超音波周波数における金属板の曲げ疲労試験の観察/HPV-X2

疲労とは、繰り返し負荷により起こる破壊のことであり、これは静的な破壊強度よりはるかに小さい力でも起こります。また、疲労破壊は突然、一気に起こるため、過去には船舶や航空機の重大な事故につながった例もあります。そのため、材料の疲労特性を把握することは重要なことであるといえます。しかし、疲労特性を求めるためには多くの試験時間が必要になります。繰り返し数10の7乗まで試験を行おうとすると10 Hzで約12日かかります。今回は、20kHzで疲労試験が可能な超音波疲労試験機が用いました。しかし、非常に振動が速いため，試験片の動きや変形を目視で確認することができません。そこで、高速度ビデオカメラを使用して、20 kHzの曲げ疲労試験における金属板の動きを観察しました。従来は変位計を少しずつ移動させて試験片全体の動きを把握していましたが、高速度ビデオカメラを用いることで、1回の観察で試験片の動きの確認が可能になります。また、撮影画像から試験片の移動量を求めました。

Table 1 試験装置

高速度ビデオカメラ	HPV-X2
顕微鏡	Z16 APO
照明	ストロボ
試験機	USF-2000

Table 2 測定条件

撮影速度	200万コマ/sec
試験周波数	20 kHz
試験片寸法	10.0 × 3.020 × 0.406 mm

Fig.1 試験片

Fig.2 試験の様子
Overview

実験には超音波疲労試験機USF-2000と高速度ビデオカメラHPV-X2を用いました。Table 1に使用した装置を示します。撮影は、試験中の任意のタイミングで行っています。Fig.1に試験片の写真を示します。Fig.1の試験部が曲げ振動します。
Fig.2に試験の様子を示します。アクチュエータによる振動をホーンが増幅して試験片に振動を与えます。 Table 2に測定条件を示します。撮影速度は1周期100枚以上の画像データを得るために200万コマ/secとしています。

■ 撮影画像

Fig.3に撮影画像を示します。Fig.3の青線は画像(1)における試験片の中央を示しています。画像(1)から画像(3)にかけて試験片の中央部が下方向に移動しています。その後、試験片中央部が上方向に移動していき、画像(9)にて最大となります。画像(9)から再び試験片中央部が上昇し、画像(11)にて画像(1)と同じ位置に戻ります。以上より、試験片の振動の周期が20 kHzであることが確認できました。また、Fig.3より、試験片先端部はあまり動かず、試験片中央部が動いていることから2次の曲げモードになっていることが確認できます。

Fig.3 撮影画像 (画像間の時間間隔は5 µs)

■ 撮影動画

Fig.4に撮影動画を示します。得られた撮影画像は、画像処理ソフトを用いることで、試験片の移動量を求めることができます。今回は試験片の中央部の移動量を求めました。Fig.5に試験片中央部の移動量と時間の関係を示します。Fig.5から今回行った曲げ試験の振幅は80 µm程度であることがわかります。また、振動の周囲が20 kHzであることが確認できます。

Fig.5 試験片中央部の移動量