工学部二部機械工学科光永公一日本鋼管福山製鉄所福武

炭素鋼の疲れと残留応力（引張圧縮）

（昭和47年4月28日原稿受理）

工学部二部機械工学科光永公一 日本鋼管福山製鉄所福武  ^諄

Fatigue and Residual Stresses in Carbon Stee1

by Koichi MITSUNAGA    Atsusi FUKUTAKE

   It has been reported that the compressive residual stress in the surface is useful for improvement of fatigue strength． In order to produce residual stress in the sur二 face layer of specimens， the various surface treatments have been adopted． When−

never the residual stress iS generated by the surface treatment， it is not able to avoid the change of material properties in surface layer such as work・hardening and struc−

tural change．

   Residual stress has been thought to be equivalent to mean stress． However， it is shown by recent investigations that these factors themselves vary during fatigue proceSS．

   Accordingly， it is unsuitable to discuss the effect of residual stress measured be・

fore the fatigue test、 Hence the following investigations are conducted and reported in this paper；

   （a）the variation of residual stress during fatige process，（b）rough seperating of the factors contributed to fatigue strength in residual stress and changes of material properties of surface layer．

   It was obtained that in tension−compression test， the change of material properries in surface layer contributed much more to fatigue strength in the surface・treatment

   ひ speclmens・

       は少ないように思われる3）。

 1． 緒   言

       上述の観点から著者らは先にS45C平滑試験片

 疲れ強さ改善について，材料表面に存在する圧  を用いて，切削加工およびショットピーニング材 縮残留応力は有利であることは多くの研究によっ  の表面層の圧縮残留応力と材質的な変化の回転曲 て明らかにされている。しかし一般に材料表面に  げ疲れ強さへの寄与を定量的に分離して検討し 残留応力を発生させるためには種々の表面処理が  た4）。その結果，切削加工材では表面加工iこよる 施される。したがって材料の表面層は残留応力の  材質的変化の寄与が主となり残留応力の寄与が相 発生とともに材質的な変化も同時に生じている。  対的に小さいが，ショットピーニング材では両者 表面処理材の疲れ強さの上昇はこの圧縮残留応力  の寄与がほぼ同程度となることがわかった。また と材質的な変化の共同作用の結果として起こるこ  疲れ耐久線図をもとにして考えた表面処理材の疲 とが指適されている1）。、過去の多くの研究が疲れ  れ強さ推定式により求めた疲れ強さが実験値とよ 強さの上昇を残留応力の観点から定量的に検討し  い一致をみた。

ており2），材質的要因について言及したものもあ   そこで今回は同様の検討を，切削加工およびタ

るが両者の寄与を分離して定量的に検討したもの  フトライド処理を施した平滑試験片を用いて引張

圧縮疲れ試験の場合について行ったのでその結果  うな中空加工をした試験片（図1の破線）を準備 を報告する。       した。切削加工中空材をさらに650℃，30分の真       空焼鈍を行なったものを中空焼鈍材とした。

2供試材・試験片および実験方法   表面処蜘こよる加工縄層の深さを知るためシこ  素材は市販のS25C丸鋼（22φ×5m）で，試  断面内のかたさ分布を表面から逐次電解研磨しな 験片の長さに切断したものを870℃，30分保持の  がらマイクロビッカースかたさHv（100 gr／30 焼準をしたのち図1に実線で示す形状に旋削し  sec）を測定して求めた。

た。旋削後％番エメリー紙で表面を研磨したもの   試験片の軸方向残留応力もそのつどX線応力測 を切削加工材とし，さらにタフトライド処理を施  定法により測定して断面内の残留応力分布を求め

したものをタフトライド材とした。タフトライド  た。X線の使用条件は表3のとおりでGM計数 の処理条件は表1に示すとおりで，浴槽は空気吹  管によりsiu2ψ法（入射角o°，15°，3帆45°）を 込み式のチタンポットを用い570℃，90分保持の  用い，ピーク位置の決定は半価巾法を使用した。

