切欠材の疲労強度に及ぼす予加工の影響
真武友一・＊，藤村顕世＊
Effect of Pre−strain on the Fatigue Strength of Notched Specimens
by
Tomokazu MATAKE and Kensei FUJIMURA
（Mechanical Engineering）
Many researches are reported on the fatigue strength of unnotched specimens pre・strained・By their results， the fatigue limit of the pre・strained materials generally increase with increasing of the amount of pre−strain， but it is lower than that of the original when the pre−strain is sma11．
While there are few investigations on the fatigue of notched specimens pre−strained．
This paper is the results of experiment on the fatigue strengt募of the notched steel specimens having semi・circular groove of O．54 mm radius， for which the tensile pre・strain and then the fatigue test by direct stress are conducted． And they are different from those of the previous investigations on the fatigue strength of the pre・strained unnotched materials． That is， the fatigue limit rises with the increasing of the amount of pre・stratiI1， even when the pre・strain is small．
This pheomenon is made clear from the results of the measurement of micro・hardness on the cross section and the observation on the surface of the notch root， as following：the state of the notch root under small pre−strain corresponds to the large pre・strain of the unnotched specimen．
1．緒 言
高い強度の金属材料を得るためには，化学成分，熱 処理による材質の改善のほか加工による方法が用いら れている．とくに疲労強度増強のために，圧延，シ・
ットピーニング等，表面圧延による加工層ならびに圧 縮の残留応力の生成による強化法も利用されているが，
素材に予ひずみを与えて機械的に材質を改善する方法 もよく用いられている．そしてこの方面の研究は国の 内外ともに多く行なわれている1）一15）．これらの論文 の多くは，たとえば予引張り材に回転曲げ，あるいは 予ねじり材に両振りねじりの繰返し応力を加えるなど，
予ひずみの種類と繰返される応力の種類を組合せて，
どの程度疲労強度を上昇させ得るかという予ひずみ量 と疲労強度の関係を求めたものである．
これらの結果によれば，予ひずみ量の増加によって 疲労強度も上昇しているが，予ひずみ量が1〜2％の 場合には疲労強度は素材のものよりかえって低下する ことがわかった．著老の一人も7：3黄銅および炭素 鋼について研究を行ない16）17）18），これらの現象の 再現性を確認し，その機構について考察を加えた．以
＊機械工学科
上の研究は大部分が平滑材における予ひずみ効果に関 するもので，切欠材に関する研究は少ない5）9）20）．
本論文は，著者の一人によって行なわれた予ひずみ を受けた炭素鋼平滑材の研究17）18）と同一材料を用い て，これに切欠きをつけ，同様な試験法，すなわち予 引張り後引張・圧縮の繰返し応力を与えた場合の予ひ ずみ量と疲労強度の関係を求め〜切欠底の顕微鏡観察 および硬度測定を行ない，平滑材の場合と比較検討し た結果を報告する．
