長崎大学工学部研究報告 第30巻 第55号 平成12年7月 161
単調増加面内横荷重下の切欠 き鋼試験片の降伏 ひずみ挙動
真 谷 捷 郎 *,吉 井 雄 福 井 太 介*
StudyOnYieldedStrainBehaviorOfNotchedSpecimen Underln‑planeBending
by
KatsurouShingai,YuuichiYosii,
andDaisukeFukui
Weconductedteststoinvestlgatetheyieldingphenomenaofnotchedspeclmenunderin‑planemonotonicbendingload.
Weusedcarbonsteel(S25Csteelplate).Straingageswereattachedtonotchrootandsidesurfaceinfrontofspecimen andstrainsweremeasuredduringbendingload.Fromstmi nsmeasured,therelationshipbetweenstrainsofboth notches andbendingloadlevelisshownandchangesofstraindistributionsaheadofnotchrootasbendingloadincreasesare shown.Stmi nsofonenotchrootandstrainsofothernotcharedifferentundersamebendingloadlevelandratiosof both strainvaluebecome0.36,1.38,2.12.Therefore,itisfoundthatstraindistributionfrom onenotchroottoother notchrootdonotbecometheinversesymmetriCaldistributionsuchasbendingtheorydescribedintextbook.Thesere‑ sultsisdescribedinthispaper.
1.緒 言
面内曲げ を受 ける矩形断面試験片 の曲げひずみ分布 は,降伏挙動 を示 さない材料では,中立軸 に対 してひ ずみの絶対値が等 しい引張 り圧縮の逆対称 ひずみ分布 になるが,降伏挙動 を示す鋼材 では どうなるかは,あ ま り調べ られてない.特 に切欠 き材 の降伏 ひずみ挙動 はほ とん ど調べ られてない.本報では両側 に半円切欠 きを有する板試験片 について,単調増加面内横荷重下 における両切欠 き底の降伏 ひずみ挙動 と曲げひずみ分 布 をひずみゲージを使用 して実験的 に調べ た.
2.試験片および実験方法
試験片 に使用 した材料 は,炭素鋼S25C鋼板で, こ の化学成分 を表1に,機械 的性 質 を表2に示す.図1 に本材料の応力 ひずみ線図 を示す.図2に両側 に半円 切欠 きを有する試験片 を示す.切欠 き底 お よび平行部 表面 にはひずみゲージを図3の ように貼付 した.すな わ ち切 欠 き底 にはゲージ長 さ0.2皿の ひず み ゲージを,
切欠 き前方 にはゲージ長 さ1mmのひずみゲージを1‑
2mm間隔で数枚貼付 し, また平行部 にはゲージ長 さ1 mのひずみゲージを貼付 している.使用 した面 内曲げ 試験機 を図4に示す.降伏 ひずみ挙動 は単調増加荷重 速度や試験機の拘束度 に依存す るが, ここでは曲げの 横荷重 をね じ式押 し込み棒 によ り手動 でゆっ くりとか けた.
Table1 Chemi calcompositions(%) C Si Mn P S Ni Gr Ca
Table2 Mechanicalproperties Modulusofelasticity 199GPa Yieldstress 273MPa Tensilestrength 457MPa
平成12年4月21日受理
*機械 システム工学科 (DepartmentofMechanicalSystemsEngineering)
162 真谷 捷郎 ･吉 井 雄 一 ･福 井 大介
圭等
0 1 2 8 4 8tralneで叫
Fig.1 Stress‑straincuⅣe
p Aside
a.P =12,D=12,B=40,K=1.24 b.p =8,D=8, B=40,K=1.49
Fig.2 SpeclmenWithnotches
Fig.3 Positionsofstraingages
姐 ,.d 荒 n z芸 芸 :器｢ ｢
Jet)1o(虫 U1 ̲̲戸出 皿 u
Fig.4 In‑planetestapparatus
3.実験結果
図 5a,b,Cに両切欠 き底の ひずみ と平行部 ひずみの 相関 を示す.横軸の平行部 ひずみは横荷重 による面内 曲げモーメン トに比例 した公称 ひずみ に相 当す る.図
5aは半 円切 欠 き半径12mで弾性応力集 中係 数1.24,
bとCは半 円切 欠 き半径8mmで応 力集 中係 数1.49の切 欠 き試験片 に対応す る実験 デー タであ る.図5aで は 切欠 き底 のひずみが単軸材 の降伏 ひずみ (降伏応力 を 縦弾性係数で除 した降伏 ひずみ,0.137%)に達 した後 に,A側 とB側 の ひず み に差 が現 れ て,公 称 ひず み
0.18%で は+0.83%と‑0.6%にな り,引 張 り側 ひず みが圧縮側 ひずみ よ り大 き くなる.図 5bでは,公称
1M3MMo･2J■■(%)2︼〜JqatOUTetLfeJtS(%)3)台JtPtOuTeu頂上S(%)2︼00hq33OtZ7euTeJ)S
I‑ ■■l l
O Bdd●
⊂コ ロ
【Ⅱ】
(Ⅰ)
○
00.α20.040.060.080.10.120,140.160.180.2
Nominal b ending straineb(%)
a.Notchradius 12mm
MMo･4M｡朋
J l l J E) AddJ}dd Nle‑Nl 0 ●‑
∩ LJ
【ⅠI
q)
●●‑ 0 0.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2
Nomi nalbendhgstrainEb(%) b.Notchradius 8m
.4J0qijI0O4444
【コ
萱I ロ0
巨JL
● ロAdde l
O Bdde
一■'■f'.I一'
0 0.020.040.060.080.10.120.140.160.18
Nominalbendingstrain sb(%) C.Notchradius 8mm
Fig.5 Max.Strainatnotchrootvsnominalstrain
単調増加面 内横荷 重下の切 欠 き鋼試験 片 の降伏 ひず み挙動
ひずみ0.18%で+ 1%と‑0.47%にな り,引張 り側 ひ ずみが圧縮側 ひず み よ り大 き くなる. また図5Cで は, 公称 ひず み0.163%で+0.3%と‑0.83%にな り,上記
2例 とは逆 に圧縮側 ひず みが引張 り倒 ひずみ よ り大 き くなる. これ らよ り,圧縮 ひずみ に対す る引張 りひず み の絶 対値 の比 を求 め る と,上 記3例 で は そ れ ぞ れ 1.38,2.12,0.36 になる.
