斎藤

板状切欠材の疲労試験について

(表面圧延せる切欠が曲げ方向に直角の場合）

斎藤 葆・宮野泰治・山崎保輔

FatigueTestofPlateSpecimenswithNotches.

(TheCaseofSurface‑RolledNotchesataRightAngleto

● ごL

theBendingDirection.)

ShigeruSAITo,TaijiMIYANoandYasusukeYAMAzAKI

（昭和48年10月31日受理）

機械的性質 表1

1. 緒 言

材料の耐疲労性向上の一つに表面処理法があることは よく知られているが，その一方法として著者らの一人は 鋼の青熱温度範囲で表面をローラ圧延する，いわゆる温 間ローラ加工が圧入軸の疲労強度の向上にかなり有効な 方法であることを明らかにしている')〜3)。もちろん，

温間ローラ加工処理はそれ自体の耐疲労性向上のほか に，従来の常温のもとにおける表面ローラ圧延の耐疲労 性向上の効果をさらに上回る方法でなければ意味がな い。回転曲げの疲労においては，著者らは段付部や切欠 部においても優れていることは， まだ未発表であるがす でに実験を行なって確かめている。

そこで，今回は板材の平面曲げの場合についても，そ の有用性を期待し，切欠を付した試験片による一連の実 験を計画した。疲労に関する常温時での表面ローラ圧延 効果の資料は,回転曲げやねじりに関しては多いが4)5)，

板材の平面曲げに関しては少ないようである。本報告は 実験の途中経過として， まず常温時の表面ローラ圧延が 切欠を有する板材の平面曲げの場合においてもかなりの 疲労強度を向上させるものであることを確かめたので以 下に報告する。

￨聯豪￨繍毫' '1%亨｜

上降伏点

("/""2) ^絞り（％）

28．8 44．2

29．7 29.70 47．4

1R

図1 試験片の形状

＝1.636）となる。

これら試験片について，切欠ゑぞを圧延しないもの

（非加工材） ， ローラ圧延荷重76.66ﾙ3，圧延回数2回

（加工材A) , ローラ圧延荷重128.13〃9,圧延回数2回

（加工材B)の3種類に分けて実験を行なった。

ローラ圧延による疲労強度上昇の理由として，適当 な，加工硬化層，圧縮残留応力，表面の材質的な変化な どが考えられるが，それらの最適値を与える一つの要因 として， さらに，材種，形状，圧延回数などを要因とし た適当なローラ圧延荷重があるものと思われる。そこで 今回は主として硬化深さによる影響を検討するために，

圧延回数を2回に定め，数種の圧延荷重に対して断面の かたさ変化を調べた。その結果として，試験片最小厚さ 2． 実験方法

2．1試 験 片

実験に用いた材料は市販の一般構造用圧延平鋼材(S

S41)で, 930｡Cに30分間保持した後，炉中冷却の焼な ，

まし処理を施して使用した。熱処理後の機械的性質は表 1に示す。これを図1に示す形状の試験片に機械加工し た。中央部の半円断面の切欠ゑぞはシヤルピーノッチ用 のフライスによって成形した。この場合の形状係数はa

いる。この圧廷装置を形削盤の辺物台に取り付け，切欠 部の圧延加工を行なった。圧延荷重Pは図2(b)に示し たレバー比により求められる。これによって，重錘5.41 的および10622ﾙ，がそれぞれ圧延荷重76.66ﾙ9, 128.13〃

となる。

表面圧延による鋼の疲労試験では，表面圧延力をヘル ツ圧力で表わしたほうが実験結果の応用に際して普遍性 が得られる4)5)7）と言われている。本実験の場合におい ても，接触面の形状を簡単な形状に仮定してヘルツ圧力 を計算した。図4は試験片の圧延状況を示したもので，

が4加肌という薄さのために明白な相違を確認することは 困難であったが,表面硬化が認められ,しかも断面中心部 に素材のかたさを残すものの代表例として，上記2種類 の圧延荷重条件による疲労試験を行なったものである。

