JP7115201B2 - Crack growth evaluation method - Google Patents
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Description
本発明は、ねじり負荷による疲労き裂を評価するき裂進展評価方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a crack growth evaluation method for evaluating fatigue cracks due to torsional load.
構造部材として使用される材料に必要とされる特性として、疲労強度がある。特許第5503608号公報には、円筒形金属素材の疲労破壊評価方法が開示されている。 Fatigue strength is one of the properties required for materials used as structural members. Japanese Patent No. 5503608 discloses a fatigue fracture evaluation method for a cylindrical metal material.
疲労寿命は一般的に、き裂発生寿命とき裂進展寿命の和であるとされている。しかし、き裂発生寿命の明確な評価基準は存在しない。基礎研究として、逐次疲労試験を中断してカメラ観察又はレプリカ法による表面観察を繰り返し行う方法が報告されているが、工数が大きく実用的ではない(例えば非特許文献1及び2を参照)。
Fatigue life is generally considered to be the sum of crack initiation life and crack growth life. However, there is no clear evaluation standard for crack initiation life. As basic research, a method of repeatedly interrupting the fatigue test and repeatedly observing the surface by camera observation or replica method has been reported, but the number of man-hours is large and it is not practical (see, for example, Non-Patent
特開昭57-67839号公報には、除荷過程における荷重ひずみループの変曲点を検出することでき裂の発生を検知する低サイクル疲労き裂検出装置が開示されている。 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 57-67839 discloses a low-cycle fatigue crack detection device capable of detecting the inflection point of a load-strain loop in the unloading process to detect the occurrence of cracks.
特開昭62-108130号公報には、試験片に繰り返し荷重を加える疲労試験機において、その荷重の最大値に同期して試験片の状態を所定サイクルごとに撮影する疲労試験機の同期撮影装置が開示されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 108130/1987 describes a fatigue tester that repeatedly applies a load to a test piece, and a synchronous photographing device for the fatigue tester that photographs the state of the test piece at each predetermined cycle in synchronization with the maximum value of the load. is disclosed.
特開昭57-67839号公報に記載された低サイクル疲労き裂検出装置では、試験片の平行部にひずみ検出器を取り付け、荷重ひずみループの変曲点を検出する。この方法は、ねじり疲労試験にも適用可能であるものの、平行部のひずみを測定する一定の長さを有したひずみ検出器を設置する必要があり、その応答性から高サイクル疲労には適用し難い。 In the low-cycle fatigue crack detector disclosed in JP-A-57-67839, a strain detector is attached to the parallel portion of the test piece to detect the inflection point of the load-strain loop. Although this method can also be applied to torsional fatigue testing, it is necessary to install a strain detector with a certain length to measure the strain in the parallel section, and due to its responsiveness, it cannot be applied to high-cycle fatigue testing. hard.
特開昭62-108130号公報に記載された疲労試験機の同期撮影装置は、巨視的なき裂の観察には適用できるが、微小き裂(例えば、き裂長さが20μm前後のき裂発生や数mm程度のき裂進展)を観察することは困難である。 The synchronous imaging device of the fatigue tester described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-108130 can be applied to macroscopic crack observation, but it can be applied to microcracks (for example, cracks with a length of about 20 μm). It is difficult to observe crack growth of several millimeters.
本発明の目的は、ねじり疲労による微小き裂の進展の評価が可能なき裂進展評価方法を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a crack growth evaluation method capable of evaluating the growth of microcracks due to torsional fatigue.
本発明の一実施形態によるき裂進展評価方法は、試験片に繰り返しねじり負荷を加える工程と、前記試験片のき裂発生箇所を撮影する工程と、前記撮影された画像の複数の画素のうち、予め定めた閾値よりも低い輝度を有する画素をき裂と判定する工程と、前記き裂の両端の座標を求める工程と、前記き裂の両端の座標に基づいて、前記き裂の長さ、及び、前記き裂と前記試験片のねじり軸とがなす角度を求める工程と、を備える。 A crack growth evaluation method according to an embodiment of the present invention includes the steps of repeatedly applying a torsional load to a test piece, photographing a crack initiation location of the test piece, and out of a plurality of pixels of the photographed image, a step of determining a pixel having a luminance lower than a predetermined threshold as a crack; obtaining coordinates of both ends of the crack; determining the length of the crack based on the coordinates of both ends of the crack; and determining the angle between the crack and the torsion axis of the test piece.
本発明によれば、ねじり疲労による微小き裂の進展の評価が可能になる。 According to the present invention, it is possible to evaluate the growth of microcracks due to torsional fatigue.
本発明者らは、繰り返しねじり負荷を加えたときのき裂の発生箇所を特定できる試験片を発明し、特願2018-060759号として出願した。本発明者らは、この試験片を用いて、き裂の発生・進展の観察及び評価を自動化する方法を検討した。 The present inventors invented a test piece that can identify the location of cracks when a repeated torsional load is applied, and applied for Japanese Patent Application No. 2018-060759. The present inventors used this test piece to investigate a method for automating the observation and evaluation of crack initiation and propagation.
画像からひずみの大きさを調べる方法として、画像相関法がある。画像相関法では、時系列で測定された複数の画像を比較して、物体表面の変位を求める。ひずみの分布を調べることで、き裂発生・進展の様子をある程度推測することができる。しかしこの方法は、き裂そのものを観測している訳ではない。 There is an image correlation method as a method of examining the magnitude of distortion from an image. In the image correlation method, a plurality of images measured in time series are compared to find the displacement of the object surface. By examining the strain distribution, it is possible to infer to some extent how cracks occur and propagate. However, this method does not observe the crack itself.
本発明者らはまず、同一画素の輝度変化から、き裂を検知できないかを検討した。しかし疲労試験では、試験片に繰り返し負荷を加えるため、複数の画像間で試験片の同一位置が常に同一画素に対応するように撮影を続けることは困難である。 The present inventors first examined whether cracks can be detected from luminance changes of the same pixel. However, in a fatigue test, since a load is repeatedly applied to a test piece, it is difficult to continuously photograph a plurality of images so that the same position of the test piece always corresponds to the same pixel.
