JP2011043470A - Tension test jig - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、曲げモーメントを発生させることなく簡便迅速な方法で同時に装着された２本以上の試験片に対し、順次引張応力を負荷しながら各試験片の引張変形特性（応力ー歪曲線）やクリープ変形特性（クリープ曲線）を個別に高い信頼性をもって測定することを可能とする、引張試験治具に関する発明である。 In the present invention, the tensile deformation characteristics (stress-strain curve) of each test piece are sequentially applied to two or more test pieces that are simultaneously mounted in a simple and quick manner without generating a bending moment. The invention relates to a tensile test jig that enables individual measurement of creep deformation characteristics (creep curve) with high reliability.
材料の降伏応力、引張強度、伸びなどの引張特性やクリープ特性は、構造材料における最も基本的で重要な特性である。これらの特性はいずれも試験温度や試験雰囲気に強く依存する。また、引張特性は変位制御の試験により、クリープ特性は主に荷重制御の試験により測定されるため、それぞれの特性は歪速度（変位速度）と負荷荷重にも依存する。したがって、一般にこれらの試験条件の関数として測定されねばならない。 Tensile properties such as yield stress, tensile strength, elongation, and creep properties of materials are the most fundamental and important properties of structural materials. All of these characteristics strongly depend on the test temperature and test atmosphere. Further, since the tensile characteristics are measured by a displacement control test and the creep characteristics are mainly measured by a load control test, each characteristic also depends on a strain rate (displacement rate) and a load load. Therefore, it must generally be measured as a function of these test conditions.
また、試験条件を一つに限定しても、主に材料の組織不均一性に起因する試験片間のデータのばらつきを把握するために、通常３本以上の試験片の測定を必要とする。さらに、新しく試作した材料の引張特性やクリープ特性の評価のためには、組成、作製条件等の異なる試験片について、上述した試験条件の関数として評価することが要求されるため、測定される試験片は数百本に達する場合もある。 Even if the test conditions are limited to one, it is usually necessary to measure three or more test pieces in order to grasp the data variability between the test pieces mainly due to the material non-uniformity of the material. . Furthermore, in order to evaluate the tensile properties and creep properties of newly prototyped materials, it is required to evaluate test pieces with different compositions, production conditions, etc. as a function of the test conditions described above. Fragments can reach hundreds.
また、測定条件（特に環境）の制御の困難さから２回目以降の測定条件が最初の測定条件と一致せず、その差異が試験データの解釈にとって重要になることはよく経験するところであり、同じ条件で引張特性やクリープ特性を測定するための試験技術の開発が必要とされている。 Also, due to the difficulty in controlling the measurement conditions (especially the environment), the second and subsequent measurement conditions are not consistent with the first measurement conditions, and the difference is important for the interpretation of test data. There is a need to develop testing techniques for measuring tensile and creep properties under conditions.
さらに、治具への試験片装着は、試験片への曲げモーメントを発生させることなく、簡便迅速に行えることが、試験の効率性および試験データの信頼性を高めるのに必要である。 Furthermore, it is necessary to increase the efficiency of the test and the reliability of the test data that the test piece can be attached to the jig simply and quickly without generating a bending moment on the test piece.
以上の要請に対し、従来の引張試験やクリープ試験では、一度に１本の試験片しか装着・測定できないので、試験片が破断し測定が終了する毎に試験片を交換（脱着）しなければならない。その結果、特に照射下、高温、低温、真空、大気以外のガス雰囲気、高圧、腐食環境等の条件・環境での引張試験やクリープ試験では、試験片の交換のために温度・雰囲気を室温・大気圧に戻すとともに、再び必要な測定環境を作らねばならないので、実質的な試験時間、つまり荷重の負荷時間、は短くても、データ取得には長時間を必要とする。また、環境が特殊であるほど環境の制御と特性評価が困難となり、未だに実施されていない試験もある。その代表的な例が、原子炉内中性子照射下での材料の中性子照射に伴う硬化（照射硬化）と脆化（照射脆化）の評価であり、そのためには原子炉内でのその場引張試験（変位制御）による応力―歪曲線の測定が必要である。 In response to the above requirements, in the conventional tensile test and creep test, only one test piece can be mounted and measured at a time, so the test piece must be replaced (removed) each time the test piece breaks and the measurement is completed. Don't be. As a result, especially in tensile tests and creep tests under conditions such as irradiation, high temperature, low temperature, vacuum, gas atmosphere other than air, high pressure, corrosive environment, etc. Since it is necessary to return to the atmospheric pressure and to create a necessary measurement environment again, it takes a long time to acquire data even if the substantial test time, that is, the load time of the load is short. Also, the more specific the environment is, the more difficult it is to control and characterize the environment, and some tests have not yet been performed. A typical example is the evaluation of hardening (irradiation hardening) and embrittlement (irradiation embrittlement) associated with neutron irradiation of materials under neutron irradiation in the reactor. It is necessary to measure the stress-strain curve by testing (displacement control).
材料の照射硬化と照射脆化に関するデータ取得については、現状では原子炉照射下でのその場引張試験は実施されておらず、代わりに照射終了後に誘導放射能の低減を待って試験片を取り出し、炉外で引張試験を行う照射後試験が行われている。この結果、得られる試験結果は、実際に照射による特性変化が進行している状態におけるものとは異なる恐れがあるとともに、照射後試験では試験片を準備してから特性評価が終了するまでに長期間（通常１〜３年)を要するため、この分野における研究進展を阻んでいる。照射下でのその場引張試験が実施されない主な理由は次の通りである。原子炉照射試験に使用されるキャプセル内のスペースは限られている上に、従来の引張試験技術によりキャプセル内の試験片に引張応力を負荷するためにはキャプセルの構造が極めて複雑となり、多くの計測線を要するため、１本のキャプセル（例：内径40mm、有効長：600mm）を占有してしまう。その場合でも装入可能な試験片の数は極めて限られており、しかもそのようなキャプセルは作製に長期を要し、非常に高価である。 Regarding the acquisition of data on irradiation hardening and irradiation embrittlement of materials, there is currently no in-situ tensile test under reactor irradiation. Instead, after the irradiation is completed, the test piece is taken out after waiting for the reduction of the induced radioactivity. A post-irradiation test is performed in which a tensile test is performed outside the furnace. As a result, the test results obtained may differ from those in the state in which the characteristic change due to irradiation is actually progressing. It takes a period (usually 1 to 3 years), hindering research progress in this area. The main reasons why the in-situ tensile test under irradiation is not carried out are as follows. In addition to the limited space in the capsule used for the reactor irradiation test, the structure of the capsule is extremely complicated in order to apply tensile stress to the specimen in the capsule by the conventional tensile testing technology. Since a measuring line is required, one capsule (eg, inner diameter: 40 mm, effective length: 600 mm) is occupied. Even in such a case, the number of test pieces that can be loaded is extremely limited, and such a capsule requires a long time for production and is very expensive.
一方、特殊環境として照射下における材料試験を目的として試験片への引張荷重の負荷を可能とした試験治具がある[特許文献１〜３]。しかしながら、これらは、引張荷重の発生機構としてフレキシブルバッグや気密室内のガス内圧あるいは油圧シリンダーを用いているため、原理的に荷重制御の可能な試験といえるが、実際は制御精度の高い試験は困難であり、また変位制御による引張試験は実施不可能である。さらに、これらの治具では１本の試験片しか装着できない。なお、環境中試験に適した、治具への圧縮荷重負荷により試験片への引張荷重負荷を可能とするコンパクトな治具もあるが、これも試験片装着数は１本のみである[非特許文献１，２]。 On the other hand, there is a test jig that enables a tensile load to be applied to a test piece for the purpose of a material test under irradiation as a special environment [Patent Documents 1 to 3]. However, these can be said to be tests capable of load control in principle because a flexible bag, gas internal pressure in a hermetic chamber, or a hydraulic cylinder is used as a mechanism for generating a tensile load, but in reality, tests with high control accuracy are difficult. Yes, and a tensile test based on displacement control is not possible. Furthermore, only one specimen can be mounted with these jigs. There is also a compact jig that is suitable for environmental tests and allows a tensile load to be applied to the test piece by applying a compressive load to the jig, but this also requires only one test piece. Patent Documents 1 and 2].
従来の治具では、試験片装着時に試験片つかみ部を締め付けることによる治具への固定を要するために、曲げモーメントにより生ずる試験片の塑性変形を回避することは容易でなかった。そこで、装着時における試験片の塑性変形の恐れがなく、かつ試験片装着の簡便性を高めることを目的とした治具が報告されている[非特許文献２]。この治具では、引張試験片の形状（つかみ部の形状のみ）もその目的を満たすように改善されている。 In the conventional jig, it is not easy to avoid plastic deformation of the test piece caused by a bending moment because it is required to be fixed to the jig by tightening the test piece grip when the test piece is mounted. Therefore, there has been reported a jig intended to increase the simplicity of mounting a test piece without fear of plastic deformation of the test piece during mounting [Non-Patent Document 2]. In this jig, the shape of the tensile test piece (only the shape of the grip portion) is also improved to satisfy the purpose.
