面内二軸繰返し重畳応力を受ける十字型平板の疲労試験

5.2.1 試験片の材料・形状

試験片形状を Fig.5.1 に示す．十字型平板の外形は第 3, 4 章の十字型平板と同様に

Takahashiら²⁾の試験片形状に倣い製作した． 先行研究 ³⁾で用いた試験片と同様に試験

片中央部に予亀裂として亀裂半長が15mmの人工スリットを導入し，疲労亀裂を発生さ せた．試験片は第3, 4章の供試材と同種のKA鋼から製作した．試験片SU-1, SU-2の 鋼材の機械的性質と化学成分をTable 5.1に示す．

92 5.2.2 負荷条件

疲労亀裂伝播試験の試験機のシステムは第3章及び第4章と同様である．各試験片に 作用する負荷条件をTable 5.2 に，その応力波形をFig.5.2とFig.5.3に示す．Fig.5.2(a) とFig.5.3(a)には低周波応力波形，Fig.5.2(b)とFig.5.3(b)には高周波応力波形，Fig.5.2(c)

とFig.5.3(c)には低周波と高周波の重畳応力波形を示す．低周波の応力範囲は先行研究

3）の負荷条件と同等であり，そこに高周波の応力波を重畳させた．高周波の応力波形は 試験機の仕様の範囲で負荷可能なできるだけ大きな値とした．先行研究^3）では低周波成

Fig.5.1 Configuration of the specimens used²⁾ (unit in mm).

Table 5.1 Mechanical properties and Chemical composition of tested material applied to specimen SU-1 and SU-2 (ClassNK grade KA).

Mechanical properties

Yield strength [MPa] Tensile strength [MPa] Elongation [%]

343 451 25

Chemical composition [wt%]

C Si Mn P S

0.12 0.15 0.96 0.021 0.002

y x

75 75 75 75

75 75 75

120 5050

160

400 200

200 80R

120R 500500

400

160

Rdl. direction Slit

y x

48−30

1000 10 30

0.33

2φ

93

分に相当する繰返し負荷の応力比Rは0.05であったが，本試験では最小荷重時に負荷 応力が0付近の応力波形再現精度の問題から応力比Rは0.2に変更し，平均応力を若干 増加させた．二軸応力の位相差に関しては低周波成分では位相差0, πとし高周波成分で は位相差0とした．

Table 5.2 Biaxial loading conditions.

Specimen ID SU-1 SU-2

Stress ratio: R Low 0.2

High -1

Δσx0 [MPa] Low 70

High 21

Δσy0 [MPa] Low 70

High 21

Phase difference: Φ [rad] Low 0 π

High 0

Frequency [Hz] Low 0.5

High 5

(a) Low frequency component (b) High frequency component

−50 0 50 100 150

Applied remote stresses:σ, σ[MPa]x0y0 Time

：σ_L,x0

：σ_L,y0

Specimen: SU−1

σ_L,x0, σ_L,y0

Stress range: 70MPa

Average stress:

43.8MPa

−20

−10 0 10 20

Applied remote stresses:σ, σ[MPa]x0y0 Time

：σ_H,x0

：σ_H,y0

Specimen: SU−1 σ_H,x0, σ_H,y0

Stress range: 21MPa

94

(c) Superimposed wave of low frequency wave and high frequency wave Fig.5.2 Applied biaxial loading waveform acting on flat-cracked specimen S-1.

(a) Low frequency component (b) High frequency component

−50 0 50 100 150

A p p lie d re m o te s tr e ss e s: σ , σ [M P a]

Time

：σ _x0

：σ _y0

Specimen: SU−1

σ _x0 , σ _y0

−50 0 50 100 150

Applied remote stresses: σ, σ [MPa]x0y0 Time

：σ_x0

：σ_y0

Specimen: SU−2

Stress range: 70MPa

Average stress:

43.8MPa

−20

−10 0 10 20

Applied remote stresses:σ, σ[MPa]x0y0 Time

：σ_H,x0

：σ_H,y0

Specimen: SU−2 σ_H,x0, σ_H,y0

Stress range: 21MPa

y x

95

(c) Superimposed wave of low frequency wave and high frequency wave Fig.5.3 Applied biaxial loading waveform acting on flat-cracked specimen S-2.

5.2.3 試験結果

Fig.5.4にSU-1とSU-2の疲労亀裂伝播履歴を一番初めに計測された亀裂長さからの

繰返し数との関係を示す．ここではサイクル数は低周波の応力波形でカウントする．

Fig.5.4から位相差の影響を受けて，位相差πのSU-2の方がSU-1より亀裂伝播が速く

なることを確認した．この傾向は第4章で示した面外ガセット溶接継手における疲労亀 裂伝播と同様である． Fig.5.4には，先行研究^3）により取得した疲労亀裂伝播曲線も合 わせて示す．図中C-1，C-2はそれぞれ二軸応力の応力振幅が70MPa で応力比が0.05，

位相差が0, πである．応力比はやや異なるものの，本章の低周波成分のみを負荷した場 合とほぼ等しい試験の結果である．Fig.5.4からSU-1とSU-2はそれぞれC-1とC-2よ り亀裂伝播速度は速くなっていることが確認できる．この理由は高周波成分の存在によ り，実質的に負荷応力範囲はC-1とC-2より増大されたためである．一方，「SU-2と

C-2」と比較すると「SU-1とC-1」の間では，大幅な伝播速度の増大が確認された．以上

より特にSU-1に関しては，単純に高周波成分の重畳による平均応力の上昇や応力振幅 が増大したことによる亀裂伝播速度の加速以外にも，重畳応力波形が亀裂伝播挙動に影

−50 0 50 100 150

A p p lie d r e m ot e s tr e ss e s: σ , σ [ M P a]

Time

：σ _x0

：σ _y0

Specimen: SU−2

y x

96 響を及ぼしている可能性が考えられる．

Fig.5.4 Measured fatigue crack growth histories of flat-cracked specimens.