2．使用材料，試験片および試験方法，
使用した材料は新日本製鉄K．K．（旧八幡製鉄K．
K．）において製造された炭素鋼（S15 C，直径25mm）
で，その化学成分および機械的性質をTable 1に，そ の組織写真をFig．1に示す．
素材を910。C，60分間焼鈍したのち試験片形状に機 械加工した．この機械加工による加工層の影響を除去 するために，さらに600。C，40分間真空焼鈍を行ない，
その後電解研磨（電解液：リン酸1000g，氷酢酸150cc，
ゼラチン20g）によって表面層を約．20ミクロン除去し た． 疲労試験に用いた平滑および切欠試験片の形状 は Fig．2a），b）に示す通りで，切欠きの形状は半 円弧の円周切欠きでその形状係数はα＝2．27であ
（1）
Table．1Chemical composition and mechanical propert！es
Chemical comPosition（％）
C
0．17
S1 Mn
。．251。．47 1
P
0．008
S
0．004
N1
0．04
Cr
0．02
Mo
0．01
Mechanical properties（kg／mm2，％）
E
2．17x104 σSU
20．4
σB σT
38・1 P84・9
φ
39．8
ψ
69．8
E ＝Modulus of elasticity σsu＝Lower yield poillt σB ＝Tensile strengt11
σT＝True tensile stress at fracture ρ ＝Tensile elongation
ψ ＝ Area contraction at fracture
a）Cr・SS seCti。n
b） axial section
一 〇．1mm Fig．1Micro・structure
る19），なお，切欠底の縦断面の写真をFig．3に示
す．
予ひずみはオートグラフ（島津製作所製，容量10 ton）によって与え，その後直ちに引張・圧縮疲れ試 験を行なった（島津製作所製万能疲れ試験機，引張圧 縮容量2ton）．与えた予ひずみは1．3％および3．1％
の2種類である．このひずみを与えるために試験部の 伸びと有効ひずみとの関係をあらかじめ実験的に求め ておき，実際には伸びを観測しながら所定の伸びまで 引張った後，切欠底直径を測定して有効ひずみを求め たところほとんど予測通りであった．しかし試験片の 予ひずみ量はすべてこの有効ひずみを用いてある．
試験部を含めて50mm間の応カー伸び線図をFig．4 に示した．縦軸の応力は切欠底最小断面の公称応力で ある． またオートグラフで3．1％の予ひずみを与え たときの荷重一伸び線図をFig．5に示す．なおオー トグラフによる予ひずみのための引張り速度はすべて 0．5mm／minで，引張・圧縮疲れ試験の応力繰返し速 度は毎分約2700回である．
10
鳶 ． 犠 駄@ α9
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15
30 X0 P20
15
・）Um1・tch・d・pecimen
葛
15
10
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ト
。
％
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2げ層
30 90 120
15
b♪N〔，Iched Specimerl
誉
Fig．2 D量mensions of specimens
Fig．3Micro・graph of axial section of the root notch
切欠材の疲労強度に及ぼす予加工の影響
50
40
1、。
妻
舅，。
10
0 2，5 5．O
E［ongatio11 （㍑旧｝）
7．5 10．0
Fig．4 Stress−elongatioユdiagram of notched specimen
竃1
乳，
0 0．1 0．2 0．3
Elonga巨on（mm）
Fig．5 Load−elongation diagram by autograph
3．実験結果とその考察
本材料の平滑材および切欠材 （二二加工材および 1．3％，3．1％の予ひずみを与えた場合）のS−N線図 をFig．6に，また予ひずみ量と疲れ限度との関係を Fig．7に示す．これらによるとその疲れ限度は予ひず み量の増加とともに上昇している．この疲れ限度を表 にまとめ切欠係数を求めるとTable 2のようになる．