すなわち、一般に用いられている治具への試験片の装着方法、すなわち、試験片のピン孔を通して試験片の位置を決め、その位置で試験片を締め付けて治具に取り付ける方法、とは異なり、試験片のつかみ部形状にフィットする溝部を試験治具に掘ってその溝部に試験片を挿入し、試験片の肩部で荷重を負荷する構造をもつ。従って、試験片は単に溝に置くだけでよく、締め付けに伴う曲げモーメント発生を危惧する必要がないので、試験片の装着が容易となった。しかしながら、その方法は、試験治具の溝からの試験片落下を防止するために上下２枚の当て板をそれぞれ２本のねじで固定する方式であるので、簡便・迅速さの点で不十分である。また、溝の深さが試験片の厚さと同程度であるため、試験片を取り付けた試験治具を含む試験機系の剛性が低いという問題がある。この試験機系の剛性とは、試験治具、試験治具と試験機の連結治具、試験片、荷重検出器等を含む試験機系全体の剛性を意味し、引張試験で得られる荷重―変位曲線において弾性変形に対応する立ち上がりの直線領域の勾配の最大値により評価されるものである。 That is, unlike the method of mounting a test piece on a commonly used jig, that is, the method of determining the position of the test piece through the pin hole of the test piece and tightening the test piece at that position and attaching it to the jig, A groove that fits the shape of the grip of the test piece is dug in the test jig, the test piece is inserted into the groove, and a load is applied to the shoulder of the test piece. Therefore, it is only necessary to place the test piece in the groove, and it is not necessary to worry about the generation of a bending moment accompanying tightening, so that the test piece can be easily mounted. However, this method is not sufficient in terms of simplicity and speed because the two upper and lower contact plates are fixed with two screws to prevent the test piece from dropping from the groove of the test jig. It is. Moreover, since the depth of a groove | channel is comparable as the thickness of a test piece, there exists a problem that the rigidity of the test machine system containing the test jig | tool which attached the test piece is low. The rigidity of the test machine system means the rigidity of the entire test machine system including the test jig, test jig and test machine connection jig, test piece, load detector, etc. The displacement curve is evaluated by the maximum value of the gradient of the rising linear region corresponding to the elastic deformation.
材料の引張特性やクリープ特性の評価は、多数の試験片についての引張試験（変位制御）やクリープ試験（主に荷重制御）を必要とするので、試験効率をできる限り高めることが必要である。従来の引張試験やクリープ試験の技術では、同時に２本以上の試験片を装着して各試験片について逐次試験を実施することは不可能であり、試験片の取り外しや交換の際には試験環境を一旦、室温・大気に開放する必要があるため、特に試験環境の設定に長時間を要する照射場、高温、低温、真空、大気圧以外のガス雰囲気、高圧、腐食環境などの条件下での試験データ収集は極めて非効率的である。 Evaluation of tensile properties and creep properties of materials requires tensile tests (displacement control) and creep tests (mainly load control) for a large number of test pieces, so that it is necessary to increase the test efficiency as much as possible. With the conventional tensile test and creep test techniques, it is impossible to mount two or more test pieces at the same time and perform sequential tests on each test piece. Must be opened to room temperature and the atmosphere, especially in irradiation fields that require a long time to set up the test environment, high-temperature, low-temperature, vacuum, gas atmospheres other than atmospheric pressure, high-pressure, corrosive environment, etc. Test data collection is extremely inefficient.
原子力材料の照射脆化・硬化に関するデータ取得については、従来技術では原子炉内における照射下での引張試験（変位制御）が至難であり、照射終了後に原子炉から試験片を取り出して炉外で引張試験を実施する照射後試験を行っている状況である。従って、原子炉内で変位制御による引張試験を可能にする試験治具の開発が求められている。 Regarding the acquisition of data related to irradiation embrittlement and hardening of nuclear materials, it is difficult to perform tensile tests (displacement control) under irradiation in the reactor with the conventional technology. This is a situation where a post-irradiation test is performed to conduct a tensile test. Accordingly, there is a demand for the development of a test jig that enables a tensile test by displacement control in a nuclear reactor.
測定条件（特に環境）の制御や再現が容易でない場合に引張・クリープ特性の解明に必要な試験データを得るためには、同時に２本以上の試験片を装着して同じ条件で各試験片について逐次引張試験やクリープ試験を実施するための試験治具の開発が必要である。治具は、引張試験とクリープ試験の両方に適用可能なものが望ましい。 In order to obtain the test data necessary for elucidating the tensile and creep properties when it is not easy to control and reproduce the measurement conditions (especially the environment), install two or more test pieces at the same time and use the same conditions for each test piece. It is necessary to develop a test jig for conducting sequential tensile tests and creep tests. It is desirable that the jig is applicable to both a tensile test and a creep test.
装着が簡便・迅速に行うことができ、試験片に曲げモーメントを発生させず、試験機系の剛性を高く維持できる構造をもつ試験片装着手法の開発も、装着時間の短縮による多数の試験の効率化の観点から重要となる。 Development of a test piece mounting method that can be easily and quickly mounted, does not generate a bending moment in the test piece, and maintains the rigidity of the tester system is high. This is important from the viewpoint of efficiency.
本発明は、上記の課題に鑑みて想到されたものであり、曲げモーメントを発生させることなく２本以上の複数試験片を同時に簡便迅速に装着し、各試験片について逐次引張試験やクリープ試験を行うことを可能とする。引張試験あるいはクリープ試験のみの治具として、または引張試験とクリープ試験の両方の治具として使用でき、全ての試験終了まで試験片の取り外しや交換を必要としない。その結果、本発明品は、特に試験片の交換に長時間を要する試験環境でのデータ収集を極めて効率的に行える試験治具を提供する。そのような試験環境の例としては、原子炉中性子照射下、加熱炉を必要とする高温、液体窒素等の冷媒を必要とする低温、排気装置を必要とする真空、大気以外のガスへの置換・加圧を必要とする条件、pH7以外の腐食溶液中などが挙げられ、さらにこれらが二つ以上重畳した高温・高圧・腐食環境などの環境もある。また、本試験治具は、金属材料のみならず、プラスチック等の有機材料やセラミックス等の無機材料についても、各材料の評価に必要な環境下における引張試験やクリープ試験に適用可能である。 The present invention has been conceived in view of the above-mentioned problems. Two or more test pieces are simultaneously and quickly mounted without generating a bending moment, and a sequential tensile test or creep test is performed on each test piece. Make it possible to do. It can be used as a jig for tensile tests or creep tests only, or as a jig for both tensile tests and creep tests, and does not require removal or replacement of specimens until the end of all tests. As a result, the product of the present invention provides a test jig capable of extremely efficiently collecting data, particularly in a test environment that requires a long time to replace a test piece. Examples of such test environments include neutron irradiation, high temperature that requires a heating furnace, low temperature that requires a refrigerant such as liquid nitrogen, vacuum that requires an exhaust system, and replacement with a gas other than the atmosphere. -Conditions that require pressurization, in corrosive solutions other than pH 7, etc. There are also environments such as high temperature, high pressure, and corrosive environment in which two or more of these are superimposed. Further, the present test jig can be applied not only to a metal material but also to an organic material such as plastic and an inorganic material such as ceramics in a tensile test and a creep test under an environment necessary for evaluating each material.
具体的には、例えば引張試験片４本を同時に装着でき、かつ、試験片の着脱を極めて簡便・迅速に行える治具を開発することにより、引張試験（変位制御）に要する時間は、従来の１/５〜１/２０の時間に短縮され得る。同一試験条件で試験を行う場合、各試験片については、負荷開始から試験片破断までの時間差に対応する測定時刻の違いがあるだけで、本質的に同一測定環境における連続的な評価が可能になるので、質の高い試験データが得られる。また、試験片間で温度や歪速度等の試験条件を変えることも容易に行える。さらに、試験片間で、引張試験とクリープ試験のように試験の種類を変えることも可能である。 Specifically, for example, by developing a jig that can attach four tensile test pieces at the same time and can attach and remove the test pieces very simply and quickly, the time required for the tensile test (displacement control) The time can be shortened to 1/5 to 1/20. When testing under the same test conditions, each test piece can be continuously evaluated in essentially the same measurement environment with only a difference in measurement time corresponding to the time difference from the start of load to test piece breakage. Therefore, high-quality test data can be obtained. It is also possible to easily change test conditions such as temperature and strain rate between test pieces. Furthermore, it is possible to change the type of test between specimens, such as a tensile test and a creep test.
原子力材料の照射脆化・硬化に関するデータ取得については、従来技術では照射下での引張試験が至難であり、照射後試験しか実施できなかったのに対し、本発明は有効な解決手法を提供する。本発明の構造によれば、複数の試験片を極めて簡便迅速に装着可能であるとともに、試験治具をコンパクトなサイズに製作できること、負荷機構が上から押すだけの非常に単純な構造であることから、キャプセル内の占有スペースは少なく、キャプセルを有効に活用できる。負荷機構は下から押す構造でも良い。さらにスペースは照射後試験用の試験片のために利用可能である。したがって、現在行われている原子炉内での照射下インパイルクリープ試験（荷重制御）に比べて、キャプセルのスペースをはるかに有効に活用できる。しかも、照射下インパイルクリープ試験に比べて、大幅に安価に製造することが可能である。 Regarding acquisition of data related to irradiation embrittlement / hardening of nuclear materials, the tensile test under irradiation is extremely difficult with the prior art, and only post-irradiation testing can be performed, but the present invention provides an effective solution. . According to the structure of the present invention, a plurality of test pieces can be mounted very easily and quickly, the test jig can be manufactured in a compact size, and the load mechanism has a very simple structure that only pushes from above. Therefore, the occupied space in the capsule is small and the capsule can be used effectively. The load mechanism may be pushed from below. In addition, space is available for specimens for post-irradiation testing. Therefore, it is possible to use the space of the capsule much more effectively than the currently performed in-pile creep test (load control) under irradiation in the nuclear reactor. Moreover, it can be manufactured at a much lower cost than the in-pile creep test under irradiation.
