セパレーションを発生する鋼板の鋼構造物への適用 に関する基礎研究

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Kyushu University Institutional Repository

セパレーションを発生する鋼板の鋼構造物への適用 に関する基礎研究

勝田, 順一

https://doi.org/10.11501/3059405

出版情報：Kyushu University, 1991, 博士（工学）, 論文博士 バージョン：

権利関係：

第ぎ

ε ョ

重量

二 相 域 圧 延 鋼 板 の 疲 労 き 裂 伝 播 挙 動 と 伝 播 寿 命 の 解 析 法

‑ 8 2 ‑

5.  1

緒 言

現 在 ま で に ， T M C P 鋼 板 の 母 材 や 溶 接 継 手 の 疲 労 強 度 ， お よ び 疲 労 き 裂 伝 播 速 度 に 関 す る 報 告 は 数 多 く 報 告 さ れ ， 従 来 圧 延 型 鋼 板 と 同 等 の 疲 労 強 度 ， お よ び 疲 労 き 裂 伝 播 速 度 を 有 し て い る こ と が 明 ら か に さ れ て い る 。 しかし， こ れ ら の 報 告 で 評 価 対 象 と な っ た T M

c 

p 鋼 板 は セ パ レ ー シ ョ ン を 発 生 し な い 鋼 板 の み で ， 疲 労 破 面 に セ パ レ ー シ ョ ン が 発 生 す る か 否 か ， お よ び セ バ レ ー シ ョ ン 発 生 の 影 響 の 有 無 に 関 す る 考 察 は な さ れ て い な い 。 また，

2.  4.  2

で 調 査 し た よ う に ， T M C P 鋼 板 の 疲 労 強 度 に お よ ぽ す セ パ レ ー シ ョ ン 発 生 量 の 影 響 に つ い て の 報 告 は 管 無 で あ る 。

そこで， 本 章 で は ，

3 .   3

に 示 し て あ る 同 じ 化 学 成 分 を 有 し ， セ バ レ ー シ ョ ン 発 生 量 が 異 な る こ 相 域 圧 延 鋼 板 を 用 い て ， 疲 労 強 度 ， お よ び 疲 労 き 裂 伝 播 挙 動 に つ い て 調 査 し ， セ バ レ ー シ ョ ン 発 生 の 有 無 や セ バ レ ー シ ヨ ン 発 生 量 の 相 違 が 疲 労 強 度 ， お よ び 疲 労 き 裂 伝 機 挙 動 に お よ ぽ す 影 響 に つ い て 考 察 す る 。

まず，

L

，  お よ び

Z

方 向 に つ い て 丸 棒 引 張 疲 労 試 験 を 行 う 。 試 験 結 果 か ら ， L，  お よ び Z方 向 疲 労 強 度 に お よ ほ す S 1 max.の 影 響 に つ い て 考 察 す る 。 また， L 方 向 破 面 の 疲 労 き 裂 伝 播 形 状 を 調 査 し て ，

S 1 max.の 相 違 に よ る 疲 労 き 裂 伝 播 形 状 の 特 徴 に つ い て 考 察 す る 。 つぎに， 疲 労 き 裂 が ブ エ ラ イ ト ・ パ ー ラ イ ト 層 に 沿 っ て 伝 播 す る 場 合 ( 試 験 片 板 厚 貫 通 き 裂 が 鋼 板 板 幅 方 向 に 伝 播 す る 場 合 ) と ， 疲 労 き 裂 が ブ エ ラ イ ト ・ パ ー ラ イ ト 層 を 断 ち 切 っ て 伝 播 す る 場 合 ( 試 験 片 板 厚 貫 通 き 裂 が 鋼 板 板 厚 方 向 に 伝 播 す る 場 合 ) に つ い て ， 疲 労 き 裂 伝 播 試 験 を 行 う 。 こ れ ら の 試 験 結 果 か ら ， 疲 労 き 裂 が ブ エ ラ イ ト ・ パ ー ラ イ ト 層 に 沿 っ て 伝 播 す る 場 合 ， お よ び 疲 労 き 裂 が フ エ ラ イ ト ・ パ ー ラ イ ト 層 を 断 ち 切 っ て 伝 播 す る 場 合 に お け る S 1 max.が 異 な る 鋼 板 の 疲 労 き 裂 伝 播 寿 命 ， お よ び 疲 労 き 裂 伝 播 速 度 を 比 較 す る こ と に よ り ， S lmax.の 相 違 が 疲 労 き 裂 伝 播 挙 動 に お よ ぽ す 影 響 に つ い て 考 察 す る ロ また， こ れ ら の 疲 労 破 面 を 電 子 顕 微 鏡 で 調 査 し て， 二 相 域 に お け る 仕 上 げ 圧 延 温 度 が 異 な る 鋼 板 の 疲 労 き 裂 伝 播 試 験 結 果 の 相 違 の 原 因 に つ い て 考 察 す る 。 さらに， 疲 労 き 裂 が ブ エ ラ イ ト ・ パ ー ラ イ ト 層 を 断 ち 切 っ て 伝 播 す る 場 合 ， S 1 max が 大 き い ほ ど 高 寿 命 と な り ， ま た ぱ ら つ き も 大 き く な る こ と が 判 明 し た こ と から， そ の 原 因 を 探 る た め の モ デ ル 試 験 片 を 作 製 し ， 疲 労 き 裂 伝 播 解 析 モ デ ル を 検 討 し た 。 そして， こ の 結 果 を 用 い て 二 相 域 圧 延 鋼 板

‑83・

に お け る 疲 労 き 裂 伝 播 解 析 法 を 提 案 し ， 試 験 結 果 と 比 較 す る。

最後に， 半 楕 円 表 面 き 裂 の 疲 労 き 裂 伝 播 試 験 を 行 い ， 二 相 域 圧 延 鋼 板 に お け る 表 面 き 裂 の 伝 播 挙 動 に つ い て 調 査 す る 。 こ の 試 験 結 果 と， 前 述 の 二 相 域 圧 延 鋼 板 に お け る 疲 労 き 裂 伝 播 解 析 法 を 半 楕 円 表 面 き 裂 の 伝 播 に 適 用 し た 解 析 結 果 か ら ， 二 相 域 圧 延 鋼 板 の 疲 労 き 裂 伝 播 に お よ ぼ す

