極低温における材料試験技術

当社では、試験片を液体ヘリウムに浸漬し液体ヘリウムの大気圧沸点（おおよそ4K）温度にて材料試験をおこなうことができる装置を保有している。液体ヘリウムは外部からの入熱により容易に気化してしまうため、この温度で安定した試験をおこなうためには、高真空の断熱構造を持つ液槽（クライオスタット）および配管（トランスファーチューブ）など外部からの入熱を極力抑えた機器を使用しなければならない。

当社が保有する装置は、クライオスタット付きの万能試験機（荷重容量100kN）および電気油圧サーボ式疲労試験機（荷重容量100kN）である（第1図）。それぞれの装置で対応可能な試験の概略について第2図に示す。万能試験機では引張試験および破壊靭性試験のような静的試験を実施でき、電気油圧サーボ式疲労試験機では疲労試験や疲労き裂進展試験などの動的試験を実施できる。どちらの装置も試験片の設置場所の寸法に制約があり、試験片は設置場所内に収まるように設計する必要がある。また、試験片が液体ヘリウムに浸漬されていることは、クライオスタット内の液体ヘリウムの液面高さを測定することで確認する。

冷媒として使用するヘリウムは世界の限られた地域のみで生産される貴重なガスであり、国際的なヘリウムの需給状況が価格や入手量に影響を及ぼす。液体ヘリウムの使用量を節約するため、万能試験機では一度に複数の試験片を液体ヘリウムに浸漬できる構造となっている。加えて、当社では液体ヘリウムを比較的安定して入手できる体制を構築しており、液体ヘリウムの需給状況が試験日程に及ぼす影響は少ない。

液体ヘリウム浸漬環境における金属材料の引張試験の規格として、JIS Z2277^1）、ASTM E1450^2）および ISO6892-4^3）などがある。

試験結果の一例として、オーステナイト系ステンレス鋼の極低温環境における応力-変位線図を示す（第3図）。オーステナイト系ステンレス鋼のように低温脆性を示さない材料の極低温環境における引張試験では、材料の引張強さは一般に常温の場合の1.5～2倍以上となる。また、比例限を超えたあたりから鋸刃状の挙動を示す。これは「セレーション」と呼ばれ、降伏による発熱と再冷却の繰り返しにより生じると言われている。引張速度が速くなると試験片の変形にともなう発熱量が増加し、試験結果に影響を及ぼす。そのため、引張速度は材料特性に影響を及ぼさないよう、室温環境の引張試験と比較して遅い速度とする必要があり、上記の試験規格では公称ひずみ速度1×10^-3/secを超えないよう規定されている。

また、治具や試験片形状を工夫することで、金属材料以外にCFRPなどの繊維強化プラスチックや硬質発泡樹脂などの、樹脂材料の引張試験にも対応可能である。一例として硬質発泡ウレタンの引張試験における荷重と変位の関係を示す（第4図）。極低温環境における強度は、室温と比較して2倍程度の値となっていることが分かる。

当社の極低温環境試験装置では、金属材料から硬質発泡樹脂のような低強度材まで、さまざまな材料の極低温環境下における機械的特性を求めることができる。また、治具構造を工夫することにより圧縮や3点曲げなどの負荷モードにも対応可能である。