(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の硬さを測定する硬さ試験機に設置されて前記試料を支持する中空状の試料台と、
前記試料台の中空部に冷媒を循環させることで、前記中空部の外面に設置された前記試料を冷却する冷却制御手段と、
前記冷却制御手段によって冷却された前記試料の温度を計測する温度計測手段と、
前記試料と前記中空部の外面との間に配置され、前記冷却制御手段によって冷却された前記試料を加熱することで当該試料の温度を調整する温度調整手段と
を備えたことを特徴とする試料冷却装置。
【請求項２】
試料の硬さを測定する硬さ試験機であって、
前記試料を支持する中空状の試料台と、
前記試料台の中空部に冷媒を循環させることで、前記中空部の外面に設置された前記試料を冷却する冷却制御手段と、
前記冷却制御手段によって冷却された前記試料の温度を計測する温度計測手段と、
前記試料と前記中空部の外面との間に配置され、前記冷却制御手段によって冷却された前記試料を加熱することで当該試料の温度を調整する温度調整手段と、
温度計測手段によって計測された前記試料の温度が所定の温度に達した後に前記試料の硬さを測定する硬さ測定手段と
を備えたことを特徴とする硬さ試験機。
【請求項３】
試料の硬さを測定する硬さ試験機を用いた硬さ試験方法であって、
前記硬さ試験機に設置されて前記試料を支持する中空状の試料台の中空部に冷媒を循環させることで、前記中空部の外面に設置された前記試料を冷却するステップと、
冷却された前記試料の温度を計測するステップと、
前記試料と前記中空部の外面との間に配置された温度調整装置により、冷却した前記試料を加熱することで当該試料の温度を調整する温度調整ステップと、
計測された前記試料の温度が所定の温度に達した後に前記試料の硬さを測定するステップと
を含んだことを特徴とする硬さ試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料冷却装置、硬さ試験機および硬さ試験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、原子力発電所等に設置される軽水炉の主要構造物である圧力容器は、運用中に中性子が照射されることで、圧力容器を形成する鋼材の脆化が進行することが知られている。この現象は、「照射脆化」と呼ばれ、原子炉における主要な経年事象のひとつとして取り上げられている。そして、軽水炉の健全な長期運用を実現するためには、かかる照射脆化を監視することが非常に重要である。
【０００３】
そこで、従来、脆化が機械的特性の温度依存性の変化を示す指標であることに着目して、硬さの温度依存性から脆化を評価する方法が検討されている。特に、脆化を評価するための効果的な方法として、低温における硬さの温度依存性の変化から脆化を評価することが検討されている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】T.Oku, S.Sato, T.Fujimura, "The detection of embrittlement in steels by means of hardness measurements", Nuclear Structural Engineering, Volume 2, Issue 3, September 1965, Pages 282-292
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来、低温で硬さ試験を実施するための一般的な方法は存在していない。そのため、低温における硬さの温度依存性を測定することができなかった。なお、この課題は圧力容器の鋼材に限って生じるものではなく、硬化にともなって脆化を生じる各種の試料について同様に生じるものである。