起電力による鉄鋼の衝撃変形評価とその応用研究代表者
共同研究者

秋田県立大学システム科学技術学部
秋田県立大学システム科学技術学部

助手
教授

中山 昇
熊沢鉄雄

1．はじめに鉄鋼構造物の強度信頼性設計では外部から負荷を受けた時の応力やひずみ情報が必要である．特にひずみが集中して破壊発生に繋がる箇所の変形データの取得，評価が重要となっている．しかし，微細な箇所の変形やひずみを測定する技術は未だ確立されていない．
そこで，構造体の変形をゼーベック効果によって生じる電圧変化（起電力）として測定することが出来るのではないかという観点から，起電力を用いた変形測定法を考案した(1)．
本研究では，起電力を用いた変形測定法を一般性のある衝撃測定法として確立することを目的とした．スプリットホプキンソンバー試験装置(2)-(8)を用いてひずみ波の伝ぱに伴う起電力変化の測定およびひずみゲージ出力との対比によりその特徴を調べる．また測定における感度評価と向上，ノイズの評価と低減対策の基礎検討を行う．これらの研究の結果に基づいてヘルスモニタリングとしての利用方法の検討を行った．
2．実験方法2.1 試験片本実験では鉄系材料の変形と起電力発生の基礎的知見を求めるために，試験片材料に純鉄を用いた．試験片形状は円柱状であり，直径 d=5mm，長さ l=3mm である．また試験片は実験ごとに交換した．
2.2 スプリットホプキンソンバー試験装置
応力やひずみと起電力の関係を定量的に求めるためには，正確な応力−ひずみ線図を求める必要がある．その方法として，スプリットホプキンソンバー法(2)-(8)がある．
スプリットホプキンソンバー試験装置の概略図を図 1 に示す．主に，ホプキンソンバーと呼ばれる同材質，同径の 2 本の細長い弾性棒（入力棒と出力棒），ストライカ（材質：S45C），バレル，コンプレッサー，バルブから構成されている．入力棒の左端面に同径のストライ
カをコンプレッサーで圧縮した空気により高速で同軸衝突させる．入力棒内に発生した入射（圧縮）応力波は，左から右へ伝ぱし出力棒側に伝ぱする．その応力波を入出力棒上のひずみゲージによって測定する．また，入射する応力波の大きさは，ストライカのバレルへの押込み量，打ち出す空気圧およびソレノイドバルブの開放時間で制御することができる．
ひずみゲージは入力・出力棒の中心部にそれぞれ半径方向対面に二枚ずつ取り付けた．
ストライカの衝突により試験片に入射する応力波をひずみゲージで検出し，アンプを通してオシロスコープで表示，記録した．
入力・出力棒のひずみゲージで測定した応力波（入射εi，反射εr，透過εt の三つの応力波）から，一次元波動理論に基づいて圧縮試験片の公称ひずみε，公称ひずみ速度 ε&，公称応力σは，それぞれ式(1)，式(2)，式(3)から求めることができる．

[]

2c0 t ε (t ′) − ε (t ′) dt ′∫tl 0 i2c0[ε i (t ) − ε t (t )]ε&(t ) =lAE
σ (t ) =ε t (t )Asε (t ) =

(1)
(2)
(3)

ここで A，E，c0( = E / ρ )はそれぞれ入力棒の断面積，ヤング率，縦ひずみパルス（縦弾性波）の伝ぱ速度である．l，As は，純鉄円柱試験片の変形前の長さと断面積 (= πd 2 / 4) である．式(1)〜(3)から時間 t を消去すれば，圧縮試験片の公称応力―公称ひずみ速度―公称ひ1

ずみの関係が求められる．この解析では，純鉄円柱試験片の両端での動的圧縮力の釣り合いが成立することを仮定している．
1000

1000

BARRELINPUT BAR

1000

φ10

OUTPUT BAR

SPECIMENSTRIKER (L=250)

STRAIN GAUGESOLENOIDVALVECOMPRESSOR

図1

ホプキンソンバー試験装置の概略図

2.3 起電力測定装置
スプリットホプキンソンバー試験装置の入力・出力棒の間の試験片固定位置からひずみゲージ取り付け位置までの拡大図及び各種測定機器との配置図を図 2 に示す．起電力を測定するため，スポット溶接機を用いて試験片円筒表面の長手方向に Cu 線と Con.線（コンスタンタン線）を 2mm 離して直接電着した．この熱電対は室温との差分をとるために，試験片と同じく Cu 線と Con.線が電着された純鉄円柱試験片を配置したダミー回路を持つ温度273K の基準接点温度に保持した氷点容器を通しアンプに接続した．起電力はアンプを通し増幅してオシロスコープで表示，記録した．
また，試験中，入力・出力棒と試験片を絶縁するために，入力・出力棒と試験片との接触面は絶縁テープを介して絶縁し，その間に試験片を固定した．さらに圧縮負荷により試験片の変形が起こる際に試験片両端面と入力・出力棒の接触面の間に摩擦が発生すると，試験片が樽型変形を起こすため，接触面には二硫化モリブデンを塗布してある．
また，同軸ケーブルやひずみゲージまたは導線部がアンテナの役割をして電磁波の影響を受けることで，オシロスコープに表示される波形にノイズが生じる．このノイズ除去のため，試験装置を構成するオシロスコープとアンプを繋ぐ同軸ケーブルには全てにアルミ箔を巻いた．また，ひずみゲージとブリッジ回路ボックスを結ぶ導線部にもノイズ除去のための金属が巻いてある 3 線式導線を用いた．
IRON SPECIMEN (d=5mm, l=3mm)

