衝 撃 域 を含 む種 々 の ひず み速 度 に お け る 炭 素 繊維 束 の応 力
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(2) 51. (論 文 集)Vol.48,No.11(1995). 使 用 さ れ た.こ い られ,ま. る.STは. れ らの 実 験 で は比 較 的 長 い試 料 が 用. た ガ ラ ス繊 維 等 の弾 性 率 の 大 き な 糸 で は. エ ア ガ ンAGに. よ って 加 速 さ れ,IBに. 突 して 入 力 波 を 発 生 さ せ る.図1(a>A部(試. 破 断 応 力 の み が 求 め られ て い る.す な わ ち ス ー パ ー. 部 付 近)の. 繊 維 の よ う な 破 断 伸 び が 小 さ い 糸 に 対 して よ り大 き. の鋼 製 丸 棒 で,そ. なひず み速度 で 引張試 験 を行 うため には他 の手法 を. た め の浅 い溝 が つ け て あ り,さ. 開 発 す る必 要 が あ る.筆. 示 す よ う に,YSと. 者 ら は高 弾 性 率 繊 維 の 動 的. な応 カ ー ひ ず み 曲 線 を 求 め る た め,衝 を 開 発 し,パ. 撃引張 試験 機. ラ型 ア ラ ミ ド繊 維 の 応 カ ー ひ ず み 曲 線. 詳 細 を 同 図(b)に 示 す.IBは. 形 の 半 割 治 具 に よ っ て 直 接LCに. はIBの. め,炭. オ ー ダー で の応 カー ひず み 曲線 を求. mmで. あ る.こ. 動 し た場 合 のYSの. な る. YSに. 生 じ る荷 重 はLCに. 強 度 タ イ プ のHTA‑12K,中. を 越 え る た め,荷. プ のUT500‑12K,高. 間 弾 性 率 ・高 強 度 タ イ. 弾 性 率 ・超 高 強 度 タ イ プ の. 後 そ れ ぞ れHTA. ,UT,UM,IMと. こ とが で き る.試. 数 百 本 程 度 の 繊 維 を 抜 き 出 し,お 束 を 糸 試 料 と して 用 い る.試. GLに. 繊維. 料 の伸 び は 非 接 触 変 位 計(ヤ. PAを. 用 い て,引 張 試 験. 用 いて. ひ ず み 計(共 和 電 業 製CDV‑230C). 経 て,NDか. らの 変 位 一 時 間 波 形 と と も に ウ. に 供 す る前 の 一 定 長 の 試 料 の 質 量 を 測 定 す る こ と に. ェ ー ブ メ モ リ(岩 崎 通 信 機 製DM‑7100)DMに. よ っ て 求 め た.引. 込 ま れ る.お の お の の デ ー タ はDMか. 張 試 験 に は20℃,65%RHの. 恒温. ひ ず み 速 度8.0s‑1お. 実 験 は 以 下 に 示 す よ う な3種 類 の 引 張 試 験 装 置 を 用 い て3.3×10‑3〜4.0×102s‑1の. 範 囲 の6種. 類のひ. す.試 TBと. 衝撃 引 張 試験 に用 い た. 料YSを. の 間 に楔 型 治 具WBに. とTBの. こ の ひ ず み 速 度 の 範 囲 で の 引 張 試 験 で は,μs(マ. 持 った 回 転 円 板RDが. イ. 瞬 時 に 所 定 の 引 張 速 度 に達 す る必 要 が あ る の は もち. てITがTBを. ろ ん の こ と,試 験 装 置 内 で の応 力 波 の 伝 播 等 に つ い. 度 で 引 っ張 られ る.試. て も考 慮 す る必 要 が あ る(詳 細 は文 献5ま. IB,2個. 置 は 主 に試 料YSに の ロ ー ドセ ルLC,ス. た は6参. ト ラ イ カSTか. あ る.突. 起ITを. 所 定 の 回 転 数 に な る と電 磁 石 回 転 経 路 へ と降 り て き. 打 突 す る.そ の結 果,YSが. 一定 の速. 料 に生 ず る荷 重 はLCに. さ れ た ひ ず み ゲ ー ジGLに. 