(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御された雰囲気において、制御されたひずみ比（Ｒ）で、試料（１２）の高サイクル型の材料疲労試験を実行するために、
内部チャンバを定める外壁を有する圧力容器（１４）と、
間に試料（１２）が配置される第１のホーン（１６）および第２のホーン（１８）から構成され、長手軸（Ｙ’−Ｙ）を有し且つ実質的に前記圧力容器（１４）の前記内部チャンバ内に配置される荷重トレインと、
前記長手軸（Ｙ’−Ｙ）に平行な方向に前記試料（１２）へ動的応力を加えるために、前記第１のホーン（１６）を励起することによって、前記荷重トレインへ超音波を加えるように構成されたコンバータ（２４）と、を備える装置（１０）であって、
前記内部チャンバは、前記試料（１２）を含む前記荷重トレインの少なくとも一部の周囲に空体積を定める第１のチャンバ（２６）と、前記長手軸（Ｙ’−Ｙ）に沿って前記第１のチャンバ（２６）と軸方向に整列された第２のチャンバ（２８）と、に分割され、
前記第２のホーン（１８）は、前記第２のチャンバ（２８）内に前記第１のチャンバ（２６）の第１の空体積から隔てられた第２の空体積を定めるために、前記第２のチャンバ（２８）の中に部分的かつ可動に嵌め込まれる基部（３０）と、前記第１のチャンバ（２６）を密封して前記第２のチャンバ（２８）から隔てるために、前記基部（３０）と前記圧力容器（１４）の外壁のうちの前記長手軸（Ｙ’−Ｙ）に実質的に平行な部分との間に介入される第１のガスケット（３２）と、前記試料（１２）に所定の静的応力を加えるために、前記第１および第２のチャンバ（２６，２８）の前記第１および第２の空体積にそれぞれ異なるガス圧を有するガスを供給するように設けられた第１の供給手段（３４）および第２の供給手段（３６）と、を備え、
前記第１の供給手段（３４）は、所定の組成を有するガスの第１の供給源（３４０）と、前記ガスの第１の供給源（３４０）から得られるガスについて所定のガス圧を定めるための第１の制御装置（３４１）と、前記ガスの第１の供給源（３４０）と前記第１のチャンバ（２６）の前記第１の空体積へ出力する第１の入口チャネル（３４３）とに接続された第１のガス管（３４２）と、前記第１のチャンバ（２６）の前記第１の空体積に連通し、前記ガスの第１の供給源（３４０）に接続された第２のガス管（３４５）へ出力する第１の出口チャネル（３４４）と、を備え、
前記第２の供給手段（３６）は、所定の組成を有するガスの第２の供給源（３６０）と、前記ガスの第２の供給源（３６０）から得られるガスについて所定のガス圧を定めるための第２の制御装置（３６１）と、前記ガスの第２の供給源（３６０）と前記第２のチャンバ（２８）の前記第２の空体積へ出力する第２の入口チャネル（３６３）とに接続された第３のガス管（３６２）と、前記第２のチャンバ（２８）の前記第２の空体積に連通し、前記ガスの第２の供給源（３６０）に接続された第４のガス管（３６５）へ出力する第２の出口チャネル（３６４）と、を備え、
前記第１の制御装置（３４１）は、前記第１および第２のチャンバ（２６，２８）の前記第１および第２の空体積の間の剰余の漏れの流れ（３５）よりも大きい前記第１の空体積を通過する所定のガスの流れをさらに定めることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記第１のホーン（１６）は、前記コンバータ（２４）へ取り付けられるために前記圧力容器（１４）から突出する円柱形部分と前記圧力容器（１４）の外壁のうちの前記長手軸（Ｙ’−Ｙ）に実質的に垂直な部分（３９）に対向して位置する肩部（２９）とを有する基部（２５）、を備え、
前記第１のホーン（１６）の前記基部（２５）を密封して前記圧力容器（１４）の前記外壁から隔てつつ、前記第１のホーン（１６）の長手方向の振動を可能にするために、前記肩部（２９）及び前記外壁の前記部分（３９）間の境界面に、第２のガスケット（３８）が設けられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１のホーン（１６）、前記第２のホーン（１８）、および中央（Ｏ）を有する前記試料（１２）は、前記コンバータ（２４）によって前記荷重トレインへと結合させられる超音波の周波数と共振するように寸法付けられ、
前記第１のガスケット（３２）および前記第２のガスケット（３８）ならびに前記試料（１２）の前記中央（Ｏ）は、応力が最大となる前記荷重トレインの変位の節に位置することを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記長手軸（Ｙ’−Ｙ）は、実質的に垂直であり、
前記第１のホーン（１６）は、上側ホーンを定め、
