JPS588740B2 - 変位制御機構を有するくさび式衝撃負荷試験装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、工業材料の動的材料特性を測定するための変
位制御機構を有するくさび式衝撃負荷試験装置に関する
ものである。

種々の工業材料は使用中において衝撃的な負荷を受ける
機会が多く、従って、このような環境下で使用される機
器の設計に先立って、このような冫ひすみ速度の大きい
場合の動的材料特性を把握することは、実用上きわめて
重要なことである。

例えば、近年、原子炉圧力容器などの設計や安全性評価
において、ＡＳＭＥ Ｂｏｉｌｅｒ ａｎｄＰｒｅｓｓ
ｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌ Ｃｏａｄｅｓ，Ｓｅｃｔｉｏｎ
ＩやＳｅｃｔｉｏｎＸでは、動的破壊靭性値の把握が義
務付けられている。

この動的破壊靭性値を求めるための一つの方法として、
Ｊｉｄ試験と称される試験方法があり、これは後述の第
７図Ａに示すようなＲカープと呼ばれる線図を描くこと
によって、安定き裂発生開始点でのＪｉｄ値を求める方
法であるが、このＲカーブを描くためには、数個の試験
片に、例えば添付図面第１図に示すように、それぞれ異
なった変位Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを与える必要がある。

従って、Ｊｉｄ試験に供する装置は、試験片に与える変
位の制御が可能な衝撃負荷装置であることが要求される
。

しかるに、従来の落錘式、振子式、あるいは、回転円板
式などの衝撃負荷装置はこの変位制御の点で難があり、
従ってＪｉｄ試験への応用は難かしい。

一方、変位制御可能な衝撃負荷装置としては、現在、油
圧による大型の装置の使用例があるが、試験片に衝撃負
荷を与えるためには、単位時間当たりの吐出量が非常に
大きな高圧の油圧装置を必要とすると共に、更に、高度
な変位匍獅機構も必要とするために、装置が大規模且つ
高価なものになる欠点があった。

本発明は、このような機械式における変位制御の難点及
び、油圧式における大規模及び高価という欠点を除去し
た、構造簡単であって、且つ、変位制御可能な低価格の
衝撃負荷試験装置の提供を、その目的とするものである
。

本発明はこの目的を達成するために、落錘と落錘受けと
よりなる衝撃力発生装置と、前記落錘受けと一体に上下
するくさびを含む衝撃力伝達装置と、前記くさびと係合
して左右に前記くさびによって生じた変位を与えられる
テンションロンドを含む変位装置と、位置調節可能な設
定ナットや口−ドセルを含む変位設定装置と、前記変位
装置と前記変位設定装置とにより両端を支持され前記変
位に応じたひずみや応力を負荷する試験片と、前記変位
に応じ生じた試験片の負荷を検出測定する検出測定装置
とを備えることを特徴とするものである。

以下、本発明をその一実施例を示す添付図面に基づいて
説明する。

本発明による衝撃負荷試験装置は、第２〜４図に示すよ
うに、主として、衝撃力発生装置、衝撃力伝達装置、変
位装置、変位設定装置、試験片、検出測定装置の５装置
及び試験片から構成されている。

以下に、これら各装置の特徴とその構成について説明す
る。

本発明による衝撃負荷試験装置の第一の特徴は、衝撃力
発生装置において、その衝撃力発生源を、構造的に非常
に簡単な落錘式にしたことにある。

この装置の構成は、第２図に示すように、自然落下させ
ることにより衝撃力を発生させるための落錘１、落下し
てきた落錘１を受け止めて衝撃力を発生させるための落
錘受け２、及び、落下中の落錘１をガイドすると共に発
生した衝撃力を伝達するための落錘受け２を下端に固着
した落錘ガイド棒３より構成されており、落錘ガイド棒
３が中央を貫通してしゆう動可能である穴と、上端にお
いてストッパー４により所定の高さに支承するための結
合部とを有し、且つ、長さを任意に変えることによって
、落錘１の落下距離を、固定ベッド５の高さの範囲内で
、自由に選択することが可能であるようにされたパイプ
状の落錘止め６が、落錘１に貫通固定して設けられてい
る。

次に、本発明による衝撃負荷試験装置の第二の特徴は、
衝撃力伝達装置及び変位装置において、落錘１により発
生した衝撃力を直接、試験片７に伝達することなく、中
間に、くさび８を設けることによって、発生した衝撃力
の増幅を期待する構造にしたことにある。