さらに調査を進めた結果、き裂が発生した領域では、摩耗粉が発生して輝度が顕著に低下していることが分かった。そのため、試験片の初期の輝度を基準に適当な閾値を設定し、輝度がこの閾値以下となる領域が発生した場合にき裂が発生したと評価することで、き裂の発生の検知できることを明らかにした。また、輝度が閾値以下の領域をき裂と判定することで、き裂の進展を評価できることを明らかにした。 As a result of further investigation, it was found that in the area where the crack occurred, wear debris was generated and the brightness was significantly reduced. Therefore, by setting an appropriate threshold based on the initial brightness of the test piece and evaluating that a crack has occurred when the brightness is below this threshold, it is possible to detect the occurrence of a crack. clarified. In addition, it was clarified that crack growth can be evaluated by judging that the area where the luminance is below the threshold is a crack.
本発明は、上記の知見に基づいて完成された。以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。 The present invention was completed based on the above findings. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same reference numerals are given to the same or corresponding parts in the drawings, and the description thereof will not be repeated. The dimensional ratios between the components shown in each drawing do not necessarily indicate the actual dimensional ratios.
[評価装置の構成]
図1は、本発明の一実施形態で使用するき裂発生・進展評価装置1(以下「評価装置1」という。)の構成を示す斜視図である。図2は、評価装置1の試験片配置箇所の近傍を拡大して示す分解斜視図である。
[Configuration of evaluation device]
FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of a crack initiation/growth evaluation apparatus 1 (hereinafter referred to as "
評価装置1は、ベース20、モータ21、トルクセル31、固定手段22及び32(図2)、スライド機構40、カメラ45、並びにケースCを備えている。
The
モータ21は、出力軸21aを有している。モータ21は、例えばギアドステップモータである。
The
トルクセル31には、軸31aが連結されている。トルクセル31は、軸31aに加わるトルクを検出する。
A
モータ21とトルクセル31とは、出力軸21aと軸31aとが同軸になるように配置されている。以下では、出力軸21a及び軸31aに平行な方向をx方向、鉛直方向をz方向、これらに垂直な方向をy方向と呼ぶ。
The
モータ21は、フレーム23を介してベース20に固定されている。一方、トルクセル31は、後述するスライド機構40のベースプレート41に固定され、ベース20に対してx方向に自由に移動できるように構成されている。
評価装置1には、試験片Sが取り付けられる。試験片Sは、図2に示すように、長手方向の中央に設けられた評価部13と、長手方向の両端部に設けられた一対の把持部11及び12とを有している。試験片Sの詳しい構成は後述する。
A test piece S is attached to the
把持部11はモータ21に接続され、把持部12はトルクセル31に接続される。より具体的には、把持部11は固定手段22によってモータ21の出力軸21aに固定され、把持部12は固定手段32によってトルクセル31に連結された軸31aに固定される。
The
図2では、固定手段22及び32として、試験片Sをz方向の両側から挟み込んで固定する機構を示しているが、この構成は例示である。固定手段22及び32は、試験片Sを固定できるものであればよく、具体的な構成は任意である。固定手段22及び32は、例えば油圧式のチャックであってもよい。あるいは、試験片Sを直接ねじ等で固定する構成としてもよい。固定手段22及び32は、試験片Sに対して十分なねじれ剛性を有していることが好ましい。評価装置1は、試験片Sの形状に応じて固定手段22及び32を選択できるように、固定手段22及び32を取替可能な機構を備えていることが好ましい。
Although FIG. 2 shows a mechanism for holding and fixing the test piece S from both sides in the z direction as the fixing means 22 and 32, this configuration is an example. The fixing means 22 and 32 may have any specific configuration as long as they can fix the test piece S. The fixing means 22 and 32 may for example be hydraulic chucks. Alternatively, the test piece S may be directly fixed with a screw or the like. The fixing means 22 and 32 preferably have sufficient torsional rigidity with respect to the specimen S. The
評価装置1は、ベース20に対して垂直に配置された板状のフレーム33をさらに備えている。フレーム33は、法線がx方向と平行になるように配置されている。フレーム33には、x方向に開口した軸受34が取り付けられており、トルクセル31の軸31aは軸受34に挿入されている。軸受34は、軸31aを径方向から支持して、軸31aが撓むのを抑制している。
The
スライド機構40は、x方向に自由に移動できるように構成されている。
The
スライド機構40は、具体的には、ベースプレート41、ガイド柱42、及び直線運動軸受43を備えている。ガイド柱42は、一方の端部がベースプレート41に垂直に固定されており、他方の端部が直線運動軸受43に挿入されている。直線運動軸受43は、フレーム33に取り付けられている。この構成によれば、フレーム33とベースプレート41とを平行な状態に保ったまま、ベースプレート41及びこれに固定されたトルクセル31をx方向に移動させることができる。
The
上述のとおり、トルクセル31は、スライド機構40に固定されている。トルクセル31は、スライド機構40のベースプレート41とともにx方向に自由に移動できる。この構成によれば、試験片Sにねじりを加えたときに発生するx方向の変位にトルクセル31が追従し、試験片Sに引張応力が加わるのを抑制することができる。これによって、試験片Sにねじり負荷だけを加えることができる。
As described above,
上述したスライド機構40の構成は例示である。スライド機構40は、トルクセル31をx方向に自由に移動させるものであればよく、その構成は任意である。スライド機構40は例えば、ガイド柱42の数が5本以上あるいは3本以下であってもよい。
The configuration of the
評価装置1は、トルクセル31に代えて(あるいはトルクセル31に加えて)、モータ21がスライド機構40に固定された構成としてもよい。この構成によっても、試験片Sに引張応力が加わるのを抑制することができる。すなわち、モータ21及びトルクセル31の少なくとも一方がスライド機構40に固定されていれば、この効果が得られる。
The
カメラ45は、試験片Sを撮影し、その画像を後述する制御装置50(図3)に送信する。後述するように、試験片Sは、繰り返しねじり負荷を加えたときに発生するき裂の位置を特定できる形状を有している。カメラ45は、試験片Sのき裂発生予定箇所を高倍率で撮影する。カメラ45の倍率は、例えば100倍であり、好ましくは200倍以上である。カメラ45は、例えばCCDカメラである。
The
ケースCは、試験片Sが配置される空間を囲って、試験片Sに埃等が付着するのを防止する。図1では、ケースCが装置全体を囲うように配置されている場合を図示しているが、ケースCは、試験片Sの周りにだけを囲うように配置されていてもよい。また、試験片Sが配置される空間は密閉されている必要はなく、多少隙間があっても効果が得られる。 The case C surrounds the space in which the test piece S is arranged, and prevents dust and the like from adhering to the test piece S. Although FIG. 1 illustrates the case C arranged so as to surround the entire device, the case C may be arranged so as to surround only the test piece S. FIG. Moreover, the space in which the test piece S is arranged does not need to be sealed, and the effect can be obtained even if there is a gap.
