(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
切欠き部を有し該切欠き部の先端に予き裂を形成した試験片を荷重負荷装置の荷重負荷部に装着すると共に、試験片の切欠き部にき裂開口変位センサを装着し、
前記荷重負荷装置に荷重を発生させて試験片のき裂開口変位を増大させる方向へ前記荷重負荷部を変位させ、
前記き裂開口変位センサの出力によって示された試験片のき裂開口変位が複数の所定レベルの各々に達する毎に前記荷重負荷装置の除荷とそれに続く荷重回復とを行い、その除荷の際の荷重及びき裂開口変位の関係からコンプライアンス値を求めることで、Ｊ1C試験において試験片の材料のＪ1C値を求めるのに用いる複数のコンプライアンス値を算出するに当たり、
前記荷重負荷部の変位の実測値と目標値との比較に基づくフィードバック制御によって前記荷重負荷部の変位を制御すると共に、コンプライアンス値を求めるための前記除荷及び前記荷重回復のシーケンスのトリガを、前記荷重負荷部の変位の制御とは別個に、前記き裂開口変位センサの出力によって示された試験片のき裂開口変位が前記複数の所定レベルの各々に達する毎に行うようにした、
ことを特徴とするＪ1C試験における試験片の荷重負荷制御方法。
【請求項２】
切欠き部を有し該切欠き部の先端に予き裂を形成した試験片を装着する荷重負荷部を有する荷重負荷装置と、
前記荷重負荷部の変位を検出する荷重負荷部変位センサと、
前記荷重負荷部から試験片に加わる荷重を検出する荷重センサと、
試験片の切欠き部に装着するき裂開口変位センサと、
前記荷重センサ及び前記き裂開口変位センサの出力を記録する記録装置と、
前記荷重負荷部変位センサ及び前記き裂開口変位センサの出力と、予め設定されたき裂開口変位の複数の所定レベルとに基づいて前記荷重負荷装置を制御する制御装置であって、前記き裂開口変位センサの出力によって示された試験片のき裂開口変位が前記複数の所定レベルの各々に達する毎に前記荷重負荷装置の除荷とそれに続く荷重回復とを行うように前記荷重負荷装置を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記荷重負荷部の変位の実測値と目標値との比較に基づくフィードバック制御によって前記荷重負荷部の変位を制御すると共に、コンプライアンス値を求めるための前記除荷及び前記荷重回復のシーケンスのトリガを、前記荷重負荷部の変位の制御とは別個に、前記き裂開口変位センサの出力によって示された試験片のき裂開口変位が前記複数の所定レベルの各々に達する毎に行うように構成されている、
ことを特徴とするＪ1C試験システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料の破壊靱性の評価に用いられるＪ1C値を求めるためのＪ1C試験における試験片の荷重負荷を制御する方法及びＪ1C試験システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
材料の破壊の仕方は、その材料の材質、寸法、形状、温度等によって様々であり、ある材料の破壊靱性を評価するための値としてどのようなものが適しているかは、その材料の破壊の仕方に応じて定まる。
【０００３】
例えば、材料の破壊は多くの場合き裂が材料中を進展することによって発生するが、そのき裂の進展に伴って大規模破壊状態が発生する材料の破壊靱性を評価するために用いる値としては、き裂先端近傍の弾塑性応力−ひずみ場を記述する力学的パラメータであるＪ積分値が適している。
【０００４】
そして、材料が示す最小の破壊抵抗としての限界Ｊ積分値によってその材料の破壊靱性を評価するということが広く一般的に行われている。この限界Ｊ積分値は、き裂先端を起点とする破壊が発生し始めるＪ積分値であり、弾塑性破壊靱性値と呼ばれることもあり、また、より一般的には、Ｊ1C値と呼ばれている。
【０００５】
Ｊ1C値の求め方としては、切欠き部を有しその切欠き部の先端に予き裂を形成した試験片に荷重を負荷してき裂を成長させる試験を行い、その結果から、き裂先端塑性鈍化直線（単に鈍化直線と呼ばれることが多い）と、安定破壊抵抗曲線（Ｒ曲線と呼ばれる）とをプロットし、それら２本の曲線の交点のＪ積分値をもってＪ1C値とする方法が一般的であり、このような試験は、Ｊ1C破壊靱性試験または単にＪ1C試験と呼ばれている。
【０００６】
更に詳しく説明すると、Ｊ1C試験では、上述のごとき試験片のき裂を成長させる方向に荷重を負荷し、その荷重の大きさと、その荷重の負荷によって発生したき裂開口変位と、その荷重の負荷によって発生したき裂長さ増分とをデータとして収集し、それらに加えて更に、初期き裂長さをデータとして使用することで、Ｊ積分値を算出する。
【０００７】
そして、き裂長さ増分の値とそれに対応したＪ積分値とを座標とする点を幾つもプロットすることで、上述の２つの曲線を得るようにしている。
【０００８】
初期き裂長さは、試験片を最終的に破断させて電子顕微鏡で破面を観察することによって正確に実測することができる。