この装置の構成は、第２図及び第３図に示すように、主
として、落錘ガイド棒３に連結されて上下方向にしゆう
動ずるくさび８と、このくさび８に接触していることに
より、くさび８の上下動に伴ってその移動方向に対して
直角方向にスライドし、くさび８によって増幅された衝
撃力を試験片１に伝達するためのテンションロツド９と
、これらくさび８及びテンションロツド９を組み込むた
めの第１のブロック１０とから構成されている。

このくさび８とテンションロツド９との組合わせは、第
３図に示すように、テンションロツド９に形成されたみ
ぞ状の貫通穴１１の一側面１２に接触ピン１３を介して
くさび８が接触しており、且つ、くさび８とテンション
ロツド９とは、くさび８の軸心Ｘ−Ｘとテンションロツ
ド９の軸心Ｙ−Ｙとが互いに直交するように、第１のフ
宅ツク１０に組み込まれている。

また、くさび８の角度θは、衝撃力の所望増幅度に応じ
て適当に選択することができるが、本発明装置において
は、約７．５〜１ ０’の範囲が好ましい。

また、テンションロツド９のみぞ状の貫通孔の一側面に
設けた接触ピン１３とくさび８との接触点１４における
へたりによる摩擦抵抗の増加を避けるために、くさび８
と接触ピン１３とには、高硬度の材料が使用されている
。

更に、くさび８と第１のブ田ンク１０とのしゆう動面に
には高硬度のころ状くさび受け１５を設けると共に、テ
ンションロツド９と第１のブロック１０とのしゆう動面
にも、直動専用型玉軸受け１６を設けて摩擦損失の減少
を図っている。

次に、本発明による衝撃負荷試験装置の第三の特徴は、
変位設定装置において、変位の設定ナット１７とくさび
８との組合わせによって試験片７に負荷する変位の設定
を行なうようにしたことにある。

この装置の構成は、第２図に示すように、主として変位
の設定ナット１７と、ひずみゲージ１８をはりつけた荷
重測定用ロードセル１９と、それら変位の設定ナット１
７及びロードセル１９を組み込み支持するための第２の
ブロック２０と、前記のくさび８、テンションロンド９
などとから構成されている。

この変位の設定ナット１７は、第２のブロック２０を貫
通するロードセル１９の後方、すなわち、第２のブロッ
ク２０に対して試験片装着冶具２１とは反対側端部から
、ロードセル１９にねじ込まれており、従って、試験片
７をテンションロツド９とロードセル１９との間に装着
した後においては、この変位の設定ナット１７を回転さ
せることによって、これらは一体的にその軸方向にスラ
イドし、その結果、くさび８のテンションロツド９に設
けられた接触ピン１３への接触点１４の負荷前の位置を
左右に移動変化させることができ、また、これに基づい
て、くさび８も上下する。

従って、変位の設定ナット１７を回転させて、テンショ
ンロツドの接触点１４をくさび８に接触させた後、くさ
び８を、落錘１の落下により落下方向に完全に引き抜い
た場合においては、接触点１４からくさび８の最頂点２
２までの水平距離が試験片７に与えられる変位となり、
くさび８の高さｈの範囲内で、任意に変位を設定するこ
とが可能となる。

次に、本発明による衝撃負荷試験装置における検出測定
装置は、第４図に示すように、試験片７の変位を検出す
るためのクリップゲージ２３と、上記変位を生じさせた
荷重を測定するためのロードセル１９に貼布されたひず
みゲージ１８と、クリップゲージ２３及びひずみゲージ
１８によって生じた出力を夫々増幅するための第１と第
２の増幅装置２４．２５と夫々の出力信号を記憶するた
めの２チャンネルデジタル型メモライザ２６と、前述の
出力信号を可視化及び記録するためのシンクロスコープ
２７と、これら両出力信号を図表化するＸ−Ｙレコーダ
２８とから構成されており、これらの構成機器は、衝撃
的現象に対応するために、応答周波数の十分に高いもの
を使用することが必要である。

なお、これらの構成機器の内、ある種のものは、条件に
よっては、他のものをもって代替してもよく、また、一
部を省略することもできる。

本発明装置は上記のように構成されるが、その作用を、
一実施例である前記Ｊｉｄ試験に使用される衝撃負荷試
験装置について、次に説明する。

まず、試験片７は、テンションロツド９とロードセル１
９との間に装着されるが、この試験片７の装着は、第５
図に示すように、試験片７の両端の所定位置を、テンシ
ョンロツド９及びロードセル１９にそれぞれ固定された
各試験片装置治具２１の所定位置に、ピン２９によって
固定される。

