(57)【要約】  【課題】  高温環境で使用される薄肉部材の素材である薄板の熱疲労強度を適正に評価する。  【解決手段】  肩部間長さＬ０と板厚ｔのと比（Ｌ０／ｔ）、ならびにゲージ長さＬＧＬと板厚ｔとの比（ＬＧＬ／ｔ）が熱疲労試験における加熱の際に座屈が発生しないように定められた値を有する平板状の熱疲労試験片１０を使用し、この熱疲労試験片１０の平面に離間して対向するように略平面状に配設されてこの熱疲労試験片１０を加熱する加熱コイル２１、２１と、この平板状の熱疲労試験片１０の側面に装着された伸び計２２とを具備する高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置２０を用いて、熱疲労試験を行う。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の熱疲労試験片の少なくとも一方の側面を除き、一方の平面又は両方の平面に離間して対向するように略平面状に配設されて該熱疲労試験片を加熱する加熱コイルを具備する高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置を用いて、熱疲労試験を行うことを特徴とする熱疲労試験方法。
【請求項２】
前記熱疲労試験片は、前記熱疲労試験装置の伸び計が装着されるゲージ部と、該ゲージ部の両端側に形成され、該熱疲労試験装置により掴持される掴み部と、曲線状に形成されて前記ゲージ部及び当該掴み部を接続する曲率部とを有し、前記曲率部と前記掴み部との接続点である二つの肩部の間の距離である肩部間長さと板厚との比、及び前記ゲージ部の長さであるゲージ長さと板厚との比が、前記熱疲労試験の際に座屈が発生しないように定められた値を有する請求項１に記載された熱疲労試験方法。
【請求項３】
平板状の熱疲労試験片に対して熱疲労試験を行う高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置であって、該熱疲労試験片の少なくとも一方の側面を除き、一方の平面又は両方の平面に離間して対向するように略平面状に配設されて該熱疲労試験片を加熱する加熱コイルと、該平板状の熱疲労試験片の側面に装着される伸び計とを具備することを特徴とする熱疲労試験装置。
【請求項４】
前記加熱コイルは、渦巻き状又は波状をなすことにより前記略平面状を呈する請求項３に記載された熱疲労試験装置。
【請求項５】
高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置の伸び計が装着されるゲージ部と、該ゲージ部の両端側に形成され、該熱疲労試験装置により掴持される掴み部と、曲線状に形成されて前記ゲージ部及び掴み部を接続する曲率部とを有し、高周波誘導加熱による熱疲労試験に供せられる平板状の熱疲労試験片であって、前記曲率部と前記掴み部との接続点である二つの肩部の間の距離である肩部間長さと板厚との比、及び前記ゲージ部の長さであるゲージ長さと板厚との比が、前記熱疲労試験の際に座屈が発生しないように定められた値を有することを特徴とする熱疲労試験片。
【請求項６】
前記肩部間長さと板厚との比は３０以下であるとともに、前記ゲージ長さと板厚との比は１２以下である請求項５に記載された熱疲労試験片。
【請求項７】
前記高周波誘導加熱は、前記平板状の熱疲労試験片の平面に離間して対向するように略平面状に配設された加熱コイルにより行われる請求項５又は請求項６に記載された熱疲労試験片。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱疲労試験方法、熱疲労試験装置及び熱疲労試験片に関し、例えば、高温環境下で使用される薄肉部材の素材である薄板の熱疲労強度を評価するための熱疲労試験方法、熱疲労試験装置及び熱疲労試験片に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車エンジン用エキゾーストマニホールドや燃料電池改質器等といった高温環境下で使用される部材を、薄板からなる素材にプレス成形等を行って製造することが行われるようになってきている。
【０００３】
薄板からなるこの部材の温度は一般的に使用中に大きく変動するため、この部材の主な破壊機構は熱疲労破壊である。このため、この部材の耐久性設計を行うためには、試験片として薄板を用いて熱疲労試験を行うことによって熱疲労特性を把握する必要がある。
【０００４】
熱疲労試験とは、試験片の温度を変動させると同時に試験片のひずみを変動させるように機械的荷重を変動させ、その温度変動及びひずみ変動（荷重変動）を繰り返すことによって、熱疲労破壊が生じるまでの繰り返し数、すなわち熱疲労寿命を測定する試験である。
【０００５】
