(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷重負荷装置で材料試験片に引張荷重と圧縮荷重とを交互に繰り返し加える材料試験装置における制御方法において、
材料試験片に加わる荷重を弾性率で割って推定弾性歪量を求め、
この推定弾性歪量を材料試験片の歪量から引いて推定塑性歪量を求め、
この推定塑性歪量が目標塑性歪量となった際に、引張荷重から圧縮荷重の方へ、または、圧縮荷重から引張荷重の方への反転を行っており、
前記材料試験片に加わる負荷の変化速度は、材料試験の途中で変更されるとともに、負荷の変化速度が変更された際にも、前記目標塑性歪量は変更されないことを特徴としている材料試験装置における制御方法。
【請求項２】
前記材料試験片に加わる荷重およびその荷重時の推定塑性歪量を出力していることを特徴としている請求項１記載の材料試験装置における制御方法。
【請求項３】
増大減少の繰り返し信号を出力する目標負荷信号発生部と、
この目標負荷信号発生部からの繰り返し信号に基づいて材料試験片に引張荷重と圧縮荷重とを交互に繰り返し加える荷重負荷装置と、
材料試験片に加わる荷重および歪み量を検出する荷重センサーおよび歪みセンサーと、
荷重センサーからの検出荷重を弾性率で割って推定弾性歪量を求め、この推定弾性歪量を歪みセンサーからの検出歪量から引いて推定塑性歪量を求めている推定塑性歪量計算部と、
推定塑性歪量が目標塑性歪量となった際に、増大から減少へ、または、減少から増大への反転信号を前記目標負荷信号発生部に出力する反転信号発生部と、
前記目標負荷信号発生部の出力信号の変化速度を変更して、荷重負荷装置の負荷の変化速度を変更させる負荷変化率変更部とを備え、
前記負荷変化率変更部により荷重負荷装置の負荷の変化速度が変更された際にも、前記目標塑性歪量の値が変更されないことを特徴とする材料試験装置。
【請求項４】
前記材料試験片に加わる荷重および、その荷重時の推定塑性歪量を出力する荷重・塑性歪関係出力部が設けられていることを特徴としている請求項３記載の材料試験装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料試験片に引張荷重と圧縮荷重とを交互に繰り返し加える材料試験装置における制御方法及び材料試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の引張・圧縮荷重の繰り返し試験においては、引張側の最大歪量ＥMAX と、圧縮側の最大歪量ＥMAX とが設定されている。なお、引張側の最大歪量ＥMAX と、圧縮側の最大歪量ＥMAX とは同じ値とする場合が多い。そして、材料試験片の歪量が、引張側または圧縮側の最大歪量ＥMAX に達すると、材料試験片に加わる荷重を、引張荷重から圧縮荷重の方へ、または、圧縮荷重から引張荷重の方へ変更している。
【０００３】
ところで、材料試験片の歪量は、弾性歪量と塑性歪量とからなるとともに、この塑性歪量は、負荷の変化速度に依存していない負荷変化速度非依存成分と、負荷の変化速度に依存している負荷変化速度依存成分（クリープ成分）とからなっている。したがって、材料試験片の歪特性を解析するためには、負荷変化速度依存成分を分離することができると便利である。そこで、この負荷変化速度依存成分を分離するために、引張・圧縮荷重の繰り返し試験の最中において、負荷の変動サイクルを低速（すなわち、スロー域）から高速（すなわち、ラピッド域）に変更し、再度、低速に戻している。この様にして、定常は低速波にし、その途中に不定常波として高速波を挿入している。この状態を図５および図６で説明する。図５は従来の不定常波を挿入した引張・圧縮荷重の繰り返し試験における材料試験片の歪量のグラフである。図６は従来の不定常波を挿入した引張・圧縮荷重の繰り返し試験における荷重と歪量との関係を示すグラフである。
【０００４】
