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技術 万能材料試験方法及びその装置

出願人 学校法人日本大学
発明者 今村仙治
出願日 2001年5月31日 (19年8ヶ月経過) 出願番号 2001-165180
公開日 2002年12月13日 (18年2ヶ月経過) 公開番号 2002-357522
状態 特許登録済
技術分野 機械的応力負荷による材料の強さの調査
主要キーワード 支柱枠体 許容範囲値 追加指令 目的材料 破断直前 荷重機構 ひずみ線 荷重指令
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この項目の情報は公開日時点(2002年12月13日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (5)

課題

従来方法では得られない測定値を得る万能材料試験方法、及びこの試験方法を実行する試験装置を提供する。

解決手段

負荷荷重によって材料の機械的性質試験する方法において、初期荷重から段階的増加荷重を作用させる方法であって、各段階の負荷荷重におけるひずみについて単位時間内の変化量が所定範囲内であることを確認後に、次段階の荷重を追加して作用させ、各段階の物理的、時間的変化を測定する。その試験装置は、試験片(4)に荷重を作用させる荷重機構(2)と、試験片の変形を検出する検出手段(5)と、ひずみの単位時間内の変化量が所定範囲内であるかを判定する判定手段(J)と、判定後に次段階の荷重の追加指令をする負荷荷重制御手段(L)から構成する。また、荷重機構には荷重を一定に維持する定荷重制御手段(C)を用いても良く、各段階の負荷荷重(Wn)とその時の物理的、時間的変化を記録する記録手段を具備しても良い。

概要

背景

従来の万能材料試験に関する試験装置は、例えば、引張試験機1としては、図1に示すように、基台10の上面に、前後を開放した門型支柱枠体11を立設配置し、該支柱枠体11内に垂直上下位置にそれぞれ配設した上側チャック12、及び下側チャック13で試験片4を把持し、一方側(図では上側)のチャック12にロードセル14を介して引張荷重荷重機構2を取付け、他方側(図では下側)のチャック13は基台10に固定された構成のものであった。引張荷重の荷重機構2は、基台10の下部配置のサーボモータ21によって支柱枠体11の両側に内蔵した各ボールネジ18を回転させることにより、これに連係したクロスヘッド17を垂直上下方向に動かす構成を取っている。上側チャック12は、このクロスヘッド17にロードセル14を介して懸垂支持されており、垂直上下移動して試験片4に引張荷重を作用させるものであり、試験片4に作用している実際の引張荷重はロードセル14からの情報により検出されるものである。

かかる装置を用いた従来の材料試験方法では、例えば、試験材料降伏点破断点を求めるためには、破断点に達すると想定される荷重(例えば、500N〜300KN)まである所定の速度(例えば、クロスヘッド速度0.1mm/分)で引張荷重を作用させながら、その過程におけるひずみεの変化を逐次測定して行くものであった。

また、このように所定の荷重を適宜に設定した速度で負荷させて行く手法は、引張試験圧縮試験、及び曲げ試験、等の材料の機械的性質を特定するための測定試験においては一般的共通の手法であり、従来から現在まで連綿と続けられていたものである。

概要

従来方法では得られない測定値を得る万能材料試験方法、及びこの試験方法を実行する試験装置を提供する。

負荷荷重によって材料の機械的性質を試験する方法において、初期荷重から段階的増加の荷重を作用させる方法であって、各段階の負荷荷重におけるひずみについて単位時間内の変化量が所定範囲内であることを確認後に、次段階の荷重を追加して作用させ、各段階の物理的、時間的変化を測定する。その試験装置は、試験片(4)に荷重を作用させる荷重機構(2)と、試験片の変形を検出する検出手段(5)と、ひずみの単位時間内の変化量が所定範囲内であるかを判定する判定手段(J)と、判定後に次段階の荷重の追加指令をする負荷荷重制御手段(L)から構成する。また、荷重機構には荷重を一定に維持する定荷重制御手段(C)を用いても良く、各段階の負荷荷重(Wn)とその時の物理的、時間的変化を記録する記録手段を具備しても良い。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

