(57)【要約】【課題】一つの振動試験装置で複数の試験片を同時に疲労試験することができるようにする。【解決手段】試験片３１に予め設定された振動数で振動を与えて曲げ負荷によって、試験片の疲労試験を行う際、試験片の一端部が支持固定される支持体１１ａに支持機構を複数形成する。支持機構は、例えば、支持体の延在方向に沿って所定の間隔で複数配列されるとともに、支持体の延在方向に平行な側面の周囲に予め定められた角度間隔で複数配置されている。そして、複数の支持機構に互いに応力条件が異なる試験片を支持固定して、支持体に振動を与えて、複数の試験片について同時に疲労試験を行う。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片に予め設定された振動数で振動を与えて曲げ負荷によって前記試験片の疲労試験を行う疲労試験装置において、
前記試験片の一端部が支持固定される支持体と、
前記支持部を所定の方向に振動させる振動手段とを備え、
前記支持体には前記試験片の一端部を支持するための支持機構が複数形成されており、
前記複数の支持機構に互いに応力条件が異なる試験片を支持固定して複数の試験片について同時に疲労試験を行うようにしたことを特徴とする疲労試験装置。
【請求項２】
前記支持機構は前記支持体の延在方向に沿って所定の間隔で複数配列されていることを特徴とする請求項１に記載の疲労試験装置。
【請求項３】
前記支持体の延在方向に沿って雰囲気温度を変化させて温度勾配を形成する温度勾配形成手段を有することを特徴とする請求項２に記載の疲労試験装置。
【請求項４】
前記支持機構は前記支持体の延在方向に平行な側面の周囲に予め定められた角度間隔で複数配置されていることを特徴とする請求項１に記載の疲労試験装置。
【請求項５】
前記試験片にはその肉厚が他の部分よりも薄く前記振動による負荷が印加される試験部分が形成されており、
前記試験部分の長手方向位置が前記試験片毎に異なることを特徴とする請求項１に記載の疲労試験装置。
【請求項６】
前記試験片にはその肉厚が他の部分よりも薄く前記振動による負荷が印加される試験部分が形成され、
前記試験片の他端には互いにその重さが異なる重りが装着されることを特徴とする請求項１に記載の疲労試験装置。
【請求項７】
前記試験片の他端部を固定支持するための固定支持体を有することを特徴とする請求項１に記載の疲労試験装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料試験片（疲労試験用試験片：例えば、鋼材試験片）に曲げ負荷を与えて、材料試験片の疲労試験を行うための疲労試験装置に関し、特に、高温高サイクル疲労試験（ＨＣＦ）で用いられる疲労試験装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、試験片の疲労試験を行う際、試験片に対して極めて高い繰り返し頻度（サイクル）で試験荷重を与えて、試験片の疲労試験を行うことが行われており、このような繰り返し頻度が極めて高い疲労試験においては、５０サイクル／秒程度の繰り返し頻度では、１０７程度の繰り返し頻度で試験荷重を与えるとなると、一つの試験片の疲労試験を行うに当たって、極めて長い期間を要してしまうことになる。
【０００３】
一方、近年、１０００サイクル／秒程度の繰り返し頻度で試験片に試験荷重を与えて、試験片の疲労試験を行う疲労試験機もあるが、このような疲労試験機を用いたとしても、複数の試験片を疲労試験するとなると、疲労試験に長期間要してしまうことになる。
【０００４】
ところで、従来、長時間を要する低応力繰返し疲労試験において、応力条件の異なる複数の疲労試験を効率よく行うため、主試験片と副試験片とを有し、この副試験片を主試験片の主計測部表面に荷重の作用方向に沿って取り付けた疲労試験用試験片を用いることが知られている。
【０００５】
ここでは、主試験片の荷重印加部に試験荷重を印加して、荷重印加部より十分に断面積の小さい主計測部における疲労試験を行う。一方、主計測部の表面に取り付けられた副試験片に主計測部に加えられる荷重と同一の変動パターンを有する試験荷重を作用させて、副試験片の副計測部における疲労試験を主計測部の疲労試験と平行して行う。副計測部は、主計測部と比較して十分に小さい断面積を有しており、主計測部における疲労試験に影響を及ぼすことなく他の疲労試験が行われる。そして、断面積及び断面形状を種々設定すれば、副計測部に印加される荷重の大きさを種々の値に設定することができる（特許文献１参照）。
【０００６】
