JP7020501B2

JP7020501B2 - 回転曲げ疲労試験用の試験片およびそれを用いた疲労特性の評価方法ならびにその評価方法を使用した鋼材の出荷方法

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Publication number: JP7020501B2
Application number: JP2020008029A
Authority: JP
Inventors: 康森影; 哲哉田川; 隆志平出; 恒久半田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2022-02-16
Anticipated expiration: 2040-01-22
Also published as: JP2020165948A

Description

本発明は、鋼材の疲労特性を評価するための回転曲げ疲労試験に供する試験片およびその試験片を用いて鋼材の疲労特性を評価する方法ならびにその評価方法を使用した鋼材の出荷方法に関するものである。

鋼材の疲労特性を評価するための指標の一つとして、疲労亀裂が鋼材内で進展していく速度（いわゆる疲労亀裂進展速度）が広く知られている。疲労亀裂進展速度の測定方法は、ＡＳＴＭ規格E647「Standard Test Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates」に規定されており、図５に示す試験片10を鋼材から切り出して、その試験片に荷重を制御しながら繰り返し作用させて疲労試験を行なう。

試験片10にはノッチ11が疲労亀裂の代替として予め形成されているので、疲労試験によってノッチ11の先端から疲労亀裂が進展していく。つまり、初期の疲労亀裂が疑似的に発生した状態から荷重を繰り返し作用させて、疲労亀裂が進展していく距離と所要時間を測定することによって、疲労亀裂進展速度が得られる。なお、疲労試験機などを用いた場合、一定の時間内で荷重を繰り返し作用させる回数（周波数）を一定に与えることができるので、疲労亀裂が進展する所要時間は荷重を作用させる回数に換算することが可能である。

こうして図５に示す試験片を用いて、疲労亀裂進展速度を精度良く測定するためには、疲労試験を長時間（すなわち７～10日）にわたって行なう必要がある。ところが鋼材の製造工場では迅速に疲労特性を評価することが求められるので、短時間で疲労亀裂進展速度を精度良く測定する技術が検討されている。

たとえば特許文献１には、図５に示す試験片を用いて疲労亀裂進展速度を測定する際に演算装置でデータを処理する技術が開示されている。この技術は、データの処理に要する時間を短縮できるが、疲労試験に要する時間を短縮する効果は得られない。

さらに、図５に示す試験片は形状が複雑であるから、鋼材から切り出して所定の形状に仕上げるための加工費が増加し、ひいては疲労試験の費用が増大するという問題もある。

特開平5-203551号公報

本発明は、従来の技術の問題点を解消し、疲労亀裂進展速度を短時間で、かつ安価な手段で測定することが可能な疲労試験用の試験片およびそれを用いた疲労特性の評価方法（具体的には疲労亀裂進展速度の測定方法）ならびにその評価方法を使用した鋼材の出荷方法を提供することを目的とする。

本発明者は、疲労試験を短時間で行なう試験方法として、図１に示す装置を用いて行なう回転曲げ疲労試験に着目した。回転曲げ疲労試験に供する試験片１は、図２に示すように、丸棒状の掴み部1aと、その掴み部1aよりも直径が小さい丸棒状の平行部1bとからなる単純な形状を有しており、容易に試験片１を所定の寸法に加工することができる。

この試験片１を回転曲げ疲労試験装置の回転軸２に装着し、さらに回転軸２に重り３を垂下する。その結果、重り３によって試験片１の平行部1bが下方に湾曲して、平行部1bの上側に圧縮応力、下側に引張応力が作用する。こうしてモーター４を稼働させることによって、回転軸２が試験片１とともに回転する。図１中の矢印Ａは、回転軸２および試験片１の回転方向を示す。

この状態で試験片１が回転すれば、湾曲した平行部1bに圧縮応力と引張応力が繰り返し作用するので、疲労亀裂が平行部1bに発生し、さらに進展していく。このような回転曲げ疲労試験において、圧縮応力と引張応力を繰り返し作用させる回数（cycle）は、１秒あたり40～60cycle程度であるから、上記したＡＳＴＭ規格E647に規定された疲労亀裂進展速度の測定方法（約10～15cycle／秒）よりも短時間で疲労亀裂を進展させることができる。

つまり回転曲げ疲労試験は、試験片１を回転させるという簡便な手段で、しかも短時間で疲労亀裂を進展させることが可能であり、かつ試験片１の加工も容易であるから、本発明の課題を解決する上で有効な技術である。

しかしながら回転曲げ疲労試験には、
(1)疲労亀裂の進展に加えて、疲労亀裂の発生も含めた疲労特性の評価を行なう試験である、
(2)平行部1bの平滑な表面の何処にいつ疲労亀裂が発生するかを予測できず、しかも疲労亀裂が進展する方向も予測できないので、疲労亀裂進展速度の測定精度が低下する、
という問題がある。

