高速負荷可能な４連式回転曲げ疲労試験機の開発

九州大学学術情報リポジトリ

Kyushu University Institutional Repository

高速負荷可能な４連式回転曲げ疲労試験機の開発

山本, 泰三

https://doi.org/10.15017/1931889

出版情報：Kyushu University, 2017, 博士（工学）, 課程博士 バージョン：

権利関係：

高速負荷可能な

４連式回転曲げ疲労試験機の開発

平成 30 年１月

山本 泰三

1

目 次

第 1 章 緒 論 . . . 1 1 . 1 研 究 背 景 と 目 的 . . . 1 1 . 2 本 論 文 の 構 成 . . . 11 第 1 章 参 考 文 献 . . . 1 2 第 2 章 従 来 の 疲 労 試 験 機 と そ の 問 題 点 . . . 1 5 2 . 1 緒 言 . . . 1 5 2 . 2 電 気 油 圧 サ ー ボ 式 疲 労 試 験 機 . . . 1 5 2 . 3 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 （ 両 持 ち 式 ） . . . 1 7 2 . 4 超 音 波 疲 労 試 験 機 . . . 1 8 2 . 5 多 連 式 疲 労 試 験 機 . . . 2 0 2 . 6 結 言 . . . 2 0 第 2 章 参 考 文 献 . . . 2 1 第 3 章 4 連 式 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 の 開 発 . . . 2 2 3 . 1 緒 言 . . . 2 2 3 . 2 ４ 連 式 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 の 構 造 . . . 2 3 3 . 3 4 連 式 に よ る 試 験 期 間 短 縮 . . . 2 6 3 . 4 4 連 式 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 の 標 準 試 験 片 形 状 . . . 2 7 3 . 5 試 験 片 破 断 部 の 表 面 粗 さ に つ い て . . . 2 8 3 . 6 既 存 デ ー タ と の 整 合 性 . . . 3 0 3 . 7 様 々 な 環 境 疲 労 試 験 ユ ニ ッ ト の 開 発 . . . 3 4 3 . 7 . 1 塩 水 腐 食 環 境 ユ ニ ッ ト . . . 3 4 3 . 7 . 2 恒 湿 環 境 ユ ニ ッ ト の 開 発 . . . 3 6 3 . 7 . 3 二 段 荷 重 環 境 ユ ニ ッ ト の 開 発 . . . 3 8 3 . 7 . 4 低 温 環 境 ユ ニ ッ ト の 開 発 . . . 3 9 3 . 8 安 全 性 と 操 作 性 の 向 上 . . . 4 5 3 . 9 結 言 . . . 4 7 第 4 章 無 線 式 温 度 監 視 シ ス テ ム の 開 発 . . . 4 9 4 . 1 緒 言 . . . 4 9 4 . 2 開 発 背 景 . . . 5 0

4 . 3 切 削 用 の 無 線 式 工 具 内 部 温 度 測 定 シ ス テ ム の 開 発 . . . 5 0

2

4 . 4 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 用 の 温 度 監 視 シ ス テ ム の 開 発 . . . 5 4

4 . 5 温 度 測 定 方 法 . . . 5 6 4 . 6 温 度 測 定 結 果 . . . 5 7 4 . 7 熱 電 対 接 触 用 の 穴 が 疲 労 試 験 結 果 へ 及 ぼ す 影 響 . . . 5 9 4 . 8 結 言 . . . 6 1 第 4 章 参 考 文 献 . . . 6 1 第 5 章 高 速 負 荷 可 能 な ４ 連 式 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 の 開 発 . . . 6 3 5 . 1 緒 言 . . . 6 3 5 . 2 試 験 片 振 れ 精 度 抑 制 し た 主 軸 ユ ニ ッ ト の 開 発 . . . 6 3 5 . 3 試 験 片 中 心 部 の 温 度 測 定 結 果 . . . 7 1

5 . 4 速 度 制 限 超 過 条 件 に お け る 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 結 果 . . . 8 3

5 . 5 結 言 . . . 8 5 第 5 章 参 考 文 献 . . . 8 5 第 6 章 無 線 式 温 度 監 視 シ ス テ ム の 用 途 展 開 . . . 8 7 6 . 1 緒 言 . . . 8 7 6 . 2 高 温 環 境 ユ ニ ッ ト の 開 発 . . . 8 7 6 . 2 . 1 機 構 設 計 . . . 8 7 6 . 2 . 2 炉 内 温 度 と 試 験 片 内 部 温 度 . . . 8 9 6 . 2 . 3 高 温 疲 労 試 験 . . . 9 1 6 . 2 . 4 試 験 片 温 度 勾 配 . . . 9 2 第 6 章 参 考 文 献 . . . 9 5 第 7 章 結 論 . . . 9 6

1

第 1 章 緒 論

1 . 1 研 究 背 景 と 目 的

金 属 疲 労 に 関 す る 歴 史 は 長 く ， 世 界 で 最 初 に 発 表 さ れ た 金 属 疲 労 に 関 す る 研 究 論 文 は ， ド イ ツ の 鉱 山 技 師 A l b e r t に よ り 実 施 さ れ た 鉱 山 の 巻 き 上 げ 機 用 の 鉄 製 チ ェ ー ン の 疲 労 強 度 に 関 す る 研 究 報 告

（1 8 3 8） と 言 わ れ て い る ． こ れ 以 前 は ， 金 属 材 料 は ， あ る 限 度 以 上

の 荷 重 を 与 え る と 破 断 し ， そ れ 以 下 の 荷 重 で は 破 断 し な い と い う 概 念 だ け が 知 ら れ て い た が ， こ の 研 究 報 告 が 発 表 さ れ た 以 降 は ， 破 断 限 界 荷 重 未 満 の 荷 重 を 繰 返 し 付 加 す る と 金 属 材 料 に は 疲 労 と い う 現 象 が 生 じ ， や が て 破 断 す る と い う 金 属 疲 労 の 基 礎 概 念 が 広 く 認 識 さ れ ， そ の 後 は 多 数 の 研 究 が 行 わ れ た ．

疲 労 研 究 の 初 期 は 鉄 道 の 発 達 ・ 普 及 時 期 で も あ っ た こ と か ら ， 鉄 道 の 安 全 性 確 保 の 観 点 か ら 金 属 疲 労 研 究 に 対 す る 社 会 的 ニ ー ズ も 高 ま り ， 当 該 分 野 の 研 究 者 も 増 え ， 金 属 疲 労 に 関 す る 研 究 が 次 第 に 体 系 化 さ れ る よ う に な っ た ． 特 に 金 属 疲 労 研 究 を 長 期 的 に 推 進 し た の は ド イ ツ の 鉄 道 技 師 W ö h l e r で ， 多 く の 金 属 材 料 に 対 す る 疲 労 試 験 を 系 統 的 に 実 施 し ，F i g . 1 - 1 に 示 す S - N 曲 線 と 呼 ば れ る グ ラ フ を 用 い て 様 々 な 実 験 結 果 を 蓄 積 し た ． そ し て ， 一 連 の S - N 曲 線 を も と に 材 料 ご と の 安 全 な 繰 返 し 負 荷 限 界 （ 疲 労 限 度 ） を 明 ら か に し ， 鉄 道 車 両 の 車 軸 や レ ー ル ， 鉄 橋 な ど の 実 機 設 計 の 基 礎 デ ー タ の 蓄 積 が 進 ん だ ．

F i g . 1 - 1 E x a m p l e o f S - N c u r v e

第 二 次 世 界 大 戦 後 に 社 会 が 安 定 す る と ， 金 属 疲 労 に 関 す る 研 究 も

2

製 品 設 計 や 安 全 性 確 保 と い っ た 実 践 的 な 研 究 だ け で な く ， 疲 労 亀 裂 の 発 生 メ カ ニ ズ ム や 亀 裂 伝 播 挙 動 の 解 明 な ど ， よ り 詳 細 な 研 究 成 果 が 報 告 さ れ 始 め た ． さ ら に ， 亀 裂 を 含 む 部 材 の 変 形 や 破 壊 強 度 を 理 論 的 に 取 り 扱 う た め の 新 し い 学 問 と し て 破 壊 力 学 が 体 系 化 さ れ る と 共 に ，P a r i s は 破 壊 力 学 パ ラ メ ー タ で あ る 応 力 拡 大 係 数 を パ ラ メ ー タ と し て 採 用 し た 疲 労 亀 裂 伝 播 則 を 提 案 し た ^1）．P a r i s 則 に は 変 動 荷 重 履 歴 条 件 下 で の 伝 播 履 歴 推 定 精 度 が 劣 る こ と 等 の 弱 点 も 残 さ れ て い る も の の ， 安 全 率 を 適 切 に 設 定 す る こ と で ， 疲 労 亀 裂 伝 播 履 歴 の 推 定 に 幅 広 く 活 用 さ れ て い る ．

一 方 ， 電 子 顕 微 鏡 ， レ ー ザ ー 顕 微 鏡 ， さ ら に X 線 を 利 用 し た 各 種 観 察 ・ 分 析 機 器 な ど の 進 歩 の 結 果 ， 金 属 材 料 内 部 の 詳 細 観 察 が 可 能 と な っ た た め ， 疲 労 亀 裂 の 発 生 プ ロ セ ス や 伝 播 メ カ ニ ズ ム な ど の 直 接 観 察 が 可 能 と な っ た ． ま た ， 金 属 材 料 の 表 面 破 面 を 数 千 倍 ・ 数 万 倍 に 拡 大 し て 観 察 し な が ら 、 観 察 場 所 の 局 所 を 切 断 し 切 断 面 を そ の ま ま 傾 け て 電 子 顕 微 鏡 で 直 接 観 察 が で き る よ う な 技 術 も 確 立 さ れ た ． こ の よ う な 観 察 技 術 の 発 展 の 結 果 ， 疲 労 亀 裂 の 成 長 挙 動 に 及 ぼ す 金 属 材 料 学 組 織 の 影 響 や 微 視 的 レ ベ ル で の 亀 裂 成 長 メ カ ニ ズ ム に 関 す る 研 究 が 著 し く 発 展 し ，多 く の 研 究 成 果 ^2）が 蓄 積 さ れ て い る ．一 方 ， 科 学 技 術 の 進 歩 に 応 じ て 次 々 に 新 し い 材 料 お よ び こ れ ら が 適 用 さ れ た 機 器 や 構 造 物 も 開 発 さ れ て お り ， よ り 過 酷 な 環 境 下 で 使 用 さ れ る こ と に な っ て き た ． し た が っ て ， 特 定 の 金 属 材 料 に 対 す る 特 定 の 環 境 下 で の 疲 労 現 象 が 解 明 さ れ て も ， 必 ず し も 広 範 に 製 品 の 安 全 性 を 確 保 す る こ と は で き な い と 懸 念 さ れ る ． す な わ ち ， 金 属 疲 労 に 関 す る 研 究 に は 明 確 な ゴ ー ル は な く ， 時 代 と 共 に 常 に 新 し い 課 題 が 提 起 さ れ て い る ．