さらに、試験片の複数の材料特性に応じて疲労試験を行う際、種々の試験条件で疲労試験を行うため、一つの試験片に対してそれぞれ異なる材料特性に基づいて制御する複数の閉ループからなる疲労試験の制御系を備えて、制御系の１つの検知データが予め設定した所定値に到達した時点で、別の制御系に基づいて疲労試験を行うようにしたものがある（特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−１２３６８４号公報（段落（０００８）〜（００１３）、第１図）
【０００８】
【特許文献２】
特開平９−１９６８３７号公報（段落（００１１）〜（００１３）、第１図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献１に記載された疲労試験用試験片においては、主試験片と副試験片とを備えて、主試験片と副試験片とにそれぞれ異なる荷重を与えて、応力条件の異なる複数の疲労試験を行うことが記載されているものの、特許文献１では、あくまでも一つの試験片に主試験片と副試験片とを設けて、主試験片及び副試験片をそれぞれ異なる応力条件で疲労試験するようにしており、応力条件を種々変化させるためには、応力条件に応じて副試験片の断面席及び断面形状を変化させなければならず、疲労試験用試験片の作成が極めて面倒である。
【００１０】
さらに、特許文献１では、主試験片及び副試験片をそれぞれ異なる応力条件下で疲労試験することができるものの、曲げ負荷によって疲労試験を行う際には、適用することは難しく、複数の疲労試験用試験片を同時に疲労試験することができないという課題がある。
【００１１】
一方、特許文献２においては、一つの試験片に対してそれぞれ異なる材料特性に基づいて制御する複数の閉ループからなる疲労試験の制御系を備えて、制御系の１つの検知データが予め設定した所定値に到達した時点で、別の制御系に基づいて疲労試験を行うようにしているものの、特許文献２では、材料特性に応じて制御系を切り換えているだけで、複数の試験片を同時に疲労試験することができないという課題がある。
【００１２】
本発明の目的は、複数の試験片を同時に疲労試験することのできる疲労試験装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、試験片に予め設定された振動数で振動を与えて曲げ負荷によって前記試験片の疲労試験を行う疲労試験装置において、前記試験片の一端部が支持固定される支持体と、前記支持部を所定の方向に振動させる振動手段とを備え、前記支持体には前記試験片の一端部を支持するための支持機構が複数形成されており、前記複数の支持機構に互いに応力条件が異なる試験片を支持固定して複数の試験片について同時に疲労試験を行うようにしたことを特徴とする疲労試験装置が得られる。
【００１４】
このように、試験片に予め設定された振動数で振動を与えて曲げ負荷によって、試験片の疲労試験を行う際、試験片の一端部が支持固定される支持体に複数の支持機構を形成して、複数の支持機構に互いに応力条件が異なる試験片を支持固定して複数の試験片について同時に疲労試験を行うようにすれば、疲労試験する際の試験時間を短縮でき、その結果、疲労試験に要するコストを低減できることになる。
【００１５】
例えば、前記支持機構は前記支持体の延在方向に沿って所定の間隔で複数配列される。この際、前記支持体の延在方向に沿って雰囲気温度を変化させて温度勾配を形成する用にしてもよい。また、前記支持機構を前記支持体の延在方向に平行な側面の周囲に予め定められた角度間隔で複数配置するようにしてもよい。
【００１６】
このように、支持機構を支持体の延在方向に沿って所定の間隔で複数配列するようにすれば、容易に複数の試験片を同時に疲労試験することができ、さらに、支持体の延在方向に沿って雰囲気温度を変化させて温度勾配を形成するようにすれば、試験片毎に雰囲気温度を異ならせて疲労試験を行うことができる。また、支持機構を支持体の延在方向に平行な側面の周囲に予め定められた角度間隔で複数配置するようにしても、容易に複数の試験片を同時に疲労試験することができる。
【００１７】
そして、前記試験片にはその肉厚が他の部分よりも薄く前記振動による負荷が印加される試験部分が形成されており、前記試験部分の長手方向位置が前記試験片毎に異なっている。また、前記試験片にその肉厚が他の部分よりも薄く前記振動による負荷が印加される試験部分を形成して、前記試験片の他端に互いにその重さが異なる重りを装着するようにしてもよい。
【００１８】
このように、試験片に形成される試験部分の長手方向位置を試験片毎に異ならせるようにすれば、試験片毎に応力条件を異ならせて、同時に複数の試験片の疲労試験を行うことができ、試験片の他端に互いにその重さが異なる重りを装着するようにすれば、試験部分の長手方向が同一の位置であっても、試験片毎に応力条件を異ならせることができ、試験片の種類は一種類で済む。