前記第２のホーン（１８）は、下側ホーンを定めることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記第１のチャンバ（２６）または前記第２のチャンバ（２８）に供給されるガスは、純ガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記第１のチャンバ（２６）または前記第２のチャンバ（２８）に供給されるガスは、異なるガス成分の混合物であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記第１のチャンバ（２６）または前記第２のチャンバ（２８）に供給されるガスは、少なくとも水素を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記第１及び第２のホーン（１６，１８）は、基部（２５，３０）から前記試料（１２）に接続される先端（２０，２２）へとおおむね先細りの形状を有する部材として、設計されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記第１及び第２のチャンバ（２６，２８）の前記第１及び第２の空体積における圧力は、１０００ｂａｒより低いことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１及び第２のチャンバ（２６，２８）の前記第１及び第２の空体積における圧力は、２００ｂａｒ〜５００ｂａｒからなることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置を用いて、制御された雰囲気において、制御されたひずみ比（Ｒ）で、試料（１２）の高サイクル型の材料疲労試験を実行するための方法であって、
試料（１２）の一端を前記第１のホーン（１６）の先端（２０）に固定し且つ試料（１２）の他端を前記第２のホーン（１８）の先端（２２）に固定することによって、前記装置（１０）の前記第１のチャンバ（２６）内に試料（１２）を配置するステップと、
前記第１および第２の両方のチャンバ（２６，２８）の圧力差に起因して所望の静的応力が試料（１２）に加えられるように、前記圧力容器（１４）の前記第１および第２のチャンバ（２６，２８）にガスを供給するステップと、
前記コンバータ（２４）から前記荷重トレインへと結合させられた超音波を励起することによって動的応力が試料に加えられるように、前記コンバータ（２４）を制御するステップと、
前記第１および第２の供給手段（３４，３６）による前記第１および第２のチャンバ（２６，２８）へのガスの流れを制御することによって、前記第１および第２のチャンバ（２６，２８）の間のほぼ一定の予めセットされた圧力差を維持するステップと、を含み、
前記第１の供給手段（３４）により前記第１のチャンバ（２６）の第１の空体積に導入されたガスは、所定の組成と所定のガス圧とを有し、
前記第２の供給手段（３６）により前記第２のチャンバ（２８）の第２の空体積に導入されたガスは、所定の組成と所定のガス圧とを有し、
前記所定のガスの流れは、前記第１の空体積を通過し、前記第１および第２のチャンバ（２６，２８）の前記第１および第２の空体積の間の剰余の漏れの流れ（３５）よりも大きく定められることを特徴とする方法。
【請求項１２】
純ガスが、前記第１および第２のチャンバ（２６，２８）の前記第１および第２の空体積へ供給するために使用され、
前記第１および第２のチャンバ（２６，２８）の間のほぼ一定の予めセットされた圧力差を維持するステップは、前記第１および第２のチャンバ（２６，２８）の間の漏れの流れが補償されるように、前記第１および第２のチャンバ（２６，２８）のうち、より低い圧力を有する一方からの排出を制御することと、前記第１および第２のチャンバ（２６，２８）のうち、より高い圧力を有する他方へのガスの流れを増加させることとを含む、ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
ガス混合物が、前記第１および第２のチャンバ（２６，２８）の前記第１および第２の空体積への供給に使用され、
前記第１および第２のチャンバ（２６，２８）の間のほぼ一定の所定の圧力差を維持するステップは、前記第１および第２のチャンバ（２６，２８）のうち、より高い圧力を有する一方を通過する所定のガスの流れを維持することを含み、
前記所定のガスの流れは、前記第１および第２のチャンバ（２６，２８）のうち、より高い圧力を有する一方におけるガスの組成を制御するために、前記第１および第２のチャンバ（２６，２８）の間の漏れの流れ（３５）よりも大きい、ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御された雰囲気において、制御されたひずみ比で、試料の高サイクル型の材料疲労試験を実行するための装置および方法に関する。
【０００２】
本発明は、さらに詳しくは、最小ひずみと最大ひずみとの間の種々のひずみ比Ｒおよび種々の圧力レベルの環境における超音波励起による超高サイクル型（１０５サイクルを超える）の材料の高サイクル疲労（ＨＣＦ）試験に関する。
【０００３】
本発明は、とくには、宇宙用途のための種々の材料について、水素雰囲気などの有害な雰囲気の存在下での長期にわたる機械的な動的荷重のもとでの特性の解明を改善可能にする。
【０００４】
本発明へとつながる研究は、ＥＵの第７次研究枠組み計画（ＦＰ７／２００７〜２０１３）から「供与契約（grant agreement）」第２１８８４９号のもとで資金提供を受けている。
【背景技術】
【０００５】
材料の機械的特性は、伝統的に、一方向の引張荷重におけるそれらの降伏強度（弾性限界）および最終的な引張強度によって表現されている。
【０００６】
