試験装置、疲労試験の試験方法、およびき裂進展試験方法

【課題】疲労試験片に負荷する試験荷重の試験周波数を大きくしてコンプライアンス法によるき裂進展試験を行うことができる試験装置、試験方法およびき裂進展試験方法を提供する。
【解決手段】試験装置は、所定の試験周波数で試験片に負荷を与える。クリップゲージを使用して試験片の開口変位を測定する時刻（開口変位測定時刻）ｔ１になると、試験周波数を開口変位測定周波数（クリップゲージが開口変位の変化に追従することができる試験周波数。）に減らす。そして、ロードセルを使用して試験力を測定するとともに、クリップゲージを使用して試験片の開口変位を測定する。開口変位の測定を終了すると（時刻ｔ２）と、試験周波数を元の周波数に戻す。このような開口変位の測定を繰り返すことにより疲労試験は行われる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンプライアンス法によるき裂長を算出するき裂進展試験装置、その試験装置を使用した疲労試験の試験方法およびき裂進展試験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
疲労試験中にクリップゲージによって疲労試験片の所定箇所の開口量を測定し、その開口量から疲労試験中に発生するき裂の長さを求める疲労き裂伝播試験方法が知られている（たとえば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平８－６２１１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
疲労試験を短時間に終了させるため、疲労試験片に負荷する試験荷重の試験周波数を大きくする場合がある。このような場合、クリップゲージは開口量の変化に追随することができず、疲労試験中に発生するき裂の長さを求めることができないという問題点がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
（１）請求項１の発明の試験装置は、試験片に試験力を負荷するアクチュエータと、試験片に試験力を負荷するときの試験周波数を制御する試験周波数制御手段と、試験片に形成された略Ｕ字型凹部の開口変位を開口変位計で測定する開口変位測定制御手段と、試験片に負荷された試験力を検出するロードセルと、開口変位測定制御手段によって測定された開口変位と、ロードセルにより検出された試験力とに基づいて、コンプライアンス法により試験片のき裂長を算出するき裂長算出手段とを備え、開口変位測定制御手段は、試験周波数制御手段が試験周波数を減少させた後に試験片の開口変位を測定することを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の試験装置において、試験周波数制御手段は、開口変位測定制御手段により試験片の開口変位が測定されるとき、所定の減少速度以下の周波数変更速度で試験周波数を減少させることを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項２に記載の試験装置において、開口変位測定制御手段は、さらにロードセルにより検出された試験力が安定した後に試験片の開口変位を測定することを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、所定の試験周波数で略Ｕ字型凹部が形成された試験片に試験力を負荷し、試験片における略Ｕ字型凹部の開口変位を測定し、試験片に負荷された試験力を検出し、開口変位および検出された試験力に基づいてコンプライアンス法により試験片のき裂長を算出する疲労試験の試験方法にあって、試験片の開口変位を測定するときに試験周波数を減少させることを特徴とする。
（５）請求項５の発明は、請求項４に記載の疲労試験の試験方法において、試験周波数を減少させるとき、所定の減少速度以下の周波数変更速度で試験周波数を減少させることを特徴とする。
（６）請求項６の発明は、請求項５に記載の疲労試験の試験方法において、開口変位測定制御手段は、さらに検出された試験力が安定した後に試験片の開口変位を測定することを特徴とする。
