(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片を向かい合って把持する第一のチャッキング部材及び第二のチャッキング部材と、
前記第一のチャッキング部材の、前記試験片側とは逆側に連結される固定部と、
前記第二のチャッキング部材の、前記試験片側とは逆側に連結され、前記試験片を前記固定部とは逆側に引っ張る可動部と、
前記試験片に作用する引張荷重を測定する荷重測定部と、
を備えた引張試験機において、
前記固定部と前記第一のチャッキング部材との間及び、前記可動部と前記第二のチャッキング部材との間の少なくともいずれか一方に、前記試験片から伝搬される応力波を吸収することで当該応力波が反射されて前記荷重測定部に入力されることを回避するブロックを備えることを特徴とする引張試験機。
【請求項２】
前記固定部と前記第一のチャッキング部材との間にのみ、前記ブロックを備えることを特徴とする請求項１に記載の引張試験機。
【請求項３】
前記荷重測定部は、前記第一のチャッキング部材の前記固定部側に設けられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の引張試験機。
【請求項４】
前記固定部と前記第一のチャッキング部材との間に前記ブロックを有し、
前記荷重測定部は、前記第一のチャッキング部材と前記ブロックとの間に設けられることを特徴とする請求項３に記載の引張試験機。
【請求項５】
前記ブロックの、前記試験片の引っ張り方向に垂直な断面の形状が円形であることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の引張試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、引張試験機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、材料の一般的な強度特性を測定する目的で引張試験が行われている。この引張試験は、通常、平行部長さ５０ｍｍ程度の試験片を用いて、ひずみ速度０．００１／ｓ以上０．０１／ｓ以下の条件で行われている。一方で、自動車の衝突時における、鋼板や樹脂部材等の変形挙動を検討するような場合には、材料強度にひずみ速度依存性があるため、最大で１０００／ｓ程度まででの高速引張試験を行う必要がある。
ひずみ速度０．００１／ｓ以上０．０１／ｓ以下程度の静的な引張試験では、荷重が試験片に付加されたとき、引張試験機の駆動部、試験片、荷重測定部としてのロードセル及びそれらを固定保持する装置からなる系内で、試験片の材料特性に応じて荷重が定常的な状態で増減し、その荷重がロードセルによって測定される。
【０００３】
一方で、引張試験機のクロスヘッド速度を増加させることができる場合に、クロスヘッド速度が１０００ｍｍ／ｓを超えるような引張試験、すなわち評点間距離が５０ｍｍの場合に、ひずみ速度が２０／ｓを超えるような高速で引張試験を行うと、荷重が急激に増加する。そのため、応力波の伝搬が引張試験機系内で発生し、荷重振動するため正確な荷重を測定することが困難となる。
この問題を解決する方法として、ホプキンソン棒と言われる数ｍの長尺のロードセルを用い、試験片に作用した荷重が引張試験機系内で反射してロードセルに到達する前に試験片を破断させて試験を終えることのできるスプリット式ホプキンソンプレッシャーバー法等が提案されている。
この方法では、ひずみ速度が約５００／ｓ以上２０００／ｓ以下の高速引張試験が可能であり、より正確な荷重測定を行うことができる。
しかしながらこの方法は、試験片の固定部分の自由度が小さく測定可能な試験片の形状が限定される。また、ひずみ速度が約５００／ｓ以上２０００／ｓ以下に限定されるため、これよりも小さなひずみ速度での試験ができず、試験片の材料特性のひずみ速度依存性を把握することが困難である。
【０００４】
