(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に延びる試験部と、該試験部の延伸方向と直交する方向に突出して該試験部に対して段差を形成するように、該試験部の前記延伸方向の両端にそれぞれ設けられた一対の保持部とを有する試験片を保持するための装置であって、
前記一対の保持部のうち一方を保持する第１固定部と、
前記一対の保持部のうち他方を保持する第２固定部とを備え、
前記第１固定部は、
前記一方の保持部を前記延伸方向の両側から保持する第１延伸方向固定部と、
前記一方の保持部を前記直交方向の両側から保持する第１直交方向固定部とを有し、
前記第２固定部は、
前記他方の保持部を前記延伸方向の両側から保持する第２延伸方向固定部と、
前記他方の保持部を前記直交方向の両側から保持する第２直交方向固定部とを有し、
前記第１固定部は、前記一方の保持部において前記試験部との接続部分以外の部分を保持し、
前記第２固定部は、前記他方の保持部において前記試験部との接続部分以外の部分を保持する、
試験片の保持装置。
【請求項２】
請求項１に記載の試験片の保持装置において、
前記第１延伸方向固定部および前記第２延伸方向固定部は、それぞれ、前記試験片の延伸方向の端部の少なくとも一部を保持する端部固定部と、前記試験片の前記段差の少なくとも一部を保持する段差固定部とを有する、試験片の保持装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の試験片の保持装置において、
前記第１固定部および前記第２固定部の少なくとも一方が、該第１固定部および該第２固定部を前記延伸方向に相対的に変位させる延伸方向駆動部に接続され、
前記第１固定部および前記第２固定部の少なくとも一方が、該第１固定部および該第２固定部を前記直交方向に相対的に変位させる直交方向駆動部に接続されている、試験片の保持装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一つに記載の試験片の保持装置を用いた試験方法であって、
前記第１固定部および前記第２固定部を、前記直交方向に相対的に変位させることによって、前記試験片の前記試験部にせん断応力を付与する、試験方法。
【請求項５】
請求項４に記載の試験方法において、
前記第１固定部および前記第２固定部を、前記延伸方向に相対的に変位させることによって、前記試験部に引張応力または圧縮応力を付与し、
前記試験部に引張応力または圧縮応力を付与した状態で、前記第１固定部および前記第２固定部を、前記直交方向に相対的に変位させることによって、前記試験部にせん断応力を付与する、試験方法。
【請求項６】
請求項４または５に記載の試験方法において、
前記試験片は、
前記試験部が、前記一対の保持部と接続される両端にＲ部を有し、
平面視で、前記試験部の前記延伸方向の中央部分に、該試験部の幅寸法が該中央部分で最も小さくなるように、前記Ｒ部よりも曲率半径の大きい円弧部が形成されている、試験方法。
【請求項７】
請求項４または５に記載の試験方法において、
前記試験片は、
前記試験部が、前記一対の保持部と接続される両端にＲ部を有し、
前記試験部の前記延伸方向の中央部分には、該試験部の厚さ寸法が該中央部分で最も小さくかつ該試験部の最大厚さ寸法の１／２以下となるように、前記Ｒ部よりも曲率半径の小さい断面円弧状のノッチが形成されている、試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試験片の保持装置およびこの保持装置を用いた試験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
橋梁等の構造物は、使用条件に応じたせん断負荷を受ける。この構造物が想定よりも大きなせん断負荷を受けた場合、例えば想定よりも大きな地震が発生した場合には、橋台等の構造物の構成部材には、せん断割れが生じ、橋面の傾斜や落橋に至るおそれがある。このような事故の発生を防止するため、構造物の構成部材の機械的性質を評価することが必要である。
【０００３】
しかし、構造物の構成部材の機械的性質の評価は、構造物の実物に対して行うことは不可能である。そのため、実際の構成部材を模擬した試験片に対して引張負荷やねじり負荷等を付与することで、構造物における負荷形態を模擬することが行われている。この小型の模擬試験片を用いて構造物の部分的な機械的性質を評価し、その評価結果を基に構造物全体の機械的性質を推定する。
【０００４】
せん断特性の評価方法としては、特許文献１および２ならびに非特許文献１〜３に記載の方法が挙げられる。
【０００５】
特許文献１に記載の方法は、円柱状の試験片の軸線に対して直交する方向に移動する治具によって、試験片のせん断面に平行な方向の力（いわゆる目違い負荷）を付与することにより、せん断応力を付与する方法である。特許文献２に記載の方法は、試験装置の２個の保持手段でシート状の試験片を挟み、２個の保持手段を相対的にずらすことにより試験片に圧縮応力およびせん断応力を付与する方法である。
【０００６】
非特許文献１に記載の方法は４点曲げ試験、非特許文献２に記載の方法は３点曲げ試験による方法である。非特許文献３に記載の方法は、試験片に目違い切欠きを設け、試験片を圧縮することにより、これらの切欠きの間でせん断破壊させる方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】実開昭６２−１７６７４１号公報
【特許文献２】特開２０１０−７１７７４号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】鈴木竜生、磯野吉正、小河真人、「非対称四点曲げ試験法によるＳｉ構造体のせん断強度評価」、日本機械学会２００７年度年次大会講演論文集、社団法人日本機械学会、２００７年９月７日、ｐ．７１９−７２０
【非特許文献２】ＪＩＳ  Ｋ  ７０５７、「繊維強化プラスチック−ショートビーム法による見掛けの層間せん断強さの求め方」、１９８７年３月１日制定
【非特許文献３】ＪＩＳ  Ｋ  ７０９２、「炭素繊維強化プラスチックの目違い切欠き圧縮による層間せん断強さ試験方法」、２００５年１２月２０日制定
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
構造物の構成部材には、溶接部の残留応力のように、せん断応力だけでなく、引張応力または圧縮応力も加わっている部分が存在する。そのため、せん断応力とともに引張応力または圧縮応力を付与することができれば、実際の構造物における負荷形態を模擬した試験を行うことができ、より精度の高い材料評価を行うことができる。
【００１０】
例えば小型の試験片に対し、せん断応力とともに引張応力または圧縮応力を付与することができれば次のような利点がある。構造物の微小な領域からその構造物の性能を損なうことのないように採取した小型の試験片に対して、実際の負荷形態を模擬した試験を行うことができる。これにより、構造物そのものの残存強度を評価することが可能となる。この場合、構造物の構成部材を模擬した模擬試験片を用いて行う試験よりも高い精度で評価することができる。
【００１１】
従来、試験片にせん断応力、引張応力または圧縮応力を付与する際には、例えばチャックを用いて試験片を保持していた。しかし、チャックによって試験片を保持すると試験片が変形する可能性がある。このように試験片が変形した状態で応力を付与すると、変形の影響により材料評価の精度が低下する可能性がある。特に試験片が小型である場合には試験片が変形する可能性が高く、材料評価の精度が大きく低下しやすい。これに対し、小型の試験片をつかむ方法としてピンチャックを用いる方法がある。しかし、小型のピンチャックは、高い寸法精度が得られにくいため、材料評価の精度が低下する可能性がある。