【０００９】
かつては、き裂長さ増分も同様に破面を観察することで実測していたが、そのようにすると、上述の点を１個プロットする毎に１個の試験片が必要になるため、１つのＪ1C値を求めるのに多数の試験片が必要であった。
【００１０】
従って、多数の試験片を荷重負荷装置に着脱するのに時間を要し、また、試験片の着脱を自動化しようとすると大がかりな装置が必要でり、更には、電子顕微鏡で破面を観察してき裂長さ増分を実測するのにも時間がかかっていた。
【００１１】
これらの不都合を解消し、試験片を１個使用するだけで、Ｊ1C値を求めるための曲線をプロットするのに必要なデータが得られるようにした方法として、除荷コンプライアンス法が提案され、現在では広く利用されている。
【００１２】
除荷コンプライアンス法が上述の方法と異なる点は、試験片のき裂開口変位が複数の所定レベルの各々に達する毎に荷重負荷装置の除荷とそれに続く荷重回復とを行い、その除荷の際の、荷重とき裂開口変位との関係からコンプライアンス値を求めることによって、複数のコンプライアンス値を算出し、それら複数のコンプライアンス値と、試験片に加わる荷重及び試験片のき裂開口変位の値と、試験片の初期き裂長さの値とから、各々のコンプライアンス値に対応したき裂長さ増分及びＪ積分の値を求めるという点である。
【００１３】
こうして求めたき裂長さ増分値とＪ積分値との関係をプロットすることで上述の２つの曲線が得られる。
【００１４】
即ち、除荷コンプライアンス法では、き裂長さ増分を求めるのに、それを実測するのではなく、除荷によって求めたコンプライアンス値に基づいて算出するようにしている。そのため、コンプライアンス値を求めるために使用する、試験片に加わる荷重及び試験片のき裂開口変位の測定精度が、最終的に得られるＪ1C値の精度に影響してくる。
【００１５】
これら２つの値のうち、試験片に加わる荷重は、荷重負荷装置の発生荷重を測定することで容易に高精度に測定することができるが、一方、き裂開口変位を高精度で測定することはそれほど容易ではない。
【００１６】
即ち、荷重負荷装置の荷重負荷部（チャック・ピン部）から加わる荷重によって、試験片の取付孔（チャック・ピン挿通孔）が変形するのが普通であるため、容易に測定できる荷重負荷部の変位の測定値をもってき裂開口変位の測定値としたのでは、測定誤差が大きすぎて用をなさない。
【００１７】
そのため、例えば図１に示すような、クリップ・ゲージを用いたき裂開口変位センサ３０を使用し、このき裂開口変位センサ３０の計測部であるクリップ・アーム３０ａ、３０ｂの先端部を、荷重線上において試験片１６に係合させることでき裂開口変位を測定するようにしている。
【００１８】
一方、除荷コンプライアンス法は、き裂開口変位が幾つもの所定レベルに達する毎に除荷及び荷重回復のシーケンスを反復して実行するため、荷重負荷装置の操作を手作業で行うのは面倒であることから、除荷コンプライアンス法によって行う測定操作は通常自動化されている。
【００１９】
この自動測定操作を実行するための従来の制御系では、試験片に装着したき裂開口変位センサの出力によって表されているき裂開口変位を制御装置がモニタし、そのき裂開口変位が複数の所定レベルの各々に達する毎に、除荷及び荷重回復のシーケンスの実行を開始する（即ち、そのシーケンスをトリガする）ようにしていた。
【００２０】
また、除荷及び荷重回復のシーケンスにおいても、除荷に伴うき裂開口変位の減少量をモニタし、その減少量が所定値に達したならば除荷から荷重回復へ転換するようにしていた。即ち、除荷及び荷重回復のシーケンスそれ自体も、き裂開口変位センサからの出力に基づいて行っていた。
【００２１】
このような制御系は、試験片に装着したき裂開口変位センサの出力に基づいて自動測定操作を制御しているため、制御の精度という点に関しては良好なものであった。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
従って、除荷コンプライアンス法に従って試験を実行する自動化したＪ1C試験システムに用いられていた従来の制御系は、試験片に装着したき裂開口変位センサからの出力をフィードバックするフィードバック制御系として構成されていたが、このような制御系には次のような問題があった。
【００２３】
即ち、上述の構成においては、き裂開口変位センサを試験片の切欠き部に直接係止しているため、試験が進行してき裂開口変位が広くなったときに、そのき裂開口変位センサが試験片から脱落するおそれがある。
【００２４】
しかも、き裂開口変位センサはき裂開口変位の微細な変化を高精度で測定するためのセンサであるため、脱落しないように試験片にしっかりと取り付けたのでは測定精度が低下して用をなさなくなる。
【００２５】
試験片からき裂開口変位センサが脱落すると、き裂開口変位センサとしてクリップ・ゲージを使用している場合には、そのクリップ・アームが開きっぱなしになるため、そのき裂開口変位センサからの出力によって表されているき裂開口変位の値が、非常に大きな値に固定されることになる。
