(57)【要約】【課題】材料試験における衝撃振動の影響を排除し、高精度測定を可能にする。【解決手段】試験片に引張荷重を加えて材料特性を計測する際に、ロードセル１４と歪みゲージ２０を用いて、荷重出力−時間変化特性と歪み出力−時間変化特性を同時取得する。この荷重出力−時間特性と歪み出力−時間特性との関係に基づいて、歪み出力−時間変化特性における歪み出力を実荷重に変換し、試験片における実荷重−時間変化特性を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片に負荷を与えて材料特性を計測する試験方法において、
試験片に負荷を与えながら、前記試験片に作用する荷重の時間変化特性、および前記試験片に貼り付けた歪みゲージによる歪みの時間変化特性を取得し、
前記荷重の時間変化特性と歪みの時間変化特性との関係に基づいて、前記取得した歪みの時間変化特性の歪みを実荷重に変換して試験片に作用する実荷重の時間変化特性を算出することを特徴とする試験方法。
【請求項２】
請求項１の試験方法において、
前記荷重の時間変化特性と前記歪みの時間変化特性の塑性域の関係に基づいて、前記取得した歪みの時間変化特性の歪みを実荷重に変換するようにしたことを特徴とする試験方法。
【請求項３】
請求項２の試験方法において、
前記荷重の時間変化特性の塑性域における特定時間ｔの移動平均荷重Ｆ（ｔ）を算出すると共に、前記歪みの時間変化特性の塑性域における前記特定時間ｔの移動平均歪みε（ｔ）を算出し、
前記移動平均Ｆ（ｔ）と移動平均歪みε（ｔ）から、ばね定数ｋをＦ（ｔ）＝ｋ×ε（ｔ）の関係から算出し、
前記ばね定数ｋを用いて前記歪みの時間変化特性における歪み出力を実荷重に変換するようにしたことを特徴とする試験方法。
【請求項４】
請求項３の試験方法において、
移動平均荷重Ｆ（ｔ）および移動平均歪みε（ｔ）に代えて、フーリエ変換を行って高周波成分を除去することにより平準化した平均荷重Ｆ（ｔ）および平均歪みε（ｔ）を用いることを特徴とする試験方法。
【請求項５】
試験片に負荷を与えて材料特性を計測する材料試験機において、
試験片に作用する荷重を測定する荷重測定手段と、
試験片に貼り付けた歪みゲージの出力により試験片の歪みを測定する歪み測定手段と、
前記荷重測定手段の測定値により荷重の時間変化特性を、歪み測定手段の測定値により歪みの時間変化特性をそれぞれ取得し、前記荷重の時間変化特性と歪みの時間変化特性との関係に基づいて、前記歪みの時間変化特性における歪みを実荷重に変換し、試験片における実荷重の時間変化特性を算出する実荷重演算装置と、を備えることを特徴とする材料試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試験片に負荷を与えて材料特性を計測する試験法に関し、特に、高速度で引張荷重を加える高速引張試験における材料特性を演算するに好適な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
引張試験は一般に、試験片に引張荷重を加えてその試験片の伸びと荷重を刻々と計測し、材料の機械的特性を調べるものである。引張試験を行う引張試験機は、通常、試験片の両端を治具によって把持し、一方の治具を他方から離隔させることで試験片を引っ張る。試験片に作用する引張荷重は、治具に装着されたロードセルによって測定され、また、試験片の伸びは、試験片に装着した変位計などで測定する。
【０００３】
ところで近年、試験片に高速度で引張荷重を加える高速引張試験が行われるようになっている。これは、自動車等の衝突時において材料が高速変形する際の特性等を正確に評価し、高精度な設計を行うニーズが高まっているからである。例えば、油圧サーボ方式の高速引張試験機では、助走空間を用いてアクチュエータを静止状態から高速域にまで加速させた後、その高速域内の一定の速度で試験片を引っ張る。例えば、１〜２０ｍ／ｓの速度で引っ張ることが多い。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３１８８９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、高速引張試験では、アクチュエータや治具等の慣性力・衝撃によって機械全体に振動が発生し、ロードセルの出力にも振動現象が現れる結果、荷重の計測精度が悪化するという問題があった。