塩浴処理ののち・水中（10％NaC1）急冷した。         表3 X線使用条件       特 性 X 線

      芦 」 鞘1

      照 射 面 積

．．．一＿＿＿一＿＿＿．一＿ P20＿＿．  一一．＿＿     ブイルター

      2θ送 り 速さ

     図1試験片     チヤ＿ト速さ

   表1 タフトライド処理条件       時   定   数

熱処理条件  570℃90min水冷

Cr−Kα

（211）

30Kv

gmA

4×4mm

バ ナ ジ ュ ム 1°／min

20mm／min

    タフトライド塩浴の条件      疲れ試験は島津製引張圧縮疲れ試験機（土1   KCN      45％      ton）を用いたが，繰返し数は毎分約1800であ   KCNO      45％      る。また中空加工前後の表面残留応力を測定した   NO、Fe（CN）6      0・05％      こと，表面残留応力の疲れ強さへの寄与のしかた       を検討するために疲れ過程での表面残留応力の変  基準材としては切削加工材をさらに650℃・30  化の挙動を検討したことは回転曲げ疲れ試験の場 分の真空焼鈍をしたものを準備した。焼鈍材の化  合と同様である。

学成分および機械的性質を表2に示す。

       3．実 験 結 果     表2 化学組成および機械的性質

C ^0．23 _{降 伏 点} 30．2kg／mm2 Si 0．29 引張強さ ^{47．Okg／mm2} Mn ^{0．51 伸    び 32．2％}

P ^0，020 絞    り 69．8％

S 0，022 真 応 力 106．5kg／mm2

化学成分（⇒機械的蛭＿論力謹薯漂欝鴎1鷲r測定

      30 2kg／mm2  結果の一一例を図2に示す。図より加工硬化層の深

      さは40〜50μでそれ以上内部ではほぼ一定値とな

      69．8％      り母材のかたさはHv÷145である。圧縮の残留

       106．5kg／mm、  応力も加工影響層内のみに大きく発生しており急

      速に減衰している。図3はタフトライド材につい

 また回転曲げ疲れ試験の場合と同様に，表面処  ての測定例を示したものである。切削加工の場合

理材の表面層の残留応力を解放し材質的変化の因   に比較してかなり影響層が深く表面より約1mm

子のみを取り出す目的で，肉厚約1mmとなるよ  までかたさが上昇しておりそれ以上の内部ではほ

190 180g

主170

い60

K 150

よ

；140

     表面からの距離  （μ）      の最大値となるようにして疲れ試験に供した。

＼ 8＼

 8＼。°

＼＿

＿   0    20  40  60  80  100 120  140  160 180

度の処で圧縮の最大値を示し最表面ではわずかな がら小さくなる傾向がみられる。タフトライド処 理を行なうと表面に10μ程度の化合物層が生ず る。その表面層の金属顕微鏡組織を図4に示す。

この化合物層の影響で表面層（10〜20μ）でのか たさの急変や残留応力の低下が現われたと考えら

N∈

ξ 豆 束 「0

餌 一20

一3

       ↓          

ヂーユ＋⊥％一一一

∫

／

図2 切削加工材のかたさおよび残留応力分布

450

 4000

主35・艮     ㌦

      ＞600

遡300    エ500   250 ＼   400

…8 ^̲3°°

8＼8＿。一

＼c㌶鳶当：

図4 タフトライド材の金属顕微鏡組織

      3・2． 疲れ試験

      中実の焼鈍，切削加工およびタフトライド材の

   ゜2°°＝∵聯12°°1管；16°°18°° S−N蹴姻5に示主蹴材の疲れ強さは

∈ 0 20406080100120140160180   19・Okg／mm2であり，切削加工およびタフトラ

150

ξ こ   一20

R

鍋  一30

一40

▽ノ／°°←

花

ε       一      ｝一『    一

      ●

      伊 σw二27．5

25

図3タフトライド材のかたさおよび残留応力分布  、。   ミこ≧一…一

＼ここ▲・

      ・   ＼主＿．噌よ竺α5 ぼ母材のかたさになっている。最表面のかたさは       焼 毒         σwgo Hv÷620であるが表面層を約10μ電解研磨によ     104   1。5   106   1。ワ