図3は、評価装置1の機能的構成を示すブロック図である。評価装置1は、制御装置50、記録装置54、及び演算装置55をさらに備えている。
FIG. 3 is a block diagram showing the functional configuration of the
制御装置50は、モータ21を駆動するモータ駆動部52、トルクセル31の検出値を取得するAD変換器53、及びこれらを制御する中央処理装置51を備えている。中央処理装置51にはまた、カメラ45が撮影した試験片Sの画像が入力される。
The
中央処理装置51は、試験片Sに加えたねじり負荷の繰り返し数と、カメラ45によって撮影された画像とを記録装置54に送信する。記録装置54は、試験片Sに加えたねじり負荷の繰り返し数と、カメラ45によって撮影された画像とを関連付けて記録する。
The
演算装置55は、記録装置54に記録された画像、又は中央演算装置51から直接取得した画像に基づいて、試験片Sのき裂の発生・進展を評価する。き裂の発生・進展の評価方法の詳細は後述する。
The
制御装置50、記録装置54、及び演算装置55は、それぞれ別の装置であってもよいし、これらの全部又は一部が同一の装置として構成されていてもよい。例えば、記録装置54は、制御装置50と一体的に構成されていてもよい。また、中央演算装置51が、演算装置55の機能を兼ねる構成としてもよい。
The
以上、評価装置1の構成を説明した。上記では、評価装置1が、試験片Sにねじれ角を付与するねじれ角付与手段としてモータ21を備えている場合を説明した。しかし、ねじれ角付与手段は電子制御可能なもの(すなわち、制御装置50によって制御できるもの)であればよく、モータに限定されない。ねじれ角付与手段は、例えばピエゾ素子や油圧によるねじれ角付与装置であってもよい。
The configuration of the
[試験片の構成]
試験片Sは、繰り返しねじり負荷を加えたときに発生するき裂の位置を特定できる形状を有している。以下、このような試験片の形状の例を説明する。
[Configuration of test piece]
The test piece S has a shape that allows identification of the locations of cracks that occur when a repeated torsional load is applied. An example of such a test piece shape will be described below.
[試験片の形状例1]
図4Aは、試験片Sの一例である試験片S1の斜視図である。図4Bは、試験片S1を図4Aと反対側から見た斜視図である。試験片S1は、一対の把持部11及び12と、その間に形成された評価部13とを備えている。試験片S1は、全体的に板状の形状を有している。
[Test piece shape example 1]
4A is a perspective view of a test piece S1, which is an example of the test piece S. FIG. FIG. 4B is a perspective view of the test piece S1 viewed from the side opposite to FIG. 4A. The test piece S1 has a pair of
試験片S1は、評価対象となる材料から形成されている。評価対象となる材料は、これに限定されないが、典型的には金属材料であり、例えば鉄鋼材料である。 The test piece S1 is made of a material to be evaluated. Materials to be evaluated are typically, but not limited to, metallic materials such as steel materials.
以下、把持部11と把持部12とを結ぶ方向(x方向)を軸方向と呼ぶ。また、軸方向と垂直な方向の一つを幅方向と呼び、軸方向及び幅方向の両方に対して垂直な方向を厚さ方向と呼ぶ。具体的には、軸方向と垂直な断面における試験片Sの長辺に平行な方向(y方向)を幅方向とし、短辺に平行な方向(z方向)を厚さ方向とする。また、厚さ方向の一方側(z方向プラス側)を表側、他方側(z方向マイナス側)を裏側と呼ぶ。
Hereinafter, the direction (x direction) connecting the
把持部11及び12は、軸方向に垂直な断面の面積が、評価部13よりも大きくなるように形成されている。把持部11及び12のそれぞれと評価部13とは、境界に応力が集中しないように、滑らかに連結されている。
The gripping
評価部13は、軸方向の中央近傍に、幅方向の寸法が他の箇所よりも小さいノッチ部13Aを有している。具体的には、評価部13はノッチ部13Aにおいて、幅方向の両側にU字型のノッチ13aが形成されている。ノッチ13aは、境界に応力が集中しないように、曲率半径が大きく形成されていることが好ましい。一方、ノッチ13aの曲率半径を大きくすることでノッチ部13Aの長さ(軸方向の寸法をいう。以下同じ。)を大きくしすぎると、き裂発生箇所を特定することが難しくなる。ノッチ部13Aの長さは、例えば0.5~5mmであり、好ましくは1~3mmである。
The
試験片S1は、裏側の面の幅方向両側の角が面取りされている。具体的には、把持部11の角11a、把持部12の角12a、及び評価部13の角13bのそれぞれがC面取りされている。C面取りとは、JIS B 0001機械製図の規定にしたがい、角度45°、一辺C[mm]で切削加工されたものをいう。
In the test piece S1, both corners in the width direction of the back surface are chamfered. Specifically, each of the
図5は、図4AのV-V線に沿った断面図である。図5の断面は、軸方向に垂直で、かつノッチ部13Aを含む断面である。評価部13は、図5の断面において、幅方向の寸法(以下、単に「幅」という。)wが、厚さ方向の寸法(以下、単に「厚さ」という。)tよりも大きい(w>t)。
FIG. 5 is a cross-sectional view along line VV of FIG. 4A. The cross section of FIG. 5 is perpendicular to the axial direction and includes the
厚さtは、好ましくは0.1mm以上である。厚さtが0.1mm未満であると、疲労試験を実施することが難しくなる。厚さtの上限は、好ましくは100mmである。幅wは、好ましくは厚さtの1.10倍以上(w≧1.10t)であり、より好ましくは厚さtの1.15倍以上(w≧1.15t)である。 The thickness t is preferably 0.1 mm or more. If the thickness t is less than 0.1 mm, it becomes difficult to carry out a fatigue test. The upper limit of thickness t is preferably 100 mm. The width w is preferably 1.10 times or more the thickness t (w≧1.10t), more preferably 1.15 times or more the thickness t (w≧1.15t).