このため、この熱疲労試験を行うには、試験片の温度及びひずみを同時に測定及び制御し、試験片の温度及びひずみを所定のパターンで変動させることができる試験装置が不可欠となる。
【０００６】
材料の熱疲労特性を評価する方法としては、例えば、非特許文献１に記載されている方法がある。図１２は、非特許文献１に記載された方法を模式的に示す説明図である。
図１２に示すように、この方法では、丸棒状又は円筒状の試験片１を用い、試験部の外周に試験片中心軸と同心円状に加熱コイル２を配置し、試験片１を高周波誘導方式によって加熱する。また、試験片１の冷却は、丸棒試験片の場合には図１２に示すように試験部外周から冷却エアー３を吹き付けることにより行い、円筒状試験片の場合には内部に冷却エアーを通風することにより行う。
【０００７】
試験片１の試験部外周には、石英ガラスやセラミックス等からなる耐熱性の押し当て棒４を所定の間隔で押し当て、試験片１の伸びに伴うこの間隔の変化から、試験片１に生じるひずみを測定する。なお、本明細書では、押し当て棒４を有するひずみ測定装置５を「伸び計」という。
【０００８】
また、非特許文献２には、熱疲労試験に用いる試験片の寸法として、中実の丸棒試験片では直径１０ｍｍを標準とし、中空の円筒試験片では外径１３ｍｍ、肉厚１．５ｍｍを標準とし、試験片の平行部長さ及びゲージ長さ（二本の押し当て棒の間の距離）は外径の１〜２倍が適当であることが記載されている。
【０００９】
さらに、非特許文献３には、板厚２ｍｍの板状試験片に所定のヒートパターンでの熱疲労試験を行って熱疲労寿命を評価したことが記載されている。
【００１０】
【非特許文献１】平修二編集、「熱応力と熱疲労」、日刊工業社刊、昭和４９年１月３０日発行、４章  熱疲労及び高温低サイクル試験方法（８１〜９９頁）
【非特許文献２】日本材料学会高温強度部門委員会、金属材料の熱疲労試験方法（改訂第２版）、材料、Ｖｏｌ．２４、Ｎｏ．２５８、（１９７５）
【非特許文献３】井上宜治、菊池正夫、赤松聡、「Ｎｂ含有フェライト系ステンレス鋼の熱疲労寿命におよぼすＴｉ添加の影響」、ＣＡＭＰ−ＩＳＩＪ、Ｖｏｌ．１６、（２００３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、非特許文献１〜３に記載された発明には、以下に示す課題がある。
非特許文献１及び非特許文献２には、丸棒試験片や円筒試験片を用いた熱疲労試験方法は開示されているものの、平板状試験片についての熱疲労試験方法や熱疲労試験装置は一切開示されていない。このため、非特許文献１、２に記載された熱疲労試験方法や熱疲労試験装置では平板からなる部材の熱疲労特性を適正に評価することができない。
【００１２】
また、非特許文献３には、単に「２ｍｍ厚の板状試験片」と記載されているのみで、この板状試験片に関しては、その形状や加熱方法は全く開示されていない。
また、熱疲労試験では、試験片の自由熱膨張を拘束するように試験片に機械的な荷重が負荷されるために、試験片には昇温時（熱膨張時）に大きな圧縮荷重が生じる。このため、試験片の形状が適正に設計されていないとこの圧縮荷重により試験片が熱疲労試験の途中で座屈変形し、特に平板状試験片は丸棒試験片や円筒試験片に比べて座屈変形し易いことから、座屈を防止できる平板状試験片の形状や試験方法を確立することは、熱疲労寿命を適正に評価するために重要である。しかし、非特許文献３には、板状試験片の座屈をどのようにして防止しているかについても何ら開示されていない。
【００１３】
このため、非特許文献３に記載された熱疲労試験片を用いても、熱疲労試験中に座屈を生じ、熱疲労特性を適正に評価することができなくなる可能性が高い。
本発明の目的は、高温環境下で使用される薄肉部材の素材である薄板の熱疲労強度を適正に評価することができる熱疲労試験方法、熱疲労試験装置及び熱疲労試験片を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
平板状試験片は、丸棒試験片や円筒試験片に比較して座屈し易い。このため、平板状試験片を用いて熱疲労試験を行うと、この試験の際に平板状試験片が座屈し、ゲージ部（ゲージ長さ間）のひずみ量が不均一となるために、ひずみ量と熱疲労寿命との関係を正確に求めることができなくなることや、熱疲労試験を継続して最後まで行うことができなくなることが懸念される。このような座屈の発生を防止するには、平板状試験片のゲージ長さ及び治具間長さを短くすることが有効である。
【００１５】
一方、平板状試験片を高周波誘導加熱するには、非特許文献１及び非特許文献２に記載された丸棒試験片に対する高周波誘導加熱の手法と同様に、平板状試験片の試験部外周を包囲する加熱コイルを用いればよいのでは、と一見考えられる。
【００１６】
