120 フェライト系ステンレス鋼SUS444溶接継手の疲労挙動に及ぼす溶接金属と試験温度の影響

Title

120 フェライト系ステンレス鋼SUS444溶接継手の疲労挙動

_{に及ぼす溶接金属と試験温度の影響( 本文(Fulltext) )}

Author(s)

秋田, 正之; 植松, 美彦; 柿内, 利文; 中島, 正樹; 山岸, 敬之; 縣,

_幸男

Citation

[学術講演会講演論文集] vol.[60] p.[115]-[116]

Issue Date

2011-05-24

Rights

The Society of Materials Science, Japan (公益社団法人日本材

_料学会)

Version

出版社版 (publisher version) postprint

URL

http://hdl.handle.net/20.500.12099/49356

※この資料の著作権は、各資料の著者・学協会・出版社等に帰属します。

The Society of Materials Science, Japan

NII-Electronic Library Service

The 　Sooiety 　of _{Materials 　Soienoe}

厂

_Japan

120

　　　　　　

フ

ェ

ラ イ ト

系

ス

テ

ン

レ ス

鋼

SUS444

溶接継

手

の

　　　　　　　疲 労挙

動

に及

ぼ

す

溶

接

金

属

と

試 験

温

度

の

_{影 響}

岐

阜

大

学 　

○ 秋 田

正

之

　 　岐 阜大学 　植 松美彦　 　岐阜大学　柿

内

利

文

豊

田

高 専　 　中島

正

貴　 　

マ

_{キ タ}



_{山岸 敬 之}



_日

_{本 ウ}

エ ル

デ

ィ

ン

グ

・

ロ _ッ

_ド

_縣　幸

_男

Effect

　

ofWeld

　

Metal

　

and

　

Test

　

TemperatUre

　

on

　

Fatigue

　

Behavior

　　　　　　

in

　

Type444

　

Stainless

　

Steel

　

Welded

　

Joints

　　Masayuki

　

AK

_［

TA ，

　

Yoshihiko

　

UEMATSU

，

　

ToshifUmi

　

KAKIUCHI

，

　　

Masaki

　

NAKAJIMA

，

　

Takayuki

　

YAM

へ

GISHI

　and 　

YUkio

　

AGArA

　 　 　 　

1

緒 　 　 　言

　 熱 膨 張 係 数

が

小 さ く熱 伝 導 率

に

優

れ るフェ

ラ

イ ト

系

ス テ ン レ ス

鋼

は

，

自動 車 用 排

気

系 部 材

に 広 く

使

用 さ れ

，

溶 接 部

で は 母

材

と

同 種

の フ ェ ラ イ ト

系

ス テン レ ス

鋼

を

溶 接 材

とし て

接 合 す

る

．

ま た

，

自

動 車 用 排 気 系

部材

は

高

温

環

境 に さらされ るが

，

フェ ライ ト系ステン レ ス

鋼

を

500

°

C

近

傍 で 使 用 す る と475

°

C

ぜい 性が生じ

，

耐

食

性が

低

下

す

る こ とが

知

られて い る

．

し たがっ て

，

フ ェ ラ イ ト

系

ス テ ン レ ス

鋼 溶 接 継

手の

高

温

疲 労 挙 動

を

把 握 す

る必

要

が あ る

．

　 本 研 究

では

，

フェ ライ ト

系

ス テ ン レス

鋼

SUS444

を

2

種 類

の フェ _ラ

イ ト系 溶 接 材

で

溶 接

した

溶 接 継 手

を

用

い て

，

室 温 お よ び

500QC

で

疲 労

試

験

を

行

い

，

その

_{疲 労 挙}

動 を

検 討

し た

．

　 　　　 　　 　　

2

実

験 方 法

2．

1

　 供 試 材 　 供 試 材

はフ ェ ラ

イ ト系

ス テ ン レ ス

鋼

SUS444

で

あ

り

，

溶 接 材

にはフェ

ライ

ト

系

ステン レス

溶

接

ワ

イ

ヤ

WEL

　

430NbL

_{お よ び}

WEL

　

430NbL2

_{を 用}いた

．

そ れ ぞ れの化 学

成

分 を

Table

　

1

_{に 示}

_す

．

　NbL2 _は

_{溶 接 部}

の 組

織

を

微 細

化

す

る た め にAl

と

Ti

を添 加

し て い る

．

2．

2

　 溶 接 条 件 お

よ

び実 験 方 法 　 溶 接

に は

MIG

溶 接

を 用 いた

，

溶 接

前に厚 さ

6

  の板 材 端

部

を 開

先 加

工 し

，

表

裏

1

パス ずっ 行っ た

．

疲 労 試 験

片

は 30  の平

行 部 長

さ を 有 す る 板 状

試 験 片

で

あ

り

，

溶 接

した

板

か ら試

験 片 軸

に 対し て

直 角 方 向

の

溶 接 線

を

平 行 部 中

央 に

位 置

す る よ う

採 取

した

．

試 験 片

は母

材

，

溶 接

継

手 試 験 片 お よび 溶 接 余

盛 部 を機 械

加工 で

除

去 し た

余

盛 部 除 去 試 験 片であ る

，

　

