CN103945977A - 用于抑制疲劳裂纹扩展的糊剂 - Google Patents

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Abstract

本发明的用于抑制疲劳裂纹扩展的糊剂是用于抑制金属构件的疲劳裂纹的扩展，其是将粒子和液体混合而成的，所述粒子是粒径20μm以下的粒子为100质量％、粒径10μm以下的粒子为95～100质量％、粒径2.0μm以下的粒子为45～99质量％、粒径1.0μm以下的粒子为20～85质量％、粒径0.5μm以下的粒子为7～50质量％、粒径0.1μm以下的粒子为0～5质量％的粒子。

Description

用于抑制疲劳裂纹扩展的糊剂
技术领域
本发明涉及一种用于抑制疲劳裂纹扩展的糊剂，其用于抑制金属构件上产生的疲劳裂纹的扩展。
背景技术
疲劳裂纹是在反复的应力作用下形成的裂纹，通过对在金属构件上产生的疲劳裂纹进一步反复地施加应力，会引起疲劳裂纹扩展，进而导致该金属构件发生断裂。因此，抑制疲劳裂纹扩展的技术尤为重要。关于疲劳裂纹，由于在疲劳裂纹面内会产生微动磨损氧化物(裂纹面的氧化层发生擦蹭而产生的氧化物)等异物，因此会基于楔效应而使疲劳裂纹扩展速度下降，这是众所周知的。
基于楔效应而引起疲劳裂纹扩展速度降低的机理在于：如图8所示，由于异物进入到裂纹面内，因此引起裂纹顶端开口位移量减少(对裂纹扩展有效的应力范围缩小)。需要说明的是，图8中示出的是异物完全未发生破坏的情况。每1个应力变化周期内的疲劳裂纹扩展速度与疲劳裂纹顶端的开口位移量密切相关。
技术文献“H.Kitagawa，et.al.：A new method of arresting fatigue crackgrowth by artificial wedge，Proceedings of International Conference on FractureMechanics in Engineering Applications，pp.281-293，1979.”(非专利文献1)中公开了一种向裂纹中浇注粘接剂而延缓疲劳裂纹的扩展的技术。该技术是积极地表现出由粘接剂带来的上述楔效应的技术。例如其中公开了通过向铝合金构件产生的疲劳裂纹内注入粘接剂，疲劳裂纹的开闭口得到抑制，可降低疲劳裂纹扩展速度。然后，该技术存在的问题点在于：粘接剂一旦固化则会丧失流动性，因此尽管在刚刚注入粘接剂时刻获得疲劳裂纹扩展抑制效果，但在注入粘接剂之后若疲劳裂纹扩展，则疲劳裂纹扩展抑制效果将大幅减小，无法持续获得疲劳裂纹扩展抑制效果。
因此，为了克服上述非专利文献1中公开的技术的上述问题，已提出了一种由高硬度的微细粒子和油等液体混合而成的用于抑制疲劳裂纹扩展的糊剂(例如专利文献1、2)。该糊剂涂布于金属构件的疲劳裂纹的产生部位，在毛细管现象和泵效应的作用下入侵至疲劳裂纹顶端。于是，糊剂中所含的粒子在疲劳裂纹顶端表现出上述的楔效应。该糊剂与粘接剂不同，其不会发生固化，具有流动性，并可入侵至裂纹内，因此能够持续地发挥出裂纹扩展抑制效果。
例如，日本专利第3808846号公报(专利文献1)中公开了一种用于抑制疲劳裂纹扩展的糊剂，其是涂布于金属构件的疲劳裂纹的产生部位的糊剂，其中，该糊剂由粒径为2μm～40μm的氧化铝粒子和粘度为5～15Pa·s的油混合而成。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3808846号公报
专利文献2：日本特开2011-62809号公报
非专利文献
非专利文献1：H.Kitagawa，et.al.：A new method of arresting fatigue crackgrowth by artificial wedge，Proceedings of International Conference on Fra ctureMechanics in Engineering Applications，pp.281-293，1979.