図１３及び図１４は、このような加熱コイルを用いて平板状試験片１’を高周波誘導加熱する状況を想定して示す説明図である。
図１３及び図１４に示すように、平板状試験片１’の試験部外周を包囲する加熱コイル２’を用いる場合には、加熱効率の観点から加熱コイル２’の形状を矩形として加熱コイル２’と平板状試験片１’のゲージ部７の表面との距離を縮める必要がある。また、図１４に示すように、ゲージ部７の全体を均一な温度に加熱するために、軸方向（図１３及び図１４における両矢印方向）に加熱コイル２’を複数並設させた、いわゆる多数巻きとする必要がある。
【００１７】
このため、熱疲労試験における座屈を防止するために平板状試験片１’のゲージ長さ及び治具間長さを単に短縮してしまうと、複数並設された各加熱コイル２’間の軸方向の間隔を、伸び計５の押し当て棒４をゲージ部７へ向けて挿入することができる程度に確保することが、難しくなってしまう。
【００１８】
そこで、本発明者らは、平板状試験片のゲージ長さ全体にわたって均一に加熱することができるとともに伸び計を取付けることができ、熱疲労試験の際の加熱時における座屈の発生を防止することができる平板状の熱疲労試験片、熱疲労試験方法及び熱疲労試験装置を提供するために、図１に示すように、高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置の伸び計が装着されるゲージ部１０ａと、このゲージ部１０ａの左右両側に形成され、熱疲労試験装置により掴持される掴み部１０ｃ，１０ｃと、曲線状に形成されてゲージ部１０ａ及び掴み部１０ｃ，１０ｃを接続する曲率部１０ｂ，１０ｂとを有する平板状の熱疲労試験片に高周波誘導加熱による熱疲労試験を行う際における熱疲労試験片１０の応力解析や磁場解析、さらには熱疲労試験片１０や治具の試作及び評価を鋭意検討することにより、本発明を完成した。
【００１９】
本発明は、平板状の熱疲労試験片の少なくとも一方の側面を除き、一方の平面又は両方の平面に離間して対向するように略平面状に配設されてこの熱疲労試験片を加熱する加熱コイルを具備する高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置を用いて、熱疲労試験を行うことを特徴とする熱疲労試験方法である。
【００２０】
この本発明に係る熱疲労試験方法では、熱疲労試験片が、熱疲労試験装置の伸び計が装着されるゲージ部と、このゲージ部の両端側に形成され、熱疲労試験装置により掴持される掴み部と、曲線状に形成されてゲージ部及び掴み部を接続する曲率部とを有し、曲率部と掴み部との接続点である二つの肩部の間の距離である肩部間長さと板厚との比、及びゲージ部の長さであるゲージ長さと板厚との比が、熱疲労試験の際に座屈が発生しないように定められた値を有することが、望ましい。
【００２１】
別の観点からは、本発明は、平板状の熱疲労試験片に対して熱疲労試験を行う高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置であって、この熱疲労試験片の少なくとも一方の側面を除き、一方の平面又は両方の平面に離間して対向するように略平面状に配設されてこの熱疲労試験片を加熱する加熱コイルと、平板状の熱疲労試験片の側面に装着される伸び計とを具備することを特徴とする熱疲労試験装置である。
【００２２】
この本発明に係る熱疲労試験装置では、加熱コイルが、渦巻き状又は波状をなすことにより略平面状を呈することが望ましい。
別の観点からは、本発明は、高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置の伸び計が装着されるゲージ部と、このゲージ部の両端側に形成され、この熱疲労試験装置により掴持される掴み部と、曲線状に形成されてゲージ部及び掴み部を接続する曲率部とを有し、高周波誘導加熱による熱疲労試験に供せられる平板状の熱疲労試験片であって、曲率部と掴み部との接続点である二つの肩部の間の距離である肩部間長さと板厚との比、及びゲージ部の長さであるゲージ長さと板厚との比が、熱疲労試験の際に座屈が発生しないように定められた値を有することを特徴とする熱疲労試験片である。
【００２３】
この本発明に係る熱疲労試験片では、肩部間長さと板厚との比が３０以下であるとともに、ゲージ長さと板厚との比が１２以下であることが望ましい。