S

1 m a x .の 影 響 に つ い て 考 察 す る 。

5 .   2 

丸 棒 試 験 片 に よ る 疲 労 強 度 に お よ ぼ す 最 大 セ バ レ ー シ ョ ン 指 数 の 影 響

5 .   2 .   1 

試 験 方 法

Fig.5.1

に，

L

方向， お よ び

Z

方 向 の 丸 棒 引 張 疲 労 試 験 片 の 採 取 方 向 を 示 すD なお， 同 じ 化 学 成 分 で S 1 m a x の 異 な る 鋼 板 ( A， B， 

お よ び C銅 ) の 試 験 結 果 と 比 較 す る た め に ， セ バ レ ー シ ヨ ン を 発 生 し な い 従 来 圧 延 型 鋼 板 (

K

銅 ) に つ い て も 疲 労 試 験 し た の

Fig.5.2

に， 疲 労 試 験 片 の 形 状 を 示 す 。 なお，

L

方 向 試 験 片 は ， そ の 断 面 の 中 心 が 鋼 板 板 厚 中 央 に 一 致 す る よ う に 製 作 し た 。 また，

Z 方 向 試 験 片 は ， 供 試 鋼 板 の 板 表 裏 面 に 同 穫 の 鋼 板 を 電 子 ビ ー ム 溶 接 し て 製 作 し た 。

L‑direction  specimen 

Z‑direction  specimen  Rol1ing Direction  Fig. 5.1  Sampling of  round  bar  fatigue 

test  specimens 

‑1   1

230mm  L‑direction specimen 

] 

Z‑direction specimen 

Fig.  5.2  Configuration of fatigue test 

s n e m 

‑ ‑

c e 

p &

S   

試 験 片 の 形 状 は ， 溶 接 熱 影 轡 部 か ら 破 断 し な い よ う に ， 鋼 板 の 板 厚 中 央 の 試 験 目 的 部 を 最 小 断 面 と す る 半 径

50mm

の 曲 率 を つ け て あ り ， こ の 曲 率 に よ る 応 力 集 中 は

1.025

である。 また，

L

方 向 試 験 片 も

Z

‑ 8 4

^・

方 向 試 験 片 と 比 較 す る た め に 同 じ 形 状 と し た 。 なお， 電 子 ビ ー ム 溶 接 に よ る 熱 影 響 部 の 1備 は 約

5mm

であり， 試 験 目 的 部 に は 溶 接 の 熱 影 響 に よ る 材 質 変 化 は 生 じ て い な い も の と 考 え ら れ る 。

疲 労 試 験 は ， 電 気 サ ー ボ 式 20

t

疲 労 試 験 機 に よ り ， 載 荷 速 度 15Hz，  応 力 比

O

の 試 験 条 件 で 引 張 繰 り 返 し 荷 重 を 載 荷 し て 行 っ た 。

5.  2.  2 

圧 延 方 向 ， お よ び 板 厚 方 向 の 疲 労 強 度 に お よ ぽ す 最 大 セ パ レ } シ ヨ ン 指 数 の 影 響

Fig.5.3

に， 二 相 域 圧 延 鋼 板 ， お よ び 従 来 圧 延 型 鋼 板 の

L

方 向 の 疲 労 試 験 結 果 を 示 す 。 ^1.0 

なお， こ の 図 の 縦 軸 は ，e 0.9 

引 張 強 き が 異 な る 鋼 板 イ 0.8 

を 同 じ 図 上 で 比 較 す る ために， 疲 労 試 験 し た 公 称 応 力 範 囲 (σR)  を， そ れ ぞ れ の 母 材 の 引 張 強 さ (σB:

4 .   2 .   2

で 引 張 試 験 し た

L

方 向 の 結 果 の う ち ， 室 温 で の ヲ

I

~根強き)で 除 し て 求 め た 無 次 元 応

。

00  c m 

E回 0.7

m ω  ω 

』 J  c/)  .‑i  0.6 

伺 己0 

・H

m t 

ω ~ 0.5 

凸

ロo  z 

0.4 

10^匂 10⁵  10⁶  10⁷  Number of Cycles to Failure ， Nf  (cycles) 

カ 範 囲 (σR/σB) で 同

5 3 j ; ; : i z z r : 2 2 : e t e s t

^in山

示 し で あ る 。 また， 図 中 の 線 図 は ， 各 供 試 鋼 板 ご と に 最 小 二 乗 法 を 適 用 し て 求 め ， σR/σB'̲ 

N 

^f 線 図 の 式 を 図 中 に 併 記 し で あ る 。

こ の 図 か ら ， S I m a x .の 大 き い 鋼 板 の ほ う が 若 干 疲 労 強 度 が 高 く な る 傾 向 が あ る も の の ，

S 

I m a x .の 大 き さ が 異 な る こ と に よ る 破 断 寿 命 の 差 異 は ほ と ん ど 認 め ら れ な い こ と が わ か る 。 また，

A

， 

B

，  お よ び C 鋼 と K 銅 と の 破 断 寿 命 に も ， 差 異 は ほ と ん ど 認 め ら れ な い

こ と が わ か る 。 σR/σ8"""" N r線 図 の 傾 き は ， セ パ レ ー シ ヨ ン を 発 生 し な い 鋼 板 の ほ う が 若 干 緩 や か で あ り ， 二 相 域 圧 延 し た

T M C P

鋼 板 の 試 験 結 果 に は ば ら つ き が や や 大 き い 傾 向 が あ る 。 なお， こ れ ら の 試 験 片 疲 労 破 面 に は ，

3 .   4.  6

で 述 べ た セ パ レ } シ ヨ ン 発 生 量 の 定 量 的 表 示 法 の た め の 計 測 基 準 に お い て ， 計 測 対 象 と な る よ う な セ バ レ ー シ ヨ ン の 発 生 は 認 め ら れ な か っ た 。

