高硬さ鋼の動的強度と測定法に関する研究

(1)

高硬さ鋼の動的強度と測定法に関する研究

著者侯培紅

雑誌名博士学位論文要旨論文内容の要旨および論文審査

結果の要旨／金沢大学大学院自然科学研究科

巻平成10年6月

ページ 19‑24

発行年 1998‑06‑01

URL http://hdl.handle.net/2297/16111

(2)

候培紅氏名

生年月日本籍学位の種類学位記番号学位授与の日付学位授与の要件

中国

博士（工学）

博甲第222号平成9年９月30曰

課程博士（学位規則第4条第１項）

高硬さ鋼の動的強度と測定法に関する研究学位授与の題目

(主査）茶谷明義

(副査）廣瀬幸雄，北川和夫，放生明廣，門前亮一論文審査委員

学位論文要旨

Ametbodf0rthedeleminaIioｎｏ（dYnamicstress-sirain『elationofmate｢ialsbymeans ofinslrumentedCharpyimpacttestin9techniquewasproposedanditsvaliditjwasshoⅧby somemeasuredexamples、ThedyHamicstren9tbsofsteels（S55C,SCM3,SUJ2,SK3）b3rdenedf『ＯｍＨＶ３４０ｔｏＨＶ８９０ｂＹｈｅａｌｔ｢eatmentwereobtainedfr0mst『ess-stIainrel3tions8tthest『aｉｎ

｢3ｔｅｏｌｔｈｅｏ｢de「０［１００１/ｓｍｅａｓｕｒｅｄｂｙＩｈｅｐ｢esentmetbodAM「eslllいｔＭ１ｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｙｉｅｌｄｓｔren9thofba『dsteelsincreases『ou8blylinearIYwlthlncre3sin8b3rdnessand tbatunderdYmicloadin9was20-30％hi9be『thanthatunde「staticoneTbosestren8tbs werｅａｌｓｏｆｏｕｎｄｔｏｂｅｃｏｍｅｍａｘｉｍｕｍｉｎＩbevicinityofHV700A[tertheotheInleasurements unde「ｖａ『iollsst｢ainrateswe｢eadded,aprevioI1slyp『oposedconstitlltivee:u8tionwaMpp-

IiedtM110［expe｢imelllaldataobtainedResultM8reedwellwiththeexperimentalvalues andthelrapplicabilitYtobardsteelswasshownTbeexpe｢imentalconstantsiHcludedinthe equationwe｢ecloselyconcemedwilhtheha『dness，Therefore，tbecalcl11atedcu｢ｖｅｓｏｌｔｈｅｓｔ『ess-sIralnralerelaliｏｎａＭ８ｉｖｅＨｓｔ『ainllsin9constanIsexpressedbYtbeba｢dness we｢ecompMedwithlheexperimentalonesandshowed90od38｢eement．

－１９－

(3)

本研究は，工業的にも広く用いられている計装化シャルピー衝撃試験機(２９

４Ｊ）を利用したはり状試験片の３

点曲げ試験から動的応力一ひずみ HammeMd8e 関係を測定する方法を提案し，こ

れを高硬さ鋼の衝撃強度測定に応用したものである．

すなわち本論文は８章から成り，

第１鴬「緒論」では，高硬さ鋼が軸や歯車など価喋性荷重を受ける

主要機能部材として多用されるにもかかわらず衝撃強度に関する資

ＧＬ２ＩＳｔｍｉｕ８ａ８ｅｓ料は少なく，その測定法も十分確

立されていないことを指摘して従FiglCharpyimpactbendin8

来の研究と本研究の目的を述べている．

第２章「計装化シャルピー衝撃試験法」では，図１のようにハンマ刃先によるはり状試験片の衝撃３点曲げで作用衝繋荷重Ｐ(r)を荷重点から離れた位置のひずみゲージで測定するために，測定波形e(')と伝達関数の畳み込み積分を利寵した方法を述べ，丸棒の縦衝撃を利用した較正実験法を明らかにしている．