【００１２】
一方、特許文献１に記載の方法に用いる治具は、試験片の軸方向には移動不可能である。そのため、試験片に引張応力および圧縮応力のいずれも付与することができない。また、特許文献２に記載の方法では、２個の保持手段でシート状の試験片の全面を両側から挟むだけであり、試験片に引張応力を付与することができない。
【００１３】
非特許文献１に記載の方法は、４点曲げ試験による方法であり、非特許文献２に記載の方法は３点曲げ試験による方法であるため、引張応力および圧縮応力のいずれも付与することができない。また、非特許文献３に記載の方法も、せん断破壊する部分に引張応力および圧縮応力のいずれも付与することができない。
【００１４】
本発明は、試験片を変形させることなく安定して保持することができ、試験片にいわゆる目違い負荷によるせん断応力（以下、単に「せん断応力」という場合、「目違い負荷によるせん断応力」を意味する。）とともに引張応力または圧縮応力を付与することができる試験片の保持装置およびこの保持装置を用いた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】
【００１５】
本発明の一実施形態に係る試験片の保持装置は、一方向に延びる試験部と、該試験部の延伸方向と直交する方向に突出して該試験部に対して段差を形成するように、該試験部の前記延伸方向の両端にそれぞれ設けられた一対の保持部とを有する試験片を保持するための装置であって、前記一対の保持部のうち一方を保持する第１固定部と、前記一対の保持部のうち他方を保持する第２固定部とを備え、前記第１固定部は、前記一方の保持部を前記延伸方向の両側から保持する第１延伸方向固定部と、前記一方の保持部を前記直交方向の両側から保持する第１直交方向固定部とを有し、前記第２固定部は、前記他方の保持部を前記延伸方向の両側から保持する第２延伸方向固定部と、前記他方の保持部を前記直交方向の両側から保持する第２直交方向固定部とを有する。
【００１６】
保持装置が上述のような構成を有するため、試験片の一対の保持部をそれぞれ保持する第１固定部および第２固定部を試験片の試験部の延伸方向に直交する方向に相対的に変位させることにより、試験部にせん断応力を付与することができる。また、第１固定部および第２固定部を試験部の延伸方向に相対的に変位させることにより、試験部に引張応力または圧縮応力を付与することができる。
【００１７】
第１固定部および第２固定部は、直交方向固定部および延伸方向固定部によって試験片の保持部を４方向から保持する。このように試験片の保持部を４方向から保持することにより、試験片の保持部を回転させることなく、試験片の試験部にせん断応力、および引張応力またはせん断応力のうち少なくとも一つを付与することができる。そのため、試験部をより確実に所望の応力成分によって変形させることができ、様々な負荷形態について精度の高い試験を行うことが可能となる。
【００１８】
また、試験片の保持部を４方向から保持することにより、試験片の大きさによらず、試験片を変形させずに保持することができる。例えば、一辺の長さが数ミリメートルの小型の試験片を用いた場合には、サブミリメートルオーダーの微小領域についても精度の高い評価を行うことが可能である。
【００１９】
前記第１延伸方向固定部および前記第２延伸方向固定部は、それぞれ、前記試験片の延伸方向の端部の少なくとも一部を保持する端部固定部と、前記試験片の前記段差の少なくとも一部を保持する段差固定部とを有する。
【００２０】
この構成により、試験片の試験部にせん断応力と引張応力または圧縮応力とを付与する際に、試験片の保持部が回転するのをより確実に防止できる。
【００２１】
試験片の保持装置において、前記第１固定部は、前記一方の保持部において前記試験部との接続部分以外の部分を保持し、前記第２固定部は、前記他方の保持部において前記試験部との接続部分以外の部分を保持する。
【００２２】
この構成により、試験片の一対の保持部において、試験部との接続部分以外の部分がそれぞれ第１固定部及び第２固定部によって保持されるため、保持部をより安定して保持することができる。したがって、より精度の高い材料評価を行うことが可能となる。
【００２３】
試験片の保持装置において、前記第１固定部および前記第２固定部の少なくとも一方が、該第１固定部および該第２固定部を前記延伸方向に相対的に変位させる延伸方向駆動部に接続され、前記第１固定部および前記第２固定部の少なくとも一方が、該第１固定部および該第２固定部を前記直交方向に相対的に変位させる直交方向駆動部に接続されている。
【００２４】
延伸方向駆動部および直交方向駆動部によって、第１固定部および第２固定部を相対的に変位させることで、試験片の試験部にせん断応力を付与しつつ、引張応力または圧縮応力も付与する構成を実現できる。
【００２５】
本発明の一実施形態に係る試験方法は、上記の試験片の保持装置を用いた試験方法であって、前記第１固定部および前記第２固定部を、前記直交方向に相対的に変位させることによって、前記試験片の前記試験部にせん断応力を付与する。
【００２６】
この試験方法では、上記の試験片の保持装置を用いるため、試験片の保持部を、回転させることなく移動させることができる。そのため、第１固定部および第２固定部を直交方向に相対的に変位させ、試験片の試験部にせん断応力を付与した場合に、試験部をせん断変形させることができ、せん断特性について精度の高い評価が可能となる。
【００２７】
この試験方法は、試験片の大きさによらず適用することができる。例えば、試料から採取した一辺の長さが数ミリメートルの微小な試験片についても試験を行うことができる。すなわち、構造物の実物の微小な領域から構造物の性能を損なわないように採取した試験片についてこの試験方法を適用することができる。この場合、構造物の健全性について、従来の模擬試験片を用いた試験よりも高い精度で評価することができる。構造物の健全性について高い精度で評価できるため、構造物の補修を必要最小限に留めることができ、補修費用の削減も可能となる。また、研究開発や材料設計等の目的で高価な試料を評価する際に、この試験方法を適用すれば、微小な試験片で十分な評価ができるため、試験費用の削減が可能となる。
【００２８】
上記試験方法において、前記第１固定部および前記第２固定部を、前記延伸方向に相対的に変位させることによって、前記試験部に引張応力または圧縮応力を付与し、前記試験部に引張応力または圧縮応力を付与した状態で、前記第１固定部および前記第２固定部を、前記直交方向に相対的に変位させることによって、前記試験部にせん断応力を付与する。
【００２９】
試験片の試験部に引張応力または圧縮応力を付与しながら、せん断応力を付与することにより、実際の構造物における負荷形態を模擬した試験を行うことができるため、より精度の高い材料評価を行うことができる。また、微小な試験片に対してこのような応力を付与した場合には、構造物を構成する部品の実物を用いて構造物中における多軸応力状態を模擬した材料評価、および部品の実物に生じた焼きむらや窒化層、スポット溶接部のような微小領域の評価もできる。そのため、材料について多くの改善指針が得られる。
【００３０】
上記試験方法において、前記試験片は、前記試験部が、前記一対の保持部と接続される両端にＲ部を有し、平面視で、前記試験部の前記延伸方向の中央部分に、該試験部の幅寸法が該中央部分で最も小さくなるように、前記Ｒ部よりも曲率半径の大きい円弧部が形成されている。
【００３１】
