NDC 566．6
高炭素鋼の溶接継手に関する基礎的研究（第2報）
一溶接熱影響部の再現熱処理による疲れ特性について一
佐藤織顯＊謡本清一＊
（昭和51年9月6日受理）
Fundamental Researches on the Welded J oint of High Carbon Steel （Report 2）
On the Fatigue Properties in Synthetic Heat Treatment of Welded Heat−affected Zone
Teruaki SATo and Kiyokazu ToMoMoTo
（Recevied September 6， 1976）
We also used the same base materials and the same synthetic heat． treated materials as we had used in Report I ． We investigated the fatigug properties of those by means of the cantilever type rotating bending fatigue testing machine we made．
According to these results， we state the correlations the fatigue properties have with the temperature of the synthetic heat treatment， the microstructure and the grain size．
1，緒 言
Table 1 Chemical Composition of Specmien （％）
第1報1）に述べたごとく，鉄道は交通全体の立場から見 直され，世界的にも国有，私鉄両方面にわたって新たな発 展をなしつつあるが，最も重要な問題の一つになっている のは線路であり，なかでもレールをロングレールにするた めのレール溶接の問題である。先に基礎的研究の第1報と してレール材の溶接熱影響部の再現熱処理による衝撃特性 について調べ報告したが，第2報には第1報と同様な供試 材を用いて溶接熱影響部の再現熱処理による疲れ特性につ いて調べた。筆者ら製作の片持式回転曲げ疲れ試験機を使 用してS−N曲線を求めて，これと静的機械的性質，顕微 鏡組織，結晶粒度などの関係について述べる。
c
O．61 si
O．28
Mn
O．67
P
O．020 s
O．020
Cu
O．05
Ni
O．04
Cr
O．13
2．供試材および実験方法 2．1供試 材
供試材は第1報に使用したのと同じ鋼材を鍛錬比約25以 上の丸棒（40mmφ）に鍛伸した素材を用いた。
その化学組成はTable 1に示す。第1報と同様に参考の ためにTable 2に∫RSの鉄道車輌用炭素鋼一体圧延車輪 およびJRSの普通レールの規格を記す。
＊金属工学科
2．2 供試材の熱処理方法
供試材は40mmφ×230mmに切断後，25mmφに粗仕 上げを行なったものは引張り試験片に，40mmφ×320mm に切断したものは疲れ試験片（掴み部長さ80mm，平行部 25mmφ， R部40mmR）に粗加工仕上げし，片持式回転曲 げ疲れ試験片として，第1報と同様に溶接再現熱処理を行 なったもの8種類に受取り．材（R）焼ならし材（A）ベース材
（QT）の3種類を加えた11種類でTable 3に示す。
2．3 引張り試験方法
引張り試験片の形状は各種再現熱処理後25mmφ素材を JIS，4号試験片（平行部14mmφ×G．L．50皿m）に機械 仕上げを行ない，試験片の平行部はエメリーペーパーを用 いて表面をていねいに仕上げた。
引張り試験機は島津式30tonリレー式万能試験機を使用 した。また0．2％の耐力を求めるため電気式伸び記録計を 使用して応カーひずみ曲線を求めた。
2．4顕微鏡組織
引張り試験後の残材（掴み部）をマイクロカッターで切
一49一
津山高専紀要第14号（1976）
Table 2 List of Standards for Wheel and Rails
Use
JRS Railway Cars
Class
STY80W−1 Non−heat Treatment
STY80W−28 Heat Treatment
STY80W−2R Heat Treatment JRS Rails 50kgN
60kg
Chemical Composition （％）
c
O．60・一vO．75