本発明は、次なるものを提供している。
[１]圧縮荷重を引張荷重に変換する固定チャックと可動チャックからなるユニットで構成され、固定チャックと可動チャックに試験片を取り付ける個所がそれぞれ２個所以上設けられ、同時に装着された２本以上の試験片に対し、試験片に負荷が加わる点を荷重軸方向にずらすことにより１本ずつ荷重が付加され、１本が破断後に２本目以降の試験片に順次荷重が付加される構造を有し、試験片の着脱作業を行うことなく全試験片に対する引張試験が実施される引張試験治具。
[２]上記[1] に記載された引張試験治具のユニットを２個以上直列に配置し、各ユニットの固定チャックは連結支柱に固定され、１個のユニットに設置された試験片が全て破断した後に順次２個目以降のユニットに設置された試験片の引張試験が開始される構造を有する引張試験治具。
[３]圧縮荷重を引張荷重に変換する固定チャックと可動チャックからなるユニットで構成され、固定チャックと可動チャックに試験片を取り付ける個所がそれぞれ１個所設けられたユニットを２個以上直列に配置し、各ユニットの固定チャックは連結支柱に固定され、１個のユニットに設置された試験片が破断した後に順次２個目以降のユニットに設置された試験片の引張試験が開始される構造を有する引張試験治具。
[４]上記[３]に記載の引張試験治具において少なくとも１つのユニットを上記[１]に記載のユニットに置き換えた構造を有し、取り付けられた全ての試験片に対し、１本ずつ荷重が付加され、１本が破断後に２本目以降の試験片に順次荷重が付加される構造を有し、試験片の着脱作業を行うことなく全試験片に対する引張試験が実施される引張試験治具。
[５]固定チャックおよび可動チャックにおける試験片装着部は試験片のつかみ部の形状に応じた形状の溝からなり、試験片つかみ部の左右両側に設けたポケットで支持される当て板により試験片脱落を防止する機構を有する上記[１]〜[４]に記載の引張試験治具。
[６]照射下、高温、低温、真空、腐食環境のいずれか１つあるいは２つ以上が重畳した環境下における材料試験が可能な上記[１]〜[５]に記載の引張試験治具。
[７]原子炉の照射用キャプセルに装苛することが可能であり、任意の照射時点におけるキャプセル内での引張試験が可能な上記[１]〜[５]に記載の引張試験治具。
The present invention provides the following.
[1] Consists of a unit consisting of a fixed chuck and a movable chuck that convert compressive load into tensile load. There are two or more locations for attaching test specimens to the fixed chuck and movable chuck, and two or more mounted at the same time. The test piece has a structure in which the load is applied one by one by shifting the point at which the load is applied to the test piece in the load axis direction, and one is sequentially applied to the second and subsequent test pieces after breaking. A tensile test jig in which a tensile test is performed on all test pieces without performing the work of attaching and detaching the test pieces.
[2] Two or more units of the tensile test jig described in [1] above are arranged in series, and the fixed chuck of each unit is fixed to the connecting column, and all the test pieces installed in one unit are A tensile test jig having a structure in which a tensile test of test pieces installed in a second unit and subsequent units is started after being broken.
[3] Consists of a unit consisting of a fixed chuck that converts compressive load into tensile load and a movable chuck, and two or more units, each of which is provided with one place for attaching a test piece to the fixed chuck and the movable chuck, are arranged in series. The fixed chuck of each unit is fixed to the connecting column, and after the test piece installed in one unit breaks, the tensile test of the test piece installed in the second and subsequent units is started sequentially. Tensile test jig.
[4] The tensile test jig according to [3] has a structure in which at least one unit is replaced with the unit according to [1]. One load is applied to all the attached test pieces. A tensile test jig that has a structure in which a load is applied sequentially to the second and subsequent test pieces after one breaks, and a tensile test is performed on all the test pieces without attaching or detaching the test pieces. .
[5] The test piece mounting portion in the fixed chuck and the movable chuck is composed of a groove having a shape corresponding to the shape of the grip portion of the test piece, and the test piece is supported by a backing plate supported by pockets provided on the left and right sides of the test piece grip portion The tensile test jig according to any one of [1] to [4], wherein the tensile test jig has a mechanism for preventing dropout.
[6] The tensile test jig according to the above [1] to [5], wherein the material test can be performed in an environment in which any one or two or more of high temperature, low temperature, vacuum, and corrosive environment are superimposed under irradiation.
[7] The tensile test jig according to the above [1] to [5], which can be loaded into an irradiation capsule of a nuclear reactor and can perform a tensile test in the capsule at an arbitrary irradiation time point.
金属材料やセラミックス、それらの複合材料、およびプラスチックス等の種々の材料について、大学、国公立の研究機関、材料メーカーや試験メーカー等の試験評価部門や研究所で日常的に行われる引張試験やクリープ試験は膨大な数に達する。それらの試験に対して、本発明品の使用により、従来の試験に比べて簡便迅速に試験片を装着することができ、格段に効率の良い引張特性やクリープ特性（特に短時間クリープ特性）の測定が可能となる。また、同一試験条件下での逐次試験が可能となるので、得られる試験データの信頼性が高い。試験片間で引張・クリープ試験を交互に行うことにより、同一条件下での引張特性とクリープ特性も測定可能である。その結果、本発明は、材料の機械的特性に関する学術研究および試験研究の進展に大きく寄与するとともに、試験データの質の向上とともに試験に費やす時間と経費を大幅に削減できるので、産業上も広い利用が期待でき、２１世紀における斬新な材料試験技術の一つとして位置づけられるものと期待される。 For various materials such as metal materials, ceramics, composite materials thereof, and plastics, tensile tests that are routinely performed in test evaluation departments and laboratories of universities, national and public research institutions, material manufacturers and test manufacturers, etc. The creep test reaches a huge number. For these tests, the use of the product of the present invention makes it possible to mount the test piece more easily and quickly than conventional tests, and has much more efficient tensile properties and creep properties (especially short-time creep properties). Measurement is possible. In addition, since sequential tests can be performed under the same test conditions, the reliability of the obtained test data is high. By alternately performing tensile / creep tests between specimens, tensile properties and creep properties under the same conditions can be measured. As a result, the present invention greatly contributes to the progress of academic research and test research on the mechanical properties of materials, and it can greatly reduce the time and cost spent on testing as well as improving the quality of test data, so it is also wide in industry. It can be expected to be used and is expected to be positioned as one of the innovative material testing technologies in the 21st century.
また、本試験治具は、標準サイズの試験片のみならず、非常に微小な試験片の装着も可能であるので、入手可能な試験片サイズが限られている新材料や実機より採取した余寿命評価等についても質の高い引張特性のデータの取得が可能であり、研究の進展促進が期待される。 In addition, this test jig can mount not only standard-size test pieces but also very small test pieces, so it is possible to collect new materials and actual machines that have limited available test piece sizes. It is possible to acquire high-quality tensile property data for life evaluation, etc., and it is expected to promote research progress.
さらに、本試験治具は、原子炉内の照射キャプセル内に装荷して負荷することが可能であるので、従来では不可能であった照射下その場引張試験が可能となる。その結果、照射による組織・特性変化が進行しつつある状態で機械的特性を評価できるので、これまでの照射後試験では捉えることのできなかった、照射硬化や照射脆化をはじめとする照射効果の本質的挙動や新しい現象の発現を迅速に把握することが可能となる。また、それらの評価は照射後試験（通常１〜３年）に比べてはるかに迅速に実施できる。このことは画期的であり、材料照射効果や原子力材料の研究進展に大きく寄与するものと期待される。 Furthermore, since the present test jig can be loaded and loaded in an irradiation capsule in the nuclear reactor, an in-situ tensile test under irradiation, which has been impossible in the past, becomes possible. As a result, it is possible to evaluate mechanical properties in a state where the tissue and property changes due to irradiation are progressing, so irradiation effects such as irradiation hardening and irradiation embrittlement that could not be grasped in previous post-irradiation tests. It is possible to quickly grasp the intrinsic behavior of the worm and the onset of new phenomena. Moreover, those evaluations can be carried out much more rapidly than post-irradiation tests (usually 1 to 3 years). This is epoch-making and is expected to contribute greatly to the progress of research on material irradiation effects and nuclear materials.