これに対し、ひずみ速度が０．０１／ｓ以上１０００／ｓ以下という幅広い範囲で引張試験を可能な方法も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１に記載された方法の基本原理は、荷重測定用のブロックに設けられた小突起に試験片を接続し、この試験片に対して荷重印加用のブロックにより荷重を印加し、この荷重の印加に伴い荷重印加用のブロックから試験片を伝搬した応力波を、荷重測定用ブロック表面で消散する、というものである。
これによって、ホプキンソンプレッシャーバー法以外では困難であった高速引張試験を可能とし、さらに広いひずみ速度範囲での引張試験も可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３７６９１７５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、測定可能な試験片の形状や、試験温度に制約があり、基本的に試験片は所定の形状である必要があり、また、試験温度を替えての引張試験を行うことができない。また、実用上は、ひずみ速度が１００／ｓを超えると応力波の消散が不十分となり、荷重振動が発生し、荷重測定の測定精度を維持することができない。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、荷重振動により荷重測定の測定精度が低下することを回避し、自由度の高い試験片形状の選択性と試験温度の選択性とを有する引張試験機を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、試験片を向かい合って把持する第一のチャッキング部材及び第二のチャッキング部材と、前記第一のチャッキング部材の、前記試験片側とは逆側に連結される固定部と、前記第二のチャッキング部材の、前記試験片側とは逆側に連結され、前記試験片を前記固定部とは逆側に引っ張る可動部と、前記試験片に作用する引張荷重を測定する荷重測定部と、を備えた引張試験機において、前記固定部と前記第一のチャッキング部材との間及び、前記可動部と前記第二のチャッキング部材との間の少なくともいずれか一方に、前記試験片から伝搬される応力波を吸収することで当該応力波が反射されて前記荷重測定部に入力されることを回避するブロックを備える引張試験機、が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一態様によれば、荷重振動により荷重測定の測定精度が低下することを回避し、試験片形状に制約を受けることなく高速引張試験を行うことができ、また、試験温度を変更しての引張試験等を行うことができ、引張試験機の汎用性をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明を適用した引張試験機の一例を示す構成図である。
【図２】本発明を適用した引張試験機を用いた場合の引張試験における荷重測定結果の一例である。
【図３】低温引張試験を行った場合の応力ひずみ特性の一例を示す特性図である。
【図４】低温引張試験を行った場合の応力ひずみ特性の一例を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
なお、以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の具体的な構成について記載されている。しかしながら、このような特定の具体的な構成に限定されることなく他の実施態様が実施できることは明らかであろう。また、以下の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１１】
図１に示すように、本発明を適用した、引張試験機１は、フレーム部２と、駆動部３と、計測部４と、を備える。
フレーム部２は、下部ベース１１上に、複数の支柱１２を介して上部ベース１３が支持される構造を有し、上部ベース１３の上に、駆動部３が配置される。
駆動部３は、油圧アクチュエータとしての駆動装置２１と、駆動装置２１を動作させるための作動油を供給する油圧ユニット２２と、油圧ユニット２２に供給される作動油を蓄圧するアキュムレータ２３と、を備える。
駆動装置２１は、例えば油圧シリンダを備えて構成され、油圧ユニット２２からの作動油によってピストンを上下動させる。
【００１２】