そして、図５に図示する様に、引張側の最大歪量ＥMAX および圧縮側の最大歪量ＥMAX は、低速波および高速波の両者において、変更されず、一定となる様に制御されている。このため、図６において、荷重・歪量曲線は、低速波においては実線で、高速波においては二点鎖線で図示される状態となり、荷重が０における間隔Ｅbtが、略負荷変化速度依存成分Ｅbtとなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この様な試験では、低速波における塑性変形の起点Ｔと、高速波における塑性変形の起点Ｄとが異なる。そのため、負荷変化速度依存成分が、塑性変形中において、どの様に変化しているかを考察することが困難である。
【０００６】
本発明は、以上のような課題を解決するためのもので、負荷の変化速度に依存する歪成分を、従来とは異なる方法で考察することができる材料試験装置における制御方法及び材料試験装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の材料試験装置における制御方法は、荷重負荷装置（１３）で材料試験片（１４）に引張荷重と圧縮荷重とを交互に繰り返し加える材料試験装置における制御方法において、材料試験片に加わる荷重（Ｓｋ）を弾性率（Ｋ）で割って推定弾性歪量を求め、この推定弾性歪量を材料試験片の歪量（Ｅｋ）から引いて推定塑性歪量（Ｅops ）を求め、この推定塑性歪量が目標塑性歪量（Ｅopm ）となった際に、引張荷重から圧縮荷重の方へ、または、圧縮荷重から引張荷重の方への反転を行っている。そして、材料試験片に加わる負荷の変化速度は、材料試験の途中で変更されるとともに、負荷の変化速度が変更された際にも、前記目標塑性歪量は変更されていない。
【０００８】
また、前記材料試験片に加わる荷重およびその荷重時の推定塑性歪量を出力している場合がある。
【０００９】
本発明の材料試験装置は、増大減少の繰り返し信号を出力する目標負荷信号発生部（１）と、この目標負荷信号発生部からの繰り返し信号に基づいて材料試験片に引張荷重と圧縮荷重とを交互に繰り返し加える荷重負荷装置と、材料試験片に加わる荷重および歪み量を検出する荷重センサー（１６）および歪みセンサー（３１）と、荷重センサーからの検出荷重を弾性率で割って推定弾性歪量を求め、この推定弾性歪量を歪みセンサーからの検出歪量から引いて推定塑性歪量を求めている推定塑性歪量計算部（２１）と、推定塑性歪量が目標塑性歪量となった際に、増大から減少へ、または、減少から増大への反転信号を前記目標負荷信号発生部に出力する反転信号発生部（４２）と、前記目標負荷信号発生部の出力信号の変化速度を変更して、荷重負荷装置の負荷の変化速度を変更させる負荷変化率変更部（２）とを備えている。そして、負荷変化率変更部により荷重負荷装置の負荷の変化速度が変更された際にも、前記目標塑性歪量の値は変更されていない。
【００１０】
また、材料試験片に加わる荷重および、その荷重時の推定塑性歪量を出力する荷重・塑性歪関係出力部（２２）が設けられている場合がある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明における材料試験装置における制御方法及び材料試験装置の実施の一形態を説明する。図１は本発明の材料試験装置の実施の一形態の構成を示すブロック図である。図２は図１の材料試験装置におけるフローチャートである。図３は不定常波を挿入した引張・圧縮荷重の繰り返し試験における材料試験片の歪量のグラフである。図４は不定常波を挿入した引張・圧縮荷重の繰り返し試験における説明図で、（ａ）が荷重と全歪量との関係を示すグラフ、（ｂ）が荷重と塑性歪量との関係を示すグラフである。なお、材料試験装置は、コントローラおよびホストコンピュータにより制御されるが、図１ではコントローラとホストコンピュータとを区別せずに、複数のブロックとして図示している。
【００１２】
目標負荷信号発生部１は、負荷変化率変更部２で設定された勾配で増減を繰り返す制御目標入力信号Ｅｉを出力する。この目標負荷信号発生部１の制御目標入力信号Ｅｉは、加算部３に出力されている。一方、加算部３の出力Ｅｒは、調整部４を介してサーボバルブ入力信号ｉとして、破線で囲まれて図示されているプラント部（材料試験装置）１１の油圧アクチュエータ（ＡＣＴ）１３のサーボバルブ（Ｓ／Ｖ）１２に入力されている。このサーボバルブ１２により荷重負荷装置としてのアクチュエータ１３が稼働し、プラント部１１にセッティングされた試験片１４に負荷として引張荷重や圧縮荷重が加えられている。この試験片１４に加えられた荷重Ｓは、ロードセル（Ｌ／Ｃ）などの荷重センサ１６で検出されている。この荷重センサ１６の出力信号は、荷重センサー用アンプ１７で増幅およびＡ／Ｄ変換されて、推定塑性歪量計算部２１および荷重・塑性歪関係出力部２２に入力されている。
