特許 7260735 き裂発生評価装置及びき裂発生評価方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-11

(45)【発行日】2023-04-19

(54)【発明の名称】き裂発生評価装置及びき裂発生評価方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 3/32 20060101AFI20230412BHJP

   G01N 3/34 20060101ALI20230412BHJP

【ＦＩ】

G01N3/32 C

G01N3/34 D

G01N3/32 J

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2018187904

(22)【出願日】2018-10-03

(65)【公開番号】P2020056705

(43)【公開日】2020-04-09

【審査請求日】2021-06-03

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104444

【弁理士】

【氏名又は名称】上羽 秀敏

(74)【代理人】

【識別番号】100174285

【弁理士】

【氏名又は名称】小宮山 聰

(72)【発明者】

【氏名】早川 守

(72)【発明者】

【氏名】藤川 拓海

(72)【発明者】

【氏名】坂本 真也

(72)【発明者】

【氏名】牧野 泰三

【審査官】西浦 昌哉

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－２１４７９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２７１２４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－２２３７１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０７１５２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１０５７１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１８９０６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１５７０３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２３５０３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】登録実用新案第３２０４８２３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】米国特許第０４５７４６４２（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ３／００－ ３／６２

Ｇ０１Ｎ １７／００－１９／００

Ｇ０１Ｍ １３／００－１３／０４５

Ｇ０１Ｍ ９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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を用いて、き裂の発生を評価するき裂発生評価方法であって、
前記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予定箇所を撮影して前記試験片の画像を取得する工程と、
前記取得した画像の輝度に基づいて、き裂の発生を判定する工程と、を備え、
前記試験片にねじり負荷を加えるときのねじり軸を軸方向、前記軸方向と垂直な方向の一つを幅方向、前記軸方向及び前記幅方向の両方に対して垂直な方向を厚さ方向とし、
前記試験片は、前記幅方向の寸法が他の箇所よりも小さいノッチ部を有する評価部を有し、
前記評価部は、前記軸方向に垂直でかつ前記ノッチ部を含む断面において、幅方向の寸法ｗが厚さ方向の寸法ｔよりも大きく、
前記評価部は、前記軸方向に垂直でかつ前記ノッチ部を含む断面において、前記試験片に前記軸方向をねじり軸としてねじり負荷を加えたときに、前記厚さ方向の一方側に生じる最大のせん断応力が、前記厚さ方向の他方側に生じる最大のせん断応力の１．０５倍以上となる形状を有し、
前記き裂発生予定箇所は、前記ノッチ部の前記厚さ方向の一方側であり、
前記き裂の発生を判定する工程では、予め定めた閾値よりも低い輝度を有する画素が前記画像に存在する場合にき裂が発生したと判定する、き裂発生評価方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ねじり負荷による疲労き裂発生寿命を評価するき裂発生評価装置、及びき裂発生評価方法に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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）。

【0004】

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。

【0005】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特許第５５０３６０８号公報

【文献】特開昭５７－６７８３９号公報

【文献】特開昭６２－１０８１３０号公報

【非特許文献】

【0007】

【文献】鹿毛正治＝西谷弘信、「低炭素鋼の疲労き裂発生および伝ぱに及ぼす結晶粒大きさの影響（疲労過程の表面連続観察による検討）」、日本機械学会論文集（Ａ編）、５１巻４６１号（昭和６０年１月）

【文献】櫻井尚行ほか、「ＡＦＭによるＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金における疲労き裂発生挙動の観察」、Ｍ＆Ｍ 材料力学カンファレンス ２０１１、ＯＳ０５２８、２０１１年

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

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。

【0009】

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。

【0010】

本発明の目的は、ねじり疲労による微小き裂の発生の観察及び評価が可能なき裂発生評価装置、及びき裂発生評価方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の一実施形態によるき裂発生評価装置は、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を用いて、き裂の発生を評価するき裂発生評価装置であって、前記試験片に繰り返しねじり負荷を加える電子制御可能なねじれ角付与手段と、前記試験片のき裂発生予定箇所を撮影するカメラと、前記カメラ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演算装置と、を備え、前記演算装置は、予め定めた閾値よりも低い輝度を有する画素が前記画像に存在する場合にき裂が発生したと判定する。

