JP5720798B2 - 金属部材の疲労亀裂進展抑制方法及び疲労亀裂進展抑制された金属部材 - Google Patents

Description

本発明は、金属部材の疲労亀裂進展抑制方法及び疲労亀裂進展抑制された金属部材に係り、特に、橋梁、船舶、クレーン等に用いられる金属部材に発生する疲労亀裂の進展を抑制する金属部材の疲労亀裂進展抑制方法及び疲労亀裂進展抑制された金属部材に関する。

従来、橋梁、船舶、クレーン等に用いられる金属部材に発生する疲労亀裂の進展を抑制するために、ストップホールと呼ばれる方法が用いられている。ストップホールによる方法は、疲労亀裂の先端に亀裂と連通する丸孔を設けることにより、亀裂先端の応力集中を緩和して疲労亀裂を抑制する方法である。

また、他の疲労亀裂の進展抑制方法としては、特許文献１、２に記載されているように、亀裂表面をピーニング処理等して、表面部の疲労亀裂を閉じることで疲労亀裂の進展を抑制することが行われている。

特開２０１１−１０６１８１号公報 特開２０１０−１２５５３４号公報

ところで、ストップホールによる方法は、疲労亀裂の先端に丸孔を設けることで一時的には応力集中を緩和できるが、繰返し応力の作用によりストップホールの円孔部から疲労亀裂が発生し、成長する場合がある。また、亀裂表面をピーニング処理等して疲労亀裂を閉じる方法では、金属部材における板厚方向の内部の疲労亀裂まで閉口させることが難しく、疲労亀裂が更に進展する可能性がある。

そこで、本発明の目的は、金属部材に発生した疲労亀裂の進展を更に抑制することができる金属部材の疲労亀裂進展抑制方法及び疲労亀裂進展抑制された金属部材を提供することである。

本発明に係る金属部材の疲労亀裂進展抑制方法は、繰返し引張応力が作用して疲労亀裂が生じた金属部材本体に、前記疲労亀裂の先端部の亀裂方向に対して側方に穴を形成する穴形成工程と、前記金属部材本体より剛性が高く、前記穴より外形が大きい圧入体を前記穴に圧入し、前記疲労亀裂の先端部に、前記亀裂方向に対して側方から圧縮応力を作用させる圧入工程と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る金属部材の疲労亀裂進展抑制方法において、前記穴形成工程は、前記穴が、前記穴の中心と前記疲労亀裂の先端とを結ぶ直線が前記亀裂方向と直交するように形成されることが好ましい。

本発明に係る金属部材の疲労亀裂進展抑制方法において、前記穴形成工程は、前記疲労亀裂の先端の応力集中により生じる応力集中領域を予め求め、前記応力集中領域を除く位置に前記穴を形成することが好ましい。

本発明に係る金属部材の疲労亀裂進展抑制方法において、前記穴形成工程は、前記疲労亀裂の先端部において、前記亀裂方向とのなす角度θとなる方向と、亀裂方向とにより挟まれた位置に、前記穴を形成すると共に、前記角度θを応力解析で求めることが好ましい。

本発明に係る金属部材の疲労亀裂進展抑制方法において、前記角度θは、前記亀裂方向に対して直交方向に一様な引張応力を作用させた場合に、５５度であることが好ましい。

本発明に係る金属部材の疲労亀裂進展抑制方法において、前記穴形成工程は、前記圧入体を前記穴に圧入したときに、前記穴と前記疲労亀裂の先端部とが連通することを防止するために、前記穴の周縁と前記疲労亀裂の先端部との間の最短距離が１ｍｍ以上となる位置に前記穴を形成することが好ましい。

本発明に係る金属部材の疲労亀裂進展抑制方法において、前記穴形成工程は、前記疲労亀裂の先端部の亀裂方向に対して直交方向の対称となる位置に前記穴を各々形成することが好ましい。

本発明に係る金属部材の疲労亀裂進展抑制方法において、前記疲労亀裂は、前記金属部材本体の厚み方向に貫通しており、前記穴は、前記金属部材本体の厚み方向に貫通して形成され、前記圧入体は、前記穴の長さと同じかまたは前記穴の長さより長く形成されていることが好ましい。

本発明に係る金属部材の疲労亀裂進展抑制方法において、前記圧入体は、前記穴に圧入される圧入部と、前記圧入部の一端側に設けられ、前記圧入部の外形よりも大きい頭部と、を有し、前記圧入体の頭部には、鍔、ネジまたは溝が設けられていることが好ましい。

本発明に係る疲労亀裂進展抑制された金属部材は、繰返し引張応力が作用して疲労亀裂が生じた金属部材本体に形成され、前記疲労亀裂の先端部の亀裂方向に対して側方に設けられる穴と、前記金属部材本体より剛性が高く、前記穴より外形が大きく、前記穴に圧入され、前記疲労亀裂の先端部に、前記亀裂方向に対して側方から圧縮応力を作用させる圧入体と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る疲労亀裂進展抑制された金属部材において、前記穴は、前記穴の中心と前記疲労亀裂の先端とを結ぶ直線が前記亀裂方向と直交するように形成されていることが好ましい。

本発明に係る疲労亀裂進展抑制された金属部材において、前記穴は、前記疲労亀裂の先端の応力集中により生じる応力集中領域を除く位置に形成されていることが好ましい。

本発明に係る疲労亀裂進展抑制された金属部材において、前記穴は、前記疲労亀裂の先端部において、前記亀裂方向とのなす角度θとなる方向と、亀裂方向とにより挟まれた位置に形成されていると共に、前記角度θが応力解析で求められていることが好ましい。

本発明に係る疲労亀裂進展抑制された金属部材において、前記角度θは、前記亀裂方向に対して直交方向に一様な引張応力を作用させた場合に、５５度であることが好ましい。

上記構成によれば、繰返し引張応力が作用して疲労亀裂が生じた金属部材において、疲労亀裂の先端部に、亀裂方向に対して側方から圧縮応力を作用させることが可能となるので、金属部材の疲労亀裂進展を更に抑制できる。

本発明の実施の形態において、疲労亀裂進展抑制された金属部材の構成を示す図である。 本発明の実施の形態において、疲労亀裂進展抑制された金属部材の作用を示す平面図である。 本発明の実施の形態において、金属部材の疲労亀裂進展抑制方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態において、疲労亀裂が生じた金属部材本体に穴を形成した状態を示す平面図である。 本発明の実施の形態において、２つの穴を疲労亀裂の先端部の亀裂方向に対して直交方向の対称となる位置に形成した状態を示す平面図である。 本発明の実施の形態において、疲労亀裂の先端の応力集中により生じる応力集中領域を除いて穴を形成する方法を示す平面図である。 本発明の実施の形態において、穴に圧入体を圧入する方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態において、圧入体の構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態において、橋梁の金属構造体の構成を示す図である。 本発明の実施の形態において、疲労試験片の形状を示す平面図である。 本発明の実施の形態において、疲労試験片に作用させる繰返し引張応力を示すグラフである。 本発明の実施の形態において、疲労亀裂の先端部の周りに生じる疲労試験片の長手方向の応力分布を示す図である。 本発明の実施の形態において、応力解析を行うための疲労試験片のモデル図である。 本発明の実施の形態において、圧入体の圧入に伴う疲労試験片の長手方向の応力分布を示す図である。 本発明の実施の形態において、圧入後に疲労試験片に一様な引張応力を作用させたときの疲労試験片の長手方向の応力分布を示す図である。 本発明の実施の形態において、打鋲後における一方の疲労亀裂の先端部の周りの断面図である。 本発明の実施の形態において、疲労試験結果を示すグラフである。 本発明の実施の形態において、実施例Ａの疲労亀裂進展抑制処理における疲労亀裂を導入した疲労試験片に、圧入体である鋲を圧入するための穴を形成した部位の拡大図である。 本発明の実施の形態において、実施例Ｂの疲労亀裂進展抑制処理における疲労亀裂を導入した疲労試験片に、圧入体である鋲を圧入するための穴を形成した部位の拡大図である。 本発明の実施の形態において、比較例Ａの疲労亀裂進展抑制処理における疲労亀裂を導入した疲労試験片に、ストップホールを形成した部位の拡大図である。 本発明の実施の形態において、疲労試験結果を示すグラフである。 本発明の実施の形態において、実施例Ｃの疲労亀裂進展抑制処理における疲労亀裂を導入した疲労試験片に、テーパピンを圧入するためのテーパ穴を形成した部位の拡大図である。 本発明の実施の形態において、テーパ穴の形状を示す断面図である。 本発明の実施の形態において、テーパピンの形状を示す断面図である。 本発明の実施の形態において、テーパピンの圧入に伴う疲労試験片の長手方向の応力分布を示す図である。 本発明の実施の形態において、テーパピンの圧入後に疲労試験片に一様な引張応力を作用させたときの疲労試験片の長手方向の応力分布を示す図である。 本発明の実施の形態において、疲労試験結果を示すグラフである。