‑ 8 5

・

Fig.5.4に， 二 相 域 1.0 

圧 延 鋼 板 ， および従来 ~ ^0.9  圧 延 型 鋼 板 の Z方 向 疲 イ0.8 

労 試 験 結 果 を 示 す 。 な 各 ぉ， こ の 図 の 縦 軸 は ， : 0 7  

引 張 強 き が 異 な る 鋼 板 占 を 同 じ 図 上 で 比 較 す る

3

た め に ， 疲 労 試 験 し た

i 0 5

公 称 応 力 範 囲 (σR) 

b 

を そ れ ぞ れ の 母 材 の 引 z

張 強 さ (σB:

4.  2 .   2

で 静 的 引 張 試 験 し た

0.4 10^喝

Stee1  K : OR/σB = 1.377'Nf‑o.0564  Stee1 A : OR/OB = 1.007・Nf‑^O・0256 'Stee1 B : OR/σB = 1.493'Nf‑o.057^句

lO^S  10⁶ 

Number  of Cyc1es  to  Failure ， Nf  (cyc1es) 

Z方 向 の 結 果 の う ち ， Fig 

5 4 ? : : : : : : J ♂ ; : ロ

^{f s tin  the} 

10⁷ 

室 温 で の 引 張 強 き ) で 除 し て 求 め た 無 次 元 応 力 範 聞 (σR/σB) で 示 し て あ る 。 また， こ の 図 の 中 に 示 し た 線 図 は ， 各 供 試 鋼 板 ご と に 最 小 二 乗 法 を 適 用 し て 求 め ， σR/σB ......， 

N 

f 線 図 の 式 を 図 中 に 併 記

し て あ る 。

こ の 図 か ら ， 試 験 結 果 に は ば ら つ き が 大 き い も の の ，

S  1 

m a x が

0.66

で あ る

C

鋼 の 破 断 寿 命 は ，

S 

I m ax.が

0.05

の

A

鋼 と 比 較 し て 非 常 に 長 く な る こ と が わ か る 。 また，

S 

I m ax.が

0.57

の

B

鋼 の 破 断 寿 命 は ， 高 応 力 範 囲 側 に お い て は C 鋼 と 同 程 度 で あ る も の の ， 低 応 力 範 囲 側 に お い て は A鋼 と 同 程 度 で あ る こ と か ら ， こ の 試 験 結 果 の み で 断 言 す る に は 不 十 分 で あ る が ， S I m ax.が 大 き い 鋼 板 ほ ど Z 方 向 の 破 断 寿 命 が 長 く な る 傾 向 は 認 め ら れ る 。 また， A，  B，  お よ び C鋼 に 比 べ て ， K鍋 の Z方 向 破 断 寿 命 は か な り 短 く な っ て い る こ と が わ か る 。 こ の 原 因 は ， 豊 貞 が 従 来 圧 延 型 鋼 板 の Z方 向 疲 労 試 験 ( R 

= 

0 ) に お い て S含 有 量 が 大 き く な る ほ ど 疲 労 寿 命 が 短 く な る と 報 告 5. 1 ) し て い る こ と か ら ，

K

鋼 の ほ う が

S

含 有 量

(0.007%

， なお，

A

， 

B

，  お よ び

C

鋼 の

S

含 有 量 は

0.002%

) が 大 き い た め で あ る と 考 え ら れ る 。

L方 向 と Z方 向 の 疲 労 強 度 の 差 に お よ ぼ す S 1 m a x の 影 響 を 調 査 す る た め に ， Fig.5.3に 示 し た L方 向 の 線 図 を 太 線 で ， Fig.5.4に 示

し た Z方 向 の 線 図 を 細 線 で ， Fig.5.5に 示 す ロ なお， 各 鋼 板 ご と の L方 向 と Z方 向 の 線 図 の 差 を わ か り や す く す る た め に ， L，  Z方 向 線 図 聞 に 鋼 板 ご と に 斜 線 を 入 れ て あ る 。

‑ 8 6 ‑

こ の 図 か ら ， A，  B， 1.0 

お よ び C鋼 に お け る L @ 0.9 

方 向 と Z方 向 の 差 は ， そ0.8

K鋼 の 差 に 比 べ て 非 常 ? に 小 さ い こ と が わ か る。

: 0 7

A

，  B，  お よ び

C

鋼 の

f

^{0 6}  

Z方 向 の 線 図 の 傾 き は

i

L 方 向 の 線 図 の 傾 き と

i

^{0 5}  

同 程 度 で あ る が ，

K 鏑 :

の Z方 向 の 線 図 の 傾 き

は L 方 向 の 線 図 の 傾 き 0.410匂

よ り も 非 常 に 大 き く な る こ と が わ か る 。

10⁵  10⁶  Number of  Cycles  to  Failure • Nf  (cycles) 

Fig. 5.5 Comparison of S ‑N curves between  rolling and thickness directions 

10⁷ 

し た が っ て ， こ れ ら の 原 因 は ， 上 述 し た よ う に S含 有 量 の 差 が 大 き く 影 響 し た も の と 考 え ら れ ，

s

含 有 量 を 低 減 さ せ る と Z方 向 の 延 性 が 大 き く な る こ と も 考 慮 す る と ， たとえ， セ パ レ } シ ョ ン が 多 く 発 生 す る 鋼 板 で も

S

含 有 量 を 低 減 さ せ て お け ば ，

z

方 向 の 疲 労 強 度 は 向上し， L方 向 と 同 等 に な る こ と が 期 待 さ れ る 。

以 上 の 結 果 を ま と め る と ， L 方 向 の 疲 労 破 面 に は 定 量 的 表 示 の た め の 計 測 対 象 と な る セ バ レ ー シ ョ ン は 発 生 し て お ら ず ， 疲 労 強 度 に も

S 1 

m a x の 影 響 は 認 め ら れ ず ， セ パ レ } シ ヨ ン を 発 生 し な い 鋼 板 の 疲 労 強 度 と 同 程 度 で あ っ た 。 また， C銅 程 度 に S 1 m a x .が 大 き い 鋼 板 の Z方 向 疲 労 強 度 は 高 く な る 傾 向 が あ る も の の ， S 1 ^max.が 大 き い 鋼 板 ほ ど Z方 向 疲 労 強 度 が 高 く な る と は 断 言 す る に は 十 分 で な かった。 さらに， セ パ レ ー シ ョ ン を 多 く 発 生 す る 鋼 板 で も

