WO2011136060A1

WO2011136060A1 - 疲労試験用試験片の固定治具ならびに疲労試験装置

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Publication number: WO2011136060A1
Application number: PCT/JP2011/059471
Authority: WO
Inventors: 由佳里加我; 伊佐務飯田; 岡田　文夫; 正博石橋
Original assignee: 日本電気株式会社; 株式会社Ｉｈｉ検査計測
Priority date: 2010-04-26
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2011-11-03
Also published as: JPWO2011136060A1; JP5366230B2; US20130036828A1

Abstract

　固定治具は、疲労試験装置の荷重軸に取り付けられて試験片の被保持部を収容する収容凹部を備えたベースと、前記収容凹部内に支持されるように配置されて試験片の端面に面接触する押し具と、試験片の被保持部の雄ネジ部に螺合するインサートナットと、を含む。固定治具は更に、試験片を緩挿通させる孔部およびインサートナットに接触するフランジ部とを備えて、ベースに支持された押し具に試験片の端面が押し付けられるようにインサートナットを介して試験片を収容凹部内に保持する締結フランジを有している。

Description

疲労試験用試験片の固定治具ならびに疲労試験装置

　本発明は、疲労試験における試験片の固定治具ならびに疲労試験装置に関し、特に、塑性変形等の非弾性変形が大きい材料の試験に適した固定治具ならびに疲労試験装置に関する。

　一般に、材料の寿命を評価する方法の一つとして、繰り返し負荷を与える疲労試験がある。このような疲労試験方法には、負荷の方向が一軸の場合に、繰り返し変位を与えるもの、常に引張荷重または圧縮荷重を与えるもの、また、引張—圧縮のように荷重の方向が繰り返し変化するものなどがある。
　例えば、疲労試験は、非特許文献１に準拠して行われる。
　試験片としては、図１に示されるいわゆるダンベルのような中実円柱形状のものが推奨されている。この試験片１２０は、その両端にそれぞれ、被保持部小径部１２２と、被保持部小径部１２２よりも大径の被保持部大径部１２３とを備えている。
　試験片１２０は、図２に示されるような試験片固定治具（以後、固定治具）を用いて、疲労試験装置（図２においては、一部のみ図示）に装着される。詳しくは、試験片１２０の被保持部大径部１２３が、疲労試験装置の図示しない駆動源によって図中上下方向に駆動される荷重軸部３２０の先端に形成されたマウンタ３３０の中央の凹み部に載置される。被保持部大径部１２３には、試験片の固定治具である締結フランジ１３４が被せられ、ボルト１３５およびナット１３８を用いて被保持部大径部１２３がマウンタ３３０に固定される。尚、荷重軸部３２０は、疲労試験装置の一部であり、図示しない駆動源によって図中上下方向に駆動される。
　ところで、通常の疲労試験においては、試験片の長手方向に引張—圧縮または引張—引張の繰り返し負荷が印加される。このため、非特許文献１においても、負荷の方向が反転するときや変位速度が変化した際に、疲労試験装置に対する試験片の遊び（バックラッシュ）がないように設計されるべき旨が記載されている。
　図２に示されたものの他にも、疲労試験用試験片の固定治具には、種々のものがある。特に、試験片１２０のような被保持部が円柱形である試験片を固定する固定治具としては、複数のパーツに分離しており、被保持部の周囲を円周方向から均等に締め付けて固定するものがある。別の固定治具として、複数のパーツに分離しており、疲労試験装置と予め分離したパーツで試験片を固定した後に、この固定治具と試験片との組み合わせを疲労試験装置本体に固定するものがある。
　例えば、特許文献１には、試験片の被保持部とそれに対応する固定治具にネジが加工されており、両者を螺合させて固定する構成が開示されている。
　特許文献２には、試験片の被保持部表面は平滑だが、固定治具に設けられた鋸刃状突起を締め付けることによって、突起が試験片の被保持部に食い込んで固定する構成が開示されている。
　特許文献３には、両端の試験片の被保持部にそれぞれ板ばねが設けられ、さらにその板ばね同士が連結されており、引張試験において常に試験片に軸荷重のみがかかるようにした構成が開示されている。
　特許文献４には、試験片の被保持部に連結する駆動装置（ピストン）の出力軸にばねが設けられており、軸とばねの位置を予め設定することによって負荷荷重を調整するようにした構成が開示されている。
　特許文献５には、試験片の固定治具と試験片との間に試験片よりも十分に弾性率の小さいダンパ部材を設けることにより、微小荷重を印加して微小な変位を計測するような場合であっても高精度に試験を行えるようにした構成が開示されている。
　特許文献６には、試験片保持ブロックに形成された雌ネジ部に取付ピースを螺入し、取付ピースに形成された雌ネジ部に試験片を螺入する構造とし、試験片が螺入された取付ピースの取り付け、取り外しや、取付ピースの保持ブロックに対する螺入深さを調整することで試験片のサイズに対応させることにより、容易に小型の試験片の疲労試験を行えるようにした構成が開示されている。

