(57)【要約】【課題】３点曲げ試験により試験片の破壊ＪＩＣ値を求める試験において、実質的に荷重線上の変位検出値を用いた負荷機構の制御を可能とし、より正確なＪＩＣ値を求めることのできる３点曲げ試験による破壊靱性値測定装置を提供する。【解決手段】負荷機構の変位を荷重線Ｌ上とは異なる位置で検出する変位検出手段４３と、その変位検出値を、当該変位検出手段４３による変位検出位置と試験片Ｗの荷重点との間に介在する治具を含む負荷機構のコンプライアンスと、刻々の荷重検出値とを用いて荷重線Ｌ上での補正する変位補正手段５１を備え、その補正後の変位を用いて負荷機構１４を変位制御することにより、実質的に荷重線Ｌ上での変位を直接測定する場合と同等の正確さで試験を行うことを可能とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
疲労予き裂を形成した試験片に対して３点曲げ試験を施す負荷機構と、その負荷機構を変位制御のもとに駆動制御する制御手段と、試験片に作用する試験力を検出する試験力検出手段と、試験中における試験片のき裂開口変位を検出する開口変位検出手段を備え、試験片に作用する試験力と開口変位とから試験片の破壊靱性値を求める３点曲げ試験による破壊靱性値測定装置において、
負荷機構の変位を荷重線上とは異なる位置で検出する変位検出手段と、
その変位検出手段による刻々の変位検出値を、あらかじめ測定して記憶している上記変位検出手段による変位検出位置と試験片の荷重点との間に介在する治具を含む負荷機構のコンプライアンスと、刻々の試験力の検出出力とを用いて、荷重線上での変位に補正する変位補正手段を備え、
上記制御手段は、変位補正手段により補正された変位を用いて上記負荷機構を制御するように構成されていることを特徴とする３点曲げ試験による破壊靱性値測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料の破壊靱性値を測定する装置に関し、更に詳しくは、試験片に３点曲げ試験を行ってそのＪＩＣ値を求める、３点曲げ試験による破壊靱性値測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
３点曲げ試験により材料のＪＩＣ値と称される破壊靱性値を求めるに当たっては、疲労予き裂を形成した試験片に変位制御のもとに曲げ負荷を加えつつ、試験片に作用する試験力と疲労予き裂の開口変位を検出して記憶するとともに、安定破壊の開始点のＪ積分を荷重（試験力）−開口変位の関係から算出してＪＩＣ値を求める（例えば非特許文献１参照）。
【０００３】
ここで、このＪＩＣ値を求める試験にあっては、負荷機構を制御するために用いる変位は、厳密には試験片の荷重線上での変位とする必要がある。しかしながら、このような３点曲げ試験においては、試験片はその荷重線上において曲げ負荷用の治具によって押し付けられる関係上、直接的に試験片の荷重線上に変位計を取り付けることができない。
【０００４】
従って、この種の試験装置においては、従来、負荷機構の変位を、荷重線上から離れた、いわゆる外部変位計で検出し、その検出出力を荷重線上の変位に代用させている。
【０００５】
【非特許文献１】
日本機械学会発行「機械工学事典」、１９９７年８月２０日、ｐ４９８
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、以上のような外部変位計による負荷機構の検出値には、その外部変位計の配設位置と試験片の荷重線上の点との間に存在する負荷機構の構成部材ないしは治具の歪みが含まれているため、厳密には荷重線上の変位とは異なる値となる。従来、このことは無視されるているが、もしこのことを考慮してより正確なＪＩＣ値を求めようとする場合には、外部変位計の出力から、負荷機構や治具の歪みを逐次計測して差し引く必要があるが、そのような計測を行うためには複数箇所の変位や歪みを同時に測定する必要があるなど、面倒な設定作業が必要となることが予想されるし、実質的には正確な計測は不可能である。
【０００７】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、３点曲げ試験によりＪＩＣ値を求める試験において、実質的に荷重線上の変位検出値を用いた負荷機構の制御が可能で、より正確な破壊靱性値を求めることのできる３点曲げ試験による破壊靱性値測定装置の提供を目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の３点曲げ試験による破壊靱性値測定装置は、疲労予き裂を形成した試験片に対して３点曲げ試験を施す負荷機構と、その負荷機構を変位制御のもとに駆動制御する制御手段と、試験片に作用する試験力を検出する試験力検出手段と、試験中における試験片のき裂開口変位を検出する開口変位検出手段を備え、試験片に作用する試験力と開口変位とから試験片の破壊靱性値を求める３点曲げ試験による破壊靱性値測定装置において、負荷機構の変位を荷重線上とは異なる位置で検出する変位検出手段と、その変位検出手段による刻々の変位検出値を、あらかじめ測定して記憶している上記変位検出手段による変位検出位置と試験片の荷重点との間に介在する治具を含む負荷機構のコンプライアンスと、刻々の試験力の検出出力とを用いて、荷重線上での変位に補正する変位補正手段を備え、上記制御手段は、変位補正手段による補正後の変位を用いて上記負荷機構を制御するように構成されていることによって特徴づけられる。
