JP2002048693A - 高強度鋼における高疲労強度材料の評価法と高疲労強度材料 - Google Patents
高強度鋼における高疲労強度材料の評価法と高疲労強度材料Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 欠陥寸法と疲労強度との関係をも考慮に入れ
た高強度鋼における高疲労強度材料の評価法と高疲労強
度材料を提供する。 【解決手段】 引張強度σB （単位はＭＰａ）、ビッカ
ース硬さＨｖが既知である鋼において、破壊起点が表面
だけである場合、その欠陥面積ａｒｅａを測定し、その
欠陥寸法√ａｒｅａが、４５．８／σB 2 または４．４
７／Ｈｖ2 以下であるとき、疲労限σw （単位はＭＰ
ａ）が、σw が≧０．５σB またはσw ≧１．６Ｈｖを
達成するという材料の設計指針を与える。
た高強度鋼における高疲労強度材料の評価法と高疲労強
度材料を提供する。 【解決手段】 引張強度σB （単位はＭＰａ）、ビッカ
ース硬さＨｖが既知である鋼において、破壊起点が表面
だけである場合、その欠陥面積ａｒｅａを測定し、その
欠陥寸法√ａｒｅａが、４５．８／σB 2 または４．４
７／Ｈｖ2 以下であるとき、疲労限σw （単位はＭＰ
ａ）が、σw が≧０．５σB またはσw ≧１．６Ｈｖを
達成するという材料の設計指針を与える。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この出願の発明は、高強度鋼
における高疲労強度材料の評価法とこの評価法によって
製造される高疲労強度材料に関するものである。さらに
詳しくは、この出願の発明は、機械構造物や自動車部品
などの軽量化、小型および高性能化を図るためのギガサ
イクル疲労強度を備えた高強度鋼の材料設計と製造に有
用な高強度鋼における高疲労強度材料の評価法と高疲労
強度材料に関するものである。
における高疲労強度材料の評価法とこの評価法によって
製造される高疲労強度材料に関するものである。さらに
詳しくは、この出願の発明は、機械構造物や自動車部品
などの軽量化、小型および高性能化を図るためのギガサ
イクル疲労強度を備えた高強度鋼の材料設計と製造に有
用な高強度鋼における高疲労強度材料の評価法と高疲労
強度材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明の課題】従来より、機械構造物や自
動車部品などの軽量化、小型化および高性能化を図るた
めに、ギガサイクルほどの高疲労強度に優れた高強度鋼
が求められている。ところが、特に、１２００ＭＰａ超
級高強度鋼のギガサイクル域では介在物や組織割れを起
点とした内部破壊のために、疲労強度が低下してしま
い、高疲労強度を備えた高強度鋼を製造することは、技
術的に容易なことではない。さらには、その内部破壊の
メカニズムが複雑なために、より高疲労強度を備えた高
強度鋼を製造するための材料設計法もほとんど知られて
いない。
動車部品などの軽量化、小型化および高性能化を図るた
めに、ギガサイクルほどの高疲労強度に優れた高強度鋼
が求められている。ところが、特に、１２００ＭＰａ超
級高強度鋼のギガサイクル域では介在物や組織割れを起
点とした内部破壊のために、疲労強度が低下してしま
い、高疲労強度を備えた高強度鋼を製造することは、技
術的に容易なことではない。さらには、その内部破壊の
メカニズムが複雑なために、より高疲労強度を備えた高
強度鋼を製造するための材料設計法もほとんど知られて
いない。
【０００３】例えば、高強度鋼を製造するための材料設
計法のひとつとして、介在物の欠陥寸法や性状に着目
し、その介在物寸法と疲労限との相関式から、介在物の
欠陥寸法を測定することにより、疲労限を把握する方法
が知られている。
計法のひとつとして、介在物の欠陥寸法や性状に着目
し、その介在物寸法と疲労限との相関式から、介在物の
欠陥寸法を測定することにより、疲労限を把握する方法
が知られている。
【０００４】しかしながら、この方法は、複雑な内部破
損メカニズムを単純化して近似的な疲労限を把握してい
るに過ぎないことから、より高疲労強度を備えた高強度
鋼を製造するための設計法を与えるものではない。
損メカニズムを単純化して近似的な疲労限を把握してい
るに過ぎないことから、より高疲労強度を備えた高強度
鋼を製造するための設計法を与えるものではない。
【０００５】このような状況において、最近になって、
複雑な内部破壊メカニズムを解明するひとつの手がかり
として、介在物の周りの水素による裂進展と考えられる
凸凹欠陥領域（ＯＤＡ：Optically Dark Area)が観察さ
れ、このＯＤＡ欠陥領域と疲労強度との関係を解明しよ
うとする試みがなされている。ＯＤＡ欠陥領域の発見に
より、将来的には、より高疲労強度を備えた高強度鋼の
設計法に寄与する可能性が考えられるが、いまだ、具体
的な設計指針を与えるまでには到っていない。
複雑な内部破壊メカニズムを解明するひとつの手がかり
として、介在物の周りの水素による裂進展と考えられる
凸凹欠陥領域（ＯＤＡ：Optically Dark Area)が観察さ
れ、このＯＤＡ欠陥領域と疲労強度との関係を解明しよ
うとする試みがなされている。ＯＤＡ欠陥領域の発見に
より、将来的には、より高疲労強度を備えた高強度鋼の
設計法に寄与する可能性が考えられるが、いまだ、具体
的な設計指針を与えるまでには到っていない。
【０００６】この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑
みてなされたものであり、ＯＤＡ欠陥寸法と疲労強度と
の関係をも考慮に入れた、高強度鋼における高疲労強度
