(57)【要約】【課題】引張圧縮応力試験において座屈の発生を防止できる応力試験治具及びこれを用いた引張圧縮応力試験方法の提供。を提供する。【解決手段】試験片の端部を保持することができる凹部を有するフランジを２個有し、これらのフランジの一方又は両方から試験片に対して圧縮応力又は引張応力を作用させることによって試験片に圧縮応力又は引張応力を負荷する応力試験用治具であって、応力試験中に試験片に対する応力負荷方向と試験片長手方向が常に一致するように少なくとも２本のガイド材が試験片に対する応力負荷方向に平行に設置されてなることを特徴とする応力試験用治具と、試験片に１．５％以上の歪みを付与する圧縮試験又は引張試験を１回又は２回以上行う応力試験方法。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片の端部を保持することができる凹部を有するフランジを２個有し、これらのフランジの一方又は両方から試験片に対して圧縮応力又は引張応力を作用させることによって試験片に圧縮応力又は引張応力を負荷する応力試験用治具であって、応力試験中に試験片に対する応力負荷方向と試験片長手方向が常に一致するように少なくとも２本のガイド材が試験片に対する応力負荷方向に平行に設置されてなることを特徴とする応力試験用治具。
【請求項２】
試験片の端部を保持することができる凹部を有するフランジを２個有し、これらのフランジの一方又は両方から試験片に対して圧縮応力及び引張応力を交互に作用させることによって試験片に圧縮応力及び引張応力を交互に負荷する応力試験用治具であって、応力試験中に試験片に対する応力負荷方向と試験片長手方向が常に一致するように少なくとも２本のガイド材が試験片に対する応力負荷方向に平行に設置されてなることを特徴とする応力試験用治具。
【請求項３】
２個のフランジが試験片の上下に配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の応力試験用治具。
【請求項４】
フランジを固定する固定部材の一方又は両方が可動であり、この固定部材に応力をかけることによって試験片に圧縮応力又は引張応力を負荷することを特徴とする、請求項１から３までのいずれかに記載の応力試験用治具。
【請求項５】
試験片の端部を保持することができる凹部には雌ねじが切ってあり、そして、試験片の端部には雄ネジが切ってあることを特徴とする、請求項４に記載の応力試験用治具。
【請求項６】
試験片が管材から切り出された材料であることを特徴とする、請求項１から５までのいずれかに記載の応力試験用治具。
【請求項７】
引張試験機に用いることを特徴とする、請求項１から６までのいずれかに記載の応力試験用治具。
【請求項８】
圧縮試験機に用いることを特徴とする、請求項１から６までのいずれかに記載の応力試験用治具。
【請求項９】
疲労試験機に用いることを特徴とする、請求項１から６までのいずれかに記載の応力試験用治具。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれかに記載の応力試験用治具を用いて、試験片に１．５％以上の歪みを付与する圧縮試験又は引張試験を１回又は２回以上行うことを特徴とする応力試験方法。
【請求項１１】
請求項１から９までのいずれかに記載の応力試験用治具を用いて、試験片に１．５％以上の歪みを付与する圧縮試験及び引張試験を１回又は２回以上繰り返すことを特徴とする応力試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、応力試験用治具及び応力試験方法に関するものであり、特に、金属材料の圧縮及び引張試験用治具並びに圧縮及び引張試験方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
敷設がリールパージで行われる石油や天然ガス等の流体を輸送するためのラインパイプ用鋼管には、繰り返して引張及び圧縮応力がかかるため、これらの応力によって生じる引張圧縮歪みが付与される。しかし、このような鋼管等の金属材料には引張圧縮歪みが付与された後の機械的性能が問題とされるため、試験片に繰り返しの引張圧縮歪みを付与する試験が必要となる。
