ISO 148-1: 金属のシャルピー衝撃試験
ISO 148に準拠したノッチ付き曲げ試験は、金属材料の衝撃エネルギーと脆性破壊挙動を測定するために用いられます。この方法は、材料が衝撃や衝突荷重を確実に吸収する必要がある用途において特に有効です。これは、品質保証、材料開発、生産管理、および認証に使用されています。
実際には、ばらつきは、不正確な試験片寸法、ノッチ品質、温度変動、またはオペレータの影響によって生じることがよくあります。ツビックローエルは、適切な振り子式衝撃試験機、挿入補助具、温度調整ソリューション、testXpert試験ソフトウェア、および自動化オプションを提供することで、お客様をサポートします。
試験方法はASTM E23にも記載され決定されています。ISO規格は欧州規格 (EN ISO 148-1)と同じです。
ISO 148-1 – 主要なポイント
- ISO 148-1は、U字型またはV字型のノッチを有する金属試験片に対するシャルピー衝撃試験について規定しており、衝撃エネルギーおよび衝撃靭性を測定するために使用されます。
- この試験は、金属が延性または脆性のどちらの挙動を示すかを示し、さらに、延性-脆性転移は温度の関数として決定できます。
- 実際には、最大の誤差要因は、試験片の寸法、ノッチの深さ、ノッチの位置、表面品質、試験片の向きの誤り、および温度条件の制御不足に関連しています。
- 温度管理下での試験は、試験片を温度調節環境から取り出した後、数秒以内に試験しなければならないため、困難です。
- 適切な振り子のサイズ、規格に準拠した衝撃速度、校正済みのアンビル、そして摩擦と空気抵抗による損失の補正は、比較可能な結果を得るために非常に重要です。
- ツビックローエルは、ISO 148に準拠した試験に適した振り子式衝撃試験機、シャルピー衝撃試験治具、挿入補助具、温度調整ソリューション、および自動化装置を提供しています。
- testXpert試験ソフトウェアは、標準化された試験手順、信頼性の高いパラメータ設定、追跡可能な文書化、および試験データのラボプロセスへの統合をサポートします。
試験片準備と試験片品質
よくあるエラーの原因:
- 規格外の試験片寸法：標準的なシャルピー試験片の寸法は10×10×55mmです。寸法のずれは破壊挙動を変化させ、結果を基準値と比較することが困難になります。
- ノッチの欠陥または不均一：ノッチの深さと半径は、測定されるエネルギーに大きく影響します。ノッチが小さいほど衝撃エネルギーは高くなり、ノッチが大きいほど衝撃エネルギーは低くなる傾向があります。
- ノッチのセンターずれ：シャルピー衝撃試験では、振り子ハンマーが反対側に正確に当たるように、ノッチを中央に配置する必要があります。
- VノッチとUノッチの混同：VノッチとUノッチは形状が異なるため、結果は比較できません。
- 表面の欠陥や傷：損傷や傷は亀裂の伝播に影響を与え、最悪の場合、アンビル自体を損傷する可能性もあります。
- 材料の不均一性または不適切なロット：異なる材料条件は、吸収エネルギーと脆性破壊の割合に直接影響を与えます。
温度制御と時間枠
ISO 148に準拠した温度制御試験は、金属材料の破壊挙動が温度によって大きく変化する可能性があるため、特に重要です。多くの金属は、特に低温下では脆くなるため、試験片は衝撃を受ける瞬間に、必要な試験温度に達していなければなりません。
重要なポイントは以下のとおり：
- 試験片の均一な温度調整：試験片は表面だけでなく、全体が均一な温度になるように調整する必要があります。
- 迅速な試験への移行：温度調整環境からの取り出しから、衝撃治具への挿入、振り子による衝撃まで、5秒以内で行わなければなりません。
- 取り扱いによる温度低下：周囲温度、取り扱い、および温度調節機能のない補助機器は、試験片の温度を変化させる可能性があります。
- 温度調整済みのトング：低温試験の場合、試験片を掴む際に試験片が温まらないように、掴むトングも温度調整済みである必要があります。
- 再現性のある試験片挿入：時間的制約がある場合、試験片が正確に中央に挿入されなかったり、正しい向きで挿入されなかったりするリスクが高まります。
指定された時間枠を超過した場合、試験が規定の温度で実施されることを保証することはできなくなります。これはばらつきを生み、結果の比較可能性を損なう可能性があります。
試験の流れは以下のとおりです：
ISO 148に準拠したシャルピーノッチ付きバー衝撃試験では、ノッチ付きの金属試験片を2つの支持台に置き、振り子ハンマーの衝撃によって破壊します。ノッチは中央に位置し、衝撃は反対側で発生します。