これらの本発明に係る熱疲労試験片では、高周波誘導加熱が、平板状の熱疲労試験片の平面に離間して対向するように略平面状に配設された加熱コイルにより行われることが、望ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明にかかる熱疲労試験方法、熱疲労試験装置及び熱疲労試験片により、高温環境下で使用される薄肉部材の素材である薄板の熱疲労強度を適正に評価することができるようになった。これにより、高温環境で使用される薄肉部材の素材である薄板の開発や、この薄板を用いて機械構造物を設計するための有益な情報を得られることとなった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明に係る熱疲労試験方法、熱疲労試験装置及び熱疲労試験片を実施するための最良の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
略述すると、本実施の形態では、本発明に係る平板状の熱疲労試験片に、同じく本発明に係る高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置を用いて、熱疲労試験を行う。そこで、この熱疲労試験片及び熱疲労試験装置を分説してから、これらを用いて行う熱疲労試験方法を説明する。
【００２６】
［熱疲労試験片１０］
図１は、本実施の形態で用いる熱疲労試験片１０の形状を示す二面図である。
この熱疲労試験片１０は、板厚ｔの平板状を呈する。この板厚ｔは特に限定を要さない。しかし、後述する本発明に係る高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置２０はこの熱疲労試験片１０を側方から加熱するものではないため、板厚ｔが３ｍｍを超えると側面から加熱しないことに起因した加熱むらが顕著となり、熱疲労試験片１０の板厚方向の温度分布の不均一が大きくなる。このため、板厚ｔの上限は３ｍｍとすることが望ましい。
【００２７】
また、この熱疲労試験片１０は、平面図において，長さがＬＧＬの矩形に形成されたゲージ部１０ａと、その両端側に形成された幅がＬ１の掴み部１０ｃ、１０ｃと、曲線状に形成されてゲージ部１０ａ及び掴み部１０ｃ、１０ｃを接続する曲率部１０ｂ、１０ｂとを有する。ここで、曲率部１０ｂ、１０ｂと掴み部１０ｃ、１０ｃとの接続点１０ｅ、１０ｅ、１０ｅ、１０ｅを肩部と称する。ゲージ部１０ａは、本発明に係る高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置２０の伸び計５の押し付け棒４が配置される部分であり、掴み部１０ｃ、１０ｃは、この熱疲労試験装置２０のチャック２４、２４で掴持するための部分である。
【００２８】
また、図１に示すこの熱疲労試験片１０は、肩部１０ｅ、１０ｅの試験片軸方向の間隔Ｌ０（これを肩部間長さと称する）と板厚ｔとの比（Ｌ０／ｔ）、ならびにゲージ部１０ａの長さであるゲージ長さＬＧＬと板厚ｔとの比（ＬＧＬ／ｔ）が、いずれも、本発明に係る高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置を用いた熱疲労試験における加熱の際に座屈が発生しないように定められた値を有する。
【００２９】
具体的には、肩部間長さＬ０と板厚ｔとの比（Ｌ０／ｔ）が３０以下であるとともに、ゲージ長さＬＧＬと板厚ｔとの比（ＬＧＬ／ｔ）が１２以下であることが望ましい。比（Ｌ０／ｔ）が３０超であるか、又は比（ＬＧＬ／ｔ）が１２超であると、本発明に係る高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置を用いた熱疲労試験における加熱の際に座屈が発生し易くなり、熱疲労特性を適正に評価することができなくなる。
【００３０】
なお、肩部間長さＬ０及びゲージ長さＬＧＬの下限は、このような観点からは限定を要さない。しかし、肩部間長さＬ０及びゲージ長さＬＧＬを短くするには、本発明に係る高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置の伸び計５の押し付け棒４の設置間隔が一般的に５ｍｍ以上であることから、ゲージ長さＬＧＬを５ｍｍ未満にすることは困難である。このため、ゲージ長さＬＧＬの下限は事実上５ｍｍである。
【００３１】
一方、肩部間長さＬ０を小さくすると、これに伴って曲率部１０ｂ、１０ｂも小さくなるが、この曲率部１０ｂ、１０ｂが極端に小さくなると曲線部への応力集中が顕著になり、この曲線部において破壊する可能性が高くなることから、肩部間長さＬ０はゲージ長さＬＧＬの２倍程度以上とすることが望ましい。
【００３２】
また、一般的には、熱疲労試験装置２０のチャック２４、２４により掴持される領域１０ｇ、１０ｇは掴み部１０ｃ、１０ｃよりも小さく取られる場合もあるが、圧縮負荷時の座屈を防止するためには、掴み部１０ｃ、１０ｃのうち可能な限り広い領域を掴持することが望ましい。したがって、比（ＬＦ／ｔ）が３０以下であることが望ましい。
【００３３】