以下に、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、疲労亀裂進展抑制された金属部材１０の構成を示す図であり、図１（ａ）は、疲労亀裂進展抑制された金属部材１０の構成を示す平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＸ−Ｘ方向の断面図である。

金属部材本体１２には、疲労荷重による繰返し引張応力Ｆの作用により、繰返し引張応力Ｆの応力方向と直交方向に疲労亀裂１４が生じている。疲労亀裂１４は、例えば、金属部材本体１２の厚み方向に貫通して形成されている。このような疲労亀裂１４は、繰返し引張応力Ｆの作用に伴う疲労亀裂１４の先端部１４ａの繰返し塑性ひずみの蓄積等により進展する。

金属部材本体１２は、例えば、橋梁、船舶、クレーン等に用いられている鋼製の金属構造部材である。このような鋼製の金属構造部材は、一般構造用圧延鋼材、溶接構造用圧延鋼材等で形成されている。金属部材本体１２の厚みは、例えば、１ｍｍから２０ｍｍ程度である。

疲労亀裂１４の先端部１４ａの亀裂方向に対して側方には、金属部材本体１２の厚み方向に穴１８が形成されている。穴１８は、例えば、金属部材本体１２の厚み方向に貫通して形成されている。穴１８の形状は、丸穴でもよいし、角穴等でもよい。また、穴１８は、１つでもよいし、複数でもよい。なお、穴１８は、金属部材本体１２の厚み方向に有底で形成されていてもよい。

穴１８には、圧入体２０が圧入されている。圧入体２０は、金属部材本体１２より剛性が高い材料で形成されている。金属部材本体１２が鋼材で形成されている場合には、圧入体２０は、鋼材よりも圧縮弾性率や硬度（例えば、ビッカース硬度）が高く、圧入による塑性変形、割れ、座屈等が生じ難い材料で形成される。このような材料としては、例えば、ＷＣ（タングステンカーバイト）系の超硬合金等がある。

圧入体２０は、穴１８より外形が大きく形成され、穴１８に圧入される圧入部２０ａを有している。圧入部２０ａは、円柱状や角柱状等の柱状に形成されている。圧入部２０ａが円柱状である場合には、その外径は、例えば、３ｍｍから５ｍｍである。

圧入部２０ａは、穴１８と同じ長さか穴１８の長さより長く形成されていることが好ましいが、穴１８の長さより短く形成されていてもよい。圧入部２０ａの長さは、例えば、５ｍｍから２０ｍｍである。また、圧入体２０を穴１８に打ち込み易くするために、圧入部２０ａの長手方向の一端側に、圧入部２０ａよりも外形が大きい頭部２０ｂを設けるようにしてもよい。

図２は、疲労亀裂進展抑制された金属部材１０の作用を示す平面図である。金属部材本体１２に形成された穴１８に圧入体２０を圧入することにより、疲労亀裂１４の先端部１４ａに、亀裂方向に対して側方から圧縮応力Ｃが作用する。この圧縮応力Ｃにより疲労亀裂１４の先端部１４ａの開口を潰して閉口することができる。

更に、繰返し引張応力Ｆが金属部材本体１２に作用する場合でも、亀裂方向の側方からの圧縮応力Ｃにより繰返し引張応力Ｆの一部または全てが相殺されるので、疲労亀裂１４の先端部１４ａの開口の広がりを抑え、疲労亀裂１４の先端部１４ａの塑性変形を抑えることが可能となる。このようにして、疲労亀裂１４の進展が抑制される。

次に、金属部材の疲労亀裂進展抑制方法について説明する。図３は、金属部材の疲労亀裂進展抑制方法を示すフローチャートである。金属部材の疲労亀裂進展方法は、疲労亀裂１４が生じた金属部材本体１２に穴１８を形成する穴形成工程（Ｓ１０）と、穴１８に圧入体２０を圧入する圧入工程（Ｓ１２）と、を備えている。

穴形成工程（Ｓ１０）は、繰返し引張応力Ｆが作用して疲労亀裂１４が生じた金属部材本体１２に、疲労亀裂１４の先端部１４ａの亀裂方向に対して側方に穴１８を形成する工程である。

図４は、疲労亀裂１４が生じた金属部材本体１２に穴１８を形成した状態を示す平面図である。穴１８は、圧入体２０を圧入したときに、疲労亀裂１４の先端部１４ａに、亀裂方向に対して側方から圧縮応力を作用させるために、疲労亀裂１４の先端部１４ａの亀裂方向に対して側方に形成される。穴１８は、例えば、金属部材本体１２をドリル等で穿孔して形成される。

また、穴１８は、圧入体２０を圧入したときに、穴１８と、疲労亀裂１４の先端部１４ａとが連通しない位置に形成される。穴１８と、疲労亀裂１４の先端部１４ａとの連通を防止するために、穴１８の周縁と、疲労亀裂１４の先端部１４ａとの間の最短距離Ｄが、例えば、１ｍｍ以上となる位置に穴１８を形成するとよい。なお、疲労亀裂１４の先端部１４ａにより大きな圧縮応力を作用させるために、疲労亀裂１４の先端部１４ａとの間の最短距離Ｄは、１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。

穴１８が丸穴である場合には、穴１８は、穴１８の中心と疲労亀裂１４の先端とを結ぶ直線が、亀裂方向と直交するように形成されるとよい。このような位置に穴１８を形成することで、圧入体２０を穴１８に圧入したときに、疲労亀裂１４の先端部１４ａの先端側に、亀裂方向に対して側方からより大きな圧縮応力を作用させることが可能となる。

複数の穴１８を形成する場合には、亀裂方向に対して一側方のみに複数の穴１８を形成してもよいし、亀裂方向に対して一側方と他側方との両側方に穴１８を形成してもよい。また、各穴１８は、疲労亀裂１４の先端部１４ａの亀裂方向に対して直交方向の対称となる位置に形成されるようにしてもよい。図５は、２つの穴１８を疲労亀裂１４の先端部１４ａの亀裂方向に対して直交方向の対称となる位置に形成した状態を示す平面図である。各穴１８をこのような位置に形成することにより、疲労亀裂１４の先端部１４ａの同じ位置に、亀裂方向に対して一側方と他側方との両側方から圧縮応力を作用させることができる。勿論、各穴１８の位置は、疲労亀裂１４の先端部１４ａの亀裂方向に対して直交方向の対称となる位置に限定されることはない。