試験前に、試験片の形状、ノッチの種類、ノッチの深さ、表面状態、および該当する場合は試験温度を準備し、確認します。温度制御試験の場合、試験片は全体的に均一な温度に調整されなければならず、温度調整環境から取り出した後、5秒以内に挿入して試験を行う必要があります。
吸収されたエネルギー（ジュール）は、振り子の落下高さと上昇高さの差から求めます。さらに、破断面における脆性破壊の割合は、例えば手動または光学的に評価することができます。これらの結果を、材料の比較、品質管理、および衝撃荷重下での材料挙動の評価に用います。
振り子式衝撃試験機の選定
ISO 148 に準拠した試験用に、ツビックローエルは試験ポートフォリオに振り子衝撃試験機 HIT300P、HIT450P、および HIT750P を用意しています。振り子は必要な衝撃エネルギーに適しており、規格の要件を満たしていることが不可欠です。ISO 148-1では、振り子の容量の80%を上限値として規定していますが、下限値は規定していません。したがって、450ジュールの振り子ハンマーを備えたHIT450Pは、0～360ジュールの範囲で規格に準拠した試験に使用できます。
衝撃治具の選択
ツビックローエルは、HIT300PおよびHIT450P振り子式衝撃試験機向けに、シャルピー衝撃試験用治具と汎用衝撃試験用治具の2種類の衝撃試験用治具を用意しています。
シャルピー衝撃試験用治具は、シャルピー衝撃試験専用に設計されています。そのアンビルは回転させることができ、左右どちら側にも付け替えることができます。これにより、アンビルは交換が必要になる前に4つの位置で使用できます。したがって、日常的なラボラトリーの使用における摩耗による交換を減らすことが出来ます。
汎用衝撃試験治具は、さまざまな種類の試験に柔軟に対応することが出来ます。必要であれば、例えばアイゾット衝撃試験や引張衝撃試験用に変換することも可能です。したがって、単一の振り子式衝撃試験機で様々な試験方法を実施する必要のある研究室に特に適しています。
HIT750P振り子式衝撃試験機では、支持部とアンビルが装置本体に直接取り付けられているため、別途衝撃治具は必要ありません。主にシャルピー衝撃試験に適していますが、引張衝撃試験も可能です。
ISO 148-1に準拠した自動シャルピー衝撃試験
自動化は、多数の試験片を試験する場合、制御された温度で試験を実行する場合、またはオペレータの影響を最小限に抑える必要がある場合のISO 148 準拠試験で特に有益です。自動試験システムでは、温度調整からの取り出しから衝撃試験までの時間枠である5秒以内に確実に行うことが出来ます。
自動試験システムroboTest Iは、-180℃から+300℃の温度範囲で、最大450個のノッチ付き金属試験片を自動的に試験できます。
ツビックローエルは、それぞれの振り子衝撃試験機で動作するように設計されたさまざまなシステムを用意しています：
- HIT450Pには半自動バージョンもあり、オペレーターが試験片を温度調節装置にセットした後、制御された条件下で試験を開始します。
- HIT750Pには、半自動ソリューションと全自動ソリューションの両方を用意しています。完全自動化バージョンでは、ユーザーはマガジンにセットするだけです。システムが起動すると、試験片がシステムに投入され、指定された温度まで加熱され、一定の調整期間後に試験が行われ、その後、オプションのコンベアを介して試験エリアから排出されます。
全てのロボット試験システムでは、autoEdition3 自動試験ソフトウェアを使用して制御を行います。
必要に応じて、その他のオプションもご利用いただけます：
- 試験片、バッチ、生産スロット、結果をマッピングするためのIDコードスキャナー
- オプションの寸法測定、具体的にはノッチの深さまたは残りの高さ
- 最大600本の試験片を収納するマガジン
- ポカヨケに基づいた、適切なノッチ位置合わせのための試験片ホルダー
- 試験後のアンビルの清掃
- IntelliDriveは、様々な試験条件下で振り子の高さを自動調整するシステムです。
- 最大+600℃までの広い温度範囲
- 排出コンベアおよびオプションの残存試験片の選別
自動化は温度管理が必要な試験だけでなく、試験片の処理量が多く、標準化された試験手順を持つ試験室にも適しています。
ISO 148-1の典型的な適用例
ISO 148は、衝撃荷重下、低温下、または脆性-延性遷移時における金属材料の挙動を評価する必要があるすべての用途で使用されます。