試験片の試験部がＲ部を有することにより、試験片に応力を付与した場合に試験部と保持部との接続部分における応力集中を抑制することができる。これにより、接続部分で試験片が破断する失敗を少なくすることができる。また、試験部に円弧部が形成されることにより、降伏による変形が試験部の延伸方向中央部分で生じる可能性が非常に高くなるため、複数の試験片について同じ位置で変形の評価を行うことができる。したがって、上述のような形状の試験片を用いることにより、歩留まり良く精度の高い評価を行うことができる。
【００３２】
上記試験方法において、前記試験片は、前記試験部が、前記一対の保持部と接続される両端にＲ部を有し、前記試験部の前記延伸方向の中央部分には、該試験部の厚さ寸法が該中央部分で最も小さくかつ該試験部の最大厚さ寸法の１／２以下となるように、前記Ｒ部よりも曲率半径の小さい断面円弧状のノッチが形成されている。
【００３３】
そのため、ノッチ底部における試験片の厚さ寸法が試験部の最大厚さ寸法の１／２以下となるように、ノッチの曲率半径がＲ部の曲率半径よりも小さい場合には、ノッチ底部が応力集中部となる。疲労き裂は応力集中部で生じるため、上述のような形状の試験片を用いることにより、複数の試験片では同じ部位で疲労き裂が発生する。これにより、効率良く疲労き裂の評価を行うことができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の実施形態に係る試験片の保持装置によれば、試験片の大きさによらず、試験片を安定して保持した状態で、試験片にせん断応力とともに引張応力または圧縮応力を付与することができる。
【００３５】
本発明の実施形態に係る試験方法によれば、試験片の大きさによらず、試験片にせん断応力とともに引張応力または圧縮応力を付与する試験を行うことができ、精度の高い材料評価を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、本発明の試験片の保持装置の模式図であり、図１（ａ）は保持装置全体の平面図を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）の試験片周辺の部分拡大図を示す。
【図２】図２は、本発明の試験片の保持装置の具体的な構成の一例を示す構成図であり、図２（ａ）は保持装置全体の平面図を示し、図２（ｂ）は図２（ａ）の第１固定部および第２固定部の部分拡大図を示す。
【図３】図３は、図２に示す保持装置の第１固定部の斜視図である。
【図４】図４は、第１ベース部材の平面図である。
【図５】図５は、図２のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態に係る試験方法に適した試験片の平面図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態に係る試験方法のうち、疲労試験により適した試験片の構成図であり、図７（ａ）は平面図を示し、図７（ｂ）は側面図を示す。
【図８】図８は、図７に示す試験片に応力を付与した場合についてＦＥＭで解析した結果を応力分布で示す図であり、図８（ａ）はせん断応力を付与した場合を示し、図８（ｂ）は引張応力を付与した場合を示す。
【図９】図９は、静的せん断試験で得られた公称せん断応力−ストローク線図である。
【図１０】図１０は、比較試験に用いた試験片の平面図である。
【図１１】図１１は、せん断応力の付与前後における試験片およびその周辺の保持装置の外観の写真であり、図１１（ａ）はせん断応力付与前の状態を示し、図１１（ｂ）はせん断応力付与後の状態を示す。
【図１２】図１２は、せん断応力の付与前後における試験片の試験部の円弧部の写真であり、図１２（ａ）はせん断応力付与前の状態を示し、図１２（ｂ）はせん断応力付与後の状態を示す。
【図１３】図１３は、供試材についてのＥＢＳＤによる測定結果である。
【図１４】図１４は、せん断疲労試験により得られたＳ−Ｎ線図である。
【図１５】図１５は、引張・圧縮疲労試験により得られたＳ−Ｎ線図である。
【図１６】図１６は、せん断疲労試験により破断した試験片の破面の顕微鏡写真であり、図１６（ａ）は破面の全体図、図１６（ｂ）は図１６（ａ）の四角で囲んだ部分の拡大図、図１６（ｃ）は図１６（ｂ）の四角で囲んだ部分の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明に係る試験片の保持装置およびこの保持装置を用いた試験方法の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図中の構成部材の寸法は、実際の構成部材の寸法および各構成部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。
【００３８】
１．試験片の保持装置の概略構成
図１は、本発明の試験片の保持装置の模式図であり、図１（ａ）は保持装置全体の平面図を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）の試験片周辺の部分拡大図を示す。まず、図１の模式図を参照して、本発明の保持装置の構成について簡単に説明する。
【００３９】
図１（ａ）に示すように、保持装置１０は、定盤１１と第１移動体１２と第２移動体１３とを備える。第１移動体１２および第２移動体１３は、定盤１１上に配置される。保持装置１０は、第１移動体１２と第２移動体１３とによって、試験片６０を保持する。
【００４０】
ここで、図１（ｂ）に示すように、試験片６０は、試験部６１と一対の保持部６２、６３とを有する。試験部６１は、試験片６０の中央部において一方向に延びるように形成される。試験部６１の延伸方向は、試験片６０の長手方向（図中矢印Ａ方向）に一致する。試験片６０の長手方向において、試験部６１の一端に保持部６２が接続され、試験部６１の他端に保持部６３が接続される。保持部６２、６３は、試験片６０の長手方向に対して直交する方向（図中矢印Ｂ方向。以下「直交方向」ともいう。）に突出していて、試験部６１に対して段差６５を形成する。
【００４１】
保持部６２は、第１移動体１２によって保持される。保持部６３は、第２移動体１３によって保持される。第１移動体１２は、試験片６０の長手方向に移動可能に構成されている。第２移動体１３は、試験片６０の直交方向に移動可能に構成されている。図１（ａ）は、試験片６０（より具体的には、試験部６１）にせん断応力が作用するように、第２移動体１３を試験片６０の直交方向に変位させた状態を示す。
【００４２】
図１（ａ）に示すように、第１移動体１２は、第１固定部２０、第１接続部材４１、第１ロードセル４２、および第２ロードセル４３を備える。
【００４３】
第１固定部２０は、上方から見てＣ字形状を有する。図１（ｂ）に示すように、第１固定部２０は、第１端部固定部２１（端部固定部）と、一対の第１段差固定部２２（段差固定部）と、一対の第１直交方向固定部２３とを備える。なお、図１（ａ）では、第１固定部２０を簡略化して示しており、第１端部固定部２１と、一対の第１段差固定部２２と、一対の第１直交方向固定部２３との境界線は示していない。
【００４４】
図１（ｂ）に示すように、第１端部固定部２１は、試験片６０の長手方向の両端部のうち、保持部６２側の端部に接触するように配置される。一対の第１段差固定部２２は、試験片６０の試験部６１を、試験片６０の直交方向における両側から挟んで、保持部６２側の段差６５に接触するように配置される。一対の第１直交方向固定部２３は、試験片６０の直交方向における保持部６２の一方の端部および他方の端部にそれぞれ接触するように配置される。
【００４５】