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、低温における試料の硬さの温度依存性を測定することが可能な試料冷却装置、硬さ試験機および硬さ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】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、試料の硬さを測定する硬さ試験機に設置されて前記試料を支持する中空状の試料台と、前記試料台の中空部に冷媒を循環させることで、前記中空部の外面に設置された前記試料を冷却する冷却制御手段と、前記冷却制御手段によって冷却された前記試料の温度を計測する温度計測手段と、前記試料と前記中空部の外面との間に配置され、前記冷却制御手段によって冷却された前記試料を加熱することで当該試料の温度を調整する温度調整手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、試料の硬さを測定する硬さ試験機であって、前記試料を支持する中空状の試料台と、前記試料台の中空部に冷媒を循環させることで、前記中空部の外面に設置された前記試料を冷却する冷却制御手段と、前記冷却制御手段によって冷却された前記試料の温度を計測する温度計測手段と、前記試料と前記中空部の外面との間に配置され、前記冷却制御手段によって冷却された前記試料を加熱することで当該試料の温度を調整する温度調整手段と、温度計測手段によって計測された前記試料の温度が所定の温度に達した後に前記試料の硬さを測定する硬さ測定手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、試料の硬さを測定する硬さ試験機を用いた硬さ試験方法であって、
前記硬さ試験機に設置されて前記試料を支持する中空状の試料台の中空部に冷媒を循環させることで、前記中空部の外面に設置された前記試料を冷却するステップと、冷却された前記試料の温度を計測するステップと、前記試料と前記中空部の外面との間に配置された温度調整装置により、冷却した前記試料を加熱することで当該試料の温度を調整する温度調整ステップと、計測された前記試料の温度が所定の温度に達した後に前記試料の硬さを測定するステップとを含んだことを特徴とする。 
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、低温における試料の硬さの温度依存性を測定することが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、図１は、本実施例に係るビッカース硬さ試験機の構成を示す図である。
【図２】図２は、本実施例に係る試料冷却部の構成を示す図である。
【図３】図３は、本実施例に係るビッカース硬さ試験機によって実施されるビッカース硬さ試験の流れを示すフローチャートである。
【図４】図４は、本実施例に係るビッカース硬さ試験機により実施されたビッカース硬さ試験の試験結果の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明に係る試料冷却装置および硬さ試験方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に示す実施例では、試料のビッカース硬さを測定するビッカース硬さ試験機に本発明を適用した場合について説明するが、この実施例によって本発明が限定されるものではない。
【実施例】
【００１３】
まず、本実施例に係るビッカース硬さ試験機の構成について説明する。図１は、本実施例に係るビッカース硬さ試験機の構成を示す図である。図１に示すように、本実施例に係るビッカース硬さ試験機１０は、本体部１１、撮像部１２、ターレット１３、試料冷却部１４、ステージ１５、操作受付部１６および制御部１７を有する。
【００１４】
本体部１１は、概略Ｃ字状をなし、ビッカース硬さ試験機１０が有する各部を支持する。具体的には、本体部１１は、上部上側に撮像部１２を支持し、上部下側にターレット１３を支持する。また、本体部１１は、下部上側にステージ１５を支持する。
【００１５】
撮像部１２は、後述する試料冷却部１４に載置された試料Ｓに形成されるくぼみを撮像する。この撮像部１２は、後述するターレット１３に設けられた対物レンズ１３ｂを介して、試料Ｓの上面を撮像する。例えば、撮像部１２は、ＣＣＤ（Charge-Coupled  Device）カメラなどである。
【００１６】
ターレット１３は、本体部１１の上部に垂直な軸Ａを中心に回転可能に設けられており、下側に圧子部１３ａおよび対物レンズ１３ｂがそれぞれ設けられている。ここで、圧子部１３ａは、ターレット１３から下方に突出するように設けられており、先端に四角錘形状のダイヤモンドが設けられている。そして、ターレット１３は、軸Ａを中心に回転することで、後述するステージ１５上で圧子部１３ａの位置と対物レンズ１３ｂの位置とを入れ替える。例えば、ターレット１３は、操作者によって手動で回転される。