2．2実験装置

図2(a)に本実験に使用した圧延装置の説明図を示 す。圧延ローラはS45C材でその形状は図3に示すとお りで，直径58．1 ，転動面半径は1加脱で転動面部分を アセチレンガスバーナーによって加熱し水焼入を施して

−

−

図4 ローラと試験片の接触状態

圧延ローラおよび試験片の接触を幅』，半径rなる円柱 面と平面との接触に近似する。いま接触する物体がとも に鋼であり，ポアソン比を0．3とすれば，ヘルツ式より ローラ圧延荷重Pのときのヘルツ圧力力0は次のようにな

る。

重錘

(α）圧延装置概略図

＄

^{po=0.418／霊}

ただし,Eは縦弾性係数で，本実験においてE=2.1 xlO4"/"2, 1=2", r=29.05鰯鯛とおけば，各圧 延荷重に対するヘルツ圧力はそれぞれ70.0ﾙ9/ 2， 90．0 北" 2となる。

疲労試験はアプトンルイス繰返し曲げ試験機（450回

／分）を用い両振り平面曲げ試験を行なった。

A

P

ｊ岬重Ｇ自Ｗ

〃Ｊ■１︑●〃帥狗柿α１０．１Ｗ

︻尾里︾句︒︲全一日日︽●●５３５３＃一一一一一一一一一一２６α呪Ｐ

(圧延荷重）

（6）レバー比

図2 圧延装置の説明図

3． 実験結果および考察

各試験片の切欠部最小断面のかたさ分布を調べるた め，軸方向に切断しエメリー紙04まで研摩後，パフ仕上 げし，マイクロビッカースかたさ試験機を用いてかたさ を測定した。ただし切欠半径が1卿蝿できわめて小さいた め，表面から100〃の深さを出発点として中心部へ250浬 間隔に測定， 3回の測定による平均値をとった。その結 果は図5に示すとおりである。非加工材は,表面より100 膠のところまでは切削によるものと思われる加工硬化層 がゑられるが， 350脾の深さではすでに素材のかたさを 呈している。加工材A,加工材Bについては， ローラ圧 延による硬化の傾向が明らかに認められ，また圧延荷重

9

4

ぐ

図3 圧延ローラの形状

表2 実験結果

250

試験片種類 ｜非加工材￨加工材A￨加工材B

O非加工材

●加工材A〈ヘルツ圧力70.0吋偉鰯）

◎加工材B（ ． 〃 .o々/画'）

０００５２１

︵畠︶和裡︽やＫｌ侭託．辿口︑︸︐

圧延荷重（ﾙ，）

圧延圧力（ヘルツ圧力）

（ﾙ，）

加工硬化深さ（加加）

(鍔上総熟畿）

疲労限度（〃／鰯協2）

疲労限度上昇率（％）

（ ・"‑． × ,00 ）^ぴwo

128.13 90．0

1．1 76.66 70.0

0．85

００

−

0．42 (ow) 24.20

0．55 (ow) 20.66

−

．−.ニータう●卒く

習丹士鑑鰄

(owo) 13．80

75．4 49．7 0．1 0．35 0．6 0.路 1．1 1．35 1．6 1．85 0

表面からの距離（ ）

図5 各試験片断面のかたさ分布

の大きい加工材Bが加工材Aよりも，硬化の程度が大き いようである。それぞれについての硬化深さを正確に求 めるには， この結果から不可能であるが，以後の検討の ために大略の傾向として承るならば，加工材Aは約0.85 蝿凧，加工材Bが約1．1加腿と承なされるようである。