【００２６】
このようになると、フィードバック制御系が暴走し、その結果、制御されている荷重負荷装置が試験片のき裂開口を減少させる方向である圧縮方向に暴走するという事態が発生する。また特に、試験片を高温炉中に設置して試験を行っている場合には、その炉体を損傷するおそれもある。
【００２７】
本発明は前記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、切欠き部を有しその切欠き部の先端に予き裂を形成した試験片を荷重負荷装置に装着すると共に、その試験片の切欠き部にき裂開口変位センサを装着し、除荷コンプライアンス法に従って実行する自動化したＪ1C試験において、試験片に荷重負荷をかけ、或は、除荷するに当たり、その試験中にき裂開口変位センサが試験片から脱落した場合にも、荷重負荷装置の制御が暴走するおそれがなく、しかもコンプライアンス値の算出を、き裂開口変位のレベルを正確に分割した一定間隔で行うことのできる、Ｊ1C試験における試験片の荷重負荷制御方法及びＪ1C試験システムを提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成する請求項１に記載した本発明は、Ｊ1C試験における試験片の荷重負荷制御方法に関するものであり、また、請求項２に記載した本発明は、Ｊ1C試験システムに関するものである。
【００２９】
そして、請求項１に記載した本発明のＪ1C試験における試験片の荷重負荷制御方法は、切欠き部を有し該切欠き部の先端に予き裂を形成した試験片を荷重負荷装置の荷重負荷部に装着すると共に、試験片の切欠き部にき裂開口変位センサを装着し、前記荷重負荷装置に荷重を発生させて試験片のき裂開口変位が増大する方向に前記荷重負荷部を変位させ、前記き裂開口変位センサの出力によって示された試験片のき裂開口変位が複数の所定レベルの各々に達する毎に前記荷重負荷装置の除荷とそれに続く荷重回復とを行い、その除荷の際の荷重及びき裂開口変位の関係からコンプライアンス値を求めることで、Ｊ1C試験において試験片の材料のＪ1C値を求めるのに用いる複数のコンプライアンス値を算出するに当たり、前記荷重負荷部の変位の実測値と目標値との比較に基づくフィードバック制御によって前記荷重負荷部の変位を制御すると共に、コンプライアンス値を求めるための前記除荷及び前記荷重回復のシーケンスのトリガを、前記荷重負荷部の変位の制御とは別個に、前記き裂開口変位センサの出力によって示された試験片のき裂開口変位が前記複数の所定レベルの各々に達する毎に行うようにしたことを特徴とする。
【００３０】
また、請求項２に記載した本発明のＪ1C試験システムは、切欠き部を有し該切欠き部の先端に予き裂を形成した試験片を装着する荷重負荷部を有する荷重負荷装置と、前記荷重負荷部の変位を検出する荷重負荷部変位センサと、前記荷重負荷部から試験片に加わる荷重を検出する荷重センサと、試験片の切欠き部に装着するき裂開口変位センサと、前記荷重センサ及び前記き裂開口変位センサの出力を記録する記録装置と、前記荷重負荷部変位センサ及び前記き裂開口変位センサの出力と、予め設定されたき裂開口変位の複数の所定レベルとに基づいて前記荷重負荷装置を制御する制御装置であって、前記き裂開口変位センサの出力によって示された試験片のき裂開口変位が前記複数の所定レベルの各々に達する毎に前記荷重負荷装置の除荷とそれに続く荷重回復とを行うように前記荷重負荷装置を制御するようにした制御装置とを備え、前記制御装置が、前記荷重負荷部の変位の実測値と目標値との比較に基づくフィードバック制御によって前記荷重負荷部の変位を制御すると共に、コンプライアンス値を求めるための前記除荷及び前記荷重回復のシーケンスのトリガを、前記荷重負荷部の変位の制御とは別個に、前記き裂開口変位センサの出力によって示された試験片のき裂開口変位が前記複数の所定レベルの各々に達する毎に行うように構成されていることを特徴とする。
【００３１】
請求項１に記載した本発明のＪ1C試験における試験片の荷重負荷制御方法、並びに請求項２に記載した本発明のＪ1C試験システムよれば、試験中にき裂開口変位センサが試験片から脱落した場合でも、荷重負荷部の制御が暴走するおそれが皆無であり、しかも、コンプライアンス値を算出するための除荷及び荷重回復のシーケンスは、き裂開口変位センサの出力によって示されたき裂開口変位に基づいてトリガされるため、複数のコンプライアンス値の算出を、き裂開口変位のレベルを正確に分割した一定間隔で行うことも可能となる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかるＪ1C試験における試験片の荷重負荷制御方法及びＪ1C試験システムの実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３３】
