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し， これにfl川、遅延現象が生じたことがわかる. またき裂が長い場合には矢面いき 裂に比べて遅延現象が顕著となるがこれはアルミ合金での結果( G G)などにも見ら れる 一般的な挙動である

比較のため前述の軟鋼板について同様な疲労き裂伝ぱ試験を行った結果を肉 4-26にノJ'す. 負何したjI!!J大応ブJはσμ- _{98 M} Paで， 過大応力負荷H寺のき裂長さは 3.2mm と 7.4mmである. 軟鋼における遅延現象は純チタンでのそれと大きな差呉 は兄られない. 長いき裂において単一過大応力を負荷したときの巨視(1ななき裂伝 ぱ挙動に関しては純チタンと軟鋼の両方でムKにより表すことが可能であるが，

微規的に見た場合純チタンではやはり結晶聞での拘束の影響が依然として存在し，

き裂先端部近傍での変形挙動は軟鋼とは異なる

4.9まとめ

本章では工業用純チタンの疲労き裂伝ぱ挙動と結品閣での変形拘束の関係を検 討した. 得られた結論を以下に示す.

( 1 )平滑材および各種切欠き材における微小き裂の伝ぱ速度は結品問の変形拘

束が大きいため大きく増減する. 伝ぱ速度が減速するのは粒界にき裂先端 が近づく場合であり， 伝ぱ速度が特に加速するのはき裂先端部の結晶にへ き開割れが生じる場合である. これらの伝ぱ速度を応力拡大係数範囲で表 わ すことは困難であった.

(2)切欠き材あるいは予き裂材では， 伝ぱしているき裂の先端から離れた箇所 に新たに発生したき裂と合体する挙動がみられた. これは微小き裂の伝ぱ 速度が粒界近傍で極端に低下し， かっ切欠き底あるいはき裂先端部のかな り大きな範囲で， 伝ぱしているき裂の影響を受けることなく他のき裂が発

生するためである.

(3)パリス則が成立する長いき裂先端部近傍の局所的ひずみ分布を測定し， 軟 鋼と比較した結果， 純チタンでは変形拘束が大きいため， き裂先端部が位

置する結品を含む， ごく一部の結晶のみに大きなひずみが生じていた (4)伝ぱしているき裂に対し単一過大応力を負荷すると， き裂関口・レベルが上

昇し， 軟鋼と同様な伝ぱ速度の遅延現象が見られた.

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軟鋼における単一過大応力の伝ぱ速度に及ぼす影響

図4-26

第5章 切欠き材の疲労限度と停留き裂

5.1緒言

機械， 構造物において切欠きの存在は避けら れない. したがって切欠き材にお ける疲労特性を肥握しておくことは不可欠である さらに破壊するかどうかの限 界である疲労限度付近での挙動が特に重要である

的立までに疲労における微視的変形とき裂発/1=.および伝ぱ挙動の関係を明らか

にし^， すべり系の数が少なく結品問での変形拘束が大きいことと純チタンの疲労 特性が密接に関係していること示した. また第3章において切欠き底付近でのき 裂発生挙動を詳細に観察することにより， 純チタンにおける疲労限度の物理的意 味と切欠き感度が低い原凶をlリ]らかにした すなわち切欠き材における疲労限度 とは， 切欠き底から内部方向に連なる複数個の結品内に発生したき裂が連結して

伝ぱを開始するかどうかの限界の応力であること， 平均的な応力が平滑材の疲労

限度に等しいような表面層の厚さが他の材料に比べて厚いことである^.

本章では第3章で明らかにした切欠き底付近でのき裂発生挙動ならびにき裂伝

ぱ開始条件に基づき， 各種切欠き半径を有する環状切欠き材を用いて回転曲げ疲 労試験を行い^， き裂発生挙動と疲労限度の関係および停留き裂の有無について検 討した.

5.2実験方法

実験に供した材料は第2章で使用したものと同質の工業用純チタン丸棒(TB35) である. 疲労試験に用いた試験片の形状および寸法を図 5-1に示す. 切欠きは環 状切欠きであり， 試験片中央部に切欠き半径ρを3種類(5mm， 1mm およびO. 25

mm， 切欠き深さはいずれの場合も O. 2 mm) に変えて付した. 旋削後切欠き部を カーボ‘ランダムで研摩し， 第2章で示した熱処理と同様の800 oC， 1時間の真如 焼なましを施した. 熱処理後化学研摩により表面を鏡面状に仕上げた. 各切欠き 半径における応力集中係数Kl を表5-1にまとめて示した. これらの値は体積力 法 に よ る 解析 C G 7 ) 結果 よ り算出 した 値 であ る

疲労試験機は容量100N・m の片持式回転出げ疲労試験機で， インバータにより 回転数を調整できるようにしたもので あ る 疲労試験は30Hz (1800 rpm)の繰返

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表5-1 各切欠き材の応力集中係数

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し速度で行った. き裂発生過程の観察にはレプリ力法を用いた. また停溜き裂の 千f1!!�については疲労試験終了後， 試験片表面をフ ッ円安， 硝酸水溶液により軒く腐 食させ， 光学顕微鏡およびλlミ査型電子顕微鏡を)1]し1て舵認した

5.3疲労寿命と切欠き感度

，Af_労試験において得られたS - N曲線を図5 2にホす. いずれの切欠き半径に ついても， 第3章において示した平滑材の引張圧縮疲労でのS 1111線と同様に

10 _G lul付近に折れ曲がり点を持つ明瞭な疲労限度が存在する

凶5-3 に各切欠き半径での波労限度における切欠き底での弾性最大応力

( K lσ w)と切欠き半径ρの逆数の関係を示す. 線形切欠き力学の概念(_G ⁸ )によ ると， このKlσ w - 1/ρ関係は材料ごとにl本の曲線で表すことができ， 切欠き 感度の大小が容易に分かるようになっている. 引張圧縮疲労における結果(^{� �} )と 同様に曲げの場合も切欠きに鈍感であるといえる. すなわち切欠き底の弾性最大 応力で比較した場合ρ= 0.25mmにおける疲労限度は平滑材で予想される疲労限度 の2倍近くにも達する.

第3章で検討したように， 切欠き材の切欠き感度はき裂発生に関係する表面層 の厚さにより決まり疲労限度の応力が負荷されたときの切欠き底付近での応力分 布と密接な関係がある. 図5-4に各切欠き材の疲労限度における切欠き底から内 部に向かう応力分布を示した• p = 5 mmの切欠き材をほぼ平滑材とみなして示し たが， 純チタンではき裂発生に関係する表面層が厚い(約200μm， 2，..._， 3結晶粒程 度)ため切欠きが鋭く応力勾配が急になると切欠き底の最大応力は平滑材の疲労 限度よりかなり大きくなる. したがって切欠きに対して鈍感となる.

5.4き裂発生挙動と停留き裂の有無

一般に切欠き材の疲労限度に関しては， き裂発生に基づく疲労限度(疲れ強さ，

σw ₁ )と， 停留き裂が存在する範囲での破断， 非破断に基づく疲労限度(き裂強 さ， σ W:!)がある(_{G 9} ) 両者が分岐する点すなわち停留き裂が発生する最大の切 欠き半径ρ。 は切欠き深さが特に浅くない場合には材料によって決まる定数とな

る( 7 0 )ことが定説となっている. 純チタンと同程度の静的強度を有する軟鋼SlOC

焼なまし材ではρ。 = O. 6 mmとされている.

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