发明内容
发明要解决的问题
就上述专利文献1中记载的糊剂而言，如后所述，存在着下述问题：由于其未考虑到氧化铝粒子的粒度分布，因此根据应力强度因子范围(应力强度因子范围：表示作用于疲劳裂纹顶端的疲劳负荷的大小的指标，如果该应力强度因子范围大，则裂纹顶端的开口位移量变大，因此疲劳裂纹的扩展速度变快)大小的不同，与未使用糊剂的情况相比，有时疲劳裂纹扩展抑制效果变小且不充分。
即，对于构成糊剂的粒子的粒径可分析如下：在应力强度因子范围小的情况下(产生疲劳裂纹的初期的状态)，由于裂纹顶端开口量小，因此与其开口量相符的小径粒子容易对由该粒子入侵至裂纹内而带来的裂纹闭口加以促进(参见图1的(a))。另外，在对裂纹长度长的疲劳裂纹作用大的应力、且应力强度因子范围大的情况下(产生的疲劳裂纹发生扩展而扩大了的状态)，由于裂纹顶端开口量大，因此与开口量相符的大径粒子成为适于对由该粒子入侵至裂纹内而带来的裂纹闭口加以促进的粒子(参见图1的(b))。
然而，就上述专利文献1中记载的糊剂而言，根据其实施例的记载，其是使用了平均粒径15.2μm这样的较大粒径的氧化铝粒子的糊剂，因此可以推断，在裂纹顶端开口量大的状态(应力强度因子范围大的区域，例如裂纹顶端开口量为10～20μm)下是有效的，而另一方面，在裂纹顶端开口量小的状态(应力强度因子范围小的区域，例如裂纹顶端开口量为2μm以下)下，由于氧化铝粒子过大，因此无法有效地发挥出抑制疲劳裂纹扩展的效果。
需要说明的是，作为糊剂中含有的氧化铝粒子，仅选择粒径与疲劳裂纹发生时刻的裂纹顶端开口量相符的氧化铝粒子在实用中是没有意义的。其理由在于，即使选择了对于某一时刻的疲劳裂纹而言其粒径是与这一时刻的裂纹顶端开口量相对应的氧化铝粒子而制作了糊剂，并将该糊剂涂布于该疲劳裂纹的部位，但在其后，该疲劳裂纹也会发生扩展，而在裂纹顶端开口量与涂布时刻相比变大了的状态下，上述涂布时刻下的氧化铝粒子的粒径将相对地成为小径，因而成为不适于发生扩展后的疲劳裂纹的糊剂。也就是说，对于糊剂中含有的氧化铝粒子，需要考虑使其具有能够与伴随疲劳裂纹的扩展而改变的裂纹顶端开口量相对应的粒度分布。
基于此，本发明的课题在于提供能够与疲劳裂纹的扩展相对应地始终发挥出抑制疲劳裂纹扩展的效果的用于抑制疲劳裂纹扩展的糊剂。
解决问题的方法
为了解决上述问题，本发明采取下述技术方案。
方案1的发明涉及一种抑制金属构件的疲劳裂纹的扩展的用于抑制疲劳裂纹扩展的糊剂，其中，该糊剂是将粒子和液体混合而成的，上述粒子的粒度分布是如下的范围：粒径20μm以下的粒子为100质量％、粒径10μm以下的粒子为95～100质量％、粒径2.0μm以下的粒子为45～99质量％、粒径1.0μm以下的粒子为20～85质量％、粒径0.5μm以下的粒子为7～50质量％、粒径0.1μm以下的粒子为0～5质量％。
方案2的发明涉及方案1所述的用于抑制疲劳裂纹扩展的糊剂，其粘度为5Pa·s以上且低于70Pa·s。
方案3的发明涉及方案1或2所述的用于抑制疲劳裂纹扩展的糊剂，其中，上述粒子为氧化铝。
发明的效果
根据本发明的用于抑制疲劳裂纹扩展的糊剂，由于使构成糊剂的粒子具有与伴随疲劳裂纹的扩展而发生改变的裂纹顶端开口量相对应的合理的粒度分布，因此能够与疲劳裂纹的扩展相对应地始终发挥出充分的抑制疲劳裂纹扩展的效果。由此，可谋求产生疲劳裂纹的例如钢构造物的长寿命化。
附图说明
图1是用于对构成本发明的糊剂的粒子的粒度分布的思维方法进行说明的图。
图2是用以说明本发明的作用效果、并示出了构成糊剂的粒子的粒度分布的适当与否、和基于此的裂纹扩展特性之间的关系的图。
图3是示出了构成本发明的糊剂的粒子的粒度分布的图。
图4是示出应用于本发明的实施例中的试验的拉伸疲劳试验片(赋予了长5mm的预裂纹的试验片)的图，其中，(a)为主视图、(b)为侧视图。
