(57)【要約】【課題】材料の衝撃吸収エネルギーを測定し、特にＡＰＩ規格に準じたＤＷＴＴ試験に好適な落錘式衝撃試験方法およびそれに用いる落錘式衝撃試験機を提供する。【解決手段】落錘式衝撃試験機を用いた衝撃吸収エネルギーの測定方法であって、落錘を試験片に衝突させずに自由落下させた際の運動エネルギーと、落錘が試験片に衝突し、破断させた後の運動エネルギーを用いて、当該試験片の衝撃吸収エネルギーを測定する。落錘と、落錘を鉛直方向に移動させ保持する機構と試験片置き台を有する落錘案内機構と、落下する落錘の速度を検出する速度検出器と前記落錘が前記試験片置き台の下方に落下したことを検知する通過検出センサーを有する速度検出機構を備えた落錘式衝撃試験機。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
落錘式衝撃試験機を用いた衝撃吸収エネルギーの測定方法であって、落錘を試験片に衝突させずに自由落下させた際の運動エネルギーと、落錘が試験片に衝突し、破断させた後の運動エネルギーを用いて、当該試験片の衝撃吸収エネルギーを測定することを特徴とする落錘式衝撃試験機を用いた衝撃吸収エネルギーの測定方法。
【請求項２】
落錘と、落錘を鉛直方向に移動させ保持する機構と試験片置き台を有する落錘案内機構と、落下する落錘の速度を検出する速度検出器と前記落錘が前記試験片置き台の下方に落下したことを検知する通過検出センサーを有する速度検出機構を備えた落錘式衝撃試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、落錘式衝撃試験方法における材料の衝撃吸収エネルギーを測定する方法およびそれに用いる落錘式衝撃試験機に関し、特にＡＰＩ規格に準じたＤＷＴＴ試験に好適なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
試料に落錘により衝撃を与えてその強度や靭性を測定する衝撃破壊試験法が材料評価試験として、各分野で用いられている。
【０００３】
例えば、鉄鋼分野では市販の落錘型ＤＷＴＴ試験機などの落錘式衝撃試験機が用いられ、半導体分野ではハード磁気ディスク装置のディスクの強度を測定する方法として、特許文献１により衝撃破壊試験が提案されている。
【０００４】
また、特許文献２は、「動的荷重計測装置」に関し、自動車の衝撃吸収部材の動的な変形特性を、試験体に落錘を衝突させて測定する方法を提案している。
【０００５】
市販の落錘型ＤＷＴＴ試験機では試験機の落錘を除く部分に落錘の変位測定器及び落錘に検力器を取り付け、落錘が試験片に衝突した時刻(ｔ1)から当該衝突が完了するまでの時刻(t2)までの間の落錘の変位(ｘ(t))、落錘が受ける力(F(t))を微小時間ごとに同時に測定し、積分値Ｅを衝撃吸収エネルギーとしている。
【０００６】
【数１】
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特許文献１記載の「衝撃破壊試験方法及び装置」は、ハード磁気ディスク装置のディスクに衝突直前の落錘速度(ｖ1)と衝突完了時の速度(v2)から落錘の運動量変化ｍ(v1−ｖ2)を計算し(ｍは落錘の質量)、得られた値を落錘が試験片につけた圧痕の体積Ｖで除した単位体積当たり運動量変化を衝撃強さとして定義し測定している。
【特許文献１】特開平０８−１３６４２９号公報
【特許文献２】特開２００６−２８４５１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、落錘を用いた衝撃破壊試験法の場合、落錘が試験片に衝突するときの速度が大きく、落錘の形状によっては衝突時に受ける衝撃的な外力による弾性波の反射などが検力器の検力精度に影響を及す。
【０００８】
そのため、特許文献２では、弾性波反射に対して円筒形荷重検出器の直径Ｄと長さＬの比を０．３≦L/Ｄ≦３の範囲に限定している。
【０００９】
例えば、ＡＰＩ規格に準じるＤＷＴＴ試験の場合、落錘が試験片に衝突するときの速度は９ｍ/ｓと大きく、市販の落錘型ＤＷＴＴ試験機では、落錘が試験片に衝突している約１０ｍｓの微小時間内に変位測定器と検力器の各変位及び力をもとに力×微小変位を積分計算して衝撃吸収エネルギーとしているが、１．高度な分解能と時間応答性を有する変位測定器及び検力計を必要とするため高コストである。
【００１０】
２．微小時間内に変位測定器と検力器の各変位及び力から力×微小変位を積分計算するため、高度な記憶容量と時間応答性を有する計算機を必要とし高コストである。
【００１１】