以下では、発明を実施するための形態について述べる。とくに、引張試験治具に装着した２本以上の複数の試験片に対して、試験中は１本の試験片にのみ引張応力が負荷され、それ以外の試験片には負荷されない状態を実現できる試験治具の構造について記す。また、試験片の装着を簡便・迅速に行える新たな取付方法についても記す。さらには、本発明の治具は、変位制御試験、荷重制御試験に対応できることも述べる。 Below, the form for inventing is described. In particular, for two or more test pieces mounted on a tensile test jig, it is possible to realize a state in which tensile stress is applied to only one test piece and no other test pieces are applied during the test. The structure of the test jig will be described. Also described is a new mounting method that allows simple and quick mounting of test specimens. Furthermore, it will be described that the jig of the present invention can cope with a displacement control test and a load control test.
図１に、試験片を取り付けた一組の上下チャックからなるユニットを鉛直方向に３つ連結した治具の模式図を示す。それぞれのチャックには試験片のつかみ部にフィットする溝が設けられている。溝の形状は試験片の形状（板状、丸棒状）に対応している。治具への試験片装着は試験片つかみ部を溝に挿入するだけでよく、きわめて簡便迅速な装着が可能である。図１では、鉛直方向に連結・締結した３つの各ユニットに装着可能な試験片の本数がそれぞれ１本の場合について、ユニット１の試験片にのみ引張応力が負荷された状態を示す。 FIG. 1 is a schematic diagram of a jig in which three units each composed of a pair of upper and lower chucks to which a test piece is attached are connected in the vertical direction. Each chuck is provided with a groove that fits the grip portion of the test piece. The shape of the groove corresponds to the shape of the test piece (plate shape, round bar shape). The test piece can be mounted on the jig only by inserting the test piece gripping portion into the groove, and can be mounted very simply and quickly. FIG. 1 shows a state in which a tensile stress is applied only to the test piece of the unit 1 when the number of test pieces that can be attached to each of the three units connected and fastened in the vertical direction is one.
図２では、治具の作動原理の理解のために、上下のチャックを固定チャックと可動チャックに分けて示した。各ユニットの上チャックは対角位置に配置した2本の支柱に固定され、またその固定支柱同士の連結を介して底部台座に固定されているので、固定チャックと呼ぶ。それに対して下チャックは上チャックに対して相対的にスライドするので、可動チャックと呼ぶ。各試験片は各固定チャックに吊り下がっている。可動部は、最上部に負荷される荷重を伝達する半球部を含む天板と可動チャック（下チャック）とが、対角位置に配置した2本の支柱を介して締結して構成されたものを、各試験片により吊り下げた構造である。各下チャックおよび各天板のもう一組の対角部に固定チャック用支柱を通す穴を設け、その固定用支柱に沿って可動チャックが試験片の長手方向にスライドする方式とする。各段のユニットにおいては、固定チャック連結用支柱と可動チャックおよび天板を締結する支柱はそれぞれ交互に隣接するように配置される。治具の骨組は、固定チャックを連結固定する支柱により治具にかかる荷重を支える構造であるので、支柱の締結を強固にすることにより治具全体の剛性を高くすることができる。 In FIG. 2, the upper and lower chucks are divided into a fixed chuck and a movable chuck for understanding the operation principle of the jig. The upper chuck of each unit is fixed to two support columns arranged at diagonal positions, and is also fixed to the bottom pedestal through the connection of the fixed support columns, so it is called a fixed chuck. On the other hand, since the lower chuck slides relative to the upper chuck, it is called a movable chuck. Each test piece is suspended from each fixed chuck. The movable part is constructed by fastening the top plate including the hemispherical part that transmits the load applied to the uppermost part and the movable chuck (lower chuck) via two struts arranged at diagonal positions. Is suspended by each test piece. A hole through which the fixed chuck column passes is provided in another diagonal portion of each lower chuck and each top plate, and the movable chuck slides in the longitudinal direction of the test piece along the fixed column. In the units of each stage, the fixed chuck connecting columns, the movable chucks, and the columns for fastening the top plate are alternately arranged adjacent to each other. Since the framework of the jig has a structure in which a load applied to the jig is supported by a support that connects and fixes the fixed chuck, the rigidity of the entire jig can be increased by tightening the support of the support.
図３は、試験治具に圧縮方向の変位を付与することにより、３本の試験片の上方から下方へ引張応力が順次負荷され、１本ずつ破断していく様子を示したものである。試験片が破断したユニットの可動チャック（下チャック）は、上チャックとの拘束（試験片を介してのつながり）が消失するので、下方へ速やかにスライドする。その結果、スライドした可動チャック底面とその下段のユニット天板の半球部とが接触し、上下のユニット間の荷重伝達が開始する。未試験のユニットでは、天板の半球部にはこの接触は起こらず、荷重は固定チャック支柱により支えられるので、試験片に対しては無負荷の状態を実現できる。最終的な荷重伝達の到達点は底部の固定台座である。各段のユニットの支柱長さや各チャックの配置間隔を、試験片１本あたりの破断に必要なストローク変位量より多めに設定することにより、すべての試験が終了するまでのいずれの時点においても目的とする１本の試験片にのみ引張応力が負荷され、他の試験片や荷重伝達の不要な部分には荷重が負荷されない構造とすることができる。 FIG. 3 shows a state in which tensile stress is sequentially applied from the top to the bottom of the three test pieces by applying a displacement in the compression direction to the test jig, and the specimen is broken one by one. The movable chuck (lower chuck) of the unit in which the test piece is broken slides quickly downward because the restraint (connection through the test piece) with the upper chuck disappears. As a result, the bottom surface of the slidable movable chuck comes into contact with the hemispherical portion of the lower unit top plate, and load transmission between the upper and lower units starts. In the untested unit, this contact does not occur in the hemispherical portion of the top plate, and the load is supported by the fixed chuck column, so that it is possible to realize an unloaded state on the test piece. The ultimate point of load transmission is the fixed base at the bottom. By setting the strut length of each stage unit and the arrangement interval of each chuck to be larger than the stroke displacement required for the break per test piece, the purpose is at any point in time until all tests are completed. A tensile stress is applied only to one test piece, and a load is not applied to other test pieces or portions where load transmission is unnecessary.
状態１（図１）から状態２〜４（図３）までの各ユニットに装着した試験片の負荷状態をまとめると以下のようになる。
状態１ 状態２ 状態３ 状態４
ユニット１ 荷重負荷 破断 破断 破断
ユニット２ 無負荷 荷重負荷 破断 破断
ユニット３ 無負荷 無負荷 荷重負荷 破断
なお、状態４はすべての試験片が破断した状態であり、これ以上のストローク変位量は必要ない。
上に示すように各ユニットの試験片の状態は、荷重負荷（引張変形中）、破断、無負荷のいずれかである。これらの３つの状態に対応するユニット中の荷重伝達経路を示すと以下のようになる。
試験片の状態 ユニット内の荷重伝達経路
破断 天板→可動チャック支柱→可動チャック→下段ユニット天板へ
負荷 天板→可動チャック支柱→可動チャック→試験片→固定チャック→固定チャック支柱→下段ユニット固定チャック支柱へ
無負荷 固定チャック支柱→下段ユニット固定チャック支柱へ
The load states of the test pieces attached to each unit from state 1 (FIG. 1) to states 2 to 4 (FIG. 3) are summarized as follows.
State 1 State 2 State 3 State 4
Unit 1 Loaded load Fracture Fracture Fracture unit 2 No load Loaded load Fracture Breaked unit 3 No load No load Loaded load Rupture
Note that state 4 is a state in which all the test pieces are broken, and no further stroke displacement is required.
As shown above, the state of the test piece of each unit is either loaded (during tensile deformation), broken or unloaded. The load transmission path in the unit corresponding to these three states is as follows.
Specimen state Load transmission path in the unit
Breaking top plate → movable chuck support → movable chuck → lower unit top plate
Load Top plate → Movable chuck post → Movable chuck → Test piece → Fixed chuck → Fixed chuck post → Lower unit fixed chuck post
No load Fixed chuck column → Lower unit fixed chuck column
図１〜３は３つのユニットを連結・締結した例であるが、試験治具全体の圧縮負荷に対する安定性が保たれる限り、かつ高さスペースの許す限り、連結するユニット数を増やすことができる。 1 to 3 are examples in which three units are connected and fastened, but the number of units to be connected can be increased as long as the stability of the entire test jig against the compression load is maintained and the height space allows. it can.
図４は、固定チャックと可動チャック部からなる一つのユニットに２本の試験片を取り付け、１本の試験片に荷重が負荷されている間は他の試験片には荷重は負荷されない構造を示している。固定チャックおよび可動チャック部の連結・締結は、前項で述べたユニットと同じ方式であり、溝の形状も同じく試験片の形状（板状、丸棒状）に対応するものとする。溝の位置については、片方の試験片のつかみ部の捕捉が他方の試験片の破断後に起こるようにチャックの対面側に溝部を設ければ（図４の右側面）、目的を達することができる。すなわち、一方の試験片に荷重が負荷されている間は、他方のチャックの溝部は試験片の平行部に沿って試験片を捕捉することなく単にスライドするだけである。 FIG. 4 shows a structure in which two test pieces are attached to one unit composed of a fixed chuck and a movable chuck portion, and no load is applied to other test pieces while one test piece is loaded. Show. The fixed chuck and the movable chuck portion are connected and fastened in the same manner as the unit described in the previous section, and the groove shape also corresponds to the shape of the test piece (plate shape, round bar shape). With respect to the position of the groove, the purpose can be achieved if a groove is provided on the opposite side of the chuck (the right side surface in FIG. 4) so that the gripping portion of one test piece is captured after the other test piece is broken. . That is, while a load is applied to one test piece, the groove portion of the other chuck simply slides along the parallel portion of the test piece without capturing the test piece.
