(57)【要約】【課題】熟練した作業者が不要で試料の移動の際の環境条件を考慮することなく、容易に遅れ破壊と水素脆性との関係について調べることができる試料強度試験装置及び試料強度試験方法を提供することを目的とする。【解決手段】本試料強度試験装置は、棒状の試料９１が内部を貫通し、且つ試料９１が長手方向に可動な水槽２１を有し、水槽２１内にある試料９１を水素チャージする水素チャージ部１１と、試料９１の長手方向に配置され、試料９１が内部を貫通し、且つ試料９１が長手方向に可動な温度槽３１を有し、温度槽３１内にある試料９１を加熱する温度制御部１２と、試料９１の所望の箇所を水素チャージ部１１で水素チャージできるように、あるいは試料９１の所望の箇所を温度制御部１２で加熱できるように試料９１を長手方向に移動させ、試料９１の長手方向に応力を与える可動機構（１３Ａ、１３Ｂ）と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状の試料が内部を貫通し、且つ前記試料が長手方向に可動な水槽を有し、前記水槽内にある前記試料を水素チャージする水素チャージ部と、
前記試料の長手方向に配置され、前記試料が内部を貫通し、且つ前記試料が長手方向に可動な温度槽を有し、前記温度槽内にある前記試料を加熱する温度制御部と、
前記試料の所望の箇所を前記水素チャージ部で水素チャージできるように、あるいは前記試料の所望の箇所を前記温度制御部で加熱できるように前記試料を長手方向に移動させ、前記試料の長手方向に応力を与える可動機構と、
を備える試料強度試験装置。
【請求項２】
前記水素チャージ部の前記水槽は、前記水槽内の液体と前記水槽内の前記試料表面とが接触する構造であることを特徴とする請求項１に記載の試料強度試験装置。
【請求項３】
前記水素チャージ部は、
前記水槽に液体を満たし、前記水槽から前記液体を排出する手段をさらに有することを特徴とする請求項１又２に記載の試料強度試験装置。
【請求項４】
前記水素チャージ部は、
前記水槽内の液体を電気分解し、水素を発生させる手段をさらに有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の試料強度試験装置。
【請求項５】
前記温度制御部は、前記温度槽に外部から気体又は液体を導入できる構造をさらに有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の試料強度試験装置。
【請求項６】
前記試料の長手方向が重力方向となるように前記水素チャージ部、前記温度制御部、及び前記可動機構を配置したことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の試料強度試験装置。
【請求項７】
棒状の試料の長手方向の一部を水素チャージする水素チャージ工程と、
前記水素チャージ工程で水素チャージされた前記試料の水素曝露部を前記試料の長手方向に加熱処理が可能な位置まで移動させる移動工程と、
前記移動工程後、前記試料の前記水素曝露部を加熱する加熱工程と、
前記加熱工程とともに、又は前記加熱工程の後に前記試料の長手方向に応力を与える応力付加工程と、
を行う試料強度試験方法。
【請求項８】
前記水素チャージ工程は、
前記試料が貫通する水槽に液体を導入し、前記試料表面と前記液体とを接触させる過程と、
前記液体を電気分解して水素を発生させる過程と、
前記液体を前記水槽から排出する過程と、
を順に行うことを特徴とする請求項７に記載の試料強度試験方法。
【請求項９】
