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動的荷重を受ける鋼板の脆性破壊強度評価法に関す る研究

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(1)

九州大学学術情報リポジトリ

Kyushu University Institutional Repository

動的荷重を受ける鋼板の脆性破壊強度評価法に関す る研究

後藤, 浩二

九州大学工学研究科造船学専攻

https://doi.org/10.11501/3081197

出版情報:Kyushu University, 1994, 博士(工学), 課程博士 バージョン:

権利関係:

(2)

第 5 章

き裂先端近傍の降伏点分布について

5 . 1   緒言

き裂材の破壊はき裂先端から順次生じるものではなしき裂先端近傍のある特定領域内 (end  region 1)あるいはプロセスゾーン 2)と呼ばれている)で生じる。また Rice、Johnson3)らはき裂 の鈍化により、ひずみ特異性が消滅する領域の長さ f(き裂線上)はすべり線場理論より、

f 

= 

1.98  (ただし、8:CTOD)  (5.1 ) 

であることを示した。これらの領域はほぼ同じ領域を示しており、同義語と解釈される。

従って破壊を論じる場合には、この破壊が発生すると考えられる上記特定領域内のひずみある いは応力分布に着目する必要がある。ところで動的問題においては、ひずみ速度が速くなる効果 と、塑性仕事による局部温度上昇効果の両者により、き裂先端近傍の初期降伏点は変化する。静 的問題においては破壊靭性値は温度の関数となっているが、見方を変えれば破壊靭性値は降伏点 の関数である。また降伏点は動的条件下ではStrainrate‑temperature parameter (R)の関数であ るから、動的問題でも破壊靭性値はR値を介して降伏点の関数として表されることが期待される。

そして一般的には上記特定領域で降伏点は変化するものと考えられるので、破壊発生筒所をこの 領域内のどこに特定して降伏点を決定すればよいか、あるいはこの領域内の降伏点の平均値をと れば破壊靭性値が定量的に評価し得るか等の検討が、動的問題を解明する上で必要になってくる。

そこで、上記の問題解明の第一歩として、第4章の動的熱弾塑性有限要素法による計算結果を調 査することにした。

(3)

有限要素解析結果についての検討 5 . 2  

Fig.5 ‑1には SMC・2試験片の各段階(Fig.4‑14‑1のarvd)におけるき裂先端近傍の温度(塑性 仕事による局部温度上昇+試験温度

) T

、相当ひずみ速度tと共に、き裂先端近伐の降伏点、σyを示し

また同図には塑性仕事による温度上昇が生じないと仮定した場合の降伏点 た。

さらに上記の特定領域としてIDNZ先端の位置も示している。ただしIDNZ ために示している。

先端までの距離は荷重線上の COD(ち ) よ 弘 次 に示すWellsの式 4)を用いて CTOD(o)に換算 して、(5.1)式により求めた。

40 

(寸

ω ) 叫一 旦 ω﹂C

一の

おの

n u n u n u   q . V

内〆 ﹄

41

Calculation point (b) 

ー ー

v  IDNZ  700 

~ 600  2 

̲ >‑500  0 

>‑40  b 

~ 300  ω  ω200  て コω 

>‑100  60 

円U n u n u n U

5 4 3 2  

( υσ )

↑ 一

ω﹂ コ

百 ﹂ ω旦

E ω

ト

40 

(7

ω)

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n u n u n u   n J n J

﹄ 守

﹄

Calculation point (a) 

Il 

•

v  E 

•

v 

700  E600  2 

>

‑500 

b 

>

‑400'  b 

~ 300 

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てω20  コ

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5 4 3 2  

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一

q u

‑4EE‑‑EE' び臥D

10 

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4 1 m  

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一 戸

U一a

‑ F E E  

L‑ c 

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‑ c u  

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‑

‑‑

ω

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10 

。

40 

(

・Fω ) ω

一ω

百 ﹂

C

一

ω

﹂ 一

ω

n u n u n u  

門 ぺ

︾ 門 ノ

﹄

41

Calculation point (d) 

•

マ 企

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•

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700  官 600

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三て500'

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>‑400  b 

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>‑100  60 

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〆 ﹄

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﹂コ

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40 

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n u n u

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﹀ 門

ζ 4 l

Calculation point  (c) 

IDNZ 

•

V A 

•

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700 

守600

止 三

ト50

0 

>‑40  b 

~ 300 

0 '‑

てω20  コ

。

>‑100  60 

ハU n u n u n U

5 4 3 2  

( ハゲ )

↑ 一

ω﹂ コ

苛 ﹂ ω

止に

トω﹂ v  v 

v    ,,.. 

v  ,.."'v", 

01  • • .....1  . 1・a ・・・110 0.1  1  10 

Distance from crack tip  (mm) 

10 

。

01  目 盛 a・・...1 且1. ...・且目'0 0.1  1  10 

Distance from crack tip  (mm) 

10 

。

Fig.5‑1  Calculated yield stress , equivaJent strain rate and temperature distributions  in  the vicinity of crack tip by using FEM . 