図 6a,b,Cには,公称 ひず み増加 に対 す る上記 3例 のそれぞれの ひず み分布 の変化 を示 してい る. ひずみ 分布 は逆対称分布 になって ない こ とが わか る.本試験 結果 では,面 内 曲げの降伏時 の引張 り側 と圧縮側 のそ れぞれの ひずみ において, どち らが よ り大 き くなるか は簡単 には言 え な く,引張 り倒 が よ り大 き くなる こと も,圧縮側 が よ り大 き くなるこ ともあ る こ とが わか っ た.
降伏現 象 は固着転位 の動 的現 象(1'であ るので, あ る 荷重速度条件 で両切 欠 き底 にそれぞれ引張 りと圧縮 の
1
0.8 0.6 g O･4
tO
.ヨ 0巴･2
y‑) 0
‑0.2
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‑0.6
I.2 1 0.8 0.6
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◇
ロ Pelb2P.I.T..,oKl.24
○ebZ0.147
△ eb=0.162
◇eb=0.179
白 菖 負 ■ヽ一
% 星 冒 8 8
0 2 4 6 8 10 12 14 16 DistancefrothnotchA r(ln ) a.Notchradius 12mm
□ Re8bD;8.?.4806K,lA9‑
Oebt0.153
△ eb≡0.178
ヽ′△ ◇ etH:0.182
○
負 畠 金
崇口
ーU A.
0 5 10 15 20 25 DistancefromnotchA r(a ) b.Notchradius 81m1
0.4 0.2 0
9 3･0･2
●8■ll■ a̲0.4
･■●
∽
‑0.6
‑0.8
‑1
◇
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専 冒□
◇○
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○ Eb=0.138 ∧
A eb=0.151
◇
eb=0.163 くノ◇
eb=0.163 くノ163
0 5 10 15 20 25 DistabcefromnotchA r(tzh) C.Notchradius 8mm
Fig.6 Changeofstraindistrbution
降伏 が時 間的 に同時 に起 こる こ とはな く, どち らかの 切 欠 き底 の高応 力箇所 が時 間的 に先 に降伏す る し,降 伏 は切 欠 き底 で順次 に起 こ り, また降伏挙動 の大小 に よ り両切 欠 き底 の ひず みの絶対値 に差 を生 じる こ とに なる. なお,降伏現 象 の ない アル ミニ ウム合金材 の類 似試験片 の面 内 曲げ試験 で は,両切 欠 き底 の ひず みの 絶対値 はそれぞれ ほほ等 しくなる逆対称 曲げひず み分 布 にな るこ とを実験 的 に調べ てい る.
また平滑単結 晶材 の降伏現 象 は転位論計算 と実験 デ ー タよ り推測 で きるが ,本切 欠 き鋼材 の ような降伏挙 動 を計 算 に よ り求め る こ とはか な り難 しい問題 です の で, まず は実験 的 に解明すべ きで しょう. さらに本 間 題 の解 明 を進 めてい く予定 です .
本結果 よ り,例 えば ひずみが規定 され る ような鋼部 材 で は,逆対称 曲げ ひず み分布 として計 算 で算定 され たひず み値 は実験値 よ り小 さい ひず み値 になる こ とが あ り,危険側 の推定 となる こ とに注意 しなければ な ら ない.
4.まとめ
面 内 曲げ を受 ける両側 半 円切 欠 きを有す る矩形 断面 試験 片 の切 欠 き底 の ひず み値 は,鋼材 の降状現象 に よ り引張 り側 と圧縮側 で異 な り, 3試験 片 の圧縮 ひずみ に対す る引張 りひず みの絶対値 の比 を求 め る と, それ ぞれ1.38,2.12,0.36にな り, か な りの差 が見 られ る.
参考文献
(1)w G.Johnston,∫.∫.Gilman,DislocationVelocities,Dis‑ locationDensities,andPlasticFlowinLithium Fluoride CrystalS,J.AppliedPhysics,Vol.30,No.2,p.129‑144, 1959
