(57)【要約】【課題】  治具や試験体の変形の影響を受けることなく、試験体の開口変位を計測することが可能な高温試験装置を提供する。【解決手段】  開口変位検出機構は、試験体２３に配設される一対の支持軸５１と、基準板５２と、移動板５５と、変位検出器５８とを備える。穴部４７に挿入され、試験体２３に配設された支持軸５１には、棒部材５４が係合接続された基準板５２と、棒部材５７が係合接続された移動板５５とが架設され、棒部材５４と棒部材５７との間には、棒部材５４、５７間の距離を計測することにより試験体２３の開口変位を検出する変位検出器５８が配設されている。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
切り欠きが形成された試験体に対して高温下で試験力を付与することにより試験体の破壊試験を行う高温試験装置において、
前記試験体を収納可能な高温炉と、
前記試験体に前記切り欠きの開口が開く方向に負荷を加える負荷機構と、
前記試験体に付与された試験力を検出するロードセルと、
前記試験体の前記切り欠きの両側に配置される一対の支持軸と、前記支持軸に架設される基準板と、前記支持軸に架設され前記切り欠きの開口が開くのに伴って移動する移動板と、前記基準板と前記移動板の変位量の差を検出する変位検出器と、を有する開口変位検出機構と、
を備えたことを特徴とする高温試験装置。
【請求項２】
請求項１に記載の高温試験装置において、
前記基準板は、矩形の板であり、該矩形の１辺において前記支持軸に当接する状態で前記支持軸に架設され、
前記移動板は、略楔形の板であり、該楔形の傾斜面となる２辺において前記支持軸に当接する状態で前記支持軸に架設される高温試験装置。
【請求項３】
請求項１に記載の高温試験装置において、
前記支持軸は、前記試験体の前記切り欠きから所定の距離だけ離隔した対称な位置に穿設された穴部に挿入される円柱部材である高温試験装置。
【請求項４】
請求項１に記載の高温試験装置において、
前記支持軸は、前記試験体の前記切り欠きから所定の距離だけ離隔した対称な位置に穿設された貫通孔に挿入される円柱部材である高温試験装置。
【請求項５】
請求項４に記載の高温試験装置において、
前記支持軸は、前記円柱部材の両端を前記貫通孔より突出させることにより前記試験体に突設され、
前記基準板および前記移動板は、前記貫通孔より突出した前記円柱部材の両端に各々架設される高温試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、試験体に対して高温下で試験力を付与することにより試験体の破壊試験を行う高温試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような高温試験装置は、試験体を収納する高温炉を備え、高温炉によって試験体を所定の温度に加熱しながら、試験体に圧縮負荷や引張負荷を加えることにより、高温下における材料の破壊特性を評価する構成となっている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【０００３】
予め切り欠き（予き裂）が形成された試験体に対する破壊試験においては、その切り欠きの先端開口を開く向きの準静的荷重を試験体に負荷したときの、試験体の荷重（Ｆｈ）―開口変位（ＣＯＭＤ）の計測結果から、破壊エネルギーが算定される。開口変位の計測手段としては、試験体の切り欠き開口部にセンサを直接接触させて変位を計測するクリップゲージ等があげられる。一方で、高温試験における試験中の高温炉の温度は、例えば、摂氏１５００度まで高められる。このような高温下では、接触式変位計により試験体の開口変位を直接的に計測することが困難となる。このため、特許文献２では、負荷機構もしくは治具の変位を検出し、開口変位量を算出するようにしている。なお、この明細書における高温とは、摂氏６００度以上の温度を意味する。
【０００４】
また、非特許文献１では、予め切り欠きを形成させた耐火材料に対する楔挿入割裂試験にＡＥ法（Ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ）を組み合わせて、材料にき裂が発生する際に弾性波として放出されるひずみエネルギーから、材料の破壊過程を評価することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１１２５４４号公報