(specimen No. SMC‑2 , crosshcad speed 

= 

100 mm/s) 

(4)

( 5.2)  045(W ‑α)  ( Vg2 

¥ 

0

.45W 

+ 

0.55α

+ z ¥ 4 V ' J 

( W ‑

α) 

5W 

+ 

0.55α

+ 

z (

九 ‑

V')  (

九丞

2V')

V '

二 γσYTW(l‑v2

) j E  

(¥合く 2V')

fi ll

‑‑ JI ll

‑K  

AFU  一 一

(CT specimcn)α(¥IV = 0.5)  γ =  2.34 

なお¥降伏点、σYTは試験温度における静的な値である。また、 zは荷重総から CODを計測する位 ここではz二 Oである。

置までの距離であり、

40 

( τ

ω)

叫 一 mw

}巴C

一 のお

ω

円u n u n u q d n J

﹄ 寸

l

Calculation point (b) 

留

•

IDNZ 

E 

•

700 

ε

印0

2 

>

‑500 

b 

>

‑40  b 

~ 300 

① 

てω20  コ

Q) 

>‑100 

60 

ハu n u n u n u R M A

﹃ 内

J n ζ

( υ

︒ )

ト一

ω﹂ コ

石 ﹂ o

aE

トO

40 

(τ

ω )

川

町 一一2ECの ﹂ 戸

ω

n u n u n u   q d n

Jι 4 1  

Calculation point (a) 

む 。

700 

g!̲  600  2 

̲ ‑500 >

b 

>

‑40 

b 

~ 300 

Q) 

ω200  て コω 

>‑10  60 

n u n u n u n u  

民 叫 パ

﹃ 内

J円ζ

(ハ

ド)

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ω﹂

コ苛

﹂包

E ω

ト

v 

'1'  '1''1' 

01  且・ ..・.1 1・ ・・・・..円。

0.1  1  10  Distance from crack tip (mm)  10 

。

•

'1'  '1' 

v '1' y ̲  

01 , . "" 11  , , " ,TIUlO  0.1  1  10  Distance from crack tip  (mm) 

v 

•

10 

。

40 

(Tω

) ω

一ω

百 ﹂

C

一

E v ω

円u n u n u qu

内ノ﹄46

Calculation point (d) 

IDNZ 

玄

•

g 

•

700 

言 600 止三

>‑500  b 

>‑40 

b 

~ 300  ω '‑

ω200  て コω 

>‑100  60 

n u n u n u n U  

5 4 3 2   σ( υ )

ト一

ω﹂ コ

百 ﹂ ω

aE

トG

40 

30  ̲ 

、、u) ‑‑‑ .は』

20

号

'‑c  cu 

'‑

10 (j) 

Calculation point (c) 

IDNZ 

g 

•

g 

•

60  700 

n u n u n u n U  

5 4 3 2   (ハ ゲ) ト一

ω﹂ コ

苛 ﹂ ω且

E ω

ト

v 

01  ・ ・,.,・a且l ・ h・・a・J10 0.1  1  10  Distance from crack tip (mm)  10  v 

。

v 

01  ・ 目・・a・A・l ・1・・・ ","7110 

0.1  1  10  Distance from crack tip  (mm)  10  v 

。

Fig.5‑2 Calculated yield stress ) equivalent strain rate and temperature distributions  in the vicinity of crack tip by using FEM . 

