試験体の作成方法

【課題】精度高く強度評価を行うことが可能な試験体の作成方法を提供すること。
【解決手段】本発明は、強度試験において用いられる試験体の形成方法に関する。まず、母材に対して人工傷を形成する（ステップＳ２ｂ）。人工傷が形成された試験体に対して所定荷重を付与して、当該人工傷を起点として実割れを形成する（ステップＳ３ｂ）。次に、人工傷が形成された領域を除去する（ステップＳ４ｂ）。その後に、焼き入れを行う（ステップＳ５ｂ）。焼き入れは例えば高周波焼入れである。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は強度試験方法に用いる試験体の作成方法に関し、特に傷を有する試験体の作成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
製造工程において、さまざまな理由により割れが発生する部品の強度を試験する場合には、傷がない試験体に静的又は動的に荷重を加えることにより限界応力や破断回数を求め、さらに傷がある試験体に同様の荷重を加えて試験することにより、製品として許容できる許容割れ深さを求めている。
【０００３】
図１６は、従来の試験方法の流れを示すフローチャートである。まず、無傷の試験体、様々な深さの傷を有する試験体を作成する（Ｓ３０１）。最初に無傷の試験体に対して強度試験を実行し（Ｓ３０２）、限界応力を決定する（Ｓ３０３）。次に、深さｄ１の人工傷を有する試験体に対して強度試験を行う（Ｓ３０４）。強度試験の結果、破断した場合（Ｓ３０５）には、許容割れ深さを０と判断する（Ｓ３０６）。
【０００４】
破断しなかった場合（Ｓ３０５）には、深さｄ１よりも深いｄ２の人工傷を有する試験体に対して強度試験を行う（Ｓ３０７）。強度試験の結果、破断した場合（Ｓ３０８）には、許容割れ深さをｄ１と判断する（Ｓ３０９）。強度試験の結果、破断しなかった場合（Ｓ３０８）には、同様にして、深さを深くしながら、強度試験を行う。このようにして、強度試験を行い、許容割れ深さを決定する（Ｓ３１０）。
【０００５】
このような強度試験において用いられる、傷を有する試験体は、放電加工や旋盤加工等の様々な手法により人工傷を付与することによって作成される（例えば、特許文献１）。人工傷を有する試験体を用いるのは、深さが異なる人工傷の付与を比較的容易に行うことができるからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】登録実用新案第３０４１２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者らは、強度試験において用いられる試験体の人工傷について分析したところ、図１７の断面図に示されるように、人工傷（図１７（ａ））は、製造工程において実際に発生する焼き割れ等の割れ（図１７（ｂ））に比べて、開口幅が多く、また、先端部の形状が大きく異なることを見出した。具体的には、実際の割れ（以下、実割れ）の開口幅は１０μｍ程度であるのに対して、人工傷の開口幅は狭くても０．１ｍｍ程度である。また、実割れの先端は鋭いのに対して、人工傷の先端は丸みを帯びている。このため、部品の強度評価において最も重要な先端近傍での応力集中度合いが、人工傷と実割れとでは大きく異なる。
【０００８】
図１８（ａ）に示されるように、一様引張応力を受ける無限板上に微小楕円孔が存在するとき、長軸端Ａにおける応力は、次式のように表すことができる。
σ_ｙ＝σ_０｛１＋２（ａ／ｂ）｝＝σ_０｛１＋２（ａ／ｒ_０）^１／２｝
【０００９】
図１８（ｂ）に示されるように、実割れは、ｂ≒０又はｒ≒０と状態と定義されるため、割れ先端における応力は、無限大、即ち応力を特定できない応力特異場となる。従って、人工傷を有する試験体を用いた強度評価は、実際の割れに対する強度評価と大きく異なる。特に、人工傷を有する試験体の方が、実際の割れを有する試験体に比べて強度が高く評価され、許容割れ深さが深くなるため、実際の部品使用において危険性が増すことになる。
【００１０】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、精度高く強度評価を行うことが可能な試験体の作成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明にかかる試験体の形成方法は、強度試験において用いられる試験体の形成方法であって、母材に対して人工傷を形成する人工傷形成ステップと、人工傷が形成された試験体に対して所定荷重を付与して、当該人工傷を起点として実割れを形成させる実割れ形成ステップと、実割れ形成ステップ後に、前記人工傷が形成された領域を除去する実ワーク形状加工ステップと、前記実ワーク形状加工ステップの後に、焼き入れを行う焼入れステップとを備えたものである。