（７）請求項７の発明のき裂進展試験方法は、き裂進展試験片に所定試験力、所定試験周波数で所定時間負荷を与える第１工程と、開口変位計測時刻になると所定試験周波数を開口変位計測周波数まで低減して開口変位を測定する第２工程とを繰り返し行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、試験片に負荷する試験力の試験周波数を大きくした場合でも、クリップゲージは試験片の開口変位を計測し、疲労試験中に発生するき裂の長さを求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
－第１の実施形態－
図１～図４を参照して本発明の第１の実施形態におけるき裂進展試験装置（以下、試験装置と呼ぶ）について説明する。この試験装置は、コンプライアンス法により試験片のき裂長を算出する。つまり、試験片のコンプライアンスを算出し、そのコンプライアンスから試験片のき裂長を算出する。図１に示す試験装置は、試験装置本体１０と、本体１０を駆動制御する制御系２０と、本体１０の駆動源である油圧を供給する油圧系３０とで構成される。
【０００７】
試験装置本体１０は、ベッド１０１と、このベッド１０１に立設する一対の支柱１０２と、これらの支柱１０２に横架するクロスヘッド１０３と、クロスヘッド１０３に設置されたロードセル１０４と、ロードセル１０４に連結される上部試験治具１０５と、ベッド１０１を貫通直立するピストンロッド１０６と、ピストンロッド１０６の上端に設けられ下部試験治具１０７と、ピストンロッド１０６を上下に駆動するアクチュエータ１０８と、ピストンロッド１０６の上下方向の変位量を検出するストローク検出器１０９と、アクチュエータ１０８を駆動制御するサーボバルブ１１０とを備える。
【０００８】
試験片ＴＰは、荷重ピン１１１，１１２により上部試験治具１０５および下部試験治具１０７に固定される。アクチュエータ１０８によりピストンロッド１０６が上下動して試験片ＴＰが負荷される。そして、試験片ＴＰに負荷された試験力はロードセル１０４により検出される。また、試験片ＴＰの略Ｕ字型凹部（試験片ＴＰの形状については後述する）の幅の変位（以下、開口変位と呼ぶ）を測定するために、略Ｕ字型凹部にクリップゲージ１１３の検出レバーが係止されている。
【０００９】
制御系２０は、制御回路２１、操作パネル２２、表示モニタ２３などを備えている。制御回路２１は、マイクロコンピュータとその周辺部品から構成される。制御回路２１は、ロードセル１０４から出力される試験力信号と、ストローク検出器１０９から出力されるピストンロッド１０６の変位信号とに基づいて、サーボバルブ１１０を制御する制御信号を出力し、所定の試験条件（試験力、試験周波数など）で試験が行えるようにアクチュエータ１０８を制御する。また、クリップゲージ１１３から出力される、試験片ＴＰの略Ｕ字型凹部の開口変位に基づいて、試験片ＴＰのき裂長さを算出する。
【００１０】
操作パネル２２は、試験条件などを入力するための操作部材である。表示モニタ２３は、試験サイクルと試験片ＴＰのき裂長さとの関係を示す折れ線グラフや試験サイクルと試験片ＴＰのコンプライアンスとの関係を示す折れ線グラフなどを表示する。
【００１１】
油圧系３０は、油圧を発生する油圧源３１と、油圧を蓄えるアキュムレータ３２とを有する。アキュムレータ３２と試験装置本体１０のサーボバルブ１１０とは、油圧パイプで接続しており、サーボバルブ１１０の開度に応じて、アキュムレータ３２に蓄積されている油圧が試験装置本体１１０のアクチュエータ１０８に供給され、アクチュエータ１０８が作動する。
【００１２】
図２を参照してき裂進展試験用の試験片ＴＰについて説明する。試験片ＴＰは矩形形状の平板であり、試験片ＴＰの一辺の端中間が略Ｕ字型凹部４１に切欠されている。略Ｕ字型凹部４１を挟んで対峙する位置に、試験片ＴＰの肉厚方向に貫通する貫通孔４２，４３が形成されている。疲労試験を行うとき、この貫通孔４２，４３に上述の荷重ピン１１１，１１２が挿入され、試験片ＴＰは、図２に示す矢印の方向に所定の試験力が与えられ、この試験力により略Ｕ字型凹部４１の底部からき裂４４が発生する。クリップゲージ１１３は、略Ｕ字型凹部４１の幅４５の変位（開口変位）を測定する。