【００１３】
また、アームを有する歪みゲージ式伸び計、静電容量式伸び計やレーザー式変位量測定器などの歪みセンサー３１が、試験片１４の歪みを検出している。この歪みセンサー３１の出力信号は、歪みセンサー用アンプ３２で増幅およびＡ／Ｄ変換されて、加算部３および推定塑性歪量計算部２１に入力されている。
【００１４】
そして、加算部３は、目標負荷信号発生部１からの制御目標入力信号Ｅｉと歪みセンサー３１からの歪量信号Ｅｋとの差信号Ｅｒを、前述のように調整部４に出力している。この様にして、試験片１４に発生する歪量が、目標負荷信号発生部１の制御目標入力信号Ｅｉに追随する様に、フィードバック制御されている。
【００１５】
推定塑性歪量計算部２１には、前述の様に、荷重センサ１６からの荷重信号Ｓｋおよび、歪みセンサー３１からの歪量信号Ｅｋが入力されており、前もって検出されている弾性率Ｋとから試験片１４に生じている推定塑性歪量Ｅops を下記の式で演算している。
推定塑性歪量Ｅops ＝歪量信号Ｅｋ−荷重信号Ｓｋ÷弾性率Ｋ
（なお、荷重信号Ｓｋ÷弾性率Ｋは推定弾性歪量である。）
そして、推定塑性歪量計算部２１は、この推定塑性歪量Ｅops を加算部３６および荷重・塑性歪関係出力部２２に出力している。また、目標歪量設定部４１には、予め目標塑性歪量Ｅopm が設定されており、この目標塑性歪量Ｅopm が目標歪量設定部４１から加算部３６に出力されている。加算部３６は目標塑性歪量Ｅopm と推定塑性歪量Ｅops との差信号を反転信号発生部４２に出力している。反転信号発生部４２は、推定塑性歪量Ｅops が目標塑性歪量Ｅopm に達すると、反転信号を目標負荷信号発生部１に出力している。目標負荷信号発生部１は前述のように、負荷変化率変更部２で設定されている勾配で増加または減少しているが、反転信号発生部４２から反転信号が入力されると、増加している場合には反転して減少し、一方、減少している場合には反転して増加している。
【００１６】
この様にして、推定塑性歪量Ｅops が目標塑性歪量Ｅopm になると、引張荷重から圧縮荷重の方へ、または圧縮荷重から引張荷重の方へ変更されて、アクチュエータ１３で試験片１４に、引張荷重と圧縮荷重とを交互に繰り返し加えている。なお、荷重が０となった場合の塑性歪量Ｅopは推定塑性歪量Ｅops と略等しくなっている。この様に、引張側の塑性歪量Ｅopと圧縮側の塑性歪量Ｅpoとは略等しくなる様に設定されている。また、図４（ａ）に図示する様に、引張側の塑性歪量Ｅopと圧縮側の塑性歪量Ｅpoとを合計した値が、全塑性歪量Ｅppとなっている。
【００１７】
また、荷重・塑性歪関係出力部２２には、前述の様に、荷重センサ１６からの荷重信号Ｓｋおよび、推定塑性歪量計算部２１からの推定塑性歪量Ｅops が入力されており、荷重・塑性歪関係出力部２２は、この推定塑性歪量Ｅops および荷重信号Ｓｋをプロッタープリンターやディスプレー４６などのグラフ作図装置に出力し、図４（ｂ）に図示する荷重・塑性歪曲線を表示させている。
【００１８】
この様に構成されている材料試験装置で材料試験を行う際には、まず始めに、材料試験装置のプラント部１１に試験片１４をセッティングし、目標負荷信号発生部１から制御目標入力信号Ｅｉを出力し、弾性変形の範囲内の負荷を試験片１４に加える。そして、歪みセンサー３１の歪量信号Ｅｋおよび荷重センサ１６の荷重信号Ｓｋから、試験片１４の弾性率Ｋを求め、この弾性率Ｋを予め、推定塑性歪量計算部２１に設定しておく。なお、この弾性率Ｋは前もって他の材料試験により求めることも可能である。
【００１９】
