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宮野泰治

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Academic year: 2021

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(1)

9

炭素鋼の二段二重重複繰返し衝 撃引張試験について*

斎藤 宮野泰治

StudyonRepeatedTensionlmpactTestunderDouble RepeatedEnergyinTwolmpactEnergyLevelsOn

CarbonSteels.

ShigeruSAIToandTaijiMIYANo

繰返し衝撃試験機用であり, (b)はシャルピー式衝撃 試験機に用いたものである。ともに試験片平行部分の直 径は6mmであり,機械仕上げ後, 表面をエメリーペ ーパー禅0000まで研摩仕上げを施した。

1緒

繰返し衝撃引張試験によって得られる衝撃曲線すなわ ち単一衝撃試験による衝撃値(N=1)よりN=106に 耐えうる繰返し衝撃エネルギまでを求めた曲線に不連続 点が存在することは炭素鋼,銅合金, アルミニウム合金 などを供試材料とし実験を行った結果として既に発表し

1,〜3)

た。この不連続点を境として上部は塑性疲労域,下部は 真の疲労域と区分され,真の疲労域は普通に行われる高 サイクル疲労に対応する範囲である。

高サイクル疲労における重複繰返し応力の疲労試験は 幾多の研究が発表されているが,本報においては真の疲 労域において二種の炭素鋼を供試材料とした二段二重重 複繰返し衝撃引張試験を行って,一次衝撃エネルギを E1,二次衝撃エネルギをE2とすればE,<E2の場合と E,>E2の場合について,2(n/N)=1で疲労破壊がお

4)

こるというMinerの法則を適用しうるかどうかについ て考察した。その結果を報告する。

2実験方法および供試材料

実験の大部分は藤井式万能繰返し衝撃試験機を使用し た。容量5〜40kg‑cm,毎分衝撃回数600であり, カ ムローラーにより衝撃ハンマーを上下往復運動させる型 式である。処女材料の衝撃疲労曲線の高エネルギの範囲 には30kg‑m容量のシャルピー式衝撃試験機の衝撃引 張装置を用いた。

供試材料として軟鋼と硬鋼を供給状態のまま用いたが その化学成分, 機械的性質は表1と2に示す通りであ る。試験片の形状と寸法を図1に示した。 (a)は万能

表1 化学成分 (%)

材料 C Si Mn P S

0.59 0.042 0.44 0.030

鋼鋼︲OI1硬軟

0.58 0.17

0.28 0.14

0.027 0.037

表2 機械的性質

降伏点びs 引張強さびB 絞り

材料 伸び かたさ

(kg/m2)│(kg7iinm2)│s(%) │"(%)│ Hv

(kg/mm2)(kg/mm2)s(%) Hv

706 2ラ71

45.7 30.6

鋼鋼硬軟

44.1

31.8

45.1

66.7

258311

(a)

W1/2

(b)

*昭和4拝5月24日, 日本機械学会東北支部郡山地方講

演会において講演 図1 試験片形状

毎−20つ

(2)

3実験結果および考察 3. 1 処女材料の衝撃疲労曲線

処女材料の衝撃疲労曲線を図2に示した。硬鋼,軟鋼 をそれぞれ丸と三角のマークで現わし,塑性疲労域に属 するものは白く,真の疲労域のものは黒くしてあり,さ らにシヤルピー式衝撃試験機を用いたものは小さい黒 丸を加えてある。不連続点の衝撃エネルギは硬鋼では 1.4kg‑cm/mm2,軟鋼ではO.42kg‑cm/mm2であり,

N=106に耐え得た衝撃エネルギはそれぞれ0.15kg‑cm /mm2, 0.07kg‑cm/mm2であった。

051

10

電冬§︲塁︶酎斗今幕叶婆迩恭Ⅱ

1 0

10 103

繰返し数N2

100

I

図3 二次衝撃による衝撃疲労曲線

(硬鋼E,=0.6kg‑cm/mm2)

11

︵富くE吟︲豊︶画諦会特叶欝顛ヨ製篭

E2の場合とでは全く異なった様相を呈しており,E,<

E2の場合は破断繰返し数が処女材料のそれよりも増加 しており,E2がE1に近いほど,すなわちE,とE2の比が 小さいほど増加の割合は大きい。また一次衝撃の繰返し 数比n,/N&が大きいほどその傾向が大きくなっており 一次の繰返し衝撃によってかえって強化されているよう に思われる。表3(a)の聾(n/N)はn,/N」が大きいほ