【００１２】
前記人工傷形成ステップの後であって、前記実割れ形成ステップの前に、当該人工傷形成ステップによって形成された人工傷の近傍に、一対のナイフエッジを互いに対向するように取り付けるナイフエッジ取付ステップをさらに備えるようにしてもよい。
【００１３】
前記実割れ形成ステップでは、人工傷が形成された面において当該人工傷の両側を支点とし、人工傷が形成された面とは反対側の反対面において当該人工傷と対応する位置に対して所定荷重を付与することによって、実割れを形成させるようにしてもよい。
【００１４】
ここで、前記焼入れステップで実行する焼き入れは、高周波焼き入れであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、精度高く強度評価を行うことが可能な試験体の作成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】強度試験方法を実施するための構成を示すブロック図である。
【図２】人工傷での評価と、実割れでの評価の違いを説明するための図である。
【図３】強度試験方法の流れを示すフローチャートである。
【図４】本発明にかかる試験体の作成方法を示す図である。
【図５】本発明にかかる試験体の作成方法を示す図である。
【図６】強度試験方法において許容割れ深さを算出する方法を説明するためのグラフである。
【図７】強度試験方法において割れ深さを推定する処理のフローチャートである。
【図８】強度試験方法において割れ深さを推定する処理を説明するための図である。
【図９】強度試験方法において割れ深さを推定する処理を説明するための図である。
【図１０】強度試験方法において割れ深さを推定する処理を説明するための図である。
【図１１】強度試験方法において割れ深さを推定する処理を説明するための図である。
【図１２】強度試験方法において割れ深さを推定する処理を説明するための図である。
【図１３】強度試験方法において割れ深さを推定する処理を説明するための図である。
【図１４】強度試験方法において割れ以外から判断する場合に、許容割れ深さを算出する方法を説明するための図である。
【図１５】強度試験方法において割れ深さを推定する処理を説明するための図である。
【図１６】従来の強度試験方法の流れを示すフローチャートである。
【図１７】試験体に設けられた人工傷と実割れを示す断面図である。
【図１８】試験体に設けられた人工傷と実割れに対する応力の分布を説明するための図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
まず、本発明の実施の形態にかかる強度試験方法について、図１のブロック図を用いて説明する。当該強度試験方法では、実割れを有する試験体１の強度試験を行うことを特徴とする。具体的には、強度試験機２を用いて当該試験体１の強度試験を実行し、その結果得られる実験データをデーターロガー３に記録する。ここで、強度試験機２は、例えば、引張試験機、曲げ試験機、捩り試験機であり、制御装置を有している。
【００１８】
本実施の形態にかかる強度試験方法では、基本的に、試験体に人工傷が付与されているか、実割れが付与されているかが違うのみであるため、従来から用いられている強度試験機２等をそのまま用いることができる。
【００１９】
図２を用いて、人工傷での強度評価と、実割れでの強度評価について説明する。図２（ａ）に示されるように、３種類の深さｄ１、ｄ２、ｄ３（ｄ１＜ｄ２＜ｄ３）の人工傷を有する試験体に対して所定の応力を加えた場合、深さｄ３の試験体のみに傷の進展があったとすると、許容割れ深さはｄ２と判定される。これに対して、同じように深さｄ１、ｄ２、ｄ３（ｄ１＜ｄ２＜ｄ３）の実割れを有する試験体については、人工傷を有する試験体よりも割れが進展しやすいため、例えば図２（ｂ）に示されるように、深さｄ３の実割れを有する試験体のみならず、深さｄ２の実割れを有する試験体についても割れが進展する。この場合には、許容割れ深さはｄ１となり、人工傷を有する試験体の場合と異なった結果となる。
【００２０】