【０００３】
ところが、このような鋼管等の金属材料から切り出された試験片の軸方向に繰り返しの引張圧縮歪みを付与する試験においては、試験片に座屈が発生しやすく、数回の試験につき１回の割合で座屈が発生するというのが実情である。そして、座屈が発生する都度、試験は中断に追い込まれるという問題が生じている。
【０００４】
なお、金属材料の圧縮試験に関しては、非特許文献１に見るとおり、ＡＳＴＭ Ｅ９−８９ａにおいて規格が制定されている。
【０００５】
図１は、金属材料の圧縮試験において用いられる応力試験治具１の一例を示す側面図である。試験片Ｐはその両端を上下のフランジ２ａ、２ｂで挟み込んで保持される。上下のフランジ２ａ、２ｂは、それぞれ、固定部材３ａ、３ｂにボルト４によって固定されている。ここでは、上側のフランジ２ａを固定する上側の固定部材３ａは上下方向に可動である。また、上部の固定部材３ａの上部にはロッド固定穴７が穿たれるとともに雌ねじが切ってある。
【０００６】
図２は、図１に示された応力試験治具１を、圧縮試験も可能な引張試験機５に取り付けた状況を示す側面図である。
【０００７】
この応力試験治具１を用いて圧縮試験を行う際には、試験片Ｐを保持した応力試験治具１を引張試験機５の下部可動クロスヘッド９とベース部材２０の間に設置される。上下のフランジ２ａ、２ｂの間に保持された試験片Ｐは、その上側のフランジ２ａを固定する可動式の上側の固定部材３ａを介して、下部可動クロスヘッド９の下方に取り付けられたロッド６から力を下方に受けることによって、軸心に沿って上下方向から垂直に圧縮応力が負荷される。なお、ロッドの先端部には雄ネジが切ってあり、応力試験治具１の上側の固定部材３ａの上部に穿たれたロッド固定穴７にねじ込まれる。
【０００８】
これに対して、引張試験を行う際には、試験片Ｐを保持した応力試験治具１を引張試験機５の上部固定クロスヘッド８と下部可動クロスヘッド９との間に設置し、試験片Ｐに対して、軸心に沿って上下方向から垂直に引張応力が負荷される。
【０００９】
また、特許文献１には、既存の引張試験機をそのまま利用して厚鋼板等の金属材料の圧縮試験を可能にするための圧縮試験用治具が提案されている。引張試験機で作用させる引張応力を水平方向に変換するために、揺動自在の菱形状のベースフレームの中に試験片を水平に設置しており、このベースフレームを上下方向に外向きに引張応力を負荷することによって、水平に設置された試験片に軸心に沿って水平方向から内向きに圧縮応力を作用させようとするものである。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−１８５５４５号公報
【非特許文献１】ＡＳＴＭ Ｅ９−８９ａ（Ｒｅａｐｐｒｏｖｅｄ ２０００）“Standard Test Methods of Compression Testing of Metallic Materials at Room Temperature”ｐ．１１０〜１１８（２０００年発行）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したとおり、このような鋼管等の金属材料から切り出された試験片の軸方向に繰り返しの引張圧縮歪みを付与する試験においては、試験片に座屈が発生しやすく、その都度、試験は中断に追い込まれるという問題が生じている。特に、圧縮と引張を繰り返す応力試験において、座屈の問題は顕著である。
【００１２】
しかしながら、非特許文献１には、単に垂直に設置した試験片Ｐの軸心に沿って、上下方向から圧縮応力Ｆを作用させることが記載されているだけであり、金属材料から切り出された試験片に繰り返しの引張圧縮歪みを付与する試験において、金属材料の試験片に座屈が発生する点については何らの記載もない。
【００１３】