この熱疲労試験片１０は、例えば自動車エンジン用エキゾーストマニホールドや燃料電池改質器等といった高温環境下で使用される部材の素材となる薄板の熱疲労特性を評価するものであるため、熱疲労試験片１０の素材としては試験の目的に応じて各種の材料が使用されるが、代表的な材料としては、ＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌ等のフェライト系ステンレス鋼や、ＳＵＳ３１０Ｓ等のオーステナイト系ステンレス鋼を例示することができる。
【００３４】
さらに、熱疲労試験片１０の表面粗さは熱疲労特性に影響を及ぼすため、熱疲労試験片１０は、４００番エメリー紙で仕上げた程度以上の滑らかさの表面を有することが望ましい。
【００３５】
この熱疲労試験片１０は、後述する、この熱疲労試験片１０の平面１０ｄ、１０ｄに離間して対向するように略平面状に配設された加熱コイル２１、２１により行われる高周波誘導加熱による熱疲労試験に供せられる。
本実施の形態における熱疲労試験片１０は、以上のように構成される。
【００３６】
［熱疲労試験装置２０］
図２は、本発明に係る熱疲労試験装置２０の主要部を抽出して示す説明図であり、図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）は平面図、図２（ｃ）は側面図である。また、図３は、この熱疲労試験装置２０の構成要素である加熱コイル２１及び伸び計２２を示す平面図である。
【００３７】
図３に示すように、本実施の形態の熱疲労試験装置２０は、加熱コイル２１と伸び計２２とを具備しており、上述した熱疲労試験片１０に対して熱疲労試験を行う。
図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、熱疲労試験片１０のゲージ部１０ａを加熱するための熱疲労試験装置２０の高周波誘導加熱式の加熱コイル２１、２１は、熱疲労試験片１０の表面１０ｄ、１０ｄに、所定距離だけ離間して対向するように配置される。
【００３８】
加熱コイル２１、２１は、例えば渦巻き状又は波状をなすことによって、熱疲労試験片１０の表面１０ｄ、１０ｄと略平行な平面又は略平面に配設される。
本実施の形態では、図２及び図３に示す加熱コイル２１を渦巻き形状が円形となる円形渦巻き状に構成した。円形渦巻き状とすることが、加熱コイル２１の製作を最も容易にするからである。しかし、本発明はこの形態に限定されるものではない。
【００３９】
図４は渦巻き形状の一部に直線部を有する扁平渦巻き状の加熱コイル２１−１を示す二面図であり、図５は渦巻き形状が楕円となる楕円渦巻き状の加熱コイル２１−２を示す二面図であり、図６は矩形渦巻き状の加熱コイル２１−３を示す二面図であり、図７は波状の加熱コイル２１−４を示す二面図であり、さらに、図８は略平面状の円錐面内に渦巻き状に配置した円錐渦巻き状の加熱コイル２１−５を示す二面図である。
【００４０】
本発明における加熱コイルは、円形渦巻き状の加熱コイル２１のみならず、扁平渦巻き状の加熱コイル２１−１、楕円渦巻き状の加熱コイル２１−２、矩形渦巻き状の加熱コイル２１−３、波状の加熱コイル２１−４、略平面状の円錐面内に渦巻き状に配置した円錐渦巻き状の加熱コイル２１−５、さらにはこれらの加熱コイル２１〜２１−５と技術的に均等と判断される形状であっても同様の作用効果を奏することができる。
【００４１】
加熱コイル２１の形状や巻き数は特に限定を要するものではない。例えば、コイル径はこの種の加熱コイルとして一般的な３〜５ｍｍ程度であればよい。また、図２及び図３に示す本実施の形態の円形渦巻き状の加熱コイル２１の場合には、巻き数は２〜４巻き程度とすればよい。
【００４２】
なお、本実施の形態の熱疲労試験装置２０は、この加熱コイル２１とともに、この加熱コイル２１に通電して加熱コイル２１を起動する装置や、加熱コイル２１により誘導加熱された熱疲労試験片１０を冷却するための冷却装置等の附帯設備も備えるが、これらの附帯設備は、上述した非特許文献１、２等により周知である、丸棒試験片や円筒試験片の熱疲労試験装置の附帯設備を流用すればよく、本実施の形態でもこの公知の附帯設備を流用して用いたので、この附帯設備に関する説明は省略する。
【００４３】
また、図３に示すように、本実施の形態の熱疲労試験装置２０は、平板状の熱疲労試験片１０の側面に装着される伸び計２２を具備する。この伸び計２２は、所定のゲージ長さＬＧＬだけ離れて配置された、石英ガラスやセラミックス等からなる二本の押し当て棒２３を有する。
【００４４】
そして、二本の押し当て棒２３は、熱疲労試験片１０の側方から、すなわち、熱疲労試験片１０の板厚方向及び荷重軸方向にともに垂直な方向（図３における左右方向）から、熱疲労試験片１０のゲージ部１０ａの側面に押し当てられる。熱疲労試験の際における熱疲労試験片１０の伸びに伴って、二本の押し当て棒２３の間隔が変化すると、この間隔の変化に基づいて熱疲労試験片１０に生じたひずみを測定することができる。