荷 重 を 伝 達 す る入 力 棒. 示. テ ーパ ブ ロ ッ ク. よ っ て 固 定 す る.LC. 内 の りが 試 料 長50mmで. の 作 用 に よ ってTBがITの. ー ダ ー で の 荷 重 と伸 び を 測 定 す る た め,. は回転 円. の 主 要 部 を 図2に. ロ ー ドセ ルLCと. 圧 縮 空 気 式 引 張 試 験 装 置 の 概 略 図 を 図1(a>に 示 す.. 照).装. よ び4.0×101s‑1で. 板 型 の 引 張 試 験 機 を 用 い た.そ. ず み 速 度 で 行 っ た.. ク ロ秒)オ. デ ジ タル. 値 と して 転 送 さ れ,PC上 で 時 間 項 を 消 去 して 応 カ ー ひ ず み 曲 線 が 求 め られ る.. 験装置. ひ ず み 速 度4.0×102s‑1の. 取 り. らパ ー ソ ナ ル. コ ン ピ ュ ー タ(NEC製PC9801DX)PCヘ. 恒 湿 室 内 に12時 間 以 上 放 置 した 試 料 を 用 い た. 2.2実. ーマ. よ っ て 得 られ た 荷 重 一 時 間 波 形 は ブ リ ッ ジ. ボ ッ ク スBB,動. 料 の正 確 な 繊 度 は マ イ. トラ ー 製MT5型)を. に 加 わ る荷 重 は 固定 端 とみ な す. IBの 変 位 を 測 定 す る こ と に よ って 求 め た.. 糸 か ら. よ そ8texの. た,糸. あ る の でLCを. 振動による. ン製OPTFOLLOWMODEL1100)NDを. 験機 の コ ンプライ ア ンスや試料 の チ ャ. ッ キ ン グ の 問 題 を 考 慮 して400〜800texの. 固 有 振 動 数 は100kHz. 重 一 時 間 曲 線 にLCの. た か だ か 数 十Nで. 略 記). 貼 付 した 半 導 体 ゲ ー ジ. よ っ て 検 出 す る.LCの. 影 響 を 及 ぼ す こ と は な い.ま. 間 弾 性 率 ・超 高 強 度 タイ プ のIM600. ク ロ天 秤(メ. 伸 び は0.98. は 繊 維 軸 方 向 に 沿 った 厳 密 な もの で な く,繊 維 軸 に. GVに. を 用 い た.試. 運 動 方 向 に対 し. の点 か ら,本 研 究 に お け る 引 っ張 り. 糸 試 料 に は4種 類 のPAN系 炭 素 繊 維 糸(東 邦 レ ー ヨ ン社 製 ベ ス フ ァイ ト炭 素 繊 維)中 間 弾 性 率 ・高. ‑12K(以. 試料 長. の 引張 試 験. 対 して や や 傾 きを 持 っ た 引 張 試 験 を して い る こ と に 料. UM40‑12K,中. 右. 角 度 を持 っ て 取 り付 け られ る た めIB. が 右 方 向 へ1mm移. 験. 2.1試. の デ ー タを 得 る.YSはIBの. て θ=11.50の. 響 に つ い て 検 討 す る。 2.実. に接 着 な ど は し な い).YSの. 両 側 で そ れ ぞ れ50mmで,1回. で2個. 素繊 維 の機械 的性 質 に及 ぼす ひず み速度 の影. ス ム ー ス に 接 触 さ せ る た め,少. 端 を 経 由 さ せ楔 取 り付 け る(特. 10‑3〜103s‑1の. ら に 図1(b)平 面 図 に. 度)を つ け て あ る.YSはIBの. に 及 ぼ す ひ ず み 速 度 の 影 響 を 明 らか に し て き た4)〜6). ずみ速 度. 直 径20mm. 径路 を一 定 にす る. し丸 み(R3mm程. 本 研 究 で はPAN系. 炭 素 繊 維 に対 して,ひ. の 右 側 はYSの. 衝. 料 取付. 貼付. よ って 検 出 され,圧. 縮空. 気 式 の試 験 機 の場 合 と同 様 に 荷 重 一 時 間 曲 線 が 求 め られ る.試 料 の 伸 び はRDの. らな. T271. 回 転 数 とITの. 回転半.