【００１３】
以上の試験装置１による疲労試験は以下のように行う。
図３（ａ）に示すように、試験装置１は、所定の試験周波数（たとえば、１０Ｈｚ）で試験片ＴＰに負荷を与える。クリップゲージ１１３を使用して試験片ＴＰの開口変位を測定する時刻（開口変位測定時刻）ｔ１になると、試験周波数、を開口変位測定周波数（クリップゲージ１１３が開口変位の変化に追従することができる試験周波数、たとえば、０．１Ｈｚに低減する。なお、開口変位測定時刻は所定時間間隔（たとえば、５分間隔）で設定される。そして、ロードセル１０４を使用して試験力を測定するとともに、クリップゲージ１１３を使用して試験片ＴＰの開口変位を測定する。開口変位の測定を終了すると（時刻ｔ２）と、試験周波数を元の周波数（たとえば、１０Ｈｚ）に戻す。このような試験周波数の変更と開口変位の測定とを繰り返すことにより疲労試験が行われる。
【００１４】
図３（ｂ）に示すように、各サンプル時刻で測定した試験力および開口変位で決まる測定点をプロットすると、試験力－開口変位グラフが描かれる。これらの測定点について回帰分析を行い、回帰直線５１の傾きを算出する。この回帰直線５１の傾きが試験片ＴＰのコンプライアンスとなる。試験片ＴＰのコンプライアンス、試験片ＴＰの形状により定まる定数、試験片ＴＰの厚さおよび試験片ＴＰの弾性率に基づいて、試験片ＴＰのき裂長さを算出する。以上のようにして算出した試験片ＴＰのき裂長さを、試験時間または試験サイクルを横軸としてプロットした折れ線グラフを表示モニタ２３に表示する。これにより、ユーザは疲労試験の途中経過または試験結果を認識できる。
【００１５】
次に、本発明の第１の実施形態における試験力および開口変位の測定処理について、図４のフローチャートを参照して説明する。図４の処理は、ユーザが疲労試験を開始するスイッチ操作を行うとスタートするプログラムにより、制御回路２１において実行される。
【００１６】
ステップＳ４０１では、現在の時刻が開口変位測定時刻であるか否かを判定する。開口変位測定時刻は、疲労試験開始時刻に基づいて、所定時間間隔で設定される。現在の時刻が開口変位測定時刻である場合はステップＳ４０１が肯定判定され、ステップＳ４０２へ進む。現在の時刻が開口変位測定時刻でない場合はステップＳ４０１が否定判定され、スタートへリターンする。ステップＳ４０２では、試験周波数を所定の周波数から開口変位測定周波数へ減少させる。
【００１７】
ステップＳ４０３では、試験力をロードセル１０４で測定するとともに、その測定を行ったときの試験片ＴＰの開口変位をクリップゲージ１１３で測定する。ステップＳ４０４では、所定数の測定が完了し、測定を終了できるか否かを判定する。測定を終了できる場合はステップＳ４０４が肯定判定され、ステップＳ４０５へ進む。測定を終了できない場合はステップＳ４０４が否定判定され、ステップＳ４０３に戻る。ステップＳ４０５では、試験周波数を所定の周波数に戻す。そして、スタートへリターンする。
【００１８】
以上の第１の実施形態による試験装置１では次のような作用効果を奏する。
コンプライアンス法によるき裂進展試験途中において、クリップゲージ１１３により試験片ＴＰの開口変位を計測する所定期間、試験周波数を開口変位測定周波数へ低下させるようにした。これにより、クリップゲージ１１３の開口変位計測が追従することができない試験周波数で疲労試験を行うことにより疲労試験時間を短縮しても、正しくき裂進展を測定できる。とくに、高温炉内で疲労試験を行う場合、高温炉の熱からクリップゲージを保護するため、クリップゲージの検出レバーを長くする必要がある。このような場合、クリップゲージの開口変位計側が追従することができる試験周波数はさらに小さくなるため、高温炉内で行う疲労試験に第１の実施形態による発明は好適である。
【００１９】
－第２の実施形態－
