ASTM E23: 金属材料のノッチ付き棒衝撃試験、シャルピー法およびアイゾット法

一見すると、ノッチ付きバー衝撃試験の試験手順は単純に見える：試験片を挿入し、振り子をリリースして、衝撃エネルギーを測定する。しかし実際には、結果の比較可能性は多くの詳細項目に左右されます。特に懸念されるのは、ノッチング効果、試験片の温度、衝撃中心における試験片の位置、または振り子のエネルギー損失に影響を与える全ての工程です。

変動の典型的な原因としては、以下の通り：

• 規格外の試験片寸法：標準シャルピー試験片の寸法は10×10×55mmです。長さ、幅、高さ、または残留断面積のずれは曲げ応力を変化させ、結果を基準値や他のラボラトリーの結果と比較することを困難にします。
• 不適切なノッチ形状：ノッチの深さ、半径、および形状は、局所的な応力集中に影響を与えます。ノッチの深さが浅すぎると、衝撃エネルギー値が高くなる可能性があり、ノッチが深すぎると、衝撃エネルギー値が低くなる可能性があります。
• 不適切なノッチ位置：シャルピー試験片ではノッチは中央にありますが、アイゾット試験片ではノッチは中央からずれています。ノッチの位置が間違っていたり、シャルピー試験片をアイゾット試験片に用いたりすると、信頼できる結果にはなりません。
• VノッチとUノッチはよく混同される：異なる形状のノッチを直接比較してはいけません。ノッチの形状は破壊挙動を決定するため、選択された方法および解析と適合していなければなりません。
• ノッチや表面品質不良：傷、バリ、または表面の損傷は、亀裂の伝播に影響を与えます。さらに、表面が粗かったり損傷していたり​​する試験片は、支持部材の摩耗を増大させ、その後の測定に影響を与える可能性があります。
• シャルピー衝撃試験の中心位置ずれ：振り子ハンマーがノッチの反対側の側面を叩くように、試験片を配置しなければなりません。試験片が中心に位置していない場合、荷重がずれてしまい、測定される衝撃エネルギーが大きくずれてしまいます。
• 不適切なアイゾットのクランプ方法：アイゾット圧入試験では、試験片の一端を固定します。締め付け力の差や締め付けの再現性の欠如は、境界条件を変化させ、ひいては破壊挙動が変わってしまいます。
• 不十分な温度制御：低温では、多くの金属はもろくなります。試験片全体が均一な温度に調整されていない場合、結果は実際の試験温度を正確に反映しない可能性があります。
• 取り出しから衝撃までの時間が長すぎる：試験片と周囲環境との温度差が大きい場合、試験を実施できる時間的猶予は非常に短いです。遅れにより、試験片が意図した温度に達しなくなるリスクが高まります。
• トングの温度が均一でない場合：冷却された試験片を温かいトングで扱うと、局所的に熱が伝わる可能性があります。これは、延性挙動と脆性挙動の遷移温度付近で実施される試験において特に重要となります。
• 振り子の選択ミス：ASTM E23では、振り子の容量の80%を上限値として規定しているほか、測定分解能に基づく下限値（測定器の最高分解能の25倍。当社のデジタル表示分解能は0.1Jなので、下限値は2.5ジュールに相当）も規定しています。不適切な測定範囲は、結果の精度と妥当性に悪影響を与える可能性があります。
• 検証が不十分な試験設定：ASTM E23は、直接検証と間接検証の両方を対象としています。支持スパン、半径、ストライカー、基準試験片、および測定器の挙動は、検証可能な方法で確認されなければなりません。そうしないと、系統的な偏差が見過ごされる可能性があります。
• アンビルの摩耗または残留物：摩耗したアンビル、破片、または摩耗粉は、支持条件を変化させる可能性があります。これは、残留物が速やかに除去されない連続試験において重要となります。
  
  

重要なテスト手順とツビックローエルのテストソリューションについての詳細：

温度制御 試験片位置決め 振り子試験機の選定 振り子ハンマーの選定 衝撃治具およびアンビルの選定 検証 エネルギー損失 自動化オプション

多くの金属材料は、温度変化に伴って破壊挙動が変化します。低温では脆性破壊を起こしやすい一方、室温以上では延性破壊を起こしやすい傾向があります。このため、ASTM E23試験は、遷移温度や脆性破壊率を評価するためによく用います。