【特許文献２】特開２００４−９３５３２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｅ．Ｋ．Ｔｓｃｈｅｇｇ、外３名、「Ｕｎｉａｘｉａｌ  ａｎｄ  ｂｉａｘｉａｌ  ｆｒａｃｔｕｒｅ  ｂｅｈａｖｉｏｕｒ  ｏｆ  ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ」、Ｅｎｇｉｎｅｅｒｒｉｎｇ  Ｆｒａｃｔｕｒｅ  Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ、２００９年、ｖｏｌ．７６、ｐ２２４９−２２５９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のように負荷機構もしくは治具の変位を計測する方式（特許文献１および特許文献２参照）では、治具の変形と、試験体の縦方向の変位が重畳するため、負荷機構もしくは治具の変位計測値は、切り欠き開口部の正確な開口変位を示す値とはならない。また、特許文献２のように、負荷機構もしくは治具の変位の計測値を治具の変形を考慮した補正用データにより補正する場合には、予め補正用データ採取のために、実際の試験に先だって、検出棒付き変位計による計測を行わなければならない。また、この検出棒付き変位計の使用に際しては、高温炉の壁に検出棒を挿入するための孔を設けなければならない。
【０００８】
さらに、高温炉における検出棒付き変位計の検出棒挿入用孔の形成位置によっては、その高温試験装置において実行可能な試験が、予め切り欠きを形成した試験体に引張負荷を与える試験に限定されることがある。この場合には、非特許文献１に記載されたような、予め切り欠きを形成させた耐火材料に対する楔挿入割裂試験は行えないことになる。
【０００９】
この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、治具や試験体の変形の影響を受けることなく、試験体の開口変位を計測することが可能な高温試験装置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】
【００１０】
請求項１に記載の発明は、切り欠きが形成された試験体に対して高温下で試験力を付与することにより試験体の破壊試験を行う高温試験装置において、前記試験体を収納可能な高温炉と、前記試験体に前記切り欠きの開口が開く方向に負荷を加える負荷機構と、前記試験体に付与された試験力を検出するロードセルと、前記試験体の前記切り欠きの両側に配置される一対の支持軸と、前記支持軸に架設される基準板と、前記支持軸に架設され前記切り欠きの開口が開くのに伴って移動する移動板と、前記基準板と前記移動板の変位量の差を検出する変位検出器と、を有する開口変位検出機構と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記基準板は、矩形の板であり、該矩形の１辺において前記支持軸に当接する状態で前記支持軸に架設され、前記移動板は、略楔形の板であり、該楔形の傾斜面となる２辺において前記支持軸に当接する状態で前記支持軸に架設される。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記支持軸は、前記試験体の前記切り欠きから所定の距離だけ離隔した対称な位置に穿設された穴部に挿入される円柱部材である。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記支持軸は、前記試験体の前記切り欠きから所定の距離だけ離隔した対称な位置に穿設された貫通孔に挿入される円柱部材である。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記支持軸は、前記円柱部材の両端を前記貫通孔より突出させることにより前記試験体に突設され、前記基準板および前記移動板は、前記貫通孔より突出した前記円柱部材の両端に各々架設される。