JP4360509B2 - 高強度鋼における高疲労強度の評価法と製造方法 - Google Patents
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Description
【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製造方法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製造方法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。
【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。
【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。
【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。
【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製造方法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/σB 2 または4.47/Hv2 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を提供する。
【0008】
この出願の発明は、第2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areamax,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√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、2×10-6Pa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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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、
【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MPa)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。
【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、
【0023】
【数3】
【0024】
となる。ここでΔKth=3MPam1/2 とすると、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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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,B2,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SUP12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。
【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√areamax,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 =28.3mm2 )、rは半径)に存在する最大欠陥寸法√areamax,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(B2,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20μm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Al2 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;Optically 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。
【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、
【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、
【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ODA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、SUP12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。
【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。
【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。
【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20μm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2×10-6Pa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/σB 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。
【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。
【図2】内部破壊起点周りのSEM写真を示した図である。
【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。
【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√area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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
Claims (5)
- 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/Hv2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。
- 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(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の評価法。
- 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)を図った場合、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(√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(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1×10−10m2)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。
- 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)を図った場合、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(√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。
- 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。
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