試験片を温度調節環境から取り出してから衝撃試験を実施するまでの時間は、特に重要となります。試験片の挿入が遅すぎたり、取り扱い中に温度が上昇したりすると、測定結果は意図した試験温度を正確に反映しなくなります。

手動試験の場合、ツビックローエルは試験片をグリップする際に不要な熱伝達を防ぐため、温度調節機能付きの挿入用トングを用意しています。さらに、温度調整装置を振り子式衝撃試験機の近くに配置しているため、迅速な試験手順が可能です。

挿入用トングは、試験片のノッチ部分をグリップし、センタリング機能により、衝撃治具内での迅速かつ正確な位置決めが可能です。自動シャルピー衝撃試験では、試験片供給システムにより、温度調節環境からの取り出しから衝撃試験までを規定時間枠内でが確実に実行します。これにより、特に温度管理された試験において、オペレーターの影響を軽減し、再現性を向上します。

ASTM E23に準拠した再現性のあるノッチ付きバーの衝撃曲げ試験を行うには、適切な振り子ハンマーの選択だけでは十分ではありません。支持スパン、アンビル形状、およびストライカーの状態は、試験片にかかる応力に直接影響を与えます。摩耗、残留物、または損傷した支持面は、結果を歪める可能性があります。したがって、アンビルと打撃部は定期的に点検し、必要に応じて交換する必要があります。

支持スパンとアンビルの形状は、試験片にかかる曲げ応力に直接影響を与えます。支持部の間隔が大きすぎると、試験片が破損しやすくなります。小さすぎると、衝撃エネルギー値が高くなる可能性があります。摩耗、損傷、または汚れたアンビル、および摩耗したストライカーも、支持状態や入力状態が変わってしまいます。

ツビックローエルのシャルピー衝撃試験治具は、シャルピー衝撃試験に使用できます。アンビルは回転させたり、左右を入れ替えたりできるため、複数回使用できます。このため、製品の耐用年数が延び、交換部品の必要性を軽減できます。シャルピー衝撃試験に加えて、アイゾット衝撃試験などの他の種類の試験も計画されている場合は、汎用衝撃治具を使用することで、より柔軟な対応が可能になります。

振り子式衝撃試験機の設置も重要です。十分に頑丈で安定した土台により振動と不要なエネルギー損失を低減できます。これにより、試験中に測定されたエネルギーが、試験片の破壊挙動に起因することを明確にすることが可能です。

振り子式試験機では、摩擦や空気抵抗による損失を避けることはできません。これらを考慮に入れなければ、たとえそれが材料に起因するものでなくても、エネルギー損失が試験結果に含まれてしまいます。

ツビックローエルの振り子式衝撃試験機は、摩擦と空気抵抗の測定を可能にします。試験設定が変更されないかぎり、これらの損失は測定結果に反映され、補正されます。これにより、衝撃エネルギー測定の妥当性が向上し、系統的な誤差を低減することが出来ます。

ASTM E23は、金属材料の衝撃荷重下での挙動を評価する必要があるあらゆる場面で使用されています。

代表的なアプリケーションとしては以下のようなものがあります：

• 金属生産における品質保証：製鉄所、鋳造所、金属材料メーカーは、材料の特性が仕様を満たしているかどうかを試験します。
• 顧客向け材料特性の検証：ノッチ付きバー衝撃試験の結果は、データシート、試験報告書、または承認プロセスで使用できます。
• 設計・開発における材料選定：この試験は、特定の温度や衝撃荷重を伴う用途に材料が適しているかどうかを判断するのに必要です。
• 脆性破壊挙動の評価：特に低温域では、この試験は延性破壊挙動と脆性破壊挙動の間の遷移を判断するのに必要です。
• バッチと量産のプロセス比較：試験結果は、材料の挙動がバッチ間、熱処理間、または量産プロセス間で異なるかどうかを確認することができます。
• 校正と認定：試験機関や認定機関は、試験システム、手順、および比較可能性の信頼性を確保するためにこの方法を使用します。
• 研究と教育：ASTM E23試験は、ノッチ効果、温度、および破壊挙動の間の基本的な関係を明らかにします。