穴形成工程（Ｓ１０）では、疲労亀裂１４の先端の応力集中により生じる応力集中領域を予め求めて、この予め求めた応力集中領域を除く位置に穴を形成するようにしてもよい。

図６は、疲労亀裂１４の先端の応力集中により生じる応力集中領域２２を除いて穴１８ａを形成する方法を示す平面図である。疲労亀裂１４の先端の周りには、応力集中により他の部分より引張応力が大きい応力集中領域２２が形成されている。応力集中領域２２の中の矢印２２ａは、応力線（応力の流れ）を表している。応力集中領域２２は、疲労亀裂１４の先端の周りの領域において、金属部材本体１２に一様な引張応力を作用させたときに、この一様な引張応力よりも大きい引張応力を示す領域として定められる。

応力集中領域２２は、予め、応力解析や実験による応力測定で求められる。応力解析には、一般的な有限要素法（ＦＥＭ）等が用いられる。実験による場合には、Ｘ線等による応力分布測定、歪みゲージを用いた応力分布測定等が利用可能である。

穴１８ａは、予め応力解析や実験による応力測定で求めた応力集中領域２２を除いて形成されている。応力集中領域２２の応力線２２ａから明らかなように、疲労亀裂１４の先端部１４ａの周りに作用する応力は、疲労亀裂１４の先端を迂回して流れている。そのため、応力集中領域２２を除いた疲労亀裂１４の先端部１４ａの周りの位置には、繰返し引張応力Ｆがほとんど作用していない。

このように、応力集中領域２２を除いた疲労亀裂１４の先端部１４ａの周りの位置には繰返し引張応力Ｆがほとんど作用していないので、圧入体２０を穴１８ａに圧入して亀裂方向に対して側方から圧縮応力を作用させたとき、この圧縮応力と相殺される引張応力が僅かであり、この引張応力が亀裂進展の駆動力とはなりえない。

また、穴１８の一部または全部がこの応力集中領域２２に含まれる場合には、疲労亀裂１４の先端の応力集中による応力レベルが高いために穴周縁が新たな亀裂発生の起点となる可能性があるが、応力集中領域２２を除いて穴１８ａを形成することにより、新たな亀裂発生を抑えることができる。

応力集中領域２２を除いて穴１８ａを形成するためには、疲労亀裂１４の先端部１４ａにおいて、亀裂方向とのなす角度θとなる方向と、亀裂方向とにより挟まれた位置に、穴１８ａを形成すると共に、角度θを応力解析で求めるとよい。例えば、遠方に、亀裂方向に対して直交方向に一様な引張応力を作用させた場合には、疲労亀裂１４の先端部１４ａにおいて、亀裂方向とのなす角度θが５５度となる方向２４と、亀裂方向とにより挟まれた領域に穴１８ａを形成するとよい。後述する実施例で示すように、有限要素法（ＦＥＭ）により応力解析を行ったところ、亀裂方向に対して直交方向に一様な引張応力を作用させた場合には、疲労亀裂１４の先端部１４ａにおいて、亀裂方向とのなす角度θが５５度となる方向２４と、亀裂方向とにより挟まれた領域に穴１８ａを形成することにより、応力集中による応力集中領域２２を避けて穴１８ａを形成できることがわかった。

なお、繰返し引張応力Ｆの応力レベルが異なる場合には、応力集中による応力集中領域２２内の応力レベルが異なるだけであり、応力集中領域２２の範囲は略同じになる。そのため、繰返し引張応力Ｆの応力レベルが異なる場合でも、疲労亀裂１４の先端部１４ａにおいて、亀裂方向とのなす角度θが５５度となる方向２４と、亀裂方向とにより挟まれた領域に穴１８ａを形成することにより、応力集中領域２２を避けることができる。

圧入工程（Ｓ１２）は、金属部材本体１２より剛性が高く、穴１８より外形が大きい圧入体２０を穴１８に圧入し、疲労亀裂１４の先端部１４ａに、亀裂方向に対して側方から圧縮応力を作用させる工程である。

図７は、穴１８に圧入体２０を圧入する方法を示す断面図であり、図７（ａ）は、圧入体２０の圧入前の状態を示す断面図であり、図７（ｂ）は、圧入体２０の圧入後の状態を示す断面図である。

まず、図７（ａ）に示すように、圧入体２０は、穴１８の位置に位置決めされる。圧入体２０には、例えば、圧入用ピンやリベット等が用いられる。圧入体２０は、例えば、ハンマによる打撃、空気圧、油圧、火薬等を用いることにより穴に圧入される。図７（ｂ）に示すように、圧入体２０の圧入後は、穴１８を圧入体２０で押し広げることで亀裂方向に対して側方から圧縮応力Ｃが作用する。この圧縮応力Ｃにより疲労亀裂１４の先端部１４ａの開口を潰して閉口させることができる。

また、圧入体２０の圧入部２０ａの外径と、穴１８の穴径とは、亀裂方向に対して側方から作用させる圧縮応力Ｃの大きさに基づいて定められる。圧入部２０ａの外径は、例えば、穴１８の穴径の１．１倍から１．１５倍であり、穴１８の穴径が４．０ｍｍであるとき、圧入部２０ａの外径は、４．５ｍｍである。

なお、後に、疲労亀裂１４の恒久対策として溶接補修するために、圧入体２０を穴１８から引き抜く場合がある。圧入体２０は、金属部材本体１２と圧入部２０ａとの摩擦により引き抜き難くなっていることから、圧入体２０を穴１８から治具等で容易に引き抜くために、圧入体２０の頭部２０ｂの外周面に鍔、ねじ、溝等を設けてもよい。

図８は、圧入体３２、３４、３６、３７、３８の構成を示す側面図である。図８（ａ）に示す圧入体３２では、頭部２０ｂの外周面に鍔３２ａが設けられている。図８（ｂ）に示す圧入体３４では、頭部２０ｂの外周面にねじ３４ａが設けられている。図８（ｃ）に示す圧入体３６では、頭部２０ｂの外周面に溝３６ａが設けられている。このように、頭部２０ｂの外周面に鍔３２ａ、ねじ３４ａ、溝３６ａ等を設けることにより、圧入体３２、３４、３６を金属部材本体１２から治具等を用いて容易に引き抜くことが可能となる。また、図８（ｄ）、図８（ｅ）に示す圧入体３７、３８では、テーパが設けられている。このように圧入体３７、３８にテーパを設けることで、圧入し易くなると共に、例えば、金属部材本体１２の板厚が厚い場合でも圧入体３７、３８の座屈を抑えて圧入することができる。

次に、橋梁の金属構造体に上記の疲労亀裂進展抑制方法を適用する場合について説明する。図９は、橋梁の金属構造体４０の構成を示す図であり、図９（ａ）は、橋梁の金属構造体４０の全体構造を示す斜視図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示される領域Ａの拡大図である。

図９（ａ）に示すように、橋梁の金属構造体４０の典型的な部材として、複数の主桁４２を結合するため横桁４４が回し溶接で取り付けられている。そして、図９（ｂ）に示すように、金属構造体４０に繰返し応力が負荷されると、溶接部４６の止端に疲労亀裂１４が発生する場合がある。この疲労亀裂１４の先端部１４ａの亀裂方向に対して側方に穴を形成して圧入体２０を圧入することにより、疲労亀裂の進展を抑制することができる。なお、橋梁の金属構造体４０だけでなく、船殻の内構部材や自動倉庫用クレーンの主塔等にも適用可能である。