図１は、本発明の一実施形態にかかるＪ1C試験システムの要部を示す一部ブロック図とした模式図であり、このＪ1C試験システムは荷重負荷装置１０を備えている。図中には荷重負荷装置１０のうちの、荷重負荷部１２と油圧アクチュエータ１４とが示されている。
【００３４】
荷重負荷部１２は、可動側荷重負荷部１２ａと固定側荷重負荷部１２ｂとで構成されており、油圧アクチュエータ１４が可動側荷重負荷部１２ａを矢印Ｄで示したように上下方向に駆動することによって、可動側荷重負荷部１２ａと固定側荷重負荷部１２ｂとの間隔が変化する。この間隔の変化を以下の説明においては荷重負荷部１２の変位と呼び、ＤＩＳＰで表す。
【００３５】
図１では、荷重負荷部１２に試験片１６が装着されている。この図示例の試験片１６は、いわゆるコンパクト試験片であるが、ただし本発明はその他の種類の試験片を使用する場合にも適用可能である。
【００３６】
試験片１６には２個の取付孔１８、２０が形成されており、それら取付孔１８、２０に挿通されたチャック・ピンによって荷重負荷部１２に装着されている。試験片１６は切欠き部２２を有し、この切欠き部２２の先端にき裂（予き裂）２４が形成されている。
【００３７】
予き裂２４は、別の振動荷重負荷装置で試験片１６に振動荷重を加えて疲労破壊を発生させることで予め形成しておくようにしてもよく、また、荷重負荷装置１０が加振機能を備えている場合には、荷重負荷装置１０に装着した試験片１６に振動荷重を加えることで形成するようにしてもよい。
【００３８】
上下の取付孔１８及び２０の中心を結んだ線が荷重線であり、この荷重線から予き裂２４の先端までの距離Ｌが初期き裂長さである。
【００３９】
荷重負荷装置１０には、荷重負荷部１２の変位ＤＩＳＰを検出して、その変位ＤＩＳＰを表す信号を出力する荷重負荷部変位センサ２６が装備されており、この変位センサ２６は、例えば、プローブ部が可動側荷重負荷部１２ａの一部に係合するように配設したマイクロメータと、そのマイクロメータの読みを電気的信号に変換する変換器とで構成することができる。
【００４０】
荷重負荷装置１０には更に、荷重負荷部１２から試験片１６に加わる荷重Ｆを検出してその荷重Ｆを表す信号を出力する荷重センサ２８が装備されており、この荷重センサ２８は、例えば、可動側荷重負荷部１２ａに取り付けたロードセル等で構成することができる。
【００４１】
試験片１６の切欠き部２２には、試験の開始に先立って、き裂開口変位センサ３０が装着される。図示例では、き裂開口変位センサ３０としてクリップ・ゲージを使用しており、このクリップ・ゲージは、一対のクリップ・アーム３０ａ、３０ｂを有する。
【００４２】
クリップ・アーム３０ａ、３０ｂは弾性を有する金属板で形成されており、その両面にひずみゲージが貼着されている。このような構造のクリップ・ゲージは当業界では周知のものである。
【００４３】
このき裂開口変位センサ３０の計測部であるクリップ・アーム３０ａ、３０ｂの先端部を、それらアームの弾性を利用して、荷重線上において試験片１６に係止することで、試験片１６のき裂開口変位ＣＯＤを正確に測定できるようにしている。また、測定されたき裂開口変位ＣＯＤを表す信号が、このき裂開口変位センサ３０から出力される。
【００４４】
荷重センサ２８の出力（荷重Ｆ）と、き裂開口変位センサ３０の出力（き裂開口変位ＣＯＤ）とは、それら出力を記録するための記録装置３２に入力されている。この記録装置３２は、Ｘ−Ｙプロッタ等の装置としてもよく、或いは、入力値をデータとして記録するための適当なソフトウェアをインストールしたコンピュータで構成してもよい。
【００４５】
また、次に説明する制御装置３４をコンピュータを用いて構成する場合には、この記録装置３２とその制御装置３４とを同一のコンピュータの同一のソフトウェアによって構成するようにしてもよい。
【００４６】
記録装置３２をＸ−Ｙプロッタで構成し、き裂開口変位ＣＯＤをＸ値とし、荷重ＦをＹ値として入力した場合には、例えば、図５に示すような曲線が描き出される。記録装置３２をコンピュータとソフトウェアとで構成した場合には、コンピュータ画面上に図５のようなグラフを描き出させることも可能である。
【００４７】
制御装置３４は、荷重負荷部変位センサ２６からの出力ＤＩＳＰと、き裂開口変位センサ３０からの出力ＣＯＤと、予め設定されたき裂開口変位の複数の所定レベルとに基づいて、油圧アクチュエータ１４を制御することで、Ｊ1C試験の実行に必要な荷重負荷装置１０の制御を行うものである。
【００４８】
制御装置３４には更に、荷重センサ２８からの出力Ｆも入力されているが、これは荷重Ｆに基づいた制御を行う場合に備えたものであって、ここで説明する本発明の一実施形態にかかるＪ1C試験方法には直接関係しない。
【００４９】
ただし上で触れたように、この制御装置３４は、制御のための適当なソフトウェアをインストールしたコンピュータと、適当なインタフェースとの組み合わせで構成することができ、その場合には記録装置３２と組み合わせると好都合であり、その場合には、荷重Ｆの値をデータとして格納するために入力させる必要がある。また、制御装置３４はハードウェアで構成することも可能であるが、以下の説明ではコンピュータを用いて構成した場合について説明して行く。