【００１７】
試料冷却部１４は、後述するステージ１５上に設置され、試料Ｓを下方から支持する。また、試料冷却部１４は、ビッカース試験が実施される際に試料Ｓを冷却する。本実施例では、この試料冷却部１４が試料Ｓを冷却することによって、低温におけるビッカース硬さを測定することができるようにしている。なお、かかる試料冷却部１４の構成については後に具体的に説明する。
【００１８】
ステージ１５は、本体部１１の下部上側にターレット１３と対向するように設けられている。このステージ１５は、本体部１１内に設けられた駆動部によって上下方向へ移動可能に設けられている。このステージ１５を上昇させることで、試料冷却部１４に載置された試料Ｓに圧子部１３ａの先端を押し込むことができる。
【００１９】
操作受付部１６は、ビッカース硬さ試験機１０に対する各種の動作指示を操作者から受け付け、受け付けた動作指示に応じてビッカース硬さ試験機１０の各部を動作させる。例えば、操作受付部１６は、操作者からビッカース硬さ試験の実施指示を受け付けた場合には、あらかじめ設定された試験荷重で圧子部１３ａの先端が試料Ｓに押し込まれるように、本体部１１内に設けられた駆動部を動作させてステージ１５を上昇させる。また、操作受付部１６は、操作者から撮像指示を受け付けた場合には、撮像部１２を駆動することで試料Ｓの表面を撮像する。なお、この操作受付部１６は、例えば、ボタンやタッチパネルなどである。
【００２０】
制御部１７は、操作者から各種の指示を受け付け、受け付けた指示に応じてビッカース硬さ試験に関する各種処理を行う。例えば、制御部１７は、撮像部１２によって撮像された試料Ｓの画像を表示する。また、制御部１７は、撮像部１２によって撮像された試料Ｓの画像を解析することで、試料Ｓに形成されたくぼみの対角線の長さを計測し、計測した対角線の長さと試料Ｓに加えられた荷重の大きさとからビッカース硬さを算出する。
【００２１】
次に、試料冷却部１４の構成について説明する。図２は、本実施例に係る試料冷却部の構成を示す図である。図２に示すように、試料冷却部１４は、例えば、冷却ステージ１４ａ、冷媒導入口１４ｂ、冷媒排出口１４ｃ、測温用センサ１４ｄおよびヒーター１４ｅを有する。また、試料冷却部１４には、冷却制御部１４ｆ、温度計測部１４ｇおよび温度調整部１４ｈがそれぞれ接続されている。なお、かかる試料冷却部１４が有する各部は、それぞれ、ビッカース硬さ試験に耐えうる強度を有している。
【００２２】
冷却ステージ１４ａは、中空状に形成され、ビッカース硬さ試験機１０のステージ１５上に設置されて試料Ｓを支持する。例えば、冷却ステージ１４ａは、直方体の箱状に形成された銅製の台である。
【００２３】
冷媒導入口１４ｂは、冷却制御部１４ｆから供給される冷媒を冷却ステージ１４ａの中空部へ導入する。具体的には、冷媒導入口１４ｂは、冷媒導入用の管を介して後述する冷却制御部１４ｆに接続されており、冷却制御部１４ｆから供給される冷媒を冷却ステージ１４ａの中空部へ送る。例えば、冷媒導入口１４ｂは、円管状に形成され、冷却ステージ１４ａの側面に取り付けられる。
【００２４】
冷媒排出口１４ｃは、冷却ステージ１４ａの中空部から冷媒を排出する。具体的には、冷媒排出口１４ｃは、冷媒排出用の管を介して後述する冷媒制御部１４ｆに接続されており、冷却ステージ１４ａの中空部から流出する冷媒を冷媒制御部１４ｆへ送る。例えば、冷媒排出口１４ｃは、円管状に形成され、冷却ステージ１４ａの側面に取り付けられる。
【００２５】
測温用センサ１４ｄは、冷却ステージ１４ａに載置された試料Ｓの温度を検出する。例えば、測温用センサ１４ｄは、線状に形成された白金の抵抗体であり、冷却ステージ１４ａの上面に設けられた溝内に埋設され、試料Ｓの直下で温度を検出する。
【００２６】
ヒーター１４ｅは、冷却ステージ１４ａによって支持された試料Ｓを加熱する。例えば、ヒーター１４ｅは、冷却ステージ１４ａの上面に設置され、試料Ｓを下方から加熱する。また、このヒーター１４ｅは、後述する冷却制御部１４ｆによる制御のもと、試料Ｓを加熱する温度を変更する。
【００２７】