【００１９】
さらに、前記試験片の他端部を固定支持するための固定支持体を設けるようにしてもよい。このように、試験片の他端部を固定支持体に固定支持するようにすれば、試験片の振幅が低くなり、しかも振幅量が一定となって、安定して疲労試験を行うことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２１】
図１を参照して、本発明の実施の形態による疲労試験装置は、加振台１１を有しており、この加振台１１にはアクチュエータ１２が接続されている。アクチュエータ１２は、例えば、スピーカーのような振動子であり、アクチュエータ１２によって加振台１１は図中上下方向に振動する。アクチュエータ１２には増幅器１３が接続され、増幅器１３はＤ／Ａ（デジタルアナログ）変換器１４を介して制御装置１５に接続されている。そして、制御装置１５には入力装置１５ａ及びモニター１５ｂが接続されている。
【００２２】
図１に示すように、加振台１１には、加振台１１の主面（表面）に対して鉛直方向上側に延びる支柱１１ａが一体に取り付けられており、支柱１１ａは剛体である。そして、この支柱１１ａには、後述する試験片を支持するための支持孔（支持機構）が多数形成されている。
【００２３】
図２（ａ）は支柱１１ａを上方向からみた図であり、図示の例では、支柱１１ａには、９０°の角度間隔で支持孔が形成されており、この支持孔の内周面にはネジ溝が切られている。図２（ｂ）は支柱１１ａを側面からみた図であり、支柱１１ａの周面には上下方向に所定の間隔で複数の支持孔が形成されている。つまり、図２に示す例では、支柱１１ａの周面に９０°の角度間隔で支持孔を形成するとともに、上下方向に複数の支持孔を形成している。
【００２４】
上述の支持孔は支柱１１ａの中心軸（上下方向に延びる軸）に対して対称に形成する必要があるが、前述のように、９０°の間隔で支柱１１ａの周面に支持孔を形成する必要はなく、例えば、４５°、１８０°等の角度間隔で支持孔を形成するようにしてもよい。いずれにしても、支持孔に取り付けられた試験片が相互に干渉し合わないように、支持孔を形成する必要がある。なお、支柱１１ａの周面の上下方向には複数の支持孔を設けることなく、上下方向には一つの支持孔を設けるようにしてもよい。
【００２５】
前述の支持孔には試験片３１が挿入される。この試験片３１の一端部は、例えば、円柱形状となっており、その周面にはネジが切られている。そして、支持孔に試験片３１の一端部がネジ込まれて、試験片３１が支柱１１ａに固定支持される。
【００２６】
各試験片３１は、応力が集中する試験部分（図示せず）の形成される位置が互いに異なり、しかも試験部分の断面積が互いに異なる。例えば、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、試験片３１は支持孔にねじ込まれるネジ部３１ａ及び試験片部３１ｂを有しており、この試験片部３１ｂには、試験片部３１ｂの他の部分と板厚（つまり、断面積）が異なる試験部分３１ｃが形成されている。そして、この試験部分３１ｃの板厚は試験片３１毎に異ならせてもよい。そして、試験部分３１ｃと試験片３１の他端部（先端部）までの距離（Ｌ）は試験片３１毎に異なる。
【００２７】
試験部分３１ｃの形状は、例えば、図４（ａ）に示すように、平坦部３１ｄを有し、平滑部３１ｄの両端側で半径Ｒの円弧を形成して、試験部分３１ｃを薄肉化するようにしてもよく（以下図４（ａ）に示す試験片を平滑タイプと呼ぶ）、図４（ｂ）に示すように、試験片の両表面に半径Ｒ’の円弧を形成して、試験部分３１ｃを薄肉化するようにしてもよい（以下図４（ｂ）に示す試験片をノッチ付タイプと呼ぶ）。平滑化タイプでは、試験部分３１ｃ（平坦部分）に均一に応力が作用するのに対して、ノッチ付タイプでは試験部分３１ｃの一点（一部）に応力が作用することになる。
【００２８】
各試験片３１は、例えば、鋼材であり、各試験片３１は振動計（振動セル）１６によって、後述するように加振が行われた際にその振動数が計測される。さらに、各試験片３１はロードセル１７によってその印加される荷重が計測される。振動セル１６及びロードセル１７はそれぞれＡ／Ｄ変換器１８ａ及び１８ｂを介して制御装置１５に接続される（なお、図１には、振動セル１６及びロードセル１７がそれぞれ一つずつ示されているが、実際には、試験片３１毎に振動セル１６及びロードセル１７が備えられ、各試験片３１の振動数及び荷重が計測される）。
【００２９】