【００５０】
制御装置３４が具体的にどのような制御を実行するものであるかは、後に本発明の一実施形態にかかるＪ1C試験方法について説明する中で明らかになるため、ここではその制御の概要だけを述べておくことにする。
【００５１】
先ず、制御装置３４は  荷重負荷部変位センサ２６及びき裂開口変位センサ３０の出力と予め設定されたき裂開口変位の複数の所定レベルとに基づいて、荷重負荷装置１０を制御する。
【００５２】
そして、き裂開口変位センサ３０の出力によって示された試験片１６のき裂開口変位（ＣＯＤ）が前記複数の所定レベルの各々に達する毎に、荷重負荷装置１０の除荷とそれに続く荷重回復とを行うように荷重負荷装置１０を制御する。
【００５３】
また、制御装置３４は、荷重負荷部１２の変位の実測値（ＤＩＳＰ、図４の（ｂ）参照）と目標値（ＤＩＳＰ0 、図４の（ａ）参照）との比較に基づくフィードバック制御によって、荷重負荷部１２の変位を制御する。
【００５４】
更に、制御装置３４は、き裂開口変位センサ３０の出力によって示された試験片１６のき裂開口変位（ＣＯＤ）が前記複数の所定レベルの各々に達する毎に、コンプライアンス値を求めるための除荷及び荷重回復のシーケンスをトリガする。
【００５５】
これより、本発明の一実施形態にかかるＪ1C試験方法について図２〜図６を参照しつつ説明して行く。制御装置３４が実行する具体的な制御も、その説明中で明らかにする。
【００５６】
尚、図２及び図３は、図１の制御装置３４が実行する制御を示すフローチャートであり、図４の（ａ）は、時間に対する荷重負荷部の変位の目標値の変化を示したグラフであり、図４の（ｂ）は、時間に対する荷重負荷部の変位の実測値の変化を示したグラフであり、図５は、き裂開口変位センサの出力ＣＯＤを横軸に取り、荷重センサの出力Ｆを基に割り出される試験片１６に加わる荷重Ｗを縦軸に取ったグラフである。
【００５７】
また、図６は、き裂長さ増分Δａを横軸に取りＪ積分値を縦軸に取ったグラフであって、鈍化直線と、Ｒ曲線と、それらの交点のＪ積分値であるＪ1C値とを示した図である。
【００５８】
制御装置３４が実行する制御は、除荷コンプライアンス法を用いたＪ1C試験を自動的に実行するための制御であるため、ここで先に、除荷コンプライアンス法の概要を説明しておくことが、個々の制御動作の意味を理解するのに役立つと思われる。
【００５９】
除荷コンプライアンス法においては、試験片のき裂開口変位（ＣＯＤ）が複数の所定レベルの各々に達する毎に荷重負荷装置の除荷とそれに続く荷重回復とを行い、その除荷の際の荷重及びき裂開口変位の関係から（より詳しくは、荷重−き裂開口変位曲線の傾きとして）コンプライアンス値を求めることで、複数のコンプライアンス値を算出する。
【００６０】
そして、それら複数のコンプライアンス値と、試験片に加わる荷重及び試験片のき裂開口変位の値と、試験片の初期き裂長さの値とから、各々のコンプライアンス値に対応したき裂長さ増分及びＪ積分の値を求める。
【００６１】
そして更に、こうして求めたき裂長さ増分値とＪ積分値との関係をプロットすることで、鈍化曲線とＲ曲線とを求め、それらの交点のＪ積分値としてＪ1C値を得る。
【００６２】
制御装置３４が実行する制御は、以上のうちの、荷重負荷装置１０を操作する部分の制御であり、必要なデータの格納や、コンプライアンス値、き裂長さ増分値、及びＪ積分値を算出するデータ処理は、制御装置３４とは別体のデータ格納装置ないしデータ処理装置に行わせればよい。
【００６３】
ただし図示例では、制御装置３４をコンピュータを用いて構成しているため、そのコンピュータによってデータ格納やデータ処理を併せて行うようにすると好都合である。
【００６４】
本発明は、それらデータ格納装置やデータ処理装置を装備した構成と装備しない構成とのどちらも包含するものである。
【００６５】
試験片１６を荷重負荷装置１０の荷重負荷部１２に装着し、そしてその試験片１６の切欠き部２２にき裂開口変位センサ３０を装着したならば、制御装置３４による制御が開始される。
【００６６】
制御装置３４の制御に関して、オペレータは、コンプライアンス値を算出するための除荷及び荷重回復のシーケンスをき裂開口変位がどのレベルに達したときに開始すべきかを設定する必要がある（ただし、同一材料の試験を頻繁に行う場合には、そのシーケンスを開始すべきき裂開口変位のレベルをデフォールト値として予め制御装置３４に組み込んでおくようにしてもよい。この点に関しては以下の入力データについても同様である）。
【００６７】
この場合、該当するき裂開口変位のレベルの値そのものをオペレータが入力するようにしてもよいが、ただし、コンプライアンス値算出のためのシーケンスを実行する全回数ｎ0 や、そのき裂開口変位のレベルの間隔ΔＣＯＤをデータとして入力し、実際のき裂開口レベルの値は制御装置３４内で算出するようにすると使い勝手がよい。
【００６８】