この表によれば，切欠係数はεp＝0でβ・＝1．70であ り，α〉βとなっている．予ひずみが加わればεp＝
1．3％でβ＝1．55，εp＝3．1％でβ＝1．31と直線的に 減少し，切欠きに対して鈍感になってくる．これを図 示したのがFig．8であるが，これによれば，切欠係数 は予ひずみを施せばその効果は大きいが，ひずみ量の 増加による影響はやや少なくなっている．これは予ひ ずみによる切欠底の加工硬化および残留応力の影響に
よるものと思われる．
そこで予ひずみによる影響を見るために，未予加工 材および1．3％，3．1％の各ひずみを与えた試験片を縦 断し，切欠底のマイクロビッカース硬度分布を測定し て（25g重錘）図示したのがFig．9（a）〜（e）であ
る．なお，これらの図には各々のひずみ量（未予加工 材も含む）で引張・圧縮疲れ試験を行なった結果，107 回以上の応力を繰返しても破断しなかった試験片につ いても同様の方法でその硬度分布を求め，その結果を プロットしてある．
Fig．9（a）は切欠試験片（未予加工材すなわちεp
＝0）とこれに疲れ限度の応力（σw＝10kg／mm2）を 107回以上繰返した試験片の硬度分布であるが，後者 の方が応力繰返しによってその分布はわずかに上昇し ており， また試験片内部に比べて切欠底附近はその 硬度が高くなっている．Fig。9（b）はεp・＝1．3％
の予ひずみを与えただけの試験片とこれに応力σ＝12 kg／mm2を107回以上繰返した試験片の硬度分布 で，ひずみの集中によって切欠底の硬度が上昇して いることがわかり， この場合もεp＝・oの場合（Fig．
9（a））と同様，応力の繰返しによってその硬度分布は わずかではあるが上昇している．Fig．9（c）はεp＝
3．1％の場合で，予ひずみのままと疲れ限度の応力（σ
＝13kg／mm2）を107回以上繰返した後の場合とで は，むしろ予ひずみのままの状態の方が高い．
（3）
AcuE
E
×oo
Mv
)b
14
10 22
20
18
A
e;E E
x. 16
vxgg
2 di 14
12
10
8
OUnnotchedspecimen eNotchedspecimenEp=o
O,"Ep‑L30/e Ot,Ep‑3.10/o
o
o e
e
105 .lo6
Number of
Fig. 6
8
Fig.
O 1.0 2.0 3.0
'
Ep(%)
'
7 Relation between fatigue limit the amount of pre‑strain
and
repetMons S‑N diagram 3.
4. 0
Qt 2.0
1.0
lo7 5 ×lo7
o
Fig.
LO 2.0 3.0 4.0
Ep ( %)
8 Relation between strength reduction factor and the amount of pre‑strain
Table 2 The fatigue limit and the reduction factor
strength
ep(O/e) aw(kg/mm2) p tz ee‑.
E ￡‑
‑ ve･
.E,ll/
.v.
s .s :
180
160
Unnotched .speclmen 17 L L L
70 55 31
14e
Notched speclmen
o L3
3.I
10 11 13
120
100
OSpecimenNo.5‑17, Ep‑O, N‑O
1
eSpccimenNo,5‑12,Ept;o
A
,O==10kg!mm2,N‑10,030,500
‑uvX ‑ ‑
xv NN NNN
e
Fig.
LO
The distance from the
9 (a) Micro‑vickers at ep==O
2.e 3.o
root of notch ( mm)
hardness distribution
3.5
(4)
切欠材の疲労強度に及ぼす予加工の影響
180
160肇
量
豊140
ξ
豊120
200
ヨエ む 書
書 重お
韮
≧ 140
120 100
OSpecimenNo．5−11，εp篇 1．3％， N−0
1Ru、 、 ●Specime曲5−7，・P−1．3％，礁12kg／・。・，
N−10，914，000
》 a^ 、 、、、
， ﾞ」、㍉●／
一●
0 1．0 2．0 3．0 3．5
The dis量ance from the rgot of notch （mln＞
Fig．9 （b）Micro vickers hardness distribution at εP＝1．3％