图5是示出了基于本发明的实施例1、2、3的疲劳裂纹扩展试验结果得到的应力强度因子范围与疲劳裂纹扩展速度的关系。
图6是示出了基于本发明的实施例3和比较例1、2的疲劳裂纹扩展试验结果得到的应力强度因子范围与疲劳裂纹扩展速度的关系的图。
图7是示出了基于本发明的实施例3和比较例3、4、5的疲劳裂纹扩展试验结果得到的应力强度因子范围与疲劳裂纹扩展速度的关系的图。
图8是示意性地对基于楔效应的疲劳裂纹扩展抑制的机理进行说明的图。
具体实施方式
以下，对本发明进行更为详细的说明。
本发明的用于抑制疲劳裂纹扩展的糊剂(以下也简称为糊剂)具有流动性，是将氧化铝粒子等高硬度的粒子与工业油等具有适当粘度的液体混合而成的。另外，本发明的糊剂的特征在于，构成糊剂的粒子具有与伴随疲劳裂纹的扩展而从小的状态变化为大的状态的裂纹顶端开口量相对应的粒度分布(参见前述的图1)。由此，本发明的糊剂能够与疲劳裂纹的扩展相对应地始终持续地表现出楔效应、从而充分发挥出抑制疲劳裂纹扩展的效果。即，本发明的糊剂与伴随疲劳裂纹的扩展而发生改变的疲劳负荷的大小(应力强度因子范围的大小)无关，始终能够充分发挥出抑制疲劳裂纹扩展的效果。
图2是用以说明本发明的作用效果，并示出了构成糊剂的粒子的粒度分布的适当与否、和基于此的裂纹扩展特性之间的关系的图。
如图2所示，在对于疲劳裂纹未使用糊剂的情况下，如(A)所示的裂纹扩展特性那样，伴随随着疲劳裂纹扩展而发生的应力强度因子范围ΔK的增大，疲劳裂纹扩展速度变大。
另一方面，在使用粒径相对于合理粒度分布向小径侧偏离的不合理粒度分布的粒子构成的糊剂的情况下，如(B)所示的裂纹扩展特性那样，在疲劳裂纹扩展、应力强度因子范围大的区域，裂纹顶端会产生大的开口，而与其相应的大径粒子不足，无法诱导由大径粒子侵入裂纹内所致的裂纹闭口，因此与上述(A)的无糊剂的情况相比，无法使疲劳裂纹扩展速度降低。需要说明的是，对于该糊剂的情况，在产生该疲劳裂纹不久的时期、应力强度因子范围小的区域(裂纹顶端开口量小的区域)，与上述(A)的无糊剂的情况相比，可使疲劳裂纹扩展速度降低。
另外，在与上述向小径侧偏离的情况相反地、使用粒径相对于合理粒度分布向大径侧偏离的不合理粒度分布的粒子构成的糊剂的情况下，如(C)所示的裂纹扩展特性那样，在应力强度因子范围小的区域(裂纹顶端开口量小的区域)，裂纹顶端的开口小，而与其相应的小径粒子不足，无法诱导由小径粒子侵入裂纹内所致的裂纹闭口，因此与上述(A)的无糊剂的情况相比，无法使疲劳裂纹扩展速度充分降低。需要说明的是，对于该糊剂的情况，在该疲劳裂纹扩展、应力强度因子范围大的区域，与上述(A)的无糊剂的情况相比，可使疲劳裂纹扩展速度降低。
与此相对，在像本发明的糊剂那样，使用具有与伴随疲劳裂纹的扩展而发生改变的裂纹顶端开口量相对应的粒径的粒度分布的粒子构成的糊剂的情况下，如(D)所示的裂纹扩展特性那样，对应于疲劳裂纹的扩展，在从应力强度因子范围小的区域到大的区域内，与上述(A)的无糊剂的情况相比，始终可降低疲劳裂纹扩展速度。
这样，对于用于抑制疲劳裂纹扩展的糊剂而言，需要使构成糊剂的粒子如上所述地具有合理的粒度分布。因此，作为金属构件产生的疲劳裂纹，以裂纹顶端的开口量最终扩展至10μm～20μm左右的疲劳裂纹(作为扩展抑制对象的常规的疲劳裂纹)为对象时，如图3所示，使本发明的糊剂的粒子的粒度分布在下述范围：粒径20μm以下的粒子为100质量％、粒径10μm以下的粒子为95～100质量％、粒径2.0μm以下的粒子为45～99质量％、粒径1.0μm以下的粒子为20～85质量％、粒径0.5μm以下的粒子为7～50质量％、粒径0.1μm以下的粒子为0～5质量％。