そこで本発明者は、回転曲げ疲労試験によって疲労亀裂進展速度を精度良く測定する技術について詳細に検討し、試験片の平行部に予め人工亀裂（以下、ノッチという）を設けて回転曲げ疲労試験に供することによって、上記の(1)(2)の問題を解消できることを見出した。つまり、回転曲げ疲労試験に先立って試験片にノッチを予め設けることによって、平滑な表面に疲労亀裂が発生する過程を除外できるので、疲労亀裂の進展のみを評価できる。また、平滑な表面の何処にいつ疲労亀裂が発生するかを予測できないという問題も解消できる。さらに、ノッチの形状を規定すれば、ノッチから疲労亀裂が進展していく方向を制御することが可能であるから、疲労特性の評価が求められる鋼材の特定の方向に沿って疲労亀裂進展速度を測定できる。

本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、回転曲げ疲労試験に供する試験片であって、直径Ｄが４～18mm、長さＬが20～80mmである丸棒状の平行部を有し、かつＤ／Ｌ値が0.5以下であり、その平行部の１ケ所にノッチを設けた回転曲げ疲労試験用の試験片である。

本発明の試験片においては、ノッチが直径0.1～2.0mmかつ深さ0.1～1.0mmの窪み状の丸穴であり、丸穴を平行部の半径方向に設けることが好ましい。あるいは、ノッチが幅1.0mm以下かつ長さ0.1～5.0mmの筋状の切欠きであり、切欠きを平行部の中心軸に対して直角に設けることが好ましい。

また本発明は、回転曲げ疲労試験による疲労特性の評価方法において、上記したいずれの試験片を用いて回転曲げ疲労試験を行なうことによって、試験片の疲労亀裂進展速度を測定する疲労特性の評価方法である。

さらに本発明は、鋼材の疲労特性の品質保証が必要な場合に、上記の評価方法を用いて鋼材の疲労特性を評価する品質保証過程を含む鋼材の出荷方法である。

なお、本発明の鋼材の品質保証技術は、橋梁や船舶に好適な降伏強度300～1000MPaの鋼材の出荷方法に適用するのが好ましいが、他の用途に供する鋼板の出荷方法にも適用できる。

本発明によれば、疲労亀裂進展速度を短時間で、かつ安価な手段で測定することが可能となり、産業上格段の効果を奏する。

回転曲げ疲労試験を行なう装置の要部を模式的に示す断面図である。回転曲げ疲労試験に供する従来の試験片の例を模式的に示す平面図であり、(a)は側面図、(b)は断面図である。本発明で使用する試験片に予め設けるノッチの例を模式的に示す断面図である。本発明で使用する試験片に予め設けるノッチの他の例を模式的に示す断面図である。疲労亀裂進展速度を測定するための従来の試験片の例を模式的に示す平面図である。本発明を適用する鋼材の例として厚鋼板を模式的に示す斜視図である。図６の厚鋼板から切り出した試験片の例を模式的に示す斜視図である。図６の厚鋼板から切り出した試験片の他の例を模式的に示す斜視図である。

本発明では、従来から知られている回転曲げ疲労試験装置（図１参照）を用いて疲労亀裂進展速度を測定する。使用する試験片は、従来の回転曲げ疲労試験用の試験片（図２参照）の平行部1bの中央にノッチを１個設けたものである。図３、４は、そのノッチ５の形状を示す断面図であり、図３はノッチ５として窪み状の丸穴を設ける例、図４はノッチ５として筋状の切込みを設けた例である。

このように平行部1bの中央にノッチ５を設けて回転曲げ疲労試験に供することによって、ノッチ５の底部から疲労亀裂が平行部1bの中心軸の方向（以下、半径方向という）に進展していく。したがって疲労亀裂が発生する過程を除外できるので、疲労亀裂の進展のみを評価することが可能となり、その結果、疲労亀裂進展速度を精度良く測定できる。

このようにノッチ５を設けて回転曲げ疲労試験を行なうために、試験片１の平行部1bの直径Ｄは４～18mmとする。直径Ｄが４mm未満では、試験片１が回転してノッチ５が下側に回り込んだ時に、平行部1bがノッチ５を起点として折損あるいは破断する惧れがある。一方、直径Ｄが18mmを超えると、平行部1bが湾曲せず、ノッチ５に圧縮応力と引張応力を繰り返し作用させることが困難になる。

平行部1bの長さＬは20～80mmとする。長さＬが20mm未満では、平行部1bにおいて曲げ応力の導入が不十分となりやすく、狙った応力での試験が困難になる。一方、長さＬが80mmを超えると、試験片１が回転してノッチ５が下側に回り込んだ時に、平行部1bがノッチ５を起点として折損あるいは破断する惧れがある。