特開平７−１７４６７８号公報特開２００５−３３７７９６号公報特開平６−３２３９７３号公報特開２００３−７５３１５号公報特開昭６２−２８５０３６号公報特開平７−９２０６８号公報

「はんだの低サイクル疲労試験法標準」（ＪＳＭＳ−ＳＤ−３−００）、（社）日本材料学会

　試験片に負荷をかけて発生する力や変形量などを測定する機械的特性試験の場合、試験片と固定治具、または固定治具と駆動部とが滑ったり、隙間が生じたりすることなく固定、駆動および変位や荷重の正確な計測がなされることが必要である。
　特許文献１および特許文献２においては、いずれも固定治具に対する試験片の接触面積を大きくすることにより、両者間の滑りを防ごうとしている。ところが、はんだに代表されるような応力緩和性や塑性変形等の非弾性変形が大きい材料の場合、ボルトなどで固定治具を締め付ける、あるいは突起を食い込ませても力が即座に緩和してしまうため、緊張を保持したまま固定することが難しい。ただし、引張または圧縮試験のように荷重方向が常に一定であれば、締め付けた力は多少緩和するものの、固定治具と試験片とは滑り難く、遊びも生じ難いため、特許文献１および特許文献２の方法は有効と考えられる。一方、疲労試験の場合は、試験片が固定治具のネジ山または突起との間で塑性変形するため、荷重方向が反転する際の試験片の遊びが繰り返しごとに徐々に大きくなると考えられる。
　特許文献３においては、固定治具に対して常に引張方向に緊張しているため遊びは生じないが、疲労試験の場合は上記と同様の理由で遊びが徐々に大きくなると考えられる。
　特許文献４においては、駆動軸にばねが作用するため、疲労試験においても駆動部と試験機本体との遊びは低減される可能性があるが、固定治具に対する試験片の遊びには対処されていない。
　特許文献５においては、ダンパ部材が試験片の変位を実際よりも大きく変化させてしまい、正確な測定が困難である。
　特許文献６においては、荷重方向が反転する時の固定治具に対する試験片の遊びを低減させる効果がない。
　それ故、本発明の課題は、荷重方向が反転する時の固定治具に対する試験片の遊びがなく、良好な応力—ひずみヒステリシスが得られる疲労試験用試験片の固定治具を提供することである。
　本発明の他の課題は、上記のような固定治具を有する疲労試験装置を提供することである。

　本発明の態様によれば、疲労試験用試験片の固定治具において、試験片は、雄ネジ部が形成された被保持部を備えており、疲労試験装置の荷重軸に取り付けられ、試験片の被保持部を収容する収容凹部を備えたベースと、前記ベースの前記収容凹部内に該ベースに支持されるように配置され、試験片の端面に面接触する押し具と、試験片の被保持部の雄ネジ部に螺合するインサートナットと、試験片を緩挿通させる孔部と、前記インサートナットに接触するフランジ部とを備え、前記ベースに支持された前記押し具に試験片の端面が押し付けられるように該インサートナットを介して試験片を前記収容凹部内に保持する締結フランジと、を有することを特徴とする疲労試験用試験片の固定治具が得られる。
　本発明の他の態様によれば、前記固定治具を有する疲労試験装置が得られる。