【０００９】
本発明は、試験片の荷重線上での変位を負荷機構の変位を荷重線上から逸脱した位置で変位検出手段により検出するとともに、その変位検出位置から荷重点までの、治具を含む負荷機構のコンプライアンスをあらかじめ測定して記憶しておき、その記憶内容と刻々の試験力との検出値とをもちいて、変位検出手段からの出力を荷重線上の変位に補正することによって、所期の目的を達成しようとするものである。
【００１０】
すなわち、荷重線上から逸脱した位置で負荷機構の変位を検出した場合、その変位検出結果には、前記したように荷重線上の変位（試験片の変位）のほかに、変位検出位置から荷重点までの間に介在する負荷機構の構成部材並びに治具の歪みが含まれるが、本発明においては、治具を含む負荷機構の、変位検出手段による変位検出位置から荷重点までの間のコンプライアンスをあらかじめ測定して記憶しておき、その記憶内容と、試験中における刻々の荷重検出値とから、変位検出手段の出力に含まれる、治具を含む負荷機構の歪み分を算出し、当該変位検出出力から減算することによって、変位検出手段の出力を荷重線上の変位に補正する。そして、制御手段では、補正後の変位を用いた変位制御のもとに負荷機構を制御する。これにより、実質的に荷重線上の変位検出値を用いた変位制御のもとに３点曲げ試験を行うことができ、従来に比してより正確な破壊靱性値を求めることが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の要部構成図であり、機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【００１２】
試験機本体１は、テーブル１１上に複数のコラム１２を設け、その各コラム１２によりヨーク１３を支持した構造を持ち、ヨーク１３の上に負荷用の油圧アクチュエータ１４を配した構造を有している。テーブル１１上には一対の曲げ支点２１ａ，２１ｂが支持治具２２に支持された状態で配置されているとともに、その上方には、油圧アクチュエータ１４の駆動により上下動する曲げ負荷用のポンチ２３が設けられている。試験片Ｗは、曲げ支点２１ａ，２１ｂの上に載せられ、その状態でポンチ２３が鉛直方向の荷重線Ｌに沿って上下動することによって繰り返し曲げ負荷が加えられる。
【００１３】
油圧アクチュエータ１４にはサーボバルブ１４ａを介して油圧源（図示せず）からの作動油が供給される。サーボバルブ１４ａはコントローラ３からの駆動制御信号によって、後述するように、ポンチ２３による試験片Ｗに対する荷重点の変位があらかじめ設定されている目標値に一致するようにフィードバック制御される。
【００１４】
試験片Ｗは、あらかじめ長手方向中央部に疲労予き裂Ｃが形成されており、この疲労予き裂Ｃを下向きにして当該疲労予き裂Ｃが荷重線Ｌ上に位置するように曲げ支点２１ａ，２１ｂ上に載せられる。試験片Ｗに作用する試験力はポンチ２３の上方に固着されたロードセル４１によって検出され、また、試験片Ｗの疲労予き裂Ｃの開口変位はクリップゲージ４２によって検出される。また、ポンチ２３の変位は、荷重線Ｌから離れた位置に配置された、例えば差動トランス等からなる外部変位計４３によって検出される。ロードセル４１、クリップゲージ４２および外部変位計４３の出力は、それぞれのアンプ４１ａ，４２ａおよび４３ａによって増幅された後、Ａ−Ｄ変換器４１ｂ，４２ｂおよび４３ｂによってデジタル化され、演算装置５に取り込まれる。演算装置５は、実際にはコンピュータとその周辺機器によって構成され、インストールされているプログラムに従った機能を発揮するのであるが、図１では説明の簡素化のため、機能ごとのブロック図で示している。
【００１５】
上記したロードセル４１、クリップゲージ４２および外部変位計４３によりそれぞれ計測された試験力データ、開口変位データおよびポンチ２３の変位データのうち、試験力データとポンチ２３の変位データは、変位補正演算部５１に取り込まれる。この変位補正演算部５１では、試験力データと、コンプライアンス記憶部５２にあらかじめ記憶されている内容を用いて、外部変位計４３により検出されたポンチ２３の変位検出出力を、後述する演算によって荷重線Ｌ上のポンチ２３による荷重点の変位に補正して出力する。この変位補正演算部５１からの出力は、前記したコントローラ３による油圧アクチュエータ１４の変位制御における変位検出値として用いられる。