前記水素チャージ工程と前記加熱工程との間に、前記試料の表面を洗浄する洗浄工程をさらに行うことを特徴とする請求項７又は８に記載の試料強度試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の遅れ破壊に及ぼす水素の関係を試験する試料強度試験装置及び試料強度試験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高強度金属は、プレストレス化により高強度化すると、遅れ破壊を生じる場合があることが知られている。遅れ破壊とは、限界応力以下の負荷で、ある時間経過後に突然に金属が破壊する現象である。そのメカニズムのひとつとして、水素脆性と呼ばれる現象が知られている。遅れ破壊は、強度が高い鋼（引張強さ１２００ＭＰａ以上）ほど感受性が高くなるとされている。その解析方法は、遅れ破壊の代表例である水素に起因する欠陥（水素脆性）の関係について調べることが知られている（例えば、非特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ｋ．Ｔａｋａｉ，  Ｈ．Ｓｈｏｄａ，  Ｈ．Ｓｕｚｕｋｉ，  Ｍ．Ｎａｇｕｍｏ：  “Ｌａｔｔｉｃｅ  ｄｅｆｅｃｔｓ  ｄｏｍｉｎａｔｉｎｇ  ｈｙｄｒｏｇｅｎ−ｒｅｌａｔｅｄ  ｆａｉｌｕｒｅ  ｏｆ  ｍｅｔａｌｓ”，  Ａｃｔａ  ｍａｔｅｒｉａｌｌｉａ，  ５６，５１５８−５１６７（２００８）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
試料について遅れ破壊と水素脆性との関係を調べるにあたっては、試料の温度を制御する温度調節工程、試料に水素を与える水素チャージ工程、材料引張（圧縮）試験による引張（圧縮）強度試験工程など多くの処理工程を必要とする。しかも、それらを同時に組み合わせて実施することが必要である。特に、大きな金属線材の試験では、各工程を行う処理装置が大掛かりになり、処理条件を変更しながら各工程を行うためには、次のような課題が存在していた。
【０００５】
まず、複数の装置が必要であり、これらの装置に試料を付設する以外にも装置の保守管理をしなければならず、処理装置の取扱いに熟練した作業者が必要という課題があった。さらに、上記複数の装置間で試料を移動する際に試料の温度や湿度の環境条件を制御することが困難という課題もあった。
【０００６】
そこで、本発明は、遅れ破壊に及ぼす水素の影響に関する関係を自動的に調べることができる試料強度試験装置及び試料強度試験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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る試料強度試験装置は、水素チャージ工程、加熱工程、及び応力付加工程を自動的に実施できるように水素チャージ部、温度制御部、及び可動機構を一体化することとした。
【０００８】
具体的には、本発明に係る試料強度試験装置は、棒状の試料が内部を貫通し、且つ前記試料が長手方向に可動な水槽を有し、前記水槽内にある前記試料を水素チャージする水素チャージ部と、前記試料の長手方向に配置され、前記試料が内部を貫通し、且つ前記試料が長手方向に可動な温度槽を有し、前記温度槽内にある前記試料を加熱する温度制御部と、前記試料の所望の箇所を前記水素チャージ部で水素チャージできるように、あるいは前記試料の所望の箇所を前記温度制御部で加熱できるように前記試料を長手方向に移動させ、前記試料の長手方向に応力を与える可動機構と、を備える。
【０００９】
本試料強度試験装置は、可動機構で試料を水素チャージ部と温度制御部との間を移動させることができる。さらに、可動機構は、試料に応力を与えることができる。水素チャージ部、温度制御部、及び可動機構をコンピュータなどで制御することで、本試料強度試験装置は、棒状の試料の長手方向の一部に水素を与えて水素チャージする水素チャージ工程と、前記水素チャージ工程で水素チャージされた前記試料の水素曝露部を前記試料の長手方向に加熱処理が可能な位置まで移動させる移動工程と、前記移動工程後、前記試料の前記水素曝露部を加熱する加熱工程と、前記加熱工程とともに、又は前記加熱工程の後に前記試料の長手方向に応力を与える応力付加工程と、を行う試料強度試験方法を自動的に行うことができる。
【００１０】
従って、本発明は遅れ破壊に及ぼす水素の影響に関する関係を自動的に調べることができる試料強度試験装置及び試料強度試験方法を提供することができる。
【００１１】
