62 ペ

J ρ』

く 円〉凡 円

停留き裂が存在する場合

き半径 ( 0 1 • ( 0 1・ 02. き裂発生限界応力. ρ。 分岐点の切欠

o 2 > 0 1ではあるが o 2 _� 0 1であり. したがって o 2

なのでK 1 2 ;三 02' Fヲ子C ( K 11;三 0 1・fヲ子℃である) ( ^c )

き裂が存在しない場合 (b)停留

引張り圧縮または曲げにおいて停留き裂が生 じる 理由の説明( ^{5) (6)}

2 - ⁵ 図

円ノ白内ぺU

欠きを比較する。 き裂発生限界に おいて切欠き底に繰返される最大 応力σ 1， σ 2 はP 1， P 2 の切欠きに おいてそれ程大きくは異なら ない。 すなわち， σ 1< σ 2 であるが σ I =; σ 2 である。 一方， それ

ぞれ σ 1， σ 2 のもとで両方の切欠きに等しい長さc( cはρより十分 小さいとする)のき裂が生じたとすると， c の点の応力σ J ， σ 2

は大きく異なり(σ l' � σ 2' )， かっK ₍ 1ーτ￡ー­ σ l' rnで ，

K (2 与 σ 2' rnでとなるので， 結局 K ( 1 � K (2となる。 このよ うに， 切欠き半径がρ 1(> Po )とρ 2 (< Po )の切欠きに おい てき裂を発生させるための最大応力σ 1， σ z には大きな差はなく，

かっ同一長さのき裂発生後のK ( の値は， P が小さい ほど， 小さく なる。 このことがρがある値以下のとこ ろで停留き裂がが認められ るfill由である。

以上述べたように， 切欠き底に停留き裂が認められるか否かは， 切 欠き半径pが 材料ごとに決まる定数ρ。 より小さいか大きいかによ

っ て支配される。

このことは， 部材の疲労限度が， き裂発生限界応力σ wlで決まる か停留き裂の伝ぱ限界応力σ w2 で決まるかをpが支配してい ること を意味する。 すなわち， ρ > ρ。 かP < ρ。 によ っ て部材の疲労限 度(li皮断限界)を予測する方法が全く異なるわけである。 疲労限度 はP > P 。 のとき σ wlで決まり， p < p 。 のとき σ w2で決まる。 例 えば， 通常の溶接部はp < p。 と考えられるので， 溶接継手の疲労 限度は σ υで決まることになる。 また切欠きを持つ部材の疲労限度 がムK _t hと関連をもつかどうかは， その部材の切欠き半径pがρ。

より小さいか大きいかによ っ て決まる。

円、unぺυ

2-3 参考文献

( 1 ) 西谷， 機論， A-49-447， (1983-11) ，1353.

( 2 ) 西谷， 機論， 34-259， (1968-3) ，371 ( 3 ) 西谷 材料， 26-282 (1972) ，296

遠藤， 機論， A-51-463， (1985-3) ，784

日本機械学会第66期全国大会特別講演， 材料力学の進 展， (1988-10-19)

( 6 ) 西谷， 機械の研究， 4 1 -9 ( 198 9 ) ， 9 77， 4 1 -1 0 ( 1 9 8 9 ) ， 110 5

、、，，，、1，，，

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，，I、

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西谷，

西谷，

第三 ³ 主主

キオ米斗 ， 多言E 患食 ズヨ「 、と去ヰ5よ び、 七刀 クミき4寺f生

本章では研究に使用した材料の化学成分.