計測部４は、可動ロッド案内部３１と、可動ロッド（可動部）３２と、可動ロッド３２の一端に連結される可動側ブロック３３と、連結部材３４により可動側ブロック３３に固定され試験片ＴＰの一端を把持する可動側チャッキング部材（第二のチャッキング部材）３５と、試験片ＴＰの他端を把持する固定側チャッキング部材（第一のチャッキング部材）３６と、固定側ブロック３８と、固定側チャッキング部材３６と固定側ブロック３８との間に設けられた荷重測定部としてのロードセル３７と、固定側ブロック３８を下部ベース１１に固定する固定ロッド（固定部）３９と、を備え、これら各部の中心軸が、共通の中心軸と一致するように配置される。なお、可動ロッド案内部３１は可動ロッド３２を摺動可能に保持している。
【００１３】
可動ロッド３２は、駆動装置２１のピストンに連結されたピストンロッドからなる。
可動側チャッキング部材３５及び固定側チャッキング部材３６は、試験片ＴＰを把持する把持部を備え、例えば、把持部に形成された穴にピンを通すことで試験片ＴＰを把持するようになっている。
連結部材３４及びロードセル３７は、例えばその両端がねじ切り加工されており、これにより、連結部材３４を介して、可動側ブロック３３と可動側チャッキング部材３５とが連結され、また、ロードセル３７を介して、固定側チャッキング部材３６と固定側ブロック３８とが連結されるようになっている。
【００１４】
可動側ブロック３３及び固定側ブロック３８は、急激な応力の変化により生じる応力波を平準化し、応力振動を抑止させるための振動吸収用のブロックである。応力振動を抑止させるためには、より大きなブロックを用いた方が応力を減衰させ、応力がブロック表面から反射してロードセル３７に再到達するまで時間を要するため有利である。しかしながら、ブロックを可動側チャッキング部材３５と固定側チャッキング部材３６との両方に連結するため、特に、可動側チャッキング部材３５に連結する可動側ブロック３３は、質量が大きいとブロックの慣性によりストローク制御が不安定となる。そのため、試験片ＴＰに作用させる引張荷重の大きさ等に応じて可動側ブロック３３の質量を調整することが好ましい。
【００１５】
また、可動側ブロック３３及び固定側ブロック３８で反射させることにより試験片ＴＰに生じる応力波を相殺させるためには、試験片ＴＰから可動側ブロック３３までの距離と、試験片ＴＰから固定側ブロック３８までの距離とを等しくし、且つ、可動側ブロック３３と固定側ブロック３８とを、同一の質量及び同一の形状とすることが好ましい。その際、最も小さな質量で最も応力振動の減衰に効果のあるブロックの断面形状は円形である。
なお、ここでいう断面形状とは、計測部４の中心軸に垂直な面でブロックを切断したときの断面の形状をいう。
【００１６】
可動側ブロック３３及び固定側ブロック３８として、断面形状が、円、正方形、星形等の種々の形状を有するブロックを用いて引張試験を行ったところ、断面形状が円形であるブロックが最も応力振動の抑止に効果があることが確認された。なお、断面形状が円形であれば、可動側ブロック３３及び固定側ブロック３８の形状は、円柱であっても球形であってもよいが、作成は円柱が簡便である。
可動側ブロック３３及び固定側ブロック３８としては、例えば、炭素綱製の、直径１００ｍｍ、高さ（計測部４の中心軸方向の高さ）５０ｍｍの円柱のブロックを適用することができる。なお、試験片ＴＰの強度レベル、引張試験速度、引張支援機の固有振動数等に応じて可動側ブロック３３及び固定側ブロック３８の形状及び大きさを変更することが好ましい。
【００１７】
可動側ブロック３３及び固定側ブロック３８として、複数のブロックが積み重ねられた層形状のブロックを装着するようにしてもよい。このように層形状のブロックを用いることにより、積み重ねるブロック数を調整することによって、可動側ブロック３３及び固定側ブロック３８の質量を容易に調整することができる。また、可動側ブロック３３及び固定側ブロック３８として、質量の異なるブロックを複数用意しておき、試験片ＴＰの強度レベル、引張試験速度、引張支援機の固有振動数等に応じて、これに適した質量を有するブロックを選択し、選択したブロックを可動側ブロック３３、固定側ブロック３８として装着するようにしてもよい。