もう１つの重要なパラメータは、材料の疲労であり、すなわち材料にサイクル荷重が加わるときに生じる進行性の局所的な材料の損傷である。この文脈において、静的な荷重がゼロでないときのサンプルの疲労を研究することや、低周波数の疲労に高周波数のサイクル荷重を加えることに、関心が持たれる。
【０００７】
ＦＲ２６８０００３は、ガスタービン産業および宇宙産業のために開発され、一定またはゆっくりと変化する張力と、調節可能な振幅の縦方向および／または横方向の振動疲労力とを試料に同時に加えることを可能にする材料の疲労試験のための装置を開示している。この装置は、一定の張力の作用または周期的な張力の設定を可能にする油圧ジャッキと、１０〜１００ｋＨｚの間の周波数で動作する２つの超音波トランスデューサとを備えている。試料が、１対のホーン（すなわち、変位増幅器）の間に配置される。さらに装置は、鋼製フレーム（または、あぶみ形の部品）で構成された静的な力の伝達システムと、振動の振幅を測定する目的の光学装置とを備えている。
【０００８】
ＡＴ３５４１４６は、高サイクル疲労の枠組みにおいて試料を試験するための別の技術的解決策であって、一定または可変の荷重を重畳させ、したがって対称的な引張−圧縮モードという制約を取り除く技術的解決策を開示している。
【０００９】
宇宙用途などのいくつかの用途においては、試料について、危険な環境を定める可能性がある制御された雰囲気（例えば、水素あるいは潜在的に危険となりうる他の一定の気体または気体混合物の存在下）および高い圧力の下で、疲労試験を実行することが望まれる。上述の公知の装置は、高い圧力と組み合わせて使用することが、容易には可能でない。実際、荷重のうちの一定の部分を試料へと伝達するために機械的なロッドに頼っており、制御された雰囲気のもとでの貫通接続部またはベローズの使用が必要であると考えられるが、これは高い圧力においては困難となりうる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、本発明の目的は、高い圧力および水素雰囲気などの潜在的に危険な雰囲気の下での超音波励起による試料の高サイクル疲労試験を、改善された安全性および制御されたひずみ比Ｒ（ここで、Ｒ＝最小ひずみ／最大ひずみ）にて実行するための装置および方法を提供することにある。この考え方は、安全な設計により、有利な小さい気体の作動体積を可能にする。
【００１１】
この目的は、独立請求項に定められるとおりの本発明による装置および方法によって達成される。本発明のさらなる実施の形態が、従属請求項の主題である。
【００１２】
本発明の根底をなす主たる考え方は、試料用の圧力容器またはオートクレーブを使用し、オートクレーブ内でロッドのための貫通接続部またはベローズを必要とすることなく試料に静的応力を加えることができるよう、オートクレーブ内に配置された荷重トレインに静的応力を生じさせることができるように、圧力容器を異なるガス圧を作用させることができる２つのチャンバに分割することである。２つのチャンバのガス圧の差により、試料へ加わる静的応力が決まる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のある形態によれば、本発明は、制御された雰囲気において、制御されたひずみ比で、試料の高サイクル型の材料疲労試験を実行するために、内部チャンバを定める外壁を有する圧力容器と、間に試料が配置される第１のホーンおよび第２のホーンから構成され、長手軸を有し且つ実質的に前記圧力容器の前記内部チャンバ内に配置される荷重トレインと、前記長手軸に平行な方向に前記試料へ動的応力を加えるために、前記第１のホーンを励起することによって、前記荷重トレインへ超音波を加えるように構成されたコンバータと、を備える装置に関し、前記内部チャンバは、前記荷重トレインの少なくとも一部の周囲に空体積を定める第１のチャンバと、前記長手軸に沿って前記第１のチャンバと軸方向に整列された第２のチャンバと、に分割され、前記第２のホーンは、前記第２のチャンバ内に前記第１のチャンバの第１の空体積から隔てられた第２の空体積を定めるために、前記第２のチャンバの中に部分的かつ可動に嵌め込まれる基部と、前記第１のチャンバを密封して前記第２のチャンバから隔てるために、前記基部と前記圧力容器の外壁のうちの前記長手軸に実質的に平行な部分との間に介入される第１のガスケットと、前記試料に所定の静的応力を加えるために、前記第１および第２のチャンバの前記第１および第２の空体積にそれぞれ異なるガス圧を有するガスを供給するように設けられた第１の供給手段および第２の供給手段と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
異なるガス圧を加えることができる２つのチャンバという考え方が、試料に静的応力を加えるためのロッドまたはベローズなどの機械的な手段の置き換えを可能にする。したがって、ロッドなどのための貫通接続部が不要になるため、漏れの恐れが大いに軽減され、危険な雰囲気を有する環境においても試験が可能になる。
【００１５】
本発明の他の形態によれば、前記第１のホーンは、前記コンバータへ取り付けられるために前記圧力容器から突出する円柱形部分と前記圧力容器の外壁のうちの前記長手軸に実質的に垂直な部分に対向して位置する肩部とを有する基部、を備え、前記第１のホーンの前記基部を密封して前記圧力容器の前記外壁から隔てつつ、前記第１のホーンの長手方向の振動を可能にするために、前記肩部及び前記外壁の前記部分間の境界面に、第２のガスケットが設けられる。
