JP4375245B2

JP4375245B2 - 鋳造部材の疲労限度線図の作成方法

Info

Publication number: JP4375245B2
Application number: JP2005034637A
Authority: JP
Inventors: 孝政鈴木; 義博日比野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2025-02-10
Also published as: JP2006220557A

Description

本発明は、鋳造部材の疲労限度線図の作成方法に関する。

強度部材には鋳造部材が用いられている。そして、近年のさまざまな部材への高性能化の要求のひとつに軽量化がある。強度部材に用いられる鋳造部材において、軽量化の要求を満たすために軽合金の使用が増加している。

鋳造部材は、鋳造により製造された部材であり、その内部にブローホールやひけ巣等の鋳造欠陥が存在している場合がある。鋳造部材中に鋳造欠陥が存在すると、鋳造部材の強度が低下する。鋳造部材の強度が低下すると、その鋳造部材が使用される部位において要求される強度が得られなくなる。

そして、鋳造部材の軽量化の手法には、鋳造部材の材質の変更や、合金材料の使用量の低減がある。合金材料の使用量を低減することで鋳造部材を軽量化すると、鋳造部材自身が薄肉化される。鋳造部材の薄肉化は、鋳造部材の強度を低下させる。このため、鋳造部材は、その部材が使用時に要求される強度を得るために必要な肉厚程度の肉厚で設計される。

従来の鋳造部材においては、使用時に鋳造部材に要求される強度より過剰な強度が得られるように材料設計がなされていた。つまり、鋳造部材が（強度が得られる）必要以上の厚さを有しており、鋳造欠陥が存在しても欠陥まわりの部分が十分な強度を有するため、鋳造欠陥が鋳造部材の強度を致命的に低下させることが抑えられていた。しかしながら、近年の薄肉化された鋳造部材においては、鋳造欠陥が存在したときに欠陥まわりの部分が鋳造欠陥による強度の低下を補償できなくなっている。この結果、鋳造部材において鋳造欠陥が存在すると鋳造部材の強度が低下していた。

このように、近年の部品への高性能化の要求が厳しくなってきたことにより、鋳造部材中の鋳造欠陥が鋳造部材全体の強度を低下させるという問題が発生するようになってきた。

しかしながら、ブローホールやひけ巣等の鋳造部材中の鋳造欠陥はＸ線等を用いてその存在を確認することができるが、鋳造欠陥と鋳造部材の強度の関係を求める手法は存在していなかった。すなわち、鋳造部材の鋳造欠陥からその疲労強度を求めるという手法は存在していなかった。

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、鋳造欠陥をもつ鋳造部材の疲労強度を求める方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明者らは検討を重ねた結果、本発明の鋳造部材の疲労限度線図の作成方法の発明をなすに至った。

本発明の第一の鋳造部材の疲労限度線図の作成方法は、鋳造部材中の鋳造欠陥の面積を測定し、鋳造欠陥の面積と同じ面積を有する円の半径を求める工程と、鋳造部材に疲労試験を施して、鋳造欠陥における応力拡大係数、亀裂進展下限界値、疲労限度とを求める工程と、応力拡大係数、亀裂進展下限界値、疲労限度から、円の半径における第一の疲労限度線図を作成する工程と、鋳造部材に引張試験を施して鋳造部材の修正Ｇｏｏｄｍａｎ線図を作成する工程と、第一の疲労限度線図と修正Ｇｏｏｄｍａｎ線図を重ねて線図を作成する工程と、を有し、第一の疲労限度線図の作成時に作成された曲線と修正Ｇｏｏｄｍａｎ線図の作成時に作成された線とのうち下方に位置する線を鋳造部材の疲労限度線とすることを特徴とする。