【００１８】
なお、油圧ユニット２２は図示しない制御装置によって制御される。また、ロードセル３７の検出信号は制御装置に入力され、制御装置は、ロードセル３７による測定荷重を図示しない表示装置等に表示する。
このように、本実施形態における引張試験機１においては、振動吸収用のブロックとして、可動側ブロック３３と固定側ブロック３８とを設けた。
そのため、引張試験時に、試験片ＴＰに急激な応力変化が生じ、これにより応力波が生じたとしても、応力波は可動側ブロック３３及び固定側ブロック３８により吸収される。そのため、可動側ブロック３３及び固定側ブロック３８から反射された応力波がロードセル３７に入力されることを回避することができる。したがって、ロードセル３７は応力波の影響を受けずに荷重測定を行うことができ、結果的に引張試験の精度を向上させることができる。
【００１９】
そして、このように応力波の影響を受けずに荷重測定を行うことができるため、ひずみ速度が大きい場合、或いは小さい場合であっても、応力波の影響を受けることのない荷重測定を行うことができる。
なお、前述のように可動側ブロック３３及び固定側ブロック３８を設けることによって応力波の影響を受けることなく荷重測定を行うことができるが、ひずみ速度と、固有振動数との関係等から、応力波を十分抑制することができない場合がある。この場合には、可動側ブロック３３及び固定側ブロック３８の質量を変更すること等により、固有振動数をずらすようにすればよい。この質量の調整は、前述のように、可動側ブロック３３及び固定側ブロック３８が層形状のブロックで形成される場合には、積み重ねるブロック数を調整すればよい。また、可動側ブロック３３及び固定側ブロック３８として、質量の異なる複数のブロックの中から選択したブロックを装着する方法の場合には、質量の異なる他のブロックを新たに選択し、これを可動側ブロック３３、固定側ブロック３８として装着すればよい。
【００２０】
また、本実施形態における引張試験機１は、図１に示すように、可動側チャッキング部材３５と固定側チャッキング部材３６との間に試験片ＴＰを固定するようになっており、可動側チャッキング部材３５は、図１において上下方向に移動する。
したがって、可動側チャッキング部材３５と固定側チャッキング部材３６とにより試験片ＴＰを把持することができ、且つ、試験片ＴＰを把持した状態での可動側チャッキング部材３５の位置を初期位置として、必要とする引張荷重を与えるに十分な距離だけ可動側チャッキング部材３５がさらに上方に移動することができれば、引張試験を行うことができる。つまり、可動側チャッキング部材３５の図１における上下方向の移動可能距離が長いほど、その分、上下方向により長い試験片ＴＰに対する引張試験を行うことができる。したがって、従来の引張試験機に比較して試験片ＴＰの大きさや形状の自由度を広げることができる。
【００２１】
例えば、利用者は、可動側チャッキング部材３５を上方に移動させた状態で、固定側チャッキング部材３６で試験片ＴＰの一端を把持し、次に、可動側チャッキング部材３５を下降させて試験片ＴＰの他端を可動側チャッキング部材３５で把持すればよい。このような操作を行うことで、より多くの大きさの試験片ＴＰに対する引張試験を行うことができる。また、上部ベース１３の高さ位置調整を行うことにより、種々の大きさの試験片ＴＰに対して試験を行うこともできる。
このとき、例えば、固定ロッド３９の長さを可変に形成しておき、さらに固定ロッド３９の長さを調整することで、固定側チャッキング部材３６と可動側チャッキング部材３５との間の距離を確保し、より大きな試験片ＴＰを把持可能にすることで、より多くの形状の試験片ＴＰに対して引張試験を行うことができるようにしてもよい。
【００２２】
固定ロッド３９の調整は、例えば、固定ロッド３９を取り替え可能に形成しておき、長さの異なる複数のロッドのうち、試験片ＴＰの大きさや形状に適した長さのロッドを選択し、この選択したロッドを固定ロッド３９として、下部ベース１１に固定するようにすればよい。