すなわち、第１端部固定部２１、一対の第１段差固定部２２、および一対の第１直交方向固定部２３は、試験片６０の一方の保持部６２を４方向から囲むように配置される。したがって、試験片６０の保持部６２は、第１固定部２０によって４方向から保持される。具体的には、第１端部固定部２１と一対の第１段差固定部２２とが保持部６２を試験片６０の長手方向における両側から保持し、一対の第１直交方向固定部２３が保持部６２を試験片６０の直交方向における両側から保持する。
【００４６】
第１接続部材４１は、上方から見て略Ｌ字形状に屈曲した形状を有する。具体的には、第１接続部材４１は、試験片６０の長手方向に延びる長手方向延伸部４１ａと試験片６０の直交方向に延びる直交方向延伸部４１ｂとを有する。長手方向延伸部４１ａと直交方向延伸部４１ｂとは、一方の端部同士で接続され、第１接続部材４１を構成している。第１接続部材４１の直交方向延伸部４１ｂの他方の端部には、第１固定部２０が接続され、長手方向延伸部４１ａの他方の端部には、第１駆動部４０（延伸方向駆動部）が接続される。
【００４７】
第１ロードセル４２は、柱部４２ａを有する。第１固定部２０と第１接続部材４１の直交方向延伸部４１ｂとは、第１ロードセル４２の柱部４２ａを介して接続される。すなわち、第１ロードセル４２は、第１固定部２０および第１接続部材４１に接続されていて、試験片６０の長手方向において該第１固定部２０に作用する荷重、つまり試験片６０の試験部６１に対して矢印Ａ方向に作用する荷重の大きさを検知する。
【００４８】
第２ロードセル４３は、柱部４３ａを有する。第１接続部材４１の長手方向延伸部４１ａの他方の端部と第１駆動部４０とは、第２ロードセル４３の柱部４３ａを介して接続される。すなわち、第２ロードセル４３は、第１接続部材４１および第１駆動部４０に接続されていて、試験片６０の直交方向において第１固定部２０および第１接続部材４１に作用する荷重、つまり試験片６０の試験部６１に対して矢印Ｂ方向に作用する荷重の大きさを検知する。
【００４９】
第２移動体１３は、第２固定部３０、および第２接続部材５１を備える。第２固定部３０は、第２接続部材５１を介して第２駆動部５０（直交方向駆動部）に接続される。第２接続部材５１は、一方の端部が第２固定部３０に接続され、他方の端部が第２駆動部５０に接続される。
【００５０】
第２固定部３０は、上方から見てＣ字形状を有する。図１（ｂ）に示すように、第２固定部３０は、第２端部固定部３１（端部固定部）と、一対の第２段差固定部３２（段差固定部）と、一対の第２直交方向固定部３３とを備える。第２端部固定部３１、第２段差固定部３２、および第２直交方向固定部３３は、保持部６３に対して、保持部６２に対する第１端部固定部２１、第１段差固定部２２、および第１直交方向固定部２３と同様に配置される。したがって、試験片６０の保持部６３は、第２固定部３０によって４方向から保持される。具体的には、第２端部固定部３１と一対の第２段差固定部３２とが保持部６３を試験片６０の長手方向における両側から保持し、一対の第２直交方向固定部３３が保持部６３を試験片６０の直交方向における両側から保持する。
【００５１】
第１駆動部４０は、第１移動体１２を試験片６０の長手方向に変位させる。これにより、第１固定部２０と第２固定部３０とが試験片６０の長手方向に相対的に変位する。第２駆動部５０は、第２移動体１３を試験片６０の直交方向に変位させる。これにより、第１固定部２０と第２固定部３０とが試験片６０の直交方向に相対的に変位する。
【００５２】
特に図示しないが、第１駆動部４０および第２駆動部５０は、いずれもモーター等によって、スライダが定盤１１上に設けられた直線状のガイドに沿って往復移動可能に構成されている。
【００５３】
なお、本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、第１固定部２０は、第１端部固定部２１と、一対の第１段差固定部２２と、一対の第１直交方向固定部２３とが、上方から見て保持部６２の試験部６１との接続部分Ｃ以外の部分全体に接触している。すなわち、第１端部固定部２１と、一対の第１段差固定部２２と、一対の第１直交方向固定部２３とが、上方から見て保持部６２の全ての側面の全体を覆うように保持部６２に接触している。しかし、一対の第１端部固定部２１は、試験片６０の長手方向の端部の少なくとも一部に接触するように配置されていてもよい。また、一対の第１段差固定部２２は、保持部６２側の段差６５の少なくとも一部に接触するように配置されていてもよい。さらに、一対の第１直交方向固定部２３は、試験片６０の長手方向における保持部６２の一方の端部および他方の端部の少なくとも一部に接触するように配置されていてもよい。
【００５４】
ただし、本実施形態のように、第１固定部２０の第１端部固定部２１と、一対の第１段差固定部２２と、一対の第１直交方向固定部２３とが、上方から見て保持部６２の全ての側面の全体を覆うように保持部６２に接触し、第２固定部３０の第２端部固定部３１と、一対の第２段差固定部３２と、一対の第２直交方向固定部３３とが、上方から見て保持部６３の全ての側面の全体を覆うように保持部６３に接触することが好ましい。これにより、保持部６２、６３をより安定して保持することができ、保持装置１０を用いてより精度の高い材料評価が可能となるからである。
【００５５】
本実施形態では、図１（ａ）に示すように、第１固定部２０を、試験片６０の長手方向に変位させる。一方、第２固定部３０を、試験片６０の直交方向に変位させる。しかし、第１固定部２０を試験片６０の直交方向に変位させてもよいし、第２固定部３０を試験片６０の長手方向に変位させてもよい。また、第１固定部２０および第２固定部３０の両方を、試験片６０の長手方向、および試験片６０の直交方向に変位させてもよい。
【００５６】
２．試験片の保持装置の具体的な構成例
図１では、保持装置の機能を説明するために、各構成要素を簡略化して示した。以下では、図２から図５までを用いて、保持装置の具体的な構成を説明する。
【００５７】
図２は、本発明の試験片の保持装置の具体的な構成の一例を示す構成図であり、図２（ａ）は保持装置全体の平面図を示し、図２（ｂ）は図２（ａ）の第１固定部および第２固定部の部分拡大図を示す。図２において、図１に示す部材と同一のものには図１と同一の符号を付した。図２は、保持装置１５が試験片６０を保持した状態を示す。図２において、試験片６０の長手方向を矢印Ａ方向、試験片６０の直交方向を矢印Ｂ方向として示した。
【００５８】
図２（ａ）に示す試験片の保持装置１５は、定盤１１と第１移動体１６と第２移動体１７とを備える。第１移動体１６は、第１固定部８０、第１アーム４６、第１ロードセル４７、第２ロードセル４３およびケース４９を備え、第２移動体１７は、第２固定部９０および第２アーム５６を備える。
【００５９】
第１移動体１６および第２移動体１７は、それぞれ図１における第１移動体１２または第２移動体１３の構成の具体例である。第１固定部８０および第１ロードセル４７は、それぞれ図１における第１固定部２０または第１ロードセル４２の構成の具体例である。第２固定部９０は、図１における第２固定部３０の具体例である。第１アーム４６および第２アーム５６は、それぞれ、図１における第１接続部材４１および第２接続部材５１の具体例である。
【００６０】
保持装置１５では、試験片６０の長手方向において、第１固定部８０と第１アーム４６との間にケース４９が取り付けられている。
【００６１】
第１アーム４６は、試験片６０の長手方向に延びる長手方向延伸部４６ａと、試験片６０の直交方向に延びるケース支持部４６ｂとを備える。第１アーム４６の長手方向延伸部４６ａとケース支持部４６ｂとは一体に形成されている。
