炭素鋼の疲れき裂の発生伝播に
及ぼす平均応力の影響
（昭和45年3月12日 原稿受理）
機械大学院学生高尾健一
機械工学教室 遠 藤 達 雄
EFFECT OF MEAN STRESS ON THE INITIATION AND PROPAGATION OF FATIGUE CRACK
Kenichi TAKAO Tatsuo ENDO
T。n，i。n−・・mpressi・n f・tigu・test・f O．44％carb・n・teel was carri・d・ut f・r investig・ting the e鉦ect・f mean・tress・n th・initi・ti・n・nd p・・P・g・ti・n・f f・tigu・
crack．
As a result of experiment on the quenched and tempered carbon steel， the following conclusions were obtained． ． 1）Stress rep・titi・n under c・mpressiv・m・an・tress is equiv・1・nt t・the「ep・tlti°n under tensile mean stress for crack initiation．
2）After th・initi・ti・n・f crack・mb・y・・the specim・n i・b・・k・n．by nea「1y constant number of stress repetition under tensile mean stress almost lndependent of the number of primarily applied repeated compressive stress， but it does not break off when it is stressed under compressive mean stress．
The results obtained on carbon steel show similar tendency to the experimental results on brass．1）
概 要 1． 緒 言
焼入れ焼戻しした0．44％炭素鋼の引張圧縮疲 金属材料の疲れにおける平均応力の影響につい れ試験を行って，疲れき裂の発生と伝播における ては，古くより耐久限度線図を求めることを主目 平均応力の影響を調べた結果，次の結論を得た。 的として研究されてきたが，近年疲れ過程がき裂 1） き裂の発生までは片振り圧縮の繰返しも片 の発生とその伝播の二つに分けて考えられるよう 振り引張りの繰返しも応力振幅が同じならばき裂 になり，平均応力の影響も疲れき裂の発生と伝播 発生に対して等価的である。 の2期間で区別されて調べられるようになってい 2）発生したき裂が片振り圧縮のもとでは伝播 る。1）〜4）西谷・山下が70／30黄銅で行なった実験に
しないが，片振り引張りのもとでは試験片を破断 よれば1），き裂の発生までの疲れ被害は平均応力 に到らせるような応力振幅があるが，この場合， にはほとんど関係せず，応力振幅のみによってほ さきに片振り圧縮でうけた繰返数とは無関係の一・ ぼ決まるが，その伝播には平均応力の大きさが影 定繰返数で破断する。 響している。すなわち応力振幅が一定の場合を考 3） 実用炭素鋼による本実験の結果は黄銅で行 えるとき・き裂の発生までは片振り圧縮も片振り
なわれた実験）の傾向と一致する。 引張りも同一繰返しをうける限りその後の寿命に
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対し同じ影響を与えるという意味で被害に関して 繰返数でき裂が発生するものと考えられる。以 等価的で区別する必要はないが，き裂がいったん 下，本論文にて報告する実験に対応させてこれを 発生した後では，片振り圧縮では破断しないよう もっと具体的に述べよう。
な振幅の応力繰返しを片振り引張で加えるように 片振り圧縮繰返応力を凡回加えた後，その応 かえると（これを以後「反転」という。），前に受 力振幅が等しい片振り引張繰返応力に反転して凡 けた片振り圧縮の繰返数にあまり依存しない繰返 上回の繰返数で試験片を破断させる実験を考え 数で破断することが示されている。このような る。前述のような応力振幅のみに主として依存す 材料の性質が黄銅のみならず強度を要求される実 るき裂発生の繰返数凡があるとすると，1V1と 用強度材料においてもあらわれるか否かは工学的 瓦との大小関係で次の2っの場合が考えられる。