同法によればハンマ内での応力波伝ぱを無視した静的較正荷重に比較して良好

な作用衝撃荷重が得られる．

第３章「長い棒を用いた衝撃３点曲げ試験法」では，はりの衝撃３点曲げにおける荷巫が単純な棒の縦衝撃理論に基づいて容易に得られることに注目し，

長い打撃棒と長い支持棒からなる試験法について述べ，作用価撃荷重の測定法を明らかにしている．この方法では試験片)のスパンを自由に変えることができ

る．

第４章「曲げ試験による応力一ひずみ関係の測定法」では，曲げモーメントとひずみの関係式に基づくはりの塑性曲げ理論によって応力一ひずみ関係を知る方法（Ｈｅｒｂｅｒｔの式)を示している．

－２０－

(4)

そして試験片のスパンを小として静的な力の釣り合いを仮定し，

前章の方法による作用衝撃荷重

から曲げモーメントを求め，こ _田れに対応するひずみをｨｉＩｊ重点直＝

_ｂ

下裏に貼付したひずみゲージで閉

_巴

直接ｉＩＩ定すれば，Ｈｅｒｂｅｒｔの式の

によって動的応カーひずみ関係が得られることを示した．さらに，静的および価撃荷重下で試

80【

４０【

に，静的および価撃荷重下で試０２４

StrainE％

験片のスパンや材質などの条件

を種々変えて実験を行った結果， Fig2Stress-strainreIationｓ

試験片の断面寸法が8m×８mm，

スパンが４０mmであれば静的荷重下は勿論，衝撃荷重下でも負荷のごく初期を除けば曲げによる結果は図ｚのように一軸圧縮によるものにほぼ一致すること

，支持点の摩擦による測定値への影響は小さいこと，動的応力一ひ,ずみ関係には多少の波打ちが見られることなどを明らかにしている．

第５章「ホプキンソン圧力棒法による応カーひずみ関係の測定法」では，曲げの結果との比較に必要な標準的動的応力一ひずみ関係の測定法について述べ高硬さ材の場合の問題点を指摘している．

第６章「高硬さ鋼の動的強度」では，各種鋼（S55C,SCM3,SUJ2,SX3）を熱処理して得られたビッカース硬さＨＶ３５０～HV980の高硬さ鋼について第２，４章の測定法によるひずみ速度が1001／s程度のIMj的降伏強度を明らかにしてい

る．その主な結果をまとめれば次のようである，

ｌ）高硬さによる高変形抵抗のために衝撃中のハンマの速度が減少するので，

試験片のひずみ速度も概して硬さが高くなれば減少する．

－２１－

(5)

己）図Ｂのようにひずみ速度が 1001／s程度における動的降伏強度は静的降伏強度より２０～３０

％大きく，鋼種による相違はやや見られるものの，HV700程度まで両強度はともに硬さの増加に

したがって増加する．しかし，

この硬さ以上になると強度は増加せずにかえって低下する場合もあり，ばらつきはあるが，特定の硬さで最大強度に達する．

３）材料の最大llljげ荷亜と硬さの関係については，鋼種によってばらつきはあるが．降伏強度

３

□ＡＣ二節ロの」］の

２

１

Ｓ５５ＣＳＣＭ３ＳＫ３

●■◆

○□ ◇

ＳＵＪ２

▼Dynamic

▽Static

０ 400 600

800１０００

VickershardnessHV

Fi93Relationsbetweenyield slren9thandhardness

と硬さの関係と類似の傾向を示し，最大曲げ荷聴がiiii大を示す硬さはHV600～

HV700と考えられ，動的な方がやや高硬さ側にある．

第７章「高硬さ鋼の動的榊成式」では，さらに種々のひずみ速度下で実験を重ね，強度に関して基本的な動的構成式を決定している．すなわち，Ｉ伝位の連動に基づいて低ひずみ速度域と高ひずみ速度域でその支配的機構が異なることを考慮に入れ，比較的少ない実験回数で定数が決定できる樹成式

Ｋ１

Ｅｐ＝

exp{ⅢK2(｡_｡*)}+exp (万冬壱三）

を適用した．ここでS,：ひずみ速度，ｏ－０＊：過応力,Ｋ,～Ｋ』：定数である．

－２２－

(6)