図４に示した方式では、つかみ部捕捉までの可動チャックの最大スライド変位量は試験片の平行部長さである。これ以上のスライド変位量が必要な場合は、図５に示すようにつかみ部捕捉のための溝部も可動チャックに対してスライドする方式を新たに採用し、これを図４の右側の可動チャックに組み入れて使用すればよい。スライド長さは、可動チャックを厚くすることでさらに大きくすることができる。この図５では、数百%の伸びを示す超塑性材料にも適用可能なスライド変位量として平行部長さの３倍の例を示した。 In the method shown in FIG. 4, the maximum slide displacement of the movable chuck until the grip part is captured is the length of the parallel part of the test piece. When a larger amount of slide displacement is required, a new system is adopted in which the groove for catching the grip part slides with respect to the movable chuck as shown in FIG. It can be used by incorporating. The slide length can be further increased by increasing the thickness of the movable chuck. FIG. 5 shows an example in which the parallel portion length is three times as an amount of slide displacement applicable to a superplastic material exhibiting several hundred% elongation.
さらに、図４において、支柱に挟まれた残りの２つの側面にこの方式を使うと、試験片が同一寸法の場合、各試験片の伸びが100%以下であれば、試験片４本まで装着可能である。いずれの場合も、つかみ部が捕捉され負荷が生じて変形している試験片は常に１本のみであり、その試験片が破断して初めて次の試験片のつかみ部が捕捉され負荷が開始する構造とすることができる。 Furthermore, in Fig. 4, if this method is used for the remaining two sides sandwiched between the columns, up to four test pieces can be mounted if the test pieces have the same dimensions and the elongation of each test piece is 100% or less. Is possible. In either case, there is always only one test piece that is caught and deformed due to the gripping portion being caught, and the gripping portion of the next test piece is caught and the load starts only after the test piece breaks. It can be a structure.
試験片サイズに対して隣接する支柱の間隔をやや広く取ることにより、チャックの側面の一つに２本以上の試験片を装着することも可能である。本発明の試験治具は、高温、低温、真空、大気圧以外のガス雰囲気、高圧、腐食環境、照射環境下などの特殊な環境で使用することにより優位性が発揮されるが、このような試験条件・試験環境では試験治具を設置するスペースが限られる場合が多い。したがって、治具の隣接した支柱間隔は使用できるスペースにより制限されることになり、これにより装着可能な試験片の本数も制約を受ける。 It is also possible to mount two or more test pieces on one of the side surfaces of the chuck by making the interval between the adjacent struts slightly wider than the test piece size. The test jig of the present invention exhibits superiority when used in a special environment such as high temperature, low temperature, vacuum, gas atmosphere other than atmospheric pressure, high pressure, corrosive environment, irradiation environment, etc. In many test conditions and test environments, the space for installing test jigs is often limited. Accordingly, the interval between adjacent struts of the jig is limited by the space that can be used, and this limits the number of test pieces that can be mounted.
これまでに示したユニットの例では支柱の数が４本であるが、固定チャック連結支柱と可動チャック部締結支柱を交互に隣接させて、その数を６本以上（偶数）にした構造も可能であり、隣接支柱間隔の数以上の試験片を取り付けることも可能である。しかし、決められたスペースにおいて支柱の数を増やすと、隣接支柱間隔が狭くなり試験片の装着スペースが減少するので、支柱の数はこれにより制約を受ける。また、支柱の数が増えると構造が複雑になり治具の組み立ての煩雑さが増すので、むやみに支柱の数を増やすのは実用的ではない。 In the unit examples shown so far, the number of support columns is four, but it is also possible to have a structure in which the fixed chuck connection columns and movable chuck unit fastening columns are alternately adjacent to each other so that the number is six or more (even number). It is also possible to attach more test pieces than the number of adjacent struts. However, if the number of support columns is increased in a predetermined space, the interval between adjacent support columns is reduced, and the mounting space for the test piece is reduced. Further, since the structure becomes complicated and the jig assembly becomes complicated as the number of support posts increases, it is not practical to increase the number of support posts unnecessarily.
図４に示した試験治具も、固定チャックと可動チャック部で構成され、それぞれを連結・締結する支柱は交互に隣接するように配置されているので、図１に示した構造の一つのユニットと互換性がある。したがって、図１に示す治具で、そのユニットの少なくとも一つを同一の支柱間隔を持つ図４に示した構造のユニットに置き換えることができる。あるいは、図４の治具において既存の固定チャックに新たな固定チャック用支柱を継ぎ足すことにより、図１のような多段構造とすることもできる。 The test jig shown in FIG. 4 is also composed of a fixed chuck and a movable chuck part, and the columns for connecting and fastening each are arranged so as to be alternately adjacent to each other, so that one unit having the structure shown in FIG. Compatible with. Therefore, with the jig shown in FIG. 1, at least one of the units can be replaced with the unit having the structure shown in FIG. Alternatively, by adding a new fixed chuck support to the existing fixed chuck in the jig shown in FIG.
比較として、未だそのような例は報告されていないが、従来の１本の試験片しか装着できない治具を複数連結した場合を想定してみる。引張試験における従来技術の多くは、試験治具への引張荷重の負荷により試験片に引張応力が作用する構造である。一方、試験治具への圧縮荷重の負荷により試験片に引張応力が負荷される構造の試験治具は香山等（非特許文献１）により開発された。 As a comparison, no such example has been reported yet, but let us assume a case where a plurality of conventional jigs that can be mounted with only one test piece are connected. Many of the prior arts in the tensile test have a structure in which a tensile stress acts on the test piece when a tensile load is applied to the test jig. On the other hand, a test jig having a structure in which a tensile stress is applied to a test piece by a compressive load applied to the test jig was developed by Kayama et al. (Non-Patent Document 1).
これらの圧縮負荷の構造を持つ試験治具は、底部の台座に締結された固定チャックとそれに対してスライドする可動チャック部とから構成されるが、装着可能な試験片の数は１本のみである。 The test jig having the structure of these compressive loads is composed of a fixed chuck fastened to a pedestal at the bottom and a movable chuck portion that slides against the fixed chuck, but only one test piece can be mounted. is there.
この構造の試験治具をそのまま単純に縦方向に（直列に）複数積み重ねて試験を行った場合、すべての試験片に同時に同一荷重が負荷されてしまい、かつ検出されるストローク変位は、各試験片の変位（伸び）の総和となってしまう。なぜなら、この連結方法では最上部の天板半球部に荷重を負荷すると、上段の底部台座とその下の可動部の天板が常に接触を保つために、荷重は全ての試験片に同時に伝達されてしまうからである。それに対し、図１に示した構造は、未試験の試験片を荷重伝達経路から外し、そのユニットでは固定支柱のみを荷重が伝達するように考案したものであり、この点が根本的に異なる。 When testing is performed by simply stacking multiple test jigs with this structure in the vertical direction (in series), the same load is applied to all test pieces at the same time, and the detected stroke displacement is It becomes the sum total of the displacement (elongation) of the piece. Because, in this connection method, when a load is applied to the uppermost top hemisphere, the load is transmitted to all the test pieces at the same time in order to keep the top base of the upper pedestal and the top of the movable part below it in contact. Because it will end up. On the other hand, the structure shown in FIG. 1 is devised so that an untested test piece is removed from the load transmission path and the load is transmitted only to the fixed support in the unit, and this point is fundamentally different.
この従来治具の直列配置構造では、各試験片の荷重―変位曲線（応力―歪曲線）を個別に測定・評価することはできない。各試験片に伸び計を取り付けることにより変位の測定は可能となるが、とくに照射下、高温、低温、真空、高圧、腐食環境、照射環境などの特殊な雰囲気のように測定スペースが限られる場合、伸び計を装着することは困難であり、現実的ではない。 With this conventional arrangement structure of jigs, the load-displacement curve (stress-strain curve) of each test piece cannot be individually measured and evaluated. Displacement can be measured by attaching an extensometer to each specimen, but especially when the measurement space is limited, such as under special conditions such as under irradiation, high temperature, low temperature, vacuum, high pressure, corrosive environment, irradiation environment, etc. Wearing an extensometer is difficult and impractical.
この従来治具の直列配置構造では、最外周に配置したガイド棒に沿って各治具を鉛直に配置することは可能であっても、各治具を連結・締結することはできない。従って、各ユニットの固定チャック連結支柱を強固に締結することにより剛性を高めることの可能な本発明品と異なり、治具の剛性、つまり、試験片を装着した治具を含む試験機系の剛性、が低いため質の高いデータを得ることは困難である。 In this conventional arrangement structure of jigs, the jigs cannot be connected or fastened even though the jigs can be arranged vertically along the guide rods arranged on the outermost periphery. Therefore, unlike the present invention product, which can increase the rigidity by firmly fastening the fixed chuck connection column of each unit, the rigidity of the jig, that is, the rigidity of the testing machine system including the jig on which the test piece is mounted. However, it is difficult to obtain high quality data because of its low level.