【００６２】
長手方向延伸部４６ａは、試験片６０の長手方向の一方側が第２ロードセル４３の柱部４３ａに接続される。長手方向延伸部４６ａは、試験片６０の長手方向の他方側がケース支持部４６ｂにおける試験片６０の直交方向の一方側に接続される。
【００６３】
ケース支持部４６ｂは、試験片６０の直交方向の他方側に、第１固定部８０側に向かって開口する凹部４６ｃを有する。ケース支持部４６ｂの凹部４６ｃ内には、凹部４６ｃに向かって開口するロードセル収納用凹部４６ｄが設けられる。さらに、ケース支持部４６ｂには、ケース支持部４６ｂを貫通してロードセル収納用凹部４６ｄと繋がるように貫通孔４６ｅが設けられる。
【００６４】
ケース４９は、直方体状に形成されていて、上方から見て側面４９ａ、４９ｂ、４９ｃ、４９ｄの４つの側面を有する。ケース４９の側面４９ａ、４９ｂは、試験片６０の長手方向に平行に延びる側面であり、側面４９ｃ、４９ｄは試験片６０の直交方向に平行に延びる側面である。ケース４９は、側面４９ａ、４９ｂ、４９ｃがケース支持部４６ｂに接し且つ側面４９ｄが第１固定部８０に対向するように、第１固定部８０のケース支持部４６ｂに取り付けられる。なお、ケース４９には、第１固定部８０と対向する側面４９ｄに、貫通孔４９ｆが形成されている。
【００６５】
側面４９ｃは、ケース支持部４６ｂのロードセル収納用凹部４６ｄの開口部と対向する位置に、ロードセル収納用凹部４９ｅを有する。貫通孔４９ｆは、ロードセル収納用凹部４９ｅに繋がる。ケース４９のロードセル収納用凹部４９ｅは、ケース支持部４６ｂのロードセル収納用凹部４６ｄとともに第１ロードセル４７が収納される空間を形成する。第１ロードセル４７は、この空間内に収納され、ケース支持部４６ｂに形成された貫通孔４６ｅおよびケース４９に形成された貫通孔４９ｆ内にそれぞれ挿入されたボルト４７ａまたはボルト４７ｂによって第１アーム４６に固定される。
【００６６】
ケース４９は、第１アーム４６のケース支持部４６ｂによって、側面４９ａ、４９ｂ、４９ｃの３面が支持されるため、試験片６０の直交方向において第１アーム４６に対して相対的に変位しない。したがって、試験片６０に直交方向の応力が付与されても、ケース支持部４６ｂのロードセル収納用凹部４６ｄ及びケース４９のロードセル収納用凹部４９ｅ内に収納された第１ロードセル４７には曲げ荷重が発生せず、第１ロードセル４７の耐久性を向上させることができる。
【００６７】
第２アーム５６は、試験片６０の長手方向に延びるとともに、試験片６０の長手方向の一方側が第２駆動部５０に接続される長手方向延伸部５６ａと、長手方向延伸部５６ａの試験片６０の長手方向の他方側に接続され、試験片６０の直交方向に延びる固定部支持部５６ｂとを備える。長手方向延伸部５６ａと固定部支持部５６ｂとは一体に形成されている。固定部支持部５６ｂにおける試験片６０の長手方向側には、第２固定部９０が固定されている。
【００６８】
第１移動体１６の第１固定部８０と第２移動体１７の第２固定部９０とは、第１駆動部４０により試験片６０の長手方向に相対的に変位し、第２駆動部５０により試験片６０の直交方向に相対的に変位する。
【００６９】
次に、第１移動体１６の第１固定部８０の構成を、図２から図５までを用いて説明する。図３は、図２に示す保持装置の第１固定部の斜視図である。図４は、第１ベース部材の平面図である。図５は、図２のＶ−Ｖ線断面図である。なお、以下においては、第１固定部８０および第２固定部９０によって試験片６０を保持した状態を基準として、試験片６０の長手方向（矢印Ａ方向）および試験片６０の直交方向（矢印Ｂ方向）に言及しつつ、第１固定部８０の各構成要素について説明する。図２から図４までにおいて、試験片６０の長手方向を矢印Ａ方向とし、試験片６０の直交方向を矢印Ｂ方向として示した。
【００７０】
第１固定部８０は、第１ベース部材２５と、第１挿入部材２７と、一対の第１スライド部材２８とを備える。
【００７１】
第１ベース部材２５は、図３から図５に示すように、全体として直方体状の部材の上面に断面Ｖ字状の凹部が形成されたような形状を有する。具体的には、第１ベース部材２５は、上方から見て略矩形状の基部２５ａと、試験片６０の長手方向における基部２５ａの一端側に位置する一対の板状の前壁２５ｃと、試験片６０の長手方向における基部２５ａの他端側に位置する板状の後壁２５ｅとを備える。基部２５ａと前壁２５ｃと後壁２５ｅとは、一体形成されている。
【００７２】
基部２５ａは、図５に示すように、試験片６０の長手方向から見てＶ字状に凹む上面２５ｂを有する。すなわち、基部２５ａは、高さ寸法が、試験片６０の直交方向の両端部で最も大きく、中央部で最も小さい。これにより、上述のように第１ベース部材２５の上面２５ｂに断面Ｖ字状の凹部が形成される。基部２５ａの上面２５ｂには、一対の第１スライド部材２８が載置される。基部２５ａの上面２５ｂの水平面に対する傾斜角度は例えば４５°とすることができる。一対の第１スライド部材２８を上面２５ｂ上で試験片６０の直交方向に移動可能とするため、この傾斜角度は９０°未満とする。この傾斜角度は、小さいほど好ましい。
【００７３】
一対の前壁２５ｃの間には鉛直方向に延びる間隙２５ｄが設けられている。一対の前壁２５ｃには、間隙２５ｄ側に位置する端部に一対の第１段差固定部２２が形成されている。一対の第１段差固定部２２は、一対の前壁２５ｃにおける前記端部の基部２５ａ側を切り欠くことにより形成される。一対の第１段差固定部２２は、図２（ｂ）に示すように試験片６０を第１固定部８０内に配置した状態で、間隙２５ｄ内に位置付けられる試験片６０を直交方向に挟むように位置付けられる。具体的には、一対の第１段差固定部２２は、図２（ｂ）に示すように試験片６０を第１固定部８０内に配置した状態で、後述する第１直交方向固定部２３および試験片６０の保持部６２側の段差６５に接触するように位置付けられる。また、一対の前壁２５ｃの間に位置する間隙２５ｄには、ステージ２９が配置される。ステージ２９については後述する。
【００７４】
後壁２５ｅには、試験片６０の直交方向の中央部に間隙２５ｆが形成されている。具体的には、間隙２５ｆは、後壁２５ｅの上端から、後壁２５ｅの上下方向における略中央部まで延びるように形成されている。間隙２５ｆには、次に説明する第１端部固定部２１が挿入される。
【００７５】
第１挿入部材２７は、上方から見てＴ字形状を有する部材である。第１挿入部材２７は、試験片６０の直交方向に延びる板状の安定部２７ａと、安定部２７ａの長手方向中央部から試験片６０の長手方向に延びる第１端部固定部２１とを備える。第１端部固定部２１は、後壁２５ｅに設けられた間隙２５ｆ内に挿入される。これにより、第１端部固定部２１は、図２（ｂ）に示すように試験片６０を第１固定部８０内に配置した状態で、試験片６０の長手方向の端部に接触するように位置付けられる。安定部２７ａは、不図示のボルトによって後壁２５ｅに固定される。これにより、第１端部固定部２１も、試験片６０の長手方向の端部に接触する位置に固定される。
【００７６】
したがって、本実施形態の第１固定部８０では、試験片６０の大きさに応じて、第１端部固定部２１を、試験片６０の長手方向の端部に接触する位置に固定することができる。既述のように試験片６０の保持部６２側の段差６５には一対の第１段差固定部２２が接触しているため、第１端部固定部２１と一対の第１段差固定部２２とによって、試験片６０の保持部６２を変形させることなく試験片６０の長手方向における両側から保持することができる。しかも、上述のように後壁２５ｅに設けられた間隙２５ｆ内に第１端部固定部２１を挿入する構成により、試験片６０の大きさに関係なく、第１端部固定部２１と一対の第１段差固定部２２とによって試験片６０の保持部６２を保持することができる。