【００１６】
前記第１のホーン、前記第２のホーン、および前記試料は、有利には、前記コンバータによって前記荷重トレインへと結合させられる超音波の周波数と共振するように寸法付けられ、前記第１のガスケットおよび前記第２のガスケットならびに前記試料の前記中央は、好ましくは、応力が最大となる前記荷重トレインの変位の節（例えば、変位振幅がゼロの位置）に位置する。
【００１７】
これは、試料への応力の印加を最適化するために役立ち、とくには両方のチャンバの間に試料へ一定の圧力の印加をもたらす一定の圧力差を維持し、あるいはゆっくりと変化する試料への周期的応力の印加をもたらすゆっくりと変化する周期的な圧力差を両方のチャンバの間に加えつつ、最大応力の印加を制御するために役立つ。
【００１８】
本明細書において、用語「ホーン」が、当業者にとって公知のとおり、共振要素として機能し、コンバータ／トランスデューサによって加えられる振動運動の拡大または増幅を可能にするおおむね先細りの形状の要素を指すことを、指摘しておくことができる。最も一般的な設計において、ホーンは、直線的、指数関数的、または段差のある先細りを有する。連続的に先細りであるホーン形状（少なくとも先端部について）が、試料における応力の集中、とくには試料の中央部における応力の最大値により、試料への応力の最適化された印加を可能にするがゆえに好ましい（試料が、好ましくは試料の中央に最も狭い部分を有する砂時計形状を有する）。したがって、第１および第２のホーンが、好都合には基部から試料に接続される先端へとおおむね先細りの形状を有する部材として設計される。
【００１９】
第２のホーンの基部は、主として２つのチャンバを互いに漏れがないように隔てるためのガスケットが装着される外周の溝を備えてもよい。ガスケットは、とくには一方のチャンバから他方のチャンバへの漏れを軽減するように機能する。
【００２０】
本発明のある実施形態によれば、前記第１および第２の供給手段の各々は、所定の組成を有する少なくとも１つのガスの供給源と、所定のガス圧を定めるための制御装置と、ガス管と、前記第１の空体積または前記第２の空体積のそれぞれに連通するために、前記圧力容器の前記外壁に設けられた少なくとも１つのチャネルと、を備える。
【００２１】
ある具体的な形態によれば、前記第１の供給手段は、所定の組成を有するガスの第１の供給源と、前記ガスの第１の供給源から得られるガスについて所定のガス圧を定めるための制御装置と、前記ガスの第１の供給源と前記第１の空体積へ出力する入口チャネルとに接続された第１のガス管と、前記第１の空体積に連通し、前記ガスの第１の供給源に接続された第２のガス管へ出力する出口チャネルと、を備え、前記制御装置は、前記第１および第２のチャンバの前記第１および第２の空体積の間の剰余の漏れの流れよりも大きい前記第１の空体積を通過する所定のガスの流れをさらに定める。
【００２２】
したがって、圧力容器は、上側チャンバへの少なくとも１つの第１のチャネルと、下側チャンバへの少なくとも１つの第２のチャネルとを備えてもよく、これらのチャネルは、チャンバへとガスを供給するために形成され、ガス管の取り付けを可能にする。したがって、チャネルは、装置におけるガスの流れを制御し、とくには圧力容器内の両方のガスチャンバの間の圧力差を制御することによって試料へ加えられる静的応力の制御を可能にするガス流制御システムに、装置を組み合わせることを可能にする。
【００２３】
さらに装置は、第１および第２のチャンバの間にほぼ一定の所定の圧力差を維持するように構成されたガス導入／排出制御装置を備えてもよい。少なくとも１つのチャンバに組み合わせられたガス入口およびガス出口により、このチャンバを通るガスの流れを、チャンバを新鮮なガスで連続的に満たすことができるように確立させることができる。
【００２４】
制御装置は、とくには第１および第２のチャンバの間の漏れの流れよりも大きい第１のチャンバを通るガスの流れを維持することによって、第１のチャンバのガスの組成を制御するように構成されてもよい。
【００２５】
第１のチャンバまたは第２のチャンバを満たすべきガスは、例えば水素またはアルゴンなどの純ガスであってよく、あるいは水素とアルゴンなどの少なくとも１つの別のガスとの混合物など、異なるガスの混合物であってもよい。
【００２６】
これは、装置において必要とされる危険な環境における試料の試験の実行を可能にする。
【００２７】
装置は、例えば２００ｂａｒ〜５００ｂａｒなど、最大１０００ｂａｒの第１および第２のチャンバの第１および第２の空体積の圧力に向けて設計されてもよい。これは、高い圧力の条件および危険な雰囲気での試料の試験を可能にする。
【００２８】
望ましくは、前記長手軸は、実質的に垂直であり、前記第１のホーンは、上側ホーンを定め、前記第２のホーンは、下側ホーンを定める。
【００２９】