　本発明による固定治具は、はんだなどの非弾性変形が大きい材料の疲労試験において、荷重方向が反転する時の固定治具に対する試験片の遊びを生じさせない。このため、正確な荷重検知が可能となり、また、非常に良好な応力—ひずみ（荷重—変位）ヒステリシス（履歴）が得られる。
　特に、これまで実行が困難だった高温、例えば、融点より約３０℃低い程度の温度であっても、はんだの疲労試験を行うことができる。

　図１は、疲労試験法標準で用いられる試験片の一例を示す側面図である。
　図２は、疲労試験法標準における試験片の固定方法を示す図である。
　図３は、本発明の第１の実施例による試験片固定治具を部分的に断面で表した側面図である。
　図４Ａは、図３に示された固定治具で用いられる押し具の側面図である。
　図４Ｂは、図３に示された固定治具で用いられる押し具の底面図である。
　図５Ａは、図３に示された固定治具で用いられるインサートナットを、一部を断面で表した側面図である。
　図５Ｂは、図３に示された固定治具で用いられるインサートナットの上面図である。
　図６Ａは、本発明の固定治具の固定対象である、疲労試験法標準で用いられる試験片の他の例を示す側面図である。
　図６Ｂは、図６Ａに示された試験片の他の例の端面図である。
　図７Ａは、各種材料の応力−ひずみ曲線を示した図である。
　図７Ｂは、図７Ａの円形部分内を拡大して示した図である。
　図８は、図３に示された固定治具を有する本発明の疲労試験装置、この固定治具を有していない比較例としての疲労試験装置それぞれを用いて得られたはんだ材料の試験片に関する応力—ひずみヒステリシスを示す図である。
　図９Ａは、本発明による圧縮−伸張２サイクル目と１００サイクル目以上のはんだ材料の試験片に関する応力—ひずみヒステリシスを示す図である。
　図９Ｂは、比較例による圧縮−伸張２サイクル目と１００サイクル目以上の応力—ひずみヒステリシスを示す図である。
　図１０は、本発明の第２の実施例による試験片固定治具で用いられる押し具の側面図である。
　図１１は、本発明の第３の実施例による試験片固定治具を、部分的に断面で表した側面図である。

　本発明による疲労試験用試験片の固定治具は、雄ネジ部（第１の雄ネジ部）が形成された被保持部を備えた試験片を対象としており、ベースと、押し具と、インサートナットと、締結フランジとを有している。
　ベースは、疲労試験装置の荷重軸に取り付けられ、試験片の被保持部を収容する収容凹部を備えている。押し具は、ベースの収容凹部の底面上に設けられ、試験片の端面に面接触する。インサートナットは、試験片の被保持部の雄ネジ部に螺合する。締結フランジは、試験片を緩挿通させる孔部と、インサートナットに接触するフランジ部とを備え、インサートナットを介して試験片をベースに対して締結する。緩挿通というのは、緩めの挿入を意味する。
　本発明による固定治具においては、上記構成により、例えばはんだ材料の試験片について疲労試験を行う際に、次のような作用効果を奏する。
　はんだは、一般に応力緩和性が大きく、緩和時間が短い。また、降伏後の塑性変形（非弾性変形）が大きい。
　一方、疲労試験においては、試験片に対して一定の変位が繰り返し与えられる。よって、試験片は、引張と圧縮とが交互に繰り返される。
　駆動方向が反転すると、はんだに生じる応力は即座に緩和し減少する。しかし、非弾性変形は駆動反転に追随できない。この結果、試験片と試験片固定治具との間に隙間が生じていた。この隙間は繰り返しによって徐々に大きくなる。
　このように試験片と試験片固定治具との間に隙間が生じるプロセスは、固定治具に対する試験片の接触面積の大きさには依らない。したがって、試験片と固定治具とを螺合させたり、貫通孔などにより固定したりする方法によっても解消しない。
　これに対し、前述した構成の本発明の試験片固定治具においては、引張時には試験片と押し具が常に接触しているため、駆動が反転して圧縮になっても隙間による影響が出ない。さらに、通常、圧縮時に発生すると危惧される試験片の被保持部円周方向の膨張変形は、インサートナットの拘束によって発生せず、かつ試験片と押し具とが接触しているため、次の反転時にも隙間による影響が出ない。
　本発明による試験片固定治具において、押し具およびインサートナットは、はんだなどの試験片に比べて弾性率が大きいことが好ましい。あるいは、押し具およびインサートナットは、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０４）またはチタン合金から成るものが好ましい。
　さらに、押し具は、バネによって構成されていてもよい。この場合にも、押し具全体として、試験片に比べて弾性率が大きいことが望ましい。
　また、押し具は、インサートナット内で試験片の端面に面接触してもよい。
　また、ベースの収容凹部に雌ネジ部が形成される一方、押し具に雄ネジ部（第２の雄ネジ部）が形成されており、押し具は、収容凹部の雌ネジ部に螺合することにより、試験片の端面への押圧荷重を調整可能にベースに支持されるものであってもよい。
　以下、図面を参照して、本発明による固定治具の実施例を説明する。

