九州大学学術情報リポジトリ
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 mE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
lOS 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 the107
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 6Z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
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e t
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・ 工
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ム
r r r a e e
p A P
且
一 一
ー 園 田 園 ・. .
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= 00f
: 山 … 山tion of Fatig川 似o
nu
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︑ ︑ ︐ ︐ ︐ . 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 ，
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S
Iさ らに，
伝 播 曲 線 の 差 異 と が わ か る 。
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(SImax.=0.66)
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(c) Steel C Fig. 5.9
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(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 ，
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K
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10 50 100 500 Stress Intensity Factor Range
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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 SL 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
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10 50 100 500
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(c) Steel C
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10 50 100 500
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dK ( kgf/mm3/2 )
(b) Steel B
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10 50 100 500
Stress Intensity Factor Range
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(a) Steel A
Relation between dK and da/dn in the direction of thickness
10‑2 Fig. 5.12
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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
