JPS604935B2 - 特殊雰囲気の強度試験方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、真空雰囲気、ガス雰囲気または溶融金属雰囲
気などの特殊雰囲気中において負荷荷重による試料の強
度試験を行うに際し、該試料以外の外部荷重の影響を全
く伴わずに実質荷重を測定することのできる強度試験装
置に関するものである。

近年、高温ガス炉や核融合炉などの如く原子炉の高温化
に伴って、このような高温原子炉の構成材料としてすぐ
れた性能を有する耐熱材料が必要となって釆た。

従ってこのような材料を適切に選択するために真空や不
活性ガスなどの特殊雰囲気中における高温強度試験の精
度やデータ信頼性の向上が強く要望されている。従来、
特殊雰囲気中における高温強度試験の荷重検出装置は、
第１図乃至第３図に示すように試験片６を試験機本体２
内の特殊雰囲気にした密封容器３中に配置し、又荷重計
４を大気に露出するよう本体に設置し、この荷重計と試
験片とを連結榛１１およびチャック５にて連結し且つ連
結棒が密封容器を通貫する部分に可動式密封構造を設け
て試験片に生ずる荷重を検出するようにしている。

そしてこのような従来の装置の密封構造としては第１図
に示す０リング密封構造によるもの、第２図に示すべロ
ーズ密封構造によるものおよび第３図に示すように容器
３の下部を０リング密封構造とし上部をべローズ密封構
造として組合わせたもの等があるが、いづれも外部荷重
が微妙に付加されて正確な検出値が得られない欠点があ
った。即ち、０リング密封構造（第１図）においては、
連結棒１１と０リング１２との摩擦によって微４・な荷
重変化が不規則に生じ、これが試験片に生じている荷重
変化と合成して荷重計で検出され、従って誤差が生じる
欠点があり、又、試験片６および連結棒１１を容器３内
に同０に配置することが困難であり、荷重軸が曲折した
場合測定荷重に誤差が発生する原因となる。又べローズ
密封構造（第２図）においては、ベローズ１３の伸縮に
伴う積算ばね荷重が付加されるため、補正を必要とする
欠点があった。即ち、第４図は引張試験の場合の荷重−
伸び曲線の一例を示したものであり、同図において示さ
れる鎖線ＯＤはべローズ１３′単独の伸び量に応じて増
加する積算ばね荷重である。曲線ＯＡＢＣＤは試験片６
に生ずる荷重にべローズ積算ばね荷重が付加合成された
荷重である。実際の試験においてはこの様な状態でデー
タが得られる。これを試験片にのみ生ずる真の荷重とし
て補正するには次の様に行わなければならない。

曲線ＯＡＢＣＤの伸びＥ点における真の荷重（ＷＥ）は
ＷＥ＝ＷＥ′−△ＷＥとなり、曲線ＯＡＢＣＤの各点す
べてについて行い、初めて試験片に生じていた真の荷重
−伸び曲線ＯＡ′Ｂ′Ｃ′〇が得られる。

更に０リング・ベローズ密封構造（第３図）においては
、真空容器３の中心と連結棒１１の中心とを整合させる
ことが困難であるため、荷重軸が曲折したり、又試験機
本体から発生する機械的な振動がべローズと共振を起し
て荷重系に伝達され、第２図の場合と同様に合成荷重と
して検出される。又小型の薄板状試験片を使用した超高
温度試験においてべローズＢ′のたわみの片寄りや取付
位置の微小な誤差は試験前の無負荷状態の試験片に曲げ
荷重となって作用し、正常な試験結果を得ることが困難
であった。本発明の目的は上記の如き従来の欠点を解消
した強度試験装置を提供することにある。

本発明の装置は、雰囲気密封容器例えば真空密封容器に
おける密封性を確保し、荷重計自体にも密封構造を備え
たことに特徴がある。

以下、荷重計に密報型歪ゲージ式荷重計を使用した真空
高温引張試験装置の実施例によって、本発明の装置の構
成を具体的に説明する。第５図には本発明を実施する装
置が示してあり、同図には第１図乃至第３図と同一部分
には同一の符号が付してある。

この本発明に係る装置は昇降移動可能の真空密封容器機
構と、荷重検出機構とから成る。真空密封容器機構は、
試験片６を収容し上部が開口する加熱部真空容器３（以
下容器という）と荷重計４を収容する荷重計格納部２２
と粗伸縮用密封べローズ３１とから成る。容器３の下部
は試験機本体２（以下本体という）の負荷移動部２１に
固着されている。荷重計格納部は本体２に設けられた孔
２ａに鉄合され上端が本体に固定された第１の筒２２ａ
とこれに接続された第２の筒２２ｂとから成っている。
荷重計４は第１の筒２２ａに固定されている。べローズ
３１は一端が第２の筒２２ｂに固定され他端は真空容器
３の関口縁に固定されている。従って容器３、ベローズ
３１および格納部２２の各内部は外気から気密で夫々運
適状態に保持され、負荷移動部２１の上下移動はべロ−
ズ３１の伸縮によって可能となり従って容器３を昇降さ
せることができる。荷重検出機構は荷重計４と、この荷
重計に接続される連結綾１１と、荷重計と連結榛とを接
続するジョイント１０と、連結棒と試験片６とを接続す
る上部チャック５と、試験片と容器３とを接続する下部
チャック５とから成る。上部チャック５は連結榛に固定
され又下部チャック５は容器の内壁から一体に延びてい
る。これら一対のチャック５によって試験片は着脱自在
に把持される。第６図には荷重計４の構造が示してあり
この荷重計は筒状の本体４１とこの本体の内部に設けら
れた段部に着座する金具４６とを備える。

この金具と本体との間には○リング４７が設けてある。
金具の上には荷重検出部支持台４４が配置されこれに荷
重検出用歪ゲージ４５を有する荷重検出部４８が設けら
れている。この荷重検出部から軸４２が延びこの軸はジ
ョイントー川こよって連結榛に接続される。軸４２と金
具４６との間には微伸縮用の密姿べローズ４３が設けら
れ、これによつてＢで示す空間は真空密封容器内と同一
の真空雰囲気に維持され又Ａで示す空間は大気圧下にさ
らされ、この大気圧下に検出素子、歪ゲージが位置する
形態となる。すなわち荷重計４は特殊環境下に設置され
る場合においても、支持台４４に固定支持された歪ゲー
ジ４５を有する荷重検出部だけは、前記密封べローズ４
３によって隔絶されて大気環境下におかれるように、ベ
ローズ密封構造型に構成してある。次に上記装置の作用
について説明する。

先ず本発明の目的である試験中の試験片以外で生ずる外
部荷重検出の除去ができ得たか否かを確認するため、予
備実験として試験部に試験片を接続せず、荷重の検出測
定系を零点に調整、このままの状態で真空雰囲気１×１
０‐ＩＴｏｍに維持する。

荷重検出機構は１１．０（ｋ９）を指示した。この値は
前記の真空が維持されている限り、経時的に変化せず、
第６図における微少伸縮用密封べローズの平均有効径３
．７（肌）、同断面積１１．０４（仇）に大気圧約１．
０（ｋｇ／の）が作用したことによる風袋である。この
風袋１１．０（ｋｇ）の状態で試験機本体の負荷移動部
を上下に移動したが、第５図の粗伸縮用密封べローズの
伸びによるべローズの積算ばね荷重は全く検出測定され
なかった。次に試験片を組込んだ本実験では１×１０‐
ＩＴｏｍ以下の真空を得た後、初期に検出測定した１１
．０（ｋｇ）の風袋を荷重検出機構の再調整で零点とす
ることで除去出来、本実験の準備は完了したことになる
。次いで例えば引張試験を行う場合は、１対のチャック
５，５ａ，５ｂに試料６の両端を夫々把持固定させたの
ち、本体の負荷移動部２１を下方に移動させて、容器３
を下降させる。これにより試験片６の負荷荷重は、連結
棒１１から荷重検出機構を経て荷重計４に伝達されて検
出される。本装置においては、容器３の真空密封機構と
荷重検出機構とがそれぞれ全く独立した形態にあるため
、べローズ３１の伸びに伴うべローズ積算ばね荷重が、
荷重計４に検出されることは全くない。一方、荷重計４
の内部においては、検出部材４２の移動によって密封べ
ローズ４３の積算ばね荷重が歪ゲージに影響を与えるこ
ととなるが、ベローズ４３における伸縮は微伸縮であり
、従って該べローズ４３の動きに伴う積算ばね荷重も極
めて微少であるため、検出結果に与える影響は袷んどな
く、全く無視しうるものとなる。第７図および第８図は
本発明による真空雰囲気中の引張試験の荷重−伸び線図
の実例である。

これらの図から明らかなように第４図における積算ばね
荷重△Ｗ（外部荷重）が全く除去されていることが判る
。又材料特有の現象が明瞭に検出され又試験片破断後も
完全に再調整の零点に復帰しておりいかなる外部荷重の
補正も全く必要としていないことが明白である。第７図
の試験条件は次の通りであった。最大到達真空度：５×
１０‐５Ｔｏｎ試験温度；１０００℃、材質；純モリブ
デン多結晶材、板状試験片（平行部長３仇岬、断面積４
．０械）、引張速度；０．２肋／分。又、第８図に材料
特有の現象としてセレーション現象が現われているがこ
の様な現象は従来技術の０リング密封構造法では連結榛
と０リングとの摩擦による荷重変化と合成されてしまう
ため、セレーション現象のみ分離することは不可能であ
り、データそのものの解析が不可能である。

第８図の試験条件は次の通りであった。最大到達真空度
；５×１‐５Ｔｏｎ、試験温度；７００午０、材質；イ
ンコネル６２５、棒状試験片（平行部３仇蚊、断面積７
．０７燭）、引張速度；０．２肌／分。上記のような荷
重検出機構を荷重負荷移動部の下方に設置し荷重負荷移
動部を下方に移動すれば、圧縮、曲げ試験となり、ある
定まった量だけ繰返し上下方向に移動せしめれば引張圧
縮繰返し疲労試験となる。

同様にして荷重計の種類および取付位置の変更、粗伸縮
用密封べローズの設置位置の変更、加熱炉の設置方法お
よび設置位置の変更、諾々の負荷方法を考えれば、クリ
ープ試験、クリープ破断試験など、単藤荷重の試料自身
に生ずる荷重を忠実かつ確実に試験結果を取得し、特殊
雰囲気中での強度試験が実施できる。第９図は本発明の
別の実施例の圧縮試験装置を示すものであって、前述の
引張試験装置と逆の形状に形成されており、荷重計７１
には圧縮型を用い、試験片６は連結榛の端部に固定した
試験拾具７２の間に挟着保持させる。

この圧縮試験装置においては、試験片の圧縮荷重は負荷
移動部２１が下方に移動することにより下部連結棒７３
を経て荷重計７１に伝達検出されるが、圧縮荷重によっ
て試験片に発生した収縮量はべローズ７４の収縮によっ
て吸収され、荷重系以外の圧縮台盤に負荷されることは
ない。尚、試験治具７２を曲げ試験用沿具に交換するこ
とにより曲げ試験も行なえる。更に、荷重計を引張圧縮
型とし治具を繰返し引張圧縮負荷に対して試験片との連
結が剛性を保つような構造（例えばねじ締結）にするこ
とにより特殊雰囲気中の引張圧縮疲労試験装置となる。
また第１０図に示すように重鋒７５と荷重制御装置７６
とを備えた荷重検出機構を設け、任意の所定重量を有す
る重錘と負荷荷重制御機構とを付加することによって２
４時間常時又は長時間に亘つて連続検出計測を行わせる
ことができこれによって、クリープ試験、クリープ破断
試験、リラクゼーション試験等の際真の荷重のみが検出
計測可能である。次に本発明の装置において雰囲気を不
活性ガス（Ｈｅ、Ｎ２、Ａｒ）とした場合の強度試験に
ついて述べる。

多目的高温ガス冷却型原子炉等において使用する耐熱材
料はその構成材料として、高温高圧で流動するＨｅガス
雰囲気中の各種応力を受けた状態で使用される。

このような環境下で使用する材料はその雰囲気の温度、
不純物（酸素、炭素、水素、水）、圧力等による。酸素
、炭素原子等の拡散および水蒸気腐食反応等により長期
間の健全性に与える効果は多大である。そのためこのよ
うな材料の強度試験は、できるだけ実用雰囲気と同様に
管理されたＨｅガス雰囲気中で試験を行うことによって
Ｈｅガスによる影響で試験実施中に起る材料自身の状態
変化を確実に得ることが重要である。又、材料の高温強
度試験において、試験される材料の合金組成の中に母金
属より蒸気圧の高い成分が固綾している場合、高温の試
験温度においてこの成分が蒸発現象を起すことがある。

この現象は試験中の材料に組成変化、断面債減少等を生
じ、正常な試験結果を得ることはできない。そのためこ
のような材料の高温強度試験は加熱部密封容器にＨｅ、
Ａｒ、Ｎ２、等の不活性ガスを所定の圧力で封入するこ
とにより、材料成分の蒸発現象を防止し、正常な試験結
果を得ることができる。又、Ｎａ、ＮａＫ雰囲気中での
強度試験は次の通りである。高速増殖型原子炉等の構成
材料として使用される耐熱材料はその原子炉冷却材とし
ての高温で流動するＮａ又はＮａＫ等の溶融金属の使用
環境にあり、原子炉構成材料の一部は高温で流動するＮ
ａ又はＮａＫ等の溶融金属に没入した状態で各種応力を
受ける。

このような環境下で使用する材料はその雰囲気（Ｎａ、
ＮａＫ等の溶融金属）に含まれる不純物（酸素、炭素、
窒素等）による酸化、炭化等又は他因子による腐食等に
より材料表面の組成変化、結晶粒界腐食、酸化物形成等
の現象を起し所定の強度に与える効果が大きい。このよ
うな条件下での強度を得るためには種々の状態に管理さ
れたＮａ又はＮａＫ等の溶融金属雰囲気中での高温強度
試験を行う。尚この試験はＮａ、ＮａＫ等の溶融金属が
電気的良導体であるため加熱部は密封容器外に位置して
実施しなければならない。本発明によれば、粗伸縮用べ
ローズ等の動きに伴って発生する無視しえない外部荷重
を、微伸縮用べローズの動きに変換することによって、
極微のものとした状態の下で試料の強度試験を行うこと
ができるから、外部荷重の影響を全く無視することがで
き、補正を要することもなく、合成荷重を伴わない精度
の高い検出結果を得ることができる。

また荷重計の位置やべローズの位置と加熱炉の設置手段
等を適宜に変更することによって、疲労試験、曲げ試験
等を含む広い範囲の強度試験に適用させることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図はそれぞれ従来の強度試験装置の構成
を示す縦断面図、第４図は従来の装置による荷重−伸び
線図、第５図は本発明に係る強度試験装置の１実施例の
縦断面図、第６図は本発明の強度試験装置に使用される
荷重計の１実施例を示す縦断面図、第７図および第８図
は本発明の装置によって得られた荷重−伸び線図、第９
図及び第１０図は本発明による強度試験装置の他の実施
例を示す縦断面図である。 ２：試験機本体、３：加熱密封容器、４：荷重計、５：
チャック、６：試料、１１：連結棒、２１：負荷移動部
、３１：粗伸縮用べローズ、４３：微伸縮用べローズ。 第′図第２図 義３図 第４図 第５図 第０図 第？図 第′０図 第７図 第〇図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 荷重検出素子（歪ゲージ）部を大気中に設置し、該
   検出素子部から延びる密封型歪ゲージ式荷重計の荷重伝
   達系を特殊雰囲気にある密封容器中に位置させ、前記特
   殊雰囲気の密封容器中に位置しかつその密封容器構造の
   一部を構成する試験片の一端を前記荷重伝達系に接続し
   他端を試験機本体の負荷系に接続して、前記試験片の発
   生荷重のみを検出測定可能とした特殊雰囲気の強度試験
   方法。 ２ 前記特殊雰囲気は真空雰囲気である特許請求の範囲
   第１項の方法。 ３ 前記特殊雰囲気はヘリウム、アルゴンまたはチツ素
   の如き不活性ガスである特許請求の範囲第１項の方法。 ４ 前記特殊雰囲気はナトリウムまたはナトリウムカリ
   ウムであるの如き液体金属である特許請求の範囲第１項
   の方法。５ 荷重検出素子部が大気中に配置され該荷重
   検出素子部に係合する荷重伝達系の該係合端を除く大部
   分が特殊雰囲気中に配置されるごとき密封構造部を内蔵
   形成され試験本体の格納部に密嵌固定される密封型歪ゲ
   ージ式荷重計と、先端に試料チヤツクを備え他端が前記
   荷重計の荷重伝達系に連結された連結棒の先端と、該連
   結棒の挿入を許す開口を有し前記連結棒の試料チヤツク
   と整列する直線上で対向して組合う別の試料チヤツクを
   内部に備えかつ試験機本体の負荷移動部に固着されてい
   て組をなす前記試料チヤツクの近接離間方向へ移動可能
   の加熱密封容器と、該密封容器に挿入された連結棒の周
   囲を覆うようにして荷重計用格納部と密封容器の開口部
   とを気密に連通する伸縮自在の管状の連結部とを備えて
   いることを特徴とする特殊雰囲気の強度試験装置。