また、特許文献２に記載の圧縮試験用治具は、引張試験機を用いて金属材料の圧縮試験を可能にするためのものであって、上下方向の外向きの引張応力を水平方向の内向きの圧縮応力に変換し、水平に設置された試験片に軸心に沿って水平方向から内向きに圧縮応力を作用させようとするものである。そして、ここでは、試験片Ｐの座屈等に起因した粉砕片の飛散を防止することができ安全で効率的な試験作業が実現できると記載されており、座屈に関する記載はあるものの、座屈そのものを防止することの記載は全くなされていない。
【００１４】
本発明は、このような状況に鑑み、鋼管等の金属材料から切り出された試験片に圧縮応力又は引張応力を負荷する応力試験において座屈の発生を防止できる応力試験用治具を提供するとともに、この応力試験用治具を用いた応力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】
本発明者らは、座屈の発生原因とその防止方法について、種々検討と実験を行った結果、次の(a)〜(f)の知見を得た。
【００１６】
(a) 座屈が発生するのは、試験片を応力試験装置に取り付ける際に遊びを持たせているために、試験片の長手方向とは異なる方向に応力が負荷されるからである。
【００１７】
(b) よって、座屈の発生を防止するためには、試験片の加工精度を向上させて遊び量を低減させることが考えられるが、座屈の発生しない程度まで試験片の加工精度を向上させることは困難であった。
【００１８】
(c) 次に、応力試験装置の遊び量をそのままにしておいても、試験片の長手方向とは異なる方向に応力が負荷されることがないようにすればよいとの着想の下に、さらに検討と実験を重ねた結果、応力試験装置に組み込む応力試験治具において、少なくとも２本のガイドを試験片に対する応力負荷方向に平行に設置すれば、試験片の長手方向とは異なる方向には応力が負荷されないので、座屈の発生を防止できることを見出した。
【００１９】
(d) すなわち、試験片の端部を保持することができる凹部を有するフランジを２個有する応力試験治具に、少なくとも２本のガイドを試験片に対する応力負荷方向に平行に設置し、これらの２個のフランジの間に試験片を保持することによって、応力試験中に試験片に対する応力負荷方向と試験片長手方向が常に一致するようにすれば、座屈の発生を防止できることが分かった。なお、試験片の端部を保持することができる凹部には雌ねじを切っておき、そして、試験片の端部には雄ネジを切っておくのが、好ましい。また、２個のフランジは試験片に対して上下方向に配置するのが好ましいが、水平方向に配置しても構わない。また、試験片に対する応力は、２個のフランジをそれぞれ固定する固定部材を動かすことによって負荷するのが好ましいが、この際、フランジを固定する固定部材は一方だけを動かしてもよいし、両方を動かしてもよい。
【００２０】
(e) このような応力試験用治具を用いると、試験片に対して圧縮応力及び引張応力を交互に負荷することができるので、試験片に繰り返しの引張圧縮歪みを付与することができる。したがって、繰り返して引張及び圧縮応力がかかる管材等の金属材料から切り出された試験片の軸方向に繰り返しの引張圧縮歪みを付与する試験を、座屈が発生することがなく、行うことができる。この試験は、鋼材やアルミニウム材等の金属材料に適用することができる。なお、試験片は丸棒形状とするのが好ましく、引張圧縮歪みは試験片の表面に歪みゲージを１枚又は２枚以上貼付することができる。
【００２１】
(f) そして、このような応力試験用治具は、引張試験機や圧縮試験機に組み込んで応力試験を行うことができるし、疲労試験機に組み込んで応力試験を行うこともできる。
【００２２】
本発明は、このような知見に基づいて完成したものであり、その要旨は次の(1)〜(9)の応力試験用治具と、(10)〜(11)の応力試験方法にある。以下、それぞれ、本発明(1)〜本発明(11)という。本発明(1)〜本発明(11)を総称して、本発明ということがある。
【００２３】
(1) 試験片の端部を保持することができる凹部を有するフランジを２個有し、これらのフランジの一方又は両方から試験片に対して圧縮応力又は引張応力を作用させることによって試験片に圧縮応力又は引張応力を負荷する応力試験用治具であって、応力試験中に試験片に対する応力負荷方向と試験片長手方向が常に一致するように少なくとも２本のガイド材が試験片に対する応力負荷方向に平行に設置されてなることを特徴とする応力試験用治具。