また、本発明の第二の鋳造部材の疲労限度線図の作成方法は、鋳造部材に切欠き（応力集中係数変化）試験を施して疲労限度を求める工程と、疲労限度を上限とする修正Ｇｏｏｄｍａｎ線図を作成する工程と、鋳造部材に疲労試験を施して、応力拡大係数、亀裂進展下限界値、疲労限度とを求める工程と、応力拡大係数、亀裂進展下限界値、疲労限度から第一の疲労限度線図を作成する工程と、修正Ｇｏｏｄｍａｎ線図と第一の疲労限度線図とを重ねて線図を作成する工程と、を有し、第一の疲労限度線図の作成時に作成された曲線と修正Ｇｏｏｄｍａｎ線図の作成時に作成された線とのうち下方に位置する線を鋳造部材の疲労限度線図とすることを特徴とする。

本発明の第一の疲労限度線図の作成方法は、その内部に鋳造欠陥をもつ鋳造部材の疲労限度線図を作成することができ、第二の疲労限度線図の作成方法は、その表面に鋳造欠陥をもつ鋳造部材の疲労限度線図を作成することができる。

本発明の鋳造部材の疲労限度線図の作成方法は、鋳造欠陥をもつ鋳造部材の疲労限度線図を作成できる。そして、実際に鋳造部材（鋳造部品）を使用したときにかかる応力振幅および平均応力が計算できることから、作成された鋳造部材の疲労限度線図により鋳造部品を使用できるかの判断を行うことが可能となる。

（第一発明）
以下、本発明の鋳造部材の疲労限度線図の作成方法を、軽合金の鋳造材から切り出された試験片を用いた例に基づいて具体的に説明する。

本発明の鋳造部材の疲労限度線図の作成方法は、まず、鋳造部材中の鋳造欠陥の面積を測定する。鋳造部材中の鋳造欠陥の測定は、従来公知の方法を用いて行うことができる。たとえば、Ｘ線を用いて観測する方法をあげることができる。

測定された鋳造欠陥の面積から、鋳造欠陥の面積と同じ面積を有する円の半径（ｒ）を求める。本発明は、鋳造欠陥を同じ面積をもつ円として取り扱う。鋳造部材中の鋳造欠陥は、図１（ａ）および（ｂ）において細い線で示したように、複雑な形状を有している。なお、図１（ａ）および（ｂ）では、同等面積円を太い線で示した。

そして、本発明の鋳造部材の疲労限度線図の作成方法は、鋳造部材に疲労試験を施して、鋳造欠陥における応力拡大係数（Ｋｍａｘ）、亀裂進展下限界値（Ｋｍａｘ，ｔｈ）、疲労限度（σｍａｘ）とを求め、応力拡大係数、亀裂進展下限界値、疲労限度から、円の半径における第一の疲労限度線図を作成する。

以下、鋳造欠陥の面積を同等面積円で評価できることおよび疲労試験から第一の疲労限度線図を作成する工程までをあわせて説明する。

鋳造部材（試験片）に疲労試験を施して、応力拡大係数（Ｋｍａｘ）、亀裂進展下限界値（Ｋｍａｘ，ｔｈ）、疲労限度（σｍａｘ）とを求める。試験片の形状および疲労試験は、ＪＩＳＺ２２７３に規定の試験方法を用いて行われた。

そして、疲労試験後の試験片の破断面を観察したところ、鋳造欠陥が亀裂の発生源となっていることが確認された。そして、この鋳造欠陥が半径ｒの円形の鋳造欠陥から長さａの亀裂が進展したものと見なして（図２に形状を示した）検討を行った。この検討により、その円の半径（ｒ）と応力拡大係数（Ｋｍａｘ）との間に下記数１式の関係を有することを見出した。

なお、数１式中のｆ（ａ／ｒ）：応力集中補正係数、ａ：亀裂の長さ、σｍａｘ：最大応力値であり、ａを０．１ｍｍとした。

試験片の同等面積円の半径（ｒ）、応力集中補正係数（ｆ（ａ／ｒ））、応力拡大係数（Ｋｍａｘ）の関係を表１に示した。なお、表１中の繰り返し回数とは、上記疲労試験において応力の付与の繰り返し回数を、応力とは疲労試験時に試験片に付与された応力を、同面積円の半径とは鋳造欠陥の面積と同じ面積の円の半径を示している。