ついで、試験片１４に塑性歪を与える引張・圧縮荷重の繰り返し試験を行う。図２のステップ１において、引張・圧縮荷重の繰り返し試験が開始し、ステップ２に行く。ステップ２において、制御目標入力信号Ｅｉの変化率は小さく（すなわち、スローに）する。したがって、制御目標入力信号Ｅｉの変化率が大きい場合には、変更する必要があるので、ステップ３に行き、制御目標入力信号Ｅｉの変化率を変更して小さくし、そして、ステップ４に行く。一方、ステップ２において、制御目標入力信号Ｅｉの変化率が小さい場合には、変更する必要がないので、ステップ４に行く。
【００２０】
ステップ４において、目標負荷信号発生部１から一定勾配で増大または減少する制御目標入力信号Ｅｉが出力される。この制御目標入力信号Ｅｉの出力に追随して、試験片１４に歪が発生する。この歪は歪みセンサー３１が検出し、歪量信号Ｅｋが出力され、加算部３にフィードバックされており、歪量信号Ｅｋが制御目標入力信号Ｅｉとなるように制御されている。そして、ステップ５において、荷重センサ１６からの荷重信号Ｓｋおよび歪みセンサー３１からの歪量信号Ｅｋが推定塑性歪量計算部２１に出力され、推定塑性歪量計算部２１で推定塑性歪量Ｅops が前述の様に算出されている。ステップ６において、この推定塑性歪量Ｅops および、推定塑性歪量Ｅops 発生時の荷重信号Ｓｋが、荷重・塑性歪関係出力部２２からディスプレー４６に出力され、ディスプレー４６に図４（ｂ）に図示する荷重・塑性歪曲線が表示されている。
【００２１】
また、ステップ７において、推定塑性歪量計算部２１から推定塑性歪量Ｅops が加算部３６に出力され、加算部３６で推定塑性歪量Ｅops と目標歪量設定部４１に予め設定されている目標塑性歪量Ｅopm と比較されている。そして、推定塑性歪量Ｅops が目標塑性歪量Ｅopm に達しないと、ステップ４に戻り、ついで、ステップ４からステップ７を繰り返す。一方、推定塑性歪量Ｅops が目標塑性歪量Ｅopm に達すると、ステップ８に行き、反転信号発生部４２は反転信号を目標負荷信号発生部１に出力し、ステップ９に行く。ステップ９において、図３に図示する様に、目標負荷信号発生部１からの制御目標入力信号Ｅｉが、増大していた場合には減少し、減少していた場合には増大している。そして、ステップ１に戻り、ついで、ステップ１からステップ９を繰り返しており、試験片１４に塑性変形を伴う引張・圧縮の負荷を繰り返し加えている。そして、引張側の塑性歪量Ｅopと、圧縮側の塑性歪量Ｅpoは略等しく、引張側の塑性歪量Ｅopおよび圧縮側の塑性歪量Ｅpoは、全塑性歪量Ｅppの略二分の一となっている。
【００２２】
この様に、定常状態では、目標負荷信号発生部１の制御目標入力信号Ｅｉの変化率は小さくスローであるが、この定常波の途中に、図３に図示する様に、制御目標入力信号Ｅｉの変化率は大きくしたラピッド域を設ける。その際には、制御目標入力信号Ｅｉの変化率を変更する必要があるので、ステップ２から、ステップ３に行き、制御目標入力信号Ｅｉの変化率を大きく（すなわち、ラピッドに）する。そして、図２のフローを繰り返し、所定の時間が経過すると、再度ステップ２およびステップ３において、制御目標入力信号Ｅｉの変化率を元に戻して、小さくしている。なお、スロー域およびラピッド域の両域において、目標歪量設定部４１の目標塑性歪量Ｅopm は変更されず、略一定に維持されている。
【００２３】
そして、この試験片１４の歪の挙動を図４において説明する。初期状態においては、材料試験片に加わる荷重Ｓおよび歪み量Ｌは０であり、そして、材料試験装置で材料試験片に、降伏点を越す引張荷重と圧縮荷重とを交互に繰り返し加えると、荷重−歪み量曲線は、図４に図示するようなヒステリシスカーブとなる。始めに、引張荷重が加わって、曲線ａ１に沿って移動し、弾性変形し、その後、塑性変形する。ついで、スロー域において、曲線ａ２に沿って移動し、弾性変形と塑性変形とを繰り返す。そして、ラピッド域になると、試験片１４の塑性歪量の負荷変化速度依存成分が小さくなるので、二点鎖線で図示する曲線ａ３に沿って移動し、弾性変形と塑性変形とを繰り返す。その後、スロー域に戻ると、再度実線で図示する曲線ａ２に沿って移動する。そして、スロー域の低速波における塑性変形の起点と、ラピッド域の高速波における塑性変形の起点とは略同じ位置Ｍとなる。そのため、曲線ａ３と曲線ａ２とを比較することにより、負荷変化速度依存成分が、塑性変形中において、どの様に変化しているかを考察することが容易となる。特に、図４（ｂ）に図示する様に、荷重−塑性歪量曲線のグラフとすると、図４（ａ）に図示する荷重−全歪量曲線のグラフよりも考察がさらに容易となる。