評価部13にねじり負荷が加わると、評価部13の表面のうち、ねじり軸に近い箇所ほど大きなせん断応力が発生する。試験片S1では、幅wが厚さtよりも大きいため、表裏の面の幅方向の中央で最大のせん断応力が発生する。すなわち、表側の面では図5の点P1に最大のせん断応力が発生し、裏側の面では点P2に最大のせん断応力が発生する。
When a torsional load is applied to the
評価部13は、図5の断面において、軸方向をねじり軸としてねじり負荷を加えたときに表側に生じる最大応力が、裏側に生じる最大応力の1.05倍以上となる形状を有する。すなわち、試験片Sでは、点P1に発生するせん断応力の大きさが、点P2に発生するせん断応力の1.05倍以上である。
The
点P2に発生するせん断応力の大きさは、角13bの面取りの大きさによって調整することができる。具体的には、角13bを大きく面取りするほど、裏側の面に発生するせん断応力が分散し、点P2に発生するせん断応力を小さくすることができる。点P1及び点P2に発生するせん断応力の具体的な大きさは、評価部13の形状から、例えば有限要素法によって計算することができる。
The magnitude of the shear stress generated at the point P2 can be adjusted by the chamfered magnitude of the
以上、試験片S1の構成を説明した。試験片S1は、上記の構成を有することにより、図5の点P1に疲労き裂を優先的に発生させることができる。 The configuration of the test piece S1 has been described above. By having the above configuration, the test piece S1 can preferentially generate a fatigue crack at the point P1 in FIG.
すなわち、試験片S1では、評価部13は、幅方向の寸法が他の箇所よりも小さく形成されたノッチ部13Aを有する。これによって、ノッチ部13Aの断面積が他の箇所の断面積よりも小さくなり、ノッチ部13Aの近傍でより大きな応力が発生する。そのため、疲労き裂は、ノッチ部13Aの近傍に発生しやすくなる。試験片S1ではさらに、評価部13は、図5の断面において、軸方向をねじり軸としてねじり負荷を加えたときに表側に生じる最大応力が、裏側に生じる最大応力の1.05倍以上となる形状を有する。そのため、疲労き裂は、ノッチ部13Aの表側に発生しやすくなる。
That is, in the test piece S1, the
上記の例では、把持部11及び12の形状が、評価部13と厚さが等しく、かつ評価部13よりも幅が広い形状である場合を説明した。しかし、把持部11及び12の形状は任意である。ただし、把持部11及び12は、評価部13よりも断面積が大きいことが好ましい。把持部11及び12は例えば、評価部13と幅が等しく、かつ評価部13よりも厚さが大きい形状であってもよい。
In the above example, the gripping
上記の例では、評価部13の角13bだけでなく、把持部11の角11a及び把持部12の角12aも面取りされている場合を説明した。しかし、試験片S1は、評価部13の角13bが面取りされていればよく、把持部11の角11a及び把持部12の角12aは面取りされていなくてもよい。より詳しくは、試験片S1は、ノッチ部13Aの角だけが面取りされていればよい。
In the above example, not only the
上記の例では、評価部13の角13b等が、C面取りされている場合を説明した。しかし、面取りの形状は任意である。例えば、面取りの角度は45°以外であってもよい。また、面取りされた面が曲面であってもよい。
In the above example, the case where the
[試験片の形状例2]
図6は、試験片Sの他の例である試験片S2の斜視図である。試験片S2は、表側の面に溝13cが形成されている他は、試験片S1(図4A)と同じ構成を有する。溝13cは、軸方向に平行に、把持部11及び12、並びに評価部13の全体にわたって形成されている。
[Test piece shape example 2]
FIG. 6 is a perspective view of a test piece S2, which is another example of the test piece S. FIG. The test piece S2 has the same configuration as the test piece S1 (FIG. 4A) except that
図7は、図5のVII-VII線に沿った断面図である。図7の断面は、軸方向に垂直で、かつノッチ部13Aを含む断面である。溝13cは、弓形の断面形状を有している。ここで弓形とは、円弧とその両端を結ぶ線分とで構成された形状をいう。
FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line VII--VII of FIG. The cross section of FIG. 7 is a cross section perpendicular to the axial direction and including the
試験片S2においても、試験片S1の場合と同様に、表側の面では点P3に最大のせん断応力が発生し、裏側の面では点P4に最大のせん断応力が発生する。試験片S2においても、点P3に発生するせん断応力の大きさを、点P4に発生するせん断応力の1.05倍以上にする。 In the test piece S2, similarly to the test piece S1, the maximum shear stress occurs at the point P3 on the front surface, and the maximum shear stress occurs at the point P4 on the back surface. Also in the test piece S2, the magnitude of the shear stress generated at the point P3 is set to 1.05 times or more the shear stress generated at the point P4.