本発明に係る試料強度試験装置の前記水素チャージ部の前記水槽は、前記水槽内の液体と前記水槽内の前記試料表面とが接触する構造とすることができる。効率よく試料に水素チャージすることができる。
【００１２】
さらに本発明に係る試料強度試験装置の前記水素チャージ部は、前記水槽に前記液体を満たし、前記水槽から前記液体を排出する手段をさらに有することが好ましい。試料強度試験装置は、水槽を退避させることなく試料を移動させることができる。
【００１３】
さらに本発明に係る試料強度試験装置の前記水素チャージ部は、前記液体を電気分解し、水素を発生させる手段をさらに有することが好ましい。
【００１４】
本試料強度試験装置の水素チャージ部がこれらの手段を有することで、前記水素チャージ工程は、前記試料が貫通する水槽に液体を導入し、前記試料表面と前記液体とを接触させる過程と、前記液体を電気分解して水素を発生させる過程と、前記液体を前記水槽から排出する過程と、を順に行うことができる。本試料強度試験装置は、本水素チャージ部で容易に水素チャージ量を所望の値に制御できる。
【００１５】
なお、前記水素チャージ工程と前記加熱工程との間に、前記試料の表面を洗浄する洗浄工程をさらに行うことが好ましい。試料表面に付着した液体を除去することで装置周辺や温度槽内の汚染を防ぐことができる。
【００１６】
本発明に係る試料強度試験装置の前記温度制御部は、前記温度槽に外部から気体又は液体を導入できる構造をさらに有することが好ましい。所定の温度に制御した空気を送ることで試料の温度を制御したり、所定の湿度に制御した空気を送ることで試料を濡らしたり乾燥したりすることができる。さらに、腐食性のガスや溶液を流入することで、試料を腐食させることもでき、エタノールやアセトンなどの脱脂用有機溶媒を流入することで試料を洗浄することもできる。
【００１７】
本発明に係る試料強度試験装置は、前記試料の長手方向が重力方向となるように前記水素チャージ部、前記温度制御部、及び前記可動機構を配置することが好ましい。重力による試料のたわみを考慮することなく試料強度試験を行うことができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、遅れ破壊に及ぼす水素の影響に関する関係を自動的に調べることができる試料強度試験装置及び試料強度試験方法を提供することができる。本試料強度試験装置は、装置規模全体をコンパクト化でき、試料強度試験方法の各工程を自動制御することで試料強度試験を容易にすることができる。また、本試料強度試験装置は、温度制御部、水素チャージ部、可動機構を連携動作させることかできるので、試料温度を変えながら引張応力試験を行ったり、水素チャージ量を変えながら圧縮試験を行うなど、多くの条件で試料強度と水素脆性の関係を検査することが可能となる。また、本試料強度試験装置は、従来必要であった熟練した作業者による作業を省くことができ、試料を移動させることにともなう空気中での試料の汚染やチャージした水素の拡散といった現象をおさえて、より正確に試験を行うことができる。
【００１９】
試料に水素チャージされた水素は１日で約１ｍｍ程度拡散する。本試料強度試験装置は水素チャージ工程、移動工程、加熱工程、応力付加工程を連続して行えるため、水素が拡散する前に試験を行うことができ、正確な水素濃度での結果を得ることができる。さらに、本試料強度試験装置は、従来不可能であった水素チャージをしながら引張試験を行うことができる。これは、水素チャージした試料から水素が抜ける前に試験を行うことができ、正確な水素濃度での結果を得ることができる。また、本試料強度試験装置は、試料を上下方向に引っ張りながら試料側面から水素をチャージしたり、水素チャージをやめたりすることができ、試験条件のパラメータを増やすことができる。このように、本試料強度試験装置は、各試験工程を組み合わせて、より現実に近い試験を行うことができるという、特異の効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る試料強度試験装置を説明する概略構成図である。
