長崎大学工学部研究報告 第 31 巻 第 5 6号 平成 1 3 年 1 月 29
低サ イクル疲労強度差 にお よぼす平滑材 と切 欠 き材 の 繰返 しひずみ挙動差の詳細 な考察
真谷 捷郎* , 平 早 水 智 之 *, 松 尾 浩 一 *, 吉 井 雄 一 書, 福 井 大 介 *
Co ns i d e r a t i ono nLowCyc l eFa t i gueLi f eBa s e donCyc l i cSt r a i nBe ha vi o r ofNot c he dSpe c i me na ndSmoot hSpe c i me n
by
Ka t s ur oSHI NGAI ', Tomoyu kiHI RASOUZU ' , Koui c hiMATSUO ' ,Yuui c hiYOSH I I ' ,
Da i s ukeFUKUI +
Fr om t hec yc l i cs t r a i nsme a s u r e dbys t r a i nga g e sdu r i ngt h el o wc y c l ef a t i guet e s tofn ot c h e ds pe ci me nsu nd e rt hec on t r olof be ndi n gde ne c t i o n, t wot y pe sofc y c l i cs t r a i nbe ha vi or sn e a rn ot c hr o ot sha vebe e nf わund:i no net y pena me da sI S,t h es t r a i nn e a r not c h e si nc r e a s e swi t ha ni n c r e a s l ngC y c l e s ,a ndi not h e rt y pena me da sCS,t h es t r a inne a rn ot c he sr e ma i nsc on s t a n twi t ha n i n c r e a s l ngC y c l e s . Ma ns o n‑ Cof f i nr ul ema yb ea ppl i e dt ot her e l a t i on s hi psb et we e nt h es a t u r a t e ds t r a inr a n g ea tanot c hr oo ta ndt he nu mb e rofc yc l e st ot hei ni t i a t i onofae dg ec r a c ka tano t c hr o o t . I ti sdi s c us s e de n ought ha tt hes t r a i ns t a t ea tan ot c hr o otofa no t c he ds pe c i me ni sdi f f e r e n tf ro moneofas moot hs p eC l me na ndt he s edi f f e r e n c e si ndu c et h edi f f e r e n c eoft hef a t i g ues t r e ngt hof bo t hs pe c i me n･ Thec ompa ri s onoft he E R 〜N, ofs moo t hr oun ds pe c i me nw it ht hee R 〜N ofnot C c he ds pe c i me ni sa l s odi s c us s e d･
Th e s ee xpe r i me n t a lda t aa ndt h e i rdi s c us s i on sa r es h own.
1 . 最初 に
企業等 で構造物 や横桟の切欠 き箇所の低サ イクル疲 労強度 を評価する際 には､実機材料の平滑試験片の定 ひずみ制御疲労試験 よ り得 られるひずみ範 囲 と試験片 破断寿命 の ER ‑N f デー タとノイバー則 ̀ l '等 によ り算 定 された切欠 き底 のひずみ範囲 を適用 して疲労寿命 を 推 量 す る こ とが多 い. また,ASME ( AMERI CAN socI ETYofMECH.ENG. ) (2) の疲労強度評価標準では 平滑試験片 の生の疲労強度デー タを基 に して,応力で
2 倍 または寿命で 20 倍の安全率 を考慮 した e k ‑N f 曲 線 を採用 しているが,これは構造物や機械の欠陥含有, 溶接 ,人為的誤作,荷重,使 い方等のいろいろなバ ラ
ツキ要因 を加味 した もので,実際的な便法であると考 え られる. しか し,学術 的考察 においては この ような 安全率 を除外 した条件 の揃 った試験片 の生のデー タに ついて検討すべ きである.本論文 では平滑試験片 と切 欠 き試験片の生のデー タを対象 に して,両試験片の繰 返 しひず み挙動差 と疲労強度差 を詳細 に考察す る.す なわち,両振 り定 曲げ変位面内曲げ切欠 き試験片 につ いて切欠 き底 に貼付 したひずみゲージによる計測か ら, 切欠 き底 の詳細 な繰返 しひずみ挙動 を求め,両振 り走 軸 ひずみ平滑試験片 の繰返 しひずみ条件 との比較考察
を行 なった. さらに実験 的 に平滑試験片 と切欠 き試験 片 の疲労強度差 を調べ て,両試験片 の繰返 しひずみ挙 動差 に起 因する ことを述べ た.本結果 よ り,低サ イク ル疲労領域 において平滑試験片 の疲労強度の E A‑N f デ ー タか ら,切欠 き試験片 の切欠 き底 の疲労強度 を推量 す る時 には,繰返 しひずみ挙動差 に よ り疲労強度差 を 生 じることを定量的 に把適 してお くことが重要である
ことを示 した.
2. 材料および拭験片
疲労試験 に用いた材料 は,炭素鋼S25C の焼 き鈍 し材 で,その化学成分 を表 1 に, また機械 的性質 を表 2 に 示す.試験片は平滑丸棒試験片 と両側 に切欠 きを有す る切欠 き板試験片 で,図 1, 2 にそれぞれの試験片の 形状 と寸法 を示す. ここで,図 2 で K l なる記号は,切 欠 きの弾性応力集 中係数 を意味する.平滑丸棒試験片 は平行部のゲージ長 さ 10mmにクリップゲージを付 け て,MTS 疲労試験機 によ り両振 り走 ひず みの低サ イク ル疲労試験 を行 った.切欠 き試験片 は切欠 き底やその 前方 にひずみゲージを貼付 して,モー ター駆動偏心 カ ム式の面内曲げ疲労試験機 に よ り疲労試験 を行い,繰 返 しひずみ を計測 した. ここで,切欠 き底 にはゲージ 平成 1 2 年 1 0月 2 7 日受理
*機械 システム工学科 ( De pa rt me n to fMe c ha ni c a lSys t e msEn gi n e e r ing)
長 さ 0. 2mm のひずみゲージを,また切欠 き底前方 には 1乃至2mm 間隔でゲージ長 さ 1mm のひずみゲージを 数枚貼付 した.ひずみゲージ貼付位置を図 3 に示す.
