JP3983180B2 - 切欠き付試験片の疲労強度の向上方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切欠き効果が発生するようなＶ字状の切欠きを中央部に有する切欠き付試験片の疲労強度を向上させるのに好適な方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属部材の疲労強度は、通常回転曲げ疲労試験で行われることが多い。例えば、マルエージング鋼製の試験片を用い、ショット粒の粒径の相異が疲労強度の向上に及ぼす影響について発明者が詳細に検討した。その検討結果の報告（非特許文献１）では、繰り返し数106〜107回で比較すると、切欠きを有しない平滑状の試験片では、ショット粒の衝突によって約60％程度の強度向上が認められた。その場合、粒径0.3、0.6、1.1mmのショット粒で比較すると、粒径0.3mmの小径の場合が最も疲労強度が高くなり、次に粒径0.6、1.1mmの順になる。このような結果になるのは、平滑状の試験片の場合には初期き裂の発生の難易もしくは10μm前後の微小き裂の停留挙動が疲労強度を支配するからである。ショット粒が大きいと、圧縮残留応力の深さや加工硬化層の深さが大になるものの、極表面での圧縮残留応力が低下するため、極表面では圧縮残留応力の低下が少ない小径のショット粒の場合が、き裂の発生を防止もしくは上記微小き裂を停留させることができ、疲労強度が高くなることになる。
【０００３】
【非特許文献１】
日本機械学会論文集 ６５巻 ６３９号 A編 Ｐ．７７
平成１１年１１月発行 社団法人 日本機械学会
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来、切欠き効果が発生するような切欠きを表面に有する金属部材についての研究報告は特に見当たらないので、切欠き付き金属部材にも、平滑状の試験片による知見が適用され、通常のショットピーニング処理が行われているのが実状である。しかし、従来の平滑状の試験片による知見では、切欠き付き金属部材に対しては疲労強度を十分に向上させることができないなどの問題があった。
【０００５】
本発明は、上記の問題を解消するためになされたもので、その目的は、切欠き効果が発生するような切欠きを表面に有する金属部材に対して疲労強度を十分に向上させることができる方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するためになされた本発明は、切欠き効果が発生するＶ字状の切欠きを中央部に有する切欠き付試験片の疲労強度を向上させる方法であって、前記切欠きの内部に侵入可能であるが、切欠き底には届かない粒径のショット粒を加速させた後、前記切欠きの内部および切欠き付近の表面に衝突させて前記切欠き部分および切欠き付近の圧縮残留応力を高めるとともに加工硬化を誘発させることにより、前記切欠き効果による破壊を防止するようにしたことを特徴とすることを特徴とする。
【０００７】
Ｖ字状の切欠きの内部に侵入可能であるが、切欠き底には届かない粒径のショット粒を加速させた後前記切欠きの内部および切欠き付近の表面に衝突させると、前記切欠き部分および切欠き付近の圧縮残留応力が高くなるとともに加工硬化が誘発され、これに伴って、金属部材の表面の強度が強くなり、切欠き効果による破壊を防止することができることになる。そして、より好ましくは、ショット粒の衝突による圧痕の深さを前記切欠き部分の深さよりも寸法的に小さくすることにより、疲労き裂の伝播を抑えることができ、切欠き効果による破壊を防止することができる。
【０００８】
なお、本発明において、ショット粒の加速は、回転翼による遠心力の付与や、圧縮気体によるノズルからの噴射によって達成することができる。またなお、本発明において、ショット粒の直径が６００〜３０００μｍであると、より良好な結果が得られる。
【０００９】
【実施例１】
本発明の実施例１について図面に基づき詳細に説明する。図１に示すように、マルエージング鋼製の試験片は切欠き効果が発生するようなV字状の切欠きを中央部に有しており、この切欠きは、深さtが１．５ｍｍ、底部の壁面が成す曲率半径（切欠き底半径）Rが０．１ｍｍであり、さらに切欠きを除く残部の直径が５ｍｍ（応力集中係数Ｋt＝４．１）、全長が６０ｍｍである。
【００１０】
そこで、上述の試験片を所要の回転数で回転させながら、表１に示す所定の噴射条件でノズルから切欠きおよび切欠き付近に向けて様々な粒径のショット粒を噴射してショットピーニング処理を行った。様々な粒径のショット粒を切欠きに向けて噴射すると、図２に示すＳ-Ｎ曲線のように、ショット粒の粒径が大きくなるにつれて疲労強度の向上率が上昇し、特に粒径1.7mmのショット粒の場合が著しいことが分かる。
【００１１】
【表１】
【００１２】