材料の評価法と高疲労強度材料を提供することを課題と
している。
みてなされたものであり、ＯＤＡ欠陥寸法と疲労強度と
の関係をも考慮に入れた、高強度鋼における高疲労強度
材料の評価法と高疲労強度材料を提供することを課題と
している。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、第１には、引張強度σB
（単位はＭＰａ）、ビッカース硬さＨｖが既知である鋼
において、破壊起点が表面だけである場合、その鋼に含
まれる欠陥の√ａｒｅａ（単位はｍ）が、４５．８／σ
B 2 または４．４７／Ｈｖ2 以下であるとき、疲労限σ
w （単位はＭＰａ）が、σw が≧０．５σB またはσw
≧１．６Ｈｖを達成するという材料の設計指針を与える
ことを特徴とする高強度鋼における高疲労強度材料の評
価法を提供する。
の課題を解決するものとして、第１には、引張強度σB
（単位はＭＰａ）、ビッカース硬さＨｖが既知である鋼
において、破壊起点が表面だけである場合、その鋼に含
まれる欠陥の√ａｒｅａ（単位はｍ）が、４５．８／σ
B 2 または４．４７／Ｈｖ2 以下であるとき、疲労限σ
w （単位はＭＰａ）が、σw が≧０．５σB またはσw
≧１．６Ｈｖを達成するという材料の設計指針を与える
ことを特徴とする高強度鋼における高疲労強度材料の評
価法を提供する。
【０００８】この出願の発明は、第２には、引張強度σ
B （単位はＭＰａ）、ビッカース硬さＨｖが既知である
鋼において、破壊起点が内部である場合、介在物の欠陥
面積ａｒｅａを測定し、疲労限σw （単位はＭＰａ）
が、σw ≧３．３８（ａｒｅａi ）-1/4を達成するとい
う材料の設計指針を与えることを特徴とする高強度鋼に
おける高疲労強度材料を提供し、第３には、前記いずれ
かの高疲労強度材料の評価を可能にする方法であって、
組織均一（不均一組織のサイズ低下）あるいは結晶微細
化（ブロック巾低下）を図った場合、最大不均一組織欠
陥面積ａｒｅａma x,m を測定し、最大不均一組織欠陥寸
法√ａｒｅａmax,m （√ａｒｅａmax,m の単位はμｍ）
の極値分布が、直線√ａｒｅａmax,m ＝０と√ａｒｅａ
max,m ＝０．９４０３ｙ＋４．５７１（検査基準面積Ｓ
0 ＝６．２×１０-9ｍ2 ）に囲まれる領域にあり、また
は、最大ブロック巾ｄmax （ｄmax の単位はμｍ）の極
値分布が直線ｄmax ＝０とｄmax ＝０．２１７ｙ＋０．
７０１（ｙは基準化変数、検査基準面積１×１０-10 ｍ
2 ）に囲まれる領域にあることを特徴とする高強度組織
の評価法を提供する。
B （単位はＭＰａ）、ビッカース硬さＨｖが既知である
鋼において、破壊起点が内部である場合、介在物の欠陥
面積ａｒｅａを測定し、疲労限σw （単位はＭＰａ）
が、σw ≧３．３８（ａｒｅａi ）-1/4を達成するとい
う材料の設計指針を与えることを特徴とする高強度鋼に
おける高疲労強度材料を提供し、第３には、前記いずれ
かの高疲労強度材料の評価を可能にする方法であって、
組織均一（不均一組織のサイズ低下）あるいは結晶微細
化（ブロック巾低下）を図った場合、最大不均一組織欠
陥面積ａｒｅａma x,m を測定し、最大不均一組織欠陥寸
法√ａｒｅａmax,m （√ａｒｅａmax,m の単位はμｍ）
の極値分布が、直線√ａｒｅａmax,m ＝０と√ａｒｅａ
max,m ＝０．９４０３ｙ＋４．５７１（検査基準面積Ｓ
0 ＝６．２×１０-9ｍ2 ）に囲まれる領域にあり、また
は、最大ブロック巾ｄmax （ｄmax の単位はμｍ）の極
値分布が直線ｄmax ＝０とｄmax ＝０．２１７ｙ＋０．
７０１（ｙは基準化変数、検査基準面積１×１０-10 ｍ
2 ）に囲まれる領域にあることを特徴とする高強度組織
の評価法を提供する。
【０００９】そして、この出願の発明は、第４には、前
記第３の発明の評価法のもとで、前記第１または第２の
発明によって与えられた材料の設計指針に沿って鋼を製
造することを特徴とする高疲労強度材料の製造方法を提
供し、第５には、２×１０-6 Ｐａ以上の高真空中で鋼を
焼戻す熱処理を施すことにより前記第１の発明の方法に
より与えられた材料の設計指針に沿った鋼を製造するこ
とを特徴とする高疲労強度材料の製造方法を提供する。
記第３の発明の評価法のもとで、前記第１または第２の
発明によって与えられた材料の設計指針に沿って鋼を製
造することを特徴とする高疲労強度材料の製造方法を提
供し、第５には、２×１０-6 Ｐａ以上の高真空中で鋼を
焼戻す熱処理を施すことにより前記第１の発明の方法に
より与えられた材料の設計指針に沿った鋼を製造するこ
とを特徴とする高疲労強度材料の製造方法を提供する。
【００１０】さらに、この出願の発明は、第６には、前
記第３の発明のもとで、前記第１または第２の発明評価
法によって与えられた材料の設計指針に沿って製造され
た高疲労強度材料を提供する。
記第３の発明のもとで、前記第１または第２の発明評価
法によって与えられた材料の設計指針に沿って製造され
た高疲労強度材料を提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】この出願の発明は、上記のとおり
の特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態につ
いて説明する。
の特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態につ
いて説明する。
【００１２】この出願の発明は、ＯＤＡ欠陥寸法を含め
た介在物の欠陥寸法と疲労強度との相関に着目し、ア）
破壊起点が表面のみの場合、イ）破壊起点が内部の場