３．動的測定で得られたエネルギーはそれが正しいことを実証する絶対標準がないので、これらの測定で得られたエネルギーは同一試験機内での相対比較にとどまらざるを得ない。
【００１２】
更に、一般的に測定の不確かさは測定から計算までのプロセスが多いほど増加すると考えられので、市販の落錘型ＤＷＴＴ試験機でＡＰＩ規格に準じたＤＷＴＴ試験を実施する場合は測定器及び計算機の校正、精度維持などに多くの労力を要する。
【００１３】
尚、特許文献１記載の「衝撃破壊試験方法及び装置」は衝突直前の落錘速度(ｖ1)と衝突完了時の速度(v2)から落錘の運動量変化ｍ(v1−ｖ2)を計算し(ｍは落錘の質量)、これを落錘が試験片につけた圧痕の体積Ｖで除した単位体積当たり運動量変化を衝撃強さとして定義し測定しているため、
１）Ｊの単位で表現されるべき衝撃吸収エネルギーの測定には利用できない。
２）速度及び圧痕という二つの測定値をもとにして特性値を計算しているため、各測定の不確かさが特性値の不確かさに影響を及ぼす。ため、ＤＷＴＴ試験には適用できない。
【００１４】
また、従来から振子式衝撃試験機による衝撃吸収エネルギー測定方法がＪＩＳ  Ｚ２２４２「金属材料衝撃試験方法」などに定められている。
【００１５】
振子式衝撃試験機は試験前の振子角度と試験後の振子角度という静的に測定可能なひとつの物理量である角度をもとに衝撃吸収エネルギーを計算するため測定の不確かさはよいが次に掲げる欠点をもつ。
１）振子の位置エネルギーは振子の支点から振子の重心までの長さと振子の質量で定まるため、衝突現象の可変要素である衝突速度と衝突物体の質量とを独立に可変化することが煩雑である。
２）振子を鉛直面内で回転させるための回転軸保持機能の堅牢性が重要であるため、同一ひょう量の場合、落錘式より大がかりな装置構成を要し高コストである。
【００１６】
そこで、本発明は上述した課題を解決する、ＡＰＩ規格に準じるＤＷＴＴ試験等、材料の衝撃吸収エネルギーを測定する落錘式衝撃試験方法およびそれに用いる落錘式衝撃試験機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】
【００１７】
本発明の課題は以下の手段で達成可能である。
１．落錘式衝撃試験機を用いた衝撃吸収エネルギーの測定方法であって、落錘を試験片に衝突させずに自由落下させた際の運動エネルギーと、落錘が試験片に衝突し、破断させた後の運動エネルギーを用いて、当該試験片の衝撃吸収エネルギーを測定することを特徴とする落錘式衝撃試験機を用いた衝撃吸収エネルギーの測定方法。
２．落錘と、落錘を鉛直方向に移動させ保持する機構と試験片置き台を有する落錘案内機構と、落下する落錘の速度を検出する速度検出器と前記落錘が前記試験片置き台の下方に落下したことを検知する通過検出センサーを有する速度検出機構を備えた落錘式衝撃試験機。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、市販の落錘型ＤＷＴＴ試験機に対し
１．測定対象の物理量は速度だけであり、ふたつの物理量である変位及び力を測定する方法より測定精度に優れる。
２．変位及び力の線図をスムージング、積分することに起因する不確かさ要因を排除できる。
３．落錘の形状設計にあたって弾性波動現象に対する制約がない。
４．高度な分解能と時間応答性を有する検力計及び高度な記憶容量と時間応答性を有する計算機が不要であり低コストである。
５．速度計を絶対標準に参照して校正しておくだけでエネルギーの絶対精度が保証できるので、校正や精度維持にかかわる労力を低減でき、かつ異なる試験機間での測定値又は振子式試験機での測定値などとも相対比較可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、落錘を試験片に衝突させずに自由落下させた際の運動エネルギーと、落錘が試験片に衝突し、破断させた後の運動エネルギーを用いて、当該試験片の衝撃吸収エネルギーを測定することを特徴とする。
【００２０】
図１は、本発明の実施に好適な落錘式衝撃試験機の一例を示し、図において１は落錘を鉛直方向に運動させるための落錘案内機構、２は質量ｍの落錘、３は試験片置き台、４は試験片、５はレーザードップラー速度計、６は通過検出センサー、７は落錘を鉛直上向きに上昇させる上昇装置、８は落錘２が通過検出センサー６を通過したことおよびその際にレーザードップラー速度計５で測定した速度を記憶し、運動エネルギーを算出する演算機構とその表示機能を備えたコントローラ、９は床面、１０は落錘２の重心、１１は落錘掴み具、ａ、ｂは信号線を示す。
【００２１】