以上、上記構成によれば、繰返し引張応力が作用して疲労亀裂が生じた金属部材本体に、疲労亀裂の先端部の亀裂方向に対して側方に穴を形成し、金属部材本体より剛性が高く、穴より外形が大きい圧入体を穴に圧入し、疲労亀裂の先端部に、亀裂方向に対して側方から圧縮応力を作用させているので、この圧縮応力により疲労亀裂の先端部の開口を潰してより小さくすることができると共に、繰返し引張応力が金属部材本体に作用する場合でも、疲労亀裂の先端部には亀裂方向の側方から圧縮応力が作用しているので、疲労亀裂の先端部の開口の広がりを抑えることができる。

上記構成によれば、疲労亀裂の先端部の亀裂方向の側方にドリル等で穴を形成し、ハンマの打撃等で圧入体を圧入すればよいので、大掛かりな溶接機等の設備を必要とせずに簡易に作業を行うことができる。そのため、金属構造物の点検中に疲労亀裂を見つけた場合には、現場で応急的な補修として適用可能である。また、疲労亀裂の恒久対策時には、圧入体を引き抜いて穴を溶接等で埋め戻せばよいので恒久対策も容易に行うことができる。

上記構成によれば、金属部材本体の厚み方向における穴の長さと、圧入体の長さとを調節することにより、金属部材本体の表面部に生じた疲労亀裂だけでなく、金属部材本体の厚み方向に貫通した疲労亀裂でも疲労亀裂の進展を抑制することが可能となる。

次に、疲労試験を行って上記の疲労亀裂進展抑制方法の有効性について評価した。

（疲労試験片）
図１０は、疲労試験片５０の形状を示す平面図である。疲労試験片５０の形状は、長さ６００ｍｍ、幅１００ｍｍ、板厚９ｍｍの矩形状平板とした。疲労試験片５０には、軟鋼（ＪＩＳ ＳＳ４００、ＳＭ４９０等）を使用した。疲労試験片５０の中央にドリルで直径４ｍｍの孔５２を開けると共に、孔５２の両側（疲労試験片５０の長手方向に対して直交方向）に放電加工でスリットを各々形成した。各スリットの長さは、孔５２の中心から４ｍｍの長さとし、一方のスリットの先端から他方のスリットの先端までの長さを８ｍｍとした。また、各スリットの幅を、０．２ｍｍとした。

次に、疲労試験片５０に繰返し引張応力Ｆを作用させて、疲労亀裂１４を導入した。図１１は、疲労試験片５０に作用させる繰返し引張応力Ｆを示すグラフである。繰返し引張応力Ｆは、疲労試験片５０の長手方向に作用させることとした。繰返し引張応力Ｆは、最大引張応力（公称応力）Ｆmax=９０ＭＰａとし、最小引張応力をＦmin=０ＭＰａとした。繰返し引張応力Ｆの最大引張応力を９０ＭＰａとした理由は、橋梁等の金属構造体に疲労亀裂が発生する場合に作用する繰返し引張応力の最大値が７０ＭＰａから８０ＭＰａであるからである。なお、疲労試験片５０に作用させる繰返し引張応力Ｆの周波数は、５Ｈｚとした。

疲労試験機によりスリットを入れた疲労試験片５０に繰返し引張応力Ｆを作用させて、孔５２の中心から各々１５ｍｍの長さまで疲労亀裂１４を進展させて（一方の疲労亀裂１４の先端から他方の疲労亀裂１４の先端までの長さが３０ｍｍ）、疲労試験片５０に疲労亀裂１４を導入した。

（穴位置の検討）
疲労亀裂進展抑制のために、疲労試験片５０の穴位置について検討を行った。まず、疲労試験片５０の長手方向に一様に引張応力を作用させたときに疲労亀裂１４の先端部１４ａの周りに生じる応力分布について有限要素法（ＦＥＭ）により応力解析した。

図１２は、疲労亀裂１４の先端部１４ａの周りに生じる疲労試験片５０の長手方向の応力分布を示す図である。疲労試験片５０の長手方向には、繰返し引張応力Ｆの最大引張応力（公称応力）９０ＭＰａを一様に作用させた。疲労亀裂１４先端部１４ａの周りの応力レベルがグレースケールで示されており、白色が強調される部位ほど引張応力が大きいことを表しており、黒色が強調される部位ほど圧縮応力が大きいことを表している。

図１２から明らかなように、疲労亀裂１４の先端の応力集中により、疲労試験片５０に一様に作用させた９０ＭＰａよりも引張応力が大きい応力集中領域が形成されることを確認した。また、引張応力の応力線が疲労亀裂１４の先端を迂回することにより、疲労亀裂１４の先端部１４ａの周りには、疲労試験片５０に一様に作用させた９０ＭＰａより引張応力が小さい応力領域が形成されることを確認した。

そこで、今回の疲労試験では、この応力集中による応力集中領域を除いた位置に穴１８ａを設けることとした。図１２に示す応力解析から、疲労亀裂１４の先端部１４ａにおいて、疲労亀裂１４の方向とのなす角度θが５５度となる方向２４と、亀裂方向とにより挟まれた領域に穴１８ａを形成することにより、穴１８ａの一部または全部が応力集中による引張応力が大きい応力集中領域に含まれることを避けられることを見出した。

（圧入による応力分布の検討）
次に、穴１８ａに圧入体２０を圧入したときの疲労亀裂１４の先端部１４ａへの影響について、有限要素法（ＦＥＭ）により応力解析した。図１３は、応力解析を行うための疲労試験片５０のモデル図であり、図１３（ａ）は、疲労試験片５０の全体を示すモデル図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に示される領域Ａを拡大したモデル図であり、図１３（ｃ）は、図１３（ｂ）に示される穴１８ａ周りを拡大したモデル図である。

穴１８ａは、穴径（ｈ）４ｍｍの丸穴とした。そして、穴１８ａを、孔５２の両側に導入された各疲労亀裂１４の先端部１４ａの亀裂方向に対して直交方向に対称となる位置に２つ配置した。また、疲労亀裂１４の先端の応力集中による応力集中領域を除いた位置に穴１８ａを設けるために、穴１８ａは、疲労亀裂１４の先端部１４ａにおいて、疲労亀裂１４の方向とのなす角度θが５５度となる方向２４と、亀裂方向とにより挟まれた位置に配置した。更に、圧入時に穴１８ａの周縁と、疲労亀裂１４の先端部１４ａとが連通することを防止するために、穴１８ａの周縁と疲労亀裂１４の先端部１４ａとの間の最短距離Ｄが１ｍｍとなる位置に穴１８ａを配置した。穴１８ａの中心から疲労亀裂１４の先端部１４ａに垂直に下ろした垂線の長さＨは３．０ｍｍであり、疲労亀裂１４の先端と、穴１８ａの中心から疲労亀裂１４の先端部１４ａに垂直に下ろした位置との間の距離Ｌは４．５ｍｍである。

有限要素法（ＦＥＭ）による応力解析では、圧入体２０に外径４．５ｍｍの圧入用の鋲を用いることを想定して、穴径４ｍｍの穴１８ａを穴径４．５ｍｍに強制変位で広げることにより圧入を模擬して行った。また、応力解析では、疲労試験片５０の下端部を長手方向に拘束し、疲労試験片５０の長手方向に対して直交方向を対称条件とし、疲労亀裂面に接触条件を付与した（接触解析）。

図１４は、圧入体２０の圧入に伴う疲労試験片５０の長手方向の応力分布を示す図である。疲労亀裂１４の先端部１４ａの周りに作用する応力レベルがグレースケールで示されており、図１２と同様に、白色が強調される部位ほど引張応力が大きいことを表しており、黒色が強調される部位ほど圧縮応力が大きいことを表している。疲労亀裂１４の先端部１４ａに、亀裂方向に対して側方から圧縮応力が作用しており、疲労亀裂１４の先端部１４ａの開口が潰されていることを確認した。