【図２】本発明に係る試料強度試験装置の水素チャージ部を説明する概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００２２】
図１は、本実施形態の試料強度試験装置を説明する概略構成図である。試料強度試験装置は、棒状の試料９１が内部を貫通し、且つ試料９１が長手方向に可動な水槽２１を有し、水槽２１内にある試料９１を水素チャージする水素チャージ部１１と、試料９１の長手方向に配置され、試料９１が内部を貫通し、且つ試料９１が長手方向に可動な温度槽３１を有し、温度槽３１内にある試料９１を加熱する温度制御部１２と、試料９１の所望の箇所を水素チャージ部１１で水素チャージできるように、あるいは試料９１の所望の箇所を温度制御部１２で加熱できるように試料９１を長手方向に移動させ、試料９１の長手方向に応力を与える可動機構（１３Ａ、１３Ｂ）と、を備える。
【００２３】
試料９１は、例えば、金属の棒である。試料９１は長手方向が重力方向となるように配置される。接続部１４Ａと接続部１４Ｂは試料９１の両端を保持する。さらに可動機構１３Ａは接続部に接続しており、可動機構１３Ｂは接続部に接続している。可動機構（１３Ａ、１３Ｂ）は試料９１全体を長手方向、すなわち鉛直方向に移動可能とする。さらに、可動機構（１３Ａ、１３Ｂ）は試料９１を長手方向、すなわち鉛直方向に引張又は圧縮の応力を印加することができる。
【００２４】
応力を印加する際、可動機構（１３Ａ、１３Ｂ）は、例えば、接続部１４Ａと接続部１４Ｂのうちの一方を固定して他方をモーター（特にサーボモーターがよい）で鉛直軸方向に移動させる。試料強度試験装置は、接続部１４Ａと接続部１４Ｂとの間で引張が行われた際、試料９１の伸びと付加応力の関係を計測する。または、試料強度試験装置は、試料９１が破断した瞬間の伸びと付加応力を記録する。記録手段としては、例えば、ロードセルを用いる。ロードセルは、歪みゲージ式の力検出器である。ロードセルは、起歪体と呼ばれる弾性体にひずみゲージを貼り付け、応力と歪み出力の比例関係を利用している。
【００２５】
ロードセルは、接続部１４Ａと接続部１４Ｂのうちの移動する方の移動距離を電気信号に変え、これを電磁的または機械的に記録して試料９１の伸び量とする。試料強度試験装置は、可動機構（１３Ａ、１３Ｂ）の動作制御、接続部（１４Ａ、１４Ｂ）の移動距離の計測、応力計算をマイクロコントローラ（不図示）で行う。
【００２６】
マイクロコントローラが接続部１４Ａと接続部１４Ｂとを離す方向に移動させれば、試料９１の引張試験となり、接続部１４Ａと接続部１４Ｂとを近づける方向に移動させれば試料９１の圧縮試験となる。
【００２７】
温度制御部１２は、試料９１が内部を貫通する温度槽３１を有し、温度槽３１内の温度を制御する。貫通する試料９１は、温度槽３１を長手方向に移動可能である。温度制御部１２は、例えば、半導体センサ等の温度センサ（不図示）とニクロム線等のヒータ（不図示）を適宜組み合わせて温度制御を行う。温度制御部１２は、温度センサからの電気信号を受けてヒータを所定の温度に制御するマイクロコントローラ（不図示）を有する。温度制御部１２は、マイクロコントローラ、温度センサ、及びヒータを利用して温度槽３１内にある試料９１を所望の温度に加熱する。
【００２８】
温度制御部１２は、温度槽３１に外部から気体又は液体を導入できる構造３２をさらに有する。例えば、温度制御部１２は、構造３２を通じて所定の温度に制御した空気を送ることで試料９１の温度を制御することもできる。また、温度制御部１２は、構造３２を通じて所定の湿度に制御した空気を送ることで試料９１を濡らしたり乾燥したりすることができる。さらに、温度制御部１２は、構造３２を通じて腐食性のガスや溶液を流入することで、試料９１を腐食させることもできる。さらに、温度制御部１２は、構造３２を通じてエタノールやアセトンなどの脱脂用有機溶媒を流入することで試料９１を洗浄することもできる。
【００２９】