組織， 機械的性質， 試験片形状および実験 方法に ついて述べる。 さらに切欠き材の疲 労における切欠き特性を線形切欠き力学の 尺度から検討し， それらの結果に基づいて 溶接継手の疲労限度を推定する方法を提案 する。

34

-phu nぺU

3 - 1使用材料の化学成分， 組織および機械的性質

木研究に使用した素材は市販の一般構造用圧延鋼材SS 400 (板厚 12，16，19および32 mm) ，溶接構造用圧延鋼材SM 490 (板厚6 および

12 mm)， SM 570 (板厚32 mm )および板厚9 mmの780 MPa級高張力鋼

(以下 HT 780 と呼ぶ)である。

表3 -1 に各材料の化学成分を示す。

図3-1 に各材料の組織を示すO

表3-2 に各材料の機械的性質を示す。

一般構造用圧延鋼材SS 400 (板厚 12，16，19，および32 mm ) と溶

接構造用圧延鋼材SM 490 (板厚6および12 mm) ，SM 570 (板厚32 mm ) の組織は フ ェ ラ イト， パー ラ イト組織であるo _HT 780の組織は焼き

入れ ・ 焼き戻し組織である。

機械的性質を求めるための試験片の形状と寸法はJ 1 S Z _-2 201の2号 および4号試験片lこ基づいたものである。

使用した試験機は最大容量3 0 t 0 n ア ム ス ラ一万能試験機である。

RU n4U

表3 - 1 使用した材料の化学成分( % )

S

料 ^{C S i Mn P S}

o. 11 o. 20 o . 48 o . 0 1 8 o . 0 2 1

0.18 o. 1 � o . 5 5 o . 014 o. 013

S � 00

0.18 O. 1 3 O. 1 4 O. 018 o . 012

0.11 O. 1 1 0.56 O. 0 1 6 o . 018

O. 1 2 O. 3 3 1 . 2 9 O. 0 2 1 o . 0 11

M 4 9 0

O. 1 6 O. 4 2 1. 2 1 O. 021 o . 0 11

M 510 0.15 O. 2 6 1. 2 4 O. 0 1 8 O. 006 キオ

S

S

その2 HT 180の化学成分( % )

内，L-Ei pし-nHU

P

O. 015

S

O. 0 0 5 O. 2 2 0.03

nu nし

V

円tt

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，、守令画、

縦 断 面 横 断 面

SS 400 (板厚12 rnrn)

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-

ー'噌申--縦 断 面 横 断 面

SS 400 (板厚16 mm)

縦 断 面 横 断 面

SS 400 (板厚19 rnm)

図3-1-1 組織写真 200 μ m

38

•

縦 断 面 横 断 面

S S 400 (板厚32 mm)

縦 断 面 横 断 面

S M 490 (板厚6 mm)

縦 断 而

S M 490 (板厚12 mm)

図3-1-2 組織写真

--縦 断 而

SM 570 (板厚32 mm)

縦 断 面

H T 780 (板厚9 rnm )

図3-1-3 組織写真

横 断 面

j.J.m

___，

横 断 面

400 μm

39

40

-表3 - 2 使用した材料の機械的性質

材 料 板 厚 σ B σ Y δ や ^{11 B}

rnrn MPa MPa % %

1 2 421 284 3 0 149

1 ₆ 441 313 2 8 ₆ 8 150

S S � 00

1 9 4 5 1 2 9 4 2 8 6 9 1 5 8

3 2 .{ 2 2 275 3 4 7 1 150

578 451 2 ₆ 205

S M 490

1 2 559 412 3 2 193

S M 570 3 2 ₆ 3 7 539 3 0 225

II T 780 9 882 8 2 3 3 5 3 0 5

--3 - 2 溶接条件

表3-3にSS 400およびHT 7 8 0の溶接条件を示す。

41

-溶接の際の開先は， 深さ4 mm 900 V形の溝とし， 圧延方向と直角 方向に機械加工で製作した。 溶接は， 1 パス の ビ ー ドをSS 400は自 動溶接で行い， HT 780は手動溶接で行 っ た。 溶接棒は， SS 400はG 80X US-36を， HT 780ではLB-116 ø 4 mmを用いた。 T ₁ G処理は自 動で行 っ た。