ま た ，地 球 環 境 問 題 は い よ い よ 重 大 な 局 面 を 迎 え て お り ，C O2 ガ ス 排 出 を 最 小 限 に 抑 え る よ う な 金 属 材 料 の 有 効 利 用 法 の 確 立 も 新 た な 重 要 テ ー マ に な っ て い る ． こ の 観 点 か ら ， 従 来 よ り も は る か に 長 期 間 に 渡 り 製 品 を 有 効 利 用 す る た め の 基 盤 技 術 と し て ， 近 年 ， 超 高 サ イ ク ル 疲 労 （Ve r y H i g h C y c l e F a t i g u e : V H C F） に 関 す る 研 究 が ， 国 内 外 で 盛 ん に 進 め ら れ て お り ， 当 該 テ ー マ の 国 際 的 な 研 究 集 会 が 初 め て 開 催 さ れ た の は 1 9 9 8 年 で ， C . B a t h i a s に よ り パ リ( C a c e m i )で 開 催 さ れ た E U R O M E C H 3 8 2 “F a t i g u e L i f e i n G i g a c y c l e R e g i m e ” ^3） で あ

3

る ． こ の シ リ ー ズ の 第 2 回 目 の 国 際 会 議 は 3 年 後 の 2 0 0 1 年 に S . E . S t a n z l - Ts c h e g g , H . M a y e r に よ り ， F a t i g u e i n t h e Ve r y H i g h C y c l e

R e g i m e と 題 す る 研 究 集 会 が ウ イ ー ン 農 工 大 で 開 催 さ れ た ． ^4） こ の

折 に ， 今 後 も 3 年 間 隔 で 本 国 際 会 議 を 継 続 的 に 開 催 す る こ と が 確 認 さ れ ， 第 3 回 目 を 日 本 で 開 催 す る こ と と な り ， 酒 井 教 授 （ 立 命 館 大 学 ） と 越 智 教 授 （ 電 気 通 信 大 学 ） が 共 同 議 長 を 務 め ，2 0 0 4 年 に 立 命 館 大 学 び わ こ ・ く さ つ キ ャ ン パ ス (B K C)で 開 催 さ れ た ．^5） こ の と き ， 本 国 際 会 議 の 呼 称 に つ い て 審 議 が あ り ， 第 3 回 目 で 用 い ら れ た” I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Ve r y H i g h C y c l e F a t i g u e ” な る 表 現 を 今 後 も 一 貫 し て 使 用 す る こ と が 確 認 さ れ る と と も に ， 過 去 に 遡 っ て

V H C F - 1, V H C F - 2, V H C F - 3, · · · の よ う に 本 国 際 会 議 の 統 一 し た シ

リ ー ズ 略 称 も 決 ま っ た ．

次 の V H C F - 4 は ， 米 国 ・ ミ シ ガ ン 大 学 を 会 場 に し て J . E . A l i s o n , J .

W. J o n e s , J . M . L a r s e n , R . O . R i t c h i e を 共 同 議 長 と し て 2 0 0 7 年 に 開 催 さ れ た ．^6） こ の と き ，次 回 会 議 (V H C F - 5)の 開 催 地 を ド イ ツ と し ， 代 表 オ ー ガ ナ イ ザ ー と し て C . B e r g e r が 選 出 さ れ ， H . J . C h r i s t と 共 同 議 長 と 共 に ， ベ ル リ ン で 盛 会 裏 に 開 催 さ れ た ．^7）

続 い て ，V H C F - 6 は ，Q . Y. Wa n g と Y. H o n g を 共 同 議 長 と し て ，

2 0 1 4 年 に 中 国 四 川 省 （ 成 都 市 ） で 開 催 さ れ た ． ^8） ま た ， 本 シ リ ー

ズ の 最 新 の 国 際 会 議(V H C F - 7)は ， 本 年 7 月 3 日 ～5 日 の 3 日 間 ，M .

Z i m m e r m a n , H . J . C h r i s t の 2 名 を 共 同 議 長 と し て ， ド イ ツ の ド レ ス

デ ン 市 に て 開 催 さ れ た ． ^9）

ま た ， 今 後 の 開 催 地 と し て は ，2 0 2 0 年 9 月 に 札 幌(北 海 道 大 学 ） で 開 催 す る こ と と な り ， 中 村 孝 教 授 （ 北 海 道 大 学 ） と 酒 井 教 授 （ 立 命 館 大 学 ） が 共 同 議 長 を 務 め る こ と に な っ て い る ．

こ の よ う に ， 超 高 サ イ ク ル 疲 労 に 関 す る 問 題 は 全 世 界 的 に も 重 要 な 研 究 課 題 と し て 認 知 さ れ ， 多 く の 実 験 結 果 や 研 究 成 果 が 蓄 積 さ れ つ つ あ る ． こ れ ら の 研 究 成 果 か ら ， 従 来 は 疲 労 限 に 達 し た と 判 断 さ れ て い た 荷 重 繰 返 し 数 1 0⁷ 回 以 上（ 超 高 サ イ ク ル 領 域 ） で 疲 労 破 壊 す る 材 料 が あ る こ と が 示 さ れ た ^{1 0）}．

超 高 サ イ ク ル 領 域 で 疲 労 破 壊 す る 材 料 の S - N 線 図 は 一 般 に F i g . 1 - 2 に 示 す よ う な 形 状 と な り ， 一 旦 生 じ た 水 平 部 （ 従 来 ， 疲 労 限 と 見

4

な さ れ て い た 繰 返 し 応 力 振 幅 ） が 荷 重 繰 返 し 数 の 増 加 と と も に 低 下 し ， 疲 労 限 が 消 失 す る ． こ の よ う な S - N 線 図 は 二 重 S - N 線 図 と 呼 ば

れ る ^{1 1）}．二 重 S - N 線 図 に お け る 短 寿 命 領 域 で は ，材 料 表 面 を 起 点 と

す る 表 面 破 壊 で あ る の に 対 し ， 長 寿 命 領 域 で は F i g . 1 - 3，F i g . 1 - 4 に 示 す よ う な 材 料 内 部 欠 陥 が 突 然 発 生 ^{1 2）}し ， そ れ ら を 起 点 と し た 内 部 破 壊 で あ り ， 両 者 の 破 壊 機 構 は 異 な る こ と が 知 ら れ て い る ．

F i g . 1 - 2 S - N d i a g r a m f o r S U J 2 s t e e l i n G i g a - c y c l e r e g i m e ( D u p l e x S - N c u r v e s )^{1 1）}

5

F i g . 1 - 3 F r a c t u r e s u r f a c e w i t h f i s h - e y e ^{1 2）} ( σ = 1 3 0 0 M P a , N = 2 . 6 6 × 1 0 6 )

F i g . 1 - 4 F G A a r o u n d i n c l u s i o n a t t h e c e n t e r o f f i s h - e y e i n F i g . 1 - 3 ^{1 2）}

6

し か し な が ら ， 超 高 サ イ ク ル 領 域 で の デ ー タ を 採 取 す る に は 膨 大 な 時 間 が 必 要 で あ り ， 従 来 の 疲 労 試 験 機 で は ， 超 高 サ イ ク ル 領 域 ま で 含 む S - N 曲 線 を 取 得 す る に は 少 な く と も １ 年 以 上 の 長 期 間 が 必 要 で あ る た め ， で き る だ け 短 期 間 で 超 高 サ イ ク ル 領 域 で の 試 験 を 実 施 で き る 疲 労 試 験 機 の 開 発 が 期 待 さ れ た ． そ し て ， こ れ を 実 現 で き る 試 験 機 の １ つ と し て 超 音 波 疲 労 試 験 機 ^{1 3）}が 開 発 さ れ た ．

超 音 波 疲 労 試 験 機 は 固 体 中 を 伝 わ る 縦 波 が 共 振 す る よ う に 振 動 系 が 構 築 さ れ て い る ．F i g . 1 - 5 に 示 す よ う に ， 制 御 シ ス テ ム か ら 高 周 波 電 気 信 号 を 受 け ， 加 振 器 （ ピ エ ゾ 素 子 ） が 発 生 し た 振 動 は ， ホ ー ン 部 分 で 増 幅 さ れ た 後 ， 試 験 片 へ と 伝 わ り 引 張 圧 縮 の 繰 り 返 し 応 力 σ が 負 荷 さ れ る ． 応 力 σ は ， 試 験 片 の 片 側 端 面 に 取 り 付 け ら れ た 変 位 計 に よ る 変 位 か ら 求 め る ． ま た 疲 労 試 験 中 に ， 高 速 の 繰 返 し 負 荷 に 伴 う 試 験 片 中 央 部 の 温 度 上 昇 を 抑 制 す る た め に ， エ ア を 吹 き 付 け て 強 制 冷 却 も し く は 間 欠 運 転 な ど 措 置 を 行 う ． た だ し ， 非 常 に 高 速 で 繰 返 し 付 加 さ れ る た め ， 試 験 中 に 材 料 の 塑 性 変 形 に 伴 う 内 部 発 熱 が 蓄 積 し ， こ の 結 果 試 験 片 に 生 じ る 局 部 的 な 温 度 上 昇 が 疲 労 試 験 結 果 に 影 響 を お よ ぼ す こ と が 懸 念 さ れ る た め ， エ ア を 吹 き 付 け て 冷 却 し な が ら 加 振 す る 対 策 や ， 加 振 を 一 時 的 に 停 止 さ せ て 試 験 片 温 度 低 下 さ せ ， 引 き 続 き 加 振 と 休 止 を 繰 り 返 す な ど の 措 置 を 行 う ．

F i g . 1 - 5 S i m p l e m o d e l o f u l t r a s o n i c t e s t i n g m a c h i n e