S

含 有 量 が 少 な い 場 合 に は ，

z

方 向 の 疲 労 強 度 は L 方 向 の そ れ と 同 程 度 と な る こ と が 推 察 さ れ た 。

4.  2.  2

で 調 査 し た よ う に ， 静 的 引 張 試 験 に お け る

T M C P

鋼 板 の L方 向 試 験 片 の 破 面 は Z方 向 に 短 径 と な る 楕 円 状 に な っ た 。 本 項 で 疲 労 試 験 し た L方 向 試 験 片 の 疲 労 破 面 に も ， 疲 労 破 面 形 状 の 違 い が 認 め ら れ た 。 そこで， L 方 向 の 疲 労 試 験 片 に 発 生 し た 疲 労 き 裂 は， 鋼 板 圧 延 面 に 平 行 な フ ヱ ラ イ ト ・ パ ー ラ イ ト 層 に 対 し て あ る 角 度 を も っ て 伝 播 す る こ と か ら ， プ エ ラ イ ト ・ パ ー ラ イ ト 層 と 疲 労 き 裂 伝 播 方 向 と の な す 角 度 (B ) を 計 測 し て 疲 労 伝 播 形 状 の 特 徴 と 0 の 関 係 に つ い て 調 査 し た 。

‑ 8 7 ‑

疲 労 き 裂 伝 播 方 向 は

10

倍 の 投 影 機 で 観 察 し て 扇 状 に 伝 機 し た 疲 労 き 裂 の 中 心 方 向 を 求 め た 。 また， ブ エ ラ イ ト 層 や パ ー ラ イ ト ! 曹 の 方 向 は 疲 労 破 面 近 傍 の 試 験 片 を 切 断 し て 研 磨 ， お よ び エ ッ チ ン グ し て ，

50

倍 の 投 影 機 で 観 察 し て 求 め た 。

Fig.5.6

に 示 す よ う に

，

0は 疲 労 き 裂 が ブ エ ラ イ ト ・ パ ー ラ イ ト 層 の 方 向 に 伝 機 す る 場 合 を

0

⁰ _とし，

ブ エ ラ イ ト ・ パ ー ラ イ ト 層 を 零 直 に 断 ち 切 る よ う に 進 展 す る 場 合 を 90口 と し て 決 定 し た 。 なお， ブ エ ラ イ ト 層 や パ ー ラ イ ト 層 は そ れ ぞ れ が 必 ず し も 平 行 で は な い た め に ， 疲 労 き 裂 が 発 生 し た 付 近 の ブ エ ラ イ ト 層 や パ } ラ イ ト 層 の

5

層 そ れ ぞ れ が ， 疲 労 き 裂 進 展 方 向 と の な す 角 度 の 平 均 値 を 0と し た 。

r 

r e  

e v J   V J a   a v L  

T ‑u  

e 

e t  

t

・ 工

・1 1

ム

r r   r a   e e  

p A P

且

一 一

ー 園 田 園 ・. .  

i) 

e 

= 0⁰ 

f 

^{: 山 … 山tion of Fatig川 似}

o 

nu

 

OJ

一 ‑  

n u  

︑ ︑ ︐ ︐ ︐ . ー

1・ 1・ ム

a且

干E EE E'

ii) 0⁰ < e < 90。

Fig.  5.6  Schematic diagrams of the angle between  propagated  direction  of  fatigue crack and  ferrite‑pearlite  layers 

計 測 さ れ た

O

の 範 聞 は ， 約 10~

70

⁰ で あ っ た 。 ま た ，

Fig.5.6

に 模 式 的 に 示 す よ う に ， 疲 労 き 裂 伝 播 形 状 は ， 。 が

0

⁰ に 近 く な る ほ ど ( す な わ ち ， 疲 労 き 裂 伝 播 方 向 の 中 心 が

T

方 向 に 伝 播 す る ほ ど ) よ り 尖 っ た 円 弧 状 に な り ， 。 が 90⁰ に 近 く な る ほ ど ( す な わ ち ， 疲 労 き 裂 伝 播 方 向 の 中 心 が Z方 向 に 伝 播 す る ほ ど ) よ り 偏 平 な 円 弧 状 に な る 傾 向 が あ る こ と が 認 め ら れ た 。 ま た ， 1つ の 疲 労 破 面 の き 裂 伝 播 形 状 に お い て も ， ブ エ ラ イ ト ・ パ ー ラ イ ト 層 を 断 ち 切 る 方 向 (

Z方 向 ) に 伝 播 す る 部 分 の き 裂 伝 播 長 さ は ， ブ エ ラ イ ト ・ パ ー ラ イ ト 層 に 沿 っ て (

T

方 向 ) 伝 播 す る 部 分 の き 裂 伝 播 長 さ に 比 べ て ， 短 く な る 傾 向 が 認 め ら れ た 。 しかし， こ れ ら の 計 測 結 果 は ， 疲 労 破 商 が 小 さ く ， 疲 労 き 裂 伝 機 方 向 計 測 値 に 誤 差 が 大 き い も の と 考 え ら れ る こ と ， 1つ の 疲 労 破 面 に お い て も 伝 矯 形 状 が 円 弧 状 で あ る こ と か ら 疲 労 き 裂 前 面 の 伝 矯 方 向 は ， ブ エ ラ イ ト ・ パ ー ラ イ ト 層 に 対 し て 一 定 で な い こ と ， お よ び ， 破 断 寿 命 の ほ と ん ど が 疲 労 き 裂 発 生 寿 命

ー

8 8 ‑

であり， 疲 労 き 裂 の 伝 播 に 要 し た 繰 り 返 し 回 数 は そ れ ほ ど 多 く な い こ と な ど の 理 由 の た め に ， こ の よ う な 疲 労 き 裂 伝 播 形 状 の 差 異 が 破 断 寿 命 に お よ ぽ す 影 響 に つ い て は こ れ だ け の 結 果 で 明 確 に す る こ と が で き な か っ た 。