SM 490では， 突合せ面と圧延方向とを 直角に して採取し， 裏当て金 無しと裏当て金有りの二種類の溶接を行 っ た。 ルー ト間隔は裏当て 金の無い場合で， 0---4 mm ， 裏当て金有りの場合で2--- 8 mmの範囲に 変え， 溶接棒は低水素系( D5016)を使用し， 初層裏波は棒径ø 3. 2

mmのものを用い それ以外はゆ4. 0 m mを用いた。 溶接は裏当て金無 しで， 2層溶接とし， ルート間隔がo mmのみ裏ガウ ジ ン グを行 っ た。

裏当て金有りで， ルー ト間隔が5 mmまでは2層溶接とし， ルー ト間 隔が8 m mでは3層溶接とした。 溶接電流は， 裏当て金無しで， 1層 目は140---170 Aで， 2層目では140---150 Aである。 裏当て金有りで は各層とも， 160--- 170 Aである。

表 3 - 3 溶 接 条 件

電 流 電 圧 速 度 入 凱

A V cm/min kj/cm

S S 400 溶接 .{ 5 0 _.{ 0 _.{ 0 2 7

T _{1 G} 170 ₁ 6. ₅ 20 8. 5

11 T 780 溶接 2 1 0 2 7 1 6 21. 3

T _{1 G} 120 2 0 2 1 6. 9

-ーー

3 - 3 疲労試験片および疲労試験機

42

-疲労試験片は， 切欠き 材の基本的性質を求めるための切欠き試験

片と， 溶接継手の疲労強度を求めるための溶接試験片とを用いた。

溶接試験片は， 溶接部を代表させるための模擬突合せ溶接試験片 と 実際の突合せ溶接試験片の二種類である。 模擬突合せ溶接試験片は 溶接形状と疲労強度との基本的関係を線形切欠き力学から評価する ために用いた。 実際の突合せ溶接試験片は， その疲労挙動を模擬突 合せ溶接試験片のそれと比較するためおよび 疲労強度改善のために

用いた。

図3 -2に切欠き試験片を示す。

図3 -3 ，こ溶接試験片を示す。

切欠き試験片は 4種類の材料の板厚g--- 12 mmの鋼板から機械加工 によ っ て製作した。 この試験片は切欠き半径p を1.0 ， 0.6 ， 0. 3およ

び0.1 mm (一部O.0 5 m mもある〉 に 変えている。 板厚と切欠き深さを それぞれ7. 5および0.5 mm (丸棒試験片では直径を7 . 0 m m ， 切欠き深 さを0.5mm)の一定とし， 切欠きの形は600 V型(したが っ て， 切欠 き半径が大きい場合は円弧)とした。

模擬突合せ溶接試験片は応力集中係数を一定にした相似試験片，

余盛り形状(余盛り幅W， 余盛り角e， 余盛り高さh および止端部 切欠き半径p )を種々変えた余盛り試験片， および裏当て金の形状

と余盛り高さを変えた裏当て金付溶接試験片の三種類である。

相似試験片は余盛り角θを一定にし， 板厚を3 ， 6 ， 9 および1 2

m m (したが っ て， 余盛り幅W， 余盛り高さh および切欠き半径ρ が 2 倍， 3 倍および4倍となる〉 の4 通りとし， 板厚32 mmのS S 400の 鋼板から ワ イ ヤー放電加工機によ っ て製作した。 ワ イ ヤー放電加工

43

-の電極には， 直径O.2 m mの黄銅系ワ イヤーを用いた。

余盛り試験片は， 目的により4 つのタイプに分かれているo タイ プI は余盛り幅W， 余盛り角θおよび余盛り高さhを一定にし， 止 端部の切欠き半径ρ を1 . 0 ， O. 5およびO.2 m mに変えた試験片である。