図５および図６を参照して本発明の第２の実施形態におけるき裂進展試験装置（以下、試験装置と呼ぶ）について説明する。第２の実施形態における試験装置では、所定の試験周波数から開口変位測定周波数へ試験周波数を減少させるとき、試験周波数を徐々に減少させる。第２の実施形態における試験装置の構成は、第１の実施形態における試験装置１の形態と同様であるので、第２の実施形態における試験装置の構成の説明は省略する。
【００２０】
第２の実施形態における試験装置では、疲労試験を以下のようにして行う。
図５に示すように、試験周波数を所定の試験周波数（たとえば、１０Ｈｚ）から開口変位測定周波数（たとえば、１Ｈｚ）に毎秒１Ｈｚの周波数変更速度で、徐々に減少させる。そして、試験周波数が開口変位測定周波数まで減少したとき（時刻ｔ３）、試験力をロードセル１０４で測定するとともに、その測定を行ったときの試験片ＴＰの開口変位をクリップゲージ１１３で測定する。試験片ＴＰの開口変位測定が終了すると（時刻ｔ４）、再び試験周波数を元の試験周波数まで徐々に戻す。
【００２１】
次に、本発明の第２の実施形態における試験力および開口変位の測定処理について、図６のフローチャートを参照して説明する。図６の処理は、ユーザが疲労試験を開始するスイッチ操作を行うとスタートするプログラムにより、制御回路２１において実行される。第１の実施形態における試験力および開口変位の測定処理（図４参照）と同じ処理のステップには同じ符号を付し、第１の実施形態における試験力および開口変位の測定処理と異なる部分を主に説明する。
【００２２】
ステップＳ６０１では、現在の時刻が開口変位測定準備時刻であるか否かを判定する。開口変位測定準備時刻は、試験周波数の減少を開始する時刻であり、疲労試験開始時刻に基づいて、所定時間間隔（たとえば、５分間隔）で設定される。現在の時刻が開口変位測定準備時刻である場合はステップＳ６０１が肯定判定され、ステップＳ６０２へ進む。現在の時刻が開口変位測定準備時刻でない場合はステップＳ６０１が否定判定され、スタートへリターンする。ステップＳ６０２では、試験周波数を毎秒１Ｈｚの周波数変更速度で減少させる。
【００２３】
ステップＳ６０３では、試験周波数が開口変位測定周波数であるか否かを判定する。試験周波数が開口変位測定周波数である場合はステップＳ６０３が肯定判定され、ステップＳ４０３へ進む。試験周波数が開口変位測定周波数でない場合はステップＳ６０３が否定判定され、ステップＳ６０２に戻る。
【００２４】
以上の第２の実施形態による試験装置では、第１の実施形態の試験装置による作用効果の他に次のような作用効果を奏する。
所定の試験周波数から開口変位測定周波数へ試験周波数を減少させるとき、試験周波数を徐々に減少させるようにした。これにより、試験周波数を減少するときに生ずる試験力のオーバーシュート（試験力が必要以上に大きくなること）を抑制することができる。制御回路２１は一定の試験力が試験片ＴＰに負荷されるようにアクチュエータ１０８を制御するが、試験周波数が急に減少すると、制御しきれなくなる。試験力のオーバーシュートが大きいと、そのオーバーシュートにより試験片ＴＰのき裂がさらに進行し、疲労試験の精度が悪くなるという問題が発生する。
【００２５】
－第３の実施形態－
図７および図８を参照して本発明の第３の実施形態におけるき裂進展試験装置（以下、試験装置と呼ぶ）について説明する。第３の実施形態における試験装置では、所定の試験周波数から開口変位測定周波数へ試験周波数を徐々に減少させた後、試験片ＴＰに負荷する試験力が安定するまで開口変位の測定を待機する。ここで、試験力の安定は、開口変位測定周波数における試験力の振幅が、所定の試験周波数における試験力の振幅（図３（ａ）参照）と同じ状態になることである。そして、試験力が安定した後に試験片ＴＰの開口変位を測定する。第３の実施形態における試験装置の構成は、第１の実施形態における試験装置１の形態と同様であるので、第３の実施形態における試験装置の構成の説明は省略する。
【００２６】
第３の実施形態における試験装置では、疲労試験を以下のようにして行う。