図6にこれら試験片の平面曲げによるS−N曲線を，

また表2に疲労限度および疲労限度上昇率を示した。こ の場合の応力は切欠部最小断面の表面に生ずる公称応力 値である｡図6より非加工材と加工材AとはN=3×105 までは時間強度の傾向はだいたい同じであるが，疲労 限度ではかなりの相違があって，加工材Aに著しい上昇 が承られる。また加工材BはN=105までの応力範囲で は，非加工材よりも時間強度はやや小さいがN=105以 後の応力範囲では逆に大きくなる傾向がゑられ，疲労限 度も上昇している。表2に示してあるとおり，それぞれ の非加工材に対する疲労限度上昇率は，加工材Aが75.4

O非加工材

●加工材A

、加工材B

︵御僅ミミ︶ざ遡豐恕礫筵笛厘汁

︵訳︶掛味当遡竪恕礫 １０５・

０００

●

20 ◎

10

0 20 40 60 80 100

ヘルツ圧力風(ﾙﾜ/ 2）

ヘルツ圧力と疲労限度および 疲労限度上昇率の関係 図7

％，加工材Bが49.7％であった。また2つの加工材を比 べてゑた場合，加工材Aのほうが加工材Bよりも疲労限 度が3.5〃，/ 2高く，時間強度の点からゑても，加工材 Aのほうが優れているようである。以上のことから，実 験範囲内では，平面曲げを受ける鋼板の切欠部に表面圧 延することによって，時間強度の上昇はさして期待され ないが，疲労限度は明らかに上昇の効果がゑられる。

図7に加工材のヘルツ圧力に対する疲労限度と，その 上昇率の関係を示した。実験点が少ないので最適ヘルツ 圧力を承ることは出来ないが， これまでの河本，西岡ら の回転曲げや両振りねじり疲れによる結果 )7)による と，応力状態，材質，切欠の程度などによっても異なる が，例えば，炭素鋼および鋳鉄の平滑試験片による回転

零具々︶︑轟畷侭笹

磯返し数（胴

各試験片 のS−N曲線 図6

‐●

霊、

一 o非加工材

●加工材A（ﾍﾙﾂ圧力 o今揖）

◎加工材B（ ， .o今榿）

I ‑ ￨

識

〜 一

﹃ｄ■■■４ や岸津

､Q

関係としてゑた場合に，同じような傾向を示していると いうことになる。このように，ある硬化深さの割合のと きに最大の疲労強度を示すことは，高周波焼入材におい てはすでに確かめられていることで，硬化深さと疲労強 度の関係は，硬化深さが深すぎても浅すぎても疲労限度 は低下するものであって，例えば硬化比（未硬化部分の 径／試験片直径）が0．4程度＊で最大の疲労強度を示す という報告結果9)があるが,表面圧延の場合にも一般的 にこのような傾向が成立するのではないかと思われる。

以上のことから，最適表面圧延条件を示すものとし て，塑性域にまで拡張して使用するヘルツ圧力によって 検討することは確かに一つの方法ではあるが，試験方 法，材質，形状などの異なるものを比較するときには相 互にあまり関連性がないようである。また，現段階では 資料が不足しているため明確なことは言えないが，表面 圧延条件として硬化深さの割合をふることは今後さらに 検討すべき問題のようである。

◇本実験（SS41,板材,。＝1.63）

4）

令河本,西岡（0.32%炭素鏑,12..｡＝l）

8）

‑似吉田,ほか（SS41,,0.,｡＝1.2）

令吉田,ほ力j)(SS4,.,06,｡=,.48)

1000

０００

００

︵壜ミ今︶酋兵出夢ミノく

〆

200

0

1 2 3 4 5

表面よりの硬化深さ（緬鯉）

図8 ヘルツ圧力と硬化深さの関係

曲げ疲労においては，前者が620〜720k，/ 2，後者では 300ﾙ3/ 2のヘルツ圧力が最適圧力であって，それ以上 の圧力ではかえって疲労限度が低下していく結果4)など から，本実験の場合にも最適ヘルツ圧力の傾向として は，少なくとも90.0ﾙ'/ 2以下のところにあって，それ 以上の圧力になると材質の弱化をきたし疲労限度が低下