O．60−vO．75 si
O．15twO．35
O．10一 O．30
Mn
O．50NO．90
O．70・v1．10
P
SO．045
：！i｛O．035
s
＄O．045
＄O ． 040
Cu
SO．30
Tensile Test
Te^1謡gthi E o翻 onほ譜ct o腸
80−vlOO
80）
212 一k8
8）
216N）12
Hardness Test Heat Treatment
Controlled Cooling
Rim Quenching and Tempering
Mark
s
R
Hardness
Shore 37N45 Shore 46−v52
Position
Tread
Table 3 Summary of Heat Treatment Conditions T．Pmark
R A QT QT＋6 QT＋7 QT＋8 QT＋9 QT＋10 QT＋11 QT＋12 QT＋13
Heat Treatment Condition
As Received．
Normalizing 8200Cx30min．Air． Cool tW・n・h T・mpe・l18：8菱18器i且コ聡包；：蹄ch QT＋ 6000Cx30min一 Air． Cool （A．C）
QT＋ 7000cx30min．A．c．
QT＋ sooocx30min−A．c．
QT＋900。Cx30皿in→A．C．
QT＋1000eCx30min．A．C．
QT＋1100eCx30min．A．C．
QT＋12000Cx30min−e・A．C．
QT＋1300。C×30min→A．C．
取り，検鏡用試験片として口止リー紙およびパフ研磨した のち3％硝酸アルコール溶液で腐食して光学金属顕微鏡に より組織を観察した。
2．5試作した片持式回転曲げ疲れ試験機
回転曲げ疲れ試験機として最もよく利用されているもの として小野式回転曲げ疲れ試験機がある。この方法は試験 片平行部に均一に応力が集中する曲げ形のものである。し かしながらこの種の機械は設計，加工にあたってはきわめ て高い精度が要求され，本校の機械では製作が困難であ
る。
以上の理由により疲れ試験機として構造が最も簡単であ るので現在でも広く用いられているWOhler形（片持式回
転曲げ疲れ試験機）を製作した。
この疲れ試験機の外観状況はPhoto．1に，その構造 の詳細はFig．1に示す通りで⑤のシャフトのテーパー 部に⑥のチャックを用いて⑦の試験片を固定し，⑮の 荷重台に荷重を加えることにより⑬のベアリングに荷 重を作用させるものであり，この場合図に示すとおり
⑪のレバーを⑭の支柱で固定して，この関係を利用し て荷重が比較的少なくてすむようにした。
次に①のモーターを作動させることにより，②のモ ータープーリーと③のシャフトプーリにベルトで回転
饗 砺∴譲雫鰻
，聯ゲ舗幽
，奔七抽鱗， 勲三島
．罐
㌦矯
Photo 1 Cantilever Type Rotary Fatigue Testing饗
Machine
一50一
高炭素鋼の溶接継手に関する基礎的研究
R （As Received）
A（s200cx30min−A．c．）
灘・
疑
Q・（s200Cx30min−s−W．Q．s300c×30min．w．c．）
第2報 佐藤・友本
QT＋6（QT＋6000cx30min．A．c．）
QT＋7（QT＋7000c x 30min．A．c．）
QT．8（QT＋8000Cx30min．A．C．）
覇． 思
懸離
×100 301？ Nital Etch
Photo 2 MicrostJucture Change due to Heat Treatment
一 51 一一一
i 111il 首 ：専二紀 要 鐸｝14 U・ （1976）
QT＋9（QT＋900eCx30min．A．C．） QT＋12（QT＋12000Cx30min．A．C，）
．澹．
鍵
叢
QT＋lo（QT＋loooocx30min．A．c．）
灘
撫螺
灘蟹懇
慧嘗胆澱
灘
緩
擁：．
QT＋13（QT＋1300。C×30min→A．C．）
QT＋11（QT＋1100eCx30min．A．C．）
1一， 100 30t． Nital Etch
Photo 3 Microstructure Change due to Heat Treatment
一一 52 一
高炭素鋼の溶接継手に関する基礎的研究第2報 佐藤・友本
を伝達させる。この回転数は⑧のウォムギヤーにより％o の減速となって⑨のカウンターに示される。試験片が破壊 する、とレバーが落ちることにより⑯のミリットスィッチが 切れモーターの回転が停止するような構造に製作したもの である。