り除去すると急激にかささは低下してHv÷400      繰返し数

となつている。残留応力は表面から10〜20μ程     図5中実試験片のS−N曲線

イド材のそれは20．5および27．5kg／mm2とな   3・3．中空加工による残留応力の解放

り強さの上昇値はそれぞれ1．5kg／mm2（約8  焼鈍，切削加工およびタフトラ・fド材の中空加

％）および8．5kg／mm2（約45％）である。こ  工前後の表面残留応力の測定結果を表4に示す。

の強さ上昇には表面処理により生じた材料表面の  焼鈍材では中実，中空いずれの場合もほとんど応 材質的変化と圧縮残留応力の寄与がともに含まれ   力値は変化しないことがわかる。切削加工材では ている。       中空加工前に30kg／mm2程度の圧縮応力であっ  表面層の材質的変化のみの疲れ強さへの寄与を  たものが加工後は平均して約6．Okg／mm2の圧 得るために準備した中空試験片について求めた  縮応力に解放されている。タフトライド材でも加 S−N曲線を図6に示す。中空焼鈍材の疲れ強さは  工前に34kg／mm2程度の圧縮応力が加工後は同 18．5kg／mm2で，中空切削加工およびタフトラ  様に6． O kg／mm2程度に解放されている。いず

・イド材のそれは19．5および26．5kg／mm2とな  れの場合にも中空加工後の残留応力は焼鈍材の残 り，強さの上昇値はそれぞれ1．Okg／mm2（約5  留応力に相当する値にまで低下しており，中空加

％）および8．Okg／mm2（約43％）となった。  工することにより材料表面の残留応力は完全に解  ＿       放されて材質的変化の因子が抽出されたものと考

ξ

豆 30

言

槙

25

20

、o

         ° 8ρ◆〜編。2。，

＼ロム

＼・こ＼＼

  〉＼ミこ＼△△  σ．。1。5

。、フ、ライド＼。   △一△一

△切削加工  一雷・一 ロ 焼   鈍       σw司85

1♂ @1♂ 1♂。託．  その挙動を追跡した結果の一例として図7rこタ

      フトライド材，図8に切削加工材および図9に焼   図6 中空試験片のS−N曲線

      鈍材の中実試験片について得られた結果を示す。

  表4 中空加工前後の残留応力       図中にはいずれもその応力振巾の大きさが示して       （kg／mm2）   ある。また図の縦座標は試験前に存在した残留応

えてよいであろう。

 3・4． 疲れ過程での表面残留応力の挙動  疲れ強さを議論する場合に，表面の残留応力は 平均応力としての効果をもつと考えられる。しか し一般に残留応力は繰返し応力（ひずみ）を受け ると変化する5）。したがって疲れ過程における残 留応力の挙動を検討しておくことが必要であ

る4）。

試験片 喉材平均値中空材1平均値 力値に文寸す砒αで表わしてある・

焼 鈍 材 0

ユ

2 6

一7．2

−6．6

−3．8

−6．0

81−6・2−a・

一7．5

−7．1

−3．7

−4．1

−3．3

 焼鈍材は初期値が小さく疲れ過程中にほとんど 変化しないと考えられる。一方切削加工およびタ フトライド材では疲れ限度の応力を繰返したとき

一5．1        繰返し数

      U−5 −31．2      −6．1       U−6 −28．ユ      ー6．1 切削加工材  U−7 −27．3     −7．3       U−8 −30．6      −4．9       U−9 −32．3 −29．9 −6．1

  ∋       白        5        6       7 0  10      10      10      10      10

      02      苫04      這06

−6．1    ） T一ユ9 一31．7 一5．8

T−21 一33．6 一6．7 タ フ ト

宴Cド材 ^{T−23 一39．6 一8．4}

T−27 一34．2 一5．2 T−27 ^{一32．4 一34．3 一5．4 一6．3}

08 10

   ロへ    ロ   

   ／ 市      パ、。θ

ン』鍵1〆》

ひ／・σ・25・・g・・品

      の  ＼   ● σ：275 

@     ■       ＼o

  o 

      口

  ■ σ＝310  

      N

一6 3 @    図7 タフトライド材の残留応力の挙動

       繰返し数    れ強さ上昇値1．5および8．5kg／mm2には材料表 0103   104  105   106  1♂   面の圧縮残留応力および材質的変化の影響が含ま