对于本发明的糊剂而言，通过使构成糊剂的粒子具有上述的粒度分布，并将该糊剂应用于上述作为对象的疲劳裂纹，与无糊剂的情况相比，能够与疲劳裂纹的扩展相对应地始终降低疲劳裂纹扩展速度。需要说明的是，在本发明中，粒子的粒径的测定可利用基于激光衍射/散射法的测定装置来进行。另外，在本发明中，用以规定具有特定粒径的粒子的存在比率的百分率是表征大小粒子混合程度的指标，因此原本是体积百分率，但在实用中，采用质量百分率也没有问题，因此设为质量百分率。
对于本发明的糊剂而言，为了使糊剂切实地入侵至疲劳裂纹，优选使糊剂本身的粘度为5Pa·s以上且低于70Pa·s。糊剂本身的粘度低于5Pa·s时，流动性过高，涂布于疲劳裂纹发生部分的糊剂从疲劳裂纹发生部分流出后无法到达疲劳裂纹内。另一方面，糊剂本身的粘度为70Pa·s以上时，糊剂会粘固于疲劳裂纹发生部分。因此，优选糊剂本身的粘度为5Pa·s以上且低于70Pas。
本发明的糊剂中，与粒子混合的工业用油等液体的粘度优选为0.8Pa·s以下。通过使用粘度为0.8Pa·s以下这样的“沙沙地流动”的液体，在同一糊剂粘度下，每单位量糊剂对应的粒子量增多，因此可充分发挥出由该粒子所带来的楔效应。
作为构成本发明的糊剂的粒子，可列举包含氧化铝、二氧化硅、金刚石、碳化硅、碳化硼等高硬度的物质的粒子。另外，出于宽粒径范围的粒子可容易地获取、价格也便宜等原因，因此作为粒子，特别优选包含氧化铝的粒子。
实施例
以下，针对本发明的实施例及比较例进行说明。
为了评价本发明的糊剂，实施了疲劳裂纹扩展试验。构成糊剂的粒子使用氧化铝，制作了氧化铝粒子的粒度分布不同的8种氧化铝糊剂(实施例1～3、比较例1～5)，并将它们应用于疲劳裂纹扩展试验。
表1示出了应用于疲劳裂纹扩展试验的8种氧化铝糊剂中所含的氧化铝粒子的粒度分布。上述8种氧化铝糊剂是向具有表1所示的粒度分布的氧化铝粒子中添加工业用油而制作的。进行该制作时，对于这些氧化铝糊剂中氧化铝粒子与工业用油的配合比例进行了调整，以使糊剂的粘度为5Pa·s以上且低于70Pa·s。
[表1]
图4是示出应用于本发明的实施例中的试验的拉伸疲劳试验片的图，其中的(a)为主视图、(b)为侧视图。该拉伸疲劳试验片的材质为SS400，如图4(b)所示，其厚度(板厚)为12.5mm。拉伸疲劳试验片的初期裂纹长度为20mm[(狭缝长度15mm)+(预裂纹长度5mm)]。疲劳裂纹扩展试验(拉伸疲劳试验)在对该拉伸疲劳试验片涂布氧化铝糊剂后实施。利用插通至φ12.5mm的孔中的2根螺杆将该试验片装配于试验机，并沿着图4的上下方向反复施加拉伸负载。试验机为油压伺服式的疲劳试验机，其基于负载控制而进行单向拉伸试验。试验条件为：应力比(最小应力/最大应力)：0.05、试验频率：20Hz。
根据上述疲劳裂纹扩展试验而求出了在使用上述各氧化铝糊剂的情况下的裂纹扩展特性(应力强度因子范围与疲劳裂纹扩展速度的关系)。此时，对于装配于试验机的拉伸疲劳试验片在扩展中的疲劳裂纹，定期地测量裂纹长度，并基于该测量值而求出了应力强度因子范围与疲劳裂纹扩展速度之间的关系。
需要说明的是，此时的应力强度因子范围ΔK可基于负载(N)、裂纹长度(mm)、试验片尺寸、由下式表示。
ΔK = f × ( P / ( B W ) )
其中，f：裂纹的形状系数、P：负载(N)、B：试验片厚度(mm)、W：从试验片的负载面到试验片端的距离(mm)。
另外，上述裂纹的形状系数f可由下式表示。其中，式中的a为裂纹长度(mm)。
f＝29.6×(a/W)1/2-185.5×(a/W)3/2+655.7×(a/W)5/2-1017×(a/W)7/2+638.9×(a/W)9/2
表2是示出基于实施例1～3的糊剂而得到的裂纹扩展特性(应力强度因子范围与疲劳裂纹扩展速度的关系)的数据，表3是示出基于比较例1～5的糊剂而得到的裂纹扩展特性的数据。另外，表4是示出无糊剂情况下的裂纹扩展特性的数据。