上式を適用した結果は次のようである．

４）図４の例のように，高硬さ鋼の場合にも一定ひずみに要する変形応力Ｏは炭素鋼焼鈍材･の

３．２

場合と同様にひずみ速度己に依母存し，鋼種と硬さによって大き●

さは異なるが，低ひずみ速度側ｂ２．８

_ＣＤ

ではひずみ速度の増ｶﾛによる応塗力の増加傾向は緩やかであり，缶２．４

高ひずみ速度側では応力の増加 (頃向が顕著になる．

２

５）定数（ＫＦＫ４）をひずみに概ね無関係に決定でき，本榊成

式は図４中の実線で示されるよＦうに高硬さ鋼にも十分適用し得

ｅｐ％

10-4 １０－２１００ 102

P1aStiCStrainrateEpl/Ｓ

式は図４中の実線で示されるよ FiMRelationsbetweenstressand

うに高硬さ鋼にも十分適用し得straimateunderconstantstrain

ろ．

６）またＷｌｉ１山Ｕ|｣の定数は，ばらつきはあるものの硬さに影響されることを>jくし，その対応関係を詳細に明らかにした．そして実用的観点から定数を硬さの

－次あるいは=:次関数形で近似した榊成式による値は図中の破線で'〕<されるように測定値の傾向とよく一致している．

第８章「結論」は上記の結果を要約したものである．

以上，簡便な曲げ試験法に着目して計装化シヤルピー衝撃試験機を利用した動的応力一ひずみ関係の測定法を提案し，この方法に基づいて種々のひずみ速度下における高硬さ鋼の動的強度を明らかにした．

－２３－

(7)

学位論文審査結果の要旨

各審査委員による個別の質疑検討を経て，平成9年８月８日の論文発表会直後に審査会を開催し，次のように審査判定した。

本論文は，まず高硬さ鋼の衝撃強度に関する資料が少ないことを指摘して基本的な衝撃試験法について述べ，ついで計装化シャルピー衝撃試験機を用いたはり状試験片の3点曲げから動的応カーひずみ関係を測定する方法を提案し，これを高硬さ鋼に応用したものである。すなわち，作用衝撃荷重から求めた曲げモーメントとひずみゲージで直接測定したひずみの関係に基づくはりの単純塑性曲げ理論によれば，負荷のごく初期を除きほぼ妥当な動的応力一ひずみ関係が得られることを示している。

この方法によって各種高硬さ鋼（S550SCM3，SUJ2，SK3）のひずみ速度が約１００１/Ｓにおける動的降伏強度を測定し，動的降伏強度は静的な場合より２０～30％大きく，HV700程度まで硬さの増加に従って増加することを明らかにしている。さらに種々のひずみ速度で実験を重ね，動的構成式を決定し，式中の定数と硬さの対応を詳細に明らかにしている。

以上要するに，本論文は簡便な曲げ試験に着目して種々のひずみ速度における高硬さ鋼の動的強度とその測定法を明らかにし，工学上重要な新知見を得たもので，博士（工学）論文としての価値を有する。