【０００６】
そこで試験片に歪みゲージを直接貼り付けて、この歪みゲージによって荷重を計測する手法が提案されている。しかしながら、歪みゲージ自体は荷重を計測する機能を有しないので、予備試験を実施し、歪みゲージの歪み出力とロードセルの荷重出力の変換係数を算出してから、実際の引張試験で歪みゲージによって荷重を計測するものであった。従って、計測に約２倍の時間が必要となり、計測効率が悪いという問題と、予備試験時と本試験時で歪みゲージの貼り方に差があると誤差を生じるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）請求項１の発明は、試験片に負荷を与えて材料特性を計測する試験方法において、試験片に負荷を与えながら、試験片に作用する荷重の時間変化特性、および試験片に貼り付けた歪みゲージによる歪みの時間変化特性を取得し、荷重の時間変化特性と歪みの時間変化特性との関係に基づいて、取得した歪みの時間変化特性の歪みを実荷重に変換して試験片に作用する実荷重の時間変化特性を算出することを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１の試験方法において、荷重の時間変化特性と歪みの時間変化特性の塑性域の関係に基づいて、取得した歪みの時間変化特性の歪みを実荷重に変換するようにしたことを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項２の試験方法において、荷重の時間変化特性の塑性域における特定時間ｔの移動平均荷重Ｆ（ｔ）を算出すると共に、歪みの時間変化特性の塑性域における特定時間ｔの移動平均歪みε（ｔ）を算出し、移動平均Ｆ（ｔ）と移動平均歪みε（ｔ）から、ばね定数ｋをＦ（ｔ）＝ｋ×ε（ｔ）の関係から算出し、ばね定数ｋを用いて歪みの時間変化特性における歪み出力を実荷重に変換するようにしたことを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、請求項３の試験方法において、移動平均荷重Ｆ（ｔ）および移動平均歪みε（ｔ）に代えて、フーリエ変換を行って高周波成分を除去することにより平準化した平均荷重Ｆ（ｔ）および平均歪みε（ｔ）を用いることを特徴とする。
（５）請求項５の発明は、試験片に負荷を与えて材料特性を計測する材料試験機において、試験片に作用する荷重を測定する荷重測定手段と、試験片に貼り付けた歪みゲージの出力により試験片の歪みを測定する歪み測定手段と、荷重測定手段の測定値により荷重の時間変化特性を、歪み測定手段の測定値により歪みの時間変化特性をそれぞれ取得し、荷重の時間変化特性と歪みの時間変化特性との関係に基づいて、歪みの時間変化特性における歪みを実荷重に変換し、試験片における実荷重の時間変化特性を算出する実荷重演算装置とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、予備試験を必要とせずに、歪みゲージの出力値から試験片に作用する荷重を算出することが可能になり、計測効率を高めることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下図面を参照しながら本発明の最良の実施形態について詳細に説明する。
図１には、本実施の形態に係る油圧サーボ方式の高速引張試験機１０が示されている。この高速引張試験機１０は、アクチュエータ１１と流量制御弁１２、油圧源１３、ロードセル１４、つかみ装置１５、変位検出器１６等を備えている。試験片１の両端側のつかみ部をつかみ装置１５が把持することで、試験片１が高速引張試験機１０に固定されるようになっている。
【００１０】
特にロードセル１４側のつかみ装置１５はロードセル１４と略一体構造となっており、ロードセル１４とつかみ装置１５を含めた測定系の固有振動数が高く設定されている。これにより試験片１に作用する荷重を高い精度で計測可能となっている。