ど大きな値となる傾向を示しており,最大値はn,/N,=

0.75,E2/E,=1.17におけるz(n/N)の値は4.41で あり, ,より小さいものは全くなかった。

1

0

1『 1『 10、 1『 1『

操返し数N 1 10

図2 処女材料の衝撃疲労曲線

3.2二段二重重複繰返し衝撃による衝撃疲労曲線 一次衝撃エネルギE1の選定は二次衝撃エネルギE2J:

り大きい場合と小さい場合の効果を明確にする目的で不 連続点の衝撃エネルギとN=106のそれとのおよそ平均 の値をとり,硬鋼では0.6kg‑cm/mm2,軟鋼では0.2 kg‑cm/mm2とした。その場合にE,によって破断する と推定される予想繰返じ数N1は図1の曲線からそれぞ れ3.50×104, 15.0×104である。

3. ,2.1硬鋼を供試材料とした場合

E1を0.6kg‑cm/mm2とし, その予想破断繰返し数 N,の25%, 50%および75%の繰返し数だけを加え, たる結果を表aに示した。E,を予め与えた試験片を処 女材料と承なしてプロットすれば図3のようになる。

E,=E2(=0.6kg‑Cm/mm2)のものは図2の曲線より

1. 0

︵直ぐ§︲望︶画塒当馬H諜還鴬川

5

累加繰返 し数N

図4 累加衝撃疲労曲線(硬鋼)

。■■■■

4Jへ

、b、

、、▽、△ 、

、K

‐−−−−−

︑↓︑

E,=0.6kg・cmh㎡

0557●︒00

↑吟

一一一一

シャルピ 1

一式

l 井式

一一 硬軟 ●鯛鯛

一一一ヨ

塑性疲労 真の疲労

1 1 1

−0− ざ芝砥 △

乏半

、、

(3)

炭素鋼の二段二重重複繰返し衝撃引張試験について

表3 (硬鋼)

11

(a) E,<E2

一次衝撃 累績繰返し数比

2(n/N).

試験片

番号 繰返し数繰返し数比

n2 ‑ 「n2/N2 繰返し数比

ni/N】

衝撃エネルギ E2(kg‑cm/mm2)

衝撃エネルギ

E, (kg‑cm/mm)

1.57 1.82 1.64 1.45 1.68 1.50 1.15 2.16 3.72 2.78 1.78

3.31 2.91

‑4.41 2.78×104

3.63×〃

3.60×〃

3.15×〃

4.15×〃

2.12×〃

1.49×〃

4.05×〃

8.98×〃

6.60×〃

2.18×〃

6.41×〃

5.60×〃

10661×〃

1.32 1.57 1.39 1.22

1.43 1.00 0.65 1.66 3.22 2.28 1.03 2.56 2.15 3.66 1.01

0.90 0.80

0.70 1.00 0.89 0.80 0.70

505

2〃〃〃〃5〃〃〃〃〃〃〃〃

000

β〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃

3457602415610233333444445555

1.00

0.85 0.79 0.70

(b) E,>E2

旧〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃××××・×××××××××××××××12032050511198609530087057700467412620●●●●●●●●●︲●●●●●●●●●●4651692234533113330

132112

0.97 1.18 0.83 1.03 1d00 0.72

0.93 0.58 0.78 0.75 0.46

0.40 0.30 0.25 0.17 0.15 0.40 0.35 0.31 0.25

0.20 0.17 0.40 0.35 0.25 0.20 0.16 0.13 .″″″″″″″″″″″″″″″″・″″

505

2〃〃〃〃〃5〃〃″〃〃〃〃〃〃〃〃〃

000

︵叩︶40▲︹ノ今/︻︶﹃″″︲︵叩叩︶︵冬●一向く.−4斗▲﹃″〃巳F︻″〆41▲︵ソ︽4Ⅱユ︵Ⅱ︺4二44︵ぺ●〆/h︶︵︶︵︶

〆︽恥︶/︹︶〆︹︶!︒/︹︺l︲ン垂︹︶﹃″︲/︹︶﹃″.﹃″︲﹃″″ら﹃〃〃q←ウ″8←︲︻″〃︒︵又︑︾︲→︵︶︵︶↑︐︵︶︵︶︵︶︵︶︹︶︵︶︵︶︵︶

0.92 0.84 0.81 0.77 0.86 1.02 0.79 0.98 0.90 0.%

0.89 0.80 0.42

0.34 0.31 0.27 0.36 0.52 0.29 0.23 0.I5 0.21 0.14 0.05

(4)