－２４－

二才罫町…

高硬さ鋼の動的強度と測定法に関する研究

高硬さ鋼の動的強度と測定法に関する研究

著者 侯 培紅

雑誌名 博士学位論文要旨 論文内容の要旨および論文審査

結果の要旨／金沢大学大学院自然科学研究科

巻 平成10年6月

ページ 19‑24

発行年 1998‑06‑01

URL http://hdl.handle.net/2297/16111

候培紅 氏名

生年月日 本籍 学位の種類 学位記番号 学位授与の日付 学位授与の要件

中国

博士（工学）

博甲第222号 平成9年９月30曰

課程博士（学位規則第4条第１項）

高硬さ鋼の動的強度と測定法に関する研究 学位授与の題目

(主査）茶谷明義

(副査）廣瀬幸雄，北川和夫，放生明廣，門前亮一 論文審査委員

学位論文要旨

本研究は，工業的にも広く用いられている計装化シャルピー衝撃試験機(２９

４Ｊ）を利用したはり状試験片の３

点曲げ試験から動的応力一ひずみ HammeMd8e 関係を測定する方法を提案し，こ

れを高硬さ鋼の衝撃強度測定に応 用したものである．

すなわち本論文は８章から成り，

第１鴬「緒論」では，高硬さ鋼が 軸や歯車など価喋性荷重を受ける

主要機能部材として多用されるに もかかわらず衝撃強度に関する資

ＧＬ２ＩＳｔｍｉｕ８ａ８ｅｓ 料は少なく，その測定法も十分確

立されていないことを指摘して従FiglCharpyimpactbendin8

来の研究と本研究の目的を述べている．

同法によればハンマ内での応力波伝ぱを無視した静的較正荷重に比較して良好

な作用衝撃荷重が得られる．

第３章「長い棒を用いた衝撃３点曲げ試験法」では，はりの衝撃３点曲げに おける荷巫が単純な棒の縦衝撃理論に基づいて容易に得られることに注目し，

長い打撃棒と長い支持棒からなる試験法について述べ，作用価撃荷重の測定法 を明らかにしている．この方法では試験片)のスパンを自由に変えることができ

る．

第４章「曲げ試験による応力一ひずみ関係の測定法」では，曲げモーメント とひずみの関係式に基づくはりの塑性曲げ理論によって応力一ひずみ関係を知 る方法（Ｈｅｒｂｅｒｔの式)を示している．

そして試験片のスパンを小とし て静的な力の釣り合いを仮定し，

前章の方法による作用衝撃荷重

から曲げモーメントを求め，こ 田 れに対応するひずみをｨｉＩｊ重点直 ＝

下裏に貼付したひずみゲージで閉

直接ｉＩＩ定すれば，Ｈｅｒｂｅｒｔの式 の

によって動的応カーひずみ関係 が得られることを示した．さら に，静的および価撃荷重下で試

80【

４０【

に，静的および価撃荷重下で試０２４

StrainE％

験片のスパンや材質などの条件

を種々変えて実験を行った結果， Fig2Stress-strainreIationｓ

試験片の断面寸法が8m×８mm，

スパンが４０mmであれば静的荷重下は勿論，衝撃荷重下でも負荷のごく初期を 除けば曲げによる結果は図ｚのように一軸圧縮によるものにほぼ一致すること

，支持点の摩擦による測定値への影響は小さいこと，動的応力一ひ,ずみ関係に は多少の波打ちが見られることなどを明らかにしている．

第５章「ホプキンソン圧力棒法による応カーひずみ関係の測定法」では，曲 げの結果との比較に必要な標準的動的応力一ひずみ関係の測定法について述べ 高硬さ材の場合の問題点を指摘している．