【００７７】
一対の第１スライド部材２８は、軸線に対して垂直な断面が台形状であり、軸線に沿って延びる角柱状の部材である。一対の第１スライド部材２８は、それぞれ、軸線方向の端面の一方に、軸線方向に突出する第１直交方向固定部２３を有する。一対の第１スライド部材２８は、軸線方向が試験片６０の長手方向となるように基部２５ａの上面２５ｂ上に載置される。これにより、一対の第１スライド部材２８は、試験片６０の長手方向における移動が前壁２５ｃおよび後壁２５ｅによって規制される。一対の第１スライド部材２８は、第１直交方向固定部２３が前壁２５ｃの第１段差固定部２２内に位置付けられることにより、試験片６０の直交方向における移動が規制される。一対の第１スライド部材２８は、図２（ｂ）に示すように試験片６０を第１固定部８０内に配置した状態で、第１直交方向固定部２３が試験片６０の保持部６２を試験片６０の直交方向の両側から挟み込むとともに、第１直交方向固定部２３が第１段差固定部２２に接するように、配置される。一対の第１スライド部材２８は、それぞれ、ボルト２４によって第１ベース部材２５の基部２５ａに固定される。
【００７８】
したがって、本実施形態の第１固定部８０では、試験片６０の大きさに応じて、第１直交方向固定部２３を、試験片６０の保持部６２に対して試験片６０の直交方向の両側から接する位置に固定することができる。すなわち、一対の第１段差固定部２２によって、試験片６０の保持部６２を変形させることなく試験片６０の直交方向における両側から保持することができる。
【００７９】
なお、第２固定部９０も、第１固定部８０と同様の構成を有する。具体的には、第２固定部９０は、第２端部固定部３１、第２段差固定部３２、第２直交方向固定部３３、ボルト３４、第２ベース部材３５、基部３５ａ、基部上面３５ｂ、前壁３５ｃ、前壁の間隙３５ｄ、後壁３５ｅ、後壁の間隙３５ｆ、第２挿入部材３７、安定部３７ａ、および第２スライド部材３８を有する。第２固定部９０のこれらの部材は、それぞれ、第１固定部８０の第１端部固定部２１、第１段差固定部２２、第１直交方向固定部２３、ボルト２４、第１ベース部材２５、基部２５ａ、基部上面２５ｂ、前壁２５ｃ、前壁の間隙２５ｄ、後壁２５ｅ、後壁の間隙２５ｆ、第１挿入部材２７、安定部２７ａ、および第１スライド部材２８と同様の構成を有する。なお、第２ベース部材３５は、第２アーム５６と一体に形成されていてもよい。
【００８０】
上述のように、一対の前壁２５ｃの間隙２５ｄには、ステージ２９が配置される。ステージ２９は、一対の前壁３５ｃの間隙３５ｄ内にも位置付けられるように配置される。すなわち、ステージ２９は、間隙２５ｄおよび間隙３５ｄ内に位置付けられる。ステージ２９上には、試験片６０が載置される。
【００８１】
以上のように、第１挿入部材２７および一対の第１スライド部材２８は、第１ベース部材２５に対して移動可能である。そして、第１挿入部材２７は、図示しないボルトによって第１ベース部材２５に固定され、一対の第１スライド部材２８は、ボルト２４によって第１ベース部材２５に固定される。また、第２挿入部材３７および一対の第２スライド部材３８は、第２ベース部材３５に対して移動可能である。そして、第２挿入部材３７は、図示しないボルトによって第２ベース部材３５に固定され、一対の第２スライド部材３８は、ボルト３４によって第２ベース部材３５に固定される。このため、第１端部固定部２１、一対の第１段差固定部２２および一対の第１直交方向固定部２３を試験片６０の保持部６２に接触する位置に固定し、第２端部固定部３１、一対の第２段差固定部３２および一対の第２直交方向固定部３３を試験片６０の保持部６３に接触する位置に固定することができる。したがって、一辺の長さが数ミリメートルの小型の試験片についても保持部を変形させることなく保持することが可能である。図２に示す保持装置に適用可能な大きさの試験片の一例として、後述する図６に示す形状を有する試験片の長手方向の長さを３ｍｍ、試験片の直交方向の幅を２ｍｍ、厚さを０．３ｍｍとしたものが挙げられる。
【００８２】
３．試験片の保持装置を用いた試験方法
図２に示すように、第１固定部８０は、試験片６０の一対の保持部６２、６３のうち一方の保持部６２を試験片６０の長手方向の両側および試験片６０の直交方向の両側、すなわち４方向から保持する。同様に、第２固定部９０は、他方の保持部６３を４方向から保持する。このように、保持装置１５は、第１固定部８０および第２固定部９０によって保持部６２、６３をいずれも４方向から保持する。そのため、保持装置１５を用いて試験片６０を保持した状態で、第１駆動部４０によって、第１移動体１６の第１固定部８０と第２移動体１７の第２固定部９０とを試験片６０の長手方向に相対的に変位させることにより、試験片６０の試験部６１に引張応力または圧縮応力を付与することができる。なお、本実施形態の試験片の保持装置１５では、試験片６０の試験部６１が露出した状態でせん断応力および引張応力または圧縮応力を付与することができるため、応力付与後の試験部６１を容易に観察することができる。
【００８３】
第１固定部８０と第２固定部９０とを試験片６０の長手方向に相対的かつ周期的に変位させ、試験部６１に引張応力または圧縮応力を繰返し応力として繰り返し付与することにより、引張・圧縮応力による疲労試験を行うことができる。疲労試験で付与する繰返し応力として、例えば両振り応力が挙げられる。両振り応力とは、引張応力を正、圧縮応力を負とした場合、応力が同じ絶対値である正の最大値と負の最小値とに交互に変化する応力である。応力の最小値を応力の最大値で割った値を最小最大応力比Ｒといい、両振り応力ではＲ＝−１である。なお、疲労試験で付与する繰返し応力は、両振り応力に限らず、部分両振り応力、片振り応力および部分片振り応力等であってもよい。
【００８４】
また、第２駆動部５０によって第２移動体１７の第２固定部９０と第１移動体１６の第１固定部８０とを試験片６０の直交方向に相対的に変位させることにより、試験部６１にせん断応力を付与することができる。保持装置１５は、第１移動体１６および第２移動体１７によって保持部６２、６３を４方向から保持するため、試験部６１にせん断応力を付与する際に、保持部６２、６３を回転させることなく移動させることができる。そのため、試験部６１の変形に曲げ成分や引張成分等が含まれず、せん断特性について精度の高い評価が可能となる。
【００８５】
第１固定部８０と第２固定部９０とを試験片６０の直交方向に周期的に変位させ、試験部６１にせん断応力を繰返し応力として付与することにより、せん断応力による疲労試験を行うことができる。せん断応力の繰返し応力も、応力の変化に応じて、両振り応力、部分両振り応力、片振り応力および部分片振り応力に分類される。せん断応力の一方向を正とし、当該一方向の逆方向を負とした場合の、繰返し応力の定義は引張・圧縮応力の場合と同様である。
【００８６】
さらに、第１固定部８０と第２固定部９０を試験片６０の長手方向に相対的に変位させ、試験部６１に引張応力または圧縮応力を付与した状態で、第１固定部８０および第２固定部９０を試験片６０の直交方向に相対的に変位させることにより、試験部６１にせん断応力を付与することができる。このように引張応力または圧縮応力を付与しながら、せん断応力を付与することにより、実際の構造物における負荷形態を模擬した試験を行うことができる。
【００８７】