 0．2  0．4 き・・6 邑o．8

 1．0  1．2

1．4

れている。しかしこの中実試験片を中空加工する ことにより残留応力がほとんど完全に解放される ことが認められたから図6の中空試験片について の切削加工およびタフトライド材の疲れ強さ上昇 値1．0および8．Okg／mm2には残留応力の寄与 は含まれておらず材料表面の材質的変化の寄与の みが現われたものと考えることができる。したが   図8 切削加工材の残留応力の挙動      って上記の疲れ強さの上昇値を比較すれば，引張        圧縮疲れ試験の場合には強さ上昇の主因が表面処       繰返し数      理により生じた材料表面の材質的強化の寄与であ 01♂   18   1♂   18   1♂  り，表面層の圧縮残留応力の寄与は相対的に少な

（05

1．5

 2．0

      ハ        

惣輌 の［』

 ●σ＝22工）         N

いことがわかる。前報4）の回転曲げ疲れ試験の場 合にはショットピーニング材のように加工影響層 がかなり深い（〜500μ）と残留応力の寄与がかな り大きく現われた。引張圧縮疲れ試験ではタフト ライド材のように表面処理の影響層の深さがさら に大きい（〜1mm）ときでも残留応力の寄与は     図9 焼鈍材の残留応力の挙動       相対的に非常に小さくなっている。このことは3        章に述べた疲れ過程での表面残留応力の疲れ初期 にも過大応力を繰返したときと同様に疲れの初期  での減衰が，回転曲げ疲れ試験の場合に較べて，

（103〜104回）に残留応力は大きく減衰する。過  かなり早期に生じ，しかもその後に持続する一定 大応力では応力振巾が大きい程減衰の傾向のまま  値が相対的に絶対値が低くなることから定性的に 破断にいたるが，疲れ限度の応力を繰返すときは  推定できる。引張圧縮疲れ試験の場合には試験片 その後はほぼ一一定値を持続する傾向が認められ  断面に繰返される応力（またはひずみ）が一様で る。これらの挙動は回転曲げ疲れ試験の場合と同  あるために試験片内部で応力（またはひずみ）の 様である4）。切削加工材では初期値の30％程  繰返しの効果が回転曲げ疲れ試験の場合より大き 度，タフトライド材では40〜50％がほぼ一定値  く残留応力減衰の効果が顕著になるものと考えら

として疲れ過程の大部分の期間持続している。こ  れる。

の減衰後の割合は前報の回転曲げ疲れ試験の場合   中空試験片の強さについては，中空加工したと に較べて相対的に小さく，また減衰して一定値を  きの試験片内面の仕上げ状態の影響として強さの 持続するようになる繰返し数も非常に小さくなる  低下が多少あるとしても，すでに強さ上昇の主因 傾向が認められる。これは両者の試験における試  が材質的変化の寄与であることがわかっているか 験片断面に生ずる応力勾配の差異によるもので引  ら上記の推論は影響されない。

張圧縮試験の場合には断面全体に一一様なひずみが   材料の疲れは表面の局部的な被害により生ずる

繰返されるために減衰の効果が顕著に表われると  から表面の残留応力の疲れ強さくの寄与はこれが

考えられる。       平均応力としての効果をもつものと考えることは

      周知のことである。しかし3章でも述べたように

 4 考   察       一・般に残留応力は応力の繰返しにより変化するか

 図5における中実試片についての疲れ試験結果   ら応力を繰返す前に存在した残留応力の初期値を

より得られた切削加工およびタフトライド材の疲  平均応力として強さの議論をすることは妥当でな

い。そこで著者らは疲れの極く初期（103〜104回）   σ。。は基準材の表面残留応力がなければ考慮し に減衰したのちほぼ一定値で疲れ過程の大部分で  なくてよいが，本実験ではX線応力測定の結果，

持続する残留応力（疲れ限度の応力の繰返しを受  焼鈍材で6kg／mm2程度の圧縮残留応力を得た けるとき）が平均応力としての効果をもつものと  のでこれを残留応力の基準にとった。またαは切 考えて表面処理材の疲れ強さんを基準材（焼鈍  削加工材では約0．3，タフトライド材では約0．45 材）の疲れ強さσ。。と表面の材質的強化により生  となることが図7，8よりわかる。