冷却制御部１４ｆは、冷却ステージ１４ａの中空部に冷媒を循環させることで試料Ｓを冷却する。具体的には、冷却制御部１４ｆは、冷媒導入口１４ｂおよび冷媒排出口１４ｃを介して、冷却ステージ１４ａの中空部に冷媒を循環させる。例えば、冷却制御部１４ｆは、冷媒として液体窒素を循環させる。
【００２８】
温度計測部１４ｇは、冷却制御部１４ｆによって冷却された試料Ｓの温度を検出する。具体的には、温度計測部１４ｇは、測温用センサ１４ｄによって検出された温度を取得することで、試料Ｓの温度を計測する。また、温度計測部１４ｇは、計測した温度を表示パネル等に表示するとともに、計測した温度を温度調整部１４ｈに通知する。
【００２９】
温度調整部１４ｈは、冷却制御部１４ｆによって冷却された試料Ｓをヒーター１４ｅで加熱することで、試料Ｓの温度を調整する。具体的には、温度調整部１４ｈは、温度計測部１４ｇから通知された温度が試験温度より低い場合には、ヒーター１４ｅの温度を上昇させる。また、温度調整部１４ｈは、温度計測部１４ｇから通知された温度が試験温度より高い場合には、ヒーター１４ｅの温度を低下させる。
【００３０】
次に、本実施例に係るビッカース硬さ試験機１０によって実施されるビッカース硬さ試験の流れについて説明する。図３は、本実施例に係るビッカース硬さ試験機１０によって実施されるビッカース硬さ試験の流れを示すフローチャートである。
【００３１】
図３に示すように、本実施例に係るビッカース硬さ試験機１０によるビッカース硬さ試験では、まず、冷却制御部１４ｆが、冷却ステージ１４ａの中空部に冷媒を循環させることで試料Ｓを冷却する（ステップＳ１）。これにより、試料Ｓは、冷媒によって冷却可能な最低温度まで冷却される。
【００３２】
続いて、温度計測部１４ｇが、測温用センサ１４ｄによって検出された温度を取得することで、試料Ｓの温度を検出する（ステップＳ２）。そして、温度調整部１４ｈが、温度計測部１４ｇによって検出された温度に基づいてヒーター１４ｅの温度を制御することで、冷却制御部１４ｆによって冷却された試料Ｓの温度を調整する（ステップＳ３）。
【００３３】
その後、温度計測部１４ｇによって計測された料の温度が試験温度に達した後に（ステップＳ４，Ｙｅｓ）、操作者からの指示に応じて、ビッカース硬さ試験機１０の各部がステージ圧子部試料のビッカース硬さを測定する。
【００３４】
具体的には、操作受付部１６が、操作者から圧子押し込み指示を受け付けた場合に、あらかじめ設定された試験荷重で圧子部１３ａの先端が試料Ｓに押し込まれるように、ステージ１５を上昇させる（ステップＳ５）。続いて、操作受付部１６は、操作者から撮像指示を受け付けた場合に、撮像部１２を動作させることで試料Ｓに形成されたくぼみを撮像する（ステップＳ６）。
【００３５】
そして、制御部１７が、操作者からの指示に応じて、撮像部１２によって撮像された画像を解析することで、試料Ｓに形成されたくぼみの対角線の長さを計測し、計測した対角線の長さと試料Ｓに加えられた荷重の大きさとからビッカース硬さを算出する（ステップＳ７）。
【００３６】
上述したように、本実施例では、冷却制御部１４ｆが、試料Ｓを支持する中空状の冷却ステージ１４ａの中空部に冷媒を循環させることで試料Ｓを冷却する。また、温度計測部１４ｇが、冷却制御部１４ｆによって冷却された試料Ｓの温度を計測する。そして、温度計測部１４ｇによって計測された試料Ｓの温度が所定の温度に達した後に、ステージ１５、撮像部１２および制御部１７が動作することで試料Ｓのビッカース硬さを測定する。したがって、本実施例によれば、試料Ｓを冷却したうえで、試料Ｓのビッカース硬さを測定することができるので、低温における試料Ｓのビッカース硬さの温度依存性を測定することが可能である。
【００３７】
また、本実施例では、温度調整部１４ｈが、冷却制御部１４ｆによって冷却された試料Ｓを加熱することで試料Ｓの温度を調整する。したがって、本実施例によれば、試験温度を容易に変更することが可能である。
【００３８】
ここで、本実施例に係るビッカース硬さ試験機１０により実施されたビッカース硬さ試験の試験結果の一例を示す。図４は、本実施例に係るビッカース硬さ試験機１０により実施されたビッカース硬さ試験の試験結果の一例を示す図である。同図は、圧力容器鋼の試験片を試料Ｓとし、試料Ｓの温度を０℃〜―２００℃の間で変えながらビッカース試験を実施した場合の試験結果を示している。図４において、横軸は試験を実施した試験温度を示しており、縦軸は試験により測定されたビッカース硬さを示している。なお、同図は、同じ試料Ｓに対して５回試験を実施した場合の５回分の試験結果を示している。