Ta bl e IC bem i C& lc ompos i t i ons ( %) C Si M b P S Ni Cr C一
0 . 2 4 0 . 2 2 0 . 5 0 0 . 01 2 0 . 01 6 0. 0 7 0. 1 5 0 . 1 3
Ta bl e 2 Mec h ni ca lpr ope r de s Modul usofe l as t i ci t y 206GPa Yi el ds t r ess 3 00MPa Tens i l es t r es s 4 4 6 M Pa
Fi g.1Smo o t hr o un ds pe c i me n
a . R =4 , D=4 ,B = 40 ,K t = 1 ･ 9 9 b. R=8, D=8, B=40,Kt =1 . 49 C . R=8, D=2 4,B=72, Kt =1 . 48 d. R=1 2, D=1 2, B=50,Kt =1 ･ 3 7 e . R=4,D=2. 5 ,B=2 4, Kt =1 . 63
( Al ldi me ns i o nse xc e p tofKti nmm)
Fi g. 2Spe c i me nswi t hno t c h e s
Fi g. 3Po s i t i onso fs t r a i nga g e s
3. 拭験結果 と考嚢
3. 1 . 切欠 き材の切欠 き底および その前方の繰返 しひ ずみ挙動 ( H . '･'
図 4 は, 2. 4× 10 4 サ イ クルで切 欠 き底 の緑 に 2‑3mm の疲労 き裂が生 じる試験片 について,切欠 き 底の最大 ひずみ,最小 ひずみ,ひずみ範囲お よび平均 ひずみの繰返 し数に対する変化 を示す.図 4の記号 A,
B は両側の切欠 きをそれぞれ A,B と名付 けた.図 4
よ り,最大 ひずみ と最小 ひずみは繰返 し数 とともに増 加す る.ひずみ範囲は加工硬化 によ り 150 サ イクル までに 1. 8 %から2. 0% まで増加するが,その後一定 にな り, また平均 ひずみは繰返 し数 とともに増加 し続 け る.本 繰 返 しひず み挙 動 を I S( I n c r e a s i ngSt r a i n Be h a v i o r ) と呼ぶことにする.
図 5 は, 1 . 88×10 5 サ イクルで切欠 き底 の縁 に 2‑3mm の疲労 き裂が生 じる試験片 について,切欠 き 底の上記 と同様 なひずみの繰返 し数 に対する変化 を示 す.ひずみ範囲は初期繰返 し期間に加工硬化 によ り増 加するが, 3000 サ イクル以降は一定 になる.平均 ひずみは繰返 し数に対 して一定 にな り,疲労 き裂発生 前 に急速 に増加する. また最大 ひずみお よび最小 ひず
A
rVp t■ Jt 曹 ■つ貞 昔 一 gIE■ 叩き コ 一一 一
1 0 1 1 0 2 103 10 ●
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Fi g. 4Cyc l i cc h a n geo ft h ema x i mu ms t r a i n(Em u ) ,
t h emi n i mu ms t r a i n(Em m ) , t h es t r a i nr a n ge (EA ) a nd
t h eme a ns t r a i n(どm ) a tb o t hnot c hr oo ti nI S
低サ イクル疲労強度差 にお よはす平滑材 と切欠 き材 の繰返 しひずみ挙動差 の詳細 な考察 31
Ad j T t 一 ■コ .Ih J一 武 書 '｣ヨ ー一昔 .q
1 0 0 1 0 1 1 0 2
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( 可叫Fi g. 5 Cycl i cc ha ngeoft hema xi mum s t r a i n(em
ax ) , t hemi ni mum s t r a i n(Em , n ) , t hes t r a i nr a nge(ER ) a nd t hemea ns t r ai n( E m ) atbot hnot chr ooti nI S
a.I Sbehav ior
b. C Sbeha vi or
Fi g. 6 I l l us t r at i onOHSa ndCS
みは加工硬化期間には変化するが,その後 は一定 にな る.本繰返 しひずみ挙動 を cS( Con s t a ntSt r a i nBe ha v i or ) と呼ぶ ことにする.
図 6 に上記のひずみ挙動か らひずみ範囲 と平均 ひず みについて , IS 挙動 と CS 挙動の模式図を示す･
3. 2. 切欠 き拭験片の IS 拳勤 におけるひずみ分布の 繰返 し変化 … t (I)
図 7 には , ∫S 挙動 において両切欠 き底 間のひずみ 分布が,繰返 しとともに如何 に変化するかの例 として 繰返 し数 10 サイクル と 100 サ イクルのひずみ分布 を示 している.ここで , r 座標 は切欠 き底 A を 0とし, 切欠 き底 B を 24mm とする もので , 12mm が中立軸
になる.最大曲げ変位 (+ ♂) と道長大 曲げ変位 (‑
♂) におけるひずみ分布は 10 サ イクルでは逆対称分 布が兄い出 されるが , 100 サ イクルでは逆対称分布 ではな くな り,圧縮側で も表面近 くは引張 りのひずみ になっていることが分かる.すなわち,切欠 き底 の薄
0 bO 3 u!t2 JtS 5 0 1L)
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