合、および、ウ）組織均一化あるいは結晶粒微細化を図
った場合の主に３つの場合について、欠陥寸法を定量化
することにより、疲労強度を算出することに大きな特徴
がある。
た介在物の欠陥寸法と疲労強度との相関に着目し、ア）
破壊起点が表面のみの場合、イ）破壊起点が内部の場
合、および、ウ）組織均一化あるいは結晶粒微細化を図
った場合の主に３つの場合について、欠陥寸法を定量化
することにより、疲労強度を算出することに大きな特徴
がある。
【００１３】したがって、この出願の発明は、疲労強度
と介在物寸法の相関を明確化しているので、的確な大き
さの介在物を提供することことができ、同一の機械的強
度であっても、より疲労強度の高い高強度鋼を製造する
ことができ、さらに、高強度鋼の疲労設計において信頼
性を向上させることができる。
と介在物寸法の相関を明確化しているので、的確な大き
さの介在物を提供することことができ、同一の機械的強
度であっても、より疲労強度の高い高強度鋼を製造する
ことができ、さらに、高強度鋼の疲労設計において信頼
性を向上させることができる。
【００１４】なお、この発明において、介在物の欠陥寸
法とは、介在物の荷重方向に垂直な面への欠陥面積ルー
トを指し、次元上は長さの単位となる。また、最大不均
一組織欠陥寸法とは、介在物不均一組織の荷重方向に垂
直な面への欠陥面積の最大値のルートを示し、次元上は
長さの単位となる。
法とは、介在物の荷重方向に垂直な面への欠陥面積ルー
トを指し、次元上は長さの単位となる。また、最大不均
一組織欠陥寸法とは、介在物不均一組織の荷重方向に垂
直な面への欠陥面積の最大値のルートを示し、次元上は
長さの単位となる。
【００１５】さらに、この発明においては、その設計法
により製造された高強度鋼の提供をも可能とし、具体的
には、引張強度σB （単位はＭＰａ）、ビッカース硬さ
Ｈｖ、疲労限σw （単位はＭＰａ）としたときσw ≧
０．５σB またはσW ≧１．６Ｈｖ2 もの疲労強度を持
つ高強度鋼も提供する。このような疲労強度を持つ高強
鋼は現在まで存在しない。
により製造された高強度鋼の提供をも可能とし、具体的
には、引張強度σB （単位はＭＰａ）、ビッカース硬さ
Ｈｖ、疲労限σw （単位はＭＰａ）としたときσw ≧
０．５σB またはσW ≧１．６Ｈｖ2 もの疲労強度を持
つ高強度鋼も提供する。このような疲労強度を持つ高強
鋼は現在まで存在しない。
【００１６】引張強度σB （単位はＭＰａ）、ビッカー
ス硬さＨｖが既知である鋼において、まずはじめに、
ア）破壊起点が表面だけである場合（内部破壊に優先し
て表面破壊が起こる場合）の鋼について、疲労限σW の
求め方について説明する。
ス硬さＨｖが既知である鋼において、まずはじめに、
ア）破壊起点が表面だけである場合（内部破壊に優先し
て表面破壊が起こる場合）の鋼について、疲労限σW の
求め方について説明する。
【００１７】この場合、破壊起点が表面だけであるの
で、表面破壊の疲労限σwsurfaceが０．５σB または
１．６Ｈｖを超えるＯＤＡが発生しない高強度鋼と仮定
する。欠陥√ａｒｅａ（単位はｍ）の特殊な場合とし
て、内部破壊に優先して表面破壊が起こる欠陥領域の最
大値（最大欠陥）（√ａｒｅａ）max （単位はｍ）は、
表面破壊の疲労限σwsurfaceを用いて、
で、表面破壊の疲労限σwsurfaceが０．５σB または
１．６Ｈｖを超えるＯＤＡが発生しない高強度鋼と仮定
する。欠陥√ａｒｅａ（単位はｍ）の特殊な場合とし
て、内部破壊に優先して表面破壊が起こる欠陥領域の最
大値（最大欠陥）（√ａｒｅａ）max （単位はｍ）は、
表面破壊の疲労限σwsurfaceを用いて、
【００１８】
【数１】
【００１９】で与えられる。ここで、ΔＫthは亀裂が進
展する応力拡大係数範囲の下限界値で、その一般的な値
は、およそ３ＭＰａｍ1/2 である。よって、最大欠陥寸
法（√ａｒｅａ）max は、引張強度σB （単位はＭＰ
ａ）とビッカース硬さＨｖを用いて、
展する応力拡大係数範囲の下限界値で、その一般的な値
は、およそ３ＭＰａｍ1/2 である。よって、最大欠陥寸
法（√ａｒｅａ）max は、引張強度σB （単位はＭＰ
ａ）とビッカース硬さＨｖを用いて、
【００２０】
【数２】
【００２１】となる。この式（２）より、破壊起点が表
面だけである場合には欠陥寸法√ａｒｅａが、４５．８
／σB 2 または４．４７／Ｈｖ2 以下であれば、疲労限
σw は、σw が≧０．５σB またはσw ≧１．６Ｈｖ2
である高強度鋼を製造できるという材料の設計指針を与
えることができる。
面だけである場合には欠陥寸法√ａｒｅａが、４５．８
／σB 2 または４．４７／Ｈｖ2 以下であれば、疲労限
σw は、σw が≧０．５σB またはσw ≧１．６Ｈｖ2
である高強度鋼を製造できるという材料の設計指針を与
えることができる。
【００２２】つぎに、イ）破壊起点が内部である場合の
疲労限σw の求め方について説明する。内部破壊起点で
の疲労限が優先されるために、（介在物の欠陥寸法）を
ａｒｅａi （√ａｒｅａi の単位はｍ）とすると、疲労
限σw は、
疲労限σw の求め方について説明する。内部破壊起点で
の疲労限が優先されるために、（介在物の欠陥寸法）を
ａｒｅａi （√ａｒｅａi の単位はｍ）とすると、疲労
限σw は、
【００２３】
【数３】
【００２４】となる。ここでΔＫth＝３ＭＰａｍ1/2 と
すると、疲労限σw は、
すると、疲労限σw は、
【００２５】
【数４】
【００２６】となる。つまり、ＯＤＡが発生せず介在物
寸法の規制がない鋼では、介在物の欠陥面積ａｒｅａi
が測定されると、疲労限σw は３．３８（ａｒｅａi ）
-1/4以上のものになるという材料設計の指針が与えられ