また、従来治具を並列に並べて、同時に荷重を負荷した場合、各試験片の変位は常に同一で、全ての治具は同一変位量を呈するが、検出される荷重はすべての試験片に負荷される荷重の総和である。したがって、並列配置でも試験片毎の個別の荷重―変位曲線は測定できない。各治具にそれぞれ荷重検知センサー（ロードセル等）を取り付けることにより荷重の測定は可能になるが、室温・大気中での試験の場合でさえも負荷機構が極めて煩雑になり、治具のサイズも大型化する。特に、照射下、高温、低温、真空、高圧、腐食環境、照射環境などの特殊な雰囲気で荷重センサーを装着することは困難であり、現実的ではない。 In addition, when conventional jigs are arranged in parallel and a load is applied at the same time, the displacement of each specimen is always the same, and all jigs exhibit the same amount of displacement, but the detected load is applied to all specimens. This is the sum of the loads to be applied. Therefore, individual load-displacement curves for each specimen cannot be measured even in a parallel arrangement. The load can be measured by attaching a load detection sensor (load cell, etc.) to each jig, but the load mechanism becomes very complicated even in tests at room temperature and in the atmosphere, and the size of the jig is also large. Increase in size. In particular, it is difficult to mount the load sensor in a special atmosphere such as high temperature, low temperature, vacuum, high pressure, corrosive environment, irradiation environment under irradiation, and it is not realistic.
従来治具の並列配置構造では、装着する試験片の強度や断面積が互いに異なる場合、治具によって荷重の負荷が異なるので、半径方向の荷重のバランスが崩れ、質の高いデータは得られない。とくに１本の試験片が破断すると荷重が不安定になる恐れがある。 In the conventional parallel arrangement structure of jigs, when the strength and cross-sectional area of the test pieces to be installed are different from each other, the load of the load differs depending on the jig, so the radial load balance is lost and high quality data cannot be obtained. . In particular, when one test piece breaks, the load may become unstable.
図６に、ねじを使わずに試験片の当て板を簡便に取り付ける方法を示した。固定チャックに止め板がフィットするようなポケット部を、試験片を挟んで左右2ヶ所に設けて落下を防止する。当て板は取扱いが容易にできるように表側に取手を付ける。裏側には円柱状の突起を設け、突起は試験片のグリップ（掴み部）に軽く接触可能な形状・寸法とする。この接触は、試験片を押さえつけるものではなく、単に試験片が掴み部の溝からの脱落を防止するためのものである。同様な当て板の保持構造を可動チャックにも設ける。 FIG. 6 shows a method for simply attaching a test plate backing plate without using screws. A pocket that fits the fixed chuck to the stopper plate is provided in two places on the left and right sides of the test piece to prevent the fall. Attach the handle to the front side so that the backing plate can be handled easily. A cylindrical projection is provided on the back side, and the projection is shaped and dimensioned so that it can be lightly contacted with the grip (grip) of the test piece. This contact is not for pressing the test piece, but merely for preventing the test piece from falling out of the groove of the grip portion. A similar holding plate holding structure is also provided for the movable chuck.
この取り付け方式は、ねじ止めの方式に比べて迅速性の点で優れており、ねじ止め方式に比べ５分の１程度に取り付け所要時間を短縮できる。試験片の装着本数が増すほどこの効果は顕著になる。また、グリップの溝深さを試験片の厚みより十分大きくすることにより、試験片肩部の溝へのフィットがより確実になるため、試験治具の剛性を高めることができる。 This mounting method is superior to the screwing method in terms of quickness, and the time required for mounting can be shortened to about one-fifth compared with the screwing method. This effect becomes more prominent as the number of test specimens increases. Further, by making the groove depth of the grip sufficiently larger than the thickness of the test piece, the fitting of the shoulder of the test piece to the groove becomes more reliable, so that the rigidity of the test jig can be increased.
本発明の試験治具では、装着される試験片の本数に関わらず、その１本にのみ、それが破断するまで引張荷重が負荷される構造となっている。したがって、検出される荷重―変位や伸びー時間のデータは、装着した全ての試験片の個々のデータを直接与えるものであり、補正や校正を必要としない点に大きな優位性がある。 The test jig of the present invention has a structure in which a tensile load is applied to only one of the test jigs until it breaks regardless of the number of test pieces to be mounted. Therefore, the detected load-displacement and elongation-time data directly gives individual data of all the mounted specimens, and has a great advantage in that no correction or calibration is required.
さらに、本発明の試験治具では、多数の試験片のデータ収集が可能であるにもかかわらず必要な変位と荷重検出を構成する軸がただ一つで済む。すなわち、試験機に必要とする変位操作軸と荷重検出部はそれぞれ一つで済む。また、試験片の弾性変形量の評価が必要な場合を除き、塑性変形量の評価のためには試験片に伸び計を取り付ける必要はないので、簡単なセットアップで済み、限られたスペースでの試験には特に優位性を発揮する。本発明品の利用に必要な材料試験機は圧縮荷重の負荷さえ可能であれば、単純な一般的なもので良い。ユニバーサルジョイントの付いた引張荷重のみの付加機構をもつ試験機では、引張負荷を圧縮負荷に変える変換部をユニバーサルジョイントの下に加えればよい。 Furthermore, in the test jig of the present invention, only a single axis constituting the necessary displacement and load detection is required although data collection of a large number of test pieces is possible. That is, only one displacement operation shaft and load detection unit are required for the testing machine. Except when it is necessary to evaluate the amount of elastic deformation of the test piece, it is not necessary to attach an extensometer to the test piece in order to evaluate the amount of plastic deformation. The test is particularly advantageous. The material testing machine required for using the product of the present invention may be a simple and general one as long as it is capable of applying a compressive load. In a testing machine having a universal joint-attached mechanism only for tensile load, a conversion unit that converts the tensile load into a compression load may be added below the universal joint.
本発明の試験治具に装着した各試験片への応力負荷開始のタイミングについては、試験機の操作により行うので試験治具により制限を受けるものではない。したがって、試験片毎に異なる試験条件（初期歪速度、試験温度等）で任意に試験を開始することもできるし、すべての試験片のデータを同一の試験条件で連続的に得ることもできる。 The timing of starting stress loading on each test piece mounted on the test jig of the present invention is not limited by the test jig because it is performed by operating the test machine. Therefore, the test can be arbitrarily started under different test conditions (initial strain rate, test temperature, etc.) for each test piece, and data of all test pieces can be obtained continuously under the same test condition.
本発明の試験治具は、引張負荷機構をもつ試験機に取り付けることにより、試験機の制御モードを反映した試験を行うことを可能とする。すなわち、変位制御（通常の一定変位速度での引張試験）のみならず、荷重制御の試験（荷重あるいは応力一定でのクリープ試験）にも対応できる。したがって、２本以上の試験片の変位―時間曲線（クリープ歪―時間曲線）やクリープ破断寿命測定にも適用できる。 By attaching the test jig of the present invention to a tester having a tensile load mechanism, it is possible to perform a test reflecting the control mode of the tester. That is, not only displacement control (a tensile test at a normal constant displacement speed) but also a load control test (a creep test with a constant load or stress) can be supported. Therefore, it can be applied to the displacement-time curve (creep strain-time curve) and creep rupture life measurement of two or more test pieces.
荷重制御試験では、試験片に負荷される荷重を逐次検出し制御する機能を有するので、試験片が破断しかかったら速やかにそのことを検出して荷重をゼロにする。そのため、１本の試験片が破断した後、次の試験片に負荷されるまで無負荷状態となっても、試験片に塑性変形を及ぼす衝撃的な荷重がかかることはない。 Since the load control test has a function of sequentially detecting and controlling the load applied to the test piece, when the test piece is about to break, this is detected immediately and the load is made zero. For this reason, even if one test piece breaks and is in a no-load state until the next test piece is loaded, an impact load that causes plastic deformation is not applied to the test piece.
一般に、荷重制御試験は、荷重（応力）を負荷したときに試験片が示す伸び（歪）の時間依存性（クリープ変形挙動）を調べるクリープ試験に使用される。この試験では、主にクリープ変形機構を明らかにするための短時間クリープ試験、および主にクリープ破断寿命を評価するための長時間クリープ試験が行われている。いずれのクリープ試験も高温で行われるので、試験片の取り外しや脱着の際には試験環境を室温・大気に暴露する必要があり、本発明品の利用は有効である。 Generally, the load control test is used for a creep test for examining the time dependency (creep deformation behavior) of elongation (strain) exhibited by a test piece when a load (stress) is applied. In this test, a short-time creep test mainly for clarifying the creep deformation mechanism and a long-time creep test mainly for evaluating the creep rupture life are performed. Since any creep test is performed at a high temperature, it is necessary to expose the test environment to room temperature and air when removing or detaching the test piece, and the use of the product of the present invention is effective.