続いて、図３に示すフローチャートを用いて、本実施の形態にかかる強度試験方法について説明する。まず、無傷の試験体、様々な深さの実割れを有する試験体を作成する（Ｓ１０１）。実割れを有する試験体の作成方法については、後に詳述する。
最初に無傷の試験体に対して強度試験を実行し（Ｓ１０２）、限界応力を決定する（Ｓ１０３）。次に、深さｄ１の実割れを有する試験体に対して強度試験を行う（Ｓ１０４）。強度試験の結果、破断した場合（Ｓ１０５）には、許容割れ深さを０と判断する（Ｓ１０６）。
【００２１】
破断しなかった場合（Ｓ１０５）には、深さｄ１よりも深いｄ２の実割れを有する試験体に対して強度試験を行う（Ｓ１０７）。強度試験の結果、破断した場合（Ｓ１０８）には、許容割れ深さをｄ１と判断する（Ｓ１０９）。強度試験の結果、破断しなかった場合（Ｓ１０８）には、同様にして、深さを深くしながら、強度試験を行う。このようにして、強度試験を行い、許容割れ深さを決定する（Ｓ１１０）。
【００２２】
続いて、図４に示すフローチャートを用いて、比較例にかかる試験体の作成方法と、本実施の形態にかかる試験体の作成方法について説明する。
高周波焼き入れ材に対して割れを付与する場合、発明者等は、図４（ａ）に示す比較例の作成方法に従い、試験体を作成した。まず、母材となる素材を用意した（ステップＳ１ａ）。本例では、直径３０ｍｍの中実丸棒形状である。この素材に対して、実ワーク形状加工（Ｓステップ２ａ）を行った後に焼入れを行った（ステップＳ３ａ）。さらに、人工傷を作成するノッチ加工（ステップＳ４ａ）を行った後に、実割れを付与した（ステップＳ５ａ）。比較例の作成方法では、実割れを付与する段階で、試験体に脆性破壊が生じた。
【００２３】
そこで、本実施の形態では、図４（ｂ）に示す作成方法により、試験体を作成した。まず、母材となる素材を用意した（ステップＳ１ｂ）。本例では、直径３０ｍｍの中実丸棒形状である。次に、この素材に対して、ノッチ加工を行い、人工傷を作成した（ステップＳ２ｂ）。ノッチ加工は、後に実行される実ワーク形状加工において削除される範囲で実行した。本例では、表面から４ｍｍ以内の範囲である。
【００２４】
ノッチ加工の後に、実割れを付与した（ステップＳ３ｂ）。実割れの付与方法については、後に詳述する。その次に、実ワーク形状加工（ステップＳ４ｂ）を行った。実ワーク形状加工では、直径２６ｍｍになるように、素材の外周を切削除去した。
【００２５】
最後に焼入れを行った（ステップＳ５ｂ）。焼入れは、高周波焼入れである。このような作成方法によれば、試験体に脆性破壊が発生せず、ねじり試験機等による評価においても高い評価の試験体を得ることができた。
【００２６】
続いて、図５を用いて、実割れを有する試験体の作成方法について説明する。まず、図５（ａ）に示すように、試験体１に対して、実割れの起点となる人工傷１１を付与する。人工傷１１の付与方法には、例えば、旋盤加工、放電加工がある。試験体１は、図に示されるような板状部材でなくとも、プロペラシャフトで用いられるような円柱状部材等、様々な形状であってもよい。また、試験体１は、例えば、Ｓ４５Ｃ等の炭素鋼である。
【００２７】
次に、図５（ｂ）に示すように、３点曲げ繰返しにより、疲労割れ１２を付与する。人工傷１１を付与した面において当該人工傷１１の両側を下から支持した状態において、人工傷１１を付与した面とは反対側の面において当該人工傷１１の位置に対応する位置（即ち、人工傷１１の深さ方向を延長した線と、当該反対側面が接する位置）、またはその近傍に、荷重を繰り返し複数回にわたって、加える。このとき、荷重の大きさは一定であってもよく、少しずつ増加させてもよい。疲労割れ１２の発生については、適宜側面を確認することによって検出してもよいが、人工傷１１の開口幅を観察することによって検出してもよい。この方法については、後に詳述する。
【００２８】
次に、図５（ｃ）に示すように、試験体１の、人工傷１１を形成した側の面を研磨して削り、人工傷１１を形成した部分、即ち、人工傷１１の深さ分だけ、元の面と平行に削り取る。この加工により、試験体１の厚さはｔ１からｔ２になり、図５（ｃ）に示すように、一面に疲労割れ１１のみが形成された試験体１が作成される。
【００２９】
続いて、図６を用いて、引張耐久試験による許容割れ深さの算出方法について説明する。まず、無傷品に対して、一定の応力を複数回にわたって加えて、破断に至るまでの耐久回数を記録する。さらに、異なる応力を加えて破断に至るまでの耐久回数を記録する。実割れ深さｄ１の試験体についても同様に応力を変化させて耐久回数を記録する。さらに、実割れ深さｄ２（ｄ１＜ｄ２）の試験体についても同様の試験を行う。図６は、横軸を耐久回数、縦軸を応力とした場合の、各試験体に対する耐久試験結果をプロットしたグラフである。