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１から請求項５に記載の発明によれば、試験体の切り欠きの両側に配置される一対の支持軸と、支持軸に架設される基準板と、支持軸に架設され切り欠きの開口が開くのに伴って移動する移動板と、基準板と移動板の変位量の差を検出する変位検出器と、を有する開口変位検出機構を備え、切り欠きの開口、すなわち、開口変位部の近辺の変位を計測可能な構成となっていることから、治具や負荷機構の変位量から試験体の開口変位を算出する従来の方式とは異なり、高温下における治具の変形や試験体の圧縮変形等がキャンセルされた正確な開口変位を計測することが可能となる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、移動板は、略楔形の板であり、該楔形の傾斜面の２面において支持軸に当接する状態で支持軸に架設されることから、試験体の切り欠きの開口が広がる開口方向の変位を、略楔形の移動板により開口方向と垂直な方向の移動量に増幅変換して、開口変位量の検出精度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明に係る高温試験装置の正面図である。
【図２】楔挿入割裂試験に供される試験体２３の説明図である。
【図３】この発明の第１実施形態に係る高温試験装置における開口変位検出機構の説明図である。
【図４】この発明の第１実施形態に係る高温試験装置における開口変位検出機構の説明図である。
【図５】第２実施形態に係る高温試験装置における開口変位検出機構の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明の第１実施形態に係る高温試験装置の正面図である。
【００１９】
この高温試験装置は、試験体２３に対して高温下で試験力を付与することにより試験体の破壊試験を行うためのものであり、試験体２３を収納可能な高温炉１６と、この高温炉１６内に進入して試験体２３を押圧するための治具である第１加圧棒２１および第２加圧棒２２と、第１加圧棒２１を介して試験体２３に押圧力を付与するクロスヘッド１１と、試験体２３に付与された試験力を検出するロードセル２６と、クロスヘッド１１と第１加圧棒２１との間に配設された弾性機構１３とを備える。
【００２０】
ロードセル２６は、装置の基台１８上に固定されている。また、クロスヘッド１１の両端部には、基台１８の左右に立設されたフレーム１２内に配置される一対のねじ棹と螺合する図示しないナット部が配設されている。そして、一対のねじ棹が図示しないモータの駆動で回転することにより、クロスヘッド１１は上下方向に移動する。すなわち、このクロスヘッド１１は、試験体２３に対する試験力の付与方向に移動することにより、高温炉１６内に収納された試験体２３に対して、治具を介して試験力を付与するための負荷機構として機能する。
【００２１】
なお、このようなクロスヘッド１１を使用して第１加圧棒２１に対して押圧力を付与する代わりに、第１加圧棒２１を直接押圧するその他のアクチュエータを使用してもよい。
【００２２】
高温炉１６は、チャンバー１５と、このチャンバー１５の周囲に形成された加熱部１４とから構成される。この高温炉１６には、チャンバー１５内にアルゴン等の不活性ガスを導入するための不活性ガス供給部１７が付設されている。
【００２３】
第２加圧棒２２は、支持台２８上に固定されており、その上端部は、高温炉１６のチャンバー１５内に進入している。同様に、第１加圧棒２１の下端部は、高温炉１６のチャンバー１５内に進入している。これらの第１加圧棒２１および第２加圧棒２２の材質としては、高温炉１６内の摂氏１５００度程度の雰囲気下でも影響を受けないように、例えば、黒鉛が使用される。そして、上述したように、高温炉１６のチャンバー１５内を不活性ガスによりパージすることで、第１、第２加圧棒２１、２２への高温時の酸化の影響を防止している。また、第２加圧棒２２の側方には、チャンバー１５内の温度を測定するための温度センサ（図示せず）が配設される。
【００２４】
支持台２８は、ロードセル２６上に配設されている。このため、ロードセル２６により、この支持台２８からロードセル２６に付与される押圧力を測定することで、試験体２３に付与された圧力を測定することが可能となる。
【００２５】