試験片S2では、溝13cにより、点P3に発生するせん断応力をより大きくすることができる。具体的には、溝13cの深さdを大きくするほど、点P3に発生するせん断応力を大きくすることができる。ここで溝13cの深さdは、溝13cが形成された面から溝13cの最深部までの距離を意味する。
In the test piece S2, the
溝13cの深さdは、溝13cの曲率半径ρの0.25%以上(d≧0.0025ρ)とすることが好ましい。一方、溝の深さdが大きすぎると、点P3の応力が大きくなりすぎ、実体の疲労特性を正しく評価できなくなるおそれがある。溝13cの深さdは、好ましくは溝13cの曲率半径ρ以下(ρ≧d)であり、かつ、評価部13の厚さtの25%以下(d≦0.25t)である。溝13cの深さdは、より好ましくは厚さtの10%以下(d≦0.10t)であり、さらに好ましくは厚さtの5%以下(d≦0.05t)である。
The depth d of the
溝13cの幅bは、評価部13の幅wよりも小さい(b<w)ことが好ましい。溝13cの幅bが評価部13の幅w以上であると、意図した応力分布が得られなくなる。なお、溝13cの幅bは、2ρsin(arcsin((ρ-d)/ρ))としても求めることができる。
The width b of the
試験片S2は、図8に示すように、内径2ρの鋼管Pから、鋼管Pの内面を含むように試験片を採取し、この試験片を成形して製造することもできる。この場合、試験片S2の評価部13の厚さt(図7)は、鋼管Pの肉厚wtの10~100%(0.1wt≦t≦wt)にすることが好ましい。
As shown in FIG. 8, the test piece S2 can also be manufactured by taking a test piece from a steel pipe P having an inner diameter of 2ρ so as to include the inner surface of the steel pipe P, and molding the test piece. In this case, the thickness t (FIG. 7) of the
以上、試験片S2の構成を説明した。試験片S2においても、疲労き裂の発生箇所を特定することができる。また、図8を用いて説明したように、鋼管Pから試験片S2を採取すれば、鋼管の内面を起点とした疲労破壊を再現した試験を実施することができる。 The configuration of the test piece S2 has been described above. Also in the test piece S2, it is possible to specify the locations where fatigue cracks occur. In addition, as described with reference to FIG. 8, by sampling the test piece S2 from the steel pipe P, it is possible to perform a test that reproduces the fatigue fracture originating from the inner surface of the steel pipe.
[試験片の形状例3]
図9Aは、試験片Sのさらに他の例である試験片S3の斜視図である。図9Bは、試験片S3を図9Aと反対側から見た斜視図である。試験片S3は、一対の把持部81及び82と、把持部81と把持部82との間に形成された評価部83とを備えている。試験片S3は、全体的に、丸棒状の試験片の一方の面を研削して平らにした形状を有している。
[Test piece shape example 3]
9A is a perspective view of a test piece S3, which is still another example of the test piece S. FIG. FIG. 9B is a perspective view of the test piece S3 viewed from the opposite side to FIG. 9A. The test piece S3 has a pair of
試験片S1の場合と同様に、軸方向(x方向)、幅方向(y方向)、及び厚さ方向(z方向)を定義し、厚さ方向の一方側(z方向プラス側)を表側と呼び、他方側(z方向マイナス側)を裏側と呼ぶ。試験片S3は、表側に平らに形成された面を有している。 As in the case of the test piece S1, the axial direction (x direction), width direction (y direction), and thickness direction (z direction) are defined, and one side of the thickness direction (z direction plus side) is the front side. and the other side (negative side in the z direction) is called the back side. The test piece S3 has a flat surface on the front side.
把持部81及び82は、軸方向に垂直な断面の面積が、評価部83よりも大きくなるように形成されている。把持部81及び82のそれぞれと評価部83とは、境界に応力が集中しないように、滑らかに連結されている。
The gripping
図10は、試験片S3の評価部83の近傍を拡大して示す平面図である。評価部83は、軸方向の中央近傍に、幅方向の寸法が他の箇所よりも小さいノッチ部83Aを有している。具体的には、評価部83はノッチ部83Aにおいて、平らに形成された面を除く外周面にノッチ83aが形成されている(図11も参照)。ノッチ83aは、境界に応力が集中しないように、曲率半径が大きく形成されていることが好ましい。一方、ノッチ83aの曲率半径を大きくすることでノッチ部83Aの長さを大きくしすぎると、き裂発生箇所を特定することが難しくなる。ノッチ部83Aの長さは、例えば0.5~5mmであり、好ましくは1~3mmである。
FIG. 10 is an enlarged plan view showing the vicinity of the
図11は、図10のXI-XI線に沿った断面図である。図11の断面は、軸方向に垂直で、かつノッチ部83Aを含む断面である。評価部83は、図11の断面において、幅wが厚さtよりも大きい(w>t)。
11 is a cross-sectional view taken along line XI--XI in FIG. 10. FIG. The cross section of FIG. 11 is perpendicular to the axial direction and includes the
評価部83にねじり負荷が加わると、表側の面では点P5に最大のせん断応力が発生し、裏側の面では点P6に最大のせん断応力が発生する。評価部83は、図11の断面において、軸方向をねじり軸としてねじり負荷を加えたときに表側に生じる最大応力が、裏側に生じる最大応力の1.05倍以上となる形状を有する。すなわち、試験片S3では、点P5に発生するせん断応力の大きさが、点P6に発生するせん断応力の1.05倍以上である。
When a torsional load is applied to the
点P5に発生するせん断応力と点P6で発生するせん断応力の比は、幅wと厚さtとの比によって調整することができる。具体的には、w/tを大きくすると、点P5及び点P6の両方とも応力は増加するが、点P5の方がより大きく増加する。そのため、w/tを大きくするほど、点P5に発生するせん断応力の点P6で発生するせん断応力に対する比を大きくすることができる。点P5及び点P6に発生するせん断応力の具体的な大きさは、評価部83の形状から、例えば有限要素法によって計算することができる。
The ratio of the shear stress generated at the point P5 and the shear stress generated at the point P6 can be adjusted by the ratio of the width w and the thickness t. Specifically, increasing w/t increases the stress at both points P5 and P6, but the increase at point P5 is greater. Therefore, the larger w/t, the larger the ratio of the shear stress generated at the point P5 to the shear stress generated at the point P6. Specific magnitudes of the shear stress generated at the points P5 and P6 can be calculated from the shape of the
以上、試験片S3の構成を説明した。試験片S3においても、疲労き裂の発生箇所を特定することができる。 The configuration of the test piece S3 has been described above. Also in the test piece S3, it is possible to specify the locations where fatigue cracks occur.