StrainGAGE No.1

Cu wireCon. wire

0℃
POINT OFCONTACT

OSCILLOSCOPE
AMP．

図2

起電力測定装置と配線図

2IRON
DUMMY

StrainGAGE No.2

3. 実験結果
3.1 応力−ひずみ−起電力の関係
純鉄円柱試験片中に持続時間 110μs，入射ひずみ 500μεの応力波を入射したときの代表的な応力波形（入射波εi，反射波εr，透過波εt）と起電力波形を図 3 に示す．図 3 では，起電力は入力棒のひずみゲージで圧縮応力波を検出した後，約 100μs 後に急激に立ち上がりピークを迎えている．これは，ひずみゲージと熱電対には 0.5m の間隔があるので応力波が伝ぱするために発生するタイムラグ（応力波の伝ぱ速度：約 5100m/s）である．起電力はピーク値までほぼ直線形で上昇し，その後緩やかに減少する．
図 3 の入射波εi，透過波εt から求めた応力−ひずみ，ひずみ速度−ひずみ−起電力の関係を図 4 に示す．図 4 より，応力−ひずみ曲線の応力が増加する範囲において起電力と応力−ひずみ曲線は同じ傾きで増加していることがわかる．また応力がピークに達し一定の値になると起電力は増加せず，減少する．
応力−ひずみ曲線において応力が増加する範囲内での応力と起電力の関係を図 5 に示す．
同図から，応力−ひずみ曲線において応力が増加する範囲内での応力と起電力は比例関係にあることが確認できる．従って，応力が弾性域内（応力−ひずみ曲線の応力が増加する範囲）にある場合は，起電力法を用いることで試験片内の応力（荷重）の挙動をモニタリングできる可能性があると考えられる．

εr
GAGE No.1

εi
GAGE No.2
Sweep rate : 100μs/divεtVertical sensitivity
Gage No.1 : 500mV/div(500με/div)
Gage No.2 : 500mV/div

Emf(500με/div)
Emf : 0.5mV/div

オシロスコープ波形 (入射ひずみ 500με)

σstrees (MPa)

400
Emf

0.4

300

0.3

2000.21000.100
図40.50.01
strain ε

応力−ひずみ−起電力の関係

3Emf (mV)

図300.02(入射ひずみ 500με)1.0

Emf (mV)

0.80.6
0.40.200

100

200

300

400

500

600

strees σ (MPa)
図 5 応力−起電力の関係(入射ひずみ 500με)
3.2 入射ひずみ波のピーク値と起電力の関係
起電力には速度依存性があるのか確認するために，入射ひずみ波のピーク値を 250，500，750μεと変化させ，起電力を測定した．図 6 に入射ひずみ波のピーク値を変化させたときの応力−ひずみ−起電力の関係を示す．同図において，応力が弾性域内（応力−ひずみ曲線の応力が増加する範囲）にある場合は，応力−ひずみ曲線と起電力は非常に一致していることがわかる．
図 6 から得られた弾性域内における応力と起電力の関係を図 7 に示す．図７からひずみ速度（入射ひずみ波のピーク値）が変化しても，応力と起電力には比例関係があることがわかる．
従って，弾性域内（応力が増加する範囲内）では，ひずみ速度が変化する動的もしくは衝撃的な荷重下における応力（荷重）を起電力法によって定量的に測定することができると思われる．

1.5σ (750με)
σ (500με)4001.0Emf (750με)
σ (250με)