【００２４】
(2) 試験片の端部を保持することができる凹部を有するフランジを２個有し、これらのフランジの一方又は両方から試験片に対して圧縮応力及び引張応力を交互に作用させることによって試験片に圧縮応力及び引張応力を交互に負荷する応力試験用治具であって、応力試験中に試験片に対する応力負荷方向と試験片長手方向が常に一致するように少なくとも２本のガイド材が試験片に対する応力負荷方向に平行に設置されてなることを特徴とする応力試験用治具。
【００２５】
(3) ２個のフランジが試験片の上下に配置されていることを特徴とする、上記(1)又は(2)の応力試験用治具。
【００２６】
(4) フランジを固定する固定部材の一方又は両方が可動であり、この固定部材に応力をかけることによって試験片に圧縮応力又は引張応力を負荷することを特徴とする、上記(1)〜(3)のいずれかの応力試験用治具。
【００２７】
(5) 試験片の端部を保持することができる凹部には雌ねじが切ってあり、そして、試験片の端部には雄ネジが切ってあることを特徴とする、上記(4)の応力試験用治具。
【００２８】
(6) 試験片が管材から切り出された材料であることを特徴とする上記(1)〜(5)のいずれかの応力試験用治具。
【００２９】
(7) 引張試験機に用いることを特徴とする上記(1)〜(6)のいずれかの応力試験用治具。
【００３０】
(8) 圧縮試験機に用いることを特徴とする上記(1)〜(6)のいずれかの応力試験用治具。
【００３１】
(9) 疲労試験機に用いることを特徴とする上記(1)〜(6)のいずれかの応力試験用治具。
【００３２】
(10) 上記(1)〜(9)のいずれかの応力試験用治具を用いて、試験片に１．５％以上の歪みを付与する圧縮試験又は引張試験を１回又は２回以上行うことを特徴とする応力試験方法。
【００３３】
(11) 上記(1)〜(9)のいずれかの応力試験用治具を用いて、試験片に１．５％以上の歪みを付与する圧縮試験及び引張試験を１回又は２回以上繰り返すことを特徴とする応力試験方法。
【発明の効果】
【００３４】
本発明にかかる応力試験用治具によれば、鋼管等の金属材料から切り出された試験片に圧縮応力又は引張応力を負荷する応力試験において座屈の発生を防止できるとともに、試験片に繰り返しの引張圧縮歪みを付与することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、図面を用いて、本発明を説明する。なお、本発明は次の実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００３６】
図３は、本発明にかかる応力試験治具の一例を示す側面図である。上下のフランジ２ａ、２ｂは、それぞれ、試験片Ｐの端部を保持することができる凹部１２を有し、試験片Ｐの端部は、それぞれ、上下のフランジ２ａ、２ｂにねじ込んで保持される。試験片Ｐには、その両端部に雄ネジ１５が切ってあり、また、フランジの凹部１２には雌ねじ１６が切ってある。上下のフランジ２ａ、２ｂは、それぞれ、固定部材３ａ、３ｂにボルト４によって固定されている。また、上部の固定部材３ａの上部にはロッド固定穴７が穿たれるとともに雌ねじが切ってある。そして、上側のフランジ２ａを固定する上側の固定部材３ａは上下方向に可動であるが、上側の固定部材３ａには２個の孔１１が穿たれており、それぞれの孔１１にガイド１０が縦方向に貫通して配置されている。
【００３７】
なお、試験片はパイプライン用鋼管から丸棒形状（平行部径２０ｍｍ、平行部長さ４０ｍｍ）に切り出された材料であり、この試験片Ｐの表面には歪みゲージ（図示せず）が２枚貼付されている。また、応力試験治具に設置するガイド材はここでは２本用いたが、２本に限定されず、３本又は４本以上であっても、応力試験中に試験片に対する応力負荷方向と試験片長手方向が常に一致するようにすることができるので、座屈の発生を防止できる。
【００３８】
図４は、図３に示された応力試験治具１を、圧縮試験も可能な引張試験機５に取り付けた状況を示す側面図である。