本発明の他の形態によれば、上記のような本発明の装置を用いて、制御された雰囲気において、制御されたひずみ比で、試料の高サイクル型の材料疲労試験を実行するための方法であって、試料の一端を前記第１のホーンの先端に固定し且つ試料の他端を前記第２のホーンの先端に固定することによって、前記装置の前記第１のチャンバ内に試料を配置するステップと、前記第１および第２の両方のチャンバの圧力差に起因して所望の静的応力が試料に加えられるように、前記圧力容器の前記第１および第２のチャンバにガスを供給するステップと、前記コンバータから前記荷重トレインへと結合させられた超音波を励起することによって動的応力が試料に加えられるように、前記コンバータを制御するステップと、前記第１および第２の供給手段による前記第１および第２のチャンバへのガスの流れを制御することによって、前記第１および第２のチャンバの間のほぼ一定の予めセットされた圧力差を維持するステップと、を含むことを特徴とする方法、を提案する。
【００３０】
もし、純ガスが、前記第１および第２のチャンバの前記第１および第２の空体積へ供給するために使用されたならば、前記第１および第２のチャンバの間のほぼ一定の予めセットされた圧力差を維持するステップは、前記第１および第２のチャンバの間の漏れの流れが補償されるように、前記第１および第２のチャンバのうち、より低い圧力を有する一方からの排出を制御することと、前記第１および第２のチャンバのうち、より高い圧力を有する他方へのガスの流れを増加させることとを含んでもよい。
【００３１】
また、もし、ガス混合物が、前記第１および第２のチャンバの前記第１および第２の空体積への供給に使用されたならば、前記第１および第２のチャンバの間のほぼ一定の所定の圧力差を維持するステップは、前記第１および第２のチャンバのうち、より高い圧力を有する一方を通過する所定のガスの流れを維持することを含んでもよく、前記所定のガスの流れは、前記第１および第２のチャンバのうち、より高い圧力を有する一方におけるガスの組成を制御するために、前記第１および第２のチャンバの間の漏れの流れよりも大きい。
【００３２】
したがって、本方法は、チャンバへのガスの流れを制御することによって第１および第２のチャンバの間のほぼ一定の所定の圧力差を維持する行為を含む。
【００３３】
本発明の上述の目的、特徴、および利点、ならびに他の目的、特徴、および利点が、以下の説明および添付の特許請求の範囲を添付の図面と併せて検討することによって明らかになるであろう。添付の図面において、同種の部品または構成要素は、同種の参照符号によって指し示されている。
【００３４】
本発明を、典型的な実施の形態を参照して以下でさらに詳しく説明する。しかしながら、本発明は、これらの典型的な実施の形態に限られない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】高サイクル疲労試験を実行するための本発明の装置の実施の形態の斜視図を示しており、装置が内部の部品をよりよく示すために縦方向の平面に沿って切断された半分の図にて示されている。
【図２】図１の実施の形態の縦断面図を示している。
【図３】共振状態のもとでの図１の実施の形態の上側ホーンにおける軸方向の変位の振幅および軸方向の応力の振幅の分布について、ＦＥＭ計算の結果を示している。
【図４】図１の実施の形態において共振で励起されたときの上側ホーンの軸に沿った軸方向の応力の振幅および変位の振幅のグラフを示している。
【図５】共振状態のもとで図１の実施の形態において試験された試料における正規化された軸方向の変位の振幅および軸方向の応力の振幅の分布について、ＦＥＭ計算の結果を示している。
【図６】図１の実施の形態において共振で励起されたときの試料の軸に沿った軸方向の応力の振幅および変位の振幅のグラフを示している。
【図７】図１の実施の形態におけるガスの流れの概要および装置に組み合わせられたガス供給ユニットのブロック図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下において、機能的に同様または同一の要素には、同じ参照番号が使用されることがある。
【００３７】
本発明による装置は、例えば超音波励起による１０９サイクルでの疲労試験など、１０５サイクルを超える高サイクルおよび超高サイクル疲労の枠組みでの材料の疲労試験を可能にする。装置は、水素などの危険なガス中で高い圧力の下で、制御されたひずみ比（ここで、Ｒ＝最小ひずみ／最大ひずみ）で、これらの試験を実行することを可能にする。
【００３８】
ＡＴ３５４１４６に開示のとおりの試料の超音波励起は、圧縮および引張応力が同じ振幅を有する対称的な圧縮−引張モードをもたらす。このモードにおいて、ひずみ比は−１である。しかしながら、典型的な用途においては、例えばターボ機械の回転部品からのサイクル応力が、例えば遠心応力からの一定の応力に重畳し、したがって正のひずみ比にての試験がより重要になる。
【００３９】
Ｒ＝−１の対称的な圧縮−引張モードでの動作という制約を取り除くために、追加の（通常は、引張の）静的または準静的応力を、試料へ加えなければならない。この追加の応力を、本発明によれば、試料が配置される高圧容器によって生み出すことができる。容器は、異なるガス圧を有しており、比例した力を試料へともたらすことができる２つのチャンバへと分割されている。
【００４０】