[評価装置1の動作、及びき裂発生・進展の評価方法]
制御装置50は、モータ21を駆動して試験片Sに繰り返しねじり負荷を加えるとともに、所定の繰り返し数ごとにカメラ45から取得した試験片Sの画像を記憶装置54に記憶させる。演算装置55は、記録装置54に記録された画像、又は中央演算装置51から直接取得した画像に基づいて、試験片Sのき裂の発生・進展を評価する。以下、制御装置50及び演算装置55の動作を詳述する。
[Operation of
The
[き裂発生の評価]
図12は、評価装置1が実行するき裂発生評価方法のフロー図である。このき裂発生評価方法は、予め所定の閾値を設定する工程(ステップS1-1)と、試験片Sに繰り返しねじり負荷を加える工程(ステップS1-2)と、試験片Sを撮影する工程(ステップS1-3)と、撮影された画像の輝度に基づいて、き裂の発生を判定する工程(ステップS1-4)とを備えている。
[Evaluation of crack initiation]
FIG. 12 is a flowchart of a crack initiation evaluation method executed by the
このき裂発生評価方法では、後述するように、カメラ45で撮影された画像の輝度に基づいてき裂の発生を判定する(ステップS1-4)。そのためにまず、き裂の発生の判定の基準となる閾値を予め設定する(ステップS1-1)。 In this crack occurrence evaluation method, as will be described later, crack occurrence is determined based on the brightness of the image captured by the camera 45 (step S1-4). For this purpose, first, a threshold is set in advance as a reference for determining whether a crack has occurred (step S1-1).
閾値は、初期状態(繰り返しねじり負荷を加える前)の試験片Sを撮影した画像の輝度を基準として設定することができる。例えば、初期状態の試験片の輝度が、256段階の階調中126~255であった場合、最小値である126に一定量のマージンを減じて、例えば100を閾値として設定する。閾値の設定は、試験片Sごとに実際に撮影をして初期状態の輝度を求めてから設定してもよいし、過去に行った同種の試験片での実績値を用いて設定してもよい。 The threshold value can be set based on the brightness of the image of the test piece S in the initial state (before repeated torsional load is applied). For example, if the brightness of the test piece in the initial state is 126 to 255 out of 256 levels of gradation, the minimum value of 126 is reduced by a certain amount of margin, and 100, for example, is set as the threshold value. The threshold value may be set after actually photographing each test piece S to determine the brightness in the initial state, or may be set using actual values obtained in the past with test pieces of the same type. good.
次に、モータ21を駆動して、試験片Sに繰り返しねじり負荷を加える(ステップS2-2)。このとき、トルクセル31の検出値を取得しながら、応力振幅が一定になるよう制御することが好ましい。
Next, the
カメラ45によって、試験片Sを撮影する(ステップS1-3)。上述のとおり、試験片Sは、繰り返しねじり負荷を加えたときに発生するき裂の位置を特定できる形状を有している。カメラ45は、試験片Sのき裂発生予定箇所を撮影する。
The test piece S is photographed by the camera 45 (step S1-3). As described above, the test piece S has a shape that allows identification of the locations of cracks that occur when a repeated torsional load is applied. The
制御装置50は、試験片Sに加えられたねじり負荷の繰り返し数(サイクル数)と、カメラ45で撮影された画像とを関連付けて、記録装置54に記録させる。
The
ここで、「サイクル数と画像とを関連付けて記録する」とは、記録装置54に複数の画像が記録されている場合において、ある画像が何サイクルのときの画像であるかが分かる状態で記録することを意味する。そのため例えば、一定のサイクルごとに画像を記録する場合、画像を時系列に記録することも、「サイクル数と画像とを関連付けて記録する」に該当する。
Here, "to record an image in association with the number of cycles" means that when a plurality of images are recorded in the
制御装置50は、モータ21の動作と同期して、カメラ45で撮影された画像を記録装置54に記録させることが好ましい。より具体的には、モータ21のねじれ角が所定の角度になるタイミング(例えば、試験片Sに最大又は最小の応力が加わるタイミング)に同期して、カメラ45で撮影された画像を記録装置54に記録させることが好ましい。また、画像を記録させる際、モータ21の動作を停止させることが好ましい。もっとも、振動周波数に対してカメラ45の時間分解能が十分に高い場合には、モータ21を動作させながら撮影してもよい。
Preferably, the
画像の記録は、所定のサイクルごと(例えば、1000サイクルごと)に行ってもよいし、1サイクルごとに行ってもよい。あるいは、1サイクルをさらに分割して行ってもよく、連続的に行ってもよい。 The image recording may be performed every predetermined cycle (for example, every 1000 cycles) or every cycle. Alternatively, one cycle may be further divided or may be performed continuously.