7

こ の 超 音 波 疲 労 試 験 機 を 活 用 し ， 様 々 な 材 料 を 対 象 に 超 高 サ イ ク ル 領 域 の 疲 労 試 験 が 行 わ れ て い る が ， 試 験 結 果 の 信 頼 性 に お い て ， 完 全 に 疑 問 が 払 拭 さ れ て い る と は 言 え な い 状 況 で あ る ． そ の 大 き な 理 由 と し て ， 材 料 の 応 力 と ひ ず み 関 係 に 及 ぼ す ひ ず み 速 度 お よ び 温 度 依 存 性 の た め ， 疲 労 試 験 結 果 が 評 価 対 象 で あ る 構 造 物 の 稼 働 状 況 に 対 応 し て い な い こ と が 挙 げ ら れ る ．

一 般 に 金 属 材 料 の 高 サ イ ク ル 疲 労 強 度 に 及 ぼ す 繰 返 し 速 度 の 影 響

は ，1 6 7 H z 程 度 ま で は ほ と ん ど 現 れ な い こ と が 報 告 さ れ て い る ^{1 4）}

が ， そ れ 以 上 の 繰 返 し 速 度 で は ， 降 伏 応 力 と 変 形 抵 抗 の ひ ず み 速 度 依 存 に 起 因 し て 疲 労 強 度 は 上 昇 す る 可 能 性 が あ る ． 超 音 波 疲 労 試 験 は 通 常 の 構 造 物 の 稼 働 状 況 と 大 き く 異 な る 2 0 , 0 0 0 H z 付 近 の 繰 返 し 荷 重 で 行 わ れ る 高 速 試 験 で あ る た め ， 実 構 造 物 と 試 験 片 間 で 疲 労 挙 動 が 大 き く 異 な る 可 能 性 が 高 い ． 一 方 ， 降 伏 応 力 と 変 形 抵 抗 は 温 度 依 存 性 も 有 す る こ と か ら ， 超 音 波 疲 労 試 験 の よ う に 極 め て 高 速 負 荷 条 件 下 に お け る 材 料 の 応 力 と ひ ず み 関 係 ， 更 に は 疲 労 挙 動 が 実 構 造 物 の 稼 働 状 況 と ど の よ う に 異 な る か を 考 慮 す る こ と は 難 し い ．

試 験 片 の 温 度 上 昇 を 防 ぐ 方 法 と し て ， 外 部 か ら 冷 却 し な が ら 加 振 を 行 う 方 法 が あ る が ， 試 験 片 内 部 の 温 度 は 依 然 と し て 高 い 状 態 で あ り ，実 際 の 試 験 片 内 部 温 度 を 正 確 に 把 握 す る こ と は 難 し い ．さ ら に ， 疲 労 試 験 片 の 破 断 部 近 傍 は 応 力 集 中 部 で あ る た め ， 破 断 部 近 傍 で は 外 部 冷 却 に よ る 温 度 勾 配 が 生 じ ， こ れ が 疲 労 試 験 結 果 に 影 響 を 与 え て い る 可 能 性 が あ る ． ま た ， 加 振 ， 休 止 を 行 い な が ら 温 度 上 昇 を 防 ぐ 間 欠 運 転 を 行 う 場 合 ， 加 振 と 休 止 の 最 適 な タ イ ミ ン グ を 求 め る 作 業 は ， か な り 手 間 の か か る 作 業 で あ る だ け で な く ， 一 旦 決 定 し た 加 振 と 休 止 の タ イ ミ ン グ は ， 材 料 や 試 験 片 形 状 が 変 わ っ た 場 合 ， 検 討 し 直 す 必 要 が あ る ． こ こ で 言 う 「 最 適 な 」 タ イ ミ ン グ と は ， 試 験 片 の 温 度 上 昇 を 疲 労 試 験 で 許 容 で き る 範 囲 に 抑 え つ つ 同 じ 回 数 の 振 動 を 試 験 片 に 与 え る 場 合 に ， 試 験 時 間 が 出 来 る 限 り 短 く な る 加 振 と 休 止 の 繰 返 し の タ イ ミ ン グ で あ る ． た だ し ， こ の よ う な 最 適 な タ イ ミ ン グ で 試 験 片 へ の 加 振 と 休 止 が 行 え な い 場 合 は ， 疲 労 試 験 そ の も の が 失 敗 に 終 わ っ て し ま う 上 ， こ の 「 最 適 な 」 タ イ ミ ン グ は 理 論 的 に 導 出 で き る も の で は な い ． ま た ， 仮 に 最 適 な タ イ ミ ン グ で 試 験 が 行 わ れ て も ， 休 止 さ せ る こ と で 試 験 片 に 対 す る 負 荷 を 停 止 さ せ て し ま

8

う た め ， 実 験 結 果 に 影 響 を 及 ぼ す 可 能 性 が あ る ．

以 上 述 べ た よ う に ， 超 音 波 疲 労 試 験 機 を 用 い た 疲 労 試 験 の 結 果 は 稼 働 中 の 実 構 造 物 が 晒 さ れ る 負 荷 状 況 と は 大 き く 異 な る こ と が 懸 念 さ れ る た め ， 超 音 波 疲 労 試 験 デ ー タ と 従 来 手 法 に よ る 疲 労 試 験 デ ー タ に つ い て の 検 証 研 究 の 報 告 ^{1 5）1 6）1 7 )}は あ る も の の ， 従 来 の 手 法 で 取 得 さ れ た 実 績 あ る S - N 曲 線 と 等 価 で ， 疲 労 強 度 評 価 に 用 い る た め に 適 切 な S - N 曲 線 を 取 得 で き る の か 否 か に 関 し て 継 続 的 な 検 討 が 必 要 と 考 え ら れ る ．

上 述 し た 超 音 波 疲 労 試 験 機 を 用 い た 疲 労 試 験 の 課 題 を 考 慮 す る と ， 高 速 か つ 試 験 片 の 温 度 上 昇 が 材 質 変 化 を 及 ぼ さ な い 程 度 に 抑 制 で き る 負 荷 速 度 で ， 超 高 サ イ ク ル 疲 労 領 域 で あ る 1 0⁹ 回 程 度 ま で の 繰 返 し 負 荷 を 与 え る 方 法 で 疲 労 試 験 を 実 施 す る こ と は ， 実 構 造 物 の 長 期 信 頼 性 保 証 の 観 点 か ら 重 要 で あ る ． し か し な が ら ， こ の よ う な 疲 労 試 験 を 通 常 の 疲 労 試 験 機 で 実 施 す る 場 合 は 自 ず と 長 期 間 を 要 す る の で ， 何 ら か の 工 夫 が 望 ま れ る ．

こ の 観 点 か ら ， 一 度 に 複 数 の 試 験 片 が 試 験 で き る 多 連 式 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 の 開 発 が な さ れ た ． そ の 実 例 の 一 つ と し て 1 0 連 式 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 を F i g . 1 - 6 に 示 す ．

9

F i g . 1 - 6 F i v e - s p i n d l e f a t i g u e t e s t i n g m a c h i n e i n r o t a t i n g b e n d i n g^{1 1）}

こ の 試 験 機 は 5 本 の ス ピ ン ド ル の 両 端 に 試 験 片 を 装 着 し ， 片 持 ち 曲 げ 荷 重 を 負 荷 す る 方 式 で ， 平 ベ ル ト を 介 し て 1 台 の モ ー タ ー で す べ て の 試 験 片 に 回 転 曲 げ 荷 重 を 与 え る も の で ， 同 時 に 1 0 本 の 試 験 片 に 対 す る 疲 労 試 験 を 実 施 す る こ と が で き る ．

た だ 試 験 機 の 構 造 上 ，5 本 の ス ピ ン ド ル を 駆 動 す る た め の 平 ベ ル ト に 過 大 な 負 荷 が か か る と と も に ， ベ ル ト そ の も の が 常 時 上 下 に 湾 曲 す る の で ベ ル ト が 損 傷 し 易 い と い う 課 題 が あ っ た ． す な わ ち ， 強 い 張 力 下 で 両 振 り 荷 重 が 重 畳 さ れ る こ と と な り ， ベ ル ト に 対 し て 過 酷 な 使 用 条 件 を 課 す る 結 果 と な り ， メ ン テ ナ ン ス を 頻 繁 に し な け れ ば 使 用 で き な い 試 験 機 で あ っ た ． こ の 点 を 解 決 す る た め に ，F i g . 1 - 7 に 示 す ス ピ ン ド ル を 2 本 だ け に 限 定 し ， ス ピ ン ド ル の 両 端 に 同 様 に 試 験 片 を 装 着 す る 方 式 の 片 持 ち 式 4 連 式 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 を 立 命 館 大 学 の 酒 井 達 雄 と ㈱ 山 本 金 属 製 作 所 が 共 同 で 開 発 し た ^{1 8）1 9）2 0）2 1）}.

10

F i g . 1 - 7 D u a l - s p i n d l e r o t a t i n g b e n d i n g f a t i g u e t e s t i n g m a c h i n e ( G I G A Q U A D ) ^{1 8）}

さ ら に ， 著 者 を 含 む 開 発 チ ー ム は ，F i g . 1 - 8 に 示 す 使 用 者 の 安 全 性 を 考 慮 し ， 環 境 オ プ シ ョ ン の 拡 張 が 容 易 に で き ， 様 々 な 箇 所 に あ っ た ア ナ ロ グ ボ タ ン を 一 つ の タ ッ チ パ ネ ル で 使 用 で き る こ と で 操 作 性 を 改 善 し た 片 持 ち 式 4 連 式 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 を 開 発 ^{2 1）}し ， い く つ か の 実 験 結 果 を 報 告 ^{2 1）2 2 )}し て き た ．

11

F i g . 1 - 8 D u a l - s p i n d l e r o t a t i n g b e n d i n g f a t i g u e t e s t i n g m a c h i n e (品 名 ・ 型 式 ： G I G A Q U A D Y R B 3 0 0 L)

1 . 2 本 論 文 の 構 成

本 研 究 で は ， 超 高 サ イ ク ル 疲 労 領 域 に お け る 試 験 デ ー タ を ， 従 来 の 疲 労 試 験 デ ー タ と の 等 価 性 を 担 保 し つ つ 試 験 期 間 を 出 来 る 限 り 短 縮 し て 取 得 す る こ と を 目 的 に ， 著 者 が 開 発 し て き た 多 連 式 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 を 活 用 し た 信 頼 性 が 高 い 疲 労 試 験 方 法 の 提 案 を 行 う ．

本 論 文 の 構 成 は 以 下 の 通 り で あ る ． 第 1 章 の 緒 論 で は 本 研 究 の 背 景 お よ び 論 文 構 成 を 述 べ る ． 第 2 章 で は 現 状 の 疲 労 試 験 方 法 の 概 要 と そ の 問 題 点 を 述 べ る ． 第 3 章 で は ， 著 者 ら が こ れ ま で に 開 発 し て き た 多 連 式 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 の 特 徴 に つ い て 紹 介 す る ． 第 4 章 で は 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 用 の 無 線 式 温 度 監 視 シ ス テ ム の 開 発 に つ い て 述 べ る ． 第 5 章 で は 高 速 回 転 可 能 な 4 連 式 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 の 開 発 に つ い て 述 べ る ． 第 6 章 で は 無 線 式 温 度 監 視 シ ス テ ム の 用 途 展 開 に つ い て 提 案 す る ． 最 後 に 第 ７ 章 は 結 論 で あ り ， 本 研 究 の 成 果 と の 将 来 課 題 に つ い て 述 べ る ．

12 第 1 章 参 考 文 献

1 ) P a r i s , P. C . a n d E r d o g a n , F. : A C r i t i c a l A n a l y s i s o f C r a c k P r o p a g a t i o n L a w s , J o u r n a l o f B a s i c E n g i n e e r i n g , T r a n s a c t i o n s o f t h e A S M E , S e r i e s D , Vo l . 8 5 , 1 9 6 3 , p p . 5 2 8 - 5 3 4 .