【００１１】
試験片１がつかみ装置１５に把持される端部近傍、換言すると、試験片１が破断するくびれ部以外の部位に歪みゲージ２０が貼り付けられている。歪みゲージ２０は試験片の歪みを線形に検出することができる。すなわち、引張荷重により試験片１の中央くびれ部は塑性変形して破断に至るが、試験片端部の塑性変形しない部位に歪みゲージ２０が貼り付けられている。
【００１２】
更に高速引張試験機１０は、歪みゲージ２０やロードセル１４からの検出信号を入力して荷重−歪み特性を演算するとともに、試験機全体の動作を制御すると演算装置１７を備えている。
【００１３】
演算装置１７は、ロードセル１４からの荷重信号を所定のサンプリング間隔で取得して荷重の時間変化特性を記憶する。同時に、歪みゲージ２０からの歪み信号を所定のサンプリング間隔で取得して歪みの時間変化特性を記憶する。すなわち、演算装置１７は、試験片１に引張荷重を加える過程で得られる歪みゲージ２０およびロードセル１４からの出力信号から、荷重出力−時間変化特性と、歪み出力−時間変化特性を同時取得する。なお、本明細書における同時取得という意味は、一度の引張試験過程で取得することを意味している。つまり、予備試験と本試験等を別々に行う必要が無く、一度の引張試験で両特性を得る。
【００１４】
演算装置１７は、これらの荷重の時間変化特性と歪みの時間変化特性の関係に基づいて演算処理し、歪みの時間変化特性における歪み出力を実荷重に変換して、試験片１における実荷重の時間変化特性を得る。
【００１５】
演算装置１７にはモニタ１８が接続され、モニタ１８には、荷重の時間変化特性、歪みの時間変化特性、あるいは荷重−歪み特性のグラフを表示する。
【００１６】
次に、図２のフローチャート等を参照して高速引張試験機１０を用いた引張試験を説明する。
まず、ステップＳ３０において、アクチュエータ１１によって試験片１に引張荷重を加える。それと同時に、ステップＳ３２において、ロードセル１４と歪みゲージ２０から出力信号を得る。ステップ３４では、荷重出力−時間変化特性（図３（ａ）参照：荷重の時間変化特性とも呼ぶ）と歪み出力−時間変化特性（図３（ｂ）参照：歪みの時間変化特性とも呼ぶ）を生成する。
【００１７】
なお、図３（ａ）に示されるように、高速引張試験においては、仮に高固有振動数のロードセル１４を用いたとしても、試験の衝撃や引っ張り試験機１０の慣性力によって荷重出力に振動が発生する場合があることは避けられない。特にＡ部のように、弾性限界近辺のグラフの傾きが大きく変化する領域において振動の影響が大きい。一方、図３（ｂ）に示されるように、歪み出力には振動の影響は殆ど発生しない。
【００１８】
その後、ステップＳ３６において、同時に得られた荷重出力−時間特性と歪み出力−時間特性との関係に基づいて、歪み出力−時間変化特性における歪み出力を実荷重に変換し、試験片における実荷重−時間変化特性を算出する。特に、塑性域の関係に基づいて、歪み出力−時間変化特性の歪み出力を実荷重に変換するようにしている。
【００１９】
このステップＳ３６について、図４のフローチャートを参照して更に具体的に説明する。
まず、ステップＳ３６１において、図３（ａ）の荷重出力−時間特性の塑性域Ｂにおける特定時間ｔ１の移動平均荷重Ｆ（ｔ１）と特定時間ｔ２の移動平均荷重Ｆ（ｔ２）を算出する。次に、ステップＳ３６２において、同様に、図３（ｂ）の歪み出力−時間特性の塑性域Ｃにおける特定時間ｔ１、ｔ２の移動平均歪みε（ｔ１）、ε（ｔ２）を算出する。
【００２０】
なお、これらの移動平均は、この塑性域Ｂ、Ｃを微小区間で細分割して各微小区間の荷重出力・歪み出力をそれぞれ算出し、特定時間ｔ１、ｔ２において、その時間前（或いはその時間後）の所定区間分の出力平均値を求めることによって算出される。なお、ここでの塑性域Ｂ、Ｃは上記弾性限界近辺の領域Ａを除いた部分であることが望ましい。
【００２１】