【００４５】
なお、本実施の形態の熱疲労試験装置２０は、この伸び計２２とともに、この伸び計２２から連続して出力される歪みの値を、連続して自動記録するための装置や、熱疲労試験の際における熱疲労試験片１０に負荷される荷重を測定するための装置等の附帯設備も備えるが、これらの附帯設備は、上述した非特許文献１、２等により周知である、丸棒試験片や円筒試験片の熱疲労試験装置の附帯設備を流用すればよく、本実施の形態でもこの公知の附帯設備を流用して用いたので、この附帯設備に関する説明は省略する。
本実施の形態における熱疲労試験装置２０は、以上のように構成される。
【００４６】
［熱疲労試験方法］
本実施の形態では、上述した平板状の熱疲労試験片１０に、同じく上述した高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置２０を用いて、熱疲労試験を行う。
【００４７】
具体的には、肩部間長さＬ０と板厚ｔとの比（Ｌ０／ｔ）、ならびにゲージ長さＬＧＬと板厚ｔとの比（ＬＧＬ／ｔ）が熱疲労試験における加熱の際に座屈が発生しないように定められた値を有する平板状の熱疲労試験片１０に、この熱疲労試験片１０の平面に離間して対向するように略平面状に配設されてこの熱疲労試験片１０を加熱する加熱コイル２１、２１と、平板状の熱疲労試験片１０の側面に装着された伸び計２３とを具備する高周波誘導加熱式の熱疲労試験装置２０を用いて、熱疲労試験を行う。
【００４８】
熱疲労試験の操作や手順等は、上述した非特許文献１、２等により周知である、丸棒試験片や円筒試験片の熱疲労試験の操作や手順等をそのまま流用して行えばよい。
このため、本実施の形態によれば、以下に列記する効果が奏せられる。
【００４９】
（Ａ）熱疲労試験片１０の表面１０ｄ、１０ｄに離間して対向するように配置された加熱コイル２１、２１により、熱疲労試験片１０のゲージ部１０ａを加熱するため、図３に示すように、伸び計２２の押し当て棒２３、２３を熱疲労試験片１０の側方から、熱疲労試験片１０のゲージ部１０ａに所定の間隔で押し当てることが可能となる。このため、ゲージ部１０ａの表面１０ｄ、１０ｄから押し当て棒２３、２３を押し当てる場合に比較して、押し当ての横荷重により座屈を誘発する危険性を大幅に低減できる。
【００５０】
（Ｂ）このように配置された加熱コイル２１、２１を用いることにより、例えば、加熱コイルの幅を熱疲労試験片１０の掴み部１０ｃの幅よりも大きくしなければならないといった、熱疲労試験片１０の寸法に起因した加熱コイルの形状についての制約が解消されるため、加熱コイル２１、２１の形状を自由に設計できる。
【００５１】
（Ｃ）加熱コイル２１、２１の形状を、熱疲労試験片１０の平面１０ｄに離間して対向するように略平面状に配設されてゲージ部１０ａの平面全域を覆うことができる形状とすることができるため、加熱コイル２１、２１によりゲージ部１０ａを均一に加熱することができる。
【００５２】
（Ｄ）加熱コイル２１、２１を用いることにより、熱疲労試験片１０の形状を自由に設定できるため、熱疲労試験における圧縮負荷により座屈を生じないように、肩部間長さＬ０と板厚ｔとの比（Ｌ０／ｔ）、ならびにゲージ長さＬＧＬと板厚ｔとの比（ＬＧＬ／ｔ）を設定することができる。
【００５３】
（Ｅ）具体的には、比（Ｌ０／ｔ）を３０以下とするとともに比（ＬＧＬ／ｔ）を１２以下とすることにより、熱疲労試験における座屈の発生を確実に防止することができる。
このように、本実施の形態により、高温環境で使用される薄肉部材の素材である薄板の熱疲労強度を適正に評価することができるようになった。これにより、高温環境で使用される薄肉部材の素材である薄板の開発や、この薄板を用いて機械構造物を設計するための有益な情報を得られる。
【実施例】
【００５４】
さらに、本発明を実施例を参照しながらより具体的に説明する。
図１及び表１に示す試験片形状（板厚ｔ、ゲージ長ＬＧＬ、肩部間長さＬ０、比（ＬＧＬ／ｔ）及び比（Ｌ０／ｔ））を有する平板状の熱疲労試験片に、同じく図２、図４又は図１３及び表１に示す加熱コイル（形状、巻き数、配置）と、図３に示す伸び計２２とを有する熱疲労試験装置２０を用いて、表１に示す伸び計押し当て位置に伸び計２２の押し当て棒２３、２３を押し当てて、熱疲労試験を行った。
【００５５】
なお、表１における加熱コイルの形状の欄におけるＡは、図１３に示す熱疲労試験片１’の外周を包囲する形式の矩形形状（比較形状）を示し、Ｂは図２に示す円形渦巻き形状（本発明に係る形状）を示し、さらに、Ｃは図４に示す直線部を有する偏平渦巻き形状（本発明に係る形状）を示す。