図７に示すように、時刻が開口変位測定準備時刻（ｔ５）になると、試験周波数を所定の試験周波数（たとえば、１０Ｈｚ）から開口変位測定周波数（たとえば、１Ｈｚ）に毎秒１Ｈｚずつの割合で、徐々に減少させる。そして、試験周波数が開口変位測定周波数まで減少した（時刻ｔ６）後、ロードセル１０４で測定した試験力が安定するまで待機する。試験力が安定すると（時刻ｔ７）、試験片ＴＰの開口変位をクリップゲージ１１３で測定する。試験片ＴＰの開口変位測定が終了すると（時刻ｔ８）、再び試験周波数を元の試験周波数に戻す。
【００２７】
次に、本発明の第３の実施形態における試験力および開口変位の測定処理について、図８のフローチャートを参照して説明する。図８の処理は、ユーザが疲労試験を開始するスイッチ操作を行うとスタートするプログラムにより、制御回路２１において実行される。第２の実施形態における試験力および開口変位の測定処理（図６参照）と同じ処理のステップには同じ符号を付し、第２の実施形態における試験力および開口変位の測定処理と異なる部分を主に説明する。
【００２８】
ステップＳ６０３が肯定判定されるとステップＳ８０１へ進む。ステップＳ８０１では、ロードセル１０４で測定した試験力が安定しているか否かを判定する。試験力が安定している場合はステップＳ８０１が肯定判定され、ステップＳ４０３へ進む。試験力が安定していない場合はステップＳ８０１を繰り返す。
【００２９】
以上の第３実施形態による試験装置では、第１の実施形態の試験装置による作用効果および第２の実施形態の試験装置による作用効果の他に次のような作用効果を奏する。
所定の試験周波数から開口変位測定周波数へ試験周波数を減少させた後、試験片ＴＰに負荷される試験力が安定してから試験片ＴＰの開口変位および試験片ＴＰに負荷されている試験力を測定するようにした。これにより、開口変位および試験力の測定精度を向上させることができる。
【００３０】
－変形例－
以上の実施形態の材料試験機を次のように変形することができる。
（１）第２の実施形態では、直線的に試験周波数を減少させたが、ｌｏｇ曲線（ｙ＝－ｌｏｇ（ｘ））のように最初は急激に試験周波数を減少させ、徐々に試験周波数の減少速度を遅くするようにしてもよい。このように試験周波数を減少させることによっても試験力のオーバーシュートを抑制することができる。
【００３１】
（２）第２の実施形態では、連続的に試験周波数を減少させたが、以下のように段階的に試験周波数を減少させてもよい。試験周波数を所定周波数（たとえば、１Ｈｚ）減少させた後、試験力が安定するまで待機する。試験力が安定したら試験周波数をさらに所定周波数減少させる。そして、試験力が安定するまで待機する。これを試験周波数が開口変位測定周波数になるまで繰り返す。これにより、試験力のオーバーシュートをさらに抑制することができる。
【００３２】
（３）第２の実施形態における試験周波数の周波数変更速度は、試験力のオーバーシュートを抑制できる所定の減少速度以下の周波数変更速度であれば、１Ｈｚ／秒に限定されない。
【００３３】
（４）第３の実施形態における試験力が安定したか否かの判定で、開口変位測定周波数における試験力の最大値が、所定の試験周波数（たとえば、１０Ｈｚ）で疲労試験を行っているときの最大試験力の値に対して±１０％の範囲内になったとき（たとえば、所定の試験周波数における最大試験力が１０ｋＮの場合、９ｋＮ以上、１１ｋＮ以下の最大試験力になったとき）、開口変位測定周波数における試験力が安定したと判定するようにしてもよい。試験力がほぼ安定すれば、開口変位および試験力の測定精度について問題はなく、また、完全に試験力が一致するまで開口変位の測定を待機していると待機時間が長くなってしまうからである。
【００３４】
（５）第３の実施形態で、試験力が安定するまで開口変位の測定を待機する代りに、所定時間、開口変位の測定を待機するようにしてもよい。試験力が安定する待機時間を経験的に定めることができるとともに、試験力が安定したか否かを判定する処理が不必要になるからである。
【００３５】
（６）試験片ＴＰの開口変位を測定できる開口変位計であればクリップゲージに限定されない。
【００３６】
実施形態と変形例の一つ、もしくは複数を組み合わせることも可能である。変形例同士をどのように組み合わせることも可能である。