o00 ⑭ 3 7 6 5 3 8
き ] ■ ■
@「 1
1 Gド
一u−Ai i「…11：昭 …、i i「
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P の｝ヒ … 層1 ，
@，@ 6
・ ●
4②
①
塵lo I
1「一 w一ヤ
ずみ量を測定した。
2．8 疲れ試験方法
各種再現熱処理を施した試験片に高応力から順次低応力 に荷重を掛けてゆき破壊までの繰返し数と応力との関係を 片対数方眼紙にプロットしてS−N曲線を描き，疲れ限度 MDrtor
＠ Morter DJIIey ＠ Shaft PUIey ＠ V−Betf．
＠ Shaft ＠ Chuck ＠ Test P［ece ＠ Worm Wheet ＠ Counter ＠ Kniie Edge （ii） Lever ＠ Shuft BeaFing ＠ Load Bearing ＠ FuLcrum e Lcading stock ⑥Llml亡S蝋。h Fig．1 Details of Cantilever Type Rotary Fatigue Testing Machine
2。6疲れ試験片の形状
疲れ試験片の形状はFig．2に示すとおりで平行部からR 部．に移る附近に最大の曲げモーメントが作用するため特に その部分の表面仕上げにはエメリー紙を用いて入念に研磨 仕上げを行なった。
に亡
L Fig．2 Details bf Cantilever Type Rotary Fatigue Test Piece
2・7疲れ試験機の検定 試作した片持式回転曲げ 疲れ試験機の性能を調べる ため2．6で示した試験片に ついて，荷重点から38．5 mm，98．5m皿，118．5mm，
147・5mm，188mmの5箇所 の位置にストレインゲージ をていねいに接着剤で接着 して，各位置におけるひず み量を共和電業製のSM−60 AT静ひずみ測定器とSS−
R型24点測定スイッチボッ クスを併用して各位置のひ
を求めた。この場合，疲れ限度の決定は繰返 し数107を採用した。
3．実験結果ならびに考察
3．1 弓1張り試験
各種再現熱処理を施した25mmφ×230mm 素材から．JIS4号試験片で試験を行なった結 果はTable 4に示すようにベース材（QT）の 焼入れ焼もどしのものは引張り強さ114．8kg
／mm2，再現熱処理温度600。C〜700。CのQT
＋6，QT＋7は焼もどし温度の上昇にともな い98．5〜75．Okg／mm2と引張り強さは低下し ている。
また，再現熱処理温度の高い8000C〜1200。CのQT＋8〜
QT＋12のものは初野フェライトの析出したパーライト組 織である。再現熱処理温度が高くなるに従って，引張り強 さは76．5〜86。8kg／mm2と順次高くなっていて，なかでも 1000。C〜1200。Cのものは引張り強さ85．7〜86．8kg／mm2 と同程度の引張り強さを示している。
再現熱処理温度が最高の13000CのQT＋13のものでは引 張り強さ69．7kg／皿m2と低い値を示しているのが認められ た。この引張り強さの要因は最高加熱温度1300。Cにして 一度完全にオーステナイトとなりそしてそれが粗粒化した のち冷却過程に入るので結晶粒が他の温度のものより極端 に大きいので，かたさはHRC25．3と最高であるが引張り 強さは最低であり，伸び3．6％，絞り2．8％と極端に小さ
Table 4 Mechanical Properties
x−?@Mechanical Properties Heat
Treatment
R A QT
QT＋6 QT＋7 QT＋8 QT＋9 QT＋10 QT＋11 QT＋12 QT＋13
Proof Strength
（O．2％ff）
（kg／mm2）
42．1 37．0 84：7 71．2 54．2 50．5 46．9 44．9 44．4 44．0 46．9
Tensile Strength
（kg／mm2）
84．2 72．6 114．8 98．5 75．0 76．5 82．8 86．8 85．7 86．0 69．7
Elongation （％）
9．7 24．0
13．6
22．0 24．2 24．0 23．0 19．0 16．1 14．0 3．6
Reducton of Area （％）
8．0 46．9 31．8 52．3 59．0 48．2 42．8 21．3 20．3 19．0 2．8
