JP7371822B1 - ３点曲げｃｔｏｄ試験片の作製方法 - Google Patents

Abstract

より確実に疲労き裂の直線性を担保可能な、３点曲げＣＴＯＤ試験用の試験片を提供する。鋼板を突合わせ溶接した突合せ溶接継手からなる、３点曲げＣＴＯＤ試験（２０）の試験片（１）を作製する方法である。試験片（１）の板厚を１２５ｍｍ以上とし、試験片（１）に切欠き加工（１１Ａ）を行った後に、切欠き加工（１１Ａ）で形成した切欠き（２）が閉じる方向に逆曲げ処理（１１Ｂ）を行って、切欠き（２）に疲労き裂を導入して試験片（１）とし、逆曲げ処理（１１Ｂ）が下記（１）式及び（２）式を満足する。０．９≦ Ｌｒ （＝Ｐｒｂ／ＰＬ） ≦１．０ ・・・（１）１．０≦ ｋ （＝ａｆ ／ｗｒｂ） ≦１．５ ・・・（２）

Description

本発明は、溶接鋼構造物の破壊靭性値を測定する３点曲げＣＴＯＤ試験の試験片の作製方法に関する。

本発明は、突合せ溶接継手からなる試験片に対し、破壊靭性試験規格ＩＳＯ １５６５３（２０１８）に準拠した技術である。具体的には、本発明は、切欠き加工を行った後に逆曲げ処理（疲労き裂導入処理）を行うことで、ＣＴＯＤ試験用の溶接部を有する試験片を作製する技術に係る。本発明は、上記試験片が厚板からなる場合に有効な技術である。

一般に、板厚が２０ｍｍ～５０ｍｍ程度の厚鋼板を用いた溶接鋼構造物の継手靭性評価には、例えばＩＳＯ１５６５３（２０１８）等に準拠した３点曲げＣＴＯＤ試験が用いられる。このとき、溶接継手から採取された試験片については、３点曲げＣＴＯＤ試験を行う際に、破壊靭性評価のために重要な疲労き裂の直線性を担保する必要がある。このため、試験片に前処理を施すことが一般的である。その前処理は、切欠き加工で形成した切欠きの先端部に、疲労き裂を導入する処理である。
前処理としては、例えば、特許文献１や特許文献２に記載のような、切欠きに対して逆曲げ処理を施す逆曲げ法がある。

特許第６６４８８３６号公報 特開２０１１-１６９７４５号公報

ＩＳＯ１５６５３（２０１８）には、３点曲げＣＴＯＤ試験の前処理の１つとして逆曲げ法が開示されている。このＩＳＯ１５６５３（２０１８）には、逆曲げ法について、下記（３）式及び（４）式の条件で実施することが推奨されている。
０．６≦ Ｌｒ （＝Ｐｒｂ／ＰＬ） ≦１．０ ・・・（３）
１．０≦ ｋ （＝ａｆ ／ｗｒｂ） ≦１．５ ・・・（４）
ここで、
Ｐｒｂ：逆曲げ処理での最大荷重
ＰＬ：逆曲げ処理でのリミットロード
ａｆ：逆曲げ処理で導入される疲労き裂の長さ
ｗｒｂ：逆曲げ処理で生じる圧縮塑性域寸法
である。

しかし、発明者は、種々の検討により、次の知見を得た。すなわち、発明者は、ＩＳＯ１５６５３（２０１８）に準拠して、試験片に対し前処理として逆曲げ処理を施した。しかし、発明者は、このような前処理を施しても、試験片の板厚によっては、試験片への前処理が有効に働かない場合があるとの知見を得た。前処理が有効に働かない場合には、疲労き裂の直線性が担保できなくなる。この場合、３点曲げＣＴＯＤ試験の試験結果が無効となる。

本発明は、上記のような知見に基づきなされたものである。本発明は、より確実に疲労き裂の直線性を担保可能な、３点曲げＣＴＯＤ試験用の試験片を提供できることを目的とする。

特許文献１や２などの公知文献は、試験片の板厚が２０ｍｍ～５０ｍｍの範囲での試験を想定している。すなわち、これらの文献では、板厚が１００ｍｍを超える場合について、検討がされていない。
そして、発明者らの検討によれば、板厚１２５ｍｍ以上の溶接継手から採取した試験片について次のことが判明した。すなわち、上述の（３）式及び（４）式の条件で逆曲げ処理を施した場合に、試験結果が無効となる場合がある、との知見を得た。具体的には、発明者は、推奨条件の一部の範囲（Ｌｒ＝０．６等）を採用した場合、前処理が有効に働かず疲労き裂の直線性が担保できなくなるとの知見を得た。そして、疲労き裂の直線性が担保出来ない場合、試験結果が無効となる。更に、発明者は、種々の検討を行うことで、板厚１２５ｍｍ以上の突合せ溶接継手を試験片とする場合における、適正な逆曲げ処理の条件を見いだして、本発明をなした。