更に、圧入後に疲労試験片５０の長手方向に一様な引張応力を作用させたときの応力分布について有限要素法（ＦＥＭ）により応力解析した。図１５は、圧入後に疲労試験片５０に一様な引張応力を作用させたときの疲労試験片５０の長手方向の応力分布を示す図である。疲労試験片５０の長手方向に一様に作用させる引張応力は、公称応力で９０ＭＰａとした。疲労亀裂１４の先端部１４ａの周りに作用する応力レベルがグレースケールで示されており、図１２と同様に、白色が強調される部位ほど引張応力が大きいことを表しており、黒色が強調される部位ほど圧縮応力が大きいことを表している。

疲労試験片５０に一様な引張応力を作用させた場合でも、疲労亀裂１４の先端部１４ａに、亀裂方向に対して側方から作用する圧縮応力が残存しており、疲労亀裂１４の先端部１４ａの開口が潰されて閉口したままの状態であることを確認した。

（疲労亀裂進展抑制処理）
上記の応力解析結果に基づいて、疲労亀裂１４を導入した疲労試験片５０にドリルで穿孔して穴径４ｍｍの穴１８ａを形成した。穴１８ａの位置は、図１３のモデルに示すように、疲労亀裂１４の先端部１４ａにおいて、疲労亀裂１４の方向とのなす角度θが５５度となる方向２４と、亀裂方向とにより挟まれた位置であり、穴１８ａの周縁と疲労亀裂１４の先端部１４ａとの間の最短距離Ｄが１ｍｍとなる位置とした。また、穴１８ａの中心から疲労亀裂１４の先端部１４ａに垂直に下ろした垂線の長さＨを３．０ｍｍとし、疲労亀裂１４の先端と、穴１８ａの中心から疲労亀裂１４の先端部１４ａに垂直に下ろした位置との間の距離Ｌを４．５ｍｍとした。

また、孔５２に対して一方の疲労亀裂１４の先端部１４ａの亀裂方向に対して両側方と、他方の疲労亀裂１４の先端部１４ａの亀裂方向に対して両側方とに穴１８ａを設けることにより、合計４つの穴１８ａを形成した。各疲労亀裂１４の先端部１４ａの亀裂方向に対して両側方に設けられた２つの穴１８ａは、疲労亀裂１４の先端部１４ａの亀裂方向に対して直交方向（繰返し応力方向と平行方向）に対称となる位置とした。

圧入体２０には、軟鋼より剛性が高いヒルティ（Ｈｉｌｔｉ）社の鋲（Ｘ−ＢＴ Ｍ８−１５−６ ＳＮ１２−Ｒ）を使用した。この鋲は、ＣＲ５００（オーステナイト系ステンレス鋼）で形成されている。この鋲の圧入部の外径は４．５ｍｍであり、圧入部の長さは５ｍｍである。この鋲を、疲労亀裂１４を導入した疲労試験片５０に形成した４つの穴１８ａにハンマで打鋲した。図１６は、打鋲後における一方の疲労亀裂１４の先端部１４ａの周りの断面図である。図１６に示すように、疲労試験片５０の一方の面と他方の面とから打鋲を行った。

（疲労試験）
上記の疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片について疲労試験を行った。疲労試験条件は、図１１に示すように、最大引張応力（公称応力）を９０ＭＰａとし、最小引張応力を０ＭＰａとした。疲労試験の周波数は、５Ｈｚとした。また、比較例として、上記の疲労亀裂進展抑制処理を行っていないスリットのみを入れた疲労試験片についても同様に疲労試験を行った。

図１７は、疲労試験結果を示すグラフである。図１７のグラフでは、横軸に繰返し数（Ｎ）を取り、縦軸に孔５２の中心からの一方の疲労亀裂長さ（ｍｍ）を取り、疲労進展抑制処理した実施例のデータを黒四角形でプロットし、比較例のデータを白丸でプロットした。

なお、実施例の疲労試験片では、上述したように、予め孔５２の中心からの一方の疲労亀裂長さ（ｍｍ）を１５ｍｍまで進展させた後（図１７のＡの時点、約７０万回後）、疲労試験機から疲労試験片を外して上記の疲労亀裂進展抑制処理を行い、再び疲労試験機に疲労試験片を取り付けて疲労試験を行っている。

比較例の疲労試験片では、繰返し数が約６２万回で孔５２の中心からの一方の疲労亀裂長さが３５ｍｍを超えて破断に至った。これに対して実施例の疲労試験片では、疲労亀裂進展抑制処理してから繰返し数が６００万回以上経過後でも、孔５２の中心からの一方の疲労亀裂の長さは、疲労亀裂進展抑制処理前と略同じであった。この疲労試験結果から、実施例の疲労試験片は、比較例の疲労試験片と比較して疲労亀裂の進展が抑制されていることが明らかとなった。

次に、圧入体である鋲を圧入するための穴位置や、繰返し引張応力Ｆの応力レベルを変えることにより、疲労亀裂進展抑制処理の有効性について更に評価した。また、いわゆるストップホールによる疲労亀裂進展抑制方法についても合わせて評価した。

まず、実施例Ａ、Ｂの疲労亀裂進展抑制処理について説明する。実施例Ａ，Ｂの疲労亀裂進展抑制処理には、上記の実施例の疲労亀裂進展抑制処理に用いた図１０に示す疲労亀裂を導入した疲労試験片５０と同じ形状（幅１００ｍｍ、長さ６００ｍｍ、厚み９ｍｍの矩形状試験片）で、同じ材質（軟鋼 ＪＩＳ ＳＳ４００、ＳＭ４９０等）のものを使用した。

また、疲労亀裂の導入方法については、疲労亀裂を導入するときの繰返し引張応力Ｆの最大引張応力（公称応力）をＦmax=１２０ＭＰａとし、最小引張応力をＦmin＝０ＭＰａとした以外は、上記の実施例の疲労亀裂進展抑制処理に用いた疲労試験片５０と同じ方法で疲労亀裂の導入を行った。

すなわち、図１０に示す疲労試験片５０と同様に、放電加工によりスリット（各スリットの長さは、孔５２の中心から４ｍｍの長さとし、一方のスリットの先端から他方のスリットの先端までの長さを８ｍｍ）を入れた疲労試験片に疲労試験機により繰返し引張応力Ｆを作用させて、孔５２の中心から各々１５ｍｍの長さまで疲労亀裂１４を進展させた（一方の疲労亀裂１４の先端から他方の疲労亀裂１４の先端までの長さが３０ｍｍ）。

実施例Ａの疲労亀裂進展抑制処理については、上記の実施例の疲労亀裂進展抑制処理と同じ処理を行った。図１８は、実施例Ａの疲労亀裂進展抑制処理における疲労亀裂１４を導入した疲労試験片５０に、圧入体である鋲を圧入するための穴１８ａを形成した部位の拡大図である。

疲労亀裂１４を導入した疲労試験片５０にドリルで穿孔して穴径４ｍｍの穴１８ａを形成した。穴１８ａの位置は、図１３のモデル図に示すように、疲労亀裂の先端部１４ａにおいて、疲労亀裂１４の亀裂方向とのなす角度θが５５度となる方向２４と、疲労亀裂１４の亀裂方向とにより挟まれた位置であり（疲労亀裂１４の亀裂方向とのなす角度θが５５度となる方向２４の線は、穴１８ａの周縁と接している）、穴１８ａの周縁と疲労亀裂の先端部１４ａとの間の最短距離が１ｍｍとなる位置とした。

また、穴１８ａの中心から疲労亀裂の先端部１４ａに垂直に下ろした垂線の長さを３ｍｍとし、疲労亀裂の先端１４ｂと、穴１８ａの中心から疲労亀裂の先端部１４ａに垂直に下ろした位置との間の距離を４．５ｍｍとした。