2 ) M a y e r H : F a t i g u e c r a c k g r o w t h a n d t h r e s h o l d m e a s u r e m e n t s a t v e r y h i g h f r e q u e n c i e s , I n t e r n a t i o n a l M a t e r i a l s R e v i e w s 2 0 1 5 .

3 ) C . B a t h i a s： P r o c . E U R O M E C H 3 8 2 “F a t i g u e L i f e i n t h e G i g a c y c l e R e g i m e ” , ( 1 9 9 8 ) , C a c e m i .

4 ) S . E . S t a n z l - Ts c h e g g a n d H . M a y e r：P r o c . I n t . C o n f . o n F a t i g u e i n t h e Ve r y H i g h C y c l e R e g i m e , ( 2 0 0 1 ) , I n s t i t u t e o f M e t e o r o l o g y a n d P h y s i c s , B O K U .

5 ) T. S a k a i a n d Y. O c h i：P r o c . o f V H C F - 3 , ( 2 0 0 4 ) , T h e S o c . M a t e r . S c i . , J a p a n .

6 ) J . E . A l l i s o n , J . W. J o n e s e t a l .：P r o c . o f V H C F - 4 , ( 2 0 0 7 ) , T M S .

7 ) C . B e r g e r a n d H . J . C h r i s t：P r o c . o f V H C F - 5 , ( 2 0 1 1 ) , D V M .

8 ) Q . Y. Wa n g a n d Y. H o n g： P r o c . o f V H C F - 6 , ( 2 0 1 4 ) , S i c h u a n U n i v . , C h e n g d o U n i v. , N S F C , S TA M .

9 ) M . Z i m m e r m a n a n d H . J . C h r i s t： P r o c . o f V H C F - 7 , ( 2 0 1 7 ) , D V M .

1 0 ) S a k a i T. , e t a l . : FAT I G U E ’ 9 9 , p r o c e e d i n g s o f t h e s e v e n t h i n t e r n a t i o n a l f a t i g u e c o n g r e s s , Vo l u m e 1 , 1 9 9 9

1 1 ) S a k a i T. a n d U e n o A .：J o u r n a l o f t h e J I M E , Vo l . 4 4 N o . 5 ( 2 0 0 9 ) .

1 2 ) S a k a i T. , e t a l . : A r e v i e w o n f a t i g u e f r a c t u r e m o d e s o f s t r u c t u r a l

13

m e t a l l i c m a t e r i a l s i n v e r y h i g h c y c l e r e g i m e , I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f F a t i g u e 9 3 ( 2 0 1 6 ) , 3 3 9 - 3 5 1 .

1 3 ) M a s o n , W. P. , 1 9 5 0 . P i e z o e l e c t r i c C r y s t a l s a n d t h e i r a p p l i c a t i o n i n u l t r a s o n i c . Va n N o s t r a n d , N e w Yo r k , p p . 1 6 1 .

1 4 ) 日 本 学 術 振 興 会 金 属 材 料 の 疲 労 と 疲 労 第 1 2 9 委 員 会（ 編 集 ），

金 属 材 料 の 強 度 お よ び 疲 労 資 料 集 成 ， 第 1 編 （1 9 7 0）， p 3 5 5 .

1 5 ) S c h n e i d e r N . , e t a l . : F r e q u e n c y e f f e c t a n d i n f l u e n c e o f t e s t i n g t e c h n i q u e o n t h e f a t i g u e b e h a v i o r o f q u e n c h e d a n d t e m p e r e d s t e e l a n d a l u m i n u m a l l o y, I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f F a t i g u e 9 3 ( 2 0 1 6 ) 2 2 4 - 2 3 1 .

1 6 ) 小 嶺 徳 晃, 超 音 波 疲 労 試 験 に 関 す る 最 近 の 話 題 , T h e S o c i e t y

o f M a t e r i a l S c i e n c e J a p a n , p 1 1 4 .

1 7 ) B e n j a m i n G . , e t a l . : E f f e c t o f t h e l o a d i n g f r e q u e n c y o n f a t i g u e p r o p e r t i e s o f J I S S 1 5 C l o w c a r b o n s t e e l a n d s o m e d i s c u s s i o n s b a s e d o n m i c r o - p l a s t i c i t y b e h a v i o r , I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f F a t i g u e 6 6 ( 2 0 1 4 ) 2 9 - 3 8 .

1 8 ) Ya m a m o t o T, S a k a i T. , e t a l : D e v e l o p m e n t a n d f u n d a m e n t a l p e r f o r m a n c e o f d u a l - s p i n d l e r o t a t i n g b e n d i n g f a t i g u e t e s t i n g m a c h i n e w i t h s p e c i a l d e v i c e p r o v i d i n g c o r r o s i v e e n v i r o n m e n t s , 5^{t h} i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e o n V H C F.

1 9 ) Ya m a m o t o T, S a k a i T. , D e v e l o p m e n t a n d s e v e r a l a d d i t i o n a l p e r f o r m a n c e s o f d u a l - s p i n d l e r o t a t i n g b e n d i n g f a t i g u e t e s t i n g m a c h i n e G I G A Q U A D , 1 3^{t h} i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e o n F r a c t u r e , 2 0 1 3 .

2 0 ) Ya m a m o t o T, S a k a i T. , e t a l : D e v e l o p m e n t a n d s e v e r a l a d d i t i o n a l

14

p e r f o r m a n c e s o f d u a l - s p i n d l e r o t a t i n g b e n d i n g f a t i g u e t e s t i n g m a c h i n e , 6^{t h} i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e o n V H C F, 2 0 1 4 .

2 1 ) Ya m a m o t o T, G o t o h K . , e t a l : R e l a t i o n s h i p b e t w e e n t e m p e r a t u r e p r o p e r t y a n d l o a d i n g f r e q u e n c y o f r o t a t i n g b e n d i n g f a t i g u e t e s t i n g m a c h i n e o f c a n t i l e v e r t y p e , 7^{t h} i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e o n V H C F, 2 0 1 7 .

2 2 ) G o t o h , K . , N a k a g o m e , S . Ya m a m o t o , T. a n d E n o m o t o , M . , F a t i g u e p e r f o r m a n c e o f L i g h t m e t a l s ( A 6 0 0 5 C a n d A Z X 6 1 1 ) a n d t h e i r F S W j o i n t s , P r o c e e d i n g s o f 4 t h E u r o p e a n C o n f e r e n c e J O I N - T R A N S 2 0 1 6 o n J o i n i n g a n d C o n s t r u c t i o n o f R a i l Ve h i c l e s ( 2 0 1 6 ) .

15

第 2 章 従 来 の 疲 労 試 験 機 と そ の 問 題 点

2 . 1 緒 言

機 械 製 品 や 構 造 物 を 設 計 す る 際 ， 使 用 す る 材 料 の 疲 労 強 度 を 参 照 し ， 部 材 に 発 生 す る 応 力 が 疲 労 強 度 よ り 低 く な る よ う に 材 料 を 選 択 し ，形 状 ・ 寸 法 を 決 め る「 疲 労 設 計 」が 一 般 的 で あ る ．し た が っ て ， 多 種 多 様 な 材 料 の そ れ ぞ れ に つ い て ，S - N 曲 線 や 疲 労 強 度 な ど の 設 計 用 基 礎 デ ー タ が 揃 っ て い な け れ ば ，そ も そ も 機 械 設 計 は で き な い ．

こ の よ う な 基 礎 デ ー タ を 整 備 す る た め に は ， 各 材 料 に つ い て 疲 労 試 験 を 行 っ て 得 ら れ た 結 果 を 体 系 的 に 蓄 積 す る 必 要 が あ る ．

一 方 ， 疲 労 試 験 は 多 種 の 試 験 片 を 準 備 し て ， 順 次 繰 返 し 荷 重 を 負 荷 し て 破 断 ま で の 繰 返 し 数 を 求 め る の で ， 一 組 の 疲 労 試 験 デ ー タ を 得 る の に 長 期 間 を 要 す る ． そ の た め ， 何 ら か の 能 率 的 な 疲 労 試 験 方 法 の 確 立 が 望 ま れ る 。

こ こ で は ， 疲 労 試 験 で 用 い ら れ る 従 来 の 疲 労 試 験 機 の 種 類 お よ び 特 徴 を 紹 介 す る ．

2 . 2 電 気 油 圧 サ ー ボ 式 疲 労 試 験 機

現 在 ， 世 界 的 に 広 く 普 及 し て い る 疲 労 試 験 機 の 一 つ と し て は ， シ リ ン ダ ー と ピ ス ト ン を 組 合 せ ， 高 圧 作 動 油 を ピ ス ト ン の 両 側 に 交 互 に 流 入 さ せ る 方 式 を 持 つ ， 電 気 油 圧 サ ー ボ 式 疲 労 試 験 機 が あ る ． 負 荷 機 構 の 模 式 図 を F i g . 2 - 1 に 示 す が ， ピ ス ト ン を 往 復 運 動 さ せ る 方 式 に よ り 試 験 片 に 繰 返 し 荷 重 を 負 荷 す る 仕 組 み で あ り ， 荷 重 の 精 度 や 安 定 性 が 高 い の が 特 徴 で あ る ． こ の 切 り 替 え を 電 気 的 に 高 速 で 行 う こ と で 高 速 の 繰 返 し 負 荷 が 可 能 で あ る ． 金 属 材 料 に 繰 返 し 荷 重 を 与 え る 際 ， 繰 返 し 速 度 が 1 0 0 H z 程 度 に な る と ， 試 験 片 が 発 熱 し て 温 度 上 昇 す る こ と が 多 い の で ， 通 常 の 疲 労 試 験 は 毎 秒 5 0 H z～6 0 H z 程 度 の 速 度 で 実 施 さ れ る ．

16

F i g . 2 - 1 S c h e m a t i c i l l u s t r a t i o n o f l o a d i n g s y s t e m i n s t a l l e d i n s e r v o h y d r a u l i c f a t i g u e t e s t i n g m a c h i n e .