【００３０】
図６に示されるように、無傷品と実割れ深さｄ１の試験体は、同等の結果となっているのに対して、実割れ深さｄ２は、これらよりも同じ応力を加えた場合に耐久回数が少なくなっている。従って、この例における許容割れ深さは、ｄ１と判定される。
【００３１】
続いて、試験体における実割れの開口幅（開口変位）を計測することによって、割れ深さを推定する方法について説明する。図７のフローチャートに示されるように、まずコンプライアンスを導出する（Ｓ２０１）。図８に示されるように、実割れの両側を支点として、実割れの反対側から荷重が付加された状態において、コンプライアンスは、開口変位量／荷重変化量により定義することができる。
【００３２】
ここで、開口変位量は、図９（ａ）で示されるように、実割れ１２の開口部にエッジを設けて、クリップゲージ４を引掛けることにより、当該クリップゲージ４内の歪みゲージにより計測することができる。ここで、試験体１にエッジの加工ができない場合には、図９（ｂ）に示されるように、試験体１の実割れ１２の両側に穴１３１、１３２を形成し、当該穴１３１、１３２にそれぞれナイフエッジ５１、５２を挿入し、固定すればよい。また、試験体１に穴加工ができない場合には、ナイフエッジ６１、６２を瞬間接着剤等で固定すればよい。
【００３３】
コンプライアンスを複数種類の実割れ深さを有する試験体について求める。図１０に示す例では、実割れ深さｄ１、ｄ２、ｄ３の試験体についてコンプライアンスを求めている。次に、図１１に示されるように、実割れ深さとコンプライアンスの検量線を作成する（Ｓ２０２）。そして、実割れ深さの推定を行おうとする試験体に対して図１２で示されるように荷重を加えながら、開口変位を計測してコンプライアンスを計算し、そして計算されたコンプライアンスより図１３に示す検量線を参照して実割れ深さを推定する（Ｓ２０３）。
【００３４】
このようにして、実割れ深さを推定する方法を使用すれば、図１４に示されるように、実割れ以外から破断する場合であっても、割れの進展を観察することができ、進展がない深さｄ１を許容割れ深さと判定することができる。
【００３５】
なお、円柱形状の試験体（丸棒）において開口変位をクリップゲージ４により計測する場合には、図１５に示されるように、試験体の外形に沿って湾曲した形状７１をエッジ７２の下方の面に有するナイフエッジ７を用いることが好ましい。
【００３６】
また、上述の例では、引張耐久試験を取り上げたが、これに限らず、強度試験として曲げ試験、捩り試験、衝撃試験等に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１試験体
２強度試験機
３データロガー
４クリップゲージ
５１，５２，６１，６２，７ナイフエッジ
１１人工傷
１２実割れ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
強度試験において用いられる試験体の形成方法であって、
母材に対して人工傷を形成する人工傷形成ステップと、
人工傷が形成された試験体に対して所定荷重を付与して、当該人工傷を起点として実割れを形成させる実割れ形成ステップと、
実割れ形成ステップ後に、前記人工傷が形成された領域を除去する実ワーク形状加工ステップと、
前記実ワーク形状加工ステップの後に、焼き入れを行う焼入れステップとを備えた、試験体の形成方法。
【請求項２】
前記人工傷形成ステップの後であって、前記実割れ形成ステップの前に、当該人工傷形成ステップによって形成された人工傷の近傍に、一対のナイフエッジを互いに対向するように取り付けるナイフエッジ取付ステップを備えたことを特徴とする請求項１記載の試験体の形成方法。
【請求項３】
前記実割れ形成ステップでは、人工傷が形成された面において当該人工傷の両側を支点とし、人工傷が形成された面とは反対側の反対面において当該人工傷と対応する位置に対して所定荷重を付与することによって、実割れを形成させることを特徴とする請求項１又は２記載の試験体の形成方法。
【請求項４】
前記焼入れステップで実行する焼き入れは、高周波焼き入れであることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の試験体の形成方法。

【図１】