タイプE は余盛り角θと余盛り高さhを一定にし， 止端部の切欠き

半径p がO.2 と1 . 0 m mの2種類で， 余盛り幅wをそれぞれ4.0 ， 6. 0，

9 . 0および12.0 mmと変えた試験片である。 タイプ田 は余盛り幅wと 余盛り高さhを一定にし， 止端部の切欠き半径p がO.2 と1 . 0 m mの 2種類で， 余盛り角をそれぞれ20， 30， 45および600 と変えた試験片 である。 タイプWは余盛り幅W， 余盛り角θおよび止端部の切欠き 半径p を一定にし， 余盛り高さhのみを1 . 0 ， 2 . 0 および3. 0 m mに 変えた試験片である。 こ の余盛り試験片は板厚12 mmのSS 400の鋼板

からワ イヤー放電加工機によ っ て製作した。

裏当て金付溶接試験片は余盛り無しと余盛り有りの二種類とした。

余盛り無しでは， 板厚， 裏当て金厚さおよびルー ト間隔を一定にし，

母材と裏当て金の接合部のすき間の切欠き半径(ルー ト止端部切欠 き半径〉 をO.5， O. 3および 0.05 mmに変えたタイプと板厚， 裏当て金 厚さおよびルー ト止端部切欠き半径を一定にし， ルー ト間隔を8. 0，

6 . 0および4.0 m mに変えたタイプの試験片である。 こ の試験片はSS 400 (一部SM 570)から製作した。

余盛り有りでは， 試験片の板厚は6 および16 mm の二種類で， _{也 の寸法は一定にし， 余盛り高さのみを3.0(R=19)， 4.0 (R=20 )

および3.0 mm (R=3 mmの半円)に変えた試験片である。 こ の試験片 はSS 400から機械加工により製作した。 但し， 母材と裏当て金の接

合部の切欠きの加工のみ電極O.2 m mの黄銅系ワ イヤー (ただし切欠

- 44

-き半径がO. 0 5 m mの場合は直径O. 0 8 m mのタ ン グ ス テ ン ワ イヤー〉を 用い て放電加工機にて製作した。

模擬突合せ溶接試験片の形状と寸法 を表3 - 4に， 模擬裏当て金付溶 接試験片の形状と寸法を表3 -5にそれぞれまとめて示す。 なお， 裏当 て金付溶接継手は突合せ溶接継手の一つであるが， こ こ で は， 便宜

上裏当て金の無い突合せ溶接継手を突合せ溶接継手と呼び， 裏当て 金の有る突合せ溶接継手は裏当て金付溶接継手と呼ぶ。

実際の突合せ溶接試験片はSS 400， SM 490および HT 7 8 0から製作 し， 裏当て金付溶接継手はSM 490 のみから製作した。

すべての疲労試験片は組織が変わらない範囲で残留応力の影響を除 くため， 最後 の形状と寸法 に加工後， SS 400とSM 4 9 0は 65 0 ocで，

S M 5 7 0は6 0 0 OCで， HT 780は5 7 0 ocでそれぞれ一時間の焼きましを行 っfこ。

使用した疲労試験機は， 平面曲げ疲労試験に対しては曲げねじり 疲労試験機(容量 98 N. m， 繰返し数 2，000 rpm) と万能疲労試験機

(容量 980 N'm， 繰返し数 1，000 rpm)を用い， 片振り引張り試験 に対しては油圧サー ボ型疲労試験機(容量 10 ton，繰返し数 0.00₁

� 30Hz)を用いた。

-戸

4-φ10. 5穴

G

80

φ

120

f\ L!、

l'. ol _，

lI i ^I _L:f

_L{)

I !

I

^{1 I∞l}

p、

ρ= 1. 0 . 0.6. O. 3 ， 0.1

1 ) 平面曲げ試験片

Detail of notch

( n ) 引張り試験片

図3-2 切欠き試験片

M 14

-45-出

80 120

令

t= 3，6，9，12

中

余盛り部詳細

ドキュメント内 田中, 洋征 (ページ 37-52)