上述のようにして、複数の試験片３１を支柱１１ａに固定支持した後、入力装置１５ａから疲労試験開始指令及び設定振動数（サイクル／秒）を入力すると、制御装置１５は設定振動数に応じたデジタル信号を出力する。このデジタル信号はＤ／Ａ変換器１４でアナログ信号に変換された後、増幅器１３で増幅されて、駆動信号としてアクチュエータ１２に与えられる。そして、アクチュエータ１２は駆動信号に応じた振動数で（つまり、設定振動数で）加振台１１を上下方向に振動する。
【００３０】
加振台１１の振動によって、支柱１１ａも上下方向に振動し、その結果、支柱１１ａに固定支持された試験片３１も設定振動数に応じた周期（サイクル）で振動することになる。試験片３１はアクチュエータ１２の振動に共振することになるが、共振条件は、試験片３１の形状、密度、断面二次モ−メントに応じて決定され、その疲労曲線（応力曲線）は、荷重の関数となる。
【００３１】
前述のように、各試験片３１の振動数及び荷重（曲げ負荷）がそれぞれ振動セル１６及びロードセル１７で計測されて、Ａ／Ｄ変換器１８ａ及び１８ｂを介して制御装置１５に与えられる。
【００３２】
制御装置１５では、ロードセル１７で計測された曲げ負荷に基づいて試験片３１毎の応力を算出して、モニター１５ｂに表示するとともに、振動セル１６で計測された振動数を表示する。そして、振動セル１６で計測される振動数が変化すると、制御装置１５は振動数が変化した試験片３１が破断したと認定して、その旨モニター１５ｂに表示する。
【００３３】
また、制御装置１５はデジタル信号を出力した際には、内蔵カウンタによって計時を開始し、破断したと認定した時点における内蔵カウンタのカウント数と設定振動数とに応じて、試験片３１が破断するまでの繰り返し回数（繰り返し頻度）を求めて、この繰り返し回数を破断繰り返し回数としてモニター１５ｂ上に表示する。
【００３４】
このようにして、複数の試験片３１の応力条件を異ならせて、複数の試験片３１を同時に疲労試験することができ、複数の試験片３１を疲労試験する際の試験時間を短縮できることになる。
【００３５】
図５を参照して、ここでは、互いに異なる温度で、複数の試験片３１を同時に疲労試験する際について説明する。図５においては、制御系が示されていないが、図１に示す制御系と同様の制御系が用いられる。
【００３６】
前述の加振台１１は、例えば、電気炉４１中に配置される。図示の電気炉４１は、支柱１１ａの周面に所定の間隔をおいて対向する加熱部４２を有しており、この加熱部４２は複数の加熱ゾーン４２−１〜４２−Ｎ（Ｎは２以上の整数）に区分されている。前述のようにして、複数の試験片３１を支柱１１ａに固定支持した後、加振台１１を振動させることになるが、この際、図１に示す制御装置１５では、入力装置１５ａから与えられる温度勾配設定信号に応じて電気炉４１を制御する。
【００３７】
図５に示す例では、Ｎ＝４であり、いま、図５に示すように、上下方向を距離、径方向を温度とすると、制御装置１５は第１の加熱ゾーン４２−１の温度をＴ１、第２の加熱ゾーン４２−２の温度をＴ２、第３の加熱ゾーン４２−３の温度をＴ３、第４の加熱ゾーン４２−４の温度をＴ４とするように、加熱部４２を制御して、電気炉４１内に上下方向に温度勾配を与える。各加熱ゾーン４２−１〜４２−４にはそれぞれ温度センサ（図示せず）が配置されており、制御装置１５は温度センサで検出される温度（検出温度）と温度勾配設定信号で示される温度勾配に応じて加熱部４２を制御することになり、これによって、電気炉４１内は温度勾配設定信号で示される温度勾配となる。
【００３８】
このようにして、温度勾配を与えた後、図１で説明したようにして、疲労試験が行われることになる。図５に示す例では、複数の試験片について、その応力条件を異ならせて、しかも雰囲気温度を異ならせて、疲労試験を行うことができ、異なる雰囲気温度において、複数の試験片を同時に疲労試験することができる。
【００３９】
図２に示す例では、各試験片３１について試験部分の位置を異ならせて（つまり、応力条件を変化させて）、複数の試験片について同時に疲労試験を行う例について説明したが、図６に示すように、同一の位置に試験部分３１ｃが形成された試験片３１を複数用いて同時に疲労試験を行うようにしてもよい。
【００４０】
この際には、試験片の先端部は、例えば、円柱状に形成されて、この先端部に、内周面にネジ溝が切られた挿入孔を形成する。そして、この挿入孔にネジ部５１ａを有する重り５１をねじ込むようにする。互いに重さ（Ｗ）の異なる複数の重り５１を準備しておけば、重り５１を挿入孔にねじ込むことによって、試験部分３１から先端部までの荷重（重さ）を試験片毎に変化させることができる。このことは、各試験片毎に試験部分３１ｃから先端部までの長さ（距離）を変化させることに相当する。
【００４１】