O Specimen No．5−14， εP− 3，1％， N司
怩rpecirllen No．5− 8， εP− 3．1％， σ一13kg／nlm2 ，
@ N−11．296．000
囎 ㌃
1 外、
P／＼ 1！
、 ！x し一一儀 、 を一 ノmm！
0 1．0 ．2．0 3．。 3，
Tlle di・…ce f・・m tlle…tof・・t・ll（⑩ Fig．9 （c）Micro vickers hardness distribution at εP＝3吻1％
∩q，
OSpecime・1N・5−17．和一〇，N−0
怩rpecimen Nα5−11，εp− 1．3％， N−0
ｳSpecimen No 5−14，εp−3．1％㌧N罵0 00
@ 9f 1
軸『ﾖ 、 鼠寸ノト＼
〆＼
＼レノ＼し ！@ ！ノ
@，4一ぞ
、、 、、 「●一一一●
0 1．0 2．0 3．0 3．5
「1−he dj§tance frorn the rooし of no【ch （mr犀L）
Fig．9 （d）Micro vickers hardness distribution before fatigue test
すなわち応力繰返しによって軟化の傾向さえ．
見られ，予ひずみによる硬化の方が応力繰返 しによるものよりも大きいことがわかる．
Fig．9（d），（e）は（a），（b），（c）の図を用いて
予ひずみの硬度分布に及ぼす影響および応 力繰返数による影響を調べるためのものであ る．Fig．9（d）では予ひずみ量の増加ととも にその硬度も上昇している状態がよくわかる．
またFig．9（e）では応力の繰返しによって，
またひずみ量の大小によって切欠底の硬度に はそれぞれ高低があるが，切欠底から離れた ところすなわち試験片内部の方では，公称応 力の差があるにもかかわらず硬度はほぼ同じ になっている．すなわちひずみの集中（予ひ ずみおよび応力によるひずみ集中）による差 が硬度の差となってあらわれているようであ
る．
切欠きによるひずみの影響を見るために，
平滑材の場合と比較してみたのがFig．10で ある．図の縦軸は予加工材の疲れ限度と未加 工材のものとの比の百分野である．この図に よれば平滑材に比べて切欠材が著るしく強く なっているのは切欠底におけるひずみの集中 によるものであることがよく理解できる．
また平滑材では降伏点附近の予ひずみεp
＝1．3％を与えた場合には，その疲れ限度は 未加工材よりもかえって低下するが，切欠材 の場合には，その切欠底に大きいひずみが 生じているために，疲れ限度の低下が見ら れなかった．この点では炭素鋼（0．22％C）
切欠材に予引張りを与え，その後回転曲げ 疲れ試験を行なった福井氏らの結果5）とは異 なっている．すなわち本材料では切欠形状
200
180
茎16。
董
葦14。
ぎ 妻
120
100
oSpeeime・N・．5−12，
εP−0・σ一10kg／mm ． 怩rpecirl】en No．5−7，εp−1．3％，σ一12kg／m1112，
N−10，030，500
m−10，914，000
『 1 ①Specimen 匿）．5−8，εp＝3．1％．σ一13kg／nlm2，N＝1L296．000
1 、 f1＼ 似．
@、、 ・べ 、
，
v 、 覧 、 ，
・一
^ f ，
@
@r唱r 1
，ρ●
0 1．0 2．0 3．0 3．
The・distance from the root of notch Cmm）
Fig．9 （e）Micro vickers hardness distribution after fatigue tets
（5）
§
∫
160
140
120
100
80 0 5．0 10．0
εP（％）
Fig．10 The effect of pre−strain on the fatigue limit
OUnn・tched specim6n 怐fNotched specimen
沌唄 ポ ノ ♂／
！
^4 ■
●
ep==O
sp=1.3%, N=O
8p == 1.3%, N :5×104
4es
'pmg,a
¥･ee
ep=O
$it
̀pa .‑
sh
sp==3.1%, N=O
6p=3.1%, N==5×104
ec
8p=1.3%, N=3×105 8p==3.1%, N=3×105
Specimen No.5‑13(a=16kg/mm2) Specimen No.5‑15(a==16kg/mm2)
lm‑1 0,lmm e‑ axial direction