さらに、Ｄ／Ｌ値は0.5以下とする。Ｄ／Ｌ値が0.5を超えると、平行部1bが湾曲せず、ノッチ５に圧縮応力と引張応力を繰り返し作用させることが困難になるという問題が生じる。一方でＤ／Ｌ値が小さすぎると、平行部1bが湾曲しすぎて、回転曲げ疲労試験が困難になる。したがって、Ｄ／Ｌ値は0.05以上が好ましい。

ノッチ５として窪み状の丸穴（図３参照）を設ける場合は、ノッチ５の直径Ｎ_Dは0.1～2.0mmが好ましい。直径Ｎ_Dが0.1mm未満では、ノッチ５が疲労亀裂の起点としての機能を果たさず、上記した(1)(2)の問題を解消できない。一方、直径Ｎ_Dが2.0mmを超えると、試験片１が回転してノッチ５が下側に回り込んだ時に、平行部1bがノッチ５を起点として折損あるいは破断する惧れがある。また、半径方向に設けたノッチ５の深さＮ_Rは0.1～1.0mmが好ましい。深さＮ_Rが0.1mm未満では、ノッチ５が疲労亀裂の起点としての機能を果たさず、上記した(1)(2)の問題を解消できない。一方、直径Ｎ_Rが2.0mmを超えると、試験片１が回転してノッチ５が下側に回り込んだ時に、平行部1bがノッチ５を起点として折損あるいは破断する惧れがある。

図３に示すような丸穴は、ドリルを用いて半径方向に設けることができる。なお、回転曲げ疲労試験による疲労亀裂進展速度の測定精度を高めるために、丸穴の底部の曲率半径はＮ_D／４～５×Ｎ_D（mm）の範囲内が好ましい。

ノッチ５として筋状の切欠き（図4参照）を、平行部1bの中心軸に対して直角（以下、円周方向という）に設ける場合は、ノッチ５の長さＮ_Lは0.1～5.0mmの範囲内が好ましい。長さＮ_Lが0.1mm未満では、ノッチ５が疲労亀裂の起点としての機能を果たさず、上記した(1)(2)の問題を解消できない。一方、長さＮ_Lが5.0mmを超えると、試験片１が回転してノッチ５が下側に回り込んだ時に、平行部1bがノッチ５を起点として折損あるいは破断する惧れがある。また、ノッチ５の長さＮ_Lに対して垂直方向（すなわち平行部1bの中心軸に対して平行）の幅Ｎ_W（図示せず）は1.0mm以下が好ましい。幅Ｎ_Wが1.0mmを超えると試験片１が回転してノッチ５が下側に回り込んだ時に、平行部1bがノッチ５を起点として折損あるいは破断する惧れがある。なお、ここでいう直角とは、90°±５°を許容する。

図４(a)に示す筋状の切欠きであるノッチ５は底部を直線状に加工する例、図４(b)に示す筋状の切欠きであるノッチ５は底部を円弧状に加工する例であり、いずれも放電加工やマイクロカッターで加工することができる。本発明では切欠きの底部の形状、深さは特に限定しない。

このようにしてノッチを予め設けた試験片を用いて回転曲げ疲労試験を行なうことによって、疲労亀裂が発生する過程を除外できるので、疲労亀裂の進展のみを評価することが可能となり、その結果、疲労亀裂進展速度を精度良く、しかも短時間（１～２日程度）で測定できる。

また、鋼材から試験片を採取する際に、鋼材の圧延方向と試験片の中心軸の角度、ならびにノッチを設ける方向を調整すれば、鋼材の様々な方向の疲労亀裂進展速度を測定できる。たとえば本発明を適用する鋼材の例として、板厚ｔ（mm）の厚鋼板の圧延方向に対して板面内で垂直（いわゆるＣ方向）に疲労亀裂を進展させたい場合は、厚鋼板の板面内圧延方向の試験片を採取し、もとの厚鋼板のｔ／２の位置（板厚方向の中央）にノッチを設ける。

次に、試験片の好適な作製方法について、図６～８を参照して説明する。図６は、本発明を適用する鋼材の例である厚鋼板20を示す斜視図であり、その板厚をｔ（mm）とすると、板厚方向の中央（＝ｔ／２）に該当する位置は図６に示すような平面21（以下、板厚中央面という）となる。

厚鋼板20の主要なユーザーである土木建築業界や造船業界では、板厚方向の中央部の疲労特性が所定の範囲を満たすことが要求される。したがって、厚鋼板20から試験片１を切り出す際には、平行部1bの中心軸22を板厚中央面21に一致させることが好ましい（図７、８参照）。なお、ここでいう一致とは、ｔ／２からｔの10％の範囲（すなわち0.5ｔ±0.1ｔ）を許容する。平行部1bの中心軸22と厚鋼板20の圧延方向との角度は、本発明では特に限定せず、ユーザーの要求に応じて中心軸22の角度を板厚中央面21上で調整する。

図７は、平行部1bにノッチ５として丸穴を設けた試験片（図３参照）の例を示す斜視図である。丸穴は、平行部1bの長さＬに対してＬ／２となる位置の外表面の板厚中央面21に該当する位置から中心軸22に向けて（すなわち半径方向に）設ける。こうすることによって、丸穴が板厚中央面21に沿って設けられる。丸穴の寸法、形状については既に説明したので、ここでは説明を省略する。

図８は、平行部1bにノッチ５として切欠きを設けた試験片（図４参照）の例を示す斜視図である。切欠きは、その長さＮ_Lが板厚中央面21で２等分されて、板厚中央面21の両側にＮ_L／２ずつとなり、かつ平行部1bの長さＬに対してＬ／２となる位置にて板厚中央面21に対して直角をなすように（すなわち円周方向に）設ける。切欠きの寸法、形状については既に説明したので、ここでは説明を省略する。

図７、８に示す試験片を用いて回転曲げ疲労試験を行なうことによって、中心軸22に対して直角方向の疲労亀裂進展速度を測定できる。たとえば、平行部1bの中心軸22が圧延方向に対して直角をなすように切り出した試験片では、圧延方向に平行な方向の疲労亀裂進展速度を測定できる。平行部1bの中心軸22を圧延方向に平行にして切り出した試験片では、圧延方向に垂直な方向の疲労亀裂進展速度を測定できる。

表１に示す成分を有する厚鋼板から試験片を切り出して、回転曲げ疲労試験を行なった。試験片の平行部の中心軸について、板厚方向の位置ならびに圧延方向との関係を表２に示す。

図２に示すような丸棒状の試験片（平行部の直径Ｄ：12mm、長さＬ：50mm、回転速度50cycle／秒）を用いて回転曲げ疲労試験（図１参照）を行ない、試験片の破断に到るまでの回転数（以下、破断回数という）を測定した。その結果を表２に示す。使用した試験片のノッチの有無、回転曲げ疲労試験における応力振幅は表２に示す通りである。なお、表２にノッチ形状として示す切欠き（図４(a)参照）は放電加工で設け、丸穴（図３参照）はドリルで設けた。なお、切欠きならびに丸穴の寸法は表３に示す通りである。

ノッチを設けた試験片を用いた回転曲げ疲労試験（試験No.３～９）によって破断した試験片の破断面を観察したところ、いずれもノッチを起点として疲労亀裂が半径方向に進展していた。したがって、試験No.３～９の破断回数は、疲労亀裂の進展を評価する指標として有効であり、試験片の平行部の寸法、ノッチの寸法、および破断回数のデータから平均の疲労亀裂進展速度（ｍ／cycle）を参考値として算出することができる。

なお、試験No.３の破断回数と試験No.２（ノッチを設けていない試験片を用いた例）の破断回数との差は、疲労亀裂の発生を評価する指標として活用できる。

試験片の回転速度は50cycle／秒であるから、たとえば試験No.２、４、７における試験開始から試験片の疲労による破断に到るまでの所要時間は、夫々5514秒（＝91.9分）、5678秒（＝94.6分）、4600秒（＝76.7分）であり、ＡＳＴＭ規格E647に規定される試験方法よりも、所要時間を大幅に短縮できた。

１回転曲げ疲労試験の試験片
1a 掴み部
1b 平行部
２回転軸
３重り
４モーター
５ノッチ
10 従来の試験片
11 従来のノッチ
20 厚鋼板
21 板厚中央面
22 中心軸

Claims

鋼材の回転曲げ疲労試験に供する試験片であって、
前記鋼材を降伏強度が300～1000MPaである鋼材とし、
直径Ｄが４～18mm、長さＬが20～80mmである丸棒状の平行部を有し、かつＤ／Ｌ値が0.5以下であり、前記平行部の１ケ所にノッチを設けてなり、前記ノッチが幅1.0mm以下かつ長さ0.1～5.0mmの筋状の切欠きであり、該切欠きを前記平行部の中心軸に対して直角に設けてなることを特徴とする鋼材の回転曲げ疲労試験用の試験片。
回転曲げ疲労試験による鋼材の疲労特性の評価方法において、請求項１に記載の試験片を用いて回転曲げ疲労試験を行なうことによって、前記試験片の疲労亀裂進展速度を測定することを特徴とする鋼材の疲労特性の評価方法。
鋼材の製造工程にて請求項２に記載の鋼材の疲労特性の評価方法を用いて前記鋼材の疲労特性を評価する過程を含むことを特徴とする鋼材の出荷方法。