芳 賀 武* *

長野工業高等専門学校紀要 ･第1

号(

Ni ‑ Cr 鋼 ( SNC2 ) 切欠 き材 の繰返 し曲げ疲労過程 におけ る疲労 き裂進展挙動*

芳 賀 武* *

Fatigue Crack Growth Behavior During the Repeated Bending  Fatigue in Notched Specimens of Ni‑Cr Steel (SNC 2)

Takeshi HAGA

Inthepresentstudy,heattreatmentsofNi･Crsteelmaterialwereas･quenching at1123K andtemperingatthetemperaturerangesfrom 523to873K.Fatiguestre･

ngthsandfatiguecrackgrowthinnotchedspecimensofNi･CrsteelwithaU model･

typebeenexami nedinitsex‑planerepeatedbendingtestleading toafractureby toolmicroscope,opticalmicroscopeandscanningelectronmocroscope.Andfurther

.

Theexperimentalresultsaresummarizedasfollows.

(I)Thelengthsoffatiguecrack growthLxandLyareslow todN/NL=10%and theyincreaseasthestresscyclenumberincreases.Theyshow rapidincrease afterdN/NL‑30%.

(2)AfterdN/NE‑30%,theappearanceofthestractureoffracturesurfacecan‑ beseparatedtotheshear‑lipfracturesurfacebytheimpactandtheclearfati‑ guefracturesurface.

1.

緒 言

∫

鉄鋼材料における焼戻 しぜい性の組織 と強度に関する研究は多 く,よく知 られている( 1

筆者は

材をおのおの一定温度に保持し,保持時間を変化させ,その後 シャル ビ衝撃試 験か ら衝撃の吸収エネルギー強度を測定 した( 6 ) . その結果低温および高温ぜい性において, 衝撃の吸収エネルギ強度が低下す ることと,保持時間の変化に対 して極端に変動す る遷移街 域 と思われる区域が存在す ることを明らかに した.

一方, リベ ット継手のような板材は内圧や外圧の強弱によって軸方向の応力だけでな く, 板厚方向の上下に振動する応力も考慮に入れる必要がある.特に リベ ットの穴は切欠 きと同 様の働 きをし,面外曲げ繰返 しが作用す る場合 と良 く似ている.鋼の平面曲げ強度について

*

日本機械学会北陸信越学会 第1

回学生員発表講済会に一部発表

** 機械工学科 助教授

原稿受付 昭和

年

月3

日

10

芳 賀 武

は表面 き裂

(

および破面に生ず るス トライ‑‑シ ョソ( 棚 とビーチマーク

脚か らき裂の進展 挙動を研究 した例がかな りある. しか し焼戻 しぜ い性に関す る種 々の熱処理を施 した疲労 き 裂 の表面 のき裂進展について

O研究は少ない.

本研究は

塾を有す

切欠 き材を用いて,低温

と

す る区域 と同 じ温度( 6 )( 保持時間40mi

と限定 した)で熱処理を施 した.そ して疲労に対 し て表面のき裂 と破面に生ず るき裂長 さを比較す るとともに焼戻 しぜ い性 との関係を調べた.

2.

試料および実験方法

試験に使用 した

材の化学成分 を

lに示す.熱処理は真空中で1

保持後,真空を開 き,ただ ちに32

K の胡麻油中に急冷 した材料 とこの急 冷後52

お よび87

各 々の温度で保持時間40

焼戻 しを 施 した材料の合計 6 種杭を使用 した.

これを

,

お よび

材 と称 した.試験片の 形状 と寸法は

Fig.1 From anddimensionsof thefatiguetestspecimen.

実験方法は試験片 の表面を,, .フ研摩 仕上げ し,繰返 し速度

で面外曲 げ方式に よるシュ ンク型疲労訊晩を行 った.実験は疲労進行過程におけ る材 料 内部の状態を調べ るため , U型 の切 欠 き材を用い,切欠 き部で集中応力が 作用す る方法を採用 した.途 中の繰返 し数 において疲労試晩を中断 し

Table1 Chemicalcomposition(Wt%).

Table2 Relationbetweenthematerialsand theheattreatmentmethods.