なお、上記の試験片に係るショットピーニング処理前の疲労試験のS-N曲線は、図２において非ショット材の例で示すとおりである。この非ショット材は600ＭＰａあった疲労限度が、その切欠き効果によって130ＭＰａ程度に低下した。またなお、図３に示すように、噴射した粒径1.7mmおよび1.１mmのショット粒は切欠き底までは到達していない。
【００１３】
また、上述したように、噴射した粒径1.１mmのショット粒は切欠き底までは到達しておらず、これに伴って、切欠き底の表面は図４の電子顕微鏡写真における右側の円弧の部分で示すように、ショット粒の衝突による圧痕が、切欠き底には届かず、上部の方で止まっている。つまり、図４において左の部分がショット粒が衝突し、中央部分がショット粒が衝突していないことを表している。このように、切欠きの表面に衝突したショット粒が切欠き底に到達していないにもかかわらず、高い疲労強度が得られた要因を調査するため、切欠き底から深さ方向の硬さ変化を調べたところ、その調査結果は図５に示すようになった。この図５からショット粒の粒径が大きい程、加工硬化が著しいことが分かる。
【００１４】
また、この切欠き付近の硬さ分布を詳細に測定してみると、図６に示すように、粒径1.1mmと1.7mmのショット粒の場合には、これらのショット粒が上述したように切欠き底までは到達していないにもかかわず、切欠き底でも加工硬化が極端には低下しておらず相当に硬い硬化層が生成していることが分かる。
【００１５】
また、粒径1.7mmのショット粒を噴射した試験片のうち疲労試験の繰り返し数108回で破壊しなかったものに大荷重を負荷して破断させ、その破断した破面の電子顕微鏡写真を示すと図７になる。この電子顕微鏡写真において白い部分は停留き裂を示す。なお、停留き裂とは疲労試験の際に切欠き底から発生した疲れき裂がわずかに成長した後伝播が停止したものである。
【００１６】
図７に示すように、疲労試験における疲労過程で生じた最大き裂長さは300μm程度であり、したがって、疲労き裂は、加工硬化層の範囲内で停留していることが分かる（図５参照、図５において加工硬化層は５００μm程度である）。このことから、切欠きを有する試験片でも、粒径の大きいショット粒を噴射すると、深い圧縮残留応力層と加工硬化層ができるため、切欠き底から発生した平滑材での停留き裂長さより長い疲れき裂の成長を停留させることができる。
【００１７】
【実施例２】
図１の試験片において切欠き深さtを0.1mm、切欠き底半径Rを0.1 mmにした場合（応力集中係数Kt=2.7）、上述の表１に示す所定の噴射条件で疲労試験を行ったところ、この疲労試験のS-N曲線は図８（ａ）に示すようになった。この図８から、この場合の試験片では、繰り返し数107回での時間強度はショット粒の噴射のない場合にはショット粒の粒径が０.３ mmの場合320ＭＰａであったが、ショット粒の噴射のある場合には７２０ＭＰａにもなって、疲労強度が著しく増加することが分かる。その増加の割合は、実施例１と同様に、大きい粒径のショット粒ほど著しく、粒径1.1mmのショット粒では平滑状の試験片と同程度にまで向上していた（図８（ｂ））。このことは、0.1mm程度の深さのキズや疲労損傷材では完全な強度回復が望めることを示している。
【００１８】
上述の試験片における切欠き底での加工硬化の変化を調査したところ、図９に示すようになった。この図９によると、切欠き底における表面層の硬さ分布が、粒径0.3、0.6、1.1mmのショット粒共にほぼ等しくなっており、したがって、切欠き底では、ショット粒の粒径が0.3、0.6、1.1mmの場合、投射されたショット粒の粒径に左右されず、切欠き底まで同等の効果を奏していることが分る。
【００１９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明は、切欠き効果が発生するようなＶ字状の切欠きを中央部に有する切欠き付試験片の疲労強度を向上させる方法であって、前記切欠きの内部に進入可能な範囲内で可能な限り大きいショット粒を加速させた後前記切欠きの内部および切欠き付近の表面に衝突させて前記切欠き部分および切欠き付近の圧縮残留応力を高めるとともに加工硬化を誘発させることにより、前記切欠き効果による破壊を防止するようにしたことにより、切欠き効果が発生するような切欠きを有する金属部材に対して疲労強度を十分に向上させることができるなどの優れた実用的効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１および２に使用した試験片の正面図である。
【図２】本発明の実施例１における疲労試験のＳ−Ｎ曲線である。
【図３】本発明の実施例１において切欠きにおけるショット粒の到達位置を説明するための説明図である。
【図４】本発明の実施例１において粒径１．１ｍｍのショット粒を噴射した場合の図３のA-A矢視の電子顕微鏡写真である。