次に、変位の設定ナット１７を回転してテンションロツ
ド９を左右に動かすことにより、所定の変り位置が得ら
れるように、くさび８を上下させて変位設定を行う。

次いで、試験片７の変位検出部にクリップゲージ２３を
取り付け、落錘１が所定の高さになるように設定された
落錘止め６の上端の結合部とストッパー４に結合して固
定する。

このように、試験準備が完了した後、ストッパー４を両
端に引っ張って結合を解除し落錘１を自然落下させて落
錘受け２に落錘し、すなわち落錘止め６を衝突させるこ
とによって、衝撃負荷を生じさせる。

この落錘受け２で発生した衝撃力は、［落錘ガイド棒３
を通してくさび８に伝達され、くさび８は落下方向に衝
撃的に引っ張られて、くさび８の最頂点２２がテンショ
ンロツド９に設Ｐ宴れた接触ピン１３から引き抜かれる
。

このくさび８の移動によって、テンション田ンド９はそ
のＹ−Ｙ軸方向にスライドし、試験片７はくさび８によ
って増幅された衝撃力を負荷される。

このとき、第３図に示すように、落錘１により発生した
衝撃力Ｓは、くさび効果によって大幅に増幅されるが、
この増幅されたテンションロツド９の引張衝撃力Ｆは、
くさび８の角度θとの関係から Ｆ＝Ｓ／ｔａｎθ となる。

また、くさび８が引き抜かれる方向の速度をＶＫとし、
損失がないと仮定した場合の試験片７における衝撃負荷
速度ＶＴは ＶＴ＝ＶＫｔａｎθ となる。

この衝撃負荷速度は、落錘１の高さを変えることによっ
て任意に設定可能である。

このようにして試験片７に加えられたひずみ及び応力は
、クリップゲージ２３及びロードセル１９に貼布された
ひずみゲージ１８によって検出されるが、このロードセ
ル１９のひずみゲージ１８、及び、クリップゲージ２３
の出力信号は、増幅装置２５及び２４によって増幅され
、これがデジタル型メモライザ２６に記憶されると共に
、記憶された信号は、後に読出しを行ない、シンクロス
コープ２７によって可視化すると共に、Ｘ−Ｙレコーダ
２８により記録させて、この試験のサイクルを終了する
。

一般に、このような衝撃負荷試験では、初期荷重時に荷
重一変位曲線に表われる慣性力の問題があるが、本発明
による衝撃負荷試験装置においては、試験材料及び試験
温度によって最適な落錘１の重量と落下高さとを選択す
ることにより、その影響を無視できる程度に小さくする
ことができる。

なお、第６図は、本発明装置によって、Ｊｉｄ試験を行
なって得られた荷重一変位曲線の一例を示したものであ
る。

本発明装置は、上記のように構成され、作用するので、
構造的に非常に簡単な落錘１による負荷方法であるにも
かかわらず、くさび８を介して衝撃力を伝達するために
、大幅に増輻された衝撃力を得ることができ、従って、
小型の試験機においても、試験片断面積の比較的大きな
工業材料の試験にも適用が可能であるし、また、前記の
ように、くさび８と変位設定ナット１７との組合わせに
より、非常に簡単に試験片７に与える変位量を制御する
ことが可能であって、これにより、変位制御の必要な、
例えば、動的破壊靭性Ｊｉｄ試験を行なうことが可能と
なった。

なお、第７図Ａは、その試験結果を示すＲカーブの一例
である。

又この図は前述したように、材料の破壊靭性値Ｊｉｄを
求めるための線図で通常Ｒカーブといわれるものであり
試験片（代表例として第７図Ｂ１に側面図を、第７図Ｂ
２に正面図を示す）の疲労き裂先端Ｂｌｌの表わす鈍化
直線Ｐ。

（第７図Ｆ）と、その先端に形成される安定き裂の進展
を示すＲラインＰ１（第７図Ｆ）から成っており、安定
き裂の発生点におけるＪ値として定義されるＪｉｄ値を
その２本の直線の交点Ｐ２として求めるための図である
。

この線図を求める手法は以下に示すとうりである。

まず第７図Ｃの荷重−（荷重点）変位曲線に示すように
、数個の試験片をそれぞれ異った変位まで高速で荷重し
、そのそれぞれについて荷重一変位曲線下の面積Ｋを計
算する。

次に第７図Ｄで示すが、試験片を加熱着色後破断し、破
面から疲労予き裂長さａ。

、試験片幅Ｗ、試験片厚さＨ、き裂の進展量△ａを夫々
測定する。

ついで の関係からＪ値を計算し、これを第７図Ｅのようにこれ
を縦軸とし、横軸にとった測定されたき裂進展量△ａと
の関係でプロットする。

そしてＲラインＰ１と鈍化直線Ｐ。

を実験点を参照して決め、第７図Ｆのようにその交点Ｐ
２としてＪｉｄを求める。

以上の手順をふむが、動的破壊靭性値Ｊｉｄを求めるた
めには第１図Ｃの過程で高速で所定変位を負荷すること
が必要であり、本変位制御機構を有するくさび式試験装
置が有効である。