していくであろうことが予想出来る。

ここで，本実験のヘルツ圧力の値が小さいのは，試験 片材質，熱処理，切欠形状，応力状態などの違いによっ たものと思われる。そこで，図8にこれまでの報告結・

果4)$)から， ヘルツ庄力と硬化深さの関係について整理 しなおして示して象た･その結果，吉田ら8)の同じSS 41材に対する硬化深さとヘルツ圧力の関係に，実験方法 が異なるにもかかわらず，著者らのものが同じような傾 向にあることがわかる。ところで，吉田らの実験では，

半径2および10"脱の環状切欠を持つ直径10 の試験片に 圧延ローラ加工をしたものであるが，試験片中心部まで 加工硬化が及んでいるもの（ヘルツ圧力300均/ 2）で も， まだ疲労限度の向上が承られていた8)。しかし，本 実験においては，前述の如く，試験片の硬化深さの割合

（硬化深さ／試験片厚さの半分）が0．5以上になるよう なヘルツ圧力90.0〃8/ 2では，すでに最適ヘルツ圧力を 過ぎ，圧延による弱化の影響があらわれる傾向にある。

河本らの0.32%C炭素鋼12'平滑材の両振りねじりに関

する研究報告4)から，最適ヘルツ圧力時の硬化深さの割 合を推測すれば大略0.38くらいのところにあるようで，

本実験結果において，いま最も疲労限度上昇を示してい る場合のヘルツ圧力70.0k，/ 2のときの硬化深さの割合 は0.42であるから，硬化深さの割合と最適ヘルツ圧力の

4． 結 言

本実験の結果を要約すれば次のとおりである｡

（1）半円断面の切欠ゑぞを有する板材のゑぞ部に表面 ローラ圧延することにより，平面曲げ強度は著しく向上 する。しかし，時間強度の向上はゑられなかった。本実 験の範囲では，ヘルツ圧力にて70.0〃/ 2のとき75.4

％，ヘルツ圧力90.0〃9/ 2では49.7％の疲労限度上昇 率を示した。

（2）最高の疲労限度上昇率を示す最適ヘルツ圧力があ って，それ以上の圧力になれば，圧延による弱化の影響 が考えられ疲労限度上昇率は低下していくような傾向が ある。

（3） これまでの報告結果などを比較すれば，最適ヘル ツ圧力の値は材料，実験方法，形状などの異なるものに 対しては相互に関連性がないようである。

（4）表面ローラ圧延において,疲労限度の上昇と硬化 深さの割合について検討することはこれまであまり行な われていないようで，硬化深さの割合の資料は少ない が，最適ヘルツ圧力時おける硬化深さの割合を検討して ゑた場合，実験方法が異なっていても似た傾向があるの ではないかと予想された。今後，多数の試料について実 験を行ない検討する必要があると思われる。

さらに；表面ローラ圧延条件としては組織的変化，残 留応力なども重要な要因であると思われる。

＊本実験の場合の硬化深さの割合で示せば0．6程度と なる。

終りに，実験を行なうにあたって協力してくださった 当時学生飯利春三，木村長二両君らに感謝いたします。

4） 河本，西岡，機械学会論文集， 18， 104および 108（1952）

日本機械学会編， 帆疲れ強さの設計資料Ⅱ表面 効果〃P.79(1969)

日本材料学会編， 、､疲れ試験便覧〃P.29(19 68）養賢堂

河本，ほか3名，材料試験， 3， 19（1954）

吉田，ほか2名，材料， 18， 695（1％9）

林，夏目，材料， 18， 1100（1％9）

5）

参考文献

1）斎藤，小笠原，ほか2名，塑性と加工, 12，846

（1971）

2）斎藤，小笠原，ほか2名，塑性と加工, 13，825

（1972）

3）斎藤，小笠原，ほか2名，塑性と加工， 14，392

（1973）

6）

7）

8）

9）