2000.5Emf (500με)Emf(250με)00
図60.010.02
strain0.030

入射ひずみピーク別の応力−ひずみ−起電力の関係

4Emf (mV)strees σ (MPa)600

2○ -250 με

Emf (mV)● -500 με▲ -750 με100100200 300 400
strees σ (MPa)
図7500

600

応力―起電力の関係

3.3 起電力の感度向上に関する検討（熱電対の取り付け位置の変化）
起電力法を用いて，構造体の応力（荷重・ひずみ）変化を感度良く測定するために純鉄円柱試験片への熱電対の取り付け位置を変化して起電力の大きさを検討した．
図 8(a)-(c)に，それぞれ(a) 長手方向（間隔：2mm），(b) 半径方向対面，(c)一点結線の模式図を示す．図 8(a)の長手方向（間隔：2mm）は「3.2」までの実験で用いた取り付け位置である．
試験片に入射したひずみ波は，持続時間 110μs，ピーク値 500μεである．
図 9(a)-(c)に各熱電対の取り付け位置変化による応力−ひずみ−起電力の関係を示す．(c)一点結線では起電力を測定することができなかった．図 9 から感度が一番良い取り付け位
置は（b）半径方向対面であることがわかる．(a)長手方向（間隔：2mm）の取り付け位置と比較して（b）半径方向対面は約 15 倍の感度があることがわかる．
これらの結果から，起電力法によって応力（荷重・ひずみ）を測定する場合，半径方向対面に熱電対を取り付けることが望ましいことがわかった．
in put Bar2mmout put Bar

in put Bar

out put Bar

in put Bar

out put Bar

Con.
wire
Specimen
Con. wire（a）Specimen

SpecimenCu wireCu wireCon. wire

Cu wire長手方向（間隔：2mm） （b） 半径方向対面（c）一点結線
図 8 熱電対の取り付け位置の模式図

5500

8σ300
42002100

Emf00

長手方向（間隔：2mm）500Emf4008σ
6300
42002100000.01
strain ε（b）0.02

半径方向対面(MPa)500strees σ08σ

400

6300420010000

Emf (mV)strees σ (MPa)00.020.01
strain ε（a）

図9Emf (mV)

6Emf (mV)strees (MPa)400

2

Emf0.01
strain ε0.020（c）一点結線
応力−ひずみ−起電力の関係（熱電対の取り付け位置変化）

6

3.4 構造ヘルスモニタリングに関する検討
これまでの実験は応力−ひずみ−起電力を定量的に求めるために短い円筒形状の純鉄を用いてきた．実際に使用される構造物の形状に近づけ，構造ヘルスモニタリングの可能性があるのか検討した．図 10 に構造ヘルスモニタリング用の衝撃試験装置を示す．試験片は，直径 d=10mm，長さ l=500mm の純鉄棒状試験片を用いた．熱電対の取り付け位置の模式図を図 11 に示す．ここでの熱電対の取り付け位置は，感度が高い半径方向対面を採用した．
純鉄棒状試験片の破損を防ぐためにストライカの材質を S45C から A2014P に変更した．
図 12 に実験で測定した代表的なひずみ・熱起電力波形を示す．同図からひずみゲージにと同様に感度良く起電力を測定していることがわかる．
従って，起電力法を用いて起電力を測定することで構造体のヘルスモニタリングの可能性があることがわかった．
1000mmBarrel500mm

Strain Ｇage

Specimen

1000mmCon. Wire

φ10mm

φ10mm

Striker

SolenoidValve

Air Tank

図 10Out put Bar

Cu WireCompressor

構造ヘルスモニタリング用衝撃試験装置の概略図

250

StrikerCon. wireΦ10Φ10Strain Gage250
図 11Cu wire
熱電対の取り付け位置の概略図（半径方向対面）

7Specimen

GAGE No.1

Sweep rate : 100μs/div
Vertical sensitivity
Gage No.1 : 500mV/div(500με/div)

Emf

Emf : 2.5mV/div

図 12

ひずみ・熱起電力波形（ヘルスモニタリング）

4．おわりに
本研究では，起電力を用いた変形測定法を定量的に測定することができる衝撃測定法として確立することを目的とした．
その結果，以下のことがわかった．
1. 弾性域内（応力が増加する範囲内）では，ひずみ速度が変化する動的もしくは衝撃的な荷重下における応力（荷重）を起電力法によって定量的に測定することができると思われる．
2. 起電力法によって応力（荷重・ひずみ）を測定する場合，半径方向対面に熱電対を取り付けることが望ましいことがわかった．
3. 起電力法を用いて起電力を測定することで構造体のヘルスモニタリングの可能性があることがわかった．
以上の結果から，起電力法を用いることで構造体に負荷された衝撃応力（荷重・ひずみ）を定量的に測定できることができ，ヘルスモニタリングを行うことができると考える．
参考文献（1） 熊澤鉄雄，駒崎慎一； 起電力による微細はんだボ−ルの変形評価 ，
日本機械学会（A 編），68（669），pp.148-153（2002）（2） 横山隆； ホプキンソン棒法による材料の衝撃変形強度の評価 ，非破壊検査，48（7），pp.388-395（1999）（3） 岸田敬三，中川憲治； スプリットホプキンソン棒法による動的破壊じん性の測定 ，材料，32（361），pp.1096-1101（1983）（4） 横山隆； ホプキンソン棒法による材料の衝撃変形強度・動的破壊開始じん性の測定
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