る。
寸法の規制がない鋼では、介在物の欠陥面積ａｒｅａi
が測定されると、疲労限σw は３．３８（ａｒｅａi ）
-1/4以上のものになるという材料設計の指針が与えられ
る。
【００２７】次に、ウ）前記ア）イ）を可能とする高強
度組織の評価法として、組織均一（不均一組織のサイズ
低下）あるいは組織微細化（ブロック巾低下）を図った
場合について説明する。
度組織の評価法として、組織均一（不均一組織のサイズ
低下）あるいは組織微細化（ブロック巾低下）を図った
場合について説明する。
【００２８】すなわちこの場合、最大不均一組織欠陥面
積ａｒｅａmax,m を測定し、最大不均一組織欠陥寸法√
ａｒｅａmax,m の極値分布が直線、√ａｒｅａmax,m ＝
０．９４０３ｙ＋４．５７１と√ａｒｅａmax,m ＝０に
囲まれる領域にあり、最大ブロック巾ｄm の極値分布が
直線ｄmax ＝０．２１７ｙ＋０．７０１とｄmax ＝０と
に囲まれる領域にあることが必要である。このとき、最
大不均一組織欠陥寸法√ａｒｅａm を求めるための検査
基準面積はＳ0 ＝６．２×１０-9ｍ2 程度が望ましく、
最大ブロック巾ｄmax の検査基準面積はＳ0 ＝１×１０
-10 ｍ2 程度が望ましい。
積ａｒｅａmax,m を測定し、最大不均一組織欠陥寸法√
ａｒｅａmax,m の極値分布が直線、√ａｒｅａmax,m ＝
０．９４０３ｙ＋４．５７１と√ａｒｅａmax,m ＝０に
囲まれる領域にあり、最大ブロック巾ｄm の極値分布が
直線ｄmax ＝０．２１７ｙ＋０．７０１とｄmax ＝０と
に囲まれる領域にあることが必要である。このとき、最
大不均一組織欠陥寸法√ａｒｅａm を求めるための検査
基準面積はＳ0 ＝６．２×１０-9ｍ2 程度が望ましく、
最大ブロック巾ｄmax の検査基準面積はＳ0 ＝１×１０
-10 ｍ2 程度が望ましい。
【００２９】以下実施例を示し、さらにこの発明につい
て詳しく説明する。
て詳しく説明する。
【００３０】
【実施例】実施例１ Ａ 試料の作成と前処理 この出願の発明の評価方法の精度を実証するために、ば
ね鋼ＳＵＰ１２と弁ばね鋼ＳＷＯＳＣ−Ｖを用い、実際
に試験を行った。まずはじめに、その試料の作成と前処
理および試料の機械的性状について調べた。
ね鋼ＳＵＰ１２と弁ばね鋼ＳＷＯＳＣ−Ｖを用い、実際
に試験を行った。まずはじめに、その試料の作成と前処
理および試料の機械的性状について調べた。
【００３１】ばね鋼ＳＵＰ１２と弁ばね鋼ＳＷＯＳＣ−
Ｖの化学成分は表１に示した通りであり、そのヒートの
種類により、ばね鋼ＳＵＰ１２が４種類（ヒートＡ，Ｂ
２，Ｃ１，Ｄ１，）、弁ばね鋼ＳＷＯＳＣ−Ｖが２種類
（Ｅ２，Ｆ）の計６種類用意した。それらの鋼の形状と
欠陥寸法、熱処理条件、引張強度σB 、およびビッカー
ス硬さＨｖは、表２に示した通りであり、ばね鋼ＳＵＰ
１２のヒートＤ１については、熱処理条件の異なる２種
類、すなわち、通常焼入れ焼戻し材（ＱＴ材）と改良オ
ースフォーム材（ＡＦ材）とを用意した。
Ｖの化学成分は表１に示した通りであり、そのヒートの
種類により、ばね鋼ＳＵＰ１２が４種類（ヒートＡ，Ｂ
２，Ｃ１，Ｄ１，）、弁ばね鋼ＳＷＯＳＣ−Ｖが２種類
（Ｅ２，Ｆ）の計６種類用意した。それらの鋼の形状と
欠陥寸法、熱処理条件、引張強度σB 、およびビッカー
ス硬さＨｖは、表２に示した通りであり、ばね鋼ＳＵＰ
１２のヒートＤ１については、熱処理条件の異なる２種
類、すなわち、通常焼入れ焼戻し材（ＱＴ材）と改良オ
ースフォーム材（ＡＦ材）とを用意した。
【００３２】
【表１】
【００３３】
【表２】
【００３４】これらの計６種類の鋼に対して、まずはじ
めに、最大欠陥寸法√ａｒｅａmax ,mを求めるために極
値統計グラフを作成した。この実施例の場合では、最大
介在物の欠陥寸法は、内部破壊しないで表面破壊だけの
場合を保証している。
めに、最大欠陥寸法√ａｒｅａmax ,mを求めるために極
値統計グラフを作成した。この実施例の場合では、最大
介在物の欠陥寸法は、内部破壊しないで表面破壊だけの
場合を保証している。
【００３５】その極値統計グラフは、検査基準面積Ｓ0
＝０．４８２ｍｍ2 において最大欠陥寸法√ａｒｅａ
max,m を求め、この手順を異なる場所で２０回行い、最
大介在物の分布直線を求めた。この分布直線を基に疲労
試験片の最小断欠陥寸法（πｒ2 ＝π×６2 ＝２８．３
ｍｍ2 ）、ｒは半径）に存在する最大欠陥寸法√ａｒｅ
ａmax,m を求め、表３に示した。
＝０．４８２ｍｍ2 において最大欠陥寸法√ａｒｅａ
max,m を求め、この手順を異なる場所で２０回行い、最
大介在物の分布直線を求めた。この分布直線を基に疲労
試験片の最小断欠陥寸法（πｒ2 ＝π×６2 ＝２８．３
ｍｍ2 ）、ｒは半径）に存在する最大欠陥寸法√ａｒｅ
ａmax,m を求め、表３に示した。
【００３６】
【表３】
【００３７】表３によると、ＳＵＰ１２鋼Ａヒートの√
ａｒｅａmax,m ＝１５μｍを示す介在物はＡｌ2 Ｏ3 系
介在物であるが、それ以外の４種類のＳＵＰ１２鋼（Ｂ
２，Ｃ１，Ｄ１ヒート）と２種類のＳＷＯＳＣ−Ｖ鋼
（Ｅ２，Ｆヒート）では、Ａｌ2 Ｏ3 系複合介在物また
はＳｉＯ2 系介在物であり、最新の介在物軟質化制御が
行われていることがわかる。
ａｒｅａmax,m ＝１５μｍを示す介在物はＡｌ2 Ｏ3 系
介在物であるが、それ以外の４種類のＳＵＰ１２鋼（Ｂ
２，Ｃ１，Ｄ１ヒート）と２種類のＳＷＯＳＣ−Ｖ鋼
（Ｅ２，Ｆヒート）では、Ａｌ2 Ｏ3 系複合介在物また
はＳｉＯ2 系介在物であり、最新の介在物軟質化制御が
行われていることがわかる。
【００３８】この発明で対象としている１２００ＭＰａ
