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）

2 Fixtures Edited

Fig. 1: Assembled test fixtures without specimen.

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。

セラミック等軸性曲げ強度試験治具_2

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 C1499-09 (2013), “Monotonic Equibiaxial Flexural  Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature,” American Society   for Testing and Materials, West Conshohocken, PA (first issued in 2001).

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 F394-78 (Reapproved in 1996 and then Discontinued in 2001), "Biaxial Flexure Strength (Modulus of Rupture) of Ceramic Substrates," American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA (first issued in 1974).

4)  ASTM Standard C1161-13 (2013), "Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature," American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, Pennsylvania (first issued in 1990).