【００３９】
この応力試験治具１を用いて圧縮試験を行う際には、試験片Ｐを保持した応力試験治具１を引張試験機５の下部可動クロスヘッド９とベース部材２０の間に設置される。上下のフランジ２ａ、２ｂの間に保持された試験片Ｐは、その上側のフランジ２ａを固定する可動式の上側の固定部材３ａを介して、下部可動クロスヘッド９の下方に取り付けられたロッド６から力を下方に受けることによって、軸心に沿って上下方向から垂直に圧縮応力が負荷される。なお、ロッドの先端部には雄ネジが切ってあり、応力試験治具１の上側の固定部材３ａの上部に穿たれたロッド固定穴７にねじ込まれる。試験片Ｐの軸心に沿って上下方向から垂直に圧縮応力が負荷されるとき、上側の固定部材３ａには２本のガイド１０が縦方向に貫通して配置されているので、上側の固定部材３ａを下方に動かすときに、試験片の長手方向とは異なる方向には応力が負荷されないので、試験片の軸心と同じ方向に確実に圧縮応力を負荷することができるとともに、座屈の発生を防止することができる。
【００４０】
これに対して、引張試験を行う際には、試験片Ｐを保持した応力試験治具１を引張試験機５の上部固定クロスヘッド８と下部可動クロスヘッド９との間に設置し、試験片Ｐに対して、軸心に沿って上下方向から垂直に引張応力が負荷される。このときも、上側の固定部材３ａには２本のガイド１０が縦方向に貫通して配置されているので、引張試験の際にも試験片の軸心と同じ方向に確実に引張応力を負荷することができる。
【００４１】
なお、ここでは、応力試験治具を引張試験機や疲労試験機に組み込んで圧縮引張試験を行ったが、圧縮試験機に組み込んでも応力試験を行うことができる。
【００４２】
次に、繰り返しの引張圧縮歪みを付与する実験を行った。上述したとおりの試験片を図３に示す応力試験治具に保持し、これを疲労試験機（図示せず）に取り付けて、試験片に±３％までの繰り返し引張圧縮歪みを付与する際のＳＳカーブ（Stress Strain Curve）を測定した結果を、図５に示す。繰り返しの回数は、４回であった。この結果、応力と歪みの急激な減少は見られなかったことから、繰り返し引張圧縮歪みを付与しても、座屈の発生がなく、引張圧縮試験ができたことを確認した。
【００４３】
なお、試験片は管材から切り出した材料だけでなく、鋼板や条鋼・線材などの金属材料から切り出した材料とすることもできるし、応力試験治具の２個のフランジは試験片に対して水平方向に配置しても構わない。また、試験片に対する応力は、フランジを固定する固定部材の両方を動かすことによって、負荷してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明によれば、鋼管等の金属材料から切り出された試験片に圧縮応力又は引張応力を負荷する応力試験において座屈の発生を防止できるとともに、所望の回数の繰り返し引張圧縮歪みを付与する引張圧縮試験を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】金属材料の圧縮試験において用いられる応力試験治具１の一例を示す側面図である。
【図２】図１に示された応力試験治具１を、圧縮試験も可能な引張試験機５に取り付けた状況を示す側面図である。
【図３】本発明にかかる応力試験治具の一例を示す側面図である。
【図４】図３に示された応力試験治具１を、圧縮試験も可能な引張試験機５に取り付けた状況を示す側面図である。
【図５】繰り返し圧縮引張歪みを付与したときのＳＳカーブを示す。
【符号の説明】
【００４６】
１  応力試験治具
２ａ、２ｂ  フランジ
３ａ、３ｂ  固定部材
４  ボルト
５  引張試験機
６  ロッド
７  ロッド固定穴
８  固定クロスヘッド
９  可動クロスヘッド
１０  ガイド
１１  孔
１２  凹部
１５  雄ねじ
１６  雌ねじ
２０  ベース部材
Ｐ  試験片
【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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