そして、孔５２に対して一方の疲労亀裂の先端部１４ａの亀裂方向に対して両側方と、他方の疲労亀裂の先端部１４ａの亀裂方向に対して両側方とに穴１８ａを設けることにより、合計４つの穴１８ａを形成した。各疲労亀裂の先端部１４ａの亀裂方向に対して両側方に設けられた２つの穴１８ａは、疲労亀裂の先端部１４ａの亀裂方向に対して直交方向（繰返し引張応力Ｆの方向と平行方向）に対称となる位置とした。

次に、上記の実施例の疲労亀裂進展抑制処理と同じ方法で、圧入部の外径が４．５ｍｍのヒルティ（Ｈｉｌｔｉ）社製の鋲（Ｘ−ＢＴ Ｍ８−１５−６ ＳＮ１２−Ｒ）を４つの穴１８ａにハンマで打鋲した。なお、実施例Ａの疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片については１体作製した。

実施例Ｂの疲労亀裂進展抑制処理では、圧入体である鋲を圧入する穴を、穴の中心と疲労亀裂の先端とを結ぶ直線が疲労亀裂の亀裂方向と直交するように形成した。図１９は、実施例Ｂの疲労亀裂進展抑制処理における疲労亀裂１４を導入した疲労試験片５０に、圧入体である鋲を圧入するための穴１８ｂを形成した部位の拡大図である。

疲労亀裂１４を導入した疲労試験片５０にドリルで穿孔して穴径４ｍｍの穴１８ｂを形成した。実施例Ｂの疲労亀裂進展抑制処理では、圧入体である鋲を圧入する穴１８ｂを、穴１８ｂの中心と疲労亀裂の先端１４ｂとを結ぶ直線５４が疲労亀裂１４の亀裂方向と直交するように形成した。すなわち、穴１８ｂの中心は、疲労亀裂の先端１４ｂにおける亀裂方向と直交する方向５４の直線上に位置している。穴１８ｂの周縁と疲労亀裂の先端１４ｂとの間の最短距離を１ｍｍとし、穴１８ｂの中心から疲労亀裂の先端１４ｂに垂直に下ろした垂線の長さを３ｍｍとした。

孔５２に対して一方の疲労亀裂の先端１４ｂにおける亀裂方向に対して両側方と、他方の疲労亀裂の先端１４ｂにおける亀裂方向に対して両側方とに穴１８ｂを設けることにより、合計４つの穴１８ｂを形成した。各疲労亀裂の先端１４ｂにおける亀裂方向に対して両側方に設けられた２つの穴１８ｂは、疲労亀裂の先端１４ｂにおける亀裂方向に対して直交方向（繰返し引張応力Ｆの方向と平行方向）に対称となる位置とした。

次に、上記の実施例の疲労亀裂進展抑制処理と同じ方法で、圧入部の外径が４．５ｍｍのヒルティ（Ｈｉｌｔｉ）社製の鋲（Ｘ−ＢＴ Ｍ８−１５−６ ＳＮ１２−Ｒ）を４つの穴１８ｂにハンマで打鋲した。なお、実施例Ｂの疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片については２体作製した。

比較例Ａとして、いわゆるストップホールによる疲労亀裂進展抑制処理についても評価した。

比較例Ａの疲労亀裂進展抑制処理には、上記の実施例の疲労亀裂進展抑制処理に用いた図１０に示す疲労亀裂を導入した疲労試験片５０と同じ形状（幅１００ｍｍ、長さ６００ｍｍ、厚み９ｍｍの矩形状試験片）で、同じ材質（軟鋼、ＪＩＳ ＳＳ４００、ＳＭ４９０等）のものを使用した。

また、疲労亀裂の導入方法についても、上記の実施例の疲労亀裂進展抑制処理に用いた疲労試験片５０と同じ方法で行った。すなわち、図１０に示す疲労試験片５０と同様に、放電加工によりスリット（各スリットの長さは、孔５２の中心から４ｍｍの長さとし、一方のスリットの先端から他方のスリットの先端までの長さを８ｍｍ）を入れた疲労試験片に疲労試験機により繰返し引張応力Ｆを作用させて、孔５２の中心から各々１５ｍｍの長さまで疲労亀裂１４を進展させた（一方の疲労亀裂１４の先端から他方の疲労亀裂１４の先端までの長さが３０ｍｍ）。

なお、疲労亀裂を導入するときの繰返し引張応力Ｆについては、最大引張応力（公称応力）をＦmax=９０ＭＰａとし、最小引張応力をＦmin＝０ＭＰａとしたものについて１体作製し、最大引張応力（公称応力）をＦmax=１２０ＭＰａとし、最小引張応力をＦmin＝０ＭＰａとしたものについて１体作製した。

次に、疲労亀裂を導入した疲労試験片にストップホールを形成した。図２０は、比較例Ａの疲労亀裂進展抑制処理における疲労亀裂１４を導入した疲労試験片５０に、ストップホール６０を形成した部位の拡大図である。

孔５２に対して一方の疲労亀裂の先端１４ｂと、他方の疲労亀裂の先端１４ｂとを中心にしてドリルで各々穿孔し、合計２つのストップホール６０を形成した。ストップホール６０の穴径は１８ｍｍとした。

実施例Ａ、Ｂ及び比較例Ａの疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片について室温大気中で疲労試験を行った。実施例Ａ、Ｂの疲労亀裂進展抑制処理を行った疲労試験片の疲労試験条件については、最大引張応力（公称応力）をＦmax=１２０ＭＰａとし、最小引張応力をＦmin＝０ＭＰａとした。疲労試験の周波数については、５Ｈｚとした。また、疲労亀裂の長さについては、クラックゲージで測定した。なお、実施例Ａの疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片については１体試験し、実施例Ｂの疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片については２体試験した。

比較例Ａの疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片については２体試験し、１体の疲労試験条件を、最大引張応力（公称応力）Ｆmax=９０ＭＰａ、最小引張応力Ｆmin＝０ＭＰａとし、他の１体の疲労試験条件を、最大引張応力（公称応力）Ｆmax=１２０ＭＰａ、最小引張応力Ｆmin＝０ＭＰａとした。また、疲労試験の周波数については、５Ｈｚとした。なお、比較例Ａの疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片については、疲労亀裂の先端にストップホールを形成していることから、クラックゲージによる疲労亀裂の長さの測定については行っていない。

図２１は、疲労試験結果を示すグラフである。図２１のグラフでは、横軸に繰り返し数（Ｎ）を取り、縦軸に孔５２の中心からの一方の疲労亀裂長さ（ｍｍ）を取り、実施例Ａ，Ｂの疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片のデータをプロットした。なお、実施例Ａの疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片のデータについては、黒三角形で表し、実施例Ｂの疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片のデータについては、×と、白菱形とで表している。

また、図２１のグラフ中には、上記の図１７のグラフに示す疲労亀裂進展抑制処理を行っていない比較例の疲労試験片のデータ（図１７のグラフの白丸）及び実施例の疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片のデータ（図１７のグラフの黒四角形）についても合わせて記載した。疲労亀裂進展抑制処理を行っていない比較例の疲労試験片のデータについては、白丸で表し、実施例の疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片のデータについては、黒四角形で表している。