し た が っ て ， 上 述 の よ う な 疲 労 き 裂 伝 播 形 状 の 相 違 に は ， 疲 労 き 裂 が 伝 播 す る 方 向 ( 圧 延 直 角 方 向 ， ま た は 板 厚 方 向 ) が 大 き く 影

し て い る も の と 推 察 さ れ ， そ の 影 響 を 調 査 す る た め に は ， 二 相 域 圧 延 鋼 板 の 疲 労 き 裂 伝 矯 試 験 を そ れ ぞ れ の 方 向 に つ い て 行 う 必 要 が あ

る も の と 考 え ら れ る 。

5 .   3 

鋼 板 板 厚 方 向 ， お よ び 板 1幅 方 向 へ の 疲 労 き 裂 伝 播 挙 動

5.  3.  1 

試 験 方 法

セ バ レ ー シ ヨ ン を 多 く 発 生 す る 鋼 板 の 疲 労 試 験 を し た 場 合 ，

3 .   4 .   6

で 述 べ た 計 測 基 準 で は ， 疲 労 破 面 に 評 価 対 象 と な る よ う な セ パ レ ー シ ョ ン の 発 生 は 確 認 で き な い に も か か わ ら ず ， 疲 労 試 験 片 の 疲 労 き 裂 伝 播 形 状 に 差 異 が 認 め ら れ た 。 しかし， こ れ だ け の 結 果 の みで， 疲 労 き 裂 伝 播 形 状 の 差 異 が 破 断 寿 命 に お よ ぽ す 影 響 に つ い て 明 確 に す る こ と が で き な か っ た 。

そこで， 本 節 で は ， 試 験 片 板 厚 貫 通 疲 労 き 裂 が ブ エ ラ イ ト ・ パ ー ラ イ ト 層 に 沿 っ て 伝 播 す る 場 合 ， お よ び 試 験 片 板 厚 貫 通 疲 労 き 裂 が フ エ ラ イ ト ・ パ ー ラ イ ト 層 を 断 ち 切 っ て 伝 播 す る 場 合 に つ い て ， 疲 労 き 裂 伝 播 試 験 を 行 っ た 。 こ の 試 験 結 果 と 疲 労 破 面 の 観 察 結 果 か ら ， 二 相 域 に お け る 仕 上 げ 圧 延 温 度 が 異 な る 鋼 板 に お い て 疲 労 き 裂 が 伝 播 す る 方 向 に よ っ て 疲 労 き 裂 伝 播 挙 動 が 異 な る 原 因 を 明 ら か に し て ， そ の 影 響 を 考 察 す る 。

各 供 試 鋼 板 か ら の 試 験 片 の 採 取 方 向 を ，

Fig.5.7

に示す。

(a)  Lz Directional  Specimen  (b) LT Directional Specimen 

Fig.  5.7  Sampling of  fatigue crack propagation  test  specimens 

‑89・

なお， こ の よ う に 採 取 し た 試 験 片 の う ち ， 疲 労 き 裂 が Z方 向 に 伝 播 す る 場 合 を 想 定 し た 試 験 片 (

Fig.5.7(a))

を

L

z方 向 試 験 片 と 呼 び ， 疲 労 き 裂 が

T

方 向 に 伝 播 す る 場 合 を 想 定 し た 試 験 片 (

Fig.5.7(b)) 

を

L

^T方 向 試 験 片 と 呼 ぶ こ と に す る ロ

こ の 帯 板 を 用 い て

Fig.5.8

に 示 す よ う な 試 験 片 を 製 作 し ， 両 端 部 を 油 圧 チ ャ ッ ク に よ り 固 定 し て ， 疲 労 き 裂 伝 播 試 験 を 行 っ た 。 試 験 片 は 板 厚 を

2 .  0  m m

，  板 帽 を 約

25mm

とし， 幅

o.  1  m  m

の 機 械 切 欠 を 試 験 片 片 側 に 入 れ た 。 また， 初 期 切 欠 長 さ は 試 験 条 件 に よ り

2 . 0

，

2 . 5

，  お よ び

3.0mm

と し た 。 試 験 条 件 は 載 荷 速 度

1 5

Hz，  応 力 比

o.  1

とした。

また， 応 力 範 囲 は ， L z方 向 試 験 に お い て は

9. 0

，  お よ び

13.5kgf/m

ポ，

L T方 向 試 験 に お い て は

1 0 . 0

，  お

Steel 

A  B  C 

」

; 仁 E

~r=[

Specjmen  LT 

Lz 

δO(kgf/mm²)  ao 

10.0  2.0  13.5  2.0 

9.0  3.0 

13.5  2.5 

b  口

C:=III・

230.0 

( unl l:: mm )  よ び

13.5kgf/mm

²とし， 本 試 験 と 同 ^{.，...... ，‑ n}   .，，.

Fig.  5.8  Configuration of fatigue crack  じ 試 験 条 件 で 疲 労 予 き 裂 を

o.  1  m  m 

^propagation  test specimen  入 れ た 後 の 疲 労 き 裂 の 伝 播 を 評 価 対 象 と し た 。 疲 労 き 裂 の 長 さ は ， 最 小 目 盛 り

0.05mm

で

3 0

倍 の 拡 大 鏡 を 用 い て ， 試 験 片 表 面 に 現 わ れ

る 疲 労 き 裂 の 長 さ を 繰 り 返 し 回 数 約

5000

回 ご と に 計 測 し た 。

5.  3.  2 

鋼 板 板 厚 方 向 ， お よ び 板 幅 方 向 へ の 疲 労 き 裂 伝 矯 挙 動

L ^T方 向 の 疲 労 き 裂 伝 播 試 験 結 果 か ら 得 ら れ た ， き 裂 長 さ と 繰 り 返 し 回 数 と の 関 係 を ，

Fig.5.9

に 示 す 。

こ の 図 か ら ， 試 験 し た

2

種 類 の 応 力 範 聞 の い ず れ に お い て も ， 疲 労 き 裂 伝 播 曲 線 に は ，

S 1 

max.の 相 違 に よ る 明 確 な 差 異 は 認 め ら れ な い こ と が わ か る 。

L 

z

方 向 の 疲 労 き 裂 伝 播 試 験 結 果 で 得 ら れ た ， き 裂 長 さ と 繰 り 返 し 回 数 と の 関 係 を ，

Fig.5.10

に示すロ

試 験 し た

2

種 類 の 応 力 範 囲 に お い て ， 試 験 を 行 い ， そ の 結 果 を 図 示 し て あ る 。

なお， L z方 向 の 試 験 で は ， 各 供 試 鋼 板 と も 2本 づ っ 伝 播

こ の 図 か ら ， 同 じ 応 力 範 囲 の 疲 労 き 裂 伝 播 曲 線 に お い て

S 1 

max. 