超級の高強度鋼の引張強度σw と１０3 回疲労限の関係
は図１（ａ）に、ビッカース硬さＨｖと１０8 回疲労限
の関係は図１（ｂ）に示した通りであり、これらの図に
は、ＳＵＰ１２鋼ＡＦ材の表面破壊◆印と内部破壊◇
印、ＳＵＰ１２鋼ＱＴ材の内部破壊△印を示している。
また、これらの図においては、後述の図１１と図１２か
ら求められる１０8 回疲労限を、◆印と◇印を用いて示
している。内部破壊（◇印）の欠陥寸法は破面上で観察
したＯＤＡを伴わない介在物の欠陥寸法の平均値２０μ
ｍを用いた。またこれらの図には、低強度鋼（炭素鋼、
低合金鋼、ばね鋼）についても、表面破壊の場合を＋
印、内部破壊の場合を×印で記してある。この図中×印
で示す低強度鋼の内部破壊した結果では、破壊起点はＡ
ｌ2 Ｏ3 系介在物であった。低強度鋼ではσw ＝０．５
×σB の関係が認められるが、ＳＵＰ１２鋼の改良オー
スフォーム材（ＡＦ材）とＳＵＰ１２鋼の通常焼入れ焼
戻し材（ＱＴ材）の高強度鋼では、引張強度と疲労限の
相関は見られない。
超級の高強度鋼の引張強度σw と１０3 回疲労限の関係
は図１（ａ）に、ビッカース硬さＨｖと１０8 回疲労限
の関係は図１（ｂ）に示した通りであり、これらの図に
は、ＳＵＰ１２鋼ＡＦ材の表面破壊◆印と内部破壊◇
印、ＳＵＰ１２鋼ＱＴ材の内部破壊△印を示している。
また、これらの図においては、後述の図１１と図１２か
ら求められる１０8 回疲労限を、◆印と◇印を用いて示
している。内部破壊（◇印）の欠陥寸法は破面上で観察
したＯＤＡを伴わない介在物の欠陥寸法の平均値２０μ
ｍを用いた。またこれらの図には、低強度鋼（炭素鋼、
低合金鋼、ばね鋼）についても、表面破壊の場合を＋
印、内部破壊の場合を×印で記してある。この図中×印
で示す低強度鋼の内部破壊した結果では、破壊起点はＡ
ｌ2 Ｏ3 系介在物であった。低強度鋼ではσw ＝０．５
×σB の関係が認められるが、ＳＵＰ１２鋼の改良オー
スフォーム材（ＡＦ材）とＳＵＰ１２鋼の通常焼入れ焼
戻し材（ＱＴ材）の高強度鋼では、引張強度と疲労限の
相関は見られない。
【００３９】この図１（ａ）（ｂ）から、ＡＦ材では内
部破壊したとしてもσw ＝０．５または、σB ，σw ＝
１．６Ｈｖを超えていることがわかり、この発明の評価
法により、高疲労強度の鋼を設計できることがわかる。Ｂ 内部破壊起点考慮した評価方法 次に、最近では、内部破壊起点周りのＳＥＭ写真を示し
た図２（ａ）のように、介在物周りのＳＥＭ写真で観察
されるような介在物周りの凸凹欠陥寸法（ＯＤＡ；Opti
cally Dark Area)が通常の疲労き裂に先立って形成さ
れ、介在物の実効欠陥寸法を大きくしていることが予測
されているので、この点についても考慮した。すなわち
疲労試験を実施した高強度鋼を調査した結果、ＯＤＡの
欠陥寸法と介在物の欠陥寸法には図３に示すような相
関、すなわち、Ｄ＝２ｄの相関があることを見出した。
部破壊したとしてもσw ＝０．５または、σB ，σw ＝
１．６Ｈｖを超えていることがわかり、この発明の評価
法により、高疲労強度の鋼を設計できることがわかる。Ｂ 内部破壊起点考慮した評価方法 次に、最近では、内部破壊起点周りのＳＥＭ写真を示し
た図２（ａ）のように、介在物周りのＳＥＭ写真で観察
されるような介在物周りの凸凹欠陥寸法（ＯＤＡ；Opti
cally Dark Area)が通常の疲労き裂に先立って形成さ
れ、介在物の実効欠陥寸法を大きくしていることが予測
されているので、この点についても考慮した。すなわち
疲労試験を実施した高強度鋼を調査した結果、ＯＤＡの
欠陥寸法と介在物の欠陥寸法には図３に示すような相
関、すなわち、Ｄ＝２ｄの相関があることを見出した。
【００４０】ここで、Ｄは縦軸であり、介在物起点内部
破壊でのＯＤＡによる欠陥寸法をも含めた全体の欠陥寸
法√ａｒｅａh であり、ｄは横軸であり、破壊起点が内
部である場合（ＯＤＡの影響がない場合）の介在物のみ
の欠陥寸法√ａｒｅａi である。この状態を模式的に示
したものは、図４である。
破壊でのＯＤＡによる欠陥寸法をも含めた全体の欠陥寸
法√ａｒｅａh であり、ｄは横軸であり、破壊起点が内
部である場合（ＯＤＡの影響がない場合）の介在物のみ
の欠陥寸法√ａｒｅａi である。この状態を模式的に示
したものは、図４である。
【００４１】以上のことから、疲労限σw と欠陥寸法√
ａｒｅａの関係を図５に整理した。この図５において、
後述の図１１と図１２から求められる１０8 回疲労限
を、◆印と◇印を用いて示し、表面破壊（◆印）の欠陥
寸法は表３のＤ１ヒートＡＦ材の最大不均一組織欠陥寸
法√ａｒｅａmax,m ＝５μｍが存在すると仮定した。こ
こで、横軸の欠陥寸法√ａｒｅａは、介在物起点内部破
壊ではＯＤＡを含めた全体の欠陥寸法√ａｒｅａh 、介
在物の欠陥寸法に規制のない場合の介在物のみの欠陥寸
法√ａｒｅａi 、および、組織割れ起点内部破壊の場合
の欠陥寸法√ａｒｅａmax,m を用いている。相関関係を
表す図中の直線（イ）は、
ａｒｅａの関係を図５に整理した。この図５において、
後述の図１１と図１２から求められる１０8 回疲労限
を、◆印と◇印を用いて示し、表面破壊（◆印）の欠陥
寸法は表３のＤ１ヒートＡＦ材の最大不均一組織欠陥寸
法√ａｒｅａmax,m ＝５μｍが存在すると仮定した。こ
こで、横軸の欠陥寸法√ａｒｅａは、介在物起点内部破
壊ではＯＤＡを含めた全体の欠陥寸法√ａｒｅａh 、介
在物の欠陥寸法に規制のない場合の介在物のみの欠陥寸
法√ａｒｅａi 、および、組織割れ起点内部破壊の場合
の欠陥寸法√ａｒｅａmax,m を用いている。相関関係を
表す図中の直線（イ）は、
【００４２】
【数５】