疲 労 試 験 は 容 量

49kN

の

電 気 油

圧 サ

ー

ボ

疲 労

試

験 機

を

Table

　

2



Vickers

　hardness　ofweldjoi 皿ts

．

用

い た

．

正

弦 波 荷 重 制御

，

繰

返 し

_{速 度 广}

10Hz

，

応 力

比

R

＝

−

1

で

実験

を

行

っ た

．

試

験

温

度

は 室 温 お よ び

500

°

C

で

，

温

度

制御

に は

5kW

高 周 波

誘

導

加

熱 装 置

を 用い た

．

　　　 　　　 　　

3

実 験 結

果

3．1

　 溶接部

の

組織

お

よ

び

機械

的 性

質 　

溶 接 部

の

組 織

写

真

をFig

．

1に 示

す

．

　NbL

継

手

（

Fig

．

1_（a_）

）

の

溶 接 部

は

粗 大

で

柱 状

の組

織

が

観 察 さ

れた

，一

方

NbL2

継

手

（

Fig

．

1

（

b

）

〉

は

，

NbL

継

手に比べ _柱

_状

_の

_{組 織}

_{が 少 な く}

，

_結

_晶

_{粒の寸 法} は 小 さい

．

い

ず

れの溶

接 継

手 も 熱

影 響

部 （

HAZ

）で は

，

結

晶

粒の

粗

大

化

が 生 じていた

．

　 溶 接 継 手

を

500

℃

・

100h

で時

効 後

，

溶 接

部

周

辺の硬 さ を 測

定

し た

，

その

結

果 をTab豆e 　2 に 示

す

．

溶 接

後，　HAZ で

熱 影 響

に よ る 硬

さ

の 上

昇 が

見 られ

，

上

昇

の

程 度

は

NbL2

継

手の

方

が

わず

か に

大 き

い

．

時 効

によ

り

，

い

ず れ

の

継 手

で

もす

べ _{て の}

_{領 域}

_で

_硬

_{さ が 上}

_昇

_{してお り}

，

475

°

C

ぜい

性

が

発 現

し た た め で あ る

．

室 温 お よ び

500

°

C

に お け る 引 張 試 験

結

果 を

Table

　

3

_{に 示}

す

，

い

ず

れの温

度

で も

，

溶 接 継

手の

引 張 強 さ

は

母材

よ

り高

い

．

ま た

，

温

度

上

昇

に よ り

引 張 強

さ は 大 き く

低 下

し た

．

3，

2

疲 労 強 度

　s

−

N

曲線

を

Fig

，

2に 示

す

．

溶 接 余 盛 部

の

あ

るNbL

溶 接 継

手

試 験 片

では

，

溶 接

止

端 部

の

応 力 集 中

に

Base

　_metal 　 HAZ 　　Weld 　metal

一

一

　 　 　 　

Un

−

aged

NbL

　 　 　 　

500

°

C

・

100h

031522 215260

rD30522

　 　 　 　 　

Un

−

aged NbL2 　 　 　 　

500

°

C

。

100h OV21522

₀₇₂

【

」

22

81152

ハ

∠

Fig

．

1

　

Microstructures

　of　weld 　

joints

：

_（

a

_）

weld 　_{zone 　of}

　

NbLjoint

，

（

b

）weld 　zone 　ofNbL2 　

joj

皿t

．

Table　

l



Chemical

　compositions

_（

  ss

．

％

_）

，

MaterialC

Si

　 　

Mn

　 　 　

P

SNiNb

　 　

Cr

　 　 Mo 　 　 N 　 　 　AI　 　 Ti　 　 Fe

Type444　　　　

0，

01



0．

23　　　0

．

_{22 　　　0}

，

_{32 　　0}

，

₀₀₃

−

430NbL

　　　

O

．

016

　　0

．

43　　　

045

　　

0

．

Ol6

　　

0

．

002

　　

0

．

35

430NbL2 　　0

．

017

　　

0

．

39

　　

0

，

39

　　　　　　　

0

．

4

0

，

21

　　

18

．

65

　　

2

，

15

　　

0

．

005

　　　　　　　

Bal

．

0

，

44

　　

17

．

69

　　

0

．

25

　　　　　　