演算装置55によって、撮影した画像の輝度に基づいてき裂の発生を判定する(ステップS1-4)。演算装置55は、試験片Sの画像を記録装置54から取得してもよいし、中央演算装置51から直接取得してもよい。
The
演算装置55は具体的には、撮影された画像内又は画像内の予め設定された範囲において、輝度がステップS1-1で設定した閾値以下の画素が存在するかを調べる。そのような画素が存在する場合にはき裂が発生していると判定し、そのような画素が存在しない場合にはき裂が発生していないと判定する。
Specifically, the
図13A及び図13Bを用いて、この判定方法について説明する。 This determination method will be described with reference to FIGS. 13A and 13B.
試験片Sの表面は、研磨を施した場合であっても、通常は完全に均一な色味とはならず、高倍率で撮影するとある程度の濃淡が存在する。そのため、き裂の発生の判定方法として、図13Aに示すように、繰り返し負荷を加える前後の画像を撮影し、2つの画像の間において、同一の画素(図13AのPX1)の輝度の変化に基づいてき裂の発生を判定する方法が考えられる。 Even when the surface of the test piece S is polished, it usually does not have a completely uniform color, and there is a certain degree of shading when photographed at a high magnification. Therefore, as a method for determining the occurrence of cracks, as shown in FIG. A method of judging the occurrence of cracks based on the above is conceivable.
しかし疲労試験では、試験片Sに繰り返し負荷を加えるため、複数の画像間で常に同一位置が同一画素に対応するように撮影を続けることは困難である。そのためこの方法では、同一の画素の輝度変化が、き裂の発生によるものなのか、撮影位置のずれによるものなのかを識別することが困難である。 However, in the fatigue test, since a load is repeatedly applied to the test piece S, it is difficult to continuously photograph a plurality of images so that the same position always corresponds to the same pixel. Therefore, in this method, it is difficult to distinguish whether the luminance change of the same pixel is due to the occurrence of a crack or due to the deviation of the photographing position.
本発明者らは、き裂が発生した領域では、摩耗粉が発生して輝度が顕著に低下することを明らかにした。すなわち、き裂が発生した領域では、初期の画像の輝度の最低値よりも輝度が低くなる。そのため、初期の色味を基準に適当な閾値を設定し、輝度がこの閾値以下の画素が存在する場合、き裂が発生したと判定することができる(図13B)。この方法であれば、撮影位置のずれの影響を受けずに、き裂の発生を判定することができる。 The inventors of the present invention have clarified that wear particles are generated in areas where cracks have occurred, resulting in a significant decrease in luminance. That is, the luminance in the region where the crack occurs is lower than the minimum luminance value of the initial image. Therefore, an appropriate threshold value is set based on the initial tint, and if there is a pixel whose brightness is equal to or lower than this threshold value, it can be determined that a crack has occurred (FIG. 13B). With this method, it is possible to determine the occurrence of a crack without being affected by the deviation of the photographing position.
なお、試験片Sに埃等が付着した場合、埃とき裂とを判定することは困難である。そのため評価装置1は、試験片Sが配置される空間を囲う清浄されたケースC(図1)を備えていることが好ましい。
Note that when dust or the like adheres to the test piece S, it is difficult to determine whether it is dust or a crack. Therefore, the
き裂が発生していないと判定した場合、ステップS1-2に戻り、ステップS1-2~ステップS1-4を繰り返す。一方、き裂が発生していると判定した場合、後述するき裂進展評価に進む。き裂が発生していると判定した場合、疲労試験自体を中止し、き裂が発生した直後の試験片Sを回収できるようにしてもよい。 If it is determined that no crack has occurred, the process returns to step S1-2, and steps S1-2 to S1-4 are repeated. On the other hand, if it is determined that a crack has occurred, the process proceeds to crack propagation evaluation, which will be described later. When it is determined that a crack has occurred, the fatigue test itself may be stopped and the test piece S immediately after the crack may be recovered.
以上、評価装置1が実行するき裂発生評価方法を説明した。この方法によれば、疲労き裂が発生したのきのサイクル数、すなわち、疲労き裂発生寿命を評価することができる。
The crack initiation evaluation method executed by the
上記では、試験片Sに繰り返しねじり負荷を加えながら(疲労試験を実施しながら)、同時にき裂発生を判定する場合を説明した。しかし評価装置1は、疲労試験が終了した後、記録装置54に記録された画像を基に、疲労き裂が発生したときのサイクル数を求めるようにしてもよい。一方、疲労試験と同時にき裂の発生を判定するようにすれば、上述のとおり、き裂が発生した直後の試験片Sを回収することができる。
In the above description, the case where crack generation is determined at the same time while repeatedly applying a torsional load to the test piece S (while performing a fatigue test) has been described. However, after the fatigue test is completed, the
[き裂進展の評価]
図14は、評価装置1が実行するき裂進展評価方法のフロー図である。このき裂進展評価方法は、閾値を設定する工程(ステップS2-1)と、試験片Sに繰り返しねじり負荷を加える工程(ステップS2-2)と、試験片Sのき裂発生箇所を撮影する工程(ステップS2-3)と、閾値以下の画素をき裂と判定する工程(ステップS2-4)と、き裂の両端(端部A,B)の座標を求める工程(ステップS2-5)と、き裂の長さ2a及び角度αを求める工程(ステップS2-6)と、応力拡大係数を求める工程(ステップS2-7)とを備えている。
[Evaluation of crack growth]
FIG. 14 is a flowchart of a crack growth evaluation method executed by the
閾値を設定する工程(ステップS2-1)、試験片Sに繰り返しねじり負荷を加える工程(ステップS2-2)、及び試験片Sのき裂発生箇所を撮影する工程(ステップS2-3)は、き裂発生評価方法(図12)のステップS1-1~S1-3と同様である。 The step of setting the threshold value (step S2-1), the step of repeatedly applying a torsional load to the test piece S (step S2-2), and the step of photographing the crack initiation location of the test piece S (step S2-3) are This is the same as steps S1-1 to S1-3 of the crack initiation evaluation method (FIG. 12).