なお、図２１のグラフ中には、疲労亀裂進展抑制処理前における疲労亀裂の導入時のデータについても合わせて記載した。実施例Ａ，Ｂの疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片では、上述したように、予め孔５２の中心からの一方の疲労亀裂長さ（ｍｍ）を１５ｍｍまで進展させた後（図２１のグラフにおいて、実施例Ａの疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片では繰り返し数が約２６万回のＸの時点、実施例Ｂの疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片では繰り返し数が約３５万回のＹの時点と、繰り返し数が約２８万回のＺの時点）、疲労試験機から疲労試験片を一度外して上記の各疲労亀裂進展抑制処理を行い、再び疲労試験機に各疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片を取り付けて疲労試験を行っている。図２１のグラフにおいて、疲労亀裂進展抑制処理前のデータについては点線で表しており、疲労亀裂進展抑制処理後のデータについては実線で表している。

比較例の疲労亀裂進展抑制処理を行っていない疲労試験片では、繰り返し数が約６２万回で孔５２の中心からの一方の疲労亀裂長さが３５ｍｍを超えて破断に至った。また、比較例Ａのストップホールによる疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片では、疲労試験条件を、最大引張応力（公称応力）Ｆmax=９０ＭＰａ、最小引張応力Ｆmin＝０ＭＰａとしたものは、ストップホールを空けた後の繰り返し数が約５７万回で破断に至り、疲労試験条件を、最大引張応力（公称応力）Ｆmax=１２０ＭＰａ、最小引張応力Ｆmin＝０ＭＰａとしたものは、ストップホールを空けた後の繰り返し数が約１５万回で破断に至った。

これに対して、実施例Ａの疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片では、繰り返し数が約１８０万回で破断に至った。実施例Ｂの疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片では、１体が約１５０万回で破断に至り、他の１体が５００万回以上経過後でも、孔５２の中心からの一方の疲労亀裂の長さが疲労亀裂進展抑制処理前と略同じであった。

また、実施例、実施例Ａ及びＢの疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片について疲労試験後に鋲周りの外観観察を行ったところ、鋲を圧入した穴１８ａ、１８ｂの周りからの疲労亀裂発生は認められなかった。

この疲労試験結果から、実施例、実施例Ａ及び実施例Ｂの疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片では、比較例における疲労亀裂進展抑制処理をしていない疲労試験片、比較例Ａのストップホールによる疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片に対して疲労亀裂の進展が抑制されていることが明らかとなった。

したがって、圧入体である鋲を圧入するための穴を、疲労亀裂の先端部の亀裂方向に対して側方、例えば、穴の中心が、疲労亀裂の先端における亀裂方向と直交する方向から疲労亀裂側に位置するように設けることで、疲労亀裂の進展を抑制できることがわかった。

次に、テーパピンを用いて圧入した場合における疲労亀裂進展抑制処理の有効性について評価した。

まず、テーパピンを用いて圧入した実施例Ｃの疲労亀裂進展抑制処理について説明する。実施例Ｃの疲労亀裂進展抑制処理には、上記の実施例の疲労亀裂進展抑制処理に用いた図１０に示す疲労亀裂を導入した疲労試験片５０と同じ形状（幅１００ｍｍ、長さ６００ｍｍ、厚み９ｍｍの矩形状試験片）で、同じ材質（軟鋼 ＪＩＳ ＳＳ４００、ＳＭ４９０等）のものを使用した。

また、疲労亀裂の導入方法については、疲労亀裂を導入するときの繰返し引張応力Ｆの最大引張応力（公称応力）をＦmax=１２０ＭＰａとし、最小引張応力をＦmin＝０ＭＰａとした以外は、上記の実施例の疲労亀裂進展抑制処理に用いた疲労試験片５０と同じ方法で疲労亀裂の導入を行った。

すなわち、図１０に示す疲労試験片５０と同様に、放電加工によりスリット（各スリットの長さは、孔５２の中心から４ｍｍの長さとし、一方のスリットの先端から他方のスリットの先端までの長さを８ｍｍ）を入れた疲労試験片に疲労試験機により繰返し引張応力Ｆを作用させて、孔５２の中心から各々１５ｍｍの長さまで疲労亀裂１４を進展させた（一方の疲労亀裂１４の先端から他方の疲労亀裂１４の先端までの長さが３０ｍｍ）。

実施例Ｃの疲労亀裂進展抑制処理では、テーパピンを圧入する穴をテーパ穴で形成した。図２２は、実施例Ｃの疲労亀裂進展抑制処理における疲労亀裂１４を導入した疲労試験片５０に、テーパピンを圧入するためのテーパ穴１８ｃを形成した部位の拡大図である。また、図２３は、テーパ穴１８ｃの形状を示す断面図である。

疲労亀裂１４を導入した疲労試験片５０にテーパピンドリルで穿孔してテーパ穴１８ｃを形成した。実施例Ｃの疲労亀裂進展抑制処理では、テーパピンを圧入するテーパ穴１８ｃを、テーパ穴１８ｃの中心と疲労亀裂の先端１４ｂとを結ぶ直線５４が疲労亀裂１４の亀裂方向と直交するように形成した。すなわち、テーパ穴１８ｃの中心は、疲労亀裂の先端１４ｂにおける亀裂方向と直交する方向５４の直線上に位置している。テーパ穴１８ｃの周縁と疲労亀裂の先端１４ｂとの間の最短距離を１ｍｍとし、テーパ穴１８ｃの中心から疲労亀裂の先端１４ｂに垂直に下ろした垂線の長さを約３．５ｍｍとした。また、テーパ穴１８ｃの形状については、大端穴径を５．３６ｍｍとし、小端穴径を５．００ｍｍとした。

孔５２に対して一方の疲労亀裂の先端１４ｂにおける亀裂方向に対して側方と、他方の疲労亀裂の先端１４ｂにおける亀裂方向に対して側方とにテーパ穴１８ｃを設けることにより、合計２つのテーパ穴１８ｃを形成した。

次に、テーパピンをテーパ穴１８ｃにハンマで圧入した。図２４は、テーパピンの形状を示す断面図である。テーパピンについては、合金工具鋼ＳＫＤ１１で円錐形状に形成した。テーパピンの形状については、大端部の直径を６．０６ｍｍとし、小端部の直径を５．１８ｍｍとし、長さを２２．０ｍｍとした。なお、実施例Ｃの疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片については１体作製した。

疲労試験を行う前に、テーパピンを圧入したときの疲労亀裂１４の先端部１４ａへの影響について、有限要素法（ＦＥＭ）により応力解析した。なお、テーパピンについては図２４に示す形状とし、テーパ穴についてはテーパピンのピン径より０．５ｍｍ小さくなるようにして圧入を模擬して応力解析した。

図２５は、テーパピンの圧入に伴う疲労試験片５０の長手方向の応力分布を示す図である。疲労亀裂１４の先端部１４ａの周りに作用する応力レベルがグレースケールで示されており、図１２と同様に、白色が強調される部位ほど引張応力が大きいことを表しており、黒色が強調される部位ほど圧縮応力が大きいことを表している。疲労亀裂１４の先端部１４ａに、亀裂方向に対して側方から圧縮応力が作用しており、疲労亀裂１４の先端部１４ａの開口が潰されていることを確認した。

更に、テーパピンの圧入後に疲労試験片５０の長手方向に一様な引張応力を作用させたときの応力分布について有限要素法（ＦＥＭ）により応力解析した。図２６は、テーパピンの圧入後に疲労試験片５０に一様な引張応力を作用させたときの疲労試験片５０の長手方向の応力分布を示す図である。疲労試験片５０の長手方向に一様に作用させる引張応力は、公称応力で１５０ＭＰａとした。疲労亀裂１４の先端部１４ａの周りに作用する応力レベルがグレースケールで示されており、図１２と同様に、白色が強調される部位ほど引張応力が大きいことを表しており、黒色が強調される部位ほど圧縮応力が大きいことを表している。