M o v e m e n t t o r i g h t M o v e m e n t t o l e f t

17

F i g . 2 - 2 A n e x a m p l e o f r e p r e s e n t a t i v e t e s t i n g m a c h i n e^1）

【 問 題 点 】

疲 労 試 験 を 5 0 H z～6 0 H z の 負 荷 速 度 で 実 施 す る と ，1 0⁷ 回 の 繰 返 し 負 荷 を 与 え る た め に は 2～ 3 日 を 要 す る ．し た が っ て ，十 数 本 の 試 験 片 を 用 意 し て 金 属 材 料 の S - N 曲 線 を 実 験 的 に 求 め る の に 数 週 間 の 時 間 を 要 す る こ と に な る ． し た が っ て ， 近 年 注 目 さ れ て い る 繰 返 し 数 1 0⁸ 回 以 上 の ギ ガ サ イ ク ル 領 域 で は 1 カ 月 か ら 1 年 程 度 の 時 間 を 要 す る こ と と な り ， デ ー タ 採 取 期 間 が 非 常 に 長 期 間 と な る こ と が 問 題 と さ れ て い る ．

2 . 3 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 （ 両 持 ち 式 ）

F i g . 2 - 3 に 両 持 ち 式 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 の 例 を 示 す ．左 右 の 回 転 軸

の 中 央 部 に 試 験 片 を 取 り 付 け ， コ の 字 形 の 負 荷 フ レ ー ム の 中 心 部 に 丸 棒 を 通 し ， こ の 棒 の 下 端 部 に 重 り を 載 せ る 方 式 で 試 験 片 に 曲 げ 荷 重 を 与 え ， 一 端 に 組 付 い て い る モ ー タ ー を 回 転 さ せ る こ と で 回 転 曲

18

げ 荷 重 を 負 荷 す る ． 開 発 者 の 名 前 か ら 小 野 式 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 と 称 さ れ る こ と も あ る ． 新 幹 線 や 従 来 線 の 鉄 道 車 両 の 両 軸 に は ， 走 行 中 に こ の よ う な 繰 返 し 回 転 曲 げ 荷 重 が 作 用 し て い る ．

F i g . 2 - 3 E x a m p l e o f r e p r e s e n t a t i v e r o t a t i n g b e n d i n g f a t i g u e t e s t i n g m a c h i n e o f O n o t y p e^2）

【 問 題 点 】

電 気 油 圧 サ ー ボ 式 疲 労 試 験 機 同 様 ，疲 労 試 験 の 負 荷 速 度 は 3 0 H z～

6 0 H z で あ る た め ， 金 属 材 料 の S - N 曲 線 を 実 験 的 に 求 め る の に 数 週

間 の 時 間 を 要 す る ． し た が っ て 繰 返 し 数 1 0⁸ 回 以 上 の ギ ガ サ イ ク ル 領 域 で は 1 カ 月 か ら 1 年 程 度 の 時 間 を 要 す る こ と と な り ， デ ー タ 採 取 期 間 が 非 常 に 長 期 間 と な る こ と が 問 題 と さ れ て い る ．

ま た ， 両 持 ち 式 で あ る た め 軸 の 精 確 な 調 整 が 難 し く ， 高 速 回 転 で は 軸 ぶ れ に よ る 振 動 が 生 じ や す い ．

2 . 4 超 音 波 疲 労 試 験 機

丸 棒 状 の 試 験 片 の 端 部 に 超 音 波 を 入 力 す る と ， 材 種 ・ 直 径 ・ 長 さ を 適 切 に 設 定 し た 場 合 ， 試 験 片 が 自 分 自 身 で 振 動 し て 高 速 で 引 張 圧 縮 荷 重 を 負 荷 で き る ． こ の よ う に 試 験 片 自 身 が 条 件 を 満 足 し て 振 動

19

す る よ う な 現 象 を 共 振 と 呼 び ， 鋼 材 の 場 合 ，5～1 0 c m 程 度 の 長 さ に す る と 共 振 が 生 じ る 周 波 数 は 毎 秒 2 0 , 0 0 0 回 に な る の で ，こ の タ イ プ の 疲 労 試 験 機 の 負 荷 速 度 は 毎 秒 2 0 , 0 0 0 回 程 度 に 設 定 し ，試 験 片 の 形 状 ・ 寸 法 を 微 調 整 し て 共 振 を 実 現 す る よ う な 方 法 が 採 ら れ て い る ． 負 荷 原 理 が シ ン プ ル で あ り ， 概 念 図 を 前 章 の F i g . 1 - 5 に 示 し た よ う に 試 験 機 の 構 造 も 極 め て 簡 単 で あ る ． 超 音 波 を 伝 達 し 拡 大 す る た め の ホ ー ン と 呼 ば れ る 円 柱 状 の 棒 の 上 端 に 超 音 波 発 生 器 を つ な ぎ ， こ の 棒 の 下 端 部 に 下 図 の よ う な 試 験 片 形 状 が ネ ジ で 固 定 さ れ て い る ． 試 験 片 負 荷 精 度 は そ れ ほ ど 高 く な い が ， 試 験 片 の 変 位 よ り 推 定 す る こ と が で き る ．

こ の タ イ プ の 疲 労 試 験 機 は ， 従 来 型 の 試 験 機 に 比 べ て 負 荷 速 度 が 数 百 倍 速 い の で ， 極 め て 短 時 間 で 疲 労 試 験 が 実 施 で き る 長 所 を 有 す

る ．F i g . 2 - 4 に 超 音 波 疲 労 試 験 機 の 例 を 示 す ．

F i g . 2 - 4 E x a m p l e o f u l t r a s o n i c f a t i g u e t e s t i n g m a c h i n e^3）

20

【 問 題 点 】

ほ と ん ど の 金 属 で 高 速 負 荷 に よ る 試 験 片 の 発 熱 が 生 じ る た め ， こ れ を 強 制 的 に 冷 却 す る 必 要 が あ る ． 冷 却 な し で 疲 労 試 験 を 行 っ た 場 合 ， 材 種 に よ っ て は 数 分 で 試 験 片 が 融 点 に 達 し て 溶 解 す る こ と も あ り え る ． 負 荷 中 の 試 験 片 冷 却 方 法 と し て は ， 冷 却 し た 空 気 を ノ ズ ル か ら 吹 き 付 け る 方 法 や ， 高 速 負 荷 を 間 欠 的 に 休 止 し ， 試 験 片 の 温 度 を あ る 程 度 低 下 さ せ つ つ 試 験 を 継 続 す る 手 法 が 採 ら れ る ． し か し ， 試 験 片 を 完 全 に 冷 却 す る こ と は 困 難 で あ る ． 加 え て ， こ れ ま で に 多 く の 試 験 デ ー タ の 蓄 積 が あ る 負 荷 速 度 （ 最 大 5 0 H z 程 度 ） や 試 験 温 度 （ 主 に 常 温 ） で の 疲 労 試 験 と 超 音 波 疲 労 試 験 に よ る 実 験 結 果 の 整 合 性 に つ い て は ， 現 在 で も 種 々 の 立 場 か ら 議 論 さ れ て い る ．

2 . 5 多 連 式 疲 労 試 験 機

限 ら れ た 時 間 内 に 能 率 的 な 疲 労 試 験 機 を 実 施 す る た め の ， も う 一 つ の 方 法 は ， 同 時 に 多 数 の 試 験 片 に 対 す る 疲 労 試 験 が 可 能 な マ ル チ 式 疲 労 試 験 機 で あ る ．

前 章 の F i g . 1 - 6 に 示 し た 試 験 機 は ， 酒 井 ら が 開 発 し た 1 0 連 式 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 ^4）で ， 5 本 の ス ピ ン ド ル の 両 端 に 試 験 片 を 装 着 し ， 1 台 の モ ー タ ー で 平 ベ ル ト を 介 し て す べ て の ス ピ ン ド ル を 回 転 さ せ る 方 式 に な っ て い る ．

【 問 題 点 】

試 験 機 の 構 造 上 ，5 本 の ス ピ ン ド ル を 駆 動 す る た め の 平 ベ ル ト に 過 大 な 負 荷 が か か る と と も に ， ベ ル ト そ の も の が 常 時 上 下 に 湾 曲 す る の で ベ ル ト が 損 傷 し 易 い ． す な わ ち ， 強 い 張 力 下 で 両 振 り 荷 重 が 重 畳 さ れ る こ と と な り ， ベ ル ト に 対 し て 過 酷 な 使 用 条 件 を 課 す る 結 果 と な り ， メ ン テ ナ ン ス を 頻 繁 に し な け れ ば 使 用 で き ず ， 能 率 的 な 試 験 機 に す る に は さ ら に 改 良 を 加 え て い く 必 要 が あ る ．

2 . 6 結 言

従 来 の 試 験 機 は ， そ の 用 途 に 合 わ せ て 使 用 さ れ て い る が ， 今 後 さ

21

ら に 長 期 間 に 渡 り 製 品 を 有 効 利 用 す る た め の 基 盤 技 術 と し て ， 超 高 サ イ ク ル で の 疲 労 試 験 デ ー タ が 活 用 さ れ る 必 要 が あ る ．そ の 為 に は ， 上 述 し た 問 題 点 を 把 握 し た 上 で ， よ り 高 効 率 で 信 頼 性 高 い 新 た な 試 験 機 が 求 め ら れ る ． 著 者 ら は こ れ ら の 問 題 を 解 決 す る た め に ，4 連 式 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 を 開 発 し た ．新 た な 試 験 機 の 開 発 事 例 と し て ， 次 章 で 詳 し く 述 べ る ．

第 2 章 参 考 文 献

1 ) h t t p : / / w w w. i n s t r o n . j p / j a - j p / p r o d u c t s / t e s t i n g - s y s t e m s / d y n a m i c - a n d - f a t i g u e - s y s t e m s / s e r v o h y d r a u l i c - f a t i g u e / 8 8 0 1 - f l o o r - m o d e l ,

( a c c e s s e d o n D e c e m b e r 3 1 , 2 0 1 7 )

2 ) h t t p s : / / w w w. a n . s h i m a d z u . c o . j p / t e s t / p r o d u c t s / m t r l 0 2 / h 7 . h t m , ( a c c e s s e d o n D e c e m b e r 3 1 , 2 0 1 7 )

3 ) h t t p s : / / w w w. a n . s h i m a d z u . c o . j p / t e s t / p r o d u c t s / m t r l 0 2 / m t r l 0 2 1 1 . h t m , ( a c c e s s e d o n D e c e m b e r 3 1 , 2 0 1 7 )

4 ) S a k a i T. a n d U e n o A .： J o u r n a l o f t h e J I M E , Vo l . 4 4 N o . 5 ( 2 0 0 9 ) .