Fig. 11 Micrographs on the surface of specimens under stress repetitions
(6)
切欠材の疲労強度に及ぼす予加工の影響
による応力集中率はわからないが，予ひずみを与えた 場合の切欠きに対する予ひずみ効果は充分にあらわれ
ている．
このことは硬度分布による切欠底のひずみ集中から も推測できるが，切欠底には見掛け上（公称有効ひず み）より大きいひずみ状態にあるため，切欠底は高度 の予ひずみをうけた平滑材と同等の疲れ強さを有して いることになっている．また，切欠底のひずみは一様 分布ではないので，切欠材の公称有効ひずみがどの程 度の予加工の平滑材と等価であるかは今後の研究にま たねばならない．
εp＝1．3％，および3．1％の各予ひずみを与えた試 験片に16kg／mm2の繰返応力をかけて，繰返し途中 の切欠底の表面状態の写真をFig．11に示す．この写 真からもわかるように，予引張り後に引張・圧縮疲れ 試験を行なうのであるから，疲れ試験によるすべり線 は予ひずみによるすべり線と大体同じ方向で，重なっ てあらわれており，応力繰返しが増すにしたがって濃 くなっている．平滑材の場合のすべり線は試験片軸に』
傾斜していたが，切欠底ではほぼ軸に直角で，すべり 方向が限定されている．したがって，平滑材のすべり と3軸応力状態にある切欠底のすべりとは効果の上か らも異るであろう．
本実験においては停留き裂が発見された．εp＝0，σ
＝11kg／mm2と，εp＝1．3％，σ＝12kg／mm2の場 合である．εp＝3．1％には存在しなかった。予加工材 の停留き裂の発生条件については応力分布，ひずみ分 布，残留応力，加工硬化など複雑な要因が考えられる し，今後の研究課題である．
4．結 』 論
これらの実験による考察から次のような結論を得た．
（1）予引張りをうけた炭素鋼切欠材（α＝2．27）の 引張・圧縮疲れ限度は，εp＝0，1．3および3．1％の 場合，それぞれσw＝10，11および13kg／mm2で予 ひずみ量の増加とともに上昇している．
また切欠係数は未加工材（εp＝0）の場合はβ＝
1．70でεp＝1．3および3．1％の場合それぞれβ＝
1．55および1．31となり，予ひずみ量の増加に比例 して減少している．
（2） 予ひずみによる硬度は応力の繰返しがない場 合には予ひずみ量の大きいほど高いが，疲れ限度の応 力を107回以上繰返した場合には，試験片内部では，
ほとんど同じである．しかし切欠底附近では依然とし て，わずかながら差が見られる．
また応力を繰返せば，εp＝0およびεp＝1．3％の 場合にはその硬度分布は，応力を繰返さない場合に比 べて，いくぶん上昇しているが，εp＝3．1％の場合に はかえって低くなっている．
（3） 引張・圧縮疲れ試験によるすべり線は予引張 りのすべり線に重複している．
本実験における電解研磨は本学玉田栄次郎技能員に よるも・のである．ここに感謝する．
5．文 献
1）五十嵐勇，深井誠吉，機械学会論文集，5，1−3（1929）．
2）〜5）福井伸二，佐藤四郎，東大理工研報告 Vo1．3，
No 11，12（1949），311 ；、▼ol 4， No 7，8（1950），210；
Vol 5， No、6（1951）259；Vo16， No 4（1952）259：
6）〜10）福井伸二，佐藤四郎，北川義雄，東大理工研報告，
Vol 6， No 6（1952）359；Vol．7， No．1（1953）447；
Vo17， No 3（1953）135；Vo1．7． No．6（1953）245；
Vol 8， No 6（1954），265．
11）河本実，関護雄，引田宏，田中道七，材料試験，了，33 （1958），
12）Frost． N，E，Metallurgia，57，279（1958）．
13）Frost． N．E，ibid，62，85（1960）．
14）佐藤四郎，角井正義，福井伸二，清野次郎，材料，14，
389 （1965）．
15）今井良一，神山央，久留米高専研究報告，10，1（昭43）．
16）真武友一，材料，16，168（昭42）．・
17）真武友一，日本機械学会講演論文集，No．710−1（1971 −4），69．
18）真武友一，日本機械学会講演論文集，No．710−9（1971
−10）， 61．
19）R．E． Peterson， Stress Concelltration Desigll Factors（John Wiley，1953）．
20）真武友一，藤村顕世，日本機械学会講演論文集，No．718 −3 （1971−11）， 9．
（7）