　図３を参照すると、本発明の第１の実施例による固定治具３０は、図６Ａおよび図６Ｂに詳しく示された試験片２０を対象としており、ベース３１と、押し具３２と、インサートナット３３と、締結フランジ３４とを有している。
　試験片２０は、図６Ａおよび図６Ｂに示されるように、ダンベル状の円柱形を呈し、雄ネジ部（第１の雄ネジ部）２３が形成された被保持部２２を備えている。
　ベース３１は、略円柱状を呈し、一部のみ図示された疲労試験装置の荷重軸部３２０の端部に形成されたマウンタ３４０にボルト３５０を用いて取り付けられ、試験片２０の被保持部２２を収容する収容凹部３１ａを備えている。尚、図３において、２本のボルト３５０が図示されているが、本実施例においては、同心円上を等間隔（４５度）に８本のボルトが実際に用いられている。
　押し具３２は、図４Ａおよび図４Ｂに詳しく示されており、段差付きの略円板状を呈し、フランジ部３２ａと、凸部３２ｂとを備えている。押し具３２は、ベース３１の収容凹部３１ａの底面上にフランジ部３２ａが接するように配置され、凸部３２ｂの頂面が試験片２０の端面に面接触する。尚、図４Ａおよび図４Ｂ中の符号３２ｃは、空気抜きのための切欠を示している。
　インサートナット３３は、図５Ａおよび図５Ｂに詳しく示されており、段差付きの略円筒状を呈し、大径部３３ａと、小径部３３ｂと、小径部３３ｂから大径部３３ａに亘って内周面に形成された雌ネジ部３３ｃとを備えている。雌ネジ部３３ｃは、試験片２０の被保持部２２の雄ネジ部２３に螺合する。尚、図５Ａおよび図５Ｂ中の符号３３ｄは、空気抜きのための孔を示している。押し具３２は、インサートナット３３内で試験片２０の端面に面接触している。
　押し具３２およびインサートナット３３は、はんだなどの試験片２０に比べて弾性率が大きいことが好ましい。具体的な材質例としては、はんだ試験片の場合、はんだの弾性率が１０~７０ＧＰａ程度であることから、押し具３２およびインサートナット３３の材料として、弾性率が２００ＧＰａ以上であるステンレス鋼または鉄−コバルト−クロム−ニッケル系合金、あるいは、弾性率が８８Ｐａであるチタン合金などを用いることができる。また、押し具３２およびインサートナット３３以外の固定治具の構成部品、即ち、ベース３１、締結フランジ３４、ボルト３５等も、はんだなどの試験片２０に比べて弾性率が大きいことが好ましい。
　各材料の弾性率は、各材料の応力−ひずみ曲線である図７Ａおよび図７Ｂに示されるように、室温で、はんだは約３３ＧＰａ、ステンレス鋼は約２００ＧＰａ、チタン合金は約８８ＧＰａである。
　尚、本実施例において想定される疲労試験の応力は、最大約１００ＭＰａ、平均１０~３０ＭＰａ程度である。したがって、ステンレス鋼やチタン合金から成る押し具３２およびインサートナット３３にこれらの負荷が繰り返しかかっても、荷重が除去されれば元の変位に、または、変位が原点に戻れば荷重もゼロに戻る。一方、はんだは２０~３０ＭＰａ以上の負荷を受けると、永久変形が大きくなり、元の形状には戻らない。
　締結フランジ３４は、略円板状を呈し、試験片２０を緩挿通させる孔部３４ａと、インサートナット３３に接触するフランジ部３４ｂとを備え、ボルト３５によって、インサートナット３３を介して試験片２０をベース３１に対して締結する。尚、図３において、２本のボルト３５が図示されているが、本実施例では、同心円上を等間隔（４５度）に８本が実際には用いられている。