図２は、水素チャージ部１１を説明する概略構成図である。水素チャージ部１１は、試料９１が内部を貫通する水槽２１を有する。水槽２１はガラス、アクリル等の透明な容器とすることができる。水槽２１は、その底部においてゴムパッキン２４が試料９１に密着する構造になっており、水槽２１から液体が漏れないようになっている。このため、水槽２１と試料９１とは完全に密着させる必要はない。さらに、試料９１が長手方向に移動してもゴムパッキン２４の弾力性によって水槽２１内の水が漏れることはない。水槽２１内には、例えば、液体２５として水が満たされる。試料９１は水槽２１を貫通するため、液体２５と試料９１の表面とが接触する。水槽２１は内部を貫通する試料９１の表面を覆う外接部２２を持っていてもよい。外接部２２には多数の孔があいており、水槽２１内に満たされる液体と試料９１の表面とが接触できる。
【００３０】
水素チャージ部１１は、水槽２１に液体２５を満たし、水槽２１から液体２５を排出する手段２６をさらに有する。手段２６は、例えばポンプである。試料強度試験装置は、手段２６を使うことで、自動で水槽２１に液体２５を満たすことができ、排出することができる。
【００３１】
水素チャージ部１１は、液体２５を電気分解し、水素を発生させる手段２３をさらに有する。水素チャージ部１１は、水槽２１内の液体２５を手段２３で電気分解することによって水素を発生させる。手段２３は、例えば、ポテンショスタット／ガルバノスタットである。ポテンショスタットとは、試料極と参照極の間の電圧が設定した値になるように、試料極と対極に流れる電流を制御する装置である。また、ガルバノスタットとは、電気化学セルの試料極から対極へ流れる電流を制御する装置である。試料強度試験装置は、試料９１をカソードとし、手段２３を利用して試料９１と液体２５間に電流を通じさせ、試料９１の表面で水中の水素イオンの還元を行う。ポテンショスタット／ガルバノスタットから出力される電流値をマイクロコントローラで処理して水素発生量を所望の値に制御することができる。
【００３２】
試料強度試験装置は、水素チャージ部１１で棒状の試料９１の長手方向の一部（水素曝露部）に水素を与えて水素チャージする水素チャージ工程と、可動機構（１３Ａ、１３Ｂ）で試料９１の水素曝露部を試料９１の長手方向に温度制御部１２まで移動させる移動工程と、温度制御部１２で試料９１の水素曝露部を加熱する加熱工程と、加熱工程とともに、又は加熱工程の後に可動機構（１３Ａ、１３Ｂ）で試料９１の長手方向に応力を与える応力付加工程と、を行う。
【００３３】
水素チャージ工程は、手段２６が試料９１が貫通する水槽２１に液体２５を導入し、試料９１表面と液体２５とを接触させる過程と、手段２３が液体２５を電気分解して水素を発生させる過程と、手段２６が液体２５を水槽２１から排出する過程と、を順に行う。また、水素チャージは電気分解により行うほかに、水素ガスを充てんする方法、チオシアン酸塩などの温浴を用いる方法もある。さらに、水素チャージ工程と加熱工程との間に、試料９１の表面を洗浄する洗浄工程を行ってもよい。
【００３４】
試料強度試験装置は、各工程を選択して試験を行うことができる。具体的には、試料強度試験装置は、参照データとして応力付加工程のみ行うこともできる。また、試料強度試験装置は、水素チャージ工程の直後に応力付加工程を行うこともできる。さらに、試料強度試験装置は、水素チャージ工程の後に、移動工程で水素曝露部を温度制御部１２に移動させ、加熱工程で３０℃で１００秒、２００℃で３０分、室温で０秒保持し、その後に応力付加工程を行うこともできる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明に係る試料強度試験装置及び試料強度試験方法は、水素チャージ以外に他の方法で試料中に欠陥を発生させて強度試験を行ってもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１１：水素チャージ部
１２：温度制御部
１３Ａ、１３Ｂ：可動機構
１４Ａ、１４Ｂ：接続部
２１：水槽
２２：外接部
２３：手段
２４：ゴムパッキン
２５：液体
２６：手段
３１：温度槽
３２：構造
【図１】
2010266253.tif 000003
【図２】
2010266253.tif 000004