また、本実施形態における引張試験機１は、振動用吸収ブロックとしての可動側ブロック３３及び固定側ブロック３８の少なくともいずれか一方を、既存の引張試験機１に設けることで実現することができる。つまり、既存の引張試験機１に対して大幅な変更を伴うことなく、容易に実現することができる。
【００２３】
また、図１に示すように、計測部４に含まれる各部は、各部の中心軸が一致するように配置され中心軸に沿って移動するため、可動側チャッキング部材３５と固定側チャッキング部材３６との間に把持される試験片ＴＰの周囲は比較的開放されている。そのため、例えば、試験片ＴＰを把持した状態で可動側チャッキング部材３５と固定側チャッキング部材３６とを、冷却チャンバー内に収納することも可能である。したがって、例えば冷却チャンバー内を、液体窒素が加熱温度制御された窒素雰囲気とし、この窒素雰囲気中に試験片ＴＰを維持したままの状態で、引張試験を行うことができる。つまり、環境温度を所望の温度に変更して引張試験を行うことができる。また、同様に昇温することも可能である。
【００２４】
前述のように、試験片形状の制約が拡大されるため、例えば、継手試験片や、製品部材等、それ自体をそのまま高速引張試験することができると共に、試験温度を変更させての試験等をも行うことができるため、物造りにおける製品設計に大きく著しく貢献することができる。
また、ロードセル３７を、固定ロッド３９側に設けている。ここで、可動ロッド３２側にロードセル３７を設けた場合、引張試験時には、可動ロッド３２の上下動に伴ってロードセル３７も上下動する。ロードセル３７が上下動すると、このロードセル３７に接続される図示しない配線等も共に移動することになり、配線が邪魔になる可能性がある。しかしながら、本実施形態における引張試験機１では、ロードセル３７を固定ロッド３９側に設けているため、引張試験時にロードセル３７の配線が移動することはない。
【００２５】
なお、上記実施形態においては、可動ロッド３２側及び固定ロッド３９側それぞれに可動側ブロック３３及び固定側ブロック３８を設けた場合について説明したが、これに限るものではなく、可動ロッド３２側及び固定ロッド３９側のいずれか一方のみに設けてもよい。つまり、理論的には、可動ロッド３２側及び固定ロッド３９側の両方にブロックを設けることが好ましいが、可動ロッド３２側及び固定ロッド３９側の両方にブロックを設けた場合と、固定ロッド側のみにブロックを設けた場合とで、得られる荷重測定結果を比較したところ、これらの荷重測定結果の差は僅かであり、固定ロッド３９側のみにブロックを設けるだけでも、応力振動の影響が抑制された荷重測定結果を得ることができ、実質的に、十分利用可能な荷重測定結果を得られることが確認できた。同様に、可動ロッド３２側のみにブロックを設けた場合も、実質的に十分利用可能な荷重測定結果を得られた。
前述のように、可動ロッド３２側にブロックを設けた場合、ブロックの慣性により可動ロッド３２のストローク制御が困難となる可能性があるため、必要とする荷重測定精度と可動ロッド３２のストローク制御の安定性とを考慮して、固定ロッド３９側のみにブロックを設けることにより、ストローク制御の安定性を確保しつつ、所望の精度を有する荷重測定結果を得ることができる。
【００２６】
なお、上記実施形態においては、油圧ユニット２２を用いて可動ロッド３２を駆動する場合について説明したがこれに限るものではなく、可動ロッド３２を機械的に駆動するようにしてもよく、可動ロッド３２を上下動させ所望の荷重を試験片ＴＰに作用させることが可能であればどのような装置を用いて可動ロッド３２を駆動するようにしてもよい。同様に、チャッキング部材３５及び３６は、試験片ＴＰを、ピンを用いて固定する方式に限るものではなく、試験片ＴＰを取り外し可能に固定することができればどのような方式のチャッキング部材であっても適用することができる。
また、上記実施形態においては、可動ロッド３２を上下動させ、試験片ＴＰを上下方向に引っ張る場合について説明したがこれに限るものではなく、左右方向に試験片ＴＰを駆動する場合であっても適用することができる。
【実施例】
【００２７】