に極めて興味がある。よって本論文では焼入れ焼 a）片振り圧縮繰返数1V、＜き裂発生繰返数凡 戻しした実用炭素鋼を用いて平均応力のき裂発生 1Vlがき裂発生繰返数よりも少ないこの場合には ならびにその伝播に対する効果をしらべた結果を 反転後（現一1V1）回の片振り引張繰返しによって 報告すると共に，試験部分のビッカース強度も測 き裂の発生を起し，ついには破断する。
定して，この値と応力繰返数との関係を求め，あ この場合（1Vl十N2）は1V、に無関係に一定となる。
わせて平均応力の疲れき裂伝播速度に及ぼす影響 b）片振り圧縮繰返数1VI＞き裂発生繰返数凡 をも検討した結果を報告する。 （1V、一凡）回の繰返し中はき裂は発生している が伝播しない。よって1v，はき裂の伝播（進展開 Z き裂の発生と伝播 始と伝播）に使われ＿定となる。この場合N、回 試験片に引張圧縮繰返荷重を与える場合，荷重 の繰返し中はつねに圧縮の繰返しであるのでき裂 軸に対して45°の角度をなす面に最大せん断応力 は凡で発生したあとも口を開かず伝播しないも が作用するが，試験片表面附近の弱い結晶（粒 のと考えられる。
径が比較的大きく，その亡り面が最大せん断応 以上の考察をもとに片振り圧縮につづいて片振 力の作用する面に一致するかそれに近い結晶）で り引張りをうける材料の疲れ寿命を表現する方法 は応力繰返しによってまず亡り線が発生し，それ を図2に示す。この図で横軸には始めに与えた片 が多数集って亡り帯を形成し，応力の繰返しと共 振り圧縮の繰返数1V、を，また縦軸には片振り圧 にその中に微視的き裂を含むようになることが観 縮の繰返数1V、と反転後の片振り引張繰返数凡と 察されている。（そのような微視的き裂のモデル の和すなわち総繰返数のほか，1V，もとっている。
を図1に示す。），ついでき裂は応力の繰返しにっ また図において破線はき裂発生寿命1Vゴである。
れて成長し・数粒子にわたる寸法をもつに至る・ また図の両座標軸は対数目盛を用い，図は一定 この状態を「き裂発生」と呼べば，き裂発生は繰
返されるたりの結果と考えられるから，その主原 因であるせん断応力の繰返振幅に主として依存す ることが理解される。すなわち応力振幅が一定な らば，平均応力の大きさが変ってもほぼ一定の総
◆6←』0← 滅。蹴 →
片振り引張り 園
0⇔−6→ 茨。蹴 ←
一一T−一一一一どこ一一一一一
4 乞 z ・
べ り おき し く の
片振り圧縮 図2 疲れ寿命のモデル
図1 微視的き裂のモデル （座標軸は対数目盛を用いている）
表1 化 学 成 分
成分1cIsi．IM・［pL三一…］c・INi O］−M・一
％ 0．44 0．38 0．78 0・021 0・022 − − 0・03 0・02
の繰返振幅σ、（本実験では特記しない限り34kg／ ッカース硬度H （荷重5kg，30秒保持）を測定 mm・ jに対して作られている。片振り圧縮の繰返 した結果，平均248・0，標本標準偏差5・0を得
しのあと片振り引張りの繰返しを与えるとき，総 た。
繰返数1V、＋凡の実験点が図中太線上に来ること 片振り引張りによる疲労限は30． O kg／mm2で などが予想されるが，果してそのようになるかを あった。断面積最小部に，円周方向に5〜10mm 明らかにするため次の実験を行った。 のき裂を認めたときを破断とみなし，試験機を停 止した。試験中，断面積最小部の直径の増減が起 3 実 験 方 法 るが，ほぼ9，000回の応力繰返しで大きい断面積 引張圧縮疲労試験には共振型疲れ試験機（バ・イ の変化は停止することを認めたので，5，000回お
ブロフォア型，東京衡機製，容量10トン）を用い よび10，000回あるいは30，000回の応力繰返しで た。所定の長さに切り出した炭素鋼S45 Cを 試験機を止めて定応力試験となるように荷重の 845℃に加熱後水焼入れし，600℃に加熱後油焼 調整を行なった。実験は片振り圧縮繰返応力を 戻しを行ったあと，図3の寸法に切削した。断面 凡回負荷したのち，片振り引張りあるいは部分 積の変化による応力集中係数はNeuberの三角 片振り引張りにして応力を繰返し凡回で破断に 則によれば，ほぼ1．07であるが本論文中ではす 到らせた。破断後，試験片の断面積最小部のビッ ベて公称応力で示してある。切削による表面硬化 カース硬度H．を測定し，H，と片振り圧縮繰返数 等を取り除くために，半径方向に5μずつ紙やす 1V、との関係を求めた。