本発明品の好適な利用は、負荷を与えて試験片が破断するまでの実質的な試験時間に比べ、それ以外の試験片交換を含む作業に要する時間の割合が高い試験において有効になる。したがって、長時間クリープ試験のように長期間にわたる試験より、短時間クリープ試験が、さらにもっと短い時間で試験が終了する変位制御の引張試験において特に発揮される。 The preferred use of the product of the present invention is effective in a test in which the proportion of time required for work including other test piece replacement is higher than the substantial test time until the test piece breaks after applying a load. Therefore, a short-time creep test is particularly effective in a displacement-controlled tensile test in which the test is completed in a much shorter time than a long-term test such as a long-time creep test.
クリープ破断寿命を評価する長時間クリープ試験では、試験片を１本ずつ装着した治具を鉛直方向に複数配置し、同一引張荷重を付加して各試験片の破断までのクリープ曲線を測定し、破断した試験片については交換してさらに試験を継続することが行われている。しかし、この方法では、試験片毎に試験条件を任意に変えることは困難である。 In the long-term creep test for evaluating the creep rupture life, a plurality of jigs each equipped with one test piece are arranged in the vertical direction, the same tensile load is applied, the creep curve until the breakage of each test piece is measured, About the test piece which broke, exchanging and continuing a test is performed. However, with this method, it is difficult to arbitrarily change the test conditions for each test piece.
引張試験では試験片を引張方向に一定変位速度（例：0.1 ｍｍ/min）で強制的に変形させ、それに対して試験片が示す変形抵抗を荷重ー時間曲線として記録し、荷重ー時間を応力―歪曲線に変換する。応力―歪曲線から、材料の重要な引張特性、つまり降伏応力（0.２％耐力、上降伏点、下降伏点）、加工硬化率、引張強度、破断応力、均一伸び、破断伸び、等が評価できる。この例は、変位速度が0.1 ｍｍ/minと最も普通に行われている静的試験の場合を示したが、もっと高速の引張試験（例：10000ｍｍ/min）の場合も、同じ構造の試験治具を用いることも可能である。 In a tensile test, the test piece is forcibly deformed in the tensile direction at a constant displacement rate (eg, 0.1 mm / min), and the deformation resistance indicated by the test piece is recorded as a load-time curve. -Convert to strain curve. From the stress-strain curve, important tensile properties of the material, ie yield stress (0.2% yield strength, upper yield point, lower yield point), work hardening rate, tensile strength, breaking stress, uniform elongation, breaking elongation, etc. Can be evaluated. This example shows the case of the static test, which is most commonly performed at a displacement speed of 0.1 mm / min. However, the test structure with the same structure is also used for a higher-speed tensile test (eg 10000 mm / min). It is also possible to use tools.
次に、本発明の構造を持つ試験治具の有効性を実施例により示す。図７の試験治具は２段のユニットで構成され、各ユニットは図４に示した方式で、各段2本ずつ計４本の試験片を装着した試作品である。この図では、試験治具を材料試験機のアクチュエータヘッドの上に置いて、圧縮方向の荷重を負荷し、各試験片に引張応力が作用して順次破断していく様子を示した。 Next, the effectiveness of the test jig having the structure of the present invention will be shown by examples. The test jig shown in FIG. 7 is composed of a two-stage unit, and each unit is a prototype in which a total of four test pieces are mounted on each stage in the method shown in FIG. In this figure, the test jig is placed on the actuator head of the material testing machine, a load in the compression direction is applied, and tensile stress is applied to each test piece to sequentially break it.
用いた試験片の平行部形状は1.2 x 5.0x 0.25 mm3 の板状で、主に照射後試験に用いられる微小サイズのものである。照射後試験において微小試験片を用いることの利点は、照射中の温度勾配と中性子束勾配の影響の低減、照射スペースの有効利用、誘導放射の低減等にある。試験片グリップ部は、約１ｍｍ深さの溝部での試験片の位置が一定となるように上に突起付き当て板を置く。この突起は引張試験片に軽く触れる程度に厚さを調整してある。但し、図７は、各状態で試験機を停止して撮影したものであり、つかみ部を目視するために、未破断の試験片に対応する可動チャックの当て板は外してある。試験機を作動させる際には、再度当て板を取り付けた。当て板は、この例ではねじ止め式であるが、図６で示した方式に置き換えることも無論可能である。図７において、（１）−（４）の各状態は、同じ試験片に荷重が負荷されているもので、撮影方向を変えて示したものである。まず（１）の状態は、上段表面側の試験片に負荷がかかっており、上段裏面側の試験片は荷重負荷状態である。（２）の状態では、上段の表面側の試験片が破断し、裏面側上段の試験片に負荷がかかっている。（１）、（２）の状態いずれも下段には表面側裏面側ともに負荷はかかっていない。（３）の状態は上段の２本が破断し、下段の表面側に負荷がかかっている状態を示し、（４）の状態は下段の表面側が破断し、下段裏面側の試験片に負荷がかかっている状態である。 The parallel part shape of the test piece used is a plate shape of 1.2 x 5.0 x 0.25 mm 3 and is of a minute size mainly used for post-irradiation tests. Advantages of using a micro-test piece in the post-irradiation test are to reduce the influence of the temperature gradient and neutron flux gradient during irradiation, to effectively use the irradiation space, to reduce induced radiation, and the like. The test piece grip portion is provided with a bumped plate on the top so that the position of the test piece in the groove portion having a depth of about 1 mm is constant. The thickness of the protrusion is adjusted so as to lightly touch the tensile test piece. However, FIG. 7 is a photograph taken with the test machine stopped in each state, and the contact plate of the movable chuck corresponding to the unbroken test piece is removed in order to visually observe the grip portion. When the tester was operated, the backing plate was attached again. In this example, the contact plate is a screwing type, but it is of course possible to replace it with the method shown in FIG. In FIG. 7, the states (1) to (4) are those in which a load is applied to the same test piece, and the shooting direction is changed. First, in the state (1), a load is applied to the test piece on the upper surface side, and the test piece on the back surface side of the upper stage is in a load state. In the state of (2), the test piece on the upper surface side is broken, and a load is applied to the upper test piece on the back surface side. In both states (1) and (2), no load is applied to the lower stage on the front side and the back side. The state of (3) shows a state where the upper two pieces are broken and a load is applied to the lower surface side, and the state of (4) is a state where the lower surface side is broken and a load is applied to the test piece on the lower back side. It is in a suspended state.
この試験治具の寸法は最大径：39.5mm、高さ（試験片を取り付けた状態）：116mmで、後述する照射キャプセル（内径40mm、有効長：600mm）の中に装苛することを念頭に入れたものであり、非常にコンパクトである。図７の例では、各試験片の伸びは４ｍｍ（80％伸び）まで計測可能であり、超塑性を示す場合を除き、ほとんどの材料に対応できる。支柱長さをこれより長くし、図５の仕組みを取り入れれば、破断伸びのさらに大きい材料にも対応可能である。また、上段ユニットの固定チャックには、新たに支柱を継ぎ足せるような形状の孔を設けており、３段以上のユニット構成とすることも可能である。 This test jig has a maximum diameter of 39.5mm and a height (with the test piece attached): 116mm, and is intended to be loaded in an irradiation capsule (40mm inner diameter, effective length: 600mm), which will be described later. The package is very compact. In the example of FIG. 7, the elongation of each test piece can be measured up to 4 mm (80% elongation), and can be applied to almost all materials except when superplasticity is exhibited. If the column length is made longer than this and the structure shown in FIG. 5 is adopted, it is possible to cope with a material having a larger breaking elongation. Further, the fixed chuck of the upper unit is provided with a hole having a shape that can newly add a support column, so that a unit configuration of three or more stages can be adopted.
この２段治具にフェライト鋼（組成：11Cr−0.5Mo−2.0W−0.2V、時効処理：700℃、2000時間）の試験片を４本取り付け、順次引張試験を実施した。試験条件は、室温で変位速度が一定（0.005mm/s：これは初期歪速度1x10-3/sに対応する）である。以下に得られたデータを破断した順に示す。
降伏応力 引張強さ 均一伸び 破断伸び
１． 596Mpa 743Mpa 6.0% 2.4%
２． 595Mpa 725Mpa 6.1% 13.6%
３． 602Mpa 735Mpa 6.2% 12.6%
４． 584Mpa 741Mpa 6.4% 12.4%
Four test pieces of ferritic steel (composition: 11Cr-0.5Mo-2.0W-0.2V, aging treatment: 700 ° C., 2000 hours) were attached to the two-stage jig, and a tensile test was sequentially performed. The test condition is that the displacement rate is constant at room temperature (0.005 mm / s: this corresponds to an initial strain rate of 1 × 10 −3 / s). The data obtained is shown in the order of breakage.