図１は、試料１２を試験するための装置であって、オートクレーブ１４の形態をとる圧力容器を備えている装置１０の実施の形態を示している。オートクレーブ１４において、その第１のチャンバ２６内に、上側の第１のホーン１６および下側の第２のホーン１８を備える荷重トレインが配置されている。試料１２は、この第１のチャンバ２６においてホーン先端２０，２２の間に配置される。上側ホーン１６の超音波励起を生じさせるための超音波トランスデューサを備えるコンバータ２４（完全には示されていない）が、上側ホーン１６に組み合わせられている。この変種においては、コンバータ２４は、オートクレーブ１４の外側に位置している。したがって、第１のホーン１６の基端の円柱形部分２５は、オートクレーブ１４の上壁の貫通穴２７に受け入れられている。この円柱形部分２５の外側端は、コンバータ２４に堅固に取り付けられている。第１のチャンバ２６の内部において、円柱形部分２５は、軸方向において肩部またはフランジ部２９へと続いている。ガスケット３８は、この肩部２９と貫通穴２７を囲むシール面との間に配置されている。
【００４１】
円柱形部分２５の振動は、肩部２９とオートクレーブ１４の外壁のうちの荷重トレインの長軸Ｙ’−Ｙに実質的に垂直な部位３９との間の隙間にポリマーシール３８が設けられているがゆえに、漏れを生じることなく可能にされている。
【００４２】
超音波励起は、上側ホーン１６の先端２０（図１および２における下部）と下側ホーン１８の先端２２（図１および２における上部）との間に位置する試料１２へと、上側ホーン１６によって伝達される。試料１２は、例えばねじまたは任意の他の適切な手段により、一端において先端２０へと固定され、他端において先端２２へと固定される。下側ホーン１８の基部３０は、オートクレーブ１４の下部（より具体的には、行き止まりの穴３１）に可動に据えられる（したがって、軸方向に案内される）。この行き止まりの穴３１の長さは、下側ホーン１８の下方の残る空洞によって下部チャンバ２８を定めることができるような長さである。この空洞は、第２のチャンバ２８の空体積を形成し、第２のホーン１８の基部３０の底面と、穴３１と、オートクレーブ１４の底壁４３とによって定められる。
【００４３】
ガスケット３２は、第２のホーン１８の基部３０の外周の溝に設置され、したがって第１および第２のチャンバ２６および２８の空体積の間のガスの交換を妨げる。第１および第２のチャンバ２６および２８の間のガスの流れは、ガスケット３２によって妨げられる一方で、下側ホーン１８の基部３０は、荷重トレインへと振動が加わるときに依然としてオートクレーブ１４の行き止まりの穴３１において移動可能である。さらに、基部３０は、試料の長さが試験される材料に応じてさまざまでありうるという事実に鑑みて、試験対象の試料に応じた種々の長手方向の位置に対応することができる。
【００４４】
両方のチャンバ２６および２８（すなわち、それらの空体積）に、コンバータ２４から上側ホーン１６を介して試料１２へと印加される動的応力に加えて試料１２へと印加される引張または圧縮の応力を制御するために、ガスを供給することができる。印加される応力は、基本的に、両方のチャンバ２６および２８の圧力差に依存する。両方のチャンバ２６および２８の間の一定の圧力差は、試料１２への一定の圧力の印加をもたらす。
【００４５】
圧力チャンバ間の圧力差を調節することによって、荷重トレインへの応力によって荷重トレインの長さがわずかに変化するがゆえに、下側ホーン１８の位置がわずかに変化する可能性がある。しかしながら、実際には、この長さの変化はきわめて小さく（１ｍｍを大きく下回る）、下側ホーン１８の実際の位置を大きくは変化させない。
【００４６】
図２は、図１の装置１０を縦断面図にて示している。上側ホーン１６の超音波励起は、例えば圧電性結晶に基づいて、利用できるコンバータ２４によって上方から実行される。図２においては、コンバータ２４の一部分だけが示されている。図２の図は、上側の第１のチャンバ２６へとオートクレーブ１４の壁を貫く第１のチャネル３４３と、下側の第２のチャンバ２８へとオートクレーブ１４の壁を貫く第２のチャネル３６３とを示している。両方のチャネル３４３および３６３は、ガス導入／排出制御装置（図２には示されていないが、図７に制御装置３４１，３６１として示されている）によってチャンバ２６および２８の内部の圧力を制御し、とくには両方のチャンバ２６および２８の間に所望の圧力差を維持するために、オートクレーブ１４へとガス管（図２には示されていないが、図７に管３４２および３６２としてそれぞれ示されている）を取り付けることを可能にする。制御装置３４１，３６１（１つのユニットへと組み合わせてもよい）は、両方のチャンバ２６および２８の間にほぼ一定の圧力差を維持するように構成され得る。
【００４７】
チャンバ２６および２８に充填されるガスは、試験対象の試料について実際的な環境を定めるために適した任意のガスであってよい。例えば、Ｈ２（水素）、Ａｒ（アルゴン）、これらのガスの混合物、または必要に応じて選択される他のガスであってもよい。
【００４８】
さらに、図１の斜視の断面図および図２の断面図は、上側ホーン１６および下側ホーン１８の形状も示している。上側ホーン１６は、ホーンの基部（上部）２５からホーンの先端２０（下部）へとおおむね先細り（肩部２９を除く）である直径を有している。下側ホーン１８も同様の形状であり、基部３０（下部）から先端２２（上部）へとおおむね先細りである直径を有している。上側ホーン１６から試料１２（好ましくは、砂時計形である）の中央へと次第に減少する直径ゆえに、試料１２の破断が試料の中央領域Ｏにおいて生じる可能性が最も高くなるように、（動的）応力の最大値を試料１２の中央に生じさせることができる。