(3) 繊維 機 械 学 会 誌. 52. (a)Whole aspect. (b)Details Fig.. 1. of A. Schematic diagram of pneumatic testing apparatus IB : Input bar ST : Striker AG : Air gun LC : Load Cell YS : Yarn specimen GL : Guage to measure load ND : Displacement follower SV : Solenoid valve BB : Bridge Box PA : Pre—amp. DM : Wave memory PC : Personal computer. て の 引 張 試 験 を こ の 方 式 で 行 う こ とが 望 ま しい が,. 同様 にす るた め,入 力 棒 の先端形 状 お よび ロー ドセ ルは圧縮 空気 式 の試験 機 と同 じもの を用 い た.荷 重 一 時 間 曲線 の求 め 方 は衝 撃 試 験 の場 合 と同様 で あ. 102s‑1を 越 え る ひ ず み 速 度 で の 試 験 は 図1の. る.試 料 の伸 びは送 りね じの送 り速度 か ら求 め た.. 径 か ら求 め た.こ. の 機 構 で は 引 っ張 り の 方 向 を 繊 維. の 軸 方 向 と一 致 さ せ る こ とが 可 能 で あ る た め,す. 装 置 に よ ら な け れ ば 不 可 能 で あ る た め,本. べ. よ うな. 研究 の回. 3.実. 転 円 板 型 引 張 試 験 機 で は,繊 維 の 軸 と 引張 方 向 と が 10。程 度 傾 く よ う にTBの. 位 置 を定 め た.. .3×10‑3,3.3×10‑2,3.3×10‑1s‑1の 度 で は 図3に. 本 研 究 で は 試 料 と して 単 繊 維 で は な く,繊 維 の 束 を 用 い て い る た め,得. 各 ひず み速. 示 す よ う に イ ン ス トロ ン型 試 験 機(東. 洋 ボ ー ル ドウ ィ ン製 テ ン シ ロ ンUTM皿)の じ に よ っ て 入 力 棒 を 一 定 速 度 で 押 し下 げ,試 を 引 っ 張 っ た.引. 験結 果 およ び考察. られ た 応 カ ー ひ ず み 曲 線 は通. 常 の 引 張 試 験7)結 果 と は や や 異 な る(機 械 的 性 質 に. 送 りね. お い て 劣 る結 果 を示 す)も. 料YS. 実 験 を 繰 り 返 し て も 図4に Curve)と. っ張 りの 形 態 を 衝 撃 試 験 の 場 合 と. T272. の で あ っ た.さ. らに何度. 測 定 曲 線(Measured. して 示 す よ う に,フ. ィ ラ メ ン トの 弛 み に.
(4) 53. (論 文 集)Vol.48,No.11(1995). Fig. 2. Schematic diagram of rotating disc testing apparatus YS : Yarn specimen LC : Load Cell GL : Guage to measure load RD : Rotating disc WG : Wedge—shaped gripping attachment IT : Impact tooth TB : Taper block BB : Bridge Box PA : Pre—amp. DM : Wave memory PC : Personal computer. Fig.. Curve)を. curve. 求 め た.. 4種 類 の試料,6種. 類 の ひず み 速度 の大 部分 の実. ひず み. み曲線 を得 た.各 試 料 に対 して種 々 のひず み速 度 に. え ば 図4にIMの. の よ う な 条 件 に対 して は,他. ひ ず み 曲 線 か ら類 推 して 図4に に,応. of stress—strain. お け る応 カ ー ひ ず み 曲 線 を 示 し. られ な い条 件 も あ っ た.例. た.こ. Modification. 験 で は試 料 を構成 す る数十 本 の繊維 に弛 みが生 じな い よ うに注意 を払 い,ほ ぼ直線 状 に近 い応 カー ひず. 起 因 す る と考 え られ る,極 端 に下 に 凸 の 曲 線 しか 得. 速 度3.3×10‑1s‑1に. 4. お いて得 られた5個 の応カー ひず み デー タをパ ソコ. の条件 の応 力―. ン上 で数 値平 均 し,5個. 破 線 で示 した よ う. ロ ッ トした応カー ひず み 曲 線 を図5〜8に 示 す.各. カ ー ひ ず み 曲 線 の ほ ぼ 直 線 に近 い 部 分 か ら直. 曲線 の右 上点 は各 試料,各 ひず み速度 にお け る5個 の測定結 果 か ら得 られ た破 断応 力 値 を平均 した点 で. 線 を延 長 し,横 軸 と交 わ っ た 点 が 原 点 に な る よ う に 曲 線 全 体 を 水 平 移 動 し,修. 正 曲 線(Modified. Fig.. 3. Schematic tus YS : Yarn. の デー タの破 断応 力 まで プ. diagram Specimen. of screw. testing. Cell. GL :. Guage to measure load BB : Bridge PA : Pre—amp. DM : Wave memory Personal computer. Box PC :. T273. LC : Load. appara-.