図示した落錘式衝撃試験機は、市販の落錘型ＤＷＴＴ試験機に準じた構造で、落錘案内機構１とレーザードップラー速度計５を保持する架台を有し、落錘案内機構１は床面９に固定され、レーザードップラー速度計５は、架台を介して、床面９に固定される。床面９は、地球上又は地球と剛体接続している。
【００２２】
落錘案内機構１は、2本の間隔を有して直立する柱部材を有し、前記柱部材には、その上方から下方に向かって、落錘２の上昇装置７、落錘２の掴み具１１、試験片置き台３を有し、試験片置き台３の下方には、落下する落錘２が通過したことを検知する通過検出センサー６が、落錘２や破断した試験片４と干渉しない位置に取り付けられる。
【００２３】
レーザードップラー速度計５を保持する架台は、レーザードップラー速度計５が落下する落錘２の速度をその上方から測定できるように、床面９に固定される。
ここで、上記落錘式衝撃試験機で試験片が有る時と無い時の落錘の高さと速度の関係を模式的に示すと図２のようになる。
【００２４】
以下、図示した落錘式衝撃試験機を用いて、ＤＷＴＴ試験等試験片の衝撃吸収能を測定する手順を説明する。
１．まず試験片置き台３に試験片を置かない状態で、落錘２を落錘２の重心１０が通過検出センサー６より鉛直上向きにＨだけ高くなるように上昇装置７で揚げ、落錘掴み具１１に落錘２を掴ませて高さＨを保持する。
【００２５】
２．落錘掴み具１１と落錘２との掴み状態を解除し、落錘２を空気抵抗及び落錘案内機構１からの摩擦を受けながら鉛直下向きにほぼ自由落下させる。
【００２６】
３．落錘２が通過検出センサー６の高さまで落下したことを信号線ｂでコントローラ８に伝達し、そのときの速度ｖ1をレーザードップラー速度計５で測定し、信号線ａで伝達し、コントローラ８で運動エネルギーを演算し、表示する。
【００２７】
重力加速度をｇ、空気抵抗及び落錘案内機構１からの摩擦によるエネルギー損失をＥ１とすると、力学的エネルギー保存則より式(１)が成立する。  
【００２８】
ｍｇＨ−Ｅ１＝１／２ｍ(ｖ１)２                (１)
４．次に落錘２を落錘２の重心１０が通過検出センサー６より鉛直上向きにＨだけ高くなるように上昇装置７で揚げ、落錘掴み具１１に落錘２を掴ませて高さＨを保持してから試験片４を試験片置き台３に置き、落錘掴み具１１と落錘２との掴み状態を解除する
５．落錘２を空気抵抗及び落錘案内機構１からの摩擦を受けながら鉛直下向きにほぼ自由落下し試験片４を破壊し再度落下させる。
【００２９】
６．落錘２が通過検出センサー６の高さまで落下したことを信号線ｂでコントローラ８に伝達し、そのときの速度ｖ２をレーザードップラー速度計５で測定し、信号線ａを伝達してコントローラ８で運動エネルギーを演算し、表示する。
【００３０】
重力加速度をｇ、空気抵抗及び落錘案内機構１からの摩擦によるエネルギー損失をＥ１、試験片４の破壊に費やされたエネルギーすなわち試験片４の衝撃吸収エネルギーをＥ２とすると、力学的エネルギー保存則より式(２)が成立する。  
【００３１】
ｍｇＨ−Ｅ１−Ｅ２＝１／２ｍ(ｖ２)２                (２)
式（１）及び式（２）より式(３)が導出され衝撃吸収エネルギーＥ２は
変数として速度だけをもつ単純な式であらわされる。  
【００３２】
Ｅ２＝１／２ｍ{(ｖ１)２− (ｖ２)２}                 (３)
上述したように、本発明によれば、落錘の速度のみを検出し、落錘を試験片に衝突させずに自由落下させた際の運動エネルギーと、落錘が試験片に衝突し、破断させた後の運動エネルギーを用いて、当該試験片の衝撃吸収エネルギーを測定するので、測定精度に優れ、且つ安価な装置構成が可能である。
【００３３】
本発明は装置構成における通過検出センサー６、レーザードップラー速度計５の配置を適宜変更することでＤＷＴＴ試験のみならず、衝撃吸収エネルギにより、材料特性の評価を行う各種試験に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施例に係る落錘式衝撃試験機の構成を示す概略図。
【図２】落錘高さと落錘速度の関係を示す図。
【符号の説明】
【００３５】
１    落錘案内機構
２    落錘
３    試験片置き台
４    試験片
５    レーザードップラー速度計
６    通過検出センサー
７    上昇装置
８    コントローラ
９    床面
１０    重心
１１    落錘掴み具
ａ、ｂ    信号線
【図１】
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【図２】
2008224632.tif 000005