また、材料によっては、荷重負荷装置１０の除荷を開始する前に、試験片１６のうちの荷重の負荷によって塑性変形した部分の応力を緩和するために、荷重負荷部１２を適当な時間に亘って停止状態に保持することが必要なものがある。この保持時間Ｔ0 （秒）も、必要に応じてオペレータが入力する。
【００６９】
また、荷重負荷装置１０に荷重を発生させて、試験片１６のき裂開口変位を増大させる方向へ荷重負荷部１２を変位させる際の速度ＳＰＤも、デフォールト値では不都合な場合にはオペレータが入力する必要がある。
【００７０】
更に、除荷を行って荷重負荷部１２を試験片１６のき裂開口変位を減少させる方向へ変位させる際のストロークΔＤＩＳＰ0 も、デフォールト値で不都合な場合にはオペレータが入力する。
【００７１】
これより図２及び図３のフローチャートに沿って説明を進めて行く。制御装置３２は、制御の開始に先立って、上述の設定値ｎ0 、ΔＣＯＤ、Ｔ0 、ΔＤＩＳＰ0 、及びＳＰＤのうちの必要なものをオペレータに入力させるための設定画面をコンピュータのディスプレイに表示する（ステップＳ１）。続いて、変数ｎを初期化して「１」に設定し、また、コンプライアンス値の算出を行うべきき裂開口変位のレベルを表す変数ＣＯＤ0 を「ΔＣＯＤ」に設定する（ステップＳ３）。
【００７２】
制御装置３４は、荷重負荷装置１０の制御を開始したならば、先ず、荷重負荷装置１０に荷重を発生させて試験片１６のき裂開口変位ＣＯＤを増大させる方向へ荷重負荷部１２を変位させる（ステップＳ５）。より詳しくは、可動側荷重負荷部１２ａを図１の上方へ変位させる。
【００７３】
また、これは、変位センサ２６からの出力によって示される荷重負荷部１２の変位の実測値ＤＩＳＰと、その変位の目標値ＤＩＳＰ0 との比較に基づくフィードバック制御によって行う（以下、これを「ＤＩＳＰフィードバック制御」という）。
【００７４】
ここで実行するＤＩＳＰフィードバック制御は荷重負荷部１２を一定速度（即ち、オペレータが入力した変位速度ＳＰＤ）で変位させるような制御であり、従ってここでは、目標値ＤＩＳＰ0 は制御開始からの経過時間ｔのランプ関数（＝ＳＰＤ×ｔ）で表され、図４の（ａ）に示すように変化する。
【００７５】
制御装置３４は、以上のようにして荷重負荷部１２を一定速度ＳＰＤで変位させながら、き裂開口変位センサ３０からの出力によって示される試験片１６のき裂開口変位の実測値ＣＯＤを連続的にモニタして、その実測値ＣＯＤがステップＳ３で設定した変数ＣＯＤ0 に達するのを待つ（ステップＳ７）。
【００７６】
そして、実測値ＣＯＤが変数ＣＯＤ0 に達したならば、荷重負荷部１２を一定速度でＳＰＤで変位させるＤＩＳＰフィードバック制御を停止して（ステップＳ９）、前述の除荷及び荷重回復のシーケンスに入る（ステップＳ１１）。このシーケンスを更に詳細に示したものが図３のサブルーチンのフローチャートである。
【００７７】
図３に示すように、除荷及び荷重回復のシーケンスに入ったならば、制御装置３４は、試験片１６のうちの、荷重を負荷することによって塑性変形した部分の応力を緩和するために、荷重負荷部１２を時間Ｔ0 （秒）に亙って停止状態に保持する（ステップＳ１１ａ）。この時間が経過したならば、除荷を開始する（ステップＳ１１ｂ）。
【００７８】
この除荷は、荷重負荷装置１０の発生荷重を低下させて、試験片１６のき裂開口変位を減少させる方向へ荷重負荷部１２を変位させることによって行う。また、この除荷においても、ＤＩＳＰフィードバック制御によって、荷重負荷部１２を一定速度で変位させるようにしている。
【００７９】
この速度は、一般的には、前述の速度ＳＰＤよりも高速とし、制御装置３４に予め組み込んであるデフォールトの速度を用いるが、ただしこの速度をオペレータが設定できるようにしてもよい。
【００８０】
制御装置３４は、以上のようにして荷重負荷部１２を一定速度で変位させる除荷を実行しながら、荷重負荷部変位センサ２６からの出力によって示されているその荷重負荷部１２の変位ＤＩＳＰがこの除荷の開始の時点から減少した量である減少量ΔＤＩＳＰをモニタして、その減少量ΔＤＩＳＰが、オペレータが設定したストロークΔＤＩＳＰ0 に達するのを待つ（ステップＳ１１ｃ）。
【００８１】
そして、この減少量ΔＤＩＳＰがストロークΔＤＩＳＰ0 に達したならば、荷重回復を開始する（ステップＳ１１ｄ）。この荷重回復は、荷重負荷装置１０に荷重を発生させて、試験片１６のき裂開口変位を増大させる方向へ荷重負荷部１２を変位させることによって行う。また、この荷重回復においても、ＤＩＳＰフィードバック制御によって、荷重負荷部１２を一定速度で変位させるようにしている。
【００８２】
この速度は除荷の場合と同様に、一般的には、前述の速度ＳＰＤよりも高速とし、制御装置３４に予め組み込んであるデフォールトの速度を用いるが、ただしこの速度をオペレータが設定できるようにしてもよい。
【００８３】