22

第 3 章 4 連 式 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 の 開 発

3 . 1 緒 言

前 章 で も 述 べ た が ， 限 ら れ た 時 間 内 に 能 率 的 な 疲 労 試 験 機 を 実 施 す る た め に ， 負 荷 速 度 を 速 く す る 方 法 と ， 同 時 に 多 数 の 試 験 片 に 対 し 疲 労 試 験 を 行 う 方 法 が あ る ．

負 荷 速 度 を 速 く す る 方 法 に お け る 問 題 点 と し て は ， 前 章 で 超 音 波 疲 労 試 験 機 に 関 し て 述 べ た ， 負 荷 に 伴 う 試 験 片 温 度 上 昇 を 抑 制 す る た め の 冷 却 方 法 と ， こ れ ま で に 多 く の 試 験 デ ー タ の 蓄 積 が あ る 負 荷 速 度 （ 最 大 5 0 H z 程 度 ） に お け る 実 験 結 果 と の 整 合 性 が 挙 げ ら れ る ．

同 時 に 多 数 の 試 験 片 に 対 し て 疲 労 試 験 を 行 う 方 法 と し て は ， 前 章 で 十 連 式 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 に 関 し て 述 べ た ， 試 験 機 そ の も の の 堅 牢 性 が 劣 る こ と が あ る ．

そ こ で 著 者 ら は ， 限 ら れ た 時 間 内 に 能 率 的 な 疲 労 試 験 を 行 う 方 法 と し て ， 同 時 に 多 数 の 試 験 片 に 対 し 疲 労 試 験 を 行 う 多 連 式 に 着 目 し ， 既 存 の 課 題 で あ っ た ベ ル ト 損 傷 の 問 題 を 解 決 す る 構 造 に 改 良 し た 4 連 式 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 を 開 発 し た ．

23

3 . 2 ４ 連 式 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 の 構 造

著 者 ら は ，F i g . 3 - 1 に 示 す 4 連 式 片 持 ち 式 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 を 開 発 し た ．

( a )G I G A Q U A D Y R B 2 0 0 ( b ) G I G A Q U A D Y R B 2 0 0 L F i g . 3 - 1 D u a l - s p i n d l e r o t a t i n g b e n d i n g f a t i g u e t e s t i n g m a c h i n e

Ta b l e 3 - 1 S p e c i f i c a t i o n o f t h e D e v i c e

Y R B 2 0 0 Y R B 2 0 0 L

M o t o r 0 . 2 k w - 4 P 0 . 4 k w - 4 p

P o w e r 3 8 0 V 3 8 0 V

C o l l e t C h u c k Φ 5 ~ 1 0 Φ 1 0 ~ 1 6 M a x i m u m

a p p l i e d l o a d 2 0 k g * 4 8 0 k g * 4 S p i n d l e

S p e e d 3 , 1 5 0 r p m 3 , 1 5 0 r p m

We i g h t 1 4 0 k g 1 7 0 k g

S i z e 4 7 0 * 4 0 0 * 1 0 5 0 8 0 0 * 6 6 0 * 1 1 0 0 S p i n d l e

N u m b e r 2 2

24

2 本 の ス ピ ン ド ル の 両 端 に 試 験 片 を 装 着 し ， 1 台 の モ ー タ ー で V ベ ル ト を 介 し て ， そ れ ぞ れ の ス ピ ン ド ル を 回 転 さ せ る 方 式 を 採 用 し て い る ．し た が っ て ，各 ス ピ ン ド ル の 両 端 に 試 験 片 を 組 付 け ，F i g . 3 - 2 に 例 示 す る よ う に 自 由 端 に ベ ア リ ン グ を 介 し て 所 定 の 重 鎮 を 吊 る す こ と で 片 持 ち 曲 げ 形 式 の 負 荷 を 与 え る 仕 組 み に な っ て お り ， 同 時 に 4 本 の 試 験 片 に 対 す る 疲 労 試 験 が 実 施 可 能 で あ る ．

L： L e n g t h b e t w e e n l o a d i n g p o i n t a n d f a c e o f c h u c k i n g p a r t x： L e n g t h b e t w e e n c r i t i c a l p o r t i o n a n d f a c e o f c h u c k i n g p a r t W： L o a d i n g w e i g h t

F i g . 3 - 2 C a n t i l e v e r t y p e o f r o t a t i n g b e n d i n g f a t i g u e t e s t i n g m a c h i n e

片 持 ち 式 疲 労 試 験 機 の 試 験 片 取 り 付 け 部 ， す な わ ち 上 図 に お け る つ か み 部 に は ， 工 作 機 械 の 工 具 装 着 で よ く 用 い ら れ る 「 コ レ ッ ト チ ャ ッ ク （F i g . 3 - 3 参 照 ）」 及 び 「 コ レ ッ ト ナ ッ ト （ F i g . 3 - 4 参 照 ）」 と 呼 ば れ る 把 持 具 を 採 用 し た ．

試 験 片 脱 着 の 手 順 を F i g . 3 - 5 に 示 す が ， こ の つ か み 部 構 造 を 採 用 す る こ と で 試 験 片 の 脱 着 が 容 易 に な る こ と に 加 え ， 試 験 片 の 取 付 時

25

の 試 験 機 回 転 軸 か ら の 偏 心 を 抑 制 す る こ と が で き ， 結 果 と し て 精 度 良 く 負 荷 応 力 を 設 定 で き る ．

F i g . 3 - 3 C o l l e t c h u c k f o r c h u c k i n g s p e c i m e n

F i g . 3 - 4 P i c t u r e o f c h u c k i n g p a r t s o f s p e c i m e n

C o l l e t n u t ( C h u c k i n g p a r t )

26

F i g . 3 - 5 P r o c e d u r e t o f i x a n d r e m o v e t h e s p e c i m e n

3 . 3 4 連 式 に よ る 試 験 期 間 短 縮

Ta b l e 3 - 2 は ， 8 本 の 試 験 片 に 対 し て ， あ る 応 力 に て 5 0 H z～ 6 0 H z

の 繰 返 し 負 荷 速 度 条 件 下 に お い て 疲 労 試 験 を 行 っ た 時 の ， 一 般 的 な 破 断 ま で の 日 数 （ 試 験 時 間 ） で あ る ．

Ta b l e 3 - 2 G u i d e v a l u e s o f t h e n u m b e r o f c y c l e s t o f a i l u r e a n d t h e t e s t p e r i o d i n f a t i g u e t e s t s

こ れ ま で の 一 般 的 な 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 に お け る 試 験 方 法 は ， 試 験 片 が 破 断 し て ， 破 断 し た 試 験 片 を 取 り 外 し ， そ し て 新 に 試 験 片 を 取 り 付 け る と い う 作 業 を 行 う た め ， 待 機 時 間 （ 手 待 ち 時 間 ） が 非 常 に 長 く な っ て い た ． そ の 為 ， 迅 速 に 試 験 を 終 え る 為 に は ， 複 数 台 の 試 験 機 を 準 備 し 並 行 し て 同 時 に 行 う 必 要 性 が あ っ た ．

H o w t o f i x

H o w t o r e m o v e

27

F i g . 3 - 6 に ，従 来 の 両 持 ち 式 の 疲 労 試 験 機 と 4 連 式 の 疲 労 試 験 機 で

疲 労 試 験 を 行 っ た 際 の 試 験 終 了 ま で 目 安 期 間 を 示 す ． そ れ ぞ れ の 試 験 片 に 対 す る 破 断 ま で の 期 間 は ，Ta b l e 3 - 2 と 同 様 に 考 え る ．

4 連 式 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 に て 実 験 し た 場 合 は ， 同 時 に 4 本 の 試 験 片 に 繰 返 し 負 荷 を 掛 け る こ と で き る 為 ， お お よ そ 同 じ 時 間 帯 で 破 断 し そ う な 負 荷 を 同 時 並 行 で 行 う こ と で ， 上 記 の 待 機 時 間 の 大 幅 短 縮 を 図 る こ と が で き る ．

F i g . 3 - 6 S t a n d a r d o f t e s t i n g p e r i o d b e t w e e n b o t h - h a n d e d t y p e a n d d u a l - s p i n d l e t y p e t o f a i l u r e

3 . 4 4 連 式 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 の 標 準 試 験 片 形 状

4 連 式 の 片 持 ち 式 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 の 標 準 試 験 片 形 状 と し て ，

F i g . 3 - 7 に 示 す J I S 2 2 7 4 に 示 さ れ る 2 号 試 験 片 （ 砂 時 計 型 試 験 片 ） の

形 状 が 用 い ら れ る ．

試 験 片 の 把 持 部 で あ る  の 部 分 は ， 試 験 機 を 使 う ユ ー ザ が 自 由 に 決 め る こ と が で き る が ， 破 断 部 の は 供 試 材 に 応 じ て ， 適 切 な 応 力 レ ベ ル に 収 ま る よ う に 設 定 さ れ る ． た だ し ，F i g . 3 - 3 に 示 し た 試 験 片 把 持 部（ コ レ ッ ト チ ャ ッ ク ）の 直 径 は ，5～1 6 m m の 範 囲 の 1 m m 単 位 で チ ャ ッ ク が 準 備 さ れ て い る た め ， ユ ー ザ は そ の 範 囲 で 試 験 片 の 部 寸 法 を 決 定 す る 必 要 が あ る ．

28

F i g . 3 - 7 S h a p e a n d d i m e n s i o n s o f s p e c i m e n

3 . 5 試 験 片 破 断 部 の 表 面 粗 さ に つ い て

本 研 究 で は 高 速 負 荷 可 能 な 4 連 式 片 持 ち 型 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 を 提 案 す る こ と に 加 え ， 同 試 験 機 で 標 準 的 に 使 用 す る 試 験 片 の 要 求 仕 様 に つ い て も 検 討 し た ． 疲 労 試 験 は 一 般 に バ ラ ツ キ が 多 い も の と 認 識 さ れ て い る が ，こ の 要 因 の 一 つ に 試 験 片 の 加 工 精 度 が 挙 げ ら れ る ． 繰 り 返 し 数 1 0⁷ 回 ま で の 程 度 で 生 じ る 疲 労 破 壊 は 自 由 表 面 か ら 発 生 す る た め ， 試 験 片 表 面 の 加 工 精 度 （ 表 面 粗 さ ） が 試 験 結 果 の バ ラ ツ キ の 一 因 と 考 え ら れ る ． そ こ で ， 片 持 ち 式 疲 労 試 験 機 の 標 準 型 の 試 験 片 に お い て ， 表 面 粗 さ が ど の 程 度 ， 疲 労 試 験 結 果 に 及 ぼ す 影 響 を 検 討 し た ．

Ta b l e 3 - 3 に 示 す A 5 0 8 3 P - O ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 を 用 い て F i g . 3 - 8 に

示 す 試 験 片 を 作 成 し ， 疲 労 試 験 を 実 施 し た ．

Ta b l e 4 - 3 C h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f A 6 0 0 5 C u s e d ( w t % )^2） ( a ) C a n t i l e v e r t y p e s p e c i m e n f o r b a s e m e t a l .