【0012】

本発明の一実施形態によるき裂発生評価方法は、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を用いて、き裂の発生を評価するき裂発生評価方法であって、前記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予定箇所を撮影する工程と、前記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と、を備え、前記き裂の発生を判定する工程では、予め定めた閾値よりも低い輝度を有する画素が前記画像に存在する場合にき裂が発生したと判定する。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、ねじり疲労による微小き裂の発生の観察及び評価が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、本発明の一実施形態によるき裂発生・進展評価装置の構成を示す斜視図である。

【図2】図２は、図１の評価装置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。

【図3】図３は、図１の評価装置の機能的構成を示すブロック図である。

【図4A】図４Ａは、本発明で使用する試験片の一例の斜視図である。

【図4B】図４Ｂは、図４Ａの試験片を図４Ａとは反対側から見た斜視図である。

【図5】図５は、図４ＡのＶ－Ｖ線に沿った断面図である。

【図6】図６は、本発明で使用する試験片の他の例の斜視図である。

【図7】図７は、図６のＶＩＩ－ＶＩＩ線に沿った断面図である。

【図8】図８は、図６の試験片の製造方法の一例を示す模式図である。

【図9A】図９Ａは、本発明で使用する試験片のさらに他の例の斜視図である。

【図9B】図９Ｂは、図９Ａの試験片を図９Ａとは反対側から見た斜視図である。

【図10】図１０は、図９Ａの試験片の評価部の近傍を拡大して示す平面図である。

【図11】図１１は、図１０のＸＩ－ＸＩ線に沿った断面図である。

【図12】図１２は、き裂発生評価方法のフロー図である。

【図13A】図１３Ａは、き裂発生の判定方法を説明するための図である。

【図13B】図１３Ｂは、き裂発生の判定方法を説明するための図である。

【図14】図１４は、き裂進展評価方法のフロー図である。

【図15】図１５は、き裂の両端の座標を求める方法を説明するための図である。

【図16】図１６は、き裂を直線で近似した例を示す図である。

【図17】図１７は、応力拡大係数を説明するための図である。

【図18A】図１８Ａは、繰り返し数Ｎとき裂長さａとの関係を示すグラフである。

【図18B】図１８Ｂは、応力拡大係数範囲ΔＫとき裂進展速度ｄａ／ｄＮとの関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

［評価装置の構成］
図１は、本発明の一実施形態によるき裂発生・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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

［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。

【0044】

［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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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）。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

［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。

【0061】

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。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

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。

【0067】

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。

【0068】

［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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

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。

【0072】

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）。

【0073】

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。

【0074】

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。

【0075】

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。

【0076】

［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。

【0077】

［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。

【0078】

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）。

【0079】

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。

【0080】

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。

【0081】

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。

【0082】

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。

【0083】

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。

【0084】

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。

【0085】

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。

【0086】

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。

【0087】

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。

【0088】

図１３Ａ及び図１３Ｂを用いて、この判定方法について説明する。

【0089】

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。

【0090】

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。

【0091】

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。

【0092】

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。

【0093】

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。

【0094】

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。

【0095】

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。

【0096】

［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。

【0097】

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。

【0098】

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。

【0099】

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）。

【0100】

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。

【0101】

き裂長さ２ａ及び角度αは例えば、一方の端部Ａの座標を（Ｘ_Ａ、Ｙ_Ａ）、他方の端部Ｂの座標を（Ｘ_Ｂ、Ｙ_Ｂ）として、以下の式から求めることができる。
２ａ＝｛（Ｘ_Ｂ－Ｘ_Ａ）^２＋（Ｙ_Ｂ－Ｙ_Ａ）^２｝^１／２
α＝ｔａｎ^－１｛（Ｙ_Ｂ－Ｙ_Ａ）／（Ｘ_Ｂ－Ｘ_Ａ）｝

【0102】

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。

【0103】

【数1】

ここで、σ_Ｂはき裂面に負荷される引張方向応力、τはき裂面に負荷されるせん断方向応力、Ｆ_１，Ｆ_２、Ｆ_３はポアソン比ν、き裂長さ２ａ、及び板厚ｔより定まる形状補正係数、Ｈは負荷トルク、ｚは貫通き裂の中央部からの高さ（表面の値はｚ＝ｔ／２となる）である（図１７を参照）。

【0104】

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。

【0105】

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。

【0106】

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。

【0107】

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。

【符号の説明】

【0108】

１ き裂発生・進展評価装置（き裂発生評価装置）
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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13A】

【図13B】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18A】

【図18B】