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図3-10 図3-8の枠部c

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辿'品-の金属材料における疲労き裂発生は， 時効硬化アルミニウム合金にはられ るような点発生的過程と， 炭素鋼などで見られ る結品粒径校j交のイJ限な領域を単 位として先生する過程とに大別されることは前述したとお りであるが， 切3人;き材 の場合切欠きj亘の最大応力点から応力が減少する方向で荷重軸直交方向jにおいて は， いずれの材料においてもき裂発生は最大応力点近傍の1個の結品中に限られ ているようであり， き裂がその結品粒界を越えて成長し続けるのが 一般的である それに対し純チタンにおいては， 特に疲労限度付近の低応力では最大応力点近傍

の結品にき裂が発生しても連続的な伝ぱ過程に移行するまでにはさらにいくつか の隣接する結晶にき裂が発生し， それらが連結するのを待たなければならない

また本材料での切欠き底の疲労き裂発生における特徴的挙動として， 切欠底の最 大応力点よりかなり隔たった穴縁からき裂が発生したり， 穴縁の複数個の場所か

らき裂が発生するといった挙動が観察された.

3.6き裂連結前後における関口量の測定

日リ節で述べたようなき裂発生過程におけるき裂の連結の前後でのき裂縁関口

を連続的に測定した. 図3-11に関口量測定を行ったき裂の連結部を示す. この写

�内の黒枠部について連続観察した結果を図3-12に示す. 図中， き裂!と日の連 結前後でA， BおよびCの3点について関口量を測定した結果を図3-13に示す

同図には応力軸に垂直な方向に投影したき裂長さの変化の状態も併せて示した この曲線において破線で示した領域はl本のき裂として成長する以前の状態を示

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3.7切欠き材におけるき裂発生に関係する表面層の厚さ

本論文の後の章で述べるように純チタンの波労限度の切欠きに対する感度は他 の金属材料に比べてかなり低い I高尾(" J )らが種々の材料について切欠き感度を 比較した結果を図3-14に示す. 疲労限度の応力〈σwJ き裂発生に基づく疲労限 度， σ w2 破断， 非破断に基づく疲労限度)を繰返す場合の切欠き底での弾性最 大応力を平滑材の疲労限度σwOで無次元化した値を切欠き半径ρの逆数に対して プロ ットしたものであり， 曲線が上に位置するほど切欠き感度が低くなることを 表している. この図より純チタンが他の材料に比べていかに切欠き感度が低いか

がわかる. この原因を説明するため " き裂発生に関係する表面層の厚さ" につ いて考察する.

図3-15(a)は純チタンの切欠き材においてき裂発生を基準とした疲労限度σ wJ が負荷されている状態を模式的に示した図で， 図中の曲線は弾性応力分布を表し ている. 水平線はσ w0， すなわち平滑材での疲労限度を表している. (b)は比較 のための軟鋼における同様の図である. 軟鋼切欠き材のき裂発生を基準とした疲 労限度σ wJにおいては平滑材と同様， き裂は結品粒径程度の有限な領域を単位と して発生する. その後き裂先端における応力， ひずみの集中により多少伝ぱした 後停止し， 微視的停留き裂となる. このときの切欠き底でのある深さd s を" き 裂発生に関係する表面層の厚さ" と称する( 2 ₃ ) 一方， 純チタンの場合は疲労き 裂の発生および微小き裂の伝ぱを引き起こす応力条件が最大応力点付近の結品内

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図3-14 各種材料の切欠き感度の比較

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に不したようにき裂の初期伝ぱが起こる以前に切欠きほ什近の複数個の結品粒内 にほぼ|司H年にき裂が発生し. それらの連結により連続的に伝ぱし始めることなる.

以1--の議論を包J 3 8 の制l �名付�に対応させて検討を行う 凶3 16は図3 8 にお いてき裂がJili結し， li1 ・のき裂として成長し始めるH手目(N 1.75x 10") での表 l(fÎ状態に切欠き店での�ììi判:此;ノJ分布-を，g:ねてぶしたものである. 縦軸は応力分イ!J を、IL均J，ê，;ノJσm で無次元化して表ぷ(^{;， �} jし， t黄判lは切欠きj丘からの距離xを切欠 き、1':任ρで除した11立をとっている _{矢内jでノJ}�した範|射が波数個のき裂が発生し，

それらの辿紡が生じた似域である. このíii域の 、J-iL， す なわち辿統的なき裂成長 が始まるときのき裂長さは約200}L m ( x _/ρ----0- ₄₎ であった. またこの領域で 切欠き底より最も離れた点における応)Jはσ/σm"'__' _l. 2であった. 一方， 西谷ら

( 5 " )による， ほぼbJJ ・形状の切欠きをイIする軟鋼S20Cにおける笑験結果では

x/ρ---- O. 13， σ/σ m --- l. 8であり， これら を比較しても純チタンにおけるき裂

発生に関係する表面層がし、かに厚いかを推察することができる

3.8まとめ

平滑材ならびに切欠き材の高サイクル疲労試験 を行い ， き裂発生挙動およ び き 裂が伝ぱを開始する条件について検討した結果， 以下の結論を得た.

(1)平滑材， 切欠き材のいずれにおいても疲労き裂は結品粒内の複数個のすべ り帯中に発生 し ， それらが連結， 成長して結品粒程度のき裂となる. また ， 複数個の隣接する結品中に同様に生じたこれらのき裂が互いに連結して連

続的き裂伝ぱが始まる. これらの挙動は結品問での変形拘束が大きいこと に関係している.

(2)き裂の連結が連続的なき裂伝ぱの開始となることを確認するため ， き裂縁 の関口量を測定した結果， 連結以前の関口量は小さく応力繰返しに対して もその変化割合は少ない. し か し連結後は関口量が急増し， その後の応力

繰返しに伴う変化割合も大きく なる

(3)純チタンにおける" き裂発生に関係する表面届のj手さ" は他の材料に比べ て厚く， また その領域内でのき裂の挙動は前述のように隣接する結品中に おける複数個のき裂の発生とそれらの連結とから成ることがわかった.

また以上のことが純チタン の切欠き感度が低い原因である

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ドキュメント内 微視的変形挙動の観察に基づく工業用純チタンの (ページ 48-59)