【００４３】で与えられる。
【００４４】ここで、ΔＫｔｈ＝３ＭＰａｍ1/2 とした
ときの直線（イ）と、表面破壊の疲労限をあらわすσw
≧０．５×σB 、またはσw ≧１．６Ｈｖで与えられる
直線（ロ）の交点から、最大欠陥寸法（√ａｒｅａ）
max は、
ときの直線（イ）と、表面破壊の疲労限をあらわすσw
≧０．５×σB 、またはσw ≧１．６Ｈｖで与えられる
直線（ロ）の交点から、最大欠陥寸法（√ａｒｅａ）
max は、
【００４５】
【数６】
【００４６】のようになる。
【００４７】この式（６）より、この本発明において
は、この下限以下の値に欠陥寸法を規制することで、高
強度鋼の疲労限が引張強度の０．５倍以上まはたビッカ
ース硬さの１．６倍以上になることがわかる。Ｃ 介在物欠陥寸法の規制がない場合 一方、介在物起点内部破壊に関しては、介在物周りのＯ
ＤＡの影響がほとんどないと仮定すると、前記図２に示
すように、欠陥寸法は介在物の欠陥寸法√ａｒｅａi す
なわちＯＤＡを含めた欠陥寸法√ａｒｅａh の半分とな
り、同じ引張強度でもσw ＝３．３８（ａｒｅａi ）
-1/4で表される高疲労強度の高強度鋼が得られることが
わかる。実施例２ 次に、組織均一結晶粒微細化を行ったＳＵＰ１２鋼に対
して、この発明の評価法を適用して高強度鋼を設計し
た。
は、この下限以下の値に欠陥寸法を規制することで、高
強度鋼の疲労限が引張強度の０．５倍以上まはたビッカ
ース硬さの１．６倍以上になることがわかる。Ｃ 介在物欠陥寸法の規制がない場合 一方、介在物起点内部破壊に関しては、介在物周りのＯ
ＤＡの影響がほとんどないと仮定すると、前記図２に示
すように、欠陥寸法は介在物の欠陥寸法√ａｒｅａi す
なわちＯＤＡを含めた欠陥寸法√ａｒｅａh の半分とな
り、同じ引張強度でもσw ＝３．３８（ａｒｅａi ）
-1/4で表される高疲労強度の高強度鋼が得られることが
わかる。実施例２ 次に、組織均一結晶粒微細化を行ったＳＵＰ１２鋼に対
して、この発明の評価法を適用して高強度鋼を設計し
た。
【００４８】図６は、組織均一結晶粒微細化のため、Ｓ
ＵＰ１２鋼に対して施した、加工熱処理のプロセスを例
示したものである。すなわち、前処理として、５０ｍｍ
径の丸棒を電気炉中で１２００℃、１時間保持した後
に、板厚２５ｍｍまで圧延し、空冷した。改良オースフ
ォーム処理としては、電気炉中で８４５℃、３０分間保
持し、８００℃まで空冷した後、板厚１２ｍｍまで２パ
スで圧延し、水冷した。焼戻しとしては、ソルトバスで
４３０℃、１時間保持した後に水冷した。ビッカース硬
さは５３４である。
ＵＰ１２鋼に対して施した、加工熱処理のプロセスを例
示したものである。すなわち、前処理として、５０ｍｍ
径の丸棒を電気炉中で１２００℃、１時間保持した後
に、板厚２５ｍｍまで圧延し、空冷した。改良オースフ
ォーム処理としては、電気炉中で８４５℃、３０分間保
持し、８００℃まで空冷した後、板厚１２ｍｍまで２パ
スで圧延し、水冷した。焼戻しとしては、ソルトバスで
４３０℃、１時間保持した後に水冷した。ビッカース硬
さは５３４である。
【００４９】改良オースフォーム材（ＡＦ材）と通常の
焼入れ焼戻し材（ＱＴ材）の組織の例を図７の写真とし
て示した。それぞれの組織は不均一な組織は含まれ、そ
れらの欠損面積√ａｒｅａについて極値統計した結果
は、図８に示した通りであった。ＡＦ材の最大不均一組
織欠陥領域√ａｒｅａmax,m の極値分布は、ＱＴ材の分
布直線√ａｒｅａmax,m ＝０．９４０３ｙ＋４．５７１
と、√ａｒｅａmax,m ＝０に囲まれた欠陥寸法にあっ
た。
焼入れ焼戻し材（ＱＴ材）の組織の例を図７の写真とし
て示した。それぞれの組織は不均一な組織は含まれ、そ
れらの欠損面積√ａｒｅａについて極値統計した結果
は、図８に示した通りであった。ＡＦ材の最大不均一組
織欠陥領域√ａｒｅａmax,m の極値分布は、ＱＴ材の分
布直線√ａｒｅａmax,m ＝０．９４０３ｙ＋４．５７１
と、√ａｒｅａmax,m ＝０に囲まれた欠陥寸法にあっ
た。
【００５０】ＡＦ材とＱＴ材の焼戻しマルテンサイトの
組織の例を図９に示した。この組織の代表欠陥寸法をブ
ロック巾とし、その極値統計結果を示すと図１０とな
る。ＡＦ材のブロック巾の最大値ｄmax の極値分布は、
ＱＴ材の分布直線ｄmax ＝０．２１７ｙ＋０．７０１と
ｄmax ＝０に囲まれる領域にあった。
組織の例を図９に示した。この組織の代表欠陥寸法をブ
ロック巾とし、その極値統計結果を示すと図１０とな
る。ＡＦ材のブロック巾の最大値ｄmax の極値分布は、
ＱＴ材の分布直線ｄmax ＝０．２１７ｙ＋０．７０１と
ｄmax ＝０に囲まれる領域にあった。
【００５１】このような組織の特徴を有するＡＦ材の疲
労試験結果で、表面破壊の場合は、図１１に示した通り
であり、破壊繰り返し数Ｎｆと応力振幅σａの関係を示
している。この図１１に示す欠陥の√ａｒｅａ≦４５．
８／σB 2 以下となるものは、本願の第１の発明に該当
するσw ≧０．５σB を達成している。
労試験結果で、表面破壊の場合は、図１１に示した通り
であり、破壊繰り返し数Ｎｆと応力振幅σａの関係を示
している。この図１１に示す欠陥の√ａｒｅａ≦４５．
８／σB 2 以下となるものは、本願の第１の発明に該当
するσw ≧０．５σB を達成している。
【００５２】さらに、このＡＦ材の疲労試験結果で、内
部破壊の場合は、図１２に示した通りであり、破壊繰り
返し数Ｎｆと応力振幅σａの関係を示している。この図
１２に示す欠陥の√ａｒｅａ＞４５．８／σB 2 となる
ものは、介在物の欠陥寸法√ａｒｅａi の平均が約２０
μｍの介在物により内部破壊が発生するが、介在物周り
にＯＤＡが存在していないため、本願の第２の発明に該