S i F e C u M n M g C r Z n T i

0 . 5 7 0 . 0 5 0 . 1 0 0 . 0 7 0 . 6 6 0 . 0 5 0 . 0 0 0 . 0 1

：L e n g t h o f t h e s p e c i m e n

：D i a m e t e r o f t h e c r i t i c a l s e c t i o n

： D i a m e t e r o f t h e s p e c i m e n g r i p

29

F i g . 3 - 8 C a n t i l e v e r t y p e r o t a r y b e n d i n g s p e c i m e n (Kt= 1 . 0 8 )

試 験 片 の 破 断 部 近 傍 （ F i g . 3 - 8 に お い て 曲 率 半 径 7 m m の 砂 時 計 型 形 状 部 ） の 表 面 粗 さ （ Rz） を Rz= 1 . 6 m , 1 2 . 5 m，2 5 . 0 m の 異 な る 3 条 件 に つ い て 試 験 片 を 作 成 し ， 疲 労 試 験 を 実 施 し た 結 果 を 整 理 す る こ と で 表 面 粗 さ の 疲 労 試 験 結 果 に 及 ぼ す 影 響 を 調 査 し た ． 結 果 を

F i g . 3 - 9 に 示 す ．Rz= 2 5 . 0 m と い う 通 常 で は 考 え ら れ な い ほ ど 表 面 粗

さ の 劣 る 試 験 片 を 準 備 し た に も 関 わ ら ず ， 今 回 の 結 果 か ら は そ の 影 響 が 明 確 に 確 認 で き な か っ た.

一 般 的 に 砂 時 計 型 の 疲 労 試 験 片 を 用 い る 場 合 ， 切 削 目 が 見 え な く な る ま で 表 面 処 理 を 行 っ て か ら 実 験 す る こ と 常 と さ れ る が ， 今 回 の 結 果 か ら ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 の 試 験 片 の 場 合 ， 過 剰 品 質 で あ る 可 能 性 が 考 え ら れ る の で ， 今 後 さ ら に 検 証 し て お く 必 要 が あ る と 考 え る ． ま た ，今 回 の 検 証 結 果 か ら ，通 常 の 切 削 加 工 で 実 現 可 能 な Rz= 1 2 . 5

m 程 度 で 試 験 片 を 製 作 し て お け ば 十 分 で あ る こ と が 確 認 で き た ．

30

F i g . 3 - 9 S - N c u r v e s o f A 6 0 0 5 C b a s e m e t a l w i t h d i f f e r e n t s u r f a c e r o u g h n e s s .

3 . 6 既 存 デ ー タ と の 整 合 性

過 去 に 多 く の 実 績 結 果 を 有 す る 疲 労 試 験 方 法（ 両 持 ち 式（ 小 野 式 ） 回 転 曲 げ 試 験 及 び 軸 力 繰 返 し 負 荷 試 験 ） と 4 連 式 片 持 ち 型 回 転 曲 げ 試 験 機 に よ る 疲 労 試 験 結 果 と の デ ー タ 整 合 性 に つ い て 検 証 を 行 っ た ．

Ta b l e 3 - 4 及 び 3 - 5 に 化 学 成 分 と 機 械 的 性 質 を 示 す ア ル ミ ニ ウ ム 合

金 A 6 0 0 5 C を 用 い て そ れ ぞ れ の 疲 労 試 験 片 を 作 成 し た ． 各 試 験 片 形

状 を F i g . 3 - 1 0～3 - 1 2 に 示 す ．

10

10

10

10

10

10

0

100 200 300

St re s s a m p lit u d e [ M Pa ]

Number of cycles [cycles]

: Rz=12.5 m

A6005C

: (Run out) Cantilever type rotary bending

: Rz=25.0 m

Base metal

: Rz=1.6 m

31

Ta b l e 3 - 4 C h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f A 6 0 0 5 C u s e d ( w t % ) ( a ) C a n t i l e v e r t y p e s p e c i m e n f o r b a s e m e t a l .

S i F e C u M n M g C r Z n T i

0 . 5 7 0 . 0 5 0 . 1 0 0 . 0 7 0 . 6 6 0 . 0 5 0 . 0 0 0 . 0 1

( b ) O n o - t y p e s p e c i m e n a n d a x i a l l o a d i n g s p e c i m e n .

S i F e C u M n M g C r Z n T i

0 . 5 9 0 . 0 5 0 . 1 1 0 . 0 8 0 . 6 7 0 . 0 4 0 . 0 0 0 . 0 1

Ta b l e 3 - 5 M e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f A 6 0 0 5 C u s e d . ( a ) C a n t i l e v e r t y p e s p e c i m e n f o r b a s e m e t a l .

0 . 2 % p r o o f s t r e n g t h

( M P a )

T e n s i l e s t r e n g t h

( M P a )

E l o n g a t i o n ( % )

2 3 8 2 7 9 8 . 0

( b ) O n o - t y p e s p e c i m e n a n d a x i a l l o a d i n g s p e c i m e n 0 . 2 % p r o o f

s t r e n g t h ( M P a )

T e n s i l e s t r e n g t h

( M P a )

E l o n g a t i o n ( % )

2 8 2 2 5 6 1 2 . 6

32

F i g . 3 - 1 0 C a n t i l e v e r t y p e r o t a r y b e n d i n g s p e c i m e n ( Kt= 1 . 0 8 )

F i g . 3 - 1 1 O n o - t y p e r o t a r y b e n d i n g s p e c i m e n (Kt= 1 . 0 8 )

F i g . 3 - 1 2 A x i a l l o a d i n g t e s t s p e c i m e n (Kt= 1 . 0 8 )

33

【Te s t c o n d i t i o n s】

・R o t a t i n g s p e e d o f c a n t i l e v e r t y p e a n d O n o - t y p e r o t a t i n g t e s t w a s 3 , 0 0 0 r p m ( 5 0 H z ) a n d 3 , 1 0 0 r p m ( 5 2 H z ) , r e s p e c t i v e l y.

・L o a d i n g f r e q u e n c y o f a x i a l l o a d i n g t e s t w a s 2 0 H z .

F i g . 3 - 1 3 S - N c u r v e s o f A 6 0 0 5 C b y t h e d i f f e r e n t l o a d i n g m o d e s

F i g . 3 - 1 3 に 試 験 結 果 を 示 す が ， こ れ ら の 試 験 方 式 （ 試 験 機 ） の 間

で 試 験 結 果 に 有 意 な 差 は な い と 判 断 で き る ． こ の 結 果 か ら ， 4 連 式 の 片 持 ち 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 は ， 高 能 率 で 疲 労 試 験 が で き る だ け で な く ， 従 来 の 試 験 方 法 と の 整 合 性 も 確 保 で き て い る こ と が 確 認 さ れ た ．

10 ⁴ 10 ⁵ 10 ⁶ 10 ⁷ 10 ⁸ 10 ⁹ 0

100 200 300

St re s s a m p lit u d e [ M Pa ]

Number of cycles [cycles]

A6005C

: (Run out) : Rotary bending

Base metal

Solid symbol: Ono-type

Open symbols: Cantilever type

: Axial loading

34

3 . 7 様 々 な 環 境 疲 労 試 験 ユ ニ ッ ト の 開 発

材 料 疲 労 の 結 果 は ， 様 々 な 環 境 下 に 大 き く 影 響 を 受 け る こ と は 知 ら れ て お り ， 様 々 な 実 験 環 境 下 で 疲 労 試 験 が し た い と い う 要 望 は 多 数 存 在 す る ． そ こ で 4 連 式 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 機 に お い て も ， 以 下 に 記 述 す る 様 々 な 環 境 下 で の 実 験 を 可 能 と す る 環 境 試 験 ユ ニ ッ ト を 開 発 し た ．

3 . 7 . 1 塩 水 腐 食 環 境 ユ ニ ッ ト

腐 食 環 境 条 件 下 で の 試 験 を 可 能 と す る ユ ニ ッ ト と し て ， 以 下 に 示 す 3 つ の 特 徴 を 有 す る 「 塩 水 腐 食 環 境 ユ ニ ッ ト 」 を 開 発 し た ． 同 ユ ニ ッ ト を 取 り 付 け た 試 験 機 外 観 を F i g . 3 - 1 4 に 示 す ．

( 1 ) 腐 食 液（ 塩 水 ）を 試 験 片 に 滴 下 す る こ と で ，腐 食 環 境 を 実 現 す る ．

同 機 構 の 模 式 図 を F i g . 3 - 1 5 に 示 す が ， 試 験 片 滴 下 後 の 廃 液 は 常 に 改 修 さ れ る ． ま た F i g . 3 - 1 6 に 示 す 腐 食 環 境 層 の 特 殊 二 重 構 造 と す る こ と で ，試 験 片 破 断 後 も 槽 外 部 へ 腐 食 液 が 流 出 し な い よ う に 工 夫 し て い る ．

( 2 ) 塩 水 腐 食 環 境 ユ ニ ッ ト は ，疲 労 試 験 機 本 体 に 容 易 に 後 付 け で 組 む

こ と が 可 能 で あ る ．

( 3 ) 滴 下 速 度 を 1 m l / m i n .～2 5 m l / m i n .の 範 囲 で ユ ー ザ が 設 定 可 能 で あ

る ．

35

F i g . 3 - 1 4 D u a l - s p i n d l e r o t a t i n g b e n d i n g f a t i g u e t e s t i n g m a c h i n e i n c o r p o r a t i n g c o r r o s i v e e n v i r o n m e n t a l u n i t .