【００１６】
また、試験力データと開口変位データは破壊靱性値演算部５３に取り込まれて記憶され、公知の演算により安定破壊の開始点とＪ積分を試験力−開口変位の関係から算出して、ＪＩＣ値を求める。
【００１７】
さて、変位補正演算部５１による補正演算について詳細に説明する。コンプライアンス記憶部５２には、荷重線Ｌ上の試験片Ｗの変位と外部変位計４３の配設位置との間の、治具（ポンチ２３）を含む負荷機構（試験機本体１）の構成部材のコンプライアンスをあらかじめ記憶している。このコンプライアンスは試験に先立って、以下に例示する手法によって測定することができる。
【００１８】
すなわち、試験に供される試験片Ｗと同一の材料並びにサイズで、疲労予き裂Ｃが形成されていないダミー試験片を作成し、曲げ支点２１ａ，２１ｂの上に載せて、ポンチ２３によって荷重を複数点にわたって変化させつつ本試験で予測される最大荷重まで曲げ負荷を加え、その各荷重の負荷時における外部変位計４３による変位検出データを、ロードセル４１による荷重データとともに記憶する。そして、これらのデータから、例えば最小二乗近似により荷重と変位の関係を表す直線を求め、その傾きからコンプライアンスλ１  を算出する。この方法により求められたコンプライアンスλ１  は、治具を含む負荷機構とダミー試験片を含めた系のコンプライアンスとなる。
【００１９】
一方、ダミー試験片のコンプライアンスλ２  は、支持点間距離、つまり曲げ支点２１ａ，２１ｂ間の距離をＳとし、ダミー試験片の厚さ（曲げ負荷方向の寸法）をＢ、幅（ＳとＢに直交する方向の寸法）をＷとすると、
λ２  ＝Ｓ３  ／４８ＥＩ  ・・・・（１）
で計算することができ。ただし、（１）式においてＥはヤング率、Ｉは
Ｉ＝Ｂ・Ｗ  ３／１２  ・・・・（２）
である。
【００２０】
上記した方法で測定したコンプライアンスλ１  から、（１）式で算出されるダミー試験片のコンプライアンスλ２  を減算することにより、荷重線Ｌ上の試験片Ｗの変位と外部変位計４３の配設位置との間の、治具（ポンチ２３）を含む負荷機構（試験機本体１）の構成部材のコンプライアンスλ３  を算出することができる。コンプライアンス記憶部５２では、このようにして算出されたコンプライアンスλ３  を記憶している。
【００２１】
そして、変位補正演算部５１においては、試験中において、コンプライアンス記憶部５２に記憶されているコンプライアンスλ３  と刻々の荷重データＰを用いて、外部変位計４３による変位データδＤ  を、次の（３）式によって荷重線Ｌ上の試験片Ｗの変位δＷ  に変換する。
δＷ  ＝δＤ  −Ｐ・λ３    ・・・・（３）
【００２２】
以上のようにして補正された変位δＷ  を用いて油圧アクチュエータ１４を変位制御することによって、従来のようにδＤ  をそのまま荷重線Ｌ上の変位に代用させる場合に比して、試験の正確さがより向上し、得られる破壊靱性値もより正確なものとなる。
【００２３】
なお、以上の実施の形態において、試験片Ｗのコンプライアンスが相当に大きく、また、何らかの誤差等に起因してλ２  がλ１  よりも大きい場合には、λ３  は０として取り扱うことが好ましい。
【００２４】
また、試験機本体１の構造等については、上記した実施の形態で用いたものに限られることなく、３点曲げ試験を行うための他の公知の構造を採用し得ることは勿論である。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、３点曲げ試験による破壊靱性値の測定に際して、負荷機構の変位を荷重線外で測定する外部変位計の出力を、試験中における試験力の検出出力と、あらかじめ測定して記憶している治具を含む負荷機構のコンプライアンスを用いて、荷重線上の試験片の変位に補正し、その補正後の変位を負荷機構の変位制御に用いて試験を行うので、外部変位計の出力をそのまま荷重線上の変位に代用する従来のこの種の測定装置に比して、より正確な破壊靱性値を求めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の要部構成図であり、機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【符号の説明】
１  試験機本体
１１  テーブル
１２  コラム
１３  ヨーク
１４  油圧アクチュエータ
１４ａ  サーボバルブ
２１ａ，２１ｂ  曲げ支点
２３  ポンチ
３  コントローラ
４１    ロードセル
４２  クリップゲージ
４３  外部変位計
５  演算装置
５１  変位補正演算部
５２  コンプライアンス記憶部
５３  破壊靱性値演算部
Ｗ  試験片
Ｃ  疲労予き裂
Ｌ  荷重線
【図１】
2005017054.tif 000003