主な使用事例：
- 金属材料の品質保証：材料が仕様を満たしていること、および試験結果が比較可能であることを検証する。
- 製鉄工場：データシート、顧客承認、および品質管理のための材料特性の決定。
- 材料の設計開発: 特定の周囲温度下で安全に動作する必要のある部品に適した材料を選定する。
- 脆性破壊挙動の評価：材料がより脆性的な破壊挙動、あるいはより延性的な破壊挙動へと変化する温度を評価する。
- 校正・認定機関：検査設備、試験工程、および試験室。
- 研究、教育、および大学：基本的な材料試験方法を教え、金属材料の破壊挙動を調査する。
ISO 148-1 testXpert試験ソフトウェアを使用
testXpert試験ソフトウェアは、事前定義された試験シーケンス、標準化された設定、および標準試験プログラムとマスター試験プログラムを含むトレーサビリティのあるドキュメントを通じて、ISO 148テストをサポートします。構成によっては、testXpertはデジタルディスプレイを介してデバイス上で直接使用することも、PCを介して使用することもできます。PCとの接続性は、結果をより詳細に文書化する必要がある場合、さらに処理する必要がある場合、または既存のデータ構造に転送する必要がある場合に特に重要になります。
試験室にとっての機能的な利点：
- 標準化された試験手順により、オペレーターによる影響を低減
- 試験パラメータと結果の追跡可能な記録
- 繰り返し行われる試験の一貫した評価
- 品質保証、認定、顧客レポートの便利な文書化
- デジタルラボとデータ処理との相互運用性
ISO 148に関するよくある質問
ISO 148は、ノッチ付き金属試験片のシャルピー衝撃試験について規定しています。この試験は、材料が吸収する衝撃エネルギーを測定し、その破壊挙動、特に脆性成分と延性成分を評価するために用いられます。
重要なパラメータは、吸収された衝撃エネルギー（ジュール）です。さらに、脆性破壊の割合は、破壊面に基づいて決定することができます。インタビューによると、実際には、この割合は破断面に基づいて手動または視覚的に評価しているようです。
典型的な原因としては、試験片の寸法が規格に適合していない、ノッチに欠陥がある、ノッチの位置が中心からずれている、表面に欠陥がある、試験片の取り付けが間違っている、温度調整が不十分である、温度調整と衝撃試験の間の時間枠を超えている、試験装置の設定が不適切または校正が間違っているなどが挙げられます。
ISO 148に準拠した試験は、ツビックローエルのHIT300P、HIT450P、およびHIT750P振り子式衝撃試験機を使用して実施できます。
いいえ。HIT50P振り子式衝撃試験機は、ISO 148で要求される5～5.5m/sの衝撃速度に達しません。
いいえ。通常できません。ISO 148では上限値のみ規定：吸収される衝撃エネルギーは、振り子の容量の80%を超えてはなりません。規格では下限値は規定されていません。
振り子の容量が450JであるHIT450Pを使用すれば、0～360Jの範囲の衝撃エネルギーを試験することができます。
しかし、非常に低い衝撃エネルギーの場合、測定された摩擦を考慮に入れる必要があります。摩擦エネルギーが、試験片で測定された衝撃エネルギーと同程度の大きさである場合、あるいはそれを超える場合、結果の妥当性が損なわれる可能性があります。この場合は、より小型の振り子ハンマーを選ぶ必要があります。
同じ試験片形状を使用する必要がある場合は、より大きな振り子が必要となる。あるいは、7.5 mm、5 mm、2.5 mmといった、より薄い小型の試験片を使用することもできます。これらの厚さの試験片には、振り子が試験片の中心に当たるようにするためのスペーサーを用意しています。
金属材料は低温下ではより脆性的な破壊挙動を示すことがあります。したがって、試験片を全体が均一な温度に調整し、温度調整環境から取り出した後、速やかに試験を行う必要があります。ISO 148では、周囲環境との温度差に応じて、5秒または10秒の時間枠を規定しています。
VノッチとUノッチは形状が異なり、ノッチ部における応力集中が異なります。これにより、測定結果に差異が生じます。
自動化は、温度管理が必要な試験、時間的制約が厳しい場合、大量の試験片を扱う場合、またはオペレーターの影響を軽減する必要がある場合に特に有効です。自動化により、より一貫性のある試験手順、再現性のある試験片挿入、および温度調整から衝撃までの規定時間に対する確実な遵守を行うことが出来ます。
