20μm
祖国圃・・・・・・・ー
(a)破面のSEM観察
Fracture
Specimen surface
品中に伝ぱするとともに， 内部の粒内へも伝ぱ拡大したと考えられる.
純チタンは結品情造が澗密六方品ですべり系は柱面， 錐面および底面をすべり
I(IÎとする3つしかなく(4 8 )面心立方品あるいは体心立方!日1に比べてその数はかな り少ない. 多結晶金属が結品粒界において連続性を保ちながら変形するには5つ の，'，山皮 すなわちすべり系が必要とされている(4 g)が純チタンではこの条件が 満たされない. そのため双品変形が生じてこれを補うことになる. 凶2-11におい
て正*írl ü {I:j 11寺に双品がlリJ I僚に現れるのはこのためと考えられるが， l孟視(l�]に大き
なひずみがりえられた場合， 1つの結品内においてすべりが生じようとしてもそ の周りの結晶の拘束が大きいと容易にすべることができず， 粒界において無理が 生じ段差が形成され易い. この粒界での段の形成の条件として銅では粒界と試験 Jt表面との交線が応力軸に対し300 から900 の範囲であることが指摘( 4 3 )されて いる. 図2 14の結果では応力軸に対し約200 の角をなす粒界でのき裂発生も見ら
れ9 純チタンにおいては結晶間での変形拘束が大きいことを示唆するものである
また光学顕微鏡ではすべり待が全く見られない結品問の粒界からき裂が発生して いる例もかなり観察されており， き裂発生の起点となる粒界は必ずしもすべり帯 のぶつかった粒界ではない.
以上の考察から純チタンの低サイクル疲労におけるき裂発生の機構として， 結 品内でのすべりが拘束された結果， 粒界にひずみが集中し繰返しのごく初期にそ の粒界の一部で結晶と結晶の分離が生じ微視的き裂の発生に至ることが明らかに
なった
2.7まとめ
工業用純チタンにおいて巨視的に大きなひずみが与えられた場合の微視的変形 挙動を詳細に観察することにより， 低サイクル疲労でのき裂の発生挙動と結品問 での変形拘束の関係について検討した結果， 以下の結論を得ることができた.
( 1 )ひずみ制御低サイクル疲労試験の結果， 繰返し塑性ひずみ幅ムε p と破断力 命N; の関係はManson-Coffin 則に従い
ムε p (N () O. 4 4 O. 19 で示すことができた.
(2)疲労試験中を通じて応力幅の変動は非常に小さく， 純チタンは疲労軟化およ
び疲労硬化をほとんど起こさないことがわかった
( 3)低サイクル領域での疲労き裂は粒界で発生するのがほとんどであった. しか し繰返しひずみ制が小さい場合(八ε l 0.6児〉は粒内のすべり，併に沿って彼 数個のき裂が発生し， これらが連結して伝ばしていく過科も見られた
(4 )純チタンにI-�視(1なに大きいひずみをl子えた場合， 個々の結品開でのすべりの 拘束が大きいため粒界でひずみが集中する. 一回の負何では段是が生じない ようなひずみでもこれが繰返される場合， 比較的初)切にひずみの集中した村 界の- �ßにおいて結l拍と結晶が分離してき裂が発生することがわかった
第3章 高サイクル疲労におけるき裂発生挙動
3.1 緒言
巨視的な繰返しひずみが小さい高サイクル疲労において， き裂の発生は '般に 材料表面でのごく局所的な現象である したがって波労き裂に至るまでの泌労被
Jを把握するためには， き裂発生点に注自して観察することが重要C5 0 ) である そこでこれまでに種々の材料について， き裂発生過程の連続観察がなされている が， その過程は以下の二つに大別できることが知られているC5 1 )
(i)点発生的き裂発生過程:疲労き裂は材料表面の結晶粒径に比べてはるかに 小さい領域に発生し， 結晶粒内で成長を開始する. その後粒界に到達した 後， 粒界を貫いて伝ぱを続け最終破断に至る. この過程は主に時効硬化さ せたアルミニウム合金において見られる
(ii)有限領域を単位とするき裂発生過程;結晶粒径程度の有限な領域が応力繰
返しとともに徐々に， しかも全体として乱れを増していき， 一結品粒程度 のき裂に近づく過程. 十分な応力の繰返しの後にはこの領域の先端にひず み， 応力の集中が起こり， き裂は伝ぱを開始する. この過程は主に軟鋼お よび7:3黄銅の焼なまし材 において見られる.