りで削除しながら硬度を測定した結果，約30μ削 き裂の伝播速度を求めるために，一部の試験片 り取ればほぼ一様な硬度が得られることを認めた はペーパー仕上げののち，さらにパフ仕上げを行 ので，試験片はすべて半径方向に30μだけ紙ペー ない荷重軸と垂直方向のペーパーによるひっかき パー（0〜0／6）で削り取り・仕上げを行った。表 傷を取り除いた。き裂の発見を容易にするために
1・表2はそれぞれ材料の化学成分およびこの熱 断面積最小部の表面に，先端の角度が約60・の円 処理状態での機械的性質である・ 錐を押込み，直径0．11〜0．18mmの孔を作った。
未使用試蹴を数本用いて・断面瀧榔のビ き裂長さの測定にはレプリカ用のセル。＿ズ，ア 表2S45Cの機械的性質 セトブチラート（通称ビオデン）を使用し，それ
（kg／mm2） 降伏点
69．7
引張強さ
（kg／mm2）
83．3
真破断応力
（kg／mm2）
155．3
絞 り
（％）
63，2
伸 び
（％）
16．2
で円周方向のき裂を写し取り，100倍の読み取り 顕微鏡でそのき裂長さを読み取った。応力振幅は 始終34kg／mm2に保持した。
4． 実験結果および考察
・ン 24山／インチ 端り圧撒返応力を凡回鯖したのち片
18
・−9
30
66 〃 …
図3 試験片寸法 105，107の応力繰返しの後，片振り引張りに反転 ⑮⑮ 振り引張りに反転後凡回の応力繰返しで試験片
ロ エくつのマヘ ロ
NN を破断に至らしめた場合の実験結果を図4に不
す。また1Vヱと破断後の断面積最小部のビッカー
ス硬度Hとの関係を図5にN、−05×1045× 18
50
・ 107
106
蘂105 藁
ニユー →一
一
一一一
一一一一
一一
@デ C夕 ￡
正1遡270 警26・
↓25。
；240
104 105 106 1♂
片振り圧縮繰返し数（Nl）
図5 HvとN1との関係（斜線部は未使用試 片の平均硬度（中央太線）のまわりのば らつきの標準偏差内の値を表わす）
峠片轟縮繰返しふ㎡註蕊‡蕊㌶㌶㌶麟
に等価な被害を与え，全寿命の約46％でき裂発 図4 実験結果（黒丸を通る太線は反転後の寿
命の95％信頼区間を示す。Nmは片振り 生になるとして理解される。言い換えれば，き裂 引張りにおける平均寿命である） の発生には平均応力はほとんど関係せずき裂発生 後求めたき裂伝播状態をそれぞれ図5，図6に ののちには，片振り圧縮ではき裂は伝播せず，片 示す。実験結果（図4）と疲れ寿命に関する予想 振り引張りに反転後，き裂は伝播して試験片を破
（図2）とを比較してみると，大体において一致 断に導くとみてよいようである。
している（この結果は70／30黄銅を用いて行った モデルの曲線と実験結果との差異は以下のよう 西谷，山下の実験結果と同様な傾向を示す。）が， に解釈される。図5に示すように，N1の変化に伴 詳細に見れば，1V、が大きいところではN、は大き なうH，の変化があり，また図6に示すように，
い。疲れ寿命の予想の曲線を求めたときに述べた き裂の伝播速度R＊は凡が変化してもほとんど ように，凡＞1V、では破断までの寿命（］V1＋1V，）は 大きい差がない。以上2点をあわせ考えると，反 1V、に関係なく一定であるようにみえるから，図 転後の寿命1V，が1V、の増加とともに増加してい
4において，き裂発生寿命1V、は5×104程度であ るのは，材料の硬化により，き裂の伝播の開始が 6m−・・KΨmm・一、、Kg、mm・ 遅くなったためであると考えられる・
6』。34Kg／mm2 片振り圧縮にて2V1回の繰返応力を負 荷したのち，正の平均応力24kg／mm2
5・° へ 34kg／mm2・40kg／mm2のもとで・片
振り引張り及び部分片振応力を負荷した ＋N1ニ 107
2 °
@ 葭55・1σ4 ．6m。2、㎏、mm・
1．。 φN1・5・1・5 −◆−6m・34 Kg・mm・
R恒＝213x10−4 輪
＋6m・40母mm2
。．5 ÷N1・5・1・4
ξ ぷ二21紺鉋
鵠α・ R㌔248・1r4き
抑 。」 R升・《坐山㌔曇1。4
片振り引張り繰返し数（N、） 、 片振り圧縮繰返し数（N・）
図6き裂伝ぱ状態 図7反転後の寿命
、
、
一 一 一 一