弾性機構１３は、クロスヘッド１１と第１加圧棒２１との間に配設され、クロスヘッド１１や第１加圧棒２１よりも剛性の低い圧縮ばね３３を備える。この弾性機構１３は、第１加圧棒２１および第２加圧棒２２が熱膨張により伸張することから、第１加圧棒２１を圧縮ばね３３により負荷方向とは逆方向に微動させ、試験体２３に付与する荷重の分解能を高め、荷重制御を高精度にするためのものである。
【００２６】
次に、この発明に係る高温試験装置において楔挿入割裂試験を行うときの試験体２３について説明する。図２は、楔挿入割裂試験に供される試験体２３の説明図である。
【００２７】
図２（ａ）に示すように、試験体２３は、略立方体であり、立方体の１面に溝４１と、この溝４１の底面から開口する切り欠き４２が形成されている。このような試験体２３に対して楔挿入割裂試験を行うときには、図２（ｂ）に示すように、溝４１に、第１加圧棒２１を介して荷重を受ける楔４５と、楔４５に第１加圧棒２１を介した荷重が加えられたときの力を切り欠き４２の開口を広げる力として伝達する一対の荷重伝達部材４３が配設される。また、楔４５と荷重伝達部材４３との間には、一対のコロ４４が配設される。そして、試験体２３の下面には、支点部材４６が配設される。楔挿入割裂試験では、高温炉１６内の治具間（この実施形態では第１加圧棒２１と第２加圧棒２２との間）に、楔４５の中心、切り欠き４２および支点部材４６が同一鉛直面状となるように試験体２３を配置する。
【００２８】
次に、この発明の特徴である開口変位検出機構について説明する。図３および図４は、この発明の第１実施形態に係る高温試験装置における開口変位検出機構の説明図である。図３は、試験体２３周辺の斜視図であり、図４は、開口変位検出機構の側面概要図である。なお、これらの図においては、第１加圧棒２１、第２加圧棒２２および高温炉１６の図示を省略している。
【００２９】
開口変位検出機構は、試験体２３に配設される一対の支持軸５１と、基準板５２と、移動板５５と、変位検出器５８とを備える。
【００３０】
この高温試験装置において試験体２３の開口変位を計測するためには、先ず、試験体２３の切り欠き４２の両側に、穴部４７を穿設する。この穴部４７は、支持軸５１を挿入して、支持軸５１を試験体２３に突設するためのものであり、試験体２３の強度に影響を及ぼさない程度に、切り欠き４２から所定の距離だけ離隔した対称な位置に２か所設けられる。支持軸５１は円柱部材であり、切り欠き４２を開く力が作用する方向と直交する方向に突出するように、試験体２３の側面に配設される。
【００３１】
穴部４７に挿入され、試験体２３に配設された支持軸５１には、基準板５２と移動板５５とが架設される。基準板５３は矩形の板であり、該矩形の１辺（板の下側端縁）において支持軸５１に当接する状態で、一対の支持軸５１上に支持されている。この基準板５２には、凹部５３が形成されている。この凹部５３には、棒部材５４が係合している。
【００３２】
一方、移動板５３は、楔形の先端Ｖ字部分が切り取られた略楔形の板であり、該楔形の対称な位置関係にある傾斜面となる２辺（楔形の傾斜した端縁）において支持軸５１に当接する。このように、移動板５３はその傾斜面が、一対の支持軸５１に係止される状態で支持されている。このため、移動板５５は、一対の支持軸５１間の距離が離れていくのにつれて、傾斜面の勾配に沿って、図３における下方に移動可能となっている。移動板５５には凹部５６が形成されており、この凹部５６には、棒部材５７が係合している。
【００３３】
棒部材５４、５７は、高温炉１６の外部に取出され、支持台２８を貫通して延設されている。図４に示すように、棒部材５４、５７はＬ字形状を有し、支持台２８内に位置する棒部材５４、５７のＬ字の水平部分の間には、変位検出器５８が配設されている。変位検出器５８は、棒部材５４、５７間の距離の変位を測定することにより試験体２３の開口変位を検出するためのものである。
【００３４】