E,>E2の場合は強化の現象はゑられず,2(n/N) の値は1より小さいか近似的に1であった。

図4はn,/N、と等しい繰返し数の二次衝撃を与えた としてそれに実験による二次衝撃の破断繰返し数n2を 加えた換算繰返し数を横軸にとって示した累加衝撃疲労 曲線である。これによって上記のE,<E2,E,>E2の 場合の現象が明らかに見られ,E,=E2の点で曲線はい

ちじるしく屈曲している。また聾(n/N)とE2および

一次二次衝撃エネルギ比E2/E,との関係を図5に示し たoE1<E2の場合はn,/N,が0.25ではE2によるZ (n/N)の大きい変化は承られないが, n,/N,が0.50 から0.75と一次の繰返し数比が大きくなるとE2がE, に接近するほどz(n/N)の値は増大している。E,>

E2の場合はE2の大小にかかわらずz(n/N)の値は大 きい増減が承られなかった。

異は観察されなかった。2(n/N)はE,<E2の場合は 1の前後に分布しており,E,>E2の場合はすべて1よ り小さかった。図6は図3と同じ方法で現わし燭もので

1.0

宿導︑5︐蟹︶酎琲会祷叶餅鍾気川

0.1

1炉

1ぴ 1炉

繰返し数N2

図6 二次衝撃による衝撃疲労曲線

(軟鋼E,=0.2kg‑cm/mm2) 曲線には大きな屈曲はあらわれていない。図7は図4と 同様な方法で書いた累加衝撃疲労曲線で処女材料の曲線 のE,の点で交わっているのがわかるが,非常に接近し ており,硬鋼の場合と比較すれば近似的にはMinerの

4,

法則に従っていると見ることができる。図5と対比され る図8において聾(n/N)の値はn,/N]やE2の大き さによって大きく影響されず,曲線が交わっている

1.5

0510

画︑酋聟琲会梼叶篭軍鶏川無I

1.0

電員︑§︲望︶酎群会特H割迩莞川

2 4

Z(d/N)

J,2k厘一Er 0.2k厘一cm/、

図5 2(n/N)と衝撃エネルギの関係

(硬鋤

3.2.2彰鰯を供試材料とした場合

n,/N,を0.25および0.50としてE,=0.2kg‑cm/

rnrn2を予め加え,さらにE2を破断まで与えて得たる結 果は表4に示す通りである。軟鋼では硬鋼の場合に見ら

0.1

1炉

累加繰返し数N

1『

図7 累加衝撃疲労曲線(軟鋼)

=0.2kg‑函加且デ

ーーq■■‑ー‑■■■■■■一一一一一一一一

nL

■■■■

戸011︽U〃

、V

ハハ

ごジーー

p一

1

21に1

︐llllII︑rt ‑一一・・・一・○・・一・

−.‑ヘ nxm

0.露一 0.50

−−−←q75

I 1

−−−−−

(5)

炭素鋼の二段二重重複繰返し衝撃引張試験について 表4 ‐実 (軟 鋼)

13

(a) i E,<E2

一次衝撃 累績繰返し数比

2(n/N) 試験片

番号

繰返し数

,2

衝撃エネルギ 繰返し数比 E,(Kg‑cm/mm2) │ ‑n,/N」

繰返し数比 n2/N2 衝撃エネルギ

E2(kg‑cm/mm2)

蛆〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃××××××××××××××××821013298121980800750102474035570●●●●●●●●●●●●●●●3735575074353664

0.77 1.32 0.80 1.06

0.88 1.04 0.69 1.15 0.90 1.28 1.00 1.13 0.93 1.23 1.09 0.92 0.52

1.05 0.55 0.81 0.63 0.79 0.44 0.90 0.65 0.78 0.50 0.63 0.43 0.73 0.59 0.42

50

2〃〃〃〃〃〃〃〃ら〃〃〃〃〃〃

00

0.44

0.40

0.35 0.30 0.25

0.44 0.40 0.34

︒″″″″″″″″″″″″″″″

0415267395681239222222.2221111111

0.30 0.26 0.25

(b) E,>E2

I 11.31×104

17.00×〃

14.46×〃

15.86×〃

91.00×〃

14.20×〃

9.01×〃

10.03×〃

15.69×〃

0.15

0.14 0.12

0.15 0.14 0.12

50

2〃〃〃〃5〃〃〃

00

0.47

0.67 0.54 0.39

(非

0.33 0.25 0.38

0.72 0.92 0.79 0.64 断)