Yield stress Tensile strength Uniform elongation Breaking elongation 596Mpa 743Mpa 6.0% 2.4%
2. 595Mpa 725Mpa 6.1% 13.6%
3. 602Mpa 735Mpa 6.2% 12.6%
4). 584Mpa 741Mpa 6.4% 12.4%
これらの結果から明らかなように、材料の組織の不均一性に起因する試験片間のバラツキはみられるがそのバラツキは小さく、試験片の取り付け位置による有意差はみられない。また、通常の引張試験では試験片に作用する曲げモーメントが無視できないので、しばしば曲げモーメントが最大になる試験片平行部の掴み部近傍で破断するのに対し、本試験治具を用いて引張試験したすべての試験片は、平行部の掴み部近傍ではなく、平行部のほぼ中央部で破断した。さらに、本試験治具を用いて引張試験した際に得られる荷重―変位曲線において、弾性変形領域に対応する立ち上がりの直線域の勾配（試験系の剛性を示す）は、本試験治具を用いた場合、従来の1本のみの試験片を装着可能な圧縮負荷方式の治具に比べて、約1.3〜1.5倍増加した。 As is clear from these results, the variation between the test pieces due to the non-uniformity of the material structure is observed, but the variation is small, and no significant difference is observed depending on the mounting position of the test piece. Also, since the bending moment acting on the specimen cannot be ignored in normal tensile tests, it often breaks near the grip of the parallel part of the specimen where the bending moment is maximized. All the test pieces were broken not at the vicinity of the grip portion of the parallel portion but at the substantially central portion of the parallel portion. Furthermore, in the load-displacement curve obtained when a tensile test is performed using this test jig, the slope of the rising straight region corresponding to the elastic deformation region (indicating the rigidity of the test system) is determined using this test jig. When compared to the conventional compression load type jig that can be fitted with only one test piece, the increase was about 1.3 to 1.5 times.
以上のことから、本発明の試験治具に装着した全ての試験片について得られる試験データは質の高いものであり、一方向の変位制御の操作で試験片を交換することなく極めて効率よく得られることが実証された。 From the above, the test data obtained for all the test pieces mounted on the test jig of the present invention is of high quality, and can be obtained very efficiently without exchanging the test pieces in one-way displacement control operation. It has been demonstrated that
また、本試験治具に試験片を装着するために必要な時間は、試験片サイズにほとんどよらず、微小サイズ試験片でも１本当り数十秒ですむ。一方、従来の引張試験では、上述のように治具への試験片取り付けの際に曲げモーメントが作用しないような特別の対策を要するために、これよりも長時間を要する。微小試験片の場合は、その取り扱いがより困難になるため、さらに時間が必要である。したがって、本発明の試験治具を用いることにより、室温大気中での試験でも効率化を図ることができる。 Further, the time required for mounting the test piece on the test jig is almost independent of the size of the test piece, and even a micro-sized test piece requires several tens of seconds. On the other hand, in the conventional tensile test, since a special measure is required so that a bending moment does not act when the test piece is attached to the jig as described above, a longer time is required. In the case of a micro test piece, since it becomes more difficult to handle, more time is required. Therefore, by using the test jig of the present invention, efficiency can be improved even in a test at room temperature.
引張試験が、照射下、高温、低温、真空、高圧、腐食環境等の環境で行われる場合には、従来は測定環境と室温・大気との雰囲気往復を試験片交換毎に行う必要があるため、さらに長時間（数時間、場合によっては数１０時間）を要する。本発明の試験治具を用いると、この操作が試験の始めと終了後のみで良いので大幅な試験時間の短縮が図られる。 When a tensile test is performed in an environment such as high temperature, low temperature, vacuum, high pressure, or corrosive environment under irradiation, it is conventionally necessary to perform an atmosphere reciprocation between the measurement environment and room temperature / atmosphere each time the specimen is replaced Further, it takes a long time (several hours, sometimes tens of hours). When the test jig of the present invention is used, this operation only needs to be performed at the beginning and end of the test, so that the test time can be greatly shortened.
適用例を以下に述べる。実施例で示したように本発明の試験治具はコンパクトにできるので、複数の試験片を取り付けたまま原子炉の照射用キャプセルなどの狭い空間に装苛できる。例えば、材料照射試験炉（JMTR）のキャプセルは、内径：40mm、有効長：600mmであるので、実施例で示した試験治具を収容することができる。適当な変位駆動用モーターと荷重センサーを炉外に設置し、ロッドを介して試験治具に変位を伝達してその変位を測定する構成とすれば、照射中任意の時点で各試験片の応力―歪曲線を測定することが可能となる。 Application examples are described below. Since the test jig of the present invention can be made compact as shown in the embodiments, it can be loaded in a narrow space such as an irradiation capsule of a nuclear reactor with a plurality of test pieces attached. For example, since the capsule of the material irradiation test furnace (JMTR) has an inner diameter of 40 mm and an effective length of 600 mm, the test jig shown in the embodiment can be accommodated. If an appropriate displacement drive motor and load sensor are installed outside the furnace and the displacement is transmitted to the test jig via the rod and the displacement is measured, the stress of each test piece can be measured at any time during irradiation. -Strain curve can be measured.
また、実施例の試験治具（高さ116mm）を装苛しても、キャプセルには十分に余剰スペースがあるので、その他の照射用試験片も同時に装荷できる。したがって、本発明の試験治具は、照射用キャプセルを占有することもなく、非常に高価なキャプセルの有効活用を可能にする。 Further, even if the test jig (height: 116 mm) of the example is loaded, since there is a sufficient surplus space in the capsule, other test pieces for irradiation can be loaded at the same time. Therefore, the test jig of the present invention does not occupy the irradiation capsule, and enables effective use of a very expensive capsule.
試験治具に使用される素材は、ステンレス鋼、工具鋼、超硬合金、Ni基超耐熱合金、炭素系材料、（マシーナブル）セラミックス等であり、該当する試験条件において試験片が変形・破壊する応力レベルよりも十分に高い変形・破壊強度を有すると共に、機械加工により必要な最終形状・寸法に仕上げることが可能なものから選ばれる。また、摺動部を金属材料とセラミックスの組合せとすることにより、高温での試験において凝着防止を図ることも考慮に入れられる。実施例の試験治具のチャック部（固定、可動とも）、天板、固定支柱は、SUS630を機械加工により作製したものであり、半球部は超硬合金、可動チャック連結支柱はマシーナブルセラミックスである。 The materials used for the test jig are stainless steel, tool steel, cemented carbide, Ni-base superalloy, carbon-based material, (machineable) ceramics, etc., and the specimen deforms or breaks under the applicable test conditions. The material is selected from those having a deformation / fracture strength sufficiently higher than the stress level and capable of finishing to a final shape / dimension required by machining. It is also considered to prevent adhesion in a test at a high temperature by using a combination of a metal material and ceramics for the sliding portion. The chuck part (both fixed and movable), top plate, and fixed support of the test jig of the example are made by machining SUS630, the hemisphere is made of cemented carbide, and the movable chuck connection support is made of machinable ceramics. is there.
さらに、特に繰り返しの使用に対して、試験片を取り付けるチャック部（特に溝部）の耐磨耗性を高めることが試験治具のパーフォーマンス向上に有効である。これには表面硬化処理が適用される。また、この処理は局部荷重による母材の局所的な塑性変形の防止や摺動部の凝着防止にも有効である。硬化処理としては、窒化処理、浸炭処理、PVD・CVDコーティング等があり、母材の種類に応じて適用される。実施例の試験治具では、SUS630で作製した部材（チャック部）に窒化処理を施してある。 Further, especially for repeated use, it is effective to improve the performance of the test jig to improve the wear resistance of the chuck part (particularly the groove part) to which the test piece is attached. A surface hardening process is applied to this. This treatment is also effective for preventing local plastic deformation of the base material due to local load and preventing adhesion of the sliding portion. Examples of the curing treatment include nitriding treatment, carburizing treatment, PVD / CVD coating, and the like, which are applied according to the type of the base material. In the test jig of the example, the member (chuck part) made of SUS630 is subjected to nitriding treatment.
材料の引張特性やクリープ特性は最も基本的で重要な特性であるので、金属材料やセラミックス、それらの複合材料、およびプラスチックス等の種々の材料について、引張特性やクリープ特性を評価する試験は、国公立の研究機関、材料メーカーや部品メーカーの試験評価部門や研究開発部門、試験メーカー等において日常的に極めて広く行われており、その試験の数は膨大に達する。本発明品の利用により、それらの試験に要する時間が大幅に短縮されるとともに、試験データの質が向上するので、試験効率や研究・試験の質の向上をもたらすとともに、試験に関わる人件費の削減が可能になり、産業上、広く利用されるものと期待される。また、本発明品を原子炉内の照射キャプセル内に装荷して負荷することにより、従来では不可能であった照射下その場試験が可能となり、材料照射研究の促進をもたらすので、原子力研究機関や原子力産業においても利用が期待される。 Since the tensile and creep properties of materials are the most basic and important properties, tests to evaluate the tensile and creep properties of various materials such as metal materials, ceramics, their composites, and plastics are National and public research institutes, material manufacturers and parts manufacturers, test evaluation departments, research and development departments, test manufacturers, etc. are carried out very widely on a daily basis, and the number of tests is enormous. The use of the product of the present invention significantly reduces the time required for these tests and improves the quality of test data, thereby improving test efficiency and the quality of research and testing, and reducing labor costs related to testing. It can be reduced and is expected to be widely used industrially. In addition, by loading and loading the product of the present invention in the irradiation capsule in the nuclear reactor, in-situ testing under irradiation, which was not possible in the past, becomes possible, and this facilitates material irradiation research. It is also expected to be used in the nuclear industry.
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