ずる増分∠σ、（いまの場合，中空試験片での強さ   これらの値を用いて（2）の推定式により切削 上昇値）および残留応力（平均応力）の寄与によ  加工およびタフトライド材の疲れ強さを求めると

る増分∠σ，とに分離して      それぞれ20．7kg／mm2および28．5kg／mm2と       砺＿σ％。＋∠σ、＋∠σ．    （1）  なり，この値は実験値の2α5kg／mm2および       275kg／mm2と非常によく一一致した。

とする。

 ここで材質的変化の疲れ強さへの寄与は近似的   5・結   び

にすべての平均応力においで一様であるとする。   切削加工およびタフトライド処理をしたS25C 材質により平均応力の影響が異なり一般に材質が  平滑試験片について引張圧縮疲れ試験を行ない，

強化されると平均応力の影響が大きくなり6）必ず  疲れ強さへの材料表面の材質的変化と圧縮残留応 しも上述の考え方は正確ではないけれど第一近似  力の寄与を分離検討するために行なった本実験の としてこのように考えてもよいであろう。すなわ  結果より次のことがわかった。

ち表面処理材の耐久線図は基準材の耐久線図を    （1） 切削加工およびタフトライド材ともに試

∠σ・だけ平行移動したものと考える。図10はこれ  験片を中空加工することにより材料表面の残留応       。百，酬⑰iこよる齢     力はほとんど解放された。したがって中空試験片       △66材醐刻ヒにょる増分     の疲れ強さ上昇は材料表面の材質的変化のみの寄

ミ38  ピ欝雛力 与と考えられる・

  一  ・      6・。難材の醐応力       （2） 焼鈍材では疲れ過程で表面残留応力はほ

   ヘ      ビは

      、＿、    5、灘欝応力    とんど変化しない。

        、、  ス 酬加残鍵       （3） 表面処理材では疲れ限度の応力を繰返す  毒   ζ  ＼＼一         と疲れの初期（104回まで）に急速に表面残留応

＿° ﾏS ＼一・輪 力は瀬しその後の疲れ過程の大部分でほぼ一

      6・・      定値を持続する傾向がある。切削加工材では試験

    6ω吐6村6ωθ（   oζ6rし一6rσ1十     6τo）        前に存在した残留応力の約30％，タフトライド

   図10表面処理材の疲れ強さ（説明図）     材では約45％が残存した。

       （4） この変化は回転曲げ疲れ試験の場合と較 を図式的に説明したものである。したがって図を  べて初期の減衰までの応力繰返し数は小さく，減 参照すれば（1）式はつぎのように表わされる・   衰の割合は大である。これは試験片断面内で繰返

   砺一砺＋（・＋ασ漂） （2）罐當緊慧㌶裟議㌶㌫

ただし      は疲れの初期に減衰したのちにほぼ一定値を持続  σが表面処理材の試験前の圧縮残留応力     する表面残留応力が平均応力としての効果をもっ

σ。。1基準（焼鈍）材の試験前の圧縮残留応力   と考える。

σT。：基準（焼鈍）材の真破断応力      （6） （5）を考慮した表面処理材の疲れ強さ推

 α：疲れ限度の応力繰返しで減衰後に持続する  定式（2）より求めた疲れ限度は実験値と非常に

   残留応力のσ。まに対する割合。        よく一致した。

 （7） 引張圧縮疲れ試験の場合は疲れ強さ上昇    21，養賢堂

㌶㌶㌶禁冒ご蕊：ご 鐘璽竃騰曇1曙竃肇

のことは疲れ過程での残留応力の減衰の割合いが    2）237，大内田ら，機論35，269（昭44−1）9，中 大きいことからも定性的には推定できる。       札高周波焼入れと疲労強度（ユ963）41および8軌       日刊工業新聞社

 おわりに本研究を行うに際し卒業実験として非   4）光永，福武，機講論718−2（昭46．5）乳同左，

常に協力していただいた上田修（大福機工K．K．），    機論投稿中

蓮酵嗣（三井三池製作所）の両≡謝の意を 5）（ユ㍑：6㌘瀦：顯潔郷8護響ら11

表する。       材料，1己159（1966）874，光永ら，材料，17，

        文 献   6）ユ鷲難』C機識72Gユ（昭4与4）73

 ユ）たとえば石樹，金属の疲労と破壊の防止（1967）