引 張 残 留 応 力 場 に 存 在 す る 三 次 元 き 裂 の 有 効 応 力 拡 大 係 数
東 京 工 業 大 学 大 学 院 学 生 会 員 ○ 窪 田 拓 実 東 京 工 業 大 学 大 学 院 フ ェ ロ ー 三 木 千 壽 東 京 工 業 大 学 大 学 院 正 会 員 小 野 潔
東 京 工 業 大 学 大 学 院 正 会 員 田 辺 篤 史
１．はじめに
溶接継手部に発生する疲労き裂の多くは，溶接止端 の表面から発生して板厚方向に進展するいわゆる三次 元き裂である．疲労き裂が生じる溶接継手部には，高 い残留応力が存在し，これらが疲労き裂進展に影響を 与える．本研究では，三次元き裂先端に沿ったき裂開 閉口を超音波探触子を用いて測定することにより，残 留応力場に存在する三次元き裂の有効応力拡大係数を 評価する．
２．疲労実験
BHS500
鋼材(表１)を用いて２種類の試験体を作製した．図１の試験体
A
は，放電加工によって半径5
㎜ の半円ノッチが導入されている．図１の試験体B
は，表２の条件で溶接したビード･オンプレートであり，溶 接ビードを切断することでノッチを導入した．
図２にビーチマークを残した破面を示す．試験体
A
では，放電加工によるノッチより半円疲労き裂が進展 している．一方，試験体B
では，溶接による高い引張 残留応力のため初期の疲労き裂が扁平な形状となり，き裂進展に伴い半円に近づいていることがわかる．
３．超音波を用いたき裂開閉口
超音波探触子を用いてき裂先端のエコー高さと荷重 の関係を測定した．本実験では，き裂先端で
1.7
㎜に フォーカスできる周波数5MHz，振動子径φ10
㎜，屈 折角45
度，集束範囲7〜26
㎜の点集束斜角探触子を 使用した．図 3に板幅中心でのエコー高さと荷重の関係を示す．
試験体
A
の場合，初期のノッチのみでは開閉口せずエ コー高さは変化しなかった(図３(a))が，き裂が進展す るとき裂が開閉口し，エコー高さの変化が現れている(図３(b))．一方，試験体 B
の場合は，高い引張の残留応力が導入されているため，き裂開閉口せずき裂が開 口したままである(図３(c))．
表２ 溶接条件
12 51 34 300
入熱量 kJ/cm 速度
cm/min 電圧
V
電流A
12 51 34 300
入熱量 kJ/cm 速度
cm/min 電圧
V
電流A
表１ 鋼材の機械的性質
27 674
573
Elongation
% Tensile
Strength N/mm
2Yield
Strength N/mm
2Mechanical properties
27 674
573
Elongation
% Tensile
Strength N/mm
2Yield
Strength N/mm
2Mechanical properties
キーワード き裂開閉口 有効応力拡大係数 残留応力の再分配
連絡先 東京工業大学理工学研究科土木工学専攻 三木･小野研究室
(
〒152-8552
東京都目黒区大岡山2-12-1 M5-3)
図２ ビーチマーク <試験体 B><試験体 A>
図１ 試験体の形状
<試験体 A>
700
50 24
初期ノッチ
700
50 24
初期ノッチ
(
㎜)
<試験体 B>
100
50 24
700
300
300 100
50 24
700
300 300
(㎜)
図３ エコー高さと荷重の関係
疲労き裂長さ6.8㎜
(b) 試験体A 疲労実験227万回
-50 -40 -30 -20 -10 0 10
0 50 100 150 200 250
Load (kN)
E cho h ei ght ( % )
-50 -40 -30 -20 -10 0 10
0 50 100 150 200 250
Load (kN)
E c h o h e ig h t (% )
(a) 試験体A 初期ノッチ5㎜
疲労き裂長さ3㎜
(c) 試験体B 疲労実験32.5万回
-50 -40 -30 -20 -10 0 10
0 50 100 150 200 250 300
Load (kN)
E cho h eight ( % )
: Opening : Closure : Opening : Closure
1-244 土木学会第63回年次学術講演会(平成20年9月)
-487-
４．き裂開閉口荷重と有効応力拡大係数
図３に示したエコー高さと荷重の関係より図４のよ うに二つの直線の交点をき裂開閉口荷重を決定し，き 裂先端に沿った有効応力拡大係数を求めた．き裂開閉 口荷重は，き裂が開口し始めるもしくは閉口し終わっ た時の荷重である．
試験体
A
での板幅中心からの距離とき裂開閉口荷重 の関係を図５に示す．き裂開口荷重はき裂先端に沿っ て変化しており，板幅中心から離れるほどき裂開口荷 重が大きくなっている．このようにき裂先端の位置に よってき裂開閉口荷重が異なるため有効応力拡大係数 が板幅方向に分布を持ち，き裂進展速度も分布を持つ ためき裂形状が半円形に変わっていくと考えられる．５．残留応力の再分配と有効応力拡大係数
残留応力の測定は，試験体
B
と同様の製作条件で作 製した試験体を切断法により行った．まず，表裏にひ ずみゲージを貼付し，板厚方向に5
㎜スライスして切 り出す．次に切断された試験体の新たな面にひずみゲ ージを貼り5
㎜ごとスライスを繰り返し，最後に補正 を行った．補正は，それぞれの長手方向に切断したと き解放される表裏のひずみは断面内で直線分布をなす と仮定して，計算した値を各深さのひずみに足し合わ せた．図６に表面での残留応力分布を示す．板幅中心から
9
㎜程度まで引張の残留応力場となっている．図７に 板幅中心から0,2,4,6
㎜の深さ方向の残留応力分布を 示す．9 ㎜付近において引張から圧縮の残留応力へと 変化している．試験体B
での疲労き裂進展実験ではき 裂深さが11.2
㎜となったとき，き裂先端の位置が圧縮 域に進展しているにも関わらず応力比(応力拡大係数
比)が１となりき裂開閉口が起こらなかった(図８)．こ れは，残留応力再配分によって引張の残留応力がき裂 先端に存在し，き裂が開口したままになったと言える．６．結論
超音波探傷により疲労き裂の先端に沿ってのき裂開 閉口を観察した．引張残留応力場で発生した疲労き裂 は，き裂先端が残留応力分布の圧縮域まで進展しても，
残留応力の再配分によってき裂が開口したままとなる ことを示した．
-25 -20 -15 -10 -5 0
-200 -100 0 100 200 300 400 500
Stress (MPa)
De p th ( mm)
0mm 2mm 4mm 6mm
-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Width (mm)
S tre s s (M P a )
ビード幅 表
裏
図６ 表面での残留応力分布
図７ 深さ方向での残留応力分布
0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0
- 6 - 4 - 2 0 2 4 6
Location (mm)
Lo a d ( k N )
荷重Range 60ｋN
Opening
Closure
図５ き裂開閉口荷重分布とき裂形状の関係 図４ き裂開閉口荷重の概念
図８ U と深さの関係
(㎜)
0
5
10
15
20
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
U
Dept h ( ㎜ )
荷重(kN) エコー高さ(%)
: 測定値
0
き裂閉口荷重
荷重(kN) エコー高さ(%)
: 測定値
0
き裂閉口荷重
深さ方向
板幅方向
0
-2 2
4 -4
き裂先端
:
フォーカスした箇所深さ方向
板幅方向
0
-2 2
4 -4
き裂先端