(specimen No.SMC‑3 ) crosshead speed 

= 

50 mmJs) 

(5)

~

その他の試験片に対する FEM解析結果についても同様な図を Fig.5‑2 rv Fig.5 ‑7に示し た。(き裂先端近傍からIDNZ先端までの距離がO.lmm以下の場合は、 IDNZ先端の位置は省略 している。)Fig.5‑1を見ると、 IDNZ内のひずみ速度、温度上昇はき裂先端に近ずくほど迷く

この理由としては、

なっているものの"IDNZ内ではそれぞれの値が飽和する傾向を示している。

Z内で IDNZ内では応力とひずみの特異性が消滅するため、発熱の原因となる塑性仕事量のID

の変化の仕 方が緩やかになっているからであると考えられる。

'ω

) ω

一m

Z E C

一

m

ωb

4 

2  Calculation point (b) 

。

写

IDNZ 

自

' 

700  60 

n u n u n u n U  

5 4 3 2  

( υ

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﹂コ

苛﹂

ωa

Eω↑

'ω ) ω

一ω

百 ﹂

C

一

ω

﹂ 日

ω

4 

2  Calculation point (a) 

。

' 

。

•

700 

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υ n u n u

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m u n u n u n u n u

⑤

5 4 3 2 1  

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)J

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ω ω ω

﹂窃豆ω

一 ﹀ 60 

n u n u n u n u  

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ω﹂

コ石

﹂ ω

aE

トO

01  ・・ a・1  .1・ ・・...白10 0.1  1  10  Distance from crack tip (mm)  10 

。

01  , . 11・a・11 ・ 目 白白 目・・a10  0.1  1  10  Distance from crack tip (mm)  10 

。

h)

ω

一ω戸の﹂C

一

ω

﹂戸 川 山

4 

2  Calculaiton point (d) 

0 0 0 o  

n u n u

ハu

n u n M n U

6 5 4 3 2 1  

(の

止三

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①﹂

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ω一 ﹀

IDNZ 

。o0 

‑ ・ .

ロ

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v 

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700  60 

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おの

4 

3 

2  Calculation point (c) 

﹁JU門

u n u n u

町U M n u n u n u n u n u

θ

@ 4 3 2 1  

(の

仏三

)Jb

︐

一b﹀

ω ω ω

﹂百

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一 ﹀

IDNZ 

ロ

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g 

‑

w 

60  700 

n u n u n u n u  

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ゲ)

ト一

ω﹂

コ百

﹂包

E ω

ト

"1'  "1' 

v 

。

l I  • ..,・・1 ・ ・1・・ 且・・10

0.1  1  10  Distance from crack tip (mm)  10 

。

l ・..・a・l ・1・・且..1110

。

0.1  1  10  Distance from crack tip  (mm)  10 

Fig.5‑3 Calculated yield stress , equivalent strain rate and temperature distributions  in the vicinity of crack tip by using FEM . 

(Specimen No. SMC‑4 , crosshead speed 

= 

10 m m/s) 

(6)

Z内のひずみ速度はほぼ同じレベルにあるが、dの段附では他の段 またa

,

b

,

cの各段階ではID

これはFig.4‑14‑1においてdの段階の負荷速度が他の段階のそ 階に比べて遅くなっている。

れに比べて遅くなったことと対応している。 そして降伏点σyはIDNZ内ではほぼ一段となってい これは降伏点におよぽすひずみ速度および温度の影響が互いに逆方向に作用する結果である と考えられる。

る。

40 

( τ

ω)

Uω

一

苛 ﹂

C一

のお

ω

円u n u n u

円Jつ

ι 1

﹄

Calculation point (b) 

g 

•

v  玄

•

700 

E

印O

E 

>

‑500  b 

>

‑40σ 

も

お300

、ω  一

ω200  て コω 

>‑100  60 

n u n u n u n u  

ζdバ﹃qd門Jι

(ハ ゲ

)ト

一

ω﹂

コ百

﹂包 E ω

ト

40 

(τ

ω ) ω 一2EC一ω

﹂日

ω

円u n u n u

qd門〆﹄4﹄

Calculation point (a) 

v  ロ

•

v 

E 

•

700  2600  2 

>

‑500 

b 

>

‑400 

b 

~ 300 

(J)  '‑‑

ω200  て コω 

>‑100  60 

円u n u n u n u

k JM

パ 吋 q u n J ι

(ハ

ド)

ト一

22 Eo aE ω

ト

01  ・ ・ ・・・・・ " ・ ・a且・目白目10 0.1  1  10  Distance from crack tip  (mm)  10 

。

01  . . .・...1 ・ ・a・・・・10 0.1  1  10  Distance from crack tip  (mm)  10 

40 

( τ

ω ) ω一2巴C一

のお

ω

円u n u n u

qJ

V

内J

L 1

﹄

吋 J

E

・

E

・

E

・

g

・

‑ E  

‑R

YU  

Calculation point (d) 

IDNZ 

‑

Z 

‑

Z 

700 

官600

0.... 