以上のような構成を有する高温試験装置において試験を実行するときには、支持軸５１を配設した試験体２３を高温炉１６内における第１加圧棒２１と第２加圧棒２２との間に、楔４５の中心、切り欠き４２および支点部材４６が同一鉛直面状となるように配置し、さらに、基準板５２および移動板５５を一対の支持軸５１に載架する。これにより、試験体２３に開口変位検出機構が接続されたことになる。しかる後、クロスヘッド１１を図示しないモータの駆動により下降させることにより、試験体２３に高温加熱下で楔４５を挿入する。そのときに試験体２３に付与された押圧力がロードセル２６により測定される。また、そのときのチャンバー１５内の温度は、温度センサ２４により測定される。
【００３５】
クロスヘッド１１が下降すると、第１加圧棒２１により楔４５が押圧される。楔４５に与えられた荷重は、荷重伝達部材４３を介して、試験体２３の溝４１を押し広げる。これにより、切り欠き４２の両側に配設された一対の支持軸５１が互いに離隔する方向に移動する。そうすると、移動板５５の傾斜面が、一対の支持軸５１に対して滑り、移動板５５が下方に移動する。移動板５５が移動するのに伴って、移動板５５に係合接続されている棒部材５７も下降する。なお、試験体２３には、クロスヘッド１１の下降により、楔４５を介して負荷軸と平行な方向の圧縮荷重も与えられることから、基準板５２もまた、支持軸５１に支持された状態で、支持軸５１とともに下方に僅かに移動する。そして、基準板５２の移動に合わせて、基準板５２に係合接続されている棒部材５４も下方に移動する。このときの、棒部材５４と棒部材５７間の変位差は、変位検出器５８により検出される。
【００３６】
上述したように、棒部材５４と棒部材５７の移動は、試験体２３に配設された一対の支持軸５１の移動に対応する。そして、棒部材５７の移動量として現れる支持軸５１の移動は、主に試験体２３の切り欠き４２の開口が広がる変形に起因したものである。そして、棒部材５７の移動量は、棒部材５７が接続されている移動板５５の楔形の傾斜の割合（楔形の傾斜面が、切り欠き４２の開口が広がる方向に対してどの程度傾いているかという割合）により、一対の支持軸５１の移動量が増幅されたものである。すなわち、移動板５５の傾斜面の勾配が急であるほど、切り欠き４２の開口が広がる開口方向に対して垂直な方向となる移動板５５の移動量は大きくなる。したがって、変位検出器５８により計測される棒部材５４と棒部材５７との変位差を移動板５５の楔形の傾斜の割合で除すると、試験体２３の開口変位量を求めることができる。
【００３７】
第１実施形態においては以下の変形が可能である。第１実施形態では、試験体２３の１面に穴部４７を穿設して、一対の支持軸５１、基準板５２および移動板５５を配設したが、図３および図４に示した一対の支持軸５１等を配設した面の裏面側にも、穴部４７と同様の穴部を穿設して、一対の支持軸５１を配設してもよい。この変形例では、開口変位検出機構は、試験体２３に配設される一対の支持軸５１と、棒部材５４が配設された基準板５２と、棒部材５７が配設された移動板５５と、変位検出器５８を２セット備えることになる。したがって、試験体２３の開口変位量は、試験体２３の異なる２面から計測される変位をそれぞれ検出する２個の変位検出器５８の平均値により求めることになる。なお、このように試験体２３の互いに対向する面に一対の支持軸５１を配設する場合には、穴部４７を貫通孔とすることにより、２個の変位検出器５８間の検出誤差を低減することができる。
【００３８】
次に、この発明の他の実施形態について説明する。図５は、第２実施形態に係る高温試験装置における開口変位検出機構の説明図である。なお、上述した第１実施形態と同一の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００３９】
この実施形態における開口変位検出機構は、試験体２３に配設される一対の支持軸６１を備える。支持軸６１は、試験体２３の切り欠き４２の両側の２か所に穿設された貫通孔６７に挿入される円柱部材であり、図５に示すように、両端が試験体２３の側面から突出するように、試験体２３に配設される。そして、支持軸６１の試験体２３から突出した一方端には、基準板５２および移動板５５がそれぞれ架設され、他方端には、基準板６２および移動板６３が架設されている。なお、基準板６２および移動板６３は、基準板５２および移動板５５と同形部材である。
【００４０】