(5) 繊 維 機 械 学 会 誌. 54. Fig.. 5. Stress—strain from. curves. 3.3 x 10-3s-'. at strain to. 4.0. rates. x 102s'. Fig. 7. ranging in. HTA. Stress—strain curves at strain rates ranging from 3.3 x 10-3s-' to 4.0 x 102s' in UM yarn. yarn. Fig. Fig. 6. Stress—strain curves at strain rates ranging from 3.3 x 10-3s-1 to 4.0 x 102s-1 in UT yarn. あ る.図5〜8中. 8. Stress—strain curves at strain rates ranging from 3.3 x 10-3s-' to 4.0 x 103s-' in IM yarn. 質 と して,引 張弾 性率,破 断 強度,破 断 ひず み につ いて検討 す る.ひ ず み速度 の変 化 に よる引張 弾性率. の ひず み速 度 にア ンダ ー ライ ンを. 施 した曲線 は図4の よ うな修 正 を した 曲線 であ る.. の変 化 を検討 す るた め,文 献7の 引張弾性 率 の求 め. 各 曲線(修 正曲 線 を除 く)は 小 ひず み にお いて下 に. 方 を準用 して,各 試 料,各 ひずみ速 度 にお け る引張. 凸 で あ り,ひ ず みが 大 き くな ると直線 に近 い形状 を. 弾性 率 を求 め,図9に. 示 す.降 伏 に類 す る ような上 に 凸の部 分 はみ られな い.ま た ひずみ速 度 の増加 に伴 って勾 配 が急 に な っ. るひず み速 度6の 影 響 を定 量 的 に把握 す るため,各 試料 に対 して各 ひずみ速 度 で の引張 弾性率 を ひず み. て い る.. 速 度 の常用 対数 に対 して直線 近似 し,次 の よ うな実. 応 カー ひず み 曲線 か ら得 られ る代 表 的 な機械 的性. 験 式 を得 た.. T274. 示 した.引 張弾性 率Eに 対 す.
(6) 55. (論 文 集)Vol.48,No.11(1995). Fig. 9. Relation between strain rate. elastic. modulus. and Fig.. 11. Relation strain. between. breaking. stress. and. rate. の よ う な実 験 式 を得 た.. (2) こ こでL0は Lkは. ひ ず み 速 度1s‑1に. お け る破 断 ひ ず み,. ひ ず み 速 度 依 存 の 程 度 を 表 す 係 数 で あ る.L0. お よ びLkの. 値 を 図10中 に 示 す.図10よ. い た 炭 素 繊 維 の 破 断 ひ ず み は1け 増 加 に よ り,3〜7%程. り実 験(に用. たの ひず み速度 の. 度 減 少 す る こ と が 分 か る.. ひず み 速度 の変 化 に よ る破 断応 力 の変 化 につ い て,図9,10の. 場 合 と同 様 に 図11に 示 した.破 断 応 力. σ に 対 す る ひ ず み 速 度 δの 影 響 を(1),(2)式 の 場 合 と 同 様 に図 に は 示 して い るが,引 Fig.. 10. Relation between strain rate. breaking. strain. and. らず,ひ. ず み 速 度 に よ る傾 向 が あ ま り は っ き り と し. て い な い.一. (1) こ こでEl。 は ひ ず み 速 度1s‑1に Ekは. 値 を 図9中. 度10‑3〜103s‑1オ て,実. お け る 引 張 弾 性 率,. に 示 す.図9よ. りひず み速. 求 める. で(デ. 見 えな い条件 も. ー タが 接 近 して い て ○ が5個. ● で プ ロ ッ ト し図12に 示 し た.こ. れ を 見 る と各 測 定 に お け る ば らつ き も大 き く,1回. ー ダ ー と い う広 い範 囲 に わ た っ. 1回 の 測 定 に よ る破 断 応 力 値 の差 が ひ ず み 速 度 の 変 化 に よ る 応 力 値 の 差 を 大 き く上 回 っ て い る.他. 度増 加す るこ と. が 分 か る.. の試. 料 に お い て も同 様 に ひ ず み 速 度 に よ る応 力 値 の 変 化 よ り は各 試 験 で の ば らつ きの 方 が 大 きか っ た.以. 