2 

, ..500  b 

,..40 

b 

~ 300 

0 '‑‑

ω200  て コ

(J) 

>‑100  60 

n u n u n u n u  

kd

バ

﹃ 円

φ内〆﹄

( υ

︒ )

ト⁝

φ﹂ コ

芯 ﹂︒ 己 E ω

ト

40 

30 ~、

(f) 

・ω

20

号

'‑‑

c c 

'‑‑

. ......  10 (f) 

Calculation point (c) 

v 

E 

•

v  IDNZ 

= 

700 

定600

止

三

, ..500  0 

, ..40  b 

~ 300  ω 、

司ト4一

ω200 

て

。

3

>‑100  60 

n u n u n u n u  

k d λ

吋

q d q L

(ハ

ゲ)

ト⁝

ω﹂ コ

百 L oa EO

ト

v 

" " ̲"1 " 1 

01  a  ・ ・白白・目白 1 • 1.  アア.TTY。柄

0.1  1  10  Distance from crack tip  (mm) 

v 

10 

。

v 

01  量 ・ ・ ..且・・1 ・ ・ ・・目・・a10  0.1  1  10  Distance from crack tip  (mm)  10 

。

Fig.5‑4  Calculated yicld stress , equivalent strain rate and tempcrature distributioIlS  in the vicinity of crack tip by using FEM . 

(Specimen No. SMC‑5 , crosshead speed 

= 

100 mJs) 

(7)

Z内ではほぼ一定と見られるが、 これは また局部温度上昇を無視して得られる降伏点

σ ; r

もID

ひずみ速度がき裂先端近傍で極端に大きくなることが生じない結果で き裂鈍化の影響のために、

あると考えられる。上記の傾向は Fig.5‑2 rv Fig.5 ‑7に示した他の試験片に対する FE1vl解 析

Calculation point (b) 

結果についても同様な傾向であった。

Calculation point (a) 

1000  co 

止:2 900 

。

〉 800

〉

t:)  700 

(/)  (/) 

~ 600 

(/) 

て コ

石 50咋 " " 

>‑ I I  "",  ̲ 

i  1  ...1  ."." 丹 市 円

40α¥ . .・ 1 ・ 0 0.1  1  10  Distance from crack tip  (mm) 

30 

20ε 

.(() 

..ω .... 

句、‑

C 

10.巴..... 

cf)  E 

•

1100 

1000  co 

止

:2 900 

。

〉

80 

〉

b 70 

(/)  (/) 

~ 60 

(/) 

て コ

型 500

〉

60 

n u n u n u n u  

k d A

砧y q d η ζ

( υ

︒)

ト一

ω﹂

コ苛

﹂ω且

E ω

ト

30 

(/) 

20ω  .ω  ..c...o  

'‑

C ω  10 (i'‑j 

ロ ロ

1100  60 

n u n u n u n U  

5 4 3 2  

(ハ

ゲ)

ト⁝

ω﹂

コ百

﹂ω

江戸

トω﹂ v 

4001  且 ・・ ・.1..1 ・ ・, ,. ,.,10  0.1  1  10  Distance from crack tip  (mm)  10 

。

•

•

10 

。

30 

(/) 

20 ..̲... 

‑弘A

(l)  +ー' fち '‑

C 

10巴

cf) 

4001  目 白 目・・・"Il .l _~10

0.1  1  10  Distance from crack tip  (mm) 

Calculation point (d) 

̲1000  co 

止

三回O

, .. 

b 

‑800  b 

700 

(/)  (/)  (l) 

長ωo

て3

主 回

O

‑v

a 

v 

•

可 b 

v  IDNZ 

•

可 色

v 

1100  60 

円u n u n u n u

⑤

4 3 2  

( υ

︒ ) ト一

ω﹂

コ百

﹂ω旦

EO

ト

30 

20 .y2‑

・民A (l) 

. ...c..o  

'‑

C 

10 

  e .

cf) 

4001  • • • L..̲.̲̲̲.̲u  ・ ・・・,".10  0.1  1  10  Distance from crack tip  (mm) 

Calculation point (c)  1100 

60 

n u n u n u n U  

5 4 3 2   (ハ ド) ト一

①﹂ コ百

﹂ω aE

トG

Fig.5‑5 Calculated yield stress , equivalcnt strain rate and temperature distributions  in thc vicinity of crack tip by using FEM . 

(Specimen No. HTC‑1 , crosshead speed = 100 mmJs) 

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