Hardness
HRC
23．1 16．3 36．0 30．2 18．3 19．8 23．5 25．4 24．8 25．0 25．3
一53一
津山高専紀．要
く，もろくなったものと思われる。
3．2顕微鏡組織
引張り試験後の残材，擬み部から試験片を切取り各種再 現熱処理時の組織を光学金属顕微鏡により観察した。その 結果はPhoto．2と3に示した。
ベース材（QT）はソルバイト組織にして，再現熱処理温 度600。C〜700。Cにてベース材より焼もどし温度が少し高 いQT＋6〜QT＋7の組織もソルバイト組織を呈している。
再現熱処理温度が800。Cより高いものは，いずれの温度 でも初析フェライトの析出したパーライト組織を呈してお り温度の上昇にともないフェライトのネットの大きさは順 次粗大化しているのが観察される。
3・3疲れ試験機の検定
試作した片持式回転曲げ疲れ試験機の性能を調べるため
0 6
0 5
0 4
0 3
0 2
︵NEξ2︶・︒のΦおの
O
辱
し＝1e8（㎜）
O ］ 10 20 30 40 50
Load 〈kg ）
Fig．3 Relation between Load and Stress
Table 5
第14号（1976）
2．5に示した試験機に試験片をセットして各位置における ひずみの測定を行なった。その結果ひずみ量は弾性限三内 では荷重の増加に直線的であることが証明された。このひ ずみ測定値からフックの方式により応力を計算した。応力 と荷重との関係はFig．3に示すような結果が得られた。
また本試験機による疲れ試験結果には試験片の回転によ る振動も少なく偏心もなく，この種の試験には十分使用し うることが確認された。
3．4 疲れ試験結果
試作した試験機により疲れ試験を行なった結果はTable 5に，これを基にして得られたS−N曲線はFig．4に示す とおりである。この結果からベース材（QT）の疲れ限度は 45．9kg／mm2，再現熱処理温度600。C〜700。CのQT＋6〜
QT＋7では39．7〜29．9kg／mm2と焼もどし温度が高くな るに従い疲れ限度は低下しているのが観察される。また再 現熱処理温度800。C〜1300。CのQT十8〜QT＋13のもの ではFig．5に示すようにQT＋9， QT＋10， QT＋11， QT
＋8，QT＋12， QT13の順に2）3）疲れ限度は29．9k9／mm2〜
21．2kg／mm2と低下して行くのが認められる。受取のまま
（R）は26．Okg／mm2，焼ならしのもの（A）は26．8kg／皿皿2 であった。また引張り強さと疲れ限度の割合を比較したも のがTable 6に示すとおりで， QT， QT＋6， QT＋7は約 40％前後，QT＋一8〜QT＋13では36．3〜25．9％とσwo／σB の関係は再現熱処理温度の上昇にともない順次低下してい
く傾向が観一丁．された一q ． 一一．一
Resu！ts of Fatigue Test
TP Mark
R
A
QT
QT＋6
Stress
（kg／mm2）
38．3 35．3 33．2 32．3 29．2 26．06554 7632997633332222ーハ01FD 23669486Qソ8∩69
50．6 48．0 45．0 44．0 39．7
Number
of Cycles 3．35×104 1．23×105 1幽70＞く1G5 4．58×105 1．95×106 1．01×107 4．40×104 4．40×104 5．90×105 5．11×105 3．00＞く106 1．38×106 3．13×106 1．05×107 6．34×104 2．60×105 1．20×106 1．21×107
1．68×105 3．85×105 5．77×105 2．10 ×106 1．10×107
TP Mark
QT＋7
QT＋8
QT＋9
QT＋10
Stress
（kg／mm2）
44．9 40．8 36．3 35．3
・29．9
34．7 33．0 33．0 33．0 31．0 29．9 28．3 27．8
FO371097バリ﹂4429りOqOQり︻0009飼
38．1 36．3 34．8 33．0 29．9 28．9
Number
of Cycies
1．18＞〈．P05 2．48×105 1．15×106 2．00＞く106 1．09×107