試験体２３に一対の支持軸６１を介して付設された基準板５２、６２には、棒部材６４が接続されている。また、試験体２３に一対の支持軸６１を介して付設された移動板５５、６３には、棒部材６５が接続されている。棒部材６４、６５は、高温炉１６の外部に取出され、支持台２８を貫通して延設されている。そして、支持台２８内の棒部材６４と棒部材６５との間には、変位検出器５８が配設されている。なお、棒部材６４は、第１実施形態におけるＬ字形状の棒部材５４の先端を、支持台２８内において互いに連結したものであり、棒部材６５は、第１実施形態におけるＬ字形状の棒部材５７の先端を、支持台２８内において互いに連結したものである。
【００４１】
このような開口変位検出機構を備えた高温試験装置により試験を実行するときには、支持軸６１を配設した試験体２３を高温炉１６内における第１加圧棒２１と第２加圧棒２２との間に、楔４５の中心、切り欠き４２および支点部材４６が同一鉛直面状となるように配置する。そして、試験体２３の互いに対向する２面にその端部が突出している一対の支持軸６１の一方端に基準板５２および移動板５５を載架し、他方端に基準板６２および移動板６３を載架する。これにより、試験体２３に開口変位検出機構が接続されたことになる。しかる後、クロスヘッド１１を図示しないモータの駆動により下降させることにより、試験体２３に高温加熱下で楔４５を挿入する。
【００４２】
クロスヘッド１１が下降すると、第１加圧棒２１により楔４５が押圧される。楔４５に与えられた荷重は、荷重伝達部材４３を介して、試験体２３の溝４１を押し広げる。これにより、切り欠き４２の両側に配設された一対の支持軸６１が互いに離隔する方向に移動する。そうすると、移動板５５、６３の傾斜面が、一対の支持軸６１に対して滑り、移動板５５、６３がそれぞれ下方に移動する。移動板５５、６３が移動するのに伴って、移動板５５、６３に係合接続されている棒部材６５も下降する。このときの、棒部材６４と棒部材６５間の変位差は、変位検出器５８により検出される。なお、変位検出器５８を、棒部材６４および棒部材６５の支持台２８内における中間点に配置することにより、変位検出器５８の検出値は、試験体２３の異なる２面からの検出値が平均化されたものとなる。そして、第１実施形態と同様に、変位検出器５８により測定される棒部材６４と棒部材６５との変位差を移動板５５、６３の楔形の傾斜の割合で除すると、試験体２３の開口変位量を求めることができる。
【００４３】
上述した第１、第２実施形態においては、治具の移動距離から間接的に試験体の開口変位を算出していた従来の高圧試験装置のように、変位検出値に治具の変形や試験体の圧縮変形に起因した変位量が重畳することがない。すなわち、上述したように、この発明に係る高温試験装置では、開口変位検出機構が、開口変位部の近辺の変位を計測可能な構成となっていることから、治具の変形や試験体の圧縮変形がキャンセルされた開口変位を計測することが可能である。
【００４４】
また、この発明の開口変位検出機構においては、試験体２３の切り欠き４２の開口方向の変位を、略楔形の移動板５５により開口方向と垂直な方向の移動量に増幅変換していることから、開口変位の検出精度を向上させることができる。
【符号の説明】
【００４５】
１１      クロスヘッド
１３      弾性機構
１４      加熱部
１５      チャンバー
１６      高温炉
１７      不活性ガス供給部
１８      基台
２１      第１加圧棒
２２      第２加圧棒
２３      試験体
２６      ロードセル
２８      支持台
３３      圧縮ばね
４１      溝
４２      切り欠き
４３      荷重伝達部材
４４      コロ
４５      楔
４６      支点部材
５１      支持軸
５２      基準板
５３      凹部
５４      棒部材
５５      移動板
５６      凹部
５７      棒部材
５８      変位検出器
６１      支持軸
６２      基準板
６３      移動板
６４      棒部材
６５      棒部材
【図１】
2013217693.tif 000003
【図２】
2013217693.tif 000004
【図３】
2013217693.tif 000005
【図４】
2013217693.tif 000006
【図５】
2013217693.tif 000007