更に、上記実施例は特殊形状の試験片について説明した
が、これに限るものではなく、第８図に示すような通常
の引張試験片に適用することも可能である。

また、一般に、金属材料試験においては、その材料の種
々の特性と温度との関係を求められることが多いが、本
発明による衝撃負荷試験装置は、第９図に示すような簡
単な恒温槽３０や、図示しない電気炉を設けることによ
り、−１９６℃〜４００℃の範囲で低温又は熱間試験を
行なうこともでき、本発明装置の有用度はきわめて高く
、更にはまた、本発明による衝撃負荷試験装置は、全体
的に小型であり、且つ、構造が簡単であることから、変
位制御機構を有する衝撃負荷装置としては非常に経済的
であって、従来装置における変位制御困難、大形及び高
価という欠点を完全に除去し、その上、各種の試験及び
工業材料に広く対応し得る効果を有するものであり、更
に、本発明装置を用いて得られる動的な材料特性は、学
問的に非常に興味深い結果と、その指針を与えるもので
ある効果も見逃せない。

【図面の簡単な説明】

第１図はＪｄ試験における荷重一変位線図、第２図は本
発明による衝撃負荷試験装置の一実施例の縦断面図、第
３図はそのくさびとテンションロンドとの接触点付近の
拡大断面図、第４図は上記一実施例の荷重一変位測定装
置の系統概念図、第５図は第２図の■一■線による断面
図、第６図は本発明による衝撃負荷試験装置を用いて行
ったＪｉｄ試験の一例における荷重一変位線図、第７図
Ａは本発明による衝撃負荷試験装置を用いて行なったＪ
ｉｄ試験の一例で求められたＲカーブを示す線図、第７
図Ｂ１，Ｂ２は試験片の側面図、正面図、第７図Ｃ，Ｄ
，Ｅ，Ｆは第Ｉ図Ａの手順を説明するための簡略図であ
る。 又第８図は本発明による衝撃負荷試験装置を引張試験に
適用する場合の要部縦断面図、第９図は本発明による衝
撃負荷試験装置に恒温槽を設けた場合の要部縦断面図で
ある。 １・・・・・・落錘、２・・・・・・落錘受け、３・・
・・・・落錘ガイド棒、４・・・・・・ストッパー、５
・・・・・・固定ベッド、６・・・・・・落錘止め、７
・・・・・・試験片、８・・・・・・くさび、９・・・
・・・テンションロツド、１０・・・・・・第１のブロ
ック、１１・・・・・・溝状の貫通穴、１２・・・・・
・側面、１３・・・・・・接触ピン、１４・・・・・・
接触点、１５・・・・・・ころ状くさび受け、１６・・
・・・・直動専用型玉軸受、１７・・・・・・変位の設
定ナット、１８・・・・・・ひずみゲージ、１９・・・
・・・ロードセル、２０・・・・・・第２のブロック、
２１・・・・・・試験片装置冶具、２２・・・・・・く
さび８の最頂点、２３・・・・・・クリップゲージ、２
４・・・・・・第１増幅装置、２５・・・・・・第２の
増幅装置、２６・・・・・・２チャンネルデジタル型メ
モライザ、２７・・・・・・シンクロスコープ，２８・
・・・・・Ｘ−Ｙレコーダ、２９・・・・・・ピン、３
０・・・・・・恒温槽。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 落錘と落錘受けとよりなる衝撃力発生装置と、前記
   落錘受けと一体に上下するくさびを含む衝撃力伝達装置
   と、前記くさびと係合して左右に前記くさびによって生
   じた変位を与えられるテンションロンドを含む変位装置
   と、位置調節可能な設定ナットやコードセルを含む変位
   設定装置と、前記変位装置と前記変位設定装置とにより
   両端を支持され前記変位に応じたひずみや応力を負荷す
   る試験片と、前記変位に応じ生じた試験片の負荷を検出
   測定する検出測定装置とを備えることを特徴とする衝撃
   負荷試験装置。 ２ くさびとテンションロツドの係合としては前記テン
   ションロツドに形成されたみぞ状の貫通穴の一側面に接
   触ピンを介して前記くさびを接触せしめるようにした特
   許請求の範囲第１項記載の衝撃負荷試験装置。