また、第１固定部８０と第２固定部９０とを試験片６０の長手方向に相対的に変位させて、試験部６１に引張応力または圧縮応力を付与した状態で、第１固定部８０と第２固定部９０とを試験片６０の直交方向に周期的に相対変位させることにより、試験部６１にせん断応力を繰返し応力として付与することもできる。さらに、第１固定部８０と第２固定部９０とを、試験片６０の長手方向に相対的かつ周期的に変位させ且つ試験片６０の直交方向にも周期的に変位させることにより、試験部６１に引張・圧縮応力およびせん断応力を繰返し応力として付与することもできる。そのため、上述の保持装置１５を用いることにより、様々な繰返し応力が付与される負荷形態を模擬した疲労試験も行うことができる。
【００８８】
４．本発明の試験方法に適した試験片の形状
図６は、本発明の実施形態に係る試験方法に適した試験片の平面図である。図６に示す試験片６０は、図１（ｂ）を用いて説明したように、長手方向の両端に配置された一対の保持部６２、６３と、保持部６２、６３の間に配置された試験部６１とを有する。保持部６２、６３は、試験片６０の直交方向に突出して、試験部６１に対して段差６５を形成する。
【００８９】
さらに、試験部６１は、図６に示すように、保持部６２、６３と接続される両端にＲ部６１ａを有する。試験部６１は、試験片６０の長手方向の中央部分に円弧部６１ｂが形成される。円弧部６１ｂは、試験部６１の幅寸法が、試験片６０の長手方向の中央部分で最も小さくなるように形成される。円弧部６１ｂの曲率半径は、Ｒ部６１ａの曲率半径よりも大きい。
【００９０】
本発明の実施形態に係る試験方法には、上述のように、試験部６１がＲ部６１ａと円弧部６１ｂとを有する形状の試験片を用いることが好ましい。その理由は次の通りである。Ｒ部６１ａによって、試験片６０に応力を付与した際に、試験部６１と保持部６２、６３との接続部分における応力集中を抑制することができ、この接続部分で試験片が破断する失敗を少なくすることができる。円弧部６１ｂによって、試験片６０に応力を付与した際に、降伏による変形が試験部６１の、試験片６０の長手方向中央部分で生じる可能性が非常に高くなり、複数の試験片について同じ位置で変形の評価を行うことができる。したがって、歩留まり良く精度の高い評価を行うことが可能となる。
【００９１】
図７は、本発明の実施形態に係る試験方法のうち、疲労試験により適した試験片の構成図であり、図７（ａ）は平面図を示し、図７（ｂ）は側面図を示す。図７に示す試験片７０は、長手方向の両端に位置する一対の保持部７２、７３と、保持部７２、７３の間に設けられた試験部７１とを有する。保持部７２、７３は、試験片７０の直交方向に突出して、試験部７１に対して段差７５を形成する。
【００９２】
さらに、試験部７１は、図７に示すように、保持部７２、７３と接続される両端にＲ部７１ａを有し、Ｒ部７１ａの間に幅Ｗが均一な平行部７１ｃを有する。平行部７１ｃは、試験片７０の長手方向中央部分にノッチ７１ｂが形成される。ノッチ７１ｂは試験片７０の直交方向に延びるように設けられていて、その断面は円弧状である。そのため、試験部７１の厚さ寸法は、試験片７０の長手方向の中央部分すなわちノッチ７１ｂの底部で最も小さくなる。試験片７０の厚み方向の他方の面は平らである。また、ノッチ７１ｂの底部における試験片７０の厚さｔは試験部７１の最大厚さ寸法ｈの１／２以下であり、ノッチ７１ｂの断面を構成する円弧の曲率半径はＲ部７１ａの曲率半径よりも小さいため、試験片７０に引張応力、圧縮応力またはせん断応力を付与した際にはノッチ７１ｂの底部が応力集中部となる。このように、試験片７０を用いてせん断疲労試験を行った際に、疲労き裂がノッチ７１ｂの底部で生じるため、複数の試験片について同じ位置で疲労き裂の評価を行うことができる。したがって、歩留まり良く評価を行うことが可能となる。
【００９３】
試験片７０のノッチ７１ｂの底部における断面積（Ｗ×ｔ）は、０．０５ｍｍ２以上が好ましい。ノッチ７１ｂの底部における断面積を０．０５ｍｍ２以上とすることにより、疲労試験時に十分に大きい応力を付与することができ、精度の高い測定を行うことができる。ノッチ７１ｂの底部における断面積は、０．０７５ｍｍ２以上がより好ましい。
【００９４】
また、平行部７１ｃは、幅Ｗと試験片７０の長手方向の長さＬとの関係がＷ＞Ｌを満たすことが好ましい。この場合、せん断疲労試験時に、曲げ応力よりもせん断応力が大きく作用するため、ノッチ７１ｂの底部の幅方向中央部分が応力集中部となる。疲労き裂はこの応力集中部で生じるため、より歩留まり良く評価を行うことが可能となる。Ｗ＞Ｌであることが好ましい理由について以下で説明する。
【００９５】
試験片７０の保持部７３に、試験片７０の直交方向のせん断力Ｐを付与した場合、ノッチ７１ｂの底部を含む断面に生じる最大せん断応力τｍａｘは、下記（ｉ）式で表される。
τｍａｘ＝（３／２）×（Ｐ／ｔＷ）  …（ｉ）
また、この場合、保持部７３側のＲ部７１ａと平行部７１ｃとの境界面に生じる応力の最大値σｍａｘは、平行部７１ｃの試験片７０の長手方向の長さをＬとし、この境界面の曲げ応力を仮定すると、下記（ｉｉ）式で表される。
σｍａｘ≒（ＰＬ×Ｗ／２）／（ｈＷ３／１２）＝６ＰＬ／ｈＷ２  …（ｉｉ）
【００９６】
ここで、試験片７０の破壊則がｍｉｓｅｓ応力に従うとすると、下記（ｉｉｉ）式が成り立つ場合に、ノッチ７１ｂの底部を含む断面におけるｍｉｓｅｓ応力が、保持部７３側のＲ部７１ａと平行部７１ｃとの境界面におけるｍｉｓｅｓ応力以上となる。すなわち、曲げ応力よりもせん断応力の方が大きく作用する。この場合、試験片７０はノッチ７１ｂの底部で破断する。
τｍａｘ≧σｍａｘ／３１／２  …（ｉｉｉ）
【００９７】
ここで、上述のようにノッチ７１ｂの底部における試験片７０の厚さｔは試験片７０の最大厚さ寸法ｈの１／２以下、すなわちｈ／２≧ｔである。ｈ／２≧ｔと、（ｉ）〜（ｉｉｉ）式から、下記（ｉｖ）式が得られ、（ｉｖ）式からさらに（ｖ）式が得られる。（ｖ）式から、Ｗ＞Ｌが好ましいことがわかる。
ｈ／２≧（３１／２／２）×（ｈＷ／Ｌ）≧ｔ  …（ｉｖ）
Ｗ／Ｌ≧２／３１／２≒１  …（ｖ）
【００９８】
図８は、試験片７０について有限要素法（Finite Element Method、ＦＥＭ）で解析した結果を応力分布で示す図である。ＦＥＭによる解析の結果、試験片７０では、図８に示すようにせん断応力を付与した場合、および引張・圧縮応力を付与した場合のいずれの場合もノッチ７１ｂの底部で応力が集中し、最大応力が発生することを確認した。せん断応力を付与した場合には、特にノッチ７１ｂ底部の幅方向中央で最大応力が発生する。なお、ノッチ７１ｂは、試験片７０の厚み方向の面の一方だけに設けてもよく、両方に設けてもよい。
【００９９】
試験片６０および試験片７０のいずれも、酸洗してから試験に供することが好ましい。これは、例えば放電加工により試験片を作製した場合に表面に形成される放電加工層または残留応力層のような表面層を除去するためである。
【実施例１】
【０１００】
上述のような実施形態の構成による効果を実証するため、静的せん断試験を行い、その精度を評価した。
【０１０１】
静的せん断試験は、図２に示す試験片の保持装置を用いて行った。供試材は、５９０ＭＰａ級高張力鋼板のスポット溶接部におけるＨＡＺ部から採取した。供試材の化学組成は表１に示す通りであった。
【０１０２】
【表１】
0006451410.tif 000002
【０１０３】
試験片は、この供試材から図６に示す形状に切り出した。試験片は、長手方向（矢印Ａ方向）の長さを３ｍｍ、直交方向（矢印Ｂ方向）の幅を２ｍｍ、厚さを０．３ｍｍとした。また、試験片の試験部は、直交方向の幅を、最も狭い部分で０．３ｍｍとした。試験速度は１μｍ／ｍｉｎとした。
【０１０４】