撮影された画像の複数の画素のうち、輝度がステップS2-1で設定した閾値以下の画素をき裂と判定する(ステップS2-4)。輝度が閾値以下の領域(画素)をき裂と判定できることは、上述したとおりである。 Among a plurality of pixels of the photographed image, pixels whose brightness is equal to or less than the threshold value set in step S2-1 are determined to be cracks (step S2-4). As described above, an area (pixel) whose brightness is equal to or less than the threshold can be determined as a crack.
き裂の両端(端部A、B)の座標を求める(ステップS2-5)。具体的には例えば、ステップS2-4でき裂と判定された画素のうち、x座標(ねじり軸と平行な軸に沿った座標)が最小の画素を一方の端部Aとし、x座標が最大の画素を他方の端部Bとすることができる(図15を参照)。 The coordinates of both ends (ends A and B) of the crack are obtained (step S2-5). Specifically, for example, among the pixels determined to be cracks in step S2-4, the pixel with the smallest x coordinate (coordinate along the axis parallel to the torsion axis) is set as one end A, and the pixel with the largest x coordinate is can be the other end B (see FIG. 15).
き裂を直線で近似して(図16を参照)、き裂の長さ2a及び角度αを求める(ステップS2-5)。ここでαは、端部Aと端部Bとを結ぶ直線がねじり軸となす角度とする。
By approximating the crack with a straight line (see FIG. 16), the
き裂長さ2a及び角度αは例えば、一方の端部Aの座標を(XA、YA)、他方の端部Bの座標を(XB、YB)として、以下の式から求めることができる。
2a={(XB-XA)2+(YB-YA)2}1/2
α=tan-1{(YB-YA)/(XB-XA)}
The
2a={(X B −X A ) 2 +(Y B −Y A ) 2 } 1/2
α=tan −1 {(Y B −Y A )/(X B −X A )}
き裂長さ2a及び角度αに基づいて、応力拡大係数を求める(ステップS2-6)。応力拡大係数は例えば、下記の式から求めることができる。
A stress intensity factor is obtained based on the
以上、評価装置1が実行するき裂進展評価方法を説明した。この方法によれば、自動かつ連続的に疲労き裂進展を評価することができる。
The crack growth evaluation method executed by the
このき裂進展の評価も、上述したき裂発生評価方法と同様に、疲労試験を実施しながら同時に実施してもよいし、疲労試験が終了した後、記録装置54に記録された画像を基に実施してもよい。 This evaluation of crack propagation may be performed simultaneously while performing the fatigue test in the same manner as the crack initiation evaluation method described above. may be implemented.
演算装置55(図3)は、試験片に加えられたねじり負荷の繰り返し数(サイクル数)と、き裂長さ2a及び角度αとを関連付けて、記録装置54に記録してもよい。これによって、図18Aに示すような、サイクル数とき裂長さaとの関係(き裂進展速度)を求めることができる。さらに、上記で求めた応力拡大係数から応力拡大係数範囲ΔK=Δσ(πa)1/2を求め、図18Bに示すような、応力拡大係数範囲とき裂進展速度との関係を求めることもできる。
The computing device 55 (FIG. 3) may associate the number of cycles (cycle number) of the torsional load applied to the test piece with the
以上、本発明の実施の形態を説明した。上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。 The embodiments of the present invention have been described above. The above-described embodiments are merely examples for carrying out the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented by appropriately modifying the above-described embodiment without departing from the scope of the invention.
1 き裂発生・進展評価装置
20 ベース
21 モータ(ねじれ角付与手段)
22 固定手段
31 トルクセル
32 固定手段
40 スライド機構
50 制御装置
54 記録装置
55 演算装置
S、S1~S3 試験片
1 Crack Occurrence/
22 Fixing means 31
Claims (5)
前記試験片のき裂発生箇所を撮影する工程と、
前記撮影された画像の複数の画素のうち、予め定めた閾値よりも低い輝度を有する画素をき裂と判定する工程と、
前記き裂の両端の座標を求める工程と、
前記き裂の両端の座標に基づいて、前記き裂の長さ、及び、前記き裂と前記試験片のねじり軸とがなす角度を求める工程と、を備える、き裂進展評価方法。 applying a repeated torsional load to the specimen;
A step of photographing the crack initiation location of the test piece;
a step of determining a pixel having a luminance lower than a predetermined threshold among the plurality of pixels of the photographed image as a crack;
determining the coordinates of both ends of the crack;
and determining the length of the crack and the angle between the crack and the torsion axis of the test piece based on the coordinates of both ends of the crack.
前記き裂の両端の座標を求める工程は、き裂と判定された複数の画素のうち、ねじり軸と平行な方向の座標が最小の画素を一方の端部とし、ねじり軸と平行な方向の座標が最大の座標を他方の端部とする、き裂進展評価方法。 The crack growth evaluation method according to claim 1,
In the step of obtaining the coordinates of both ends of the crack, the pixel with the smallest coordinate in the direction parallel to the torsion axis, among the plurality of pixels determined to be cracks, is set as one end, and the pixel in the direction parallel to the torsion axis A crack growth evaluation method in which the coordinate with the maximum coordinate is the other end.
前記き裂の長さ及び角度に基づいて、応力拡大係数を求める工程をさらに備える、き裂進展評価方法。 The crack growth evaluation method according to claim 1 or 2,
A crack growth evaluation method, further comprising determining a stress intensity factor based on the length and angle of the crack.
前記試験片に加えられたねじり負荷の繰り返し数と前記き裂の長さ及び角度とを関連付けて記録する工程をさらに備える、き裂進展評価方法。 The crack growth evaluation method according to any one of claims 1 to 3,
A method for evaluating crack growth, further comprising the step of recording the number of repetitions of the torsional load applied to the test piece in association with the length and angle of the crack.
前記試験片は、ねじり負荷を加えたときに発生するき裂の位置を特定できる試験片である、き裂進展評価方法。 The crack growth evaluation method according to any one of claims 1 to 4,
The crack growth evaluation method, wherein the test piece is a test piece that can identify the position of a crack that occurs when a torsional load is applied.
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