Bal

．

0

．

45

　　

19．

23

　　

0，

34

　　　　　　　

hlc

、

　　

hc

．

　　

Bal

．

一 115 一

N工 工

一

Eleotronio _Library

The Society of Materials Science, Japan

NII-Electronic Library Service

The 　Sooiety 　of _{Materials 　Soienoe}

厂

_Japan

よ り

き裂

が 発

生

し，

疲

労

強度

が

低

下 した

．

止 端

部

形

状

を

FEM

解 析

した ところ

，

応 力集 中係 数

Kl

は

2．

02

で あっ た

．

母 材

の

疲 労 限 度

σ_w

；

230MPa に 対 し

，

　

NbL

溶 接 継

手では

110MPa

で

あ り

，

Kt

値

か

ら

予

測 され

る

値 と

ほ

ぼ

一

致 す

る

．

す な わ ち

，

疲 労

強

度

は溶

接

止 端

部

の

応 力 集 中

に よ り

低

下 した と

考

え られ る

．一

方

，

余

盛 部 除

去 試 験 片では

，

疲 労

強 度

の改

善

が見 られた が

，

応 力

集

中がない に も か か わ ら

ず

，

母

材

と比

較 す

ると

疲 労 強度

は

低

い

．

溶 接 継

手 同士で は

，

NbL2

継

手の

疲 労 強 度

は

NbL

継

手 よ り

高

い

．

　

500

℃ の疲 労 試 験では

，

母

材

は室 温 よ り

著

し

く強 度

が

低 下

した

，

余

盛

部 除

去

試 験 片

の

疲 労 強 度

は

，

短 寿 命 域

で は 室 温 よ り

低 下

し た が

，

長 寿 命 域

の

疲 労強 度 お

よ び

疲 労

限

度

は 室 温 よ り上

昇

した

．

ま た

，

500

℃ で

も

NbL2

継 手

は

NbL

継

手 よ り

高

い

疲

労

強 度

を 示 し た

．

Table　3



Tensile　strength 　ofweld 　

joints

．

一

Room

　temperatUre



515



549



560

　 　 　

500

°

C

　　　　　　　　

315

　　　　　　

425

　　　　　　

400

OType444 xNbL

−

_weld △

NbL

−

_smooth 囗

NbL2

−

_{smoo 血} 　 　Open：R

，

T

．

　 　

SoIid

：

500

°

C

　

0

．

8bn

這

8

羣

o

・

6

§

＄

毳

o

，

4B

暑

冒

20

，

2 　 　 　 　OType444 　 　 　 　△NbL

−

_smeoth 　 　 　 　ロ

NbL2

−

smooth 　 　 　 　Open：R

．

T

．

　 　 　 　Solid：500°

C

’

　 　 　 o　 　 　 　o 　 ■　　　　O 　　　　O ° ● ▲ ．

　　

o

　

▲

　

。

　

＃

　　　　　

△

f

・

　　

象…

　 　ム_{ロ ロ} 　 　 　 ム_ロ

ー

レ

　 　 　 静 Axial　load血9

，

　R

＝

−

1 　 　 4　 　 　 　5　 　 　 　6　 　 　 　7 　 10　　　　　　

10

　　　 　　　

10

　　　 　　　

10

　 　 　 　 　

Number 　ofoyclesto 　fa旺ure　1＞_f

Fig

．

53

−

Ndiagram

　charaCterized　

in

　

terms

　of

　

no皿nalized 　stress　arnplitude

．

400

（

郎 臼

乙

003b

　 　 　 　 む 　 　 　 　

20

省 ε

且

日

諺

窘

あ 100 　 　 　 o　 　 　 　o

　 　 　 　

O

　　　　

O 　 　 　 △　　匚D 」■　 　 　 　 　x 　 　 △ 　 　 ム 　 　 　X 　 　 　 ロ ロ

　 　 　 　

ム ▲ 　 　 　 × ● ● 　　 　 　● 　 　 　 ●

Axial

　

loading

，

　

R

＝

−

1

o い X 　 　 ●

一

レ 　 　 H 104

　 　 　 105　　 　 106　 　 　

107

　 　 　 Nu皿 ber　ofcycles 　to　failureNf

　 　 　

Fig

．

2

　

S−Ndiagram．

Fig

．

3

　

SEM

　

microgrqphs

　showing 　

fatigUe

　

fractUre

　surface

　

neal



crack

_initiation



site



j

皿

　NbL 　

joint

：

　

_（

a

_）

R

．

T

．

　

（

σ

＝

190MPa

_）

，

_（

b

_）

500

°

C

_（

σF200MPa

_）

．

Fig

．

4

　