【００２４】
なお、引張側の目標塑性歪量Ｅopm と圧縮側の目標塑性歪量Ｅopm とを異ならしめることにより、引張側の塑性歪量Ｅopと圧縮側の塑性歪量Ｅpoとを異ならしめることも可能である。また、この実施の形態では、定常波は低速波で、不定常波が高速波であるが、定常波を高速波で、不定常波が低速波とすることも可能である。そして、この実施の形態では、歪制御を行っているが、荷重制御を行うことも可能である。なお、塑性変形時の制御を的確に行うためには、荷重制御よりも歪制御を行うほうが好ましい。
【００２５】
さらに、推定塑性歪量計算部は、実質的に、荷重センサーからの検出荷重を弾性率で割って推定弾性歪量を求め、この推定弾性歪量を歪みセンサーからの検出歪量から引いて推定塑性歪量を求めているならば、その具体的計算方法は適宜変更可能である。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、推定塑性歪量が目標塑性歪量となった際に、引張荷重から圧縮荷重の方へ、または、圧縮荷重から引張荷重の方への反転を行っている。そして、材料試験片に加わる負荷の変化速度は、材料試験の途中で変更されるとともに、負荷の変化速度が変更された際にも、前記目標塑性歪量は変更されていない。したがって、負荷の変化速度が変更された前後において、荷重０の際の塑性歪量が変更されず、略一定に保たれている。したがって、荷重・歪量のヒステリシスカーブは、弾性変形中のラインが、負荷の変化速度が変更された前後において略同じ位置となる。したがって、塑性歪量における負荷変化速度依存成分と負荷変化速度非依存成分とを分離することが容易なるとともに、負荷変化速度依存成分を、従来とは異なる方法で考察することができる。
【００２７】
また、材料試験片に加わる荷重およびその荷重時の推定塑性歪量を出力しているので、荷重と塑性歪量との関係を示すグラフを簡単に表示することができる。そして、前述の様に、荷重・歪量のヒステリシスカーブは、弾性変形中のラインが、負荷の変化速度が変更された前後において略同じ位置となるので、負荷変化速度依存成分を簡単に考察することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の材料試験装置の実施の一形態の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は図１の材料試験装置におけるフローチャートである。
【図３】図３は不定常波を挿入した引張・圧縮荷重の繰り返し試験における材料試験片の歪量のグラフである。
【図４】図４は不定常波を挿入した引張・圧縮荷重の繰り返し試験における説明図で、（ａ）が荷重と全歪量との関係を示すグラフ、（ｂ）が荷重と塑性歪量との関係を示すグラフである。
【図５】図５は従来の不定常波を挿入した引張・圧縮荷重の繰り返し試験における材料試験片の歪量のグラフである。
【図６】図６は従来の不定常波を挿入した引張・圧縮荷重の繰り返し試験における荷重と歪量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
Ｅｋ  歪量信号
Ｅopm   目標塑性歪量
Ｅops   推定塑性歪量
Ｋ    弾性率
Ｓｋ    荷重信号
１  目標負荷信号発生部
２  負荷変化率変更部
１３  アクチュエータ（荷重負荷装置）
１４  試験片
１６  荷重センサ
２１  推定塑性歪量計算部（推定塑性歪量算出部）
２２  荷重・塑性歪関係出力部
３１  歪みセンサー
４２  反転信号発生部
【図１】
0003825206.tif 000002
【図２】
0003825206.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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