次 に ひ ず み 速 度 の 変 化 に よ る破 断 ひ ず み の 変 化 に つ い て,図9の. つ い て 図5を. の破 断応 力 を○. ● で 示 した 値)を. 験 に用 い た 炭 素 繊 維 の 引 張 弾 性 率 は1け た の. ひ ず み速 度 の 増 加 に よ り,5〜8%程. 例 と してHTAに. た め に用 い た 各 ひ ず み 速 度 で の5個. あ る が),ま た 各 ひ ず み 速 度 に お け る平 均 値(図11に. ひ ず み 速 度 依 存 の 程 度 を 表 す 係 数 で あ る.瓦. お よ びEkの. 張 弾性 率 や破断 ひず. み の 場 合 ほ ど 各 破 断 応 力 値 は 近 似 直 線 上 に 載 って お. 場 合 と 同 様 に 図10に 示 し た(1)式 と同. 上. の こ と か ら破 断 応 力 は ひ ず み 速 度 の 増 加 に よ っ て わ. 様 に 各 試 料 に対 して 各 ひ ず み 速 度 で の 破 断 ひ ず みL. ず か に増 加 す る 傾 向 は見 られ る も の の,そ. を ひ ず み 速 度5の 常 用 対 数 に 対 して 直 線 近 似 し,次. 程 度 は 各 測 定 の ば らつ き よ り は小 さ い こ と が 分 か っ. T275. の変化 の.
(7) 繊 維 機 械 学 会 誌. 56. た.ま た破 断 ひずみ は ひずみ速 度 の対数 に対 して ほ ぼ直線 的 に減少 した.一 方,破 断応 力 は実験 ご とに か な りの ば らつ きを示 し,ひ ずみ速 度 の影響 は小 さ か った。 本研 究 を進 め るに当 た り,有 益 な ご助 言 を頂 い た 金 沢大 学工 学部 茶谷 明義 教授 並 びに放 性明 廣教 授 に感謝 す る。 また実験 装 置作成 に ご協力 頂 い た金 沢 大 学工 学部 工作 セ ンター久 保栄 氏,和 布 浦和 夫氏 に 感 謝 す る.さ らに,試 料 を提供 頂 いた東 邦 レー ヨ ン ㈱ に謝 意 を表 す る. 本研 究 の一部 は平成6年 度 日本繊 維機 械学 会北 陸 支 部研 究発 表会(平 成6年12月 金沢)で 発表 した. Fig.. 12. Breaking. stress. distribution. 文 献. for HTA yarn. 1) J. C. Smith, F. L. McCrackin, H. F. Schiefer, W. K. Stone, K. M. Towne ; Text. Res. J., 26, 821 (1956) た.. 2) W. J. Lyons In ; Impact phenomenon 4。. 結. 論. 4種 類 のPAN系 〜4 .0×102s}1の て8tex程. 炭 素 繊 維 に つ い て,3.3×10‑3s‑1 範 囲 の6種. 4) T. Kinari, A. Hojo, A. Chatani, S. Shintaku, I. Arai ; Proc. 33rd Japan Congress on Materials Research, 87 (1990) 5) T. Kinari, A. Hojo, S. Shintaku, N. Iwaki ; Proc. 6th. 類 の ひ ず み速 度 に お い. 度 の 繊 維 束 に対 し て 引 張 試 験 を 行 い,各. ひ ず み 速 度 に お け る 応 カ ー ひ ず み 曲 線 を 得 た.い. International Conference Materials, 1, 331 (1991). ず. れ の試 料,ひ ず み 速 度 に お い て も炭 素 繊 維 束 の 応 カ ー ひ ず み 曲 線 は厳 密 な 直 線 よ り は や や 下 に 凸 の 形 状 を 示 し,特. in textiles. M. I. T.. press, Cambridge (1963) 3) W. D. Freeston, M. M. Platt, R. J. Coskren ; J. Text. Inst., 63, T239 (1972). に 降 伏 現 象 が み られ ず に 破 断 した.引. 6) 喜 成. 7)JIS. 弾 性 率 は ひ ず み 速 度 の 対 数 に 対 して 直 線 的 に 増 加 し. T276. Behaviour. of. 放 生,新 宅,岩 木;日 本 機 械 学 会 材 料 力 学 講 演 会 講 演. 論 文 集,B,48(1991). 張. on Mechanical. R 7601 (1986).
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