る．その主な結果をまとめれば次のようである，

ｌ）高硬さによる高変形抵抗のために衝撃中のハンマの速度が減少するので，

試験片のひずみ速度も概して硬さが高くなれば減少する．

己）図Ｂのようにひずみ速度が 1001／s程度における動的降伏 強度は静的降伏強度より２０～３０

％大きく，鋼種による相違はや や見られるものの，HV700程度ま で両強度はともに硬さの増加に

したがって増加する．しかし，

この硬さ以上になると強度は増 加せずにかえって低下する場合 もあり，ばらつきはあるが，特 定の硬さで最大強度に達する．

３）材料の最大llljげ荷亜と硬さ の関係については，鋼種によっ てばらつきはあるが．降伏強度

□ＡＣ二節ロの」］の

▼Dynamic

800１０００

Fi93Relationsbetweenyield slren9thandhardness

と硬さの関係と類似の傾向を示し，最大曲げ荷聴がiiii大を示す硬さはHV600～

HV700と考えられ，動的な方がやや高硬さ側にある．

Ｋ１

exp{ⅢK2(｡_｡*)}+exp (万冬壱三）

を適用した．ここでS,：ひずみ速度，ｏ－０＊：過応力,Ｋ,～Ｋ』：定数である．

上式を適用した結果は次のようである．

４）図４の例のように，高硬さ 鋼の場合にも一定ひずみに要す る変形応力Ｏは炭素鋼焼鈍材･の

３．２

場合と同様にひずみ速度己に依母 存し，鋼種と硬さによって大き●

さは異なるが，低ひずみ速度側ｂ２．８

ではひずみ速度の増ｶﾛによる応塗 力の増加傾向は緩やかであり， 缶２．４

高ひずみ速度側では応力の増加 (頃向が顕著になる．

５）定数（ＫＦＫ４）をひずみに 概ね無関係に決定でき，本榊成

式は図４中の実線で示されるよ Ｆ うに高硬さ鋼にも十分適用し得

ｅｐ％

10-4 １０－２ １００ 102

P1aStiCStrainrateEpl/Ｓ

著者侯培紅

雑誌名博士学位論文要旨論文内容の要旨および論文審査

巻平成10年6月

候培紅氏名

生年月日本籍学位の種類学位記番号学位授与の日付学位授与の要件

博甲第222号平成9年９月30曰

高硬さ鋼の動的強度と測定法に関する研究学位授与の題目

(副査）廣瀬幸雄，北川和夫，放生明廣，門前亮一論文審査委員

れを高硬さ鋼の衝撃強度測定に応用したものである．

第１鴬「緒論」では，高硬さ鋼が軸や歯車など価喋性荷重を受ける

主要機能部材として多用されるにもかかわらず衝撃強度に関する資

ＧＬ２ＩＳｔｍｉｕ８ａ８ｅｓ料は少なく，その測定法も十分確

第３章「長い棒を用いた衝撃３点曲げ試験法」では，はりの衝撃３点曲げにおける荷巫が単純な棒の縦衝撃理論に基づいて容易に得られることに注目し，

長い打撃棒と長い支持棒からなる試験法について述べ，作用価撃荷重の測定法を明らかにしている．この方法では試験片)のスパンを自由に変えることができ

第４章「曲げ試験による応力一ひずみ関係の測定法」では，曲げモーメントとひずみの関係式に基づくはりの塑性曲げ理論によって応力一ひずみ関係を知る方法（Ｈｅｒｂｅｒｔの式)を示している．

そして試験片のスパンを小として静的な力の釣り合いを仮定し，

から曲げモーメントを求め，こ _田れに対応するひずみをｨｉＩｊ重点直＝

直接ｉＩＩ定すれば，Ｈｅｒｂｅｒｔの式の

によって動的応カーひずみ関係が得られることを示した．さらに，静的および価撃荷重下で試

スパンが４０mmであれば静的荷重下は勿論，衝撃荷重下でも負荷のごく初期を除けば曲げによる結果は図ｚのように一軸圧縮によるものにほぼ一致すること

，支持点の摩擦による測定値への影響は小さいこと，動的応力一ひ,ずみ関係には多少の波打ちが見られることなどを明らかにしている．

第５章「ホプキンソン圧力棒法による応カーひずみ関係の測定法」では，曲げの結果との比較に必要な標準的動的応力一ひずみ関係の測定法について述べ高硬さ材の場合の問題点を指摘している．

己）図Ｂのようにひずみ速度が 1001／s程度における動的降伏強度は静的降伏強度より２０～３０

％大きく，鋼種による相違はやや見られるものの，HV700程度まで両強度はともに硬さの増加に

この硬さ以上になると強度は増加せずにかえって低下する場合もあり，ばらつきはあるが，特定の硬さで最大強度に達する．

３）材料の最大llljげ荷亜と硬さの関係については，鋼種によってばらつきはあるが．降伏強度

４）図４の例のように，高硬さ鋼の場合にも一定ひずみに要する変形応力Ｏは炭素鋼焼鈍材･の

場合と同様にひずみ速度己に依母存し，鋼種と硬さによって大き●

ではひずみ速度の増ｶﾛによる応塗力の増加傾向は緩やかであり，缶２．４

５）定数（ＫＦＫ４）をひずみに概ね無関係に決定でき，本榊成

式は図４中の実線で示されるよＦうに高硬さ鋼にも十分適用し得

10-4 １０－２１００ 102

６）またＷｌｉ１山Ｕ|｣の定数は，ばらつきはあるものの硬さに影響されることを>jくし，その対応関係を詳細に明らかにした．そして実用的観点から定数を硬さの

－次あるいは=:次関数形で近似した榊成式による値は図中の破線で'〕<されるように測定値の傾向とよく一致している．

以上，簡便な曲げ試験法に着目して計装化シヤルピー衝撃試験機を利用した動的応力一ひずみ関係の測定法を提案し，この方法に基づいて種々のひずみ速度下における高硬さ鋼の動的強度を明らかにした．

各審査委員による個別の質疑検討を経て，平成9年８月８日の論文発表会直後に審査会を開催し，次のように審査判定した。

以上要するに，本論文は簡便な曲げ試験に着目して種々のひずみ速度における高硬さ鋼の動的強度とその測定法を明らかにし，工学上重要な新知見を得たもので，博士（工学）論文としての価値を有する。