図１に示す引張試験機１を用いて、引張試験を行った。試験片として、５９０ＭＰａ級高張力鋼板を用いた。試験片の評点間距離は１０ｍｍ、厚さは１．６ｍｍとし、１００００ｍｍ／ｓの速度で引張試験を行った。
また、比較例として、同一形状の試験片を用い、同一の引張試験機１においてブロックを装着せずに引張試験を行った。これらの荷重測定結果を、図２に示す。
なお、図２において、実線で示す特性線Ｌ１が引張試験機１を用いた場合の荷重測定結果を表し、破線で示す特性線Ｌ２がブロックを装着せずに引張試験機１を用いて試験を行った場合の荷重測定結果を表す。また、図２の横軸は可動ロッド変位〔ｍｍ〕を表し、縦軸は荷重〔Ｎ〕を表す。
図２から、特性線Ｌ２は振動しているのに対し、特性線Ｌ１は振動しておらず、本実施形態における引張試験機１を用いた場合には応力波の影響を受けない荷重測定値を得られることがわかる。
【００２８】
図３及び図４は、図１に示す引張試験機１において、固定ロッド３９側にのみ、固定側ブロック３８を設けた引張試験機を用いて、樹脂材料の低温引張試験を行った場合の応力ひずみ特性を示す特性図である。
樹脂材料としてＡＢＳ樹脂とＰＰ（ポリプロピレン）とを用い、室温以下−４０℃以上の温度範囲で、ひずみ速度を１／ｓ以上３００／ｓ以下の範囲で変化させて高速引張試験を行った。図１に示す引張試験機１において、可動側チャッキング部材３５及び固定側チャッキング部材３６と、これらチャッキング部材に把持される試験片ＴＰとを、冷却チャンバー内に収納し、冷却チャンバー内で液体窒素を加熱温度制御した窒素雰囲気中で引張試験を行った。
【００２９】
図３は樹脂材料としてＡＢＳ樹脂を用いた場合、図４は樹脂材料としてＰＰを用いた場合を表し、温度環境を室温（ＲＴ）（図３（ａ）、図４（ａ））、−１０℃（図３（ｂ）、図４（ｂ））、−４０℃（図３（ｃ）、図４（ｃ））の場合の結果を表す。また、図３（ａ）において、特性線ａ１は、ひずみ速度が１．１／ｓ、特性線ａ２は、ひずみ速度が１２．２／ｓ、特性線ａ３は、ひずみ速度が３５９／ｓの場合を示す。図３（ｂ）において、特性線ｂ１は、ひずみ速度が１．８３／ｓ、特性線ｂ２は、ひずみ速度が２０／ｓの場合、特性線ｂ３は、ひずみ速度が１７９／ｓの場合を示す。図３（ｃ）において、特性線ｃ１は、ひずみ速度が１．５６／ｓ、特性線ｃ２は、ひずみ速度が１４．６／ｓの場合、特性線ｃ３は、ひずみ速度が２１６／ｓの場合を示す。図４（ａ）において、特性線ａ１１は、ひずみ速度が１．４５／ｓ、特性線ａ１２は、ひずみ速度が１１．２／ｓの場合、特性線ａ１３は、ひずみ速度が３４７／ｓの場合を示す。図４（ｂ）において、特性線ｂ１１は、ひずみ速度が１．０６／ｓ、特性線ｂ１２は、ひずみ速度が９．０７／ｓの場合、特性線ｂ１３は、ひずみ速度が３１１／ｓの場合を示す。図４（ｃ）において、特性線ｃ１１は、ひずみ速度が１．１／ｓ、特性線ｃ１２は、ひずみ速度が１６．５／ｓの場合、特性線ｃ１３は、ひずみ速度が１９７／ｓの場合を示す。
【００３０】
図３及び図４から、いずれの場合も荷重振動が抑制されていることがわかる。つまり、試験温度を変化させた環境で、ひずみ速度を変更させた高速引張試験を行うことが可能であることが確認された。
なお、本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画され得る。
【符号の説明】
【００３１】
１  引張試験機
２  フレーム部
３  駆動部
４  計測部
１１  下部ベース
１２  支柱
１３  上部ベース
２１  駆動装置
２２  油圧ユニット
２３  アキュムレータ
３１  可動ロッド案内部
３２  可動ロッド（可動部）
３３  可動側ブロック
３４  連結部材
３５  可動側チャッキング部材（第二のチャッキング部材）
３６  固定側チャッキング部材（第一のチャッキング部材）
３７  ロードセル（荷重測定部）
３８  固定側ブロック
３９  固定ロッド（固定部）
ＴＰ  試験片
【図１】
0006412479.tif 000002
【図２】
0006412479.tif 000003
【図３】
0006412479.tif 000004
【図４】
0006412479.tif 000005