当するσw ≧３．３８（ａｒｅａi ）-1/4を達成してい
る。実施例２ 通常熱処理により製造したＳＵＰ１２鋼を２×１０-6Ｐ
ａ以上の高真空中で３００℃まで加熱した。ビッカース
硬さは５１８であり、欠陥寸法√ａｒｅａは４．８／σ
B 2 以下であり、σw ≧１．６Ｈｖを達成していた。
部破壊の場合は、図１２に示した通りであり、破壊繰り
返し数Ｎｆと応力振幅σａの関係を示している。この図
１２に示す欠陥の√ａｒｅａ＞４５．８／σB 2 となる
ものは、介在物の欠陥寸法√ａｒｅａi の平均が約２０
μｍの介在物により内部破壊が発生するが、介在物周り
にＯＤＡが存在していないため、本願の第２の発明に該
当するσw ≧３．３８（ａｒｅａi ）-1/4を達成してい
る。実施例２ 通常熱処理により製造したＳＵＰ１２鋼を２×１０-6Ｐ
ａ以上の高真空中で３００℃まで加熱した。ビッカース
硬さは５１８であり、欠陥寸法√ａｒｅａは４．８／σ
B 2 以下であり、σw ≧１．６Ｈｖを達成していた。
【００５３】
【発明の効果】以上詳しく説明したように、この出願の
発明により、ＯＤＡ欠陥寸法と疲労強度との関係をも考
慮に入れた高強度鋼における高疲労強度材料の設計法と
その材料を提供することを可能とする。
発明により、ＯＤＡ欠陥寸法と疲労強度との関係をも考
慮に入れた高強度鋼における高疲労強度材料の設計法と
その材料を提供することを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例であって、静的強度と１０8
回疲労限の関係を示した関係図である。
回疲労限の関係を示した関係図である。
【図２】内部破壊起点周りのＳＥＭ写真を示した図であ
る。
る。
【図３】この発明の実施例であってＯＤＡと介在物の欠
陥寸法√ａｒｅａの関係を示した関係図である。
陥寸法√ａｒｅａの関係を示した関係図である。
【図４】内部破壊の様子を示した概略頭である。
【図５】この発明の実施例であって、欠陥寸法√ａｒｅ
ａと疲労限の関係を示した関係図である。
ａと疲労限の関係を示した関係図である。
【図６】加工熱処理のプロセスを例示した図である。
【図７】不均一組織の光学顕微鏡写真を示した図であ
る。
る。
【図８】この発明の実施例であって、介在物不均一組織
欠陥寸法の極値統計を示した関係図である。
欠陥寸法の極値統計を示した関係図である。
【図９】焼戻しマルテンサイト組織のブロックをＡＦＭ
写真として示した図である。
写真として示した図である。
【図１０】この発明の実施例であって、最大ブロック巾
の極値統計を示した関係図である。
の極値統計を示した関係図である。
【図１１】この発明の実施例であって、ＡＦ材の疲労試
験結果（介在物規制あり）を示した関係図である。
験結果（介在物規制あり）を示した関係図である。
【図１２】この発明の実施例であって、ＡＦ材の疲労試
験結果（介在物規制なし）を示した関係図である。
験結果（介在物規制なし）を示した関係図である。
フロントページの続き (72)発明者 松岡 三郎 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 安部 孝行 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 竹内 悦男 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 宮原 健介 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 蛭川 寿 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 津崎 兼彰 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 木村 勇次 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 Ｆターム(参考） 2G055 AA03 BA05 BA07 BA14 CA02 CA05 CA06 CA09 CA11 CA22 CA25 CA26 CA27 CA29 EA04 FA01 FA02 2G061 AB05 AC03 BA01 BA15 CA02
Claims (6)
- 【請求項１】 引張強度σB （単位はＭＰａ）、ビッカ
ース硬さＨｖが既知である鋼において、破壊起点が表面
だけである場合、その鋼に含まれる欠陥の√ａｒｅａ
（単位はｍ）が、４５．８／σB 2 または４．４７／Ｈ
ｖ2 以下であるとき、疲労限σw （単位はＭＰａ）が、
σw が≧０．５σB またはσw ≧１．６Ｈｖを達成する
という材料の設計指針を与えることを特徴とする高強度
鋼における高疲労強度材料の評価法。 - 【請求項２】 引張強度σB （単位はＭＰａ）、ビッカ
ース硬さＨｖが既知である鋼において、破壊起点が内部
である場合、介在物の欠陥面積ａｒｅａを測定し、疲労
限σw （単位はＭＰａ）が、σw ≧３．３８（ａｒｅａ
i ）-1/4を達成するという材料の設計指針を与えること
を特徴とする高強度鋼における高疲労強度材料の評価
法。 - 【請求項３】 請求項１または２の高疲労強度材料の評
価を可能とする方法であって、組織均一（不均一組織の
サイズ低下）あるいは組織微細化（ブロック巾低下）図
った場合、最大不均一組織欠陥面積ａｒｅａmax,m を測
定し、最大不均一組織欠陥領域√ａｒｅａmax,m （√ａ
ｒｅａmax,m の単位はμｍ）の極値分布が、直線√ａｒ
ｅａmax,m ＝０と√ａｒｅａmax,m ＝０．９４０３ｙ＋
４．５７１（検査基準面積Ｓ0 ＝６．２×１０-9ｍ2 ）