次に、ステップＳ３６３で、移動平均Ｆ（ｔ１）と移動平均歪みε（ｔ１）から、ばね定数ｋ１をＦ（ｔ１）＝ｋ１×ε（ｔ１）の関係から算出し、同様に、移動平均Ｆ（ｔ２）と移動平均歪みε（ｔ２）から、ばね定数ｋ２をＦ（ｔ２）＝ｋ２×ε（ｔ２）の関係から算出する。その後、ステップＳ３６４において、これらの複数のばね定数ｋ１、ｋ２の平均値ｋを算出する。なお、ここでは２つの特定時間のばね定数ｋ１、ｋ２を算出するようにしたが、３以上のばね定数を用いても良く、反対に１つでも構わない。また、複数の移動平均、例えばＦ（ｔ１）Ｆ、（ｔ２）を更に平均化して１つの値Ｆ（ｔ）を得、その後にばね定数を求めても良い。
【００２２】
次にステップＳ３６５で、歪み出力に上記ばね定数ｋを乗算することで、図３（ｂ）の歪み出力−時間特性の縦軸、即ち歪み出力を実荷重に変換する。この実荷重は、引張試験の衝撃振動の影響が除去されて試験片に実際に加わっている荷重と想定できる。
【００２３】
すなわち、この実施の形態の引張試験装置では、荷重の時間変化特性と歪みの時間変化特性との関係に基づいて、取得した歪みの時間変化特性の歪みを実荷重に変換して試験片に作用する実荷重の時間変化特性を算出している。
【００２４】
図５には、実際の高速引張試験でロードセル１４から直接得た荷重出力−時間特性（Ｈ）と、本引張試験装置１０による演算によって得られた実荷重−時間特性（Ｍ）を示す。実荷重−時間特性（Ｍ）では振動の影響は排除され、安定した特性が得られていることが分かる。この実荷重−時間特性は演算装置１７の記憶部に記憶されるとともに表示装置１８に表示される。
【００２５】
本引張試験装置１０によれば、１度の高速引張試験で得られるデータから高精度な実荷重−時間特性を得ることができるので、予備試験等をする必要が無くなり、簡単且つ効率的に精度のよい計測が可能になる。なお、荷重出力と歪み出力の塑性域のデータを平坦化（なまし処理）してから比較しているのは、塑性域（特の後半の塑性域）では、振動成分を除くと荷重出力と歪み出力の挙動が非常に近似している点と、塑性域の方が弾性変形域よりも大きな出力値で比較でき、比較精度が高い点に着目したからである。これら合理的に組合わせることで相乗的に高精度の変換結果が得られるようになっている。
【００２６】
なお、本実施形態では、ばね定数を求める際に移動平均値を用いたが、この移動平均に代えて、荷重信号と歪み信号に対してフーリエ変換処理を行って高周波成分を除去することにより得られた平均荷重等を用いても構わない。またこれらを組み合わせても構わない。要はデータ（特に荷重出力データ）をなまし処理して振動の影響を小さくできれば十分である。
【００２７】
また本実施形態では、好ましい形態として塑性域のデータ、特に弾性限界近辺の大きな変動を除いた塑性域のデータを用いてばね定数を決定する場合を示したが、本発明はそれに限定されず、同時に計測される荷重出力と歪み出力から所定の関係を求め、それを変換係数に用いることができれば他の領域でも構わない。
【００２８】
さらに、高速引張試験機について説明したが、荷重検出信号に振動成分がノイズとなって現れるような速度で材料を負荷して特性を評価する試験機であれば、圧縮試験機、疲労試験機、曲げ試験機など種々の材料試験機に本発明を適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本実施形態に係る引張試験機を示す全体構成図
【図２】引張試験機による引張試験の工程を示すフローチャート
【図３】引張試験によって得られるデータの概念図
【図４】引張試験における詳細工程を示すフローチャート
【図５】引張試験によって得られる実荷重−時間特性を示す図
【符号の説明】
【００３０】
１    試験片                      １０  引張試験機
１１  アクチュエータ              １２  流量制御弁
１３  油圧源                      １４  ロードセル
１５  つかみ装置                  １６  変位計測器
１７  演算装置                    １８  表示装置
２０  歪みゲージ
【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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