図９は、静的せん断試験で得られた公称せん断応力−ストローク線図である。図９に示すように、公称せん断応力−ストローク線図は２つの棚を有する形状となり、各棚の折れ曲がり点の応力は小さい方から順に５０ＭＰａおよび４００ＭＰａであった。５０ＭＰａの折れ曲がり点は保持装置の第１固定部および第２固定部に生じた遊びに起因して発生したと考えられ、４００ＭＰａの折れ曲がり点は試験片の降伏に起因して発生したと考えられる。すなわち、本発明の試験片の保持装置を用いた静的せん断試験により測定された供試材のせん断降伏応力は４００ＭＰａであったといえる。
【０１０５】
比較試験として、同じ供試材を用いた引張試験を行った。引張試験も、図２に示す試験片の保持装置を用いて行った。試験片は、図１０に示すように、図６に示す試験片と同様の形状とした。図１０には、試験片の寸法も併せて示した。試験速度は１μｍ／ｍｉｎとした。
【０１０６】
比較試験により測定された引張強さおよび引張降伏応力は、表２に示す通りであった。表２には、Ｔｒｅｓｃａ応力より推定したせん断強さおよびせん断降伏応力も示す。
【０１０７】
【表２】
0006451410.tif 000003
【０１０８】
表２に示すように、引張試験の結果から推定されるせん断降伏応力は４２６ＭＰａであった。この値は、本発明の試験片の保持装置を用いた静的せん断試験により測定された降伏応力（４００ＭＰａ）と同等であった。そのため、本発明の保持装置を用いて微小な試験片について測定した公称せん断応力から、降伏応力を評価できることが明らかとなった。
【０１０９】
図１１は、せん断応力の付与前後における試験片およびその周辺の保持装置の外観の写真であり、図１１（ａ）はせん断応力付与前の状態を示し、図１１（ｂ）はせん断応力付与後の状態を示す。図１１から、試験片の保持部の形状がほとんど変化していないこと、および試験片の試験部の円弧部に変形が集中していることがわかる。すなわち、本発明の保持装置によれば、サブミリメートルオーダーの材料特性の評価を安定して行えることがわかる。
【０１１０】
図１２は、せん断応力の付与前後における試験片の試験部の円弧部の写真であり、図１２（ａ）はせん断応力付与前の状態を示し、図１２（ｂ）はせん断応力付与後の状態を示す。写真の試験片は、表面を電解研磨した状態である。図１２（ａ）と図１２（ｂ）を比較すると、せん断応力を付与した方向（図の水平方向）に平行にすべり帯が多数発生したことが確認できる。図１２から、本発明の保持装置を使用し、図６に示す形状の試験片を使用することにより、試験片の試験部の円弧部に応力を確実に付与することができることがわかる。
【実施例２】
【０１１１】
さらに、上述のような実施形態の構成による効果を実証するため、せん断疲労試験を行い、せん断疲労特性に及ぼす軸力負荷の影響を評価した。
【０１１２】
せん断疲労試験は、図２に示す試験片の保持装置を用いて行った。供試材は、極低炭素鋼の熱間圧延材から採取した。供試材の化学組成は表３に示す通りであり、平均結晶粒径は３１μｍであった。また、供試材についての電子線後方散乱回折法（Electron Back-Scatter Diffraction、ＥＢＳＤ）による測定結果は図１３に示す通りであった。図１３には、圧延面の法線方向についての結晶方位を左下の逆極点図カラーキーに従って色分けして示した。なお、ＥＢＳＤによる測定結果は本来カラーで表示されるが、図面の制約上白黒で表示した。
【０１１３】
【表３】
0006451410.tif 000004
【０１１４】
試験片は、この供試材から図７に示す形状に切り出した。試験片は、長手方向（矢印Ａ方向）の長さを２．４ｍｍ、直交方向（矢印Ｂ方向）の幅を１．８ｍｍ、厚さを０．３ｍｍとした。また、試験片の試験部は、ノッチ底部での厚さを直交方向の幅よりも小さくした。ノッチ断面を構成する円弧の曲率半径は、保持部と試験部との間のＲ部の曲率半径よりも小さくした。
【０１１５】
せん断疲労試験は、軸力（引張応力または圧縮応力）を付与した状態および軸力を付与しない状態で行った。軸力の大きさは、引張応力および圧縮応力のいずれも１５０ＭＰａとした。せん断応力は、両振り応力とした。
【０１１６】
図１４は、せん断疲労試験により得られた破断繰返し数と応力振幅との関係を示す図（Ｓ−Ｎ線図）である。せん断疲労限度は、軸力を付与しない場合には１４４ＭＰａであり、軸力を付与した場合には軸力を付与しない場合の±約２０ＭＰａであった。引張応力を付与した場合には寿命の低下傾向が見られ、圧縮応力を付与した場合には寿命の向上傾向が見られた。
【０１１７】
比較試験として、同じ供試材を用いた引張試験および引張・圧縮疲労試験を行った。これらの比較試験も、図２に示す試験片の保持装置を用いて行った。引張試験の試験速度は１μｍ／ｓとした。引張・圧縮疲労試験は、試験片に対して両振り応力を付与した。
【０１１８】
比較試験により測定された引張強さ、引張降伏応力、降伏比および疲労限度（σＷ０）は、表４に示す通りであった。図１５は、引張・圧縮疲労試験により得られたＳ−Ｎ線図である。
【０１１９】
【表４】
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【０１２０】
上述のように、せん断疲労試験への軸力の影響は±約２０ＭＰａであった。また、比較試験により得られた疲労限度（σＷ０）から算出されるせん断疲労限度（τＷ０）は、τＷ０＝σＷ０×３−０．５＝９２ＭＰａである。すなわち、せん断疲労における軸力の影響はτＷ０に対して±約２０％であった。
【０１２１】
図１６は、引張応力を付与しながら１２０ＭＰａの応力振幅でせん断疲労試験を行って、破断繰返し数２．３１×１０５で破断した試験片の破面の顕微鏡写真である。図１６から、疲労破壊の起点はノッチ底部の幅方向中央部に発生したき裂であり、このき裂が半楕円形状に進展したと推定できる。図１６から、図７に示す形状の試験片を本発明の保持装置によって保持することにより、せん断疲労試験において試験片の試験部のノッチ底部に応力を確実に集中させることができることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明による試験片の保持装置は、小型の試験片に変形を生じさせることなく、せん断応力を付与しつつ引張応力または圧縮応力を付与可能な試験装置に適用することができる。
【符号の説明】
【０１２３】
１０、１５  保持装置
２０  第１固定部
２１  第１端部固定部（端部固定部）
２２  第１段差固定部（段差固定部）
２３  第１直交方向固定部
３０  第２固定部
３１  第２端部固定部（端部固定部）
３２  第２段差固定部（段差固定部）
３３  第２直交方向固定部
４０  第１駆動部（延伸方向駆動部）
５０  第２駆動部（直交方向駆動部）
６０、７０  試験片
６１、７１  試験部
６１ａ、７１ａ  Ｒ部
６１ｂ  円弧部
７１ｂ  ノッチ
７１ｃ  平行部
６２、７２  一方の保持部
６３、７３  他方の保持部
６５、７５  段差
８０  第１固定部
９０  第２固定部
Ａ  試験部の延伸方向（試験片の長手方向）
Ｂ  試験部の延伸方向と直交する方向（試験片の直交方向）
Ｃ  保持部の試験部との接続部分
【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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【図１５】
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【図１６】
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