[表2]
[表3]
[表4]
另外，为了进行比较，对上述表2～表4的数据作图而示于图5～图7。图5是示出基于本发明的实施例1、2、3的疲劳裂纹扩展试验结果而得到的应力强度因子范围与疲劳裂纹扩展速度的关系的图，图6是示出基于本发明的实施例3和比较例1、2的疲劳裂纹扩展试验结果而得到的应力强度因子范围与疲劳裂纹扩展速度的关系的图。另外，图7是示出基于本发明的实施例3和比较例3、4、5的疲劳裂纹扩展试验结果而得到的应力强度因子范围与疲劳裂纹扩展速度的关系的图。
由图5可知，利用本发明的实施例1～3的糊剂时，与“无糊剂”的情况相比，在试验数据的全部范围内(应力强度因子范围ΔK：16.4～38.4MPa·m1/2)，疲劳裂纹扩展速度均大幅下降，得到了疲劳裂纹扩展速度为无糊剂情况下疲劳裂纹扩展速度的约1/20这样的良好结果。因此，就实施例1～3的糊剂而言，其对于所产生的疲劳裂纹从起初期阶段开始可持续地始终发挥出抑制裂纹扩展的效果，有助于具有疲劳裂纹的钢构造物的长寿命化。
与此相对，由图6可知，对于由具有粒径向小径侧偏离、大径粒子不足的粒度分布的粒子构成的比较例1、2的糊剂而言，在应力强度因子范围ΔK小的区域，与实施例1～3同样地发生了裂纹扩展速度的下降，但在疲劳裂纹扩展、应力强度因子范围ΔK大的区域(23MPa·m1/2以上)，与实施例1～3相比，无法谋求裂纹扩展速度的降低，裂纹扩展抑制效果大幅下降。
因此，就比较例1、2的糊剂而言，当疲劳裂纹扩展、作用于疲劳裂纹顶端的疲劳负荷变大时，裂纹扩展抑制效果变得不充分，因而不能有助于具有疲劳裂纹的钢构造物的长寿命化。
另外，由图7可知，在由具有粒径向大径侧偏离、小径粒子不足的粒度分布的粒子构成的比较例3～5的糊剂中，比较例4、5的糊剂在应力强度因子范围ΔK大的区域，与实施例1～3同样地发生了裂纹扩展速度的下降，但在应力强度因子范围ΔK小的区域(26MPa·m1/2以下)，无法谋求裂纹扩展速度的降低，裂纹扩展抑制效果下降。另外，在比较例3～5的糊剂中，比较例3的糊剂由于与比较例4、5相比也具有粒径较小范围(2μm超～10μm以下)的粒子，因此其不显示裂纹扩展抑制效果的范围变窄，在应力强度因子范围ΔK比比较例4、5的情况更小的区域，其裂纹扩展抑制效果低于实施例3。
因此，就比较例4、5的糊剂而言，在产生疲劳裂纹的初期阶段、或从初期阶段到裂纹扩展的阶段，并且就比较例3的糊剂而言，在产生疲劳裂纹的初期阶段中，裂纹扩展抑制效果变得不充分，因而不能有助于具有疲劳裂纹的钢构造物的长寿命化。
以上结合特定的实施方式对本发明进行了具体说明，但本领域技术人员应该理解的是，在不脱离本发明的主旨和范围的情况下，可以做出各种变更或修正。
本申请基于2011年11月21日提出申请的日本专利申请(日本特愿2011-254165)而完成，其内容作为参考援引于此。
工业实用性
本发明可抑制各种钢构造物的疲劳裂纹的扩展，从而谋求它们的长寿命化。

Claims (3)

1.一种用于抑制疲劳裂纹扩展的糊剂，其用于抑制金属构件的疲劳裂纹的扩展，其特征在于，该糊剂是将粒子和液体混合而成的，
所述粒子的粒度分布是如下的范围：粒径20μm以下的粒子为100质量％、粒径10μm以下的粒子为95～100质量％、粒径2.0μm以下的粒子为45～99质量％、粒径1.0μm以下的粒子为20～85质量％、粒径0.5μm以下的粒子为7～50质量％、粒径0.1μm以下的粒子为0～5质量％。
2.根据权利要求1所述的用于抑制疲劳裂纹扩展的糊剂，其粘度为5Pa·s以上且低于70Pa·s。
3.根据权利要求1或2所述的用于抑制疲劳裂纹扩展的糊剂，其中，所述粒子为氧化铝。
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