【００３７】
以上の説明はあくまで一例であり、本発明は上記実施形態の構成に何ら限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるき裂進展試験装置の構成を説明するための図である。
【図２】試験片を説明するための図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における疲労試験を説明するための図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における試験力および開口変位の測定処理を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施形態における疲労試験を説明するための図である。
【図６】本発明の第１の実施形態における試験力および開口変位の測定処理を説明するためのフローチャートである。
【図７】本発明の第３の実施形態における疲労試験を説明するための図である。
【図８】本発明の第３の実施形態における試験力および開口変位の測定処理を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００３９】
１き裂進展試験装置１０試験装置本体
２０制御系２１制御回路
２２操作パネル２３表示モニタ
３０油圧系３１油圧源
３２アキュムレータ４１略Ｕ字型凹部
４２，４３貫通孔４４き裂
１０４ロードセル１０５，１０７試験治具
１０６ピストンロッド１０８アクチュエータ
１０９ストローク検出器１１０サーボバルブ
１１１，１１２荷重ピン１１３クリップゲージ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片に試験力を負荷するアクチュエータと、
前記試験片に試験力を負荷するときの試験周波数を制御する試験周波数制御手段と、
前記試験片に形成された略Ｕ字型凹部の開口変位を開口変位計で測定する開口変位測定制御手段と、
前記試験片に負荷された試験力を検出するロードセルと、
前記開口変位測定制御手段によって測定された開口変位と、前記ロードセルにより検出された試験力とに基づいて、コンプライアンス法により前記試験片のき裂長を算出するき裂長算出手段とを備え、
前記開口変位測定制御手段は、前記試験周波数制御手段が前記試験周波数を減少させた後に前記試験片の開口変位を測定することを特徴とする試験装置。
【請求項２】
請求項１に記載の試験装置において、
前記試験周波数制御手段は、前記開口変位測定制御手段により前記試験片の開口変位が測定されるとき、所定の減少速度以下の周波数変更速度で試験周波数を減少させることを特徴とする試験装置。
【請求項３】
請求項２に記載の試験装置において、
前記開口変位測定制御手段は、さらに前記ロードセルにより検出された試験力が安定した後に前記試験片の開口変位を測定することを特徴とする試験装置。
【請求項４】
所定の試験周波数で略Ｕ字型凹部が形成された試験片に試験力を負荷し、
前記試験片における略Ｕ字型凹部の開口変位を測定し、
前記試験片に負荷された試験力を検出し、
前記開口変位および前記検出された試験力に基づいてコンプライアンス法により前記試験片のき裂長を算出する疲労試験の試験方法にあって、
前記試験片の開口変位を測定するときに試験周波数を減少させることを特徴とする疲労試験の試験方法。
【請求項５】
請求項４に記載の疲労試験の試験方法において、
試験周波数を減少させるとき、所定の減少速度以下の周波数変更速度で試験周波数を減少させることを特徴とする疲労試験の試験方法。
【請求項６】
請求項５に記載の疲労試験の試験方法において、
前記開口変位測定制御手段は、さらに前記検出された試験力が安定した後に前記試験片の開口変位を測定することを特徴とする疲労試験の試験方法。
【請求項７】
き裂進展試験片に所定試験力、所定試験周波数で所定時間負荷を与える第１工程と、
開口変位計測時刻になると前記所定試験周波数を開口変位計測周波数まで低減して前記開口変位を測定する第２工程とを繰り返し行うことを特徴とするき裂進展試験方法。