セラミック製等軸曲げ強度試験治具 (ASTM C1499 & ASTM F394)

型番：WTF-CB（ステンレス製）

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図1：試験片がない状態で組み立てられた試験治具。

ASTM C1499（参考文献1）は、2001年に導入された比較的新しい規格です。モノリス型セラミック材料、あるいはウィスカーや粒子で強化されたセラミック基複合材料の薄い円板（四角い試験片も可）をリングで支持し、より小さな直径の同心リングで負荷をかける、いわゆるリングオンリング荷重です。 支持リングと荷重リングの必要な直径は、試験する試料の厚さと材料特性に依存します。 この規格では、これらのパラメータを計算するための式が示されています。

均一な荷重分布を得るためには、試験片の表面を非常に平らにするか（通常は表面研磨）、あるいは各リングと試験片の間に比較的厚い（試験片の厚さの1/2）コンプライアンスのある材料（例えばゴム）のシートを配置する必要があります。 また、均一な荷重を実現するためのもう一つの方法として、荷重ヘッドは球状のシートに支持された多関節型になっています。 このような均一荷重の導入に関する懸念にもかかわらず、この試験法は人気を博しています。 この治具の組み立てと分解の様子を図1と2に示します。

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図2：分解されたテストフィクスチャー。

アドバンストセラミック全般について書かれたASTM C1499の他に、セラミック外科用インプラント材料、特にイットリア安定化正方晶ジルコニア（Y-TZP）についてはISO 13356（文献2）がある。 これは同じタイプの固定具を利用するが、特定のサイズ、すなわち30mmのサポートリング、12mmのローディングリング、およびリングの断面半径2mmを指定している。

1974年に導入されたASTMのもう一つの古い試験法であるASTM F394（参考文献3）は、2001年にASTMによって廃止されたにもかかわらず、今でも時折使用されている。試験治具を図3に示します。直径1インチのセラミック材料の直径1.25インチの薄い円盤が、直径1インチの円の周囲に等間隔で配置された直径0.125インチの3つのボールで支持されています。直径0.0625インチの平端硬化鋼棒により、ディスク試験片の中心に圧縮荷重を加える。直径0.0625インチの平端ローディングロッドの下に薄い（厚さ0.002インチ）ポリマーフィルム（例えばポリエチレン）を置き、加えられる荷重をより均一に分散させる。試験片の最小厚さは、破壊時の中心たわみが試験片厚さの2分の1を超えない程度でなければならない。

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図3：ASTM F394の組み立て式治具（試験片なし）。

この二軸試験構成の重要な利点は、リングオンリング試験（ASTM C1499）とは異なり、試験片の反りが影響因子とならないことです。 また、直線梁の曲げ試験（参考文献4）では、試験片の反りが問題となるため、多関節の試験治具が必要です。

どちらの二軸試験法も、直線状の梁の曲げ試験に比べて、最大（二軸）引張応力が下側（たわみ時に凸になる側）の試験片の中央部に発生するという利点があります。 そのため、試験片の端の表面仕上げは重要ではありません。 これは、直線状の梁を曲げ試験する場合には当てはまりません。

追加情報のソース。

1) ASTM Standard C 1499-09 (2013), "Monotonic Equibiaxial Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature," American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA (初版は2001年).

2) ISO 13356「手術用インプラント-イットリア安定化正方晶ジルコニア（Y-TZP）をベースにしたセラミック材料」、国際標準化機構、ジュネーブ、スイス、1997年。

3) ASTM Standard F 394-78（1996年に再承認、2001年に廃止）「Biaxial Flexure Strength (Modulus of Rupture) of Ceramic Substrates」American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA（1974年に初版発行）。

4) ASTM Standard C 1161-13 (2013), "Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature," American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, Pennsylvania (初版は1990年).