
   から予め定められた数のサンプリング後に３次回帰曲線
   式の回帰処理を開始すると共に、前記第２の演算手段に
   より上記３次回帰曲線式に基づいて求められる１次回帰
   直線に所定伸び量のオフセットを与えたオフセット直線
   に応じて規定される荷重値を下回る荷重データが計測さ
   れた時点で前記３次回帰曲線式の回帰処理を終了するこ
   とを特徴とする請求項１に記載の材料試験機。
4. 【請求項４】 前記３次回帰曲線式は、該３次回帰曲線
   式の正規方程式を用いて前記計測データまたは検出デー
   タから最小二乗法によりその係数を算出して求められる
   ことを特徴とする請求項１に記載の材料試験機。
5. 【請求項５】 前記第３の演算手段は、前記回帰直線か
   ら前記材料試験片の弾性率を求めると共に、前記回帰直
   線を伸び方向にオフセットした直線を耐力直線として該
   耐力直線と前記計測データまたは検出データの系列とか
   ら前記材料試験片の耐力を求めることを特徴とする請求
   項１に記載の材料試験機。