が 大 き い 鋼 板 の ほ う が 疲 労 き 裂 伝 播 寿 命 が 畏 く な る こ と が わ か る 。

ー

9 0 ‑

2本 の い

m a x .が大き 応 力 範 囲 が 同 じ で も ，

S 

I  試 験 片 の 疲 労 き 裂 伝 播 寿 命 に 大 き な 差 異 が あ り ，

鋼 板 ほ ど ， また， 応 力 範 囲 が 小 さ い 場 合 の ほ う が ， い 鋼 板 で は ，

m a x . が 大 き

S 

I 

さ らに，

伝 播 曲 線 の 差 異 と が わ か る 。

、

"

く な る ι‑

が 大 き

‑ K

︑

1

0 6

11 

札1

4m u

s e e ' S F 1

= q  

da

︐

︒ :

4 a F A U  

E M

四

M M H E m

11 E

貝

E d p

E J

判

l i l

‑

‑

川 い い

慣

︒

置

︒

賞@  の

園周

14  12  10 

4  8  6 

( E )

の戸﹄μ∞ ロ

ω J U 4 υ ω

﹄U

Sx10⁶ 

s e ︑i

F﹂y 

pU   5 r

工ハ

U G

‑ ‑

r e 

‑D

M円 u  m   

2 

hu y 

n U 

34 

nu  

(SImax.=0.05)  (8) Steel A 

14 

a ‑ ‑

・4

企 畠 ・ ・ ・

司V

' 

司F V  V 

•

司F

' 

v v 

' 

V 

• ~

zv，w 

d  

&σ= 13.5kgf/mm²  12 

10 

6  8 

( E )

伺ぷμ∞ ロ

ωJ

リ﹄υ ω

﹄U

4 

竃IrJl 

2  事

δσ‑=10.0kgf/mm 

Sx10⁶  10⁶ 

N ( cyc1e )  10⁵ 

hu y 

nu  

司aA

nu  

Number of Cycles 

(SImax.=0.57)  (b) Steel B 

14  12  10 

( g E )

の 8 

6  4 

4u∞

c o J U A υ

同HU

SX10⁶ 

目。叩I.!YL:I叫 UU~ dσ ーlO.Okgf/mm²

i 

10⁶  N ( cyc1e ) 

s e 

噌ic 

w vd   pu  

良J

nu p? 4 

0 唱

' A

r e 

‑h u 

m u 

M n 

。

2 

hu v 

nu  

噌EA

nu  

(SImax.=0.66) 

Fatigue crack growth curves  in  the direction  of  plate width  ( R = 0.1  ) 

(c)  Steel C  Fig.  5.9 

聞

9 1

^・

企σ = 13.Skgf/mm²  14 

10 

6  4  8  12 

( E E )

吋ぷμ

∞ ロ

ω J U A

υ

の い

U t:.a = 9.0kgf/mm^{2 開 四 国 置 蹟}

. ̲ '

2 

5xl0⁶  10⁶ 

10⁵ 

LU守

n v  

噌EA

nu

 

N ( cycle  )  Number of Cycles 

(SImax.=O.OS)  (a)  Steel A 

t :

.a = 13.5kgf/mm²  14 

10  8  6  12 

( E 巨 ) の

同﹄μ

∞ ロ

ω﹂

uA υd HU

む

司 可 曹 司 司 令

s e

&σ= 9.0kgf/mm²  2 

5xl0⁶  10⁶ 

N ( cycle  )  lO^S 

LU守ハU

Eム

nu

 

Number  of  Cycles 

(SImax.=0.57)  (b)  Steel B 

14 

10  12 

( E )

伺

8  6  4  zu ∞

c oJ U

A υ

伺いU

。 。 。 。

2  凸a= 9.0kgf/mm² 

Sx10⁶  10⁶ 

N ( cycle  ) 

s e 

τi c 

v vd  

pu

 

aJ o f  

唱E A r

︑

vi e LU m u M門

LU マハU

噌'A

nu  

(SImax.=0.66)  (c)  Steel C 

Fatigue crack  growth  curves in  the direction of  thickness  ( R = 0.1  ) 

Fig.  5.10 

そ れ ぞ れ ら，

L T方 向 の 疲 労 き 裂 伝 播 試 験 結 果 か

Fig.5.9

に 示 し た

と 疲 労 き 裂 伝 播 速 片 側 き り 算 出 し

L 1

K は， 式 5. 2 )によ なお，

と に 求 め た 応 力 拡 大 係 数 筒 聞 (

L 1   K ) 

Fig.5.11

に 示 す 。

(  5  .  1  ) 

の 試 験 片

度 (da/dn) と の 関 係 を ，

裂 付 帯 板 に

5 1

張 応 力 が 作 用 す る 場 合 の '

、" 

L 

‑92・

よ つ して 最 小 二 乗 法 に 全 試 験 結 果 を 対 象 に

線 図 も 示 し て あ る。 の 図 に は ，

、， ιー また，

て 求 め た

A

た。

K 

，.....， 

d a/ d n 

( 5 . 1) 

( 

~

) 

F  v'π a  

4 

σ 

一 一

L]

K 

3+30.39~ A 

試 験 片 板 幅

2・

21  .  7  2 

~

W : 

+1 0 .55~

き 裂 長 さ

1  . 1 2

・

o .  2 3 1  

_~

a :  ( _~ ) 

/ W  

一

一

a  F 

~

: 

し， た だ

da/dn = 2.60xlO‑¹⁰(dK)2.76  10‑² 

， 画、 .国

..... 