【００５６】
この熱疲労試験に供した熱疲労試験片は、自動車排ガス系部品等に使用されるフェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌ）製の冷延鋼板から、荷重軸方向が圧延方向と一致するようにして、採取した。
【００５７】
熱疲労試験では、熱疲労試験片に、図９にグラフで示すひずみ及び温度波形を与えた。すなわち、温度を２００℃から９００℃までの範囲で変動させると同時に、加熱時の熱膨張に伴う伸び（ひずみ）を機械的に３０％及び５０％拘束した条件（これらの数値を拘束率という）で、疲労試験を行った。熱疲労試験片の線膨張係数をαとし、温度変動範囲をΔＴ（本実施例では７００℃）とすると、図９のグラフにおけるひずみの変動範囲は、拘束率３０％の場合には０．７×α×ΔＴであり、拘束率５０％の場合には０．５×α×ΔＴである。なお、熱疲労試験片の冷却は、その外周から冷却エアーを吹き付けることにより、行った。
【００５８】
表１には、上述した平板状の熱疲労試験片の試験片形状（板厚ｔ、ゲージ長ＬＧＬ、肩部間長さＬ０、比（ＬＧＬ／ｔ）及び比（Ｌ０／ｔ））と、加熱コイル（形状、巻き数、配置）とともに、試験Ｎｏ．１〜１３についての試験結果（９００℃への加熱適否）を示す。また、表２には、熱疲労試験を行うことができた試験Ｎｏ．１〜１０についての試験結果（熱疲労試験時における座屈の有無、及び試験実施の可否）を示す。
【００５９】
表１、２における試験Ｎｏ．１〜５及び９は、熱疲労試験片の形状、加熱コイルの形状及び配置がいずれも本発明が規定する範囲を満足するものである。いずれの場合も、熱疲労試験片に座屈を生じることなく、熱疲労試験片を所定の温度に加熱しながら熱疲労試験を最後まで行うことができた。また、加熱コイルの形状が円形渦巻き形状である（加熱コイル形状：Ｂ）か、又は偏平渦巻き形状である（加熱コイル形状：Ｃ）かには関わらず、熱疲労試験片を目標温度である９００℃に加熱することもできた。
【００６０】
また、表３には、試験Ｎｏ．１の熱疲労試験結果を示す。なお、同表における「熱疲労寿命（サイクル）」とは、亀裂の発生によって１サイクル中の応力変動範囲が低下し始めた時点における繰返し数を意味する。５０％又は３０％のいずれの拘束率であっても、熱疲労寿命を適正に評価することができたことがわかる。
【００６１】
表１における試験Ｎｏ．６、７、８及び１０は、いずれも、加熱コイルの形状及び配置がいずれも本発明が規定する範囲を満足するが、熱疲労試験片が、ゲージ部、掴み部及び曲率部を有するものの、肩部間長さと板厚との比、及びゲージ長さと板厚との比が、熱疲労試験の際に座屈が発生しないように定められた値を有さないため、熱疲労試験の途中で座屈を生じてしまい、熱疲労試験を最後まで行うことができなかった。
【００６２】
また、試験Ｎｏ．１１及び１２では、熱疲労試験片の形状は本発明が規定する範囲内にあるものの、加熱コイルの形状が図１３に示す熱疲労試験片１’の外周を包囲する形式の矩形形状であることから、伸び計２２の押し当て棒２３、２３を挿入する間隙を確保するために、加熱コイルの巻数を１巻又は２巻とせざるを得なくなり、熱疲労試験片を目標温度である９００℃まで加熱することはできず、熱疲労試験を行うことができなかった。
【００６３】
さらに、試験Ｎｏ．１３では、試験Ｎｏ．１１及び１２に対して、加熱コイルの巻数を３巻に増加したために熱疲労試験片を目標温度である９００℃まで加熱することは可能になったものの、加熱コイルの巻数を増加したことに伴って、隣接する加熱コイルの間の間隙が狭くなり、伸び計の押し当て棒２３、２３を熱疲労試験片に押し当てることが不可能となり、熱疲労試験を行うことができなかった。
【００６４】
以上のように、本発明によれば、平板状試験片の熱疲労特性を適正に評価することができる。
一般的に、熱疲労試験を行って熱疲労試験片の熱疲労特性を適正に評価するためには、熱疲労試験片のゲージ部の内部における温度を、できる限り均一にすることも重要である。そこで、本実施例においても熱疲労試験片のゲージ部の内部の温度分布と、加熱コイルの形状との関係を検討した。
【００６５】
図１０は、この検討に用いた平板状の熱疲労試験片の各部の寸法を示す説明図である。
この検討では、試験Ｎｏ．１（加熱コイル形状：Ｂ（円形渦巻き）、巻数：３）及び試験Ｎｏ．２（加熱コイル形状：Ｃ（偏平渦巻き）、巻数：３）を、最高温度９００℃に加熱した状態におけるゲージ部の内部の温度を測定した。測定結果を、表４に示す。また、比較のため、試験Ｎｏ．１１（加熱コイル形状：Ａ（外周包囲形状）、巻数：１）の結果も同表に併記する。
【００６６】