対象材料試験片に引張・圧縮曲げ等を負荷して、その荷重における変化を測定することにより、その材料の機械的性質試験する万能材料試験方法において、ある設定した初期荷重から段階的に増加させた負荷荷重を作用させる方法であって、各段階の負荷荷重における試験片のひずみの単位時間内の変化量が所定値の範囲内であることを確認した後に、次のステップ荷重を追加した負荷荷重を作用させることにより、各段階の負荷荷重における物理的変化、及び時間的変化を測定することを特徴とした万能材料試験方法。

請求項2

試験片(4)に荷重を作用させる荷重機構(2)と、試験片(4)の変形を検出する検出手段(5)と、該検出手段(5)からの情報によりその荷重時におけるひずみの単位時間内の変化量が所定値の範囲内であることを判定する判定手段(J)と、該判定手段(J)によりひずみの単位時間内の変化量が所定値の範囲内であることを判定した後に、さらに所定量のステップ荷重を追加することを前記荷重機構(2)に指示する負荷荷重制御手段(L)と、からなることを特徴とする万能材料試験装置

請求項3

前記荷重機構(2)によって試験片(4)に作用させた負荷荷重を一定に維持する定荷重制御手段(C)を備えたこと特徴とする請求項2記載の万能材料試験装置。

請求項4

各段階の負荷荷重(Wn)とその時の物理的変化、及び時間的変化を記録する記録手段を備えたことを特徴とする請求項2、又は3記載の万能材料試験装置。

--

0001

本願発明は、目的材料試験片に引張・圧縮曲げ等を負荷して、当該材料等の物性評価に用いる万能材料試験方法、及びその装置に関する。

背景技術

0002

従来の万能材料試験に関する試験装置は、例えば、引張試験機1としては、図1に示すように、基台10の上面に、前後を開放した門型支柱枠体11を立設配置し、該支柱枠体11内に垂直上下位置にそれぞれ配設した上側チャック12、及び下側チャック13で試験片4を把持し、一方側(図では上側)のチャック12にロードセル14を介して引張荷重荷重機構2を取付け、他方側(図では下側)のチャック13は基台10に固定された構成のものであった。引張荷重の荷重機構2は、基台10の下部配置のサーボモータ21によって支柱枠体11の両側に内蔵した各ボールネジ18を回転させることにより、これに連係したクロスヘッド17を垂直上下方向に動かす構成を取っている。上側チャック12は、このクロスヘッド17にロードセル14を介して懸垂支持されており、垂直上下移動して試験片4に引張荷重を作用させるものであり、試験片4に作用している実際の引張荷重はロードセル14からの情報により検出されるものである。

0003

かかる装置を用いた従来の材料試験方法では、例えば、試験材料降伏点破断点を求めるためには、破断点に達すると想定される荷重(例えば、500N〜300KN)まである所定の速度(例えば、クロスヘッド速度0.1mm/分)で引張荷重を作用させながら、その過程におけるひずみεの変化を逐次測定して行くものであった。

0004

また、このように所定の荷重を適宜に設定した速度で負荷させて行く手法は、引張試験圧縮試験、及び曲げ試験、等の材料の機械的性質を特定するための測定試験においては一般的共通の手法であり、従来から現在まで連綿と続けられていたものである。

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら、上記従来の手法は、試験片の一応のひずみ、降伏点、及び破断点などを把握することはできるが、予め設定した速度をもって目的の現象(例えば、破断)まで連続して引張り、または圧縮をしていくことに主眼を置いており、ある荷重を作用させた場合の試験片に生じる真のひずみの変化量には着目していないのが現状であった。別言すると、例えば、塑性変形が始まる降伏点の測定においては、一定の荷重下で長時間を掛けてゆっくりとひずみが進行して行く現象が見られ、引張り速度に依存した従来の測定方法ではひずみが未だ進行中である安定しない状態での測定となり、ある荷重時点において生じ始めるひずみが終わらないうちに、さらに次の荷重を作用させることとなり、その測定値信頼性と根拠に問題があった。

0006

したがって、同一材料であっても引張り速度(例えば、クロスヘッドの移動速度として設定)の設定如何によっては、ひずみ速度が区々となったり、または同じ材料でも負荷する荷重によってひずみ速度が異なる場合もあり、かかる観点に着目していない従来の試験方法には、材料の真の機械的性質を捉えていないと言う問題があった。