HeatTreatmentMethods AsQuenclled

(1123K 30minOilQuenched) Tempered40minat523K (三;32:K｡≡:in.▼?lilQQuueen:chheedd)

Tempered40minat623K

(

Tempered40minat673K 1123K 30minOi▼ l

673K 40minOil

Te

m pere d 4 0 mi n

t

3 K

1

2 3 K 3

mi nOi ▼ l

7

7 3 K 4

mi nOi l

873K 40minOil

sec

の速度で切欠 き底 と反対 の方向か ら衝撃を与 え破断 したI Fi

は切欠 き底付近 の応

力分布 と破面模様を示 した ものである.Fi

( 叫こ示す応力分布は

を

倍 に拡大 した鋼材を使用 し,その切欠部にス トレンゲ‑ジを貼 り,負荷応力を加 えて

測定 した結果である. また疲労試験は

に示すY方向,す なわち板厚方向の繰返 し

NトCr

鋼

切欠き材の繰返し曲げ疲労過程における疲労き裂進展挙動

Fig.2 Thestressdistributionchartandthefracturesurfacemodel

曲げを行 った.本実験 の特散の

つは疲労進行途中における様相を調べ ることである. この 方法は疲労寿命の繰返 し数 (NEとす る)に対 して,途中の繰返 し数を

とす ると,その

Lの

および

で疲労試験を運転休止 し,その後切欠 き底 と反対 の方向か ら衝撃を行 った.衝撃によって破面模様は

に示す

を示す)ように 疲労破面 と衝撃破面 とに明 らかに分離で きるので, この分離模様か ら各繰返 し数に現われ る 疲労部分 の模様の長 さ,すなわちこれを き裂長 さ

b ) に示す E 王と

の長 さを言 う) とした.この長さは

の自動読み取 り式工具顕微鏡を用い

と I yを測定 した.

また各繰返 し数の破面模様は光学疏徴鏡 と走査型電子顕微鏡を用いて観察 した.

3.

実験結果お よび考察

Fig.3は種々の焼戻 し材における衝撃後の破面模様か ら求めた き裂長 さ と繰返 し数 の閑2

uuJ (A)'

3･O Ln,J

.､. S

l〇

㍍ ̲ ト ト

お

‑･ ｡ ぴ

u o

｡

103Num｡e,LoAc,clcs NIO5

Fig.3 Relationbetweenthedimansion(

l

,

(

12

. ^ = rL

係を示す. き裂長 さ I xと I yは低お よび耶応 力振幅,あるいは焼戻 し温度に仇係な く初婚]

繰返 し数, たとえば

ま でき裂 の進展は迎いが

'以降急軟 な き裂 の脚加を見る. また I xシ

の

をl 七 校 した場介

は

itJ x. iI ) 進み力がやや t l l ･く

以

進みプ了が近い よ りであZ J. このこ と

( a) に示す X はよび Y) ) ' 1 . ' ･ J の応 )

/ / Hl l ' の 1 1 1 迎lL

よるもの と] 5 ･ え r ?)tる.

jL 榊j jのt r

げ 疲労において,

W l i Y裂 と維出 し数のL k 候 か ら同様 の

7 ‑ 1 を′ ; : す

. I . 某の例 もあ

U そ して き裂進展挙動は

. t 庚 し

鹿に対 してほ とん どh ･ ml P ･ されず,ほぼト 可様 の帆 J n j でJ † 仙 け ることが分か った.

つ ぎに

は破面模様 の代 R･ ( ( t J なマ ク ロ顕徴鋭写呉を' ‑ T < す.

は

焼戻 し材) の試験片である.

は疲 労方命の

の とき.先端部にわずか疲労 破 面部分が観察 された. この疲労破面部/ / [は表 面 のき裂部分に仰当す るので疲労敏郎 部分 の L x と L yを き裂 良さとした.その後の繰返 し 数に よって疲労 部分すなわちき裂が進行 し,

は疲労

子命の

の とき,疲労部分 がマ クロr t ' . Jにn 川収に祝祭 された.疲労破面模 様は

に示すⅩ

向 とYノ ブ向に先述

している 様 7 ‑ が確認で きるほ ど明悦であった.