　尚、図３は、試験片２０の一端側のみの構成を示しており、実際には、両側に同じ構成がある。ただし、一方の荷重軸には、疲労試験装置におけるピストン運動可能な動力源（図示せず）が接続されているが、他方の荷重軸は、不動に固定されている。
　さて、本発明による固定治具３０においては、はんだなどの非弾性変形が大きい材料の疲労試験に際し、上記構成により、例えばはんだ材料の試験片２０について疲労試験を行う際に、次のような作用効果を奏する。
　試験片固定治具３０を用いてはんだ材料の試験片２０が装着された疲労試験装置が稼動開始し、まず試験片２０が引張荷重を受けると、試験片２０に引張応力が発生してひずみ（伸び）が発生する。通常は、引っ張られているときに試験片２０の径は若干減少する。しかし、試験片２０が押し具３２によって常に圧力を受けているため、径の減少は起こらない。したがって、試験片２０は、インサートナット３３にも常に接触している。
　次いで、試験片２０が圧縮荷重を受けると、試験片に圧縮応力が発生してひずみ（縮み）が発生する。通常は、圧縮されているときに試験片２０の径は若干増加する。しかし、試験片２０は押し具３２による圧力を受けていることに加え、インサートナット３３からも圧力を受けているため、径の増加は起こらない。
　結局、負荷の反転が繰り返されても、固定治具３０と試験片２０との間に隙間は発生しない。
　図８は、はんだ材料の試験片２０について、本実施例による固定治具３０を有する疲労試験装置を用いて得られた応力—ひずみヒステリシスと、比較例として固定治具３０を有していない従来の疲労試験装置を用いて得られた応力—ひずみヒステリシスを示す。図８から明らかなように、本実施例による応力—ひずみヒステリシスは、横軸のひずみ（変形）振幅が増減しても最大応力がほぼ一定となっている。一方、比較例による応力—ひずみヒステリシスは、ひずみに対する応力が充分検知されておらず、試験片２０の固定が不良であると推測される。尚、図８のヒステリシスはいずれも同一組成のはんだから成る試験片２０の１２５℃における測定例である。図８中、＊印で示されるヒステリシスは本実施例の２サイクル目で振幅が大きい場合、□印で示されるヒステリシスは本実施例の２サイクル目で振幅が小さい場合を示す。一方、○印で示されるヒステリシスは比較例の２サイクル目を示す。
　図９Ａは、本実施例による固定治具３０を有する疲労試験装置を用いた圧縮−伸張２サイクル目を太い線で示し、１００サイクル目以上の応力—ひずみヒステリシスを細い線で示す。図９Ａから明らかなように、ひずみが最大値から反転して減少し始める領域における履歴の挙動がより精度よく測定され、サイクル数が増えても変わらない。
　図９Ｂは、比較例として固定治具３０を有していない従来の疲労試験装置を用いた圧縮−伸張２サイクル目を太い線で示し、１００サイクル目以上の応力—ひずみヒステリシスを細い線で示す。図９Ｂから明らかなように、ひずみが最大値から反転して減少し始める領域における履歴の不正な挙動が、サイクル数が増えるにしたがって顕著になっていることがわかる。

