宮野泰治

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 葆 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 言

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■

一 ●

乱 ．

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

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

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 ^仁

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， 得 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、

､､▽、△ ､^￥

、 鳥

▽

、

､K

▽

詮

‐−−−−−

︑↓︑ ^︑

︑△

一

E,＝0.6kg･cmh㎡

０５５７●︒００

↑吟

一一一一一

《

】

、

叡

シャルピ 1

才

一式 蕗

l 井式

−一一 硬軟 ●鯛鯛

一一一ヨ

塑性疲労 真の疲労

1 1 1

ベ

−0−盆 ざ芝砥 △^八斑

白

乏半、

、 、、

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 実 験 結 果 （硬鋼）

11

(a) E,<E2

ー

二 次 衝 撃

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

０００

β〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃０

３４５７６０２４１５６１０２３３３３３４４４４４５５５５

〃

1．00

0．85 0．79 0．70

(b) E,>E2

４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 ６．″″″″″″″″″″″″″″″″・″″０

５０５

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

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

５

●０

宿導︑５︐蟹︶酎琲会祷叶餅鍾気川

口

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

５

●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 ^ー

1炉

累加繰返し数N

1『

図7 累加衝撃疲労曲線（軟鋼）

黄

＝0.2kg‑函加且デ

ーーq■■‑ー‑■■■■■■一一一一一一一一

nL

■■■■

、

入

、

、

戸０１１︽Ｕ〃

︶一グ

ググ

､V ，^、

ハハづ

ごジーー

一 p一

＞

一

1

．２１に1

●

一

“

へ

︶︐ｌｌｌｌＩＩ︑ｒｔ ‑一一･･･一･○･･一･

−．‑ヘ nxm

0.露一 0．50

−−−←q75

●I 1

−−−−−

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 験 結 果 （軟 鋼）

13

(a) i E,<E2

二 次 衝 撃

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)

４蛆〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃××××××××××××××××８２１０１３２９８１２１９８０８００７５０１０２４７４０３５５７０●●●●●●●●●●●●●●●３７３５５７５０７４３５３６６４

１

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

００

0．40

〃

〃

0．35 0．30 0．25

〃

〃

0．44 0．40 0．34

２︒″″″″″″″″″″″″″″″０

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

００

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

２︒″″″″″″″″０

３４７６９２５触加

I

’

’

〃

昭和46年1月

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

１１

画︑国墨聯会梼Ｈ謝逼黒川黒Ｉ

0

0 10 20

ど （％）

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

５

●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 言

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

函

4■■■■

…

nm/Ni 一一●−− 1 （処女材料）

−−つ‑−0．25

一一圭一 q50

−．−千− 0．75

｜

○I

1

−−0f

一

○△

△

Ｉ↑

ユ

八

− ○を

一

ｌ０Ｊ０ＪⅢ叩

箕

−

「

△○

n'/N,

−

５０２５●●０．０一一

一考

’

I I I

．‐／

ー−−−−−E,=0.6kg‑cmmnf

〜

､

､

妙 ^nj/N,

＝1 （処女材料）

５０２５●●００

一

一 一

◇一一

‑‑‑←0．75

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

参 考 文 献

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