革新的な試験ソリューションの開発に30年以上の経験を持つMTSのスタッフエンジニア、Steve Lemmerは、製品設計において独自の専門知識を提供します。このQ&Aでは、高温試験の課題を概説し、高温グリップの開発について説明します。
Q. なぜ高温試験は重要なのですか？
A. 材料はしばしば室温より高い環境で使用される必要があり、エンジニアは温度が材料の強度、弾性率、クリープ/破断などの特性にどのように影響するかを理解する必要があります。異なる種類の材料を試験するために、一般的に3つの温度帯が使用されます。約200°Cまでの温暖試験があり、これはプラスチックや複合材の試験範囲です。次に、200°C～1200°Cの高温試験があり、その多くは600°C～1000°Cの範囲で、たとえばジェットエンジン材料の試験温度に該当します。最後に、1200°C以上の超高温範囲があります。これはセラミック、炭素材料、モリブデン、タングステン、レニウムなどの耐火金属の試験範囲です。これらの異なる温度範囲を達成するには、異なる技術を使用する必要があるという点が課題の一つです。
Q. 高温試験について、多くの人が知らないことは何ですか？
A. 試験分野のほとんどの人は、アライメント、温度、変形測定を理解していますが、温度が上がると試験設定の複雑さも増します。グリップと試験片を環境チャンバーに入れ、600°Cまでの試験を行うのは比較的簡単ですが、温度が高くなるほど試験装置と設定の複雑さは増します。例えば、材料の選択が変わり、温度測定装置が変わり、加熱方法が変わり、大気環境も変わる可能性があり、最終的には重要な試験機能を実行する技術が限られる温度に達します。
温度が上がると複雑さが増すことは理解されていますが、この複雑さがコストを押し上げることに気付く人は少ないです。これらのアクセサリー用の原材料は高価で、商業的に入手可能なものも限られています。これらの材料は機械加工部品にするのが難しく、従来の鋼で作った同じ部品よりも部品コストが大幅に高くなります。もし必要な温度が2000°C以上の最高範囲にある場合、炭素や耐火金属が完全または部分真空環境で必要になることがあります。耐火金属は他の高価な超合金を安く見せるほどです！
Q. 高温試験のためのより安価な代替手段はありますか？
A. 正直に言うと、ありません。高温ソリューションは、特定の難しい課題をこなす必要があります。グリップやロードフレームなど、より安価な装置を選ぶことはできますが、その選択はしばしばアライメントや柔軟性の犠牲になります。安価な材料で作られた「低温用グリップ」や、3ゾーン炉ではなく単一ゾーン炉を選ぶと温度勾配を犠牲にすることになります。また考慮すべき点としては、試験設定がロードトレインにバックラッシュを生む可能性があるか、荷重を加えると荷重軸が変わるか、チャンバーやエクステンソメータをフレームに取り付ける方法が試験のアライメントに影響するか、アクチュエータの摩擦が試験のフィードバック信号に影響するか、また試験片の交換の容易さや柔軟性を気にするか、などがあります。結論として、これらの選択は試験結果を危険にさらす可能性があります。
Q. 高温試験の課題にはどのようなものがありますか？
A. 温度測定、変形測定、試験装置の材料が長期間耐えられることなどが挙げられます。これは全てのコンポーネントが相互に作用し、すべてが一緒に機能しなければならない複雑なシステムです。炉、接触式および非接触式変形測定、荷重およびストロークトランスデューサ、制御電子機器、試験片グリップなどが全て連動する必要があります。試験片を加熱して荷重と変形を測定する際に、各コンポーネントがどのように相互作用するかを理解する必要があります。また、高温環境では試験片の変形測定は容易ではありません。
MTSの接触式エクステンソメータは、試験片にかかる横方向の力を最小限に抑えるよう設計されていますが、荷重を加える際に試験片と接触し滑らないようにする必要があります。非接触式方法は低温ではうまく機能しますが、温度が上がると熱や光の歪みにより測定値に影響を与えます。これらの変形測定の課題に加えて、試験片の形状自体も試験を難しくすることがあります。例えば、平板試験片の試験は特に難しい場合があります。
Q. なぜ平板試験片の高温試験は難しいのですか？
A. 平板試験片は円形試験片よりも保持が難しいです。平板試験片を保持する最適な方法は、試験片の面に直接垂直力を加え、端部のせん断力ではなく面で摩擦力を発生させることです。このウェッジグリップクランプ方式は、通常グリップ機構に高い応力を生じます。MTSは、最大1500°Cの温度で試験片をテストする際にこれらの応力に対応できる従来の超合金を使用する特許取得済みの方法を持っています。
Q. MTSモデル680高温グリップの独自性は何ですか？
A. 680シリーズの油圧グリップは、疲労試験を安定して正確に実施できます。機械式グリップでは、疲労試験で試験片に加えられた予荷重を容易に確認できません。モデル680の油圧グリップは、試験のサイクル全体で予荷重を正確に維持します。680.01グリップは、ボタンヘッドおよびねじ付き試験片を最大1000°Cまで試験するために使用されます。680.10は、平板試験片の試験機能を追加することで1000°C試験の能力を拡張します。680.15は最大1500°Cまで試験可能で、通常はアライメント要件が厳しい平板セラミックマトリックス複合材の試験用に設計されています。680.10と680.15の両モデルは、高温コンポーネントを交換するだけで、さまざまな温度で平板および円形のボタンヘッド端部やねじ端部試験片の試験に使用できます。
Q. 高温グリップの空冷式の利点は何ですか？
A. 高温構造部品を空冷することで、油圧グリップを使用してより高い荷重と温度で試験できます。680.10および680.15のグリップでは、空冷はグリップ内部のコンポーネントに適用されるため、炉内の試験環境を乱しません。グリップ温度を高く保つことで、試験片の熱損失を抑え、ゲージ区間に沿った試験片の熱勾配を改善します。これらのグリップは、ASTMおよびISOの指針に従い、±2°Cまたは試験温度の±1%の範囲で勾配を維持します。また、油圧式グリップであるため、室温用油圧グリップと同様の利点、すなわちアライメントの再現性向上、試験片サイズの柔軟性、一定かつ明確なクランプ力を提供します。
Q. 過去数年間で高温試験において何が変わりましたか？
A. エネルギー生成、燃料効率、軽量化の進展により、より高温での試験が求められるようになっています。技術的観点からは、より高温が求められることで変形率および温度測定技術も進化しています。最後に、燃料排気ガス、水素、不活性ガス、真空などさまざまな環境下で試験片を試験したいという要望が高まっています。
高温試験ソリューションは複数のサプライヤーから個別コンポーネントとして購入可能ですが、最適な統合ソリューションを望む場合は、全てが連携して動作するサブシステムとして購入することが推奨されます。高温試験が初めての場合、試験を成功させるために必要な多くの細かい要素を認識できないかもしれません。MTSは数十年にわたる高温試験の経験を持ち、あなたの高温試験用途に対応する統合ソリューションを構築するための知識と製品を備えています。