図示例では、除荷と荷重回復とのいずれにおいても、荷重負荷部１２の変位速度を前述の速度ＳＰＤよりかなり高速にしているため、除荷及び荷重回復のシーケンスが終了したならば、前述のランプ関数（＝ＳＰＤ×ｔ）を目標値としたＤＩＳＰフィードバック制御（ステップＳ５で開始しステップＳ９で停止した制御）に復帰することができる。
【００８４】
そのために、制御装置３４は、荷重回復を実行しながら、荷重負荷部変位センサ２６からの出力によって示されている荷重負荷部１２の変位ＤＩＳＰをモニタして、その変位ＤＩＳＰが、前述のランプ関数で表されている目標値ＤＩＳＰ0 （＝ＳＰＤ×ｔ）に追い付くのを待つ（ステップＳ１１ｅ）。
【００８５】
荷重負荷部１２の変位ＤＩＳＰが目標値ＤＩＳＰ0 に追い付いたならば、その時点で除荷及び荷重回復のシーケンスは終了し（ステップＳ１１ｆ）、続いて制御装置３４は、図２のステップＳ１３の制御を実行する。
【００８６】
ここでは、変数ｎが、除荷及び荷重回復のシーケンスを実行する全回数ｎ0 に達したか否かを判定する。達していなかったならば、変数ｎを「１」だけインクリメントし、また前述の変数ＣＯＤ0 をΔＣＯＤだけインクリメントすることで、コンプライアンス値算出のための除荷及び荷重回復のシーケンスを次に実行すべき対象であるき裂開口変位のレベルを更新する（ステップＳ１５）。
【００８７】
この後、制御の流れはステップＳ１５からステップＳ５へ戻ってループし、以上に説明した制御動作を繰り返す。その繰返しによって、荷重負荷部１２の実際の変位ＤＩＳＰは、図４の（ｂ）に示すように変化する。同図において、そのグラフの曲線の、下方に突出した三角形のつらら状部分３７が、除荷及び荷重回復のシーケンスに対応している。
【００８８】
また、以上の繰返しによって、記録装置３２は図５に示すようなグラフを描き出す。同図において、グラフの連続した曲線から斜め下方に突出した短い線分３８が、除荷及び荷重回復のシーケンスに対応しており、また、それら線分３８の傾きが、求めるべきコンプライアンス値を表している。
【００８９】
一方、ステップＳ１３において、変数ｎがｎ0 に等しかったならば、それは、実行すべき回数の除荷及び荷重回復のシーケンスが全て実行されたことを表しており、この場合には、処理の流れはステップＳ１７へ進み、そこで試験を終了させるのに必要な動作を荷重負荷装置１０に行わせる終了シーケンスを実行した後に、制御を終了する。
【００９０】
この終了シーケンスは、例えば、試験終了後に試験片１６の破面を電子顕微鏡で観察する必要がある場合ならば、荷重負荷部１２を充分大きく変位させて試験片１６を完全に破断させた後に、可動側荷重負荷部１２ａをホームポジションに復帰させて、荷重負荷装置１０の動作を停止させるシーケンスとすればよい。
【００９１】
既述のごとく、以上の試験操作中に得られる荷重Ｆ、変位ＤＩＳＰ、及びき裂開口変位ＣＯＤの夫々の値は、制御装置３４または別体のデータ格納装置に格納される。そして、試験操作の終了後に、制御装置３４または別体のデータ処理装置がそれらデータを読み出し、読み出したそれらデータと、更に追加して入力される試験片１６の初期き裂長さの値とに基づいて、コンプライアンス値、き裂長さ増分値、そしてＪ積分値を算出する。
【００９２】
そして更に、図６に示すように、き裂長さ増分値とＪ積分値との関係をプロットして鈍化直線とＲ曲線とを求め、それら２つの曲線の交点のＪ積分値として試験片１６の材料のＪ1C値を得る。
【００９３】
本発明のＪ1C試験方法及びＪ1C試験システムの特筆すべき特徴の１つは、図４の（ｂ）にグラフで示した荷重負荷部１２の実際の変位ＤＩＳＰが、除荷及び荷重回復のシーケンスの部分も、またそうでない部分も含めて全て、この実際の変位ＤＩＳＰ（即ち、変位の実測値）と目標値との比較に基づくＤＩＳＰフィードバック制御によって、制御されているということがある。
【００９４】
従って、測定精度を必要とするために強固に取り付けることのできないクリップ・ゲージを用いたき裂開口変位センサ３０が、万一、試験片１６から外れて脱落してしまった場合であっても、それによって荷重負荷装置１０の制御が暴走するということがない。
【００９５】
より詳しく説明すると、き裂開口変位センサ３０であるクリップ・ゲージが試験片１６から脱落したために、そのクリップ・アーム３０ａ、３０ｂが開きっぱなしになったならば、このき裂開口変位センサ３０からの出力によって示される試験片１６のき裂開口変位ＣＯＤは、非常に大きな一定の値に固定されることになる。
【００９６】
この場合に、図２及び図３のフローチャートに示した制御シーケンスによれば、変数ｎがｎ0 になるまで、ステップＳ１１の（即ち、ステップＳ１１ａ〜Ｓ１１ｆの）除荷及び荷重回復のシーケンスが続けざまに実行された後に、処理の流れが終了シーケンス（ステップＳ１７）へ入って、荷重負荷装置１０の運転が停止されるため、荷重負荷装置１０の制御が暴走することはない。
【００９７】