弘10‑³

、、、U 

、.E .;

ロ

、司

、

国 てコ 10ー句

Q) 

.u  国 0::  ぷ.u  3  0 

』 t!> ，，，‑5 

10 

‑u " 

m  u 』

10‑⁶ 

10  50  100  500  Stress Intensity Factor Range 

dK (kgf/mm3 /2 )  (c)  Steel C 

o e   ο E  

z‑n a nk r 

0 1 J  

↑L 

K 4 B  

O F

‑

‑

O m

リ'AVJ

m H I   争

L︐

︐ ︐

I44・16ム1V } S E S  

‑ ‑

︐

v町

A m k )

・

1 J v h h u

a

・

2

M 1 (

47

ム V A

‑AU ‑s ‑s ‑e 

‑ v

s 

E↑L ﹂

nu qu

︑︐A

e o 

n u 

司EA

da/dn・1.50XIO‑¹⁰(dK)2.BB 10‑² 

f、

~ 10‑³ 

U  炉、

、U 

、

E E 

) 

、己

コ'ro  10‑' 

司

ω ιJ  国 白4

ぷ_μ =

): 

e 

10‑' 

t!> 

~ u 

悶 ιJ 』

da/dn = 2.66x10‑¹⁰(dK)2.77  10‑² 

( 

.出

.....  弘10‑³

、¥U  E E 

) 

てE 

コ、

、、 て国

コ 10→ 

μ 出 悶 白4 4  ゐJ O E  L喝

。

^10‑5

且u 

国.

. .  仁J

10‑⁶ 

10  50  100  500  Stress Intensity Factor Range 

dK  ( kgf/mm3/2 )  (a)  Steel A 

Relation between凸K and da/dn in the direction of  plate width  Fig.  5.11 

L z方 向 の 疲 労 き 裂 伝 播 試 験 結 果 か ら ， そ れ ぞ れ

Fig.5.10

に 示 し た

Fig.5.12

に 示 す。 の 関 係 を ，

と と

da/dn

K 

ご と に 求 め た

d

の 試 験 片

つ て 求 よ し て 最 小 二 乗 法 に 全 試 験 結 果 を 対 象 に

こ の 図 に は ， また，

し て あ る 。 線 図 も 示

め た L ]

K 

，.....， 

da/dn 

m a x . が 疲 労 き 裂 伝 播 速 度 に お よ ぽ す 影 響 を 調 査 す る た め に ，

S I 

Fig.5.13 

L T方 向 の 線 図 を ま と め て ， し た 各 供 試 鋼 板

Fig.5.11

に 示

L  z

方 向 の 線 図 を ま と し た 各 供 試 鋼 板

の 図 に は ，

Fig.5.12

に 示 また，

に示す。

L T 

Fig.5.13

に示 し た

、...  ιd 

Fig.5.14

に示す。 なお，

めて，

し て あ る 。 方 向 の 線 図 す べ て を 平 均 し た 線 図 も 示

1 m a x .の 影 響 が 認 め ら れ

Fig.5.9

に お い て 疲 労 き 裂 伝 播 曲 線 に S 

L T方 し た

お よ び

Fig.5.13

に 示

Fig.5.1   ， 1

と と 同 様 に ，

、... 

ιー な か っ た

た く 認 め ら れ な

1 m a x .の 影 響 は ま つ

S 

は， 向 の 疲 労 き 裂 伝 播 速 度 に

と が わ か る 。 い こ

‑ 9 3

^・

10‑² 

f、

山 .‑4 

:;.  10‑³ 

、、、U  霞

、臣J C 

てヨ

、、、

同 司 10一 句

山 ふJ 回 出

..c 

ふJ :J 

o 

H  c‑'  10‑5 

..><:  U  伺

ド4

u 

10‑⁶ 

10  50  100  500 

Stress Intensity Factor Range 

llK  ( kgf/mm³/2  ) 

(c) Steel C 

10‑² 

( 

出

F寸

:;.  10‑³ 

、、、u 

E 

、‑‑' 句ヨE 

、

、

、

国 唱 10‑匂

山 ふJ 司 白d

z みJ

3 0 

。』 10‑5 .、耳J

伺

u H 

10‑6 

10  50  100  500 

Stress Intensity Factor Range 

dK  ( kgf/mm³/2  ) 

(b) Steel B 

10‑² 

( 

出 rl 弘10‑³

、、、U 

、E ‑‑'

，司C 

、

、

、

周 司 10ー匂

出 ふJ 悶 白d

..c: 

ゐJ

3  O  L吋

。^10‑5

ぷ U  町

u 』

10‑⁶・

電

10  50  100  500 

Stress Intensity Factor Range 

出 (kgf/mm³/2 ) 

(a)  Steel A 

Relation between dK and  da/dn  in  the  direction of  thickness 

10‑²  Fig.  5.12 

10‑² 

一一一一一 :^{Average Line of LT}  Directjon 

グ

f、句

'ω j  10‑³  υ h 

、

、

、

E 

、ーノ

句ロ

、 ¥

て伺

コ 10‑⁴ 

10‑⁵ 

ω μ

何回円・

{μ

30

HO

UA

υω

HU

3 h

吋5

r σ r  

‑IA唱EA唱

' E

4

ω﹂[υhu¥gg)ロ℃¥伺ガ

ωμ

ω 出 ぷ

μ3

OM

UU

Aυ

のい

U

500  100 

10‑6  50  10  500 

100 

Stress Intensity Factor Range  ば (kgf/mm³/2 ) 

50  10‑⁶ 

10 

e ob n a pれr 

0 1

ノ

↑ し

﹁

﹂ 内

4

a /   F 3 l   v J H  

↑L︐

F /  

4

ム ぶ ム s n 6  

n k  

e 

↑ し 〆 E︑

n H 

T i v k  

AU S S 

白﹄

r 

q ↑ し

u 

da/dn _~ dK lines  in  the  direction  of  thickness 

Fig.  5.14  da/dn ~ dK lines  in  the direction 

of  plate width  Fig.  5.13 

‑ 9 4

^・

Fig.5.12に 示 し た L

z

方 向 の 疲 労 き 裂 伝 播 速 度 ( 図 中 の プ ロ ッ ト 点)は，

c

鋼 に お い て は ， A 鋼 や B 鯛 に 比 べ て 10‑^Smm/cycle 以 上 の da/dn が 若 干 低 速 側 に 分 布 し て お り ， 10‑⁵mm/cycle 以 下 の da/dn 分 布 が 非 常 に 多 く な る 傾 向 が あ る こ と が わ か る 。 し か し， Fig.5.10  に 示 し た よ う に ， 同 じ 応 力 範 囲 で も