このように、試験片毎にその先端に互いに重さが異なる重りを装着することによって、実質的に、試験部分３１ｃから試験片の先端部までの長さを変化させたのと同様になり、この結果、試験片の種類は一種類で済むことになる（つまり、試験部分の位置が同一の試験片のみを作成すればよいことになる）。
【００４２】
ところで、図２に示すように、試験片３１の一端部を支柱１１ａに固定支持して、加振を行うと、試験片３１の先端部がフリーである結果、先端部において振幅が大きくなり、振幅量が一定とならないことがある。振幅量を一定とするとともに振幅を低くするためには、先端部も固定支持することが好ましい。
【００４３】
このため、図７に示すように、支柱１１ａと予め定められた間隔をおいて支柱１１ａを取り囲むようにして支持壁（固定支持体）５２を固定的に配置して、試験片３１の先端部をネジ込みによって支持壁５２に固定支持する。そして、図２で説明したようにして、加振台１１を上下方向に振動させて、試験片３１の疲労試験を行う。
【００４４】
このようにすれば、試験片３１の先端部も固定支持されている結果、試験片３１の振幅が低くなり、しかも振幅量が一定となり、安定して疲労試験を行うことができる。
【００４５】
なお、試験片の材質は鋼に限らず、他の材質の試験片についても同様にして疲労試験を行うことができ、互いに材質の異なる多種の試験を同時に疲労試験するようにしてもよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、試験片に予め設定された振動数で振動を与えて曲げ負荷によって、試験片の疲労試験を行う際、試験片の一端部が支持固定される支持体に複数の支持機構を形成して、複数の支持機構に互いに応力条件が異なる試験片を支持固定して複数の試験片について同時に疲労試験を行うようにしたから、疲労試験する際の試験時間を短縮でき、その結果、疲労試験に要するコストを低減できるという効果がある。
【００４７】
本発明によれば、支持機構を支持体の延在方向に沿って所定の間隔で複数配列するようにしたから、容易に複数の試験片を同時に疲労試験することができるという効果があり、さらに、支持体の延在方向に沿って雰囲気温度を変化させて温度勾配を形成するようにしたから、試験片毎に雰囲気温度を異ならせて疲労試験を行うことができるという効果がある。
【００４８】
また、支持機構を支持体の延在方向に平行な側面の周囲に予め定められた角度間隔で複数配置するようにしても、容易に複数の試験片を同時に疲労試験することができるという効果がある。
【００４９】
本発明によれば、試験片に形成される試験部分の長手方向位置を試験片毎に異ならせるようにしたから、試験片毎に応力条件を異ならせて、同時に複数の試験片の疲労試験を行うことができるという効果がある。
【００５０】
本発明によれば、試験片の他端に互いにその重さが異なる重りを装着するようにしたから、試験部分の長手方向が同一の位置であっても、試験片毎に応力条件を異ならせることができ、試験片の種類は一種類で済むという効果がある。
【００５１】
本発明によれば、試験片の他端部を固定支持体に固定支持するようにしたから、試験片の振幅が低くなり、しかも振幅量が一定となって、安定して疲労試験を行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による疲労試験装置の一例を示すブロック図である。
【図２】図１に示す支柱に支持固定された試験片を支柱とともに示す図であり、（ａ）は上方からみた図、（ｂ）は側方からみた図である。
【図３】図１に示す試験片の一例を示す図であり、（ａ）は上方（板幅方向）からみた図、（ｂ）は側方（板厚方向）からみた図である。
【図４】試験片に形成される試験部分の例を示す図であり、（ａ）は平滑タイプを示す図、（ｂ）はノッチ付きタイプを示す図である。
【図５】図１に示す疲労試験装置において支柱の延在方向に温度勾配を付与する例を示す図である。
【図６】試験片に対する応力条件を変化させるため試験片の先端部に重りを装着する例を示す図である。
【図７】試験片の先端部を支持固定する例を示す図である。
【符号の説明】
１１  加振台
１１ａ  支柱
１２  アクチュエータ
１３  増幅器
１４  Ｄ／Ａ変換器
１５  制御装置
１５ａ  入力装置
１５ｂ  モニター
１６  振動計
１７  ロードセル
１８ａ，１８ｂ  Ａ／Ｄ変換器
３１  試験片
３１ｃ  試験部分
【図１】
2004184220.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004184220.tif 000007
【図６】
2004184220.tif 000008
【図７】
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