　本発明の第２の実施例による固定治具は、押し具の構造が第１の実施例と異なる。このため、第１の実施例と同様の構成については、説明を省略する。
　図１０を参照すると、押し具８２は、第１フランジ部８２ａと、第１フランジ部８２ａよりも小径の第２フランジ部８２ｂと、第１フランジ部８２ａと第２フランジ部８２ｂとの間に取り付けられたコイルバネ８２ｃとを備えている。コイルバネ８２ｃは、図１０では３本表れているが、本実施例においては、同心円上を等間隔（１２０度）に３本設けられている。尚、押し具８２の第１フランジ８２ａにも、第１の実施例の押し具３２と同様に、空気抜きのための切欠が形成されることが好ましい。
　押し具８２は、ベース３１の収容凹部３１ａ（図３）の底面上にフランジ部８２ａが接するように配置され、凸部８２ｂの頂面が試験片２０（図３）の端面に面接触し、第１の実施例における押し具３２と同様に機能する。
　このような構造の押し具の場合にも、構造全体の弾性率が試験片の弾性率よりも大きいことが好ましい。

　本発明の第３の実施例による固定治具は、押し具の構造が第１の実施例及び第２の実施例と異なる。このため、第１の実施例及び第２の実施例と同様の構成については、説明を省略する。
　図１１を参照すると、本実施例による固定治具３０’において、ベース３１’には、貫通孔状の収容凹部３１ａ’が形成されている。収容凹部３１ａ’の図中下側の所定範囲には、雌ネジ部３１ａ’−１が形成されている。一方、押し具３２’の外周面には、収容凹部３１ａ’の雌ネジ部３１ａ’−１に螺合可能な雄ネジ部（第２の雄ネジ部）３２’−１が形成されている。そして、押し具３２’は、ベース３１’をマウンタ３４０に固定する前に収容凹部３１ａ’の図中下方から雌ネジ部３１ａ’−１に螺合されることにより、ベース３１’に支持される。押し具３２’の収容凹部３１ａ’に対する螺入の深さを調整することにより、試験片２０の端面にかかる押圧荷重を調整することができる。
　以上、本発明を、複数の実施例を参照して説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、請求項に記載された本発明の精神や範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
　この出願は、２０１０年４月２６日に出願された日本出願特願２０１０−１００５７３を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。

　　　　２０、１２０　　試験片
　　　　　　　　２２　　被保持部
　　　　　　　　２３　　雄ネジ部
　　　　３０、３０’　　固定治具
　　　　　３１、３１’　ベース
　　　３１ａ、３１ａ’　収容凹部
　３２、３２’、８２　　押し具
　　　　　　　　３３　　インサートナット
　　　　　　　　３３ａ　大径部
　　　　　　　　３３ｂ　小径部
　　　　　　　　３３ｃ　雌ネジ部
　　　　　　　　３４　　締結フランジ
　　　　　　　　８２ａ　第１フランジ部
　　　　　　　　８２ｂ　第２フランジ部
　　　　　　　　８２ｃ　コイルバネ
　　　　　　　３２０　　荷重軸部
　　　３３０、３４０　　マウンタ

Claims

　疲労試験用試験片の固定治具において、
　試験片は、第１の雄ネジ部が形成された被保持部を備えており、
　疲労試験装置の荷重軸に取り付けられ、試験片の被保持部を収容する収容凹部を備えたベースと、
　前記ベースの前記収容凹部内に該ベースに支持されるように配置され、試験片の端面に面接触する押し具と、
　試験片の被保持部の第１の雄ネジ部に螺合するインサートナットと、
　試験片を緩挿通させる孔部と、前記インサートナットに接触するフランジ部とを備え、前記ベースに支持された前記押し具に試験片の端面が押し付けられるように該インサートナットを介して試験片を前記収容凹部内に保持する締結フランジと、
を有することを特徴とする疲労試験用試験片の固定治具。
　前記押し具および前記インサートナットは、試験片よりも弾性率が大きい請求項１に記載の固定治具。
　前記押し具および前記インサートナットは、ステンレス鋼またはチタン合金から成る請求項１または２に記載の固定治具。
　前記押し具は、バネによって構成されている請求項１乃至３のいずれか１つに記載の固定治具。
　前記押し具は、前記インサートナット内で試験片の端面に面接触する請求項１乃至４のいずれか１つに記載の固定治具。
　前記ベースの前記収容凹部に雌ネジ部が形成される一方、前記押し具に該雌ネジ部に螺合する第２の雄ネジ部が形成されており、
　前記押し具は、前記収容凹部の前記雌ネジ部に螺合することにより、試験片の端面への押圧荷重を調整可能に前記ベースに支持される請求項１乃至５のいずれか１つに記載の固定治具。
　請求項１乃至６のいずれか１つに記載の前記固定治具を有する疲労試験装置。