なお、以上の３例では熱疲労試験片の形状は同じであり、図１０に示すように、板厚は２ｍｍであり、ゲージ部長さは１２ｍｍ（平行部長さは１４ｍｍ）であり、さらに肩部間長さは３４ｍｍであった。
【００６７】
試験Ｎｏ．１及びＮｏ．２では、ともに９００℃まで加熱することができたとともに、ゲージ部の中央部及び端部間の温度差は３℃以内と小さかった。これに対して、試験Ｎｏ．Ｎｏ．１１では、最高温度９００℃まで加熱することができず、かつ、ゲージ部の中央部と端部との温度差は１０℃と大きくなった。
【００６８】
以上のような温度分布の差異の理由について考察するため、有限要素法を用いて磁場解析を行い、解析対象は図１０に示した熱疲労試験片を解析対象としてその発熱量を評価した。有限要素磁場解析条件の解析条件を表５に、まとめて示す。
【００６９】
また、加熱コイルの形状は、実施例に示したコイルＡ（外周包囲、１巻き）、Ｂ（円形渦巻き、３巻き）及びＣ（偏平渦巻き、３巻き）であり、コイルＢ及びＣは熱疲労試験片の表裏面の両側に配置した。また、コイルと試験片表面との距離は、全てのケースで１ｍｍとした。
【００７０】
図１１は、熱疲労試験片の表面におけるゲージ内の中心軸上における発熱量分布を示すグラフである。ただし、図１２のグラフにおける縦軸は、無次元化発熱量として最大値で無次元化して示す。また、横軸は、図１０に示す通りであり、熱疲労試験片の中央を原点Ｏとしている。
【００７１】
図１２のグラフから、コイルＡを用いて熱疲労試験片を加熱すると、熱疲労試験片の中央（Ｘ＝０）のみが局部的に発熱してしまっており、１巻きではゲージ部の内部も温度分布を均一化できないことが説明できる。
【００７２】
一方、コイルＢ、Ｃを用いて熱疲労試験片を加熱すると、ゲージ部の両端近傍（Ｘ＝±４〜５）に発熱量のピークが存在し、これらの位置を起点として熱がゲージ部の内部に伝導し、ゲージ部全体について均一な温度分布が得られたと考えられる。
【００７３】
このように、本実施例により、高温環境下で使用される薄肉部材の素材である薄板の熱疲労強度を適正に評価することができるようになった。
【００７４】
【表１】
2006162472.tif 000003
【００７５】
【表２】
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【００７６】
【表３】
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【００７７】
【表４】
2006162472.tif 000006
【００７８】
【表５】
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【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】実施の形態で用いる熱疲労試験片の形状を示す二面図である。
【図２】本発明に係る熱疲労試験装置の主要部を抽出して示す説明図であり、図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）は平面図、図２（ｃ）は側面図である。
【図３】熱疲労試験装置の構成要素である加熱コイル及び伸び計を示す平面図である。
【図４】扁平渦巻き状の加熱コイルを示す二面図である。
【図５】楕円渦巻き状の加熱コイルを示す二面図である。
【図６】矩形渦巻き状の加熱コイルを示す二面図である。
【図７】波状の加熱コイルを示す二面図である。
【図８】略平面状の円錐面内に渦巻き状に配置した円錐渦巻き状の加熱コイルを示す二面図である。
【図９】実施例の熱疲労試験において熱疲労試験片に与えたひずみ及び温度波形を示すグラフである。
【図１０】平板状の熱疲労試験片の各部の寸法を示す説明図である。
【図１１】熱疲労試験片の表面におけるゲージ内の中心軸上における発熱量分布を示すグラフである。
【図１２】非特許文献１に記載された方法を模式的に示す説明図である。
【図１３】加熱コイルを用いて平板状試験片を高周波誘導加熱する状況を想定して示す説明図である。
【図１４】加熱コイルを用いて平板状試験片を高周波誘導加熱する状況を想定して示す説明図である。
【符号の説明】
【００８０】
１０  熱疲労試験片
１０ａ  ゲージ部
１０ｂ、１０ｂ  曲率部
１０ｃ、１０ｃ  掴み部
１０ｄ、１０ｄ  平面
２０  熱疲労試験装置
２１、２１−１〜２１−５  加熱コイル
２２  伸び計
２３  押し当て棒
【図１】
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【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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