0007

また、上記従来の試験方法を実行する試験装置においても、かかる観点がないため如何なる速度で荷重を作用させるか、その時のひずみを如何に正確に測定するか、または降伏点や破断点を如何に正確に測定するか、などに神経を使うのみで、たとえ近年目覚ましい発展を遂げたコンピュータ技術を用いているとしても、上記従来の測定観点から抜け出せずに、これらの測定の正確性と自動化を追求するものに過ぎなかった。

0008

そこで、本願発明は上記従来の材料試験方法の観点を根本的に変更し、今まで着目されていなかった新たな観点のもとに万能材料試験を行うことにより、従来の試験方法では得ることができなかった測定値を得ることを目的とした万能材料試験方法、及びこの新規な試験方法を実行することができる試験装置を提供するものである。

課題を解決するための手段

0009

上記目的を達成するため本願発明の万能材料試験方法及びその装置は、以下のように構成している。すなわち、本願発明の万能材料試験方法は、対象材料の試験片に引張・圧縮・曲げ等を負荷して、その荷重における変化を測定することにより、その材料の機械的性質を試験する万能材料試験方法において、ある設定した初期荷重から段階的に増加させた負荷荷重を作用させる方法であって、各段階の負荷荷重における試験片のひずみの単位時間内の変化量が所定値の範囲内であることを確認した後に、次のステップ荷重を追加した負荷荷重を作用させることにより、各段階の負荷荷重における物理的変化、及び時間的変化を測定することを特徴としている。

0010

そして該試験方法を実行する装置は、試験片(4)に荷重を作用させる荷重機構(2)と、試験片(4)の変形を検出する検出手段(5)と、該検出手段(5)からの情報によりその荷重時のおけるひずみの単位時間内の変化量が所定値の範囲内であることを判定する判定手段(J)と、該判定手段(J)によりひずみの単位時間内の変化量が所定値の範囲内であることを判定した後に、さらに所定量のステップ荷重を追加することを前記荷重機構(2)に指示する負荷荷重制御手段(L)と、からなることを特徴とする。

0011

上記荷重機構(2)は、段階的(ステップ的)にステップ荷重を作用させることができるもの、例えば、所定荷重重り分銅)を順次積み上げて行く方法でもよいが、これを機構的に実現するため、試験片(4)に作用させた荷重を一定に維持する定荷重制御手段(C)を用いることが好ましい。

0012

さらに、後に測定データを解析する目的から、各段階の負荷荷重(Wn)とその時の物理的変化、及び時間的変化を記録する記録手段を備えたことを特徴とする。

0013

ところで、本願発明にかかる試験方法は、所定の単位重さの重りを試験片の下端部に垂下させて一定重さの負荷荷重(Wn)を、ひずみの変化量が所定値の範囲内に収まるまで作用させ、当該所定値の範囲内であることを確認したところで、次のステップ荷重を追加した負荷荷重(Wn)を順次乗せてゆく、と言う従来にない手順の試験方法であるため、本発明者はこれを「重り式万能試験方法」及び「重り式万能試験機」と命名して、従来方式の油圧式やねじ式、又は槓桿こうかん)式万能試験機と区別することとしている。

0014

なお、上記の特許請求の範囲及び課題を解決するための手段の欄で記載した括弧付き符号は、発明の構成の理解を容易にするため参考として図面符号を付記したもので、この図面上の形態に限定するものでないことはもちろんである。

発明を実施するための最良の形態

0015

次に、上記構成の具体的実施形態例について説明する。本願の試験装置は、引張試験機、圧縮試験機曲げ試験機、等の万能材料試験機として利用することができるが、本実施例では引張試験機として利用した場合について説明する。

0016

本実施例にかかる引張試験機1の機械的構成は、上記した従来機と同様構成であり、基台10、支柱枠体11、上側チャック12、下側チャック13、ロードセル14、クロスヘッド17、ボールネジ18、及び荷重機構2、から構成されている。そして、支柱枠体11には試験片4を上下側チャックに取付け段取りをするための初期設定用情報を表示させる表示器15とその操作を行うための操作ボックス16とを付帯配置している。荷重機構2は上側チャック12を、クロスヘッド17とボールネジ18の連係を介して上下垂直方向へ移動させる変速機構20と、該変速機構20へ微細駆動力を供給するサーボモータ21とからなり、該サーボモータ21は設定した荷重を一定に維持する「定荷重制御」と、設定したステップ荷重ΔWを追加して負荷させるための「負荷荷重制御」とを行っている。これらの各制御は、試験機1に付帯させたパーソナルコンピュータ(「パソコン」)3を用いたプログラム制御により行ない、これらのステップ荷重ΔW、負荷荷重Wn、及び経過時間等の逐次情報ディスプレイ31に表示させるとともにハードディスクフレキシブルディスク、等の記憶手段30に格納するようにしている。