【００３９】
図４に示す試験結果より、圧力容器鋼の硬さにはばらつきがあるが、全体の傾向として、試験温度が低いほど硬さは高くなることがわかる。また、温度が約―７０℃を超えると、ほぼ室温の硬さ（約１９０）に達することがわかる。このように、本実施例に係るビッカース硬さ試験機によれば、低温における圧力容器鋼の硬さの温度依存性を測定することが可能である。
【００４０】
なお、上記実施例では、操作受付部１６が操作者からの指示に応じてビッカース硬さ試験機１０の各部を動作させる場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、制御部１７がビッカース硬さ試験機１０の各部を自動的に動作させるようにしてもよい。
【００４１】
その場合には、例えば、制御部１７が、温度計測部１４ｇによって計測される試料Ｓの温度を取得し、取得した温度が試験温度に達した時点で、本体部１１内に設けられた駆動部を動作させてステージ１５を上昇させる。続いて、制御部１７は、ステージ１５を下降させた後に、ターレット１３を回転させて対物レンズ１３ｂを試料Ｓの上方に位置決めし、その後、撮像部１２を動作させて、試料Ｓに形成されたくぼみを撮像する。
【００４２】
また、上記実施例では、温度調整部１４ｈが、冷却された試料Ｓをヒーター１４ｅで過熱することで試料Ｓの温度を調整する場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、試料Ｓを最低温度まで冷却した後に試料Ｓの冷却を停止し、その後、試料Ｓの温度が自然に上昇する過程でビッカース硬さを測定するようにしてもよい。
【００４３】
その場合には、例えば、冷却制御部１４ｆが、温度計測部１４ｇによって計測される試料Ｓの温度を取得し、取得した温度が最低温度に達した時点で冷媒の循環を停止する。そして、試料Ｓの温度が自然に上昇する過程で、操作者からの指示に応じて、ビッカース硬さ試験機１０の各部がステージ圧子部試料のビッカース硬さを測定する。この方法によれば、ヒーター１４ｅおよび温度調整部１４ｈが不要になるので、簡易な構成で試料冷却部１４を実現することができ、より簡便に、低温における試料の硬さの温度依存性を測定することが可能になる。
【００４４】
また、例えば、試料Ｓの温度調整が行われる際に、冷却制御部１４ｆが、冷却ステージ１４ａの中空部に循環させる冷媒の量を調整するようにしてもよい。その場合、例えば、冷却制御部１４ｆは、温度計測部１４ｇによって検出された温度が試験温度より低い場合には、冷却ステージ１４ａの中空部に循環させる冷媒の量を減らす。また、温度調整部１４ｈは、温度計測部１４ｇによって検出された温度が試験温度より高い場合には、冷却ステージ１４ａの中空部に循環させる冷媒の量を増やす。これにより、試料Ｓの温度をさらに効率よく調整することができるようになる。
【００４５】
また、上記実施例で説明した試料冷却部１４は、小型に構成することができるので、既存のビッカース硬さ試験機に改造を加えることなく実装することができる。したがって、低いコストで、低温における試料の硬さの温度依存性を測定することが可能である。
【００４６】
また、上記実施例では、ビッカース硬さ試験機に本発明を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、ブリネル硬さ試験機やロックウェル硬さ試験機など、他の硬さ試験機にも同様に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１０    ビッカース硬さ試験機
１１    本体部
１２    撮像部
１３    ターレット
１３ａ    圧子部
１３ｂ    対物レンズ
１４    試料冷却部
１４ａ    冷却ステージ
１４ｂ    冷媒導入口
１４ｃ    冷媒排出口
１４ｄ    測温用センサ
１４ｅ    ヒーター
１４ｆ    冷却制御部
１４ｇ    温度計測部
１４ｈ    温度調整部
１５    ステージ
１６    操作受付部
１７    制御部
【図１】
0005417110.tif 000002
【図２】
0005417110.tif 000003
【図３】
0005417110.tif 000004
【図４】
0005417110.tif 000005