表１に示された繰り返し回数と応力拡大係数との関係（Ｋｍａｘ−Ｎ線図）を図３に示した。図３に示したように、破断試験の繰り返し回数と応力拡大係数との間にほぼ一本の直線に示される相関関係が見られることが確認された。

応力拡大係数は、数１式で示されたように、同等面積円の半径（ｒ）および鋳造欠陥からの亀裂の長さ（ａ）を代入して求められることから、鋳造欠陥を同じ面積の円で置き換えたときにその半径ｒとその欠陥から発生する亀裂の長さ（ａ：０．１ｍｍ）との相互干渉効果から疲労限度を評価できることがわかる。つまり、実際の鋳造欠陥を同等面積円で評価できる。なお、図３の線図に示された回数より多くの繰り返し回数であって１０⁸回以上の回数においては、ほぼ２．４４に収束する。本発明においては、この２．４４を、鋳造部材の亀裂進展下限界値（Ｋｍａｘ，ｔｈ）とする。

そして、亀裂進展下限界値（Ｋｍａｘ，ｔｈ）が２．４４における鋳造欠陥の欠陥径（φ）と疲労限度（σｍａｘ）との関係を表２および図４に示した。

表２および図４より、欠陥径が大きくなるにつれて疲労限度が低下していることがわかる。

また、疲労試験において試験片中の鋳造欠陥の大きさ（ｒ）を極値統計により整理をしたところ、図５に示した関係が得られた。この関係は、適合検定によりＧｕｍｂｌｅ分布に当てはまる。そして、この図５より、所望の信頼確率の最大欠陥半径値を求めることができ、この最大欠陥半径値を用いることで、所望の残存確率の疲労限度を得ることができる。所望の信頼確率は、鋳造部材が使用される部位における欠陥が発生しない信頼確率である。

本実施形態においては、信頼確率９９．７％（３σ）の最大欠陥半径値（ｒ_99.7）が求められた。最大欠陥半径値（ｒ_99.7）は、０．２５ｍｍであった。そして、この最大欠陥半径値（ｒ_99.7）を用いて、数１式から、信頼確率９９．７％の疲労限度（７０ＭＰａ）が得られた。つまり、ｒが０．２５ｍｍの試験片の疲労限度は７０ＭＰａである。

つづいて、鋳造欠陥がある場合の平均応力の影響について検討する。これは、鋳造欠陥自体を潜在亀裂と見なす場合である。このことは、図６に示したように、一般に、亀裂を有する部材に疲労試験を施したときに、加えられた力が亀裂が開く方向の力であっても、亀裂の開口部の周縁部の残留応力により亀裂が開かない場合がある。

疲労亀裂が伝播する課程における平均応力の影響については、Ｗ．Ｅｌｂｅｒが提案を行っている。Ｅｌｂｅｒは、亀裂の伝播に寄与するのは亀裂が完全に開いている範囲に対応する有効応力範囲Δσｅｆｆであることを提案している。このΔσｅｆｆは、下記数２式の関係を有することが確認されている。

なお、Ｒ＝σｍｉｎ／σｍａｘ、Δσ＝σｍａｘ−σｍｉｎ、数２式中のΔσｅｆｆ：有効応力範囲、Ｒ：応力比、Δσ：応力範囲、σｍａｘ：最大応力値、σｍｉｎ：最小応力値であり、−０．１≦Ｒ≦０．７である。

数２式で示されたΔσｅｆｆは適用範囲も狭く、一部の鋳造部材の評価においてのみしか使用することができない。この数２式は、Ｊ．ＳｃｈｉｊｖｅによりＲ＝−１まで拡張されている。拡張された式を数３式として示した。

数３式から求められたＲ＝−１のΔσｅｆｆを用いて平均応力と応力振幅との関係を図７に図示した。なお、図７においては、ｒが０．２５ｍｍ、０．６ｍｍ、１．５ｍｍの場合の疲労限度線図を示した。さらに、疲労試験において得られたφが０．６ｍｍの鋳造欠陥における疲労限度を×印で示した。

図７より、数３式から得られた疲労限度線図と実際に試験片に疲労試験を施して求められた疲労限度とがほぼ一致することが確認できた。すなわち、Ｒ＝−１における疲労限度線図を取得することで、鋳造欠陥が疲労の基点となる場合に、破壊力学と極値統計の適用により欠陥と強度の関係を求めることができることがわかる。そして、基点の欠陥サイズ（同等面積円の半径（ｒ））によりＲ＝−１の疲労限度が求められれば、上記数３式により平均応力を考慮した疲労限度線図を作成できることがわかる。

このようにして、数３式から求められたＲ＝−１のΔσｅｆｆを用いて疲労限度線図を作成し、第一の疲労限度線図とした。

つづいて、鋳造部材に引張試験を施して修正Ｇｏｏｄｍａｎ線図を作成する。

鋳造部材（試験片）に引張試験を施して、引張強度を求めた。試験片の形状および引張試験は、ＪＩＳＺ２２４１に規定の試験方法を用いて行われた。

引張試験の試験結果において、破断面における欠陥面積率の平方根と引張強度の関係を求めたところ、図８に示したように、欠陥面積率の平方根と破断応力との間には相関関係が確認された。そして、上記第一の疲労限度線図の時と同様に信頼確率９９．７％（−３σ）の試験片において欠陥面積率の平方根と破断応力とが相関関係を示した。この相関関係から、信頼確率９９．７％（−３σ）の試験片の欠陥面積率の引張強度を横軸に、縦軸の応力比Ｒ＝−１の疲労限度とを結んだ線を得られる。得られた線図は修正Ｇｏｏｄｍａｎ線図である。

その後、作成された第一の疲労限度線図と修正Ｇｏｏｄｍａｎ線図を重ねて線図を作成する。φ０．５ｍｍ（ｒ＝０．２５ｍｍ）の鋳造欠陥の線図を図９に示した。

そして、作成された線図（図９）は、下方に凸の線と直線との二本の線が存在する線図であり、交差した二本の線のうち、下方側に位置する線（図９においては太い線で示した）を試験片の疲労限度線図とする。この線図が本発明の疲労限度線図である。

第一発明の疲労限度線図において、図９の疲労限度線図はφ０．５ｍｍ（ｒ＝０．２５ｍｍ）の疲労限度線図であり、上記した手法でｒの値を変化させることで、所望のｒの疲労限度線図を作成できる。

第一発明の疲労限度線図は、鋳造部材を実際に部品として適用できるかの判断を行うことを可能とする。詳しくは、鋳造部材よりなる部品が組み付けられたときに、その部品にかかる応力および応力振幅は算出できる。また、鋳造部材中の鋳造欠陥も測定できる。このため、この鋳造欠陥をもつ鋳造部材の疲労限度線図が作成でき、この応力および応力振幅が作成された鋳造部材の疲労限度線より下方に位置するときに、この鋳造部材を実部品として使用することができると判定できる。

（第二発明）
以下、本発明の鋳造部材の疲労限度線図の作成方法を、上記第一発明のときと同様に、軽合金の鋳造材から切り出された試験片を用いた例に基づいて具体的に説明する。

まず、鋳造部材に切欠き（応力集中係数を変化）試験を施して疲労限度を求める。疲労試験は、鋳造部材で切り欠き試験片を作製し、この切り欠き試験片の切り欠き半径（ρ）と応力集中係数（α）とを変化させて疲労限度を求める。具体的な疲労試験は、ＪＩＳＺ２２７３に規定の試験方法を用いて行われた。

引張試験の試験結果を図１０に示した。図１０に示されたように、応力集中係数（α）が大きくなるにつれて疲労限度が低下し、応力集中係数がおよそ５以上では疲労限度は４５ＭＰａが最大となった。つまり、この鋳造部材の疲労限度は４５ＭＰａである。そして、引張試験の結果と合わせて４５ＭＰａを上限とする修正Ｇｏｏｄｍａｎ線図を作成する。

そして、上記第一発明において行われたことと同様にして、修正Ｇｏｏｄｍａｎ線図と第一の疲労限度線図とを重ね合わせた線図を作成し、図１１に示した。この線図で交差した二本の線のうち、下方側に位置する線（図１１においては太い線で示した）を試験片の疲労限度線とする。この線図が本発明の疲労限度線図である。

第二発明の疲労限度線図の作成方法は、切欠き（応力集中係数を変化）試験での疲労限度を求めている。この疲労限度は、鋳造部材の表面に存在する湯じわや湯境等の鋳造欠陥であり欠陥面積（径）が規定できない欠陥により生じる強度の低下による。

第二発明の方法で作成された疲労限度線図は、鋳造部材を実際に部品として適用できるかの判断を行うことを可能とする。詳しくは、鋳造部材よりなる部品が組み付けられたときに、その部品にかかる応力および応力振幅は算出できる。また、鋳造部材中の鋳造欠陥も測定できる。このため、この鋳造欠陥をもつ鋳造部材の疲労限度線図が作成でき、この応力および応力振幅が作成された鋳造部材の疲労限度線より下方に位置するときに、この鋳造部材を使用することができると判定できる。

上記第一発明および第二発明においては、アルミニウムよりなる試験片の疲労限度線図を作成方法を説明しているが、本発明はアルミニウム以外の金属よりなる鋳造部材の疲労限度線図を作成できる。

鋳造部材中の鋳造欠陥の形状を示した図である。亀裂が進展する鋳造欠陥のモデル形状を示した図である。疲労試験での繰り返し回数と応力拡大係数との関係を示した図である。鋳造欠陥の欠陥径と疲労限度の関係を示した図である。鋳造欠陥の大きさ（ｒ）と確率の関係を示した図である。疲労亀裂の開閉における開閉挙動を示した図である。鋳造欠陥径ごとの平均応力と応力振幅との関係を示した図である。欠陥面積率の平方根と破断応力との関係を示した図である。第一発明の疲労限度線図である。引張試験での応力集中係数と疲労限度との関係を示した図である。第二発明の疲労限度線図である。

Claims

鋳造部材中の鋳造欠陥の面積を測定し、該鋳造欠陥の面積と同じ面積を有する円の半径を求める工程と、
該鋳造部材に疲労試験を施して、該鋳造欠陥での応力拡大係数、亀裂進展下限界値、疲労限度とを求める工程と、
該応力拡大係数、該亀裂進展下限界値、該疲労限度から、該円の半径における第一の疲労限度線図を作成する工程と、
該鋳造部材に引張試験を施して該鋳造部材の修正Ｇｏｏｄｍａｎ線図を作成する工程と、
該第一の疲労限度線図と該修正Ｇｏｏｄｍａｎ線図を重ねて線図を作成する工程と、
を有し、
該第一の疲労限度線図の作成時に作成された曲線と該修正Ｇｏｏｄｍａｎ線図の作成時に作成された線とのうち下方に位置する線を該鋳造部材の疲労限度線とすることを特徴とする鋳造部材の疲労限度線図の作成方法。
鋳造部材に切欠き（応力集中係数変化）試験を施して疲労限度を求める工程と、
該疲労限度を上限とする修正Ｇｏｏｄｍａｎ線図を作成する工程と、
該鋳造部材に疲労試験を施して、応力拡大係数、亀裂進展下限界値、疲労限度とを求める工程と、
該応力拡大係数、該亀裂進展下限界値、該疲労限度から第一の疲労限度線図を作成する工程と、
該修正Ｇｏｏｄｍａｎ線図と該第一の疲労限度線図とを重ねて線図を作成する工程と、
を有し、
該第一の疲労限度線図の作成時に作成された曲線と該修正Ｇｏｏｄｍａｎ線図の作成時に作成された線とのうち下方に位置する線を該鋳造部材の疲労限度線とすることを特徴とする鋳造部材の疲労限度線図の作成方法。