F i g . 3 - 1 5 S c h e m a t i c s o f c o r r o s i v e e n v i r o n m e n t a l u n i t C o r r o s i v e e n v i r o n m e n t a l u n i t

36

F i g . 3 - 1 6 P h o t o g r a p h o f t h e c o r r o s i v e c h a m b e r

3 . 7 . 2 恒 湿 環 境 ユ ニ ッ ト の 開 発

腐 食 環 境 下 で の 疲 労 試 験 は ， 試 験 中 の 温 度 と 湿 度 に 影 響 を 受 け る た め ，3 . 7 . 1 で 説 明 し た 腐 食 環 境 ユ ニ ッ ト と 連 動 さ せ て 用 い る ，「 恒 湿 環 境 ユ ニ ッ ト 」 を 開 発 し た ． こ の ユ ニ ッ ト と 腐 食 環 境 ユ ニ ッ ト を 併 用 す る こ と で ， よ り 信 頼 性 の 高 い 腐 食 環 境 下 で の 疲 労 試 験 が 実 施 で き る ． 同 ユ ニ ッ ト を 取 り 付 け た 試 験 機 外 観 を F i g . 3 - 1 7 に 示 す ．

37

F i g . 3 - 1 7 P h o t o g r a p h o f C o n s t a n t t e m p e r a t u r e / h u m i d e n v i r o n m e n t a l t e s t i n g u n i t

一 般 的 な 腐 食 試 験 方 法 で は ， 試 験 片 を 腐 食 さ せ る ユ ニ ッ ト と 疲 労 試 験 機 を 別 々 に 用 意 し ， 腐 食 さ せ た 試 験 片 を 順 番 に 疲 労 試 験 機 に 取 り 付 け 試 験 す る と い う 手 順 で 実 施 さ れ て い る ． 例 え ば ，1 0 数 本 の 試 験 片 を 一 度 に ま と め て 腐 食 さ せ た 後 に 疲 労 試 験 を 実 施 す る 場 合 ， 試 験 待 機 中 に も 各 試 験 片 で は 待 機 時 間 に 応 じ て 腐 食 が 進 行 す る た め ， 個 々 の 試 験 片 に 対 し て ， 同 じ 腐 食 状 態 で 疲 労 試 験 を 実 施 す る こ と は 非 常 に 困 難 で あ っ た ． 腐 食 ・ 恒 湿 環 境 ユ ニ ッ ト を 活 用 す る こ と で ， 腐 食 槽 内 で 4 本 の 試 験 片 で 同 等 の 腐 食 状 態 と し た 後 ， 試 験 片 の 取 り 付 け 取 り 外 し 無 し に 引 き 続 き 疲 労 試 験 を 実 施 で き る ．

F i g . 3 - 1 8 に 恒 湿 環 境 ユ ニ ッ ト の 模 式 図 と 仕 様 を 示 す ． 腐 食 環 境 ユ

ニ ッ ト と 併 用 す る こ と で ， 腐 食 槽 内 の 試 験 片 に 腐 食 液 を 滴 下 さ せ ， 温 度 ， 湿 度 ， 滴 下 速 度 を 制 御 し ， そ し て 乾 燥 お よ び 湿 潤 の 環 境 サ イ ク ル を 連 動 さ せ る こ と が で き る ．

38

【S p e c i f i c a t i o n】

・M a x i m u m a p p l i e d s t r e s s： 1 0 4 3 M P a

・Av a i l a b l e s p e c i m e n d i a m e t e r： 5～1 5 m m

・Av a i l a b l e t e m p e r a t u r e a n d r e l a t i v e h u m i d i t y c o n t r o l r a n g e 1）D r y c o n d i t i o n ： 4 0～6 0℃ ±2℃ ， 3 5 % R H±5 % R H 2）H u m i d c o n d i t i o n ： 3 0 ~ 5 0℃ ±2℃ ，8 5 % R H±5 % R H

F i g . 3 - 1 8 C o n s t a n t t e m p e r a t u r e / h u m i d e n v i r o n m e n t a l t e s t i n g u n i t

3 . 7 . 3 二 段 荷 重 環 境 ユ ニ ッ ト の 開 発

従 来 の 回 転 曲 げ 疲 労 試 験 で は ， 一 定 応 力 範 囲 を 負 荷 す る こ と し か で き な か っ た が ， 疲 労 強 度 に は 荷 重 履 歴 が 影 響 す る こ と が 広 く 知 ら れ て い る こ と か ら ， 実 測 さ れ る 荷 重 履 歴 を あ る 程 度 簡 略 化 し た 応 力 履 歴 下 で の 疲 労 強 度 評 価 を 行 う 場 合 が あ る ． こ れ に 対 応 す る こ と を 目 的 に ， 二 段 ブ ロ ッ ク 応 力 履 歴 を 付 与 可 能 な 「 二 段 荷 重 環 境 環 境 ユ ニ ッ ト 」 を 開 発 し た ．

F i g . 3 - 1 9 に 同 ユ ニ ッ ト を 示 す ． 錘 ホ ル ダ の 上 側 ・ 下 側 の 二 カ 所 に

錘 を 負 荷 す る こ と が で き ， 下 側 の 荷 重 物 を エ ア シ リ ン ダ に て 支 え ， 回 転 数 と エ ア シ リ ン ダ 動 作 を 同 期 さ せ る こ と で ， 二 段 階 の 荷 重 制 御 が 可 能 で あ る ．T a b l e 3 - 6 に 同 ユ ニ ッ ト で 負 荷 可 能 な 応 力 範 囲 を 示 す ．

39

F i g . 3 - 1 9 Tw o - b l o c k l o a d i n g u n i t

Ta b l e 3 - 6 Av a i l a b l e s t r e s s r a n g e b y t w o - b l o c k l o a d i n g u n i t .

3 . 7 . 4 低 温 環 境 ユ ニ ッ ト の 開 発

3 . 7 . 4 . 1 機 構 設 計

低 温 環 境 条 件 下 で の 試 験 を 可 能 と す る ユ ニ ッ ト と し て ， 以 下 に 示 す 3 つ の 特 徴 を 有 す る 「 低 温 環 境 ユ ニ ッ ト 」 を 開 発 し た ．

( 1 ) 図 3 - 2 3 に 示 す ノ ズ ル か ら 液 体 窒 素 を 試 験 片 切 欠 き 部 に 吹 掛 け

る こ と で ， 低 温 環 境 を 実 現 す る ． 同 機 構 の 模 式 図 を 図 3 - 2 0 に 示 し ， そ の 仕 様 を 表 3 - 7 に 示 す ．

( 2 ) 図 3 - 2 3 に 示 す 内 側 の 二 槽 チ ャ ン バ ー に 取 付 け て あ る 温 度 セ ン

40

サ ー に て リ ア ル タ イ ム に 温 度 を 監 視 し ，P I D 制 御 に て チ ャ ン バ ー 内 部 温 度 を コ ン ト ロ ー ル す る ．

( 3 ) 低 温 環 境 ユ ニ ッ ト は ，図 3-2 1，3-2 2 に 示 す 二 槽 の チ ャ ン バ ー

と 主 軸 ユ ニ ッ ト を 覆 う 保 護 カ バ ー が あ り ， 二 槽 の チ ャ ン バ ー か ら 外 に で た 液 体 窒 素 は 保 護 カ バ ー に 組 付 い た フ ァ ン か ら 排 気 さ れ る 構 造 と な っ て い る ．万 が 一 ，フ ァ ン が 故 障 し た 時 の 安 全 対 策 と し て ，二 段 階 の 対 策 が 施 さ れ て お り ，酸 素 濃 度 セ ン サ ー は図 3-2 0 に 示 す 錘 保 護 カ バ ー 内 と コ ン ト ロ ー ル ボ ッ ク ス に 2 か 所 セ ッ ト さ れ ， 酸 素 濃 度 が 一 定 値 以 上 に な っ た 際 ， 液 体 窒 素 の 供 給 を 強 制 的 に ス ト ッ プ さ せ ， 疲 労 試 験 を 中 断 す る よ う に 設 計 し て い る ．

T a b l e 3-7 S p e c i f i c a t i o n

41

F i g . 3 - 2 0 L o w t e m p e r a t u r e e n v i r o n m e n t a l t e s t i n g u n i t

F i g . 3 - 2 1 C o n s t r u c t i o n o f d u p l e x c h a m b e r ( O u t s i d e )

42

F i g . 3 - 2 2 C o n s t r u c t i o n o f d u p l e x c h a m b e r ( I n s i d e )

F i g . 3 - 2 3 C o n s t r u c t i o n o f i n s i d e c h a m b e r

43

図 3 - 2 4 は ， 図 3 - 2 3 に 示 さ れ た 内 側 二 槽 チ ャ ン バ ー 内 の 温 度 と 試

験 片 内 部 温 度 を 比 較 し た グ ラ フ で あ る ． ア ル ミ ニ ウ ム 材 ， 鉄 材 ， ス テ ン レ ス 材 に 応 じ て 温 度 差 が あ る が ， 要 求 さ れ る 素 材 と 試 験 片 形 状 で ， 疲 労 試 験 前 に 一 度 ， 図 3 - 2 4 に 示 す グ ラ フ を 製 作 す れ ば ， 研 究 者 の 要 求 に 応 じ た 試 験 片 温 度 で 疲 労 試 験 す る こ と が 可 能 で あ る ．

F i g . 3 - 2 4 T e m p e r a t u r e s e t t i n g

3.7.4 . 2 低 温 疲 労 試 験

上 記 高 温 環 境 ユ ニ ッ ト を 組 付 け ，S 4 5 C 材 に て - 1 0 0℃ と 室 温 に お け る 疲 労 試 験 を 行 っ た ． そ の 際 の 実 験 条 件 を 表 3 - 8 に 示 す ．

図 3 - 2 5 は ， 室 温 と - 1 0 0℃ に て ， 低 温 疲 労 試 験 を 行 っ た 際 の S - N 曲

線 の 違 い を 示 し て い る ． 図 よ り ， 低 温 側 の 疲 労 寿 命 が 明 ら か に 上 昇 し て い る 事 が 分 か る ．

44

T a b l e 3-8 E x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s

F i g . 3 - 2 5 F a t i g u e t e s t r e s u l t o b t a i n e d b y u s i n g l o w t e m p e r a t u r e u n i t