【００４９】
下側ホーン１８は、オートクレーブ１４の内側に固定されておらず、穴３１において軸方向に案内されているだけであり、先端２２において試料１２の下部へと接続されているだけである。上側のチャンバ２６の圧力が、下側のチャンバ２８の圧力よりも高いとき、静的な引張応力が、超音波励起によって引き起こされる動的応力に加えて試料１２へと印加される。試料の中央における断面と、２つのチャンバ２６，２８を隔てるガスケット３２における断面との比が、静的な荷重の増幅係数を定める。増幅係数とチャンバ２６および２８の間の圧力差との積は、試料の中央における静的応力を決定する。
【００５０】
ひずみ比Ｒは、最大のひずみに対する最小のひずみの比である。Ｄが正弦関数のひずみ（例えば、超音波励起によって導入される）であり、Ｓが静的なひずみ（例えば、ガスチャンバ２６および２８の圧力差からもたらされる）である場合、Ｒを
Ｒ＝（Ｓ−Ｄ）／（Ｓ＋Ｄ）
と表わすことができ、ここでＤ≧０であり、Ｓは任意の値である。
最大数百ｂａｒの総圧力に合わせて設計することができる本発明による装置の実施の形態の典型的な動作パラメータを、例示のために以下の表に挙げるが、他の値も本発明の技術的範囲に包含される。
0005856296.tif 000002
下記の表が、典型的な動的応力の振幅、圧力差、および結果としてのひずみ比Ｒを示している。
0005856296.tif 000003
【００５１】
Ｒ≠−１を達成するための一定の応力を維持するために、両方のチャンバ２６および２８の間の圧力差が必要である。したがって、下側のチャンバ２８の圧力とは異なる圧力が上側のチャンバ２６に必要である。装置の実施の形態は、例えばＨ２またはＡｒなどの作動ガスとしてのいくつかのガスによって動作させることができるが、必要に応じて他の種類のガスを使用することも可能である。
【００５２】
本明細書においては、上側のチャンバ２６の圧力が下側のチャンバ２８の圧力よりも高いと考えた。そのような場合には、試料１２に、超音波励起に起因するサイクル応力に加えて、静的な引張応力が加わる。しかしながら、上側のチャンバ２６の圧力が、下側のチャンバ２８の圧力よりも低くてもよい。そのような場合には、試料１２に、超音波励起に起因するサイクル応力に加えて、一定の圧縮応力が加わる。このように、チャンバ２６または２８のどちらの圧力が高いかに応じて、力が引張または圧縮のいずれかの応力を試料１２にもたらすことができ、そのような引張または圧縮応力が、定在超音波によって生成される対称的に交番する応力場に重ね合わせられる。
【００５３】
以下で、２０ｋＨｚの超音波励起周波数を有する本発明による装置の現実的な実施の形態を説明するが、この値は、例として提示されているにすぎない。上側および下側ホーン１６および１８ならびに試料１２が、好ましくは励起周波数における共振条件に応じて特定的に設計される。とくには、最適な動作のために、ホーン１６，１８および試料１２における変位の節（応力の最大点）の位置に充分に注意すべきである。好ましくは、変位の２つの節は、上部において上側のガスケット３８（図２）がオートクレーブ１４を終了させている地点および下側のガスケット３２（図２）が両方の圧力チャンバ２６および２８を互いに隔てている地点に位置されるべきである。第３の節は、好ましくは試料１２の中央Ｏに位置されるべきである。試料の長さ１２が試験される材料に依存するため、下側のガスケット３２の位置は、下側ホーン１８の基部３０に固定されるが、オートクレーブ１４の内部（行き止まりの穴３１）に対しては様々となりうる。
【００５４】
ガスケット３２の位置において２つのガスチャンバ２６，２８を隔てる境界を定めている下側ホーン１８の基部３０は、下側ホーン１８の先端２２によってのみ試料１２へと堅固に接続されているが、行き止まりの穴３１および下側圧力チャンバ２８を定める圧力容器１４の外壁には接続されておらず、２つの圧力チャンバ２６および２８のガス圧の差が、試料１２に比例した力をもたらす。
【００５５】
圧力容器またはオートクレーブ１４は、様々なやり方で構成することが可能であり、図示の例のオートクレーブ１４の垂直位置は、あくまでも好ましい実施の形態にすぎない。
【００５６】
図２の典型的な実施の形態において、オートクレーブは、上側ホーン１６の基部の肩部２９を含む荷重トレインの挿入を可能にするために、着脱可能な上部４１またはカバー部を備えている。上部４１は、ガスケット３８が位置する境界面を定めるように上側ホーン１６の肩部２９に対向して位置する実質的に水平な外壁３９を定めている。さらに上部４１は、円柱形部分２５をコンバータ２４との結合のためにオートクレーブ１４の外へと突出させることができる貫通穴２７を定めている。ガスケット４４は、上部４１とオートクレーブ１４の本体を定める中央部４２との間に位置している。上部４１は、ボルト、ねじ、または任意の他の公知の接続手段によって中央部４２へと接続されることができる。中央部４２は、底板を構成して下側のチャンバ２８を閉じる底部４３へと接続される。ガスケット４５は、底部４３と中央部４２の下端部との間に挿入されている。底部４３は、ボルトなどの任意の公知の接続手段によって中央部へと接続されることができる。
【００５７】