0017

上記制御うちの「定荷重制御」を実行する定荷重制御手段Cは、設定した荷重(例えば、100N)が常に試験片4の下端部に作用するように制御するためのものである。例えば、クロスヘッド17を用いた荷重作用において、当初100Nの荷重で引張った場合に、これによって伸びが生じて当初の荷重(100N)が変化するため、ロードセル14からの信号をリアルタイム監視して、常に設定荷重(100N)の荷重が作用するようにサーボモータ21を適宜に微少回転させて制御するものである。いわば、試験片4の下端に重り(分銅)を垂下させた状態を、上側チャック12の機構的引張りによって実現したものと言うことができる。なお、この定荷重制御手段Cを実行する機構自体は従来からの既存技術である。

0018

また上記した制御のうちの「負荷荷重制御」を実行する負荷荷重制御手段Lは、設定した初期荷重W1から所定のステップ荷重ΔWを段階的(ステップ的)に順次追加した負荷荷重Wnを作用させるように制御するものであり、後述する制御フローチャートにしたがって行われる。

0019

上下側チャック12,13で把持された試験片4の標点距離間には、ストレインゲージ5を配置しており、試験片4のひずみεをストレインメータ32で増幅した信号をリアルタイムで上記制御を担うパソコン3に送るようにしている。

0020

次に、本実施にかかる試験方法は、上記構成の試験機1を以下のように制御することによって実現される。これについては、図2に示すフローチャートに基づいて説明する。

0021

先ず、STEP1(以下「S1」と略称。)として、サーボモータ21に測定を開始するための初期荷重W1を作用させる指令を送る。この初期荷重W1は弾性の範囲で適宜に設定される。そして、この初期荷重W1が常に一定の荷重を維持し得るようにロードセル14からのセンサー信号を監視し(S2)、微妙な伸びによる引張荷重の変動を考慮して、上述したサーボモータ21を適宜に微細駆動させて常に負荷中の荷重が一定となるようにしている(S3)。

0022

次に、負荷する荷重が上記初期荷重W1に到達し、かつ定荷重制御手段Cにより一定値を維持しながら、試験片4に取付けたストレインゲージ5からの出力信号をもとにひずみεの測定を開始する(S4)。続いて、測定開始時のひずみεaを一旦読み取り記憶し(S5)、所定時間(例えば、10秒、20秒、等)の経過後に(S6)、再びひずみεbを読み取り記憶し(S7)、前後ひずみの変化量εd(=εb−εa)が所定の許容範囲値P内(|εd|≦P)であるか否かを判定手段Jにより判定する(S8)。そして、この前後ひずみの変化量εdが所定の許容範囲値P外(|εd|>P)であるときは、再び所定時間後(例えば、10秒、20秒、等)に測定して再びその差εdを求め、以後許容範囲値P内(|εd|≦P)となるまで、この動作を繰り返すこととする。

0023

一方、|εd|≦Pとなった場合には、初期荷重W1におけるひずみの進行はほぼ停止したものと判定し(S9)、その時の経過時間等を記録手段(例えば、内部または外部のメモリーディバイス)へ記録しておく。なお、本来はP=0であることが望ましいが、試験片4の引張りは上記した構成の荷重機構2で行っているため、多少の振れが発生して、εd=0に収束まで待つことは現実的でないため、予め設定した許容範囲値Pの範囲内に収束したことをもって、ひずみの進行が停止したものとみなす擬制停止)こととしている。ただし、負荷荷重を上記荷重機構2でなく重りを垂下させる方式とした場合は、ひずみ進行の停止(P=0)を判定するようにしてもよい。