8．40×104 8．27×104 1．50×105 2．34×105 5．21×105 1．55×106 6．39×106 1．10×107 7．50×104 1．50×105 5．30×105 3．71×105 2．99×1．06 1．01×107 1．18×105 8．20＞く104 2．30×105 7．02×105 4．01×106 1．01×107
TP Mark
QT＋11
Stress
（kg／mm2）
36．0 34．0 32．8 31．0 29．6 28．4
QT＋121
34．5 32．3 30．0 28．1 24．1 22．3
Number
of Cycles 1・02＞く105 3．82×105 5．70×105 1．50×106 5．04×106 1．10×107
QT＋13
6．68×104 1．85×105 7．08＞＜105 8。20＞く105 4．65×106 1．14×107
31．8 31．0 28．9 26．6 22．7 21．2
9．．50×le4 2．05×105 5．14×105 1．18×106 4．99XIO6 1．00×107
一54一
高炭素鋼の溶接継手に関する基礎的研究第2報 佐藤・友本
ムo
o ●
30 ● ●
AR
60
50 o o
o o T
40 σr硲
30 QFフ
40
△
o
o o
30 ▲
鴨
洞1 Q予8
尊12 20 醗爲
5 2 5 ℃ 2 5 1
摯50棄
）40 竃30り
20
一一一e一一一一一一一一一
IO QT Qr「喝Q予7 QT＋9（派10 QT霜QF A R Q1司2 Q祠3 Heat丁reatment Condition5
Fig．5 Heat Treatment Conditions and Fatigue Limit
Tab！e 6 Relation between aB and awo
40
︵閥暮︑9︶鴇o﹂訪
Condition
R A QT QT＋6 QT＋7 QT＋8 QT＋9
QT−t−10
QT＋11 QT＋12 QT＋13
aB（kg／mm2）
84．2 72．6 114．8 98．5 75．0 76．5 82．8 86．8 85．7 86．0 69．7
aWo（kg／mm2）
26．0 26．8 45．9 39．7 29．9 27．8 29．9 28．9 28．3 22．3 21．2
ifwo／aB
（％）
30．9 36．9 40．0 40．3 39．9 36．3 36．1 33．3 33．0 25．9
（30．4）
Number ol cyc！es
Fig．4 S−N Curves of Heat Treatment Metals
4。結 言
高炭素鋼に溶接を施した熱影響部の組織変化が疲れ強さ におよぼす影響を調べる目的で各種の溶接再現熱処理条件 で熱処理を施し，疲れ試験を行なった結果を要約すると次 のとおりである。
1）本研究実験に使用した片持式回転曲げ疲れ試験機の 構造は簡単なもので本校の機械加工仕上げで製作したもの である。その性能は試験機の検定精度も良好であり，かつ 試験機の振動，試験片の偏心もなく十分満足する結果が得
られた。
2）各種再現熱処理後の組織のなかでQT＋6，QT＋7 はそれぞれソルバイト組織にてベース材（QT）と同様で ある。つぎにQT＋8〜QT＋13のものは初析フェライト の析出したパニライト組織を呈しているが再現熱処理温度 900。C〜1300。Cと温度の高いものはフェライトネットの大
きさが順次粗大化しているのが観察される。
3）疲れ限度はベース材（QT）が45．9kg／mm2， QT＋6，
QT＋7は39．7〜29．9k9／mm2にて再現熱処理温度600。C〜
sB； Tensile ＄trength awa ； Fatigue limit
700。Cののものは焼もどし温度が上昇されるため疲れ強さ は低下している。QT＋8〜QT＋13と再現熱処理温度が更に 高いものは疲れ強さ29・9kg／mm2〜21・2kg／m｛ロ2の範囲内に
ある。そのながで再現熱処理温度1000。C〜12000Cの場合 は引張り強さが同程度のものでも疲れ強さは28．9kg／mm2
〜22．3kg／mm2と順次低下していくのが観察される。これ らのことは高温に加熱され結晶粒の粗大化が疲れ限度を低 下さす要因と考えられる。
謝 辞
本研究に関し御教示を賜わった大阪大学名誉教授岡田実 先生に衷心より感謝する。なおこの研究に際し使用材料の 御援助を頂いた住友金属工業株式会社に厚く謝意を表する 次第である。
参 考 文 献
1）佐藤，友本；津山工業高等専門学校紀要No．14（1976）
2）たとえば金属の疲労破壊，西堀訳 丸善 3）浅田；金属学会会報 第6巻 第3号 （1967）
一55一