SEM

　micrographs 　showing 　

fhtigue

丘acture　su 曲 ce

　

near



crack

_initiation



site

_in　NbL2

jo

血t：

　

_（

a

_）

R

．

T

　

〔

σ

＝

210MPa

_）

，

_（

b

_）

500

°

C _（σ

＝

210MPa

_）

．

3，3

破 面

観 察

NbL

お よ び

NbL2

継

手の き

裂 発

生

箇 所

に お け る

破

面

様 相

を そ れ ぞ れ

Fig

．

3

，

4

に 示

す

．

室 温

（

Fig

．

3

（a）

，

4

（a）

）

で は

，

い

ず

れの

継

手 も

溶

接

欠

陥

を 起 点 に き

裂

が 発 生 し た

．

し か し欠 陥 に 相 違 が あ り

，

NbL

継

手

（

Fig

．

3

_（

a

_）

）

で は

溶

接

時

の

溶

け 込 み 不 足 に よ る 溶 接 欠 陥 で

あ

る

．一

方

NbL2

継

手

（

Fig

．

4

_（

a

_）

）

で は，

細

かい 針

状

の

析

出物

が

確 認

で

き

，

EDX

に よる

成 分 分 析

の

結

果，

溶 接

の

際

に

析 出

さ

れ

た

TiN

と判 明

し

た

．

500

℃

（〔

Fig3

（

b

）

，

4

（

b

）

）

では

，

い

_{ず れ}

の

継 手 もき 裂発

生

点 周

辺 に

，

平

坦でぜい

性

的 な

破

面 様

相

を 示 し

，

室 温のよ

う

な

溶 接 欠 陥

に よ る

破 壊

は 見 ら れ な かっ た

．

　 　 　 　

4

考 　 　 　察

　

Tablc

　

3

に

示 す

よ

う

に

，

い

ず

れの

試 験 片

も 温

度

に よっ て

静

的 強 度 が

異

な る た め

，

疲 労

比

（

σ！σ_B

）

で

表

した

S

−

N

曲

線

をFig5 に 示 す

．

母 材では

500

℃ で の

疲 労

強

度

が 室温 よ

りわ ず

かに

低

い

．

これ は

，

475

°

_C

ぜ

い

性

の

影 響

と

考

え られ る

．

余 盛 部 除

去

試 験 片

の

室

温 に お け る

疲

労 強

度

は

，

母

材

よ り も

低

く

，

これは

溶 接 欠 陥

が

原 因

で

あ

る

．

Fig

．

3

（

a

_）

，

4

_（

a

_）

で示 し た よ う に

，

溶

接

欠

陥

の寸

法

は

NbL2

継

手の

方

が小 さいた め

，

疲 労 強 度 は 高い と 考 え られる

．

一

方

500

°

C

で は

，

疲 労

限

度

が室 温と ほぼ 同 程

度

で あ る

．

500

°

C

では

，

溶 接 欠 陥 が 起 点 と なっ て いない

（

Fig

．

3

（

b

）

，

4

（

b

）

）

こ と か ら

，

高 温で材 料 が 軟

化

し たこ とで

，

溶 接 欠 陥

に

対す

る

感

受 性

が

低

下し た た め と

考

え られ る

．

ま た

，

500

°

C

で も

NbL2

継 手

の

方

が

NbL

継

手 よ り も

疲 労 限度

が わ

ず

か に

高

い が

，

NbL2

継 手 部

の

微 視 組 織

が

微 細 な

こ

と

に

起 因

して い る

．

な お

，

残 留応 力

につい ては

X

線 応 力 解 析

に よ り

，

余 盛 部

除

去 試 験 片 で は

，

試 験 片

形 状

の

機 械

加工

時

に ほぼ

解 放 さ

れ ていること を 確 認 し てい る

．

　 　 　 　

5

結 　 　 　言

　

本 研 究 で は

，

SUS444

ステン レ ス

鋼

の

溶 接 継 手 試 験 片

を 用い て

，

高

温

疲

労 試

験

を 行い

，

疲 労 挙 動

につい て

検 討

し

た

．

その

結 果

，

溶 接

止

端 部

の応 力

集

中

に起

因

し て

疲 労

強度

は

低

下 し た

，

余 盛 部 除 去 試 験

片

で は

溶 接 欠 陥

で

破 壊

が

生

じ

，

疲

労

強 度

が 低 下 した

，

高 温 疲

労

試

験

で は

材 料

の

軟

化 によ り，

溶 接

欠

陥

に

対 す

る

感 受 性

が

低 下

した

た め

，

疲 労 強 度

は室 温 よ り上

_昇

し たこと な ど を

明

ら か に した

，

一 116 一

N工 工

一

Eleotronio _Library