【図５】本発明の実施例１において様々な粒径のショット粒を噴射した場合の切欠き底における深さ方向の硬さ変化を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例１において粒径1.１mmおよび1.7mmのショット粒を噴射した場合の切欠きおよび切欠き付近における硬さ分布を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例１において粒径1.7mmのショット粒を噴射した試験片のうち疲労試験の繰り返し数108回で破壊しなかったものに大荷重を負荷して破断させ、その破断した破面の電子顕微鏡写真である。
【図８】本発明の実施例２における疲労試験のS-N曲線であり、(ａ)ではショット粒径の相違による疲労強度向上を示し、(ｂ)では、ψ1.1ｍｍ粒によるショット処理で、切欠き深さｔ=0.1ｍｍの場合、平滑材との同等の疲労強度を示す。
【図９】本発明の実施例２において切欠き付き試験片と切欠きなし試験片に係る硬さ分布を示すグラフである。
【発明の属する技術分野】
本発明は、切欠き効果が発生するようなＶ字状の切欠きを中央部に有する切欠き付試験片の疲労強度を向上させるのに好適な方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属部材の疲労強度は、通常回転曲げ疲労試験で行われることが多い。例えば、マルエージング鋼製の試験片を用い、ショット粒の粒径の相異が疲労強度の向上に及ぼす影響について発明者が詳細に検討した。その検討結果の報告（非特許文献１）では、繰り返し数106〜107回で比較すると、切欠きを有しない平滑状の試験片では、ショット粒の衝突によって約60％程度の強度向上が認められた。その場合、粒径0.3、0.6、1.1mmのショット粒で比較すると、粒径0.3mmの小径の場合が最も疲労強度が高くなり、次に粒径0.6、1.1mmの順になる。このような結果になるのは、平滑状の試験片の場合には初期き裂の発生の難易もしくは10μm前後の微小き裂の停留挙動が疲労強度を支配するからである。ショット粒が大きいと、圧縮残留応力の深さや加工硬化層の深さが大になるものの、極表面での圧縮残留応力が低下するため、極表面では圧縮残留応力の低下が少ない小径のショット粒の場合が、き裂の発生を防止もしくは上記微小き裂を停留させることができ、疲労強度が高くなることになる。
【０００３】
【非特許文献１】
日本機械学会論文集 ６５巻 ６３９号 A編 Ｐ．７７
平成１１年１１月発行 社団法人 日本機械学会
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来、切欠き効果が発生するような切欠きを表面に有する金属部材についての研究報告は特に見当たらないので、切欠き付き金属部材にも、平滑状の試験片による知見が適用され、通常のショットピーニング処理が行われているのが実状である。しかし、従来の平滑状の試験片による知見では、切欠き付き金属部材に対しては疲労強度を十分に向上させることができないなどの問題があった。
【０００５】
本発明は、上記の問題を解消するためになされたもので、その目的は、切欠き効果が発生するような切欠きを表面に有する金属部材に対して疲労強度を十分に向上させることができる方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するためになされた本発明は、切欠き効果が発生するＶ字状の切欠きを中央部に有する切欠き付試験片の疲労強度を向上させる方法であって、前記切欠きの内部に侵入可能であるが、切欠き底には届かない粒径のショット粒を加速させた後、前記切欠きの内部および切欠き付近の表面に衝突させて前記切欠き部分および切欠き付近の圧縮残留応力を高めるとともに加工硬化を誘発させることにより、前記切欠き効果による破壊を防止するようにしたことを特徴とすることを特徴とする。
【０００７】
Ｖ字状の切欠きの内部に侵入可能であるが、切欠き底には届かない粒径のショット粒を加速させた後前記切欠きの内部および切欠き付近の表面に衝突させると、前記切欠き部分および切欠き付近の圧縮残留応力が高くなるとともに加工硬化が誘発され、これに伴って、金属部材の表面の強度が強くなり、切欠き効果による破壊を防止することができることになる。そして、より好ましくは、ショット粒の衝突による圧痕の深さを前記切欠き部分の深さよりも寸法的に小さくすることにより、疲労き裂の伝播を抑えることができ、切欠き効果による破壊を防止することができる。
【０００８】
なお、本発明において、ショット粒の加速は、回転翼による遠心力の付与や、圧縮気体によるノズルからの噴射によって達成することができる。またなお、本発明において、ショット粒の直径が６００〜３０００μｍであると、より良好な結果が得られる。
【０００９】
【実施例１】