工業用純チタン平滑材の疲労き裂発生過程はこの分類に従うと， 結晶粒径程度 の有限領域を単位とする後者に属することが報告されている(5 2 ) すなわち応 力繰返しとともに結品内に多数のすべり帯が発生し， このすべり帯に沿って複数 個のき裂が発生する. そしてそれらのすべり帯き裂が連結し， ー結品粒程度のき 裂となって伝ぱを開始するという過程をたどるけ0) しかしその伝ぱが開始され る条件については明らかにされていない . 純チタンにおけるき裂発生挙動が結品 問での変形拘束が大きいことに関係することは前章で示したとおりである. そこ で本章ではこの点に関して高サイクル疲労におけるき裂発生挙動と伝ぱ開始条件 についてさらに詳細に検討した. また実用上重要な問題として切欠きが存在する 場合のき裂発生挙動についても明らかにしておく必要があるため， 小穴を有する 試験片を用いて切欠き底近傍での疲労き裂発生過程および伝ぱ開始過程を詳細に 観察し， 切欠き感度との関連についても検討した.
3.2 使用材料および実験方法
J1J l \た材料は工業用純チタン板1椅(J[S TP 28 ， 板厚2 mm )である. その
化マ:成分を表3 Iに心す. 子治試験) Iーならびに切欠き試験nの形状をそれそれ|ヌ1 3 1および|苅32に示す 平滑材においてはき裂発生箇所を限定するため， 浅い 球IIrï状くぼみをつけ， 切欠き材においては試験) ，-中央に山内1 mmのドリルで深
0.5 mmの小火をつけた. 機械加工後， 真空中で 8 00oc 1 Il.ÿ I出の焼なましを行い，
その後化"t (J)F摩により表面層を除去してから実験に供した. なお熱処nQ後の機械 的性質をぷ32にノjミした
政労試験は前主主で述べた油圧サーボ波労試験機を用いて， 完全両振り(k�ノJ比 R = 1)の引張圧縮荷重下で行った. 切欠き材における繰返し応力は疲労限度110
MPaよりわずかに高い 応力115M Paで20Hzの速度で負荷した き裂発生過程の述絞 観察にはレプリカ法を用いて光学顕微鏡ならびに S E Mにより行った なおき裂 の有無を明瞭なものとするため， レプリカ採取時には25MPaの引張応力を負。;jし た.
切欠き材で発生したき裂の開口量を測定するために， 一部の試験片については 切欠き穴近傍に荷重軸に対して45度をなす約50μm 間隔の細線を格子状にけがし1 た. 一応力サイクル中の最大応力時と最小応力時においてき裂を横切る細線のず れを測定することにより， そのき裂縁での関口量を精度よく求めることができる
( 5 3 ) なお， 彼面観察にはSEMを用いた.
3.3 平滑材における疲労き裂発生挙動
、"滑材における応力振幅σ a と破断までの繰返し数Nr の関係(S-N曲線)を 図3-3に示した 疲労限度は130 MPa でありNr が10G 回付近に比較的明瞭な折 れ曲がり点が存在する . 疲労限度の応力を107 回繰返した後の試験片には， 光学 顕微鏡により観察できるようなすべり，市は見られ なった
表3 - 1 材料の化学成分(w l % )
一ー一一
11
O.
001
ー戸_-ーー
o N F c
O.
078
O.007
O.014
表3 - 2
機械的性質
0.2%耐力
(MPa)I 163
引張強さ (MPa)
I 317
伸び (児)
I 52. 3
平均結品粒径(μm) I 120
T P 2 8
C
O.
007
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2 5
S
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0 n at
n 0t
ch
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D e t a i 7 5 1 00
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図3-2 切欠き試験片の形状( mm)
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