すなわち、課題解決のために、本発明の一態様は、鋼板を突合わせ溶接した突合せ溶接継手からなる、３点曲げＣＴＯＤ試験の試験片を作製する方法であって、上記試験片の板厚を１２５ｍｍ以上とし、上記試験片に切欠き加工を行った後に、上記切欠き加工で形成した切欠きが閉じる方向に逆曲げ処理を行って、上記切欠きに疲労き裂を導入して試験片とし、上記逆曲げ処理が下記（１）式及び（２）式を満足する、ことを要旨とする。
０．９≦ Ｌｒ （＝Ｐｒｂ／ＰＬ） ≦１．０ ・・・（１）
１．０≦ ｋ （＝ａｆ ／ｗｒｂ） ≦１．５ ・・・（２）
ここで、
Ｐｒｂ：逆曲げ処理での最大荷重
ＰＬ：逆曲げ処理でのリミットロード
ａｆ：逆曲げ処理で導入される疲労き裂の長さ
ｗｒｂ：逆曲げ処理で生じる圧縮塑性域寸法
である。

本発明の態様によれば、板厚１２５ｍｍ以上の突合せ溶接継手からなる試験片であっても、適正な疲労き裂が導入された試験片を提供可能となる。この結果、本発明の態様によれば、より確実に疲労き裂の直線性を担保可能な３点曲げＣＴＯＤ試験用の試験片を提供できる。そして、この場合には、３点曲げＣＴＯＤ試験をより適正に実行可能となる。
例えば、本発明の態様によれば、板厚１２５ｍｍ以上の厚鋼板溶接継手における３点曲げＣＴＯＤ試験の試験片作成のための逆曲げ条件について、適正な範囲が提供可能となる。その結果、本発明の態様によれば、ＣＴＯＤ試験の試験結果が無効にならずに、構造物の安全性を適切に評価できるといった効果を奏する。すなわち、本発明の態様によれば、産業上格段に優れた効果を奏する。

本発明に基づく実施形態に係る処理の手順例を示す図である。 切欠き加工後の試験片を示す図である。（ａ）が側面図、（ｂ）が（ａ）でのＸ－Ｘ断面図、（ｃ）が切欠きの根元側の拡大図、（ｄ）は切欠きの先端部の拡大図である。 切欠き位置の例を示す図である。 逆曲げ処理を説明する模式図である。 ＣＴＯＤ試験を説明する模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（知見）
発明者は次の知見を得た。ＩＳＯ１５６５３（２０１８）規格推奨範囲（上述の（３）式及び（４）式の条件を参照）の逆曲げ条件でも、板厚１２５ｍｍ以上の材料では前処理が有効に働かない場合があった。その場合には、導入される疲労き裂の直線性が担保できなくなり、試験結果が無効になった。発明者は、その原因を調査するため、有限要素解析による逆曲げ処理実施後の試験片に生じる逆曲げ塑性域（圧縮塑性域）を求めた。そして、発明者は、有限要素解析で得られた逆曲げ塑性域と、ＩＳＯ１５６５３（２０１８）規格で計算される理論逆曲げ塑性域との比較を行うことで、次の新たな知見を得た。

すなわち、Ｌｒが０．６～０．９の範囲では、試験片における板厚中心の逆曲げ塑性域は理論逆曲げ塑性域と良く一致している。しかし、Ｌｒが０．６～０．９の範囲では、試験片表面の逆曲げ塑性域は理論逆曲げ塑性域よりも小さい。つまり、試験片表面では残留応力が除去されている領域が理論式より小さく、残留応力が残る可能性が高いことが分かった。このような状況で疲労き裂を導入すると、残留応力の不均一性のために疲労き裂の直進性が担保できない。担保できない場合、試験結果が無効となる。
一方、Ｌｒが０．９～１．０の範囲では、試験片における板厚中心及び試験片表面の逆曲げ塑性域は、ともに理論逆曲げ塑性域と良く一致している。つまり、試験片の内部、表面共に残留応力が均一に除去されている。この状況では、残留応力が均一に除去されているため、疲労き裂の直進性が担保できる。結果、試験結果が有効となる。この傾向は、板厚が大きくなるほど、より顕著に表れる。

以上のことから、発明者は、板厚１２５ｍｍ以上の突合せ溶接継手からなる試験片に対する逆曲げ処理においては、次の新たな知見を得た。すなわち、Ｌｒの条件は、０．９以上１．０以下が好適である、という新たに知見した。
また、切欠き加工時の狙いