破壊靱性・静的強度

ASTM E 399は、金属材料の線形弾性平面ひずみ破壊靭性値(KIC)を求める試験方法です。一般的な材料としては、高強度鋼（Ti合金,高強度Al合金等）が対象としているが、近年では3Dプリンタの造形品やMg合金もその対象です。この静的の破壊靭性値は、構造物等の設計上で重要な指標としています。この厳しい値となるKICが材料自体の最低の抵抗値だけではなく、構造物に存在するき裂の多くが三次元的な表面き裂や内部き裂があり、その先端が平面ひずみ状態となっています。これらの重要性を把握するための手法として、C(T)試験片を用いて試験を行います。試験片の一部には機械加工部（切欠き状）有し、その先端部に疲労き裂存在している。試験中は一定速度で負荷を行いますが、その際に切欠き端部が広がります。その広がり（開口変位）をクリップゲージで測定し、荷重と開口変位をグラフ化します。また、試験後の疲労予き裂長さを測定し、取得したデータを基に破壊靭性値を評価します。

高じん性材では、線形性の破壊ではなく非線形性を示しながらの破壊となります。よって、有効なじん性値の取得には大きな試験片が必要となります。評価する材料の寸法や使用する試験機容量の制約からKICを評価できない場合には、弾塑性状態を考慮したJICで破壊靭性値を評価することができます。その際に用いる試験規格が、ASTM E 1820となります。主な試験方法として除荷弾性コンプライアンス法があります。使用する試験片形状は一般的にC(T)試験片を用いていますが、利点として、力を負荷させる場所と開口変位が同軸上にあるため、KICでの評価も可能としています。材料のじん性値が明確でない場合や線形での破壊となってしまう可能性がある材料にも適した方法です。　JIC試験では、J積分を用いて評価を行い、KIC試験よりもき裂進展開始を厳密に評価ができます。試験完了後に疲労予き裂長さと安定き裂長さを測定し、J-R曲線を収得します。最終的に、JQ(JICの候補値)の有効性評価を行いJICの判定を行います。

CTODとは、「Crack Tip Opening Displacement」の略称です。一般的には、低中強度の溶接構造用鋼での破壊靭性評価に用いられており、特に溶接継手材で用いられる破壊靭性試験となります。溶接構造用鋼では、不安定脆性破壊といわれる「へき開破壊」を発生します。へき開破壊で見られる破面模様としてリバーパターンがあります。CTOD試験で用いる試験片は、SE(B)試験片を用いており、板厚も素材寸法のまま（実際に使用する）で実施することが一般的です。また、試験片中央部には機械加工と予き裂を施した試験片となります。試験方法は、3点曲げ試験と同等とし、機械加工を施した部分にクリップゲージを取り付け、試験力に対してき裂の開口変位を取得します。試験後に疲労予き裂長さを測定し、開口変位の塑性成分Vpを求めてCTODの有効性を評価します。

必要に応じて素材や材料規格の要求などにより試験片が大きなものになる場合があります。主に溶接接手の脆性破壊特性の把握するために、ディ―プノッチ（Deep notch)試験、Wells 一木原試験、表面切欠き付広幅引張試験、脆性き裂伝播停止試験には、ESSO試験、Kca試験が存在します。

落錘式衝撃試験 DWTT(Drop Whight Tear Test) は、ラインパイプ用鋼材などのサンプルのストライカーを垂直に落下させ、衝撃曲げにより破断させ、延性破面率を測定する試験である。　適用規格 API RP 5L3

一般的にはJIS,ASTM,ISO規格での引張試験が対応可能としています。引張試験とは、単純に試験片（または試験体）を伸ばす方向に力（試験力）を加える試験です。ものは力を加え続けることで、弾性領域（元の状態に戻ることが可能な領域）から塑性領域（元の状態に戻ることが不可能な領域）に突入し、最終的には破断（または破壊）となります。通常の引張試験で測定する項目は、降伏点または0.2%耐力、引張強さ、伸び、絞りといった項目になります。これらの項目は、開発材料や構造物を設計で使用する基礎データとなり、破壊靭性の解析でも使用する重要な試験の１つです。

圧縮試験とは、単純に試験片（または試験体）を潰す方向に力（試験力）を加える試験です。いわば引張試験の逆方向に力を加える試験が圧縮試験となります。この圧縮試験の目的は、材料の圧縮強度を把握することです。角柱や円柱、円筒形といった試験片や構造物を上下に取り付けた2つの治具（平面板）面に挟んだ状態で力を加えて、最終的には破壊または平らの様な状態になります。ただし、圧縮試験では直径（治具に当たる面の寸法）と長さ（試験体の高さ）の関係性より、座屈といった急に折れ曲がるような現象がでてきます。正確な圧縮強度を測定することが可能となるように、弊社では試験片形状の検討も可能です。また、試験機も圧縮側の校正を実施し、室温のみならず高温や低温といった試験環境を可能とした設備を所有し、伸び計やひずみゲージ等を用いたひずみ測定も可能としています。

破壊靭性値の求め方は、各試験規格に基づきます。



1. ・KIC試験による評価方法
2. ・JIC試験による評価方法
3. ・if法
4. ・SEVEB法
5. ・SEPB法

ASTM E399に基づきC(T)試験片による、KⅠC試験を実施する場合の手順は



1. 素材受入れ
2. 試験片加工
3. 疲労予き裂の導入
4. 開口試験の実施
5. 破面を分離し、き裂長さ「a」を測定
6. き裂長さの有効性について確認
7. 有効なKⅠCが求められたことを立証するために、PQを求める
8. 評価基準であるPmax/PQの比が1.10を超えていないか確認する
9. KQを算出
10. KQが有効な平面ひずみ破壊靭性KⅠCであるか有効性の判定を行う

ASTM E1820に基づきC(T)試験片による、JⅠC試験を実施した場合の手順は



1. 素材受入れ
2. 試験片加工
3. 疲労予き裂の導入
4. Side groove加工
5. 開口試験の実施(除荷コンプライアンス法)
6. 破面のき裂長さの測定
   1. 試験片の分離
   2. 分離前に破面の色付け(ヒートテント)を実施し開口した破面を着色して識別する。
   3. 試験片の分離 (疲労破壊または液体窒素冷却による脆性破壊 )
   4. き裂長さの測定
      1. ①疲労予き裂長さ
      2. ②安定き裂成長量
7. データ整理
   1. J値の計算
   2. き裂長さの計算
   3. J-R曲線の作成
   4. JⅠC評価
   5. JQ値の計算と有効性の評価
   6. JⅠCとしてのJQ判定

if法(Indentation Fracture法)とはJIS R1607に規定するファインセラミックスの破壊靭性の試験方法で、ビッカース圧子 を試験面に圧入して、生じる圧こんとき裂の長さを測定し、押し込み荷重、圧こんの対角線長さ、き裂長さと弾性率から破壊靭性値Kcを算出する方法です。試験機はJIS B7725に規定するビッカース硬さ試験機を使用します。試験片の試験面はき裂長さが容易に測定できるように表面粗さは0.100μmRa以下の鏡面研磨仕上げとし、ビッカース圧子の押し込み荷重は可能な限り大きく選定し15秒間保持後に10分間以内に圧痕の対角線長さとき裂長さを測定します。

SEVNB 法(Single Edge V-Notch Beam法)とはISO 6872に規定されている試験方法で、試験片に特殊な形状のダイヤモンド砥石を使用してV字の切り欠きを加工し、その試験片に3点曲げ試験を実施し破壊靭性値を算出方法です。

SEPB法(Single Edge Precracked Beam法)とはJIS R1607に規定するファインセラミックスの室温破壊靭性の試験方法で、特殊な治具、装置を用いて試験片表面の中央部に直線的な予き裂を発生させ、その試験片に3点曲げ試験を実施し破壊靭性値を算出する方法です。

DCBとは、Double Cantilever Beam の略で繊維強化プラスチック材のModeⅠ(開口型) 層間破壊靭性試験に使用する試験片です。CFRP材の積層板の層間にフィルムを入れて模擬き裂を導入した試験体を、引き裂くように引張り、変化する荷重と亀裂の進展長さから、層間の靱性を評価します。

ASTM E399に基づき、平面ひずみ破壊靭性値KⅠcの測定に使用するC(T)試験片であるが、aは機械ノッチの先端に導入した疲労予き裂の長さを含む切り欠き長さです。

ASTM E1820に基づき、弾塑性破壊靭値JICの測定に使用するC(T)試験片であるが、aは機械ノッチの先端に導入した疲労予き裂の長さを含む切り欠き長さです。

3点曲げ試験片は、主としてCTOD試験に使用します。溶接部からの試験片採取では、疲労予き裂が残留応力の影響で進展量に影響し板厚方向に均一に導入されないケースがあり、Local compression法(プラテン法)などにより厚さ方向の残留応力を一様に近づける作業が必要になります。