0024

次に、|εd|≦Pと判定された後、負荷荷重制御手段Lにより、初期荷重W1に所定量のステップ荷重ΔWを追加した二段階目の負荷荷重W2(=W1+ΔW)の荷重指令をサーボモータ21へ送る(S10)。

0025

ここで再びひずみの進行が停止(擬制停止を含む。)するまで、二段階目の負荷荷重W2を上記した定荷重制御により一定に維持するようにする。そして、この二段階目の負荷荷重W2によるひずみの進行が停止したところで、更にステップ荷重ΔWを追加して行く動作を繰り返して行く。いわば、試験片4の下端に所定量の分銅を垂下させ、ひずみの進行が停止した時点で、次の分銅を追加して積み上げて行くという方式である。この分銅による負荷は、作用中は常に一定の負荷荷重が維持されている状態にあり、この状態を上記構成の引張機構で実現するために、上記の定荷重制御手段Cを用いている。

0026

このようにして試験片4に一定値を維持しながら負荷させた負荷荷重Wnに、さらにステップ荷重ΔWを追加した次段の負荷荷重Wn+1(=Wn+ΔW)を、順次段階的に作用させて行くことにより、各ステップ毎のひずみ、及びひずみ停止(擬制停止を含む。)までに要した時間、等を測定するようにしている。

0027

[測定例]上記試験方法を用いて測定した値をグラフ化すると、図3及び図4となる。図3はステップ荷重ΔWを追加して次段負荷荷重Wn+1を負荷させたときのひずみの変化の様子を示したもので、ステップ荷重ΔWの作用に要した時間Δt、ステップ荷重ΔWの作用(次段負荷荷重Wn+1の作用)直後ひずみの変化量Δε、ひずみが安定するまでに要した時間tn、及び次段負荷荷重Wn+1の作用直後から許容範囲値P内に安定するまでに生じたひずみの変化量εn、が示されている。

0028

また図4は本願試験方法と従来試験方法の測定による応力−ひずみの関係を示したグラフである。従来見られた降伏点yにおいて応力が若干減少する現象が表れず破断直前まで自然な形でひずみが増大して行くことが分かる。

0029

上記実施例において、ひずみの測定を試験片4に貼付けたストレインゲージ5により測定することとしているが、ひずみ測定手段はこれに限定するものでないことはもちろんであり、接触式非接触式のいずれのセンサー手段を用いてもよい。

発明の効果

0030

本願発明をこのように構成することにより、以下に挙げた効果を得ることができる。金属材料には荷重をかけた瞬間からゆっくりと変形する現象があり、それが材料や荷重によってその変化する時間に差があるのが、顕著な差として測定できる。

0031

また、その時定数を求めることにより次のようなことが見えてくる。応力—ひずみ線図を作成したとき、従来見られた降伏点において応力が若干さがる現象の特異点上降伏点下降伏点)が表れず破断直前までなだらかにひずみが増大して行く線図として表すことができる。また、一度破壊近くまで荷重を負荷させたものを、再度同様な試験を行うとひずみの変化に差ができる。

0032

さらに材料の成分や製法による差を定量化することができ、例えば、同じ成分比の材料であってもその製造工程や製造ロットの違いが、各負荷荷重におけるひずみ速度の変化として表れ、これをパターン化し、このパターンを比較することによりこれらの違いを判定することなども可能となる。

図面の簡単な説明

0033

図1本実施形態の万能材料試験装置概観を示す平面図である。
図2本実施形態の万能材料試験方法の制御を示すフローチャートである。
図3本実施形他の万能材料試験方法にて測定した値を示すグラフである。
図4本実施形他の万能材料試験方法にて測定した値を示すグラフである。

--

0034

1引張試験機
10基台
11支柱枠体
12 上側チャック
13 下側チャック
14ロードセル
15表示器
16操作ボックス
17クロスヘッド
18ボールネジ
2荷重機構
20変速機構
21サーボモータ
3パソコン(制御装置
30ディスプレイ
31 記憶手段
32ストレインメータ
4試験片
5ストレインゲージ
J 判定手段
L負荷荷重制御手段
C定荷重制御手段
εa 前のひずみ
εb 後のひずみ
εd ひずみの差
W1初期荷重
W2 負荷荷重(二段階目の)
ΔW ステップ荷重
Wn 負荷荷重
Wn+1次段負荷荷重
P 所定値

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