疲労試験片５０に一様な引張応力を作用させた場合でも、疲労亀裂１４の先端部１４ａに、亀裂方向に対して側方から作用する圧縮応力が残存しており、疲労亀裂１４の先端部１４ａの開口が潰されて閉口したままの状態であることを確認した。

実施例Ｃの疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片について室温大気中で疲労試験を行った。実施例Ｃの疲労亀裂進展抑制処理を行った疲労試験片の疲労試験条件については、最大引張応力（公称応力）をＦmax=１２０ＭＰａとし、最小引張応力をＦmin＝０ＭＰａとした。疲労試験の周波数については、５Ｈｚとした。また、疲労亀裂の長さについては、クラックゲージで測定した。

図２７は、疲労試験結果を示すグラフである。図２７のグラフでは、横軸に繰り返し数（Ｎ）を取り、縦軸に孔５２の中心からの一方の疲労亀裂長さ（ｍｍ）を取り、実施例Ｃの疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片のデータを黒丸でプロットした。

なお、図２７のグラフ中には、疲労亀裂進展抑制処理前における疲労亀裂の導入時のデータについても合わせて記載した。実施例Ｃの疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片では、上述したように、予め孔５２の中心からの一方の疲労亀裂長さ（ｍｍ）を１５ｍｍまで進展させた後（図２７のグラフにおいて、実施例Ｃの疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片では繰り返し数が約１００万回のＡの時点）、疲労試験機から疲労試験片を一度外して上記の実施例Ｃの疲労亀裂進展抑制処理を行い、再び疲労試験機に疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片を取り付けて疲労試験を行っている。図２７のグラフにおいて、疲労亀裂進展抑制処理前のデータについては点線で表しており、疲労亀裂進展抑制処理後のデータについては実線で表している。

実施例Ｃの疲労亀裂進展抑制処理した疲労試験片では、繰り返し数が約５００万回経過後でも、孔５２の中心からの一方の疲労亀裂の長さが疲労亀裂進展抑制処理前と略同じであった。そこで、繰り返し数が約５００万回経過後のＢの時点で、最大引張応力（公称応力）をＦmax=１５０ＭＰａに変更して疲労試験を継続したところ、更に約２２７万回経過後に破断に至った。このように、圧入体としてテーパピンを用いた場合でも、疲労亀裂の進展を抑制できることがわかった。

本発明は、繰返し引張応力が作用して疲労亀裂が生じた金属部材において、疲労亀裂の先端部に、亀裂方向に対して側方から圧縮応力を作用させることが可能となり、金属部材の疲労亀裂進展を抑制できることから、橋梁、船舶、クレーン等に用いられる金属部材に有用なものである。

Claims (14)

1. 金属部材の疲労亀裂進展抑制方法であって、
   繰返し引張応力が作用して疲労亀裂が生じた金属部材本体に、前記疲労亀裂の先端部の亀裂方向に対して側方に穴を形成する穴形成工程と、
   前記金属部材本体より剛性が高く、前記穴より外形が大きい圧入体を前記穴に圧入し、前記疲労亀裂の先端部に、前記亀裂方向に対して側方から圧縮応力を作用させる圧入工程と、
   を備えることを特徴とする金属部材の疲労亀裂進展抑制方法。
2. 請求項１に記載の金属部材の疲労亀裂進展抑制方法であって、
   前記穴形成工程は、前記穴が、前記穴の中心と前記疲労亀裂の先端とを結ぶ直線が前記亀裂方向と直交するように形成されることを特徴とする金属部材の疲労亀裂進展抑制方法。
3. 請求項１に記載の金属部材の疲労亀裂進展抑制方法であって、
   前記穴形成工程は、前記疲労亀裂の先端部の応力集中により生じる応力集中領域を予め求め、前記応力集中領域を除く位置に前記穴を形成することを特徴とする金属部材の疲労亀裂進展抑制方法。
4. 請求項３に記載の金属部材の疲労亀裂進展抑制方法であって、
   前記穴形成工程は、前記疲労亀裂の先端部において、前記亀裂方向とのなす角度θとなる方向と、亀裂方向とにより挟まれた位置に、前記穴を形成すると共に、前記角度θを応力解析で求めることを特徴とする金属部材の疲労亀裂進展抑制方法。
5. 請求項４に記載の金属部材の疲労亀裂進展抑制方法であって、
   前記角度θは、前記亀裂方向に対して直交方向に一様な引張応力を作用させた場合に、５５度であることを特徴とする金属部材の疲労亀裂進展抑制方法。
6. 請求項１から５のいずれか１つに記載の金属部材の疲労亀裂進展抑制方法であって、
   前記穴形成工程は、前記圧入体を前記穴に圧入したときに、前記穴と前記疲労亀裂の先端部とが連通することを防止するために、前記穴の周縁と前記疲労亀裂の先端部との間の最短距離が１ｍｍ以上となる位置に前記穴を形成することを特徴とする金属部材の疲労亀裂進展抑制方法。
7. 請求項１から５のいずれか１つに記載の金属部材の疲労亀裂進展抑制方法であって、
   前記穴形成工程は、前記疲労亀裂の先端部の亀裂方向に対して直交方向の対称となる位置に前記穴を各々形成することを特徴とする金属部材の疲労亀裂進展抑制方法。
8. 請求項１から５のいずれか１つに記載の金属部材の疲労亀裂進展抑制方法であって、
   前記疲労亀裂は、前記金属部材本体の厚み方向に貫通しており、
   前記穴は、前記金属部材本体の厚み方向に貫通して形成され、
   前記圧入体は、前記穴の長さと同じかまたは前記穴の長さより長く形成されていることを特徴とする金属部材の疲労亀裂進展抑制方法。
9. 請求項１から５のいずれか１つに記載の金属部材の疲労亀裂進展抑制方法であって、
   前記圧入体は、前記穴に圧入される圧入部と、前記圧入部の一端側に設けられ、前記圧入部の外形よりも大きい頭部と、を有し、
   前記圧入体の頭部には、鍔、ネジまたは溝が設けられていることを特徴とする金属部材の疲労亀裂進展抑制方法。
10. 疲労亀裂進展抑制された金属部材であって、
    繰返し引張応力が作用して疲労亀裂が生じた金属部材本体に形成され、前記疲労亀裂の先端部の亀裂方向に対して側方に設けられる穴と、
    前記金属部材本体より剛性が高く、前記穴より外形が大きく、前記穴に圧入され、前記疲労亀裂の先端部に、前記亀裂方向に対して側方から圧縮応力を作用させる圧入体と、
    を備えることを特徴とする疲労亀裂進展抑制された金属部材。
11. 請求項１０に記載の疲労亀裂進展抑制された金属部材であって、
    前記穴は、前記穴の中心と前記疲労亀裂の先端とを結ぶ直線が前記亀裂方向と直交するように形成されていることを特徴とする疲労亀裂進展抑制された金属部材。
12. 請求項１０に記載の疲労亀裂進展抑制された金属部材であって、
    前記穴は、前記疲労亀裂の先端部の応力集中により生じる応力集中領域を除く位置に形成されていることを特徴とする疲労亀裂進展抑制された金属部材。
13. 請求項１２に記載の疲労亀裂進展抑制された金属部材であって、
    前記穴は、前記疲労亀裂の先端部において、前記亀裂方向とのなす角度θとなる方向と、亀裂方向とにより挟まれた位置に形成されていると共に、前記角度θが応力解析で求められていることを特徴とする疲労亀裂進展抑制された金属部材。
14. 請求項１３に記載の疲労亀裂進展抑制された金属部材であって、
    前記角度θは、前記亀裂方向に対して直交方向に一様な引張応力を作用させた場合に、５５度であることを特徴とする疲労亀裂進展抑制された金属部材。