0.83 0.75 0.88

︒″″″″″″″″

3476925触加

I

破〃

昭和46年1月

(6)

E1=E2の点以下において2(n/N)がやや減少してい

る傾向が見られた。

雷目50碁︶酎斗会梼H斜鱈気川

2 04

3

画︑国墨聯会梼H謝逼黒川黒I

0

0 10 20

(%)

図9 二次衝撃エネルギE2と伸び との関係(硬鋼)

0

21

0. 0

1.0

宿這§︲基︶酎斗会梼H誤轌係Ⅱ

1 2

Z (n/N) 図8 2(n/N)と衝撃エネルギと

の関係(軟鋼)

1

1

3.3塑性変形について

試験片破断後における塑性変形については,伸びは標 点距離を40mmとして, また絞りは万能投影器を用い て測定を行ったが,軟鋼の場合は重複衝撃による伸びと 絞りはそれぞれ処女材料の衝撃エネルギー伸び曲線,衝 撃エネルギー絞り曲線の周囲に散布し,注目するべき何 らの傾向も見いだすことはできなかった。硬鋼の場合は 図9に示すE2と伸びの曲線において,E,>E2の範囲 ではn,/N,の大きいものほど伸びも大きく,処女材料 よりはいずれも増加しているoE1<E2になる付近で曲 線は交わっているが,それぞれの曲線自身の形状には大 きな変化はあらわれていない。 これに対してE2と絞り の関係は図10に示す曲線のように,E,>E2の範囲では E2の大きさがE1に近づくにつれて絞りは増大しており n,/N!が大きいほど絞りは大きくなる傾向があるoE』

<E2になると曲線は処女材料のそれに類似した形状と

0.1

0 10 20

紗 (%)

図10 二次衝撃エネルギEと絞りや の関係(硬鋼)

30

曲線のE,=E2の点の上下を置換したような形状となっ ているのは興味ある現象である0

4結

通常の疲労試験において二段二重重複繰返し応力の場

O

4■■■■

nm/Ni 一一●−− 1 (処女材料)

−−つ‑−0.25

一一圭一 q50

−.−千− 0.75

○I

1

−−0f

○△

I↑

○を

l0J0JⅢ叩

△○

n'/N,

5025●●0.0一一

一考

I I I

.‐/

ー−−−−−E,=0.6kg‑cmmnf

nj/N,

=1 (処女材料)

5025●●00

一一

‑‑‑←0.75

(7)

炭素鋼の二段二重重複繰返し衝撃引張試験について 15

(3)重複衝撃による塑性変形は硬鋼におけるE,>E2 の場合,E2と絞りの曲線に大きい屈曲が承られた。

以上の実験を行うにあたって終始協力していただいた 柴山幹男,小玉久男,田村寿朗の諸君に厚く謝意を表す

る。

の場合は聾(n/N)>1となり, 。,>o2の場合はz(n/

5)

N)<1となる傾向があると言われているが,本報の 衝撃疲労試験においても同様な傾向があらわれ,特に硬 鋼の場合において明らかであった。硬鋼ではMinerの 法則に従わないが,軟鋼ではほぼ従うと承なし得る。4)

得たる結果を要約すれば次の通りである。

(1)硬鋼においてE,<E2の場合は全部が蟹(n/N)

>1であり, n,/N]が大きいほど, またE1とE2の 比が小さいほどz(n/N)は大きくなる。E,>E2 の場合は1の前後に分布するが, n,/N」が0.5, 0.75ではほとんど2(n/N)<1であった。

(2)軟鋼ではE,<E2,E1>E2の場合で著しい差異

1)藤村,斎藤材料試験8, 71, 673(1959)

2)藤村,斎藤材料試験11, 109, 613(1%2)

3)藤村,斎藤材料 12, 119, 594(1%3)

4)M.A.Miner, J.Appl.Mech., 12(1945),

A−159.

5)例えば日本材料学会編、'金属の疲労〃302

(1%4) 丸善

河本実 、、材料試験〃 141 (1%5)朝倉書店 は見だし得なかったが,E,<E2では1よりわずか

に大きいか近似的に1であり,E,>E2の場合は 2(n/N)はわずかに1より小さく,E2の大きさに

よる著しい変動はない。

昭和46年1月

参照

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