S 1 

m a x が 大 き い 鋼 板 ほ ど

2

本 の 試 験 片 の 疲 労 き 裂 伝 播 曲 線 に 明 確 な 差 異 が 生 じたが， da/dn (プ

ロ ッ ト 点 ) の 分 布 に は そ の よ う な 差 異 は ほ と ん ど 認 め ら れ な い。 ま た， Fig.5.14に 示 し た 疲 労 き 裂 伝 矯 線 図 に お い て ，

S 

Imax.が 大 き い B鋼， お よ び C鋼は， S Imax.が 小 ざ い A 鋼 に 比 べ て 若 干 低 速 側 にある。 なお，

A

鋼 の 線 図 は ，

L 

T方 向 の 平 均 線 図 と ま っ た く 一 致 し て い る こ と が わ か る 。

こ の よ う に ， 疲 労 き 裂 の 伝 播 方 向 に よ っ て 異 な る 伝 播 挙 動 の 原 因 を 明 ら か に す る た め に ， L T方 向 試 験 片 ， お よ び Lz方 向 試 験 片 の 疲 労 破 面 を 走 査 型 電 子 顕 微 鏡 で 調 査 し た 。

Photo5.1に， L T方 向 試 験 片 の 疲 労 破 面 の 写 真 示 す。 また， L 

z

方 向 試 験 片 の 疲 労 破 面 の 写 真 を ， Photo5.2に示す。

Photo5.1から， い ず れ の 鋼 板 の LT方 向 試 験 片 疲 労 破 面 に お い て も， 疲 労 き 裂 が 伝 婚 す る 方 向 に 沿 っ て 微 小 な セ バ レ ー シ ョ ン が 数 多 く 発 生 し て い る こ と が わ か る 。 なお， 疲 労 破 面 に 発 生 し た 微 小 な セ パ レ ー シ ヨ ン は ，

3 .   4.  6

で 示 し た セ パ レ ー シ ヨ ン 計 測 基 準 で は 無 視 す る と し た タ イ プ c の セ バ レ ー シ ヨ ン で あ り ， そ の 長 さ は

o

.01 

，

....，

O.02mm

程 度 で あ っ た 。 Photo5.2から， い ず れ の 鋼 板 の Lz方 向 試 験 片 疲 労 破 面 に お い て も ， 微 小 な セ バ レ ー シ ヨ ン は 疲 労 き 裂 の 伝 播 を 妨 げ る よ う に 発 生 し て い る こ と が わ か る 。

Photo5.1と Photo5.2に お け る 疲 労 き 裂 伝 播 方 向 に 対 す る 微 小 な セ バ レ ー シ ヨ ン 発 生 方 向 の 相 違 の 原 因 は ， シ ヤ ル ピ ー 衝 撃 試 験 片 破 面 に 発 生 す る セ バ レ ー シ ヨ ン と 同 様 に ， 微 小 な セ パ レ ー シ ヨ ン も ブ エ ラ イ ト ・ パ ー ラ イ ト 層 に 沿 っ て 発 生 す る た め で あ る と 考 え ら れ る。 また， S 1 max が 大 き い B， お よ び C鋼 で は 長 め の 微 小 な セ バ レ ー シ ヨ ン が 発 生 す る 傾 向 が あ り ， S 1 max.の 小 さ い A鋼 に も 極 短 い 微 小 な セ バ レ ー シ ョ ン が 発 生 し て い る こ と が 観 察 さ れ た 。

こ の よ う に ， セ バ レ ー シ ヨ ン 発 生 量 の 定 量 的 表 示 の 対 象 と は な ら な い も の の ， 疲 労 き 裂 伝 播 に 影 響 を お よ ぼ す よ う な 微 小 な セ パ レ ー シ ヨ ン を セ パ レ ー シ ヨ ン 発 生 量 の 計 測 対 象 と す る 巨 視 的 な セ バ レ ー シ ョ ン と 区 別 し て 「 微 小 セ バ レ ー シ ヨ ン

J

と 呼 ぶ こ と に す る。

‑ 9 5 ‑

観 察 し た 疲 労 破 面 に お い て ， 疲 労 き 裂 の 伝 播 長 さ が 長 く な る と ， 発 生 す る 微 小 セ パ レ } シ ヨ ン 長 さ が わ ず か に 長 く な る 傾 向 ， お よ び 微 小 セ パ レ } シ ヨ ン の 発 生 量 が わ ず か に 増 加 す る 傾 向 が 認 め ら れ る が， そ の 発 生 量 の 変 化 を 定 量 的 に 把 握 す る こ と は 困 難 で あ っ た 。 な お，

da/dn

が 非 常 に 速 く な っ た 場 合 に は

O.02mm

以 上 の 比 較 的 長 い 微 小 セ バ レ ー シ ヨ ン が 多 く 発 生 し て い た 。

Steel 

A 

B 

C 

Notch Tip 

Direction of Crack Propagation 

3mm from Notch T工P

、

』

F 

Photo 5.1  S日司 fractographs of  specimens in  the direction  of  plate width 

‑ 9 6

^・

Steel 

A 

B 

C 

Notch Tip 

Direction of  Crack Propagation 

3mm from Notch Tip 

』 F 

Photo  5.2  SEM fractographs of  specimens in the direction  of thickness 

こ れ ら の こ と か ら ， 疲 労 き 裂 が ブ エ ラ イ ト 層 や パ ー ラ イ ト 層 を 断 ち 切 る よ う に 伝 播 す る 場 合 に は ， 発 生 し た 微 小 セ バ レ ー シ ョ ン に よ り 疲 労 き 裂 の 伝 播 は 妨 げ ら れ ， 一 時 的 に 疲 労 き 裂 の 伝 播 が 遅 く な る も の と 推 察 さ れ る ロ

ー

9 7

^・