Fig.4(o)

は疲労月命の

の とき, さらに 疲労部分すなわちき裂が進行 し

線的な変 化模様 として明確に観察 された. このき裂破 面様卿を模試図r 伽こ示す と

であ る.

Fig.5

に示す ように 繰返 し数の

加 ととも に I xと I yが結び,いわゆ る内部 のき裂進展 模様が曲線的な変化で進んでいることが分か った. また 表面 き裂良さ I sと表面 き裂長

洲定後,衝喋に よって破断 させ,破面にで き た疲労破面模様 の長 さ L xを比較 した,その 結果を

に示す.

は工具顕 微鏡に よる表面 き裂長 さ / S( 衝撃 前の良さ)

Fig.4 MacroscoperracLur

e s u r f a c e

ofmaterialE.

q‑627MP

C 1

( a)

⊥ 1い0%

300ん 50%

750/｡

10

0 %

ImpactTdirection

Fig.5 Relatio11betweendN/Nr(%) andfaいguemal.k.

Ni‑Cr

鋼

と疲労破面模様長 さ J x( 衝撃後の長

さ)との差は示 した値で

8の値 である.すなわち

程度 長 く,繰返 し数の増加に したがい長 さは長 くなるので, き裂の長いほ ど その差は大 きい傾向がある. したが って衝撃後の長 さ

さ,すなわち表面 き裂長 さ

∴よ り もかな り内部 までき裂が進行 してい るものと考える. 筆者 ら￠ 脚 は以前

Table3

Di

( t x ‑l 9:

に光学顕微鏡で倍率

倍 に して

‑2mm

程度の太 く黒 く観察できる部分をマイクロ ･クラックと定義 したことを基準に して 測定 したので,表面 き裂をどのように判断す るかによってかな り相違す るもの と考える.

しか し実験結果の事実 より表面 き裂の発生が確認 された とき, き裂がかな り内部まで発達 していると考 えても妥当のよ うに思われ る.

4 . 結 論

以上の実験結果 より

切欠 き材を用いて,低温お よび高温の焼戻 し温 度で熱処理を施 した. この

光学および工具顕微鏡 と走査型電子銃徴鏡か ら調査 し, き裂 の進展状況お よび表面に生ず る

き裂長 さと疲労破面に生ずるき裂長 さとを比較検討 した.

その結果つぎのように要約 された.

(1)

破面模様か らき裂進展長さである E Iと

まで遅いが,その後の繰 返 し数の増加に ともないき裂が増加 し,そしてその後

以降,急激なき裂の進 展を見た. しか しき裂の進展は焼戻 し温度にほ とんど影響 されず,ほは同様 の傾向で増加 し た.

(2)

表面 き裂長 さ I sと破面模様 の長 さ

の方が

‑230〃m

程度長かった.

終 りに本研究を遂行す るにあた り,御助言を頂いた北海道大学工学部機械工学科 野 口 徹工学博士に対 し深 く感謝の意を表 します. また試験片の作製にあた り協力を願 った本校学 生である久保田昭司君 ( 現在 :三協精機)に対 し深 く感謝致 します.

参 考 文 献

三村 宏 :鉄と鋼,1

(3)

鈴木洋夫,西村 哲,山口重裕 :鉄と鋼

豹藤 一 :鉄と鋼,6

(5)

帝井利光 :日本金属学会全乳

14

芳 賀 武

(6)

芳賀 武 :卑野工専紀要,l l(

(7).T.Haga,H.Yokouchi,M.Ishida:Proc.ofthe16th.JapanCongr.onMaterials Research

,(

(8)

田中啓介,中川善一,前川 治 :材料,31(

向井菩彦,西村 新,材料 :

(10)

石原 守,平石茂樹,杉本威生 :材料,2

戸梶志郎,安藤善司,森川邦彦 :材料,2

(12)

結城良治,北川英夫,徐 昌敏,持田郁夫 :材料,31(

西谷弘信,鹿毛正治 :材料,29(

(14)

越智保雄,石井 明,山本康義,佐々木茂美 :材料,32(

末書秀一,末永勝郎,田中良平 :日本金属学会誌,48(

芳賀 武,村井三郎,平山恵一 :材料,1

(17)

芳賀 武 :材料,1