本発明の実施例１について図面に基づき詳細に説明する。図１に示すように、マルエージング鋼製の試験片は切欠き効果が発生するようなV字状の切欠きを中央部に有しており、この切欠きは、深さtが１．５ｍｍ、底部の壁面が成す曲率半径（切欠き底半径）Rが０．１ｍｍであり、さらに切欠きを除く残部の直径が５ｍｍ（応力集中係数Ｋt＝４．１）、全長が６０ｍｍである。
【００１０】
そこで、上述の試験片を所要の回転数で回転させながら、表１に示す所定の噴射条件でノズルから切欠きおよび切欠き付近に向けて様々な粒径のショット粒を噴射してショットピーニング処理を行った。様々な粒径のショット粒を切欠きに向けて噴射すると、図２に示すＳ-Ｎ曲線のように、ショット粒の粒径が大きくなるにつれて疲労強度の向上率が上昇し、特に粒径1.7mmのショット粒の場合が著しいことが分かる。
【００１１】
【表１】
なお、上記の試験片に係るショットピーニング処理前の疲労試験のS-N曲線は、図２において非ショット材の例で示すとおりである。この非ショット材は600ＭＰａあった疲労限度が、その切欠き効果によって130ＭＰａ程度に低下した。またなお、図３に示すように、噴射した粒径1.7mmおよび1.１mmのショット粒は切欠き底までは到達していない。
【００１３】
また、上述したように、噴射した粒径1.１mmのショット粒は切欠き底までは到達しておらず、これに伴って、切欠き底の表面は図４の電子顕微鏡写真における右側の円弧の部分で示すように、ショット粒の衝突による圧痕が、切欠き底には届かず、上部の方で止まっている。つまり、図４において左の部分がショット粒が衝突し、中央部分がショット粒が衝突していないことを表している。このように、切欠きの表面に衝突したショット粒が切欠き底に到達していないにもかかわらず、高い疲労強度が得られた要因を調査するため、切欠き底から深さ方向の硬さ変化を調べたところ、その調査結果は図５に示すようになった。この図５からショット粒の粒径が大きい程、加工硬化が著しいことが分かる。
【００１４】
また、この切欠き付近の硬さ分布を詳細に測定してみると、図６に示すように、粒径1.1mmと1.7mmのショット粒の場合には、これらのショット粒が上述したように切欠き底までは到達していないにもかかわず、切欠き底でも加工硬化が極端には低下しておらず相当に硬い硬化層が生成していることが分かる。
【００１５】
また、粒径1.7mmのショット粒を噴射した試験片のうち疲労試験の繰り返し数108回で破壊しなかったものに大荷重を負荷して破断させ、その破断した破面の電子顕微鏡写真を示すと図７になる。この電子顕微鏡写真において白い部分は停留き裂を示す。なお、停留き裂とは疲労試験の際に切欠き底から発生した疲れき裂がわずかに成長した後伝播が停止したものである。
【００１６】
図７に示すように、疲労試験における疲労過程で生じた最大き裂長さは300μm程度であり、したがって、疲労き裂は、加工硬化層の範囲内で停留していることが分かる（図５参照、図５において加工硬化層は５００μm程度である）。このことから、切欠きを有する試験片でも、粒径の大きいショット粒を噴射すると、深い圧縮残留応力層と加工硬化層ができるため、切欠き底から発生した平滑材での停留き裂長さより長い疲れき裂の成長を停留させることができる。
【００１７】
【実施例２】
図１の試験片において切欠き深さtを0.1mm、切欠き底半径Rを0.1 mmにした場合（応力集中係数Kt=2.7）、上述の表１に示す所定の噴射条件で疲労試験を行ったところ、この疲労試験のS-N曲線は図８（ａ）に示すようになった。この図８から、この場合の試験片では、繰り返し数107回での時間強度はショット粒の噴射のない場合にはショット粒の粒径が０.３ mmの場合320ＭＰａであったが、ショット粒の噴射のある場合には７２０ＭＰａにもなって、疲労強度が著しく増加することが分かる。その増加の割合は、実施例１と同様に、大きい粒径のショット粒ほど著しく、粒径1.1mmのショット粒では平滑状の試験片と同程度にまで向上していた（図８（ｂ））。このことは、0.1mm程度の深さのキズや疲労損傷材では完全な強度回復が望めることを示している。
【００１８】
上述の試験片における切欠き底での加工硬化の変化を調査したところ、図９に示すようになった。この図９によると、切欠き底における表面層の硬さ分布が、粒径0.3、0.6、1.1mmのショット粒共にほぼ等しくなっており、したがって、切欠き底では、ショット粒の粒径が0.3、0.6、1.1mmの場合、投射されたショット粒の粒径に左右されず、切欠き底まで同等の効果を奏していることが分る。