に囲まれる領域にあり、または、最大ブロック巾ｄmax
（ｄmax の単位はμｍ）の極値分布が、直線ｄmax ＝０
とｄmax ＝０．２１７ｙ＋０．７０１（ｙは基準化変
数、検査基準面積１×１０-10 ｍ2 ）に囲まれる領域に
あることを特徴とする高強度組織の評価法。 - 【請求項４】 高強度組織の評価を可能とする、組織均
一（不均一組織のサイズ低下）あるいは組織微細化（ブ
ロック巾低下）図った場合、最大不均一組織欠陥面積ａ
ｒｅａmax,m を測定し、最大不均一組織欠陥領域√ａｒ
ｅａmax,m （√ａｒｅａmax,m の単位はμｍ）の極値分
布が、直線√ａｒｅａmax,m ＝０と√ａｒｅａmax,m ＝
０．９４０３ｙ＋４．５７１に囲まれる領域にあり、ま
たは、最大ブロック巾ｄmax （ｄmax の単位はμｍ）の
極値分布が、直線ｄmax ＝０とｄmax ＝０．２１７ｙ＋
０．７０１（ｙは基準化変数）に囲まれる領域にあるこ
とを特徴とする高強度組織の評価法のもとで、請求項１
または２の評価法により与えられた設計指針に沿って鋼
を製造することを特徴とする高疲労強度材料の製造方
法。 - 【請求項５】 ２×１０-6Ｐａ以上の高真空中で鋼を焼
戻す熱処理を施すことにより請求項１の評価方法により
与えられた材料の設計指針に沿った鋼を製造することを
特徴とする高疲労強度材料の製造方法。 - 【請求項６】 高強度組織の評価を可能とする、組織均
一（不均一組織のサイズ低下）あるいは組織微細化（ブ
ロック巾低下）図った場合、最大不均一組織欠陥面積ａ
ｒｅａmax,m を測定し、最大不均一組織欠陥領域√ａｒ
ｅａmax,m （√ａｒｅａmax,m の単位はμｍ）の極値分
布が、直線√ａｒｅａmax,m ＝０と√ａｒｅａmax,m ＝
０．９４０３ｙ＋４．５７１に囲まれる領域にあり、ま
たは、最大ブロック巾ｄmax （ｄmax の単位はμｍ）の
極値分布が、直線ｄmax ＝０とｄmax ＝０．２１７ｙ＋
０．７０１（ｙは基準化変数）に囲まれる領域にあるこ
とを特徴とする高強度組織の評価法のもとで、請求項１
または２の高強度鋼における高疲労強度材料の評価方法
によって与えられた設計指針に沿って製造されたことを
特徴とする高疲労強度材料。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000232531A JP4360509B2 (ja) | 2000-07-31 | 2000-07-31 | 高強度鋼における高疲労強度の評価法と製造方法 |
| EP01306529A EP1178313A3 (en) | 2000-07-31 | 2001-07-31 | Method of estimating the fatigue strength of high tensile strength steel and method of producing a high fatigue strength material |
| US09/917,733 US6546808B2 (en) | 2000-07-31 | 2001-07-31 | Method of evaluating high fatigue strength material in high tensile strength steel and creation of high fatigue strength material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000232531A JP4360509B2 (ja) | 2000-07-31 | 2000-07-31 | 高強度鋼における高疲労強度の評価法と製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002048693A true JP2002048693A (ja) | 2002-02-15 |
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ID=18725204
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000232531A Expired - Fee Related JP4360509B2 (ja) | 2000-07-31 | 2000-07-31 | 高強度鋼における高疲労強度の評価法と製造方法 |
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|---|---|
| US (1) | US6546808B2 (ja) |
| EP (1) | EP1178313A3 (ja) |
| JP (1) | JP4360509B2 (ja) |
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| WO2013128500A1 (ja) * | 2012-02-29 | 2013-09-06 | 日本精工株式会社 | ダイカスト製品の強度評価方法及びダイカスト製品 |
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2000
- 2000-07-31 JP JP2000232531A patent/JP4360509B2/ja not_active Expired - Fee Related
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2001
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