本発明のＪ1C試験方法及びＪ1C試験システムの特筆すべきもう１つの特徴は、上述のように、荷重負荷部１２の変位に関する位置制御の全てがＤＩＳＰフィードバック制御で行われているにもかかわらず、コンプライアンス値を求めるための除荷及び荷重回復のシーケンスをトリガは、き裂開口変位センサ３０の出力によって示された試験片１６のき裂開口変位ＣＯＤが複数の所定レベルの各々に達する毎に行われるようにしていることである。
【００９８】
これによって、図５に示すように、コンプライアンス値を算出するき裂開口変位ＣＯＤのレベルが正確に等間隔に分割されるため、曲線のプロットが良好に行われ、最終的に得られるＪ1C値の精度が向上する。
【００９９】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に記載した本発明のＪ1C試験における試験片の荷重負荷制御方法は、切欠き部を有し該切欠き部の先端に予き裂を形成した試験片を荷重負荷装置の荷重負荷部に装着すると共に、試験片の切欠き部にき裂開口変位センサを装着し、前記荷重負荷装置に荷重を発生させて試験片のき裂開口変位が増大する方向に前記荷重負荷部を変位させ、前記き裂開口変位センサの出力によって示された試験片のき裂開口変位が複数の所定レベルの各々に達する毎に前記荷重負荷装置の除荷とそれに続く荷重回復とを行い、その除荷の際の荷重及びき裂開口変位の関係からコンプライアンス値を求めることで、Ｊ1C試験において試験片の材料のＪ1C値を求めるのに用いる複数のコンプライアンス値を算出するに当たり、前記荷重負荷部の変位の実測値と目標値との比較に基づくフィードバック制御によって前記荷重負荷部の変位を制御すると共に、コンプライアンス値を求めるための前記除荷及び前記荷重回復のシーケンスのトリガを、前記荷重負荷部の変位の制御とは別個に、前記き裂開口変位センサの出力によって示された試験片のき裂開口変位が前記複数の所定レベルの各々に達する毎に行うようにした。
【０１００】
また、請求項２に記載した本発明のＪ1C試験システムは、切欠き部を有し該切欠き部の先端に予き裂を形成した試験片を装着する荷重負荷部を有する荷重負荷装置と、前記荷重負荷部の変位を検出する荷重負荷部変位センサと、前記荷重負荷部から試験片に加わる荷重を検出する荷重センサと、試験片の切欠き部に装着するき裂開口変位センサと、前記荷重センサ及び前記き裂開口変位センサの出力を記録する記録装置と、前記荷重負荷部変位センサ及び前記き裂開口変位センサの出力と、予め設定されたき裂開口変位の複数の所定レベルとに基づいて前記荷重負荷装置を制御する制御装置であって、前記き裂開口変位センサの出力によって示された試験片のき裂開口変位が前記複数の所定レベルの各々に達する毎に前記荷重負荷装置の除荷とそれに続く荷重回復とを行うように前記荷重負荷装置を制御するようにした制御装置とを備え、前記制御装置を、前記荷重負荷部の変位の実測値と目標値との比較に基づくフィードバック制御によって前記荷重負荷部の変位を制御すると共に、コンプライアンス値を求めるための前記除荷及び前記荷重回復のシーケンスのトリガを、前記荷重負荷部の変位の制御とは別個に、前記き裂開口変位センサの出力によって示された試験片のき裂開口変位が前記複数の所定レベルの各々に達する毎に行うように構成した。
【０１０１】
このため、試験中に試験片からき裂開口変位センサが脱落した場合でも、荷重負荷装置の制御が暴走するおそれが皆無となっており、しかも、コンプライアンス値を算出するための除荷及び荷重回復のシーケンスは、き裂開口変位センサの出力によって示されるき裂開口変位に基づいてトリガされるため、複数のコンプライアンス値の算出を、き裂開口変位のレベルを正確に分割した一定間隔で行うことができ、Ｊ1C試験を終了することで最終的に得られるＪ1C値の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかるＪ1C試験システムの要部を示す一部ブロック図とした模式図である。
【図２】図１の制御装置が実行する制御を示すフローチャートである。
【図３】図２の除荷及び荷重回復のシーケンスを示すサブルーチンのフローチャートである。
【図４】（ａ）は、時間に対する荷重負荷部の変位の目標値の変化を示したグラフであり、（ｂ）は、時間に対する荷重負荷部の変位の実測値の変化を示したグラフである。
【図５】き裂開口変位センサの出力ＣＯＤを横軸に取り試験片に加わる荷重Ｗを縦軸に取ったグラフである。
【図６】き裂長さ増分Δａを横軸に取りＪ積分値を縦軸に取ったグラフであり、鈍化直線と、Ｒ曲線と、それらの交点のＪ積分値であるＪ1C値とを示した図である。
【符号の説明】
１０  荷重負荷装置
１２  荷重負荷部
１６  試験片
２６  荷重負荷部変位センサ
２８  荷重センサ
３０  き裂開口変位センサ
３２  記録装置
３４  制御装置
【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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【図６】
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