【００１９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明は、切欠き効果が発生するようなＶ字状の切欠きを中央部に有する切欠き付試験片の疲労強度を向上させる方法であって、前記切欠きの内部に進入可能な範囲内で可能な限り大きいショット粒を加速させた後前記切欠きの内部および切欠き付近の表面に衝突させて前記切欠き部分および切欠き付近の圧縮残留応力を高めるとともに加工硬化を誘発させることにより、前記切欠き効果による破壊を防止するようにしたことにより、切欠き効果が発生するような切欠きを有する金属部材に対して疲労強度を十分に向上させることができるなどの優れた実用的効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１および２に使用した試験片の正面図である。
【図２】本発明の実施例１における疲労試験のＳ−Ｎ曲線である。
【図３】本発明の実施例１において切欠きにおけるショット粒の到達位置を説明するための説明図である。
【図４】本発明の実施例１において粒径１．１ｍｍのショット粒を噴射した場合の図３のA-A矢視の電子顕微鏡写真である。
【図５】本発明の実施例１において様々な粒径のショット粒を噴射した場合の切欠き底における深さ方向の硬さ変化を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例１において粒径1.１mmおよび1.7mmのショット粒を噴射した場合の切欠きおよび切欠き付近における硬さ分布を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例１において粒径1.7mmのショット粒を噴射した試験片のうち疲労試験の繰り返し数108回で破壊しなかったものに大荷重を負荷して破断させ、その破断した破面の電子顕微鏡写真である。
【図８】本発明の実施例２における疲労試験のS-N曲線であり、(ａ)ではショット粒径の相違による疲労強度向上を示し、(ｂ)では、ψ1.1ｍｍ粒によるショット処理で、切欠き深さｔ=0.1ｍｍの場合、平滑材との同等の疲労強度を示す。
【図９】本発明の実施例２において切欠き付き試験片と切欠きなし試験片に係る硬さ分布を示すグラフである。
Claims (6)
- 切欠き効果が発生するＶ字状の切欠きを中央部に有する切欠き付試験片の疲労強度を向上させる方法であって、
前記切欠きの内部に侵入可能であるが、切欠き底には届かない粒径のショット粒を加速させた後、前記切欠きの内部および切欠き付近の表面に衝突させて前記切欠き部分および切欠き付近の圧縮残留応力を高めるとともに加工硬化を誘発させることにより、前記切欠き効果による破壊を防止するようにしたことを特徴とする切欠き付試験片の疲労強度の向上方法。 - 請求項１に記載の切欠き付試験片の疲労強度の向上方法において、
前記ショット粒の衝突による圧痕の深さが前記切欠きの深さよりも寸法的に小さいことを特徴とする切欠き付試験片の疲労強度の向上方法。 - 請求項１または２に記載の切欠き付試験片の疲労強度の向上方法において、
前記ショット粒の半径が前記切欠き底の壁面が成す曲率半径よりも大きいことをことを特徴とする切欠き付試験片の疲労強度の向上方法。 - 請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の切欠き付試験片の疲労強度の向上方法において、
前記ショット粒の直径が６００〜３０００μｍであることを特徴とする切欠き付試験片の疲労強度の向上方法。 - 請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の切欠き付試験片の疲労強度の向上方法において、
前記ショット粒の硬度が前記金属部材の硬度よりも硬いことを特徴とする切欠き付試験片の疲労強度の向上方法。 - 請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の切欠き付試験片の疲労強度の向上方法において、
前記金属部材の材質が鉄鋼であることを特徴とする切欠き付試験片の疲労強度の向上方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003029869A JP3983180B2 (ja) | 2003-02-06 | 2003-02-06 | 切欠き付試験片の疲労強度の向上方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|
| JP2004238693A JP2004238693A (ja) | 2004-08-26 |
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Family Applications (1)
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- 2003-02-06 JP JP2003029869A patent/JP3983180B2/ja not_active Expired - Lifetime
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