図３は、該当のモードでの共振状態のもとでの本発明の装置のこの現実的な実施の形態の上側ホーン１６における軸方向の変位（左側の図）および軸方向の応力（右側の図）の分布について、ＦＥＭ（有限要素法）計算を示している。図４においては、軸方向の応力の振幅の曲線Ａおよび変位の振幅の曲線Ｂが、共振にて励起されたときの上側ホーン１６の対称の軸に沿って描かれている。
【００５８】
図４に破線の縦線として示されている変位の節（変位＝０）は、上側ホーン１６のフランジ部がガスケット３８（図１および図２を参照）の位置においてガス容器の壁部分３９（オートクレーブの内部）と接触する表面のすぐ近くに位置している。これは、ホーン１６をオートクレーブ１４の上側圧力チャンバ２６の上部フランジ３９に取り付けるときに共振状態を維持するように機能する。ホーン１６は、その形態ゆえに、励起の振幅を約１０倍に増幅し、試料１２における高い応力水準の達成を助ける。
【００５９】
所与の励起の振幅において高い応力の値を得るために、設備の配置／形状は、応力の最大値が試料１２の直径が最小となる中央Ｏに位置するように最適化される。これは、試料１２の中央Ｏにおける応力の増大をもたらし、疲労による破断の発生箇所を規定する試料１２の砂時計形の形状の最良の使用を可能にする。試料１２の正確な長さは、試験される材料による。
【００６０】
図５は、共振状態の下での試料１２における正規化された軸方向の変位の振幅（左側の図）および軸方向の応力の振幅（右側の図）の分布を（任意単位にて）示している。
【００６１】
共振にて励起されたときの試料１２の長手軸Ｙ’−Ｙに沿った応力の振幅（曲線Ｃ）および変位の振幅（曲線Ｄ）の変化が、図６に示されている。試料１２の砂時計形状が、試料１２の中央における応力の振幅の増加をもたらしていることを、明らかに見て取ることができる。
【００６２】
図７は、本発明による装置におけるガスの流れの概要を示している。主たるガスの流れが、上側および下側チャンバ２６，２８のそれぞれの圧力を制御するために使用される。２つのチャンバ２６および２８の間の漏れの流れ３５から困難が生じるかもしれない。とくには、この流れ３５が、とりわけガスケット３２が下側ホーン１８の変位の節に正確に位置していない場合に、下側ホーン１８のガスケット３２の摩耗に起因して、１回の測定または試験の最中に時間につれて増加する可能性がある。
【００６３】
純ガス環境（例えば、水素のみ、またはアルゴンのみ、あるいはヘリウムなどの任意の他の純ガス）における動作の場合、この漏れの流れ３５を、下側のチャンバ２８からの制御された排出および対応する上側チャンバ２６へのガスの流入の増加によって補償することができる。作動ガスとしてのガス混合物（例えば、水素とアルゴンまたは任意の他のガスとの混合物、あるいは任意の他のガス混合物）の場合、漏れの流れ３５が、混合物の種々のガス成分ごとに異なり、上側チャンバ２６のガスの組成に影響を及ぼす。上側チャンバ２６に常に新鮮なガスが存在するよう、チャンバ２６および２８の間の漏れの流れ３５よりも大きい上側チャンバ２６を通過するガスの流れを維持することによって、上側チャンバ２６における所望のガス混合物を保証することができる。
【００６４】
図７においては、第１および第２の圧力チャンバ２６，２８について２つの別々のガス供給源３４０，３６０が概略的に示されている。ガス供給源３４０，３６０は、とくには圧力計および／または流量計を備えることができる制御ユニット３４１および３６１によって定められるとおりにそれぞれの圧力チャンバ２６および２８について必要な圧力の下で必要なガスの流れをもたらすと仮定される。しかしながら、システムは、共通の主要なガス供給源と、配管３４２および３６２を介して第１および第２のそれぞれのチャンバ２６，２８に供給されるガスの流れおよび圧力を監視および調節するための２つの別々の制御ユニットとを備えてもよい。
【００６５】
ガスの流れを制御しなければならない場合、入口配管３４２および出口配管３４５が第１のチャンバ２６について必要とされ、入口配管３６２および出口配管３６５が第２のチャンバ２８について必要とされる。しかしながら、第１のチャンバ２６および／または第２のチャンバ２８のガスの流れを維持しないと決めた場合には、出口配管３４５および／または出口配管３６５を使用せず、第１および第２のチャンバ２６，２８に２つの異なる圧力の下でガスを供給するために、入口配管３４２および３６２だけを使用することができる。
【００６６】
要約すると、本発明は、静的応力を生じさせるための高サイクル疲労試験装置から試料への直接の機械的接触の必要性をなくす。とくには、本発明は、高圧環境における可動部品を回避し、したがって試料に静的応力を加えるためにロッドのための貫通接続部またはベローズを使用する試験装置と比べ、より安全である。
【００６７】
本発明の好ましい実施の形態を、特定の用語を使用して説明したが、そのような説明は、あくまでも例示の目的のためのものにすぎず、以下の特許請求の範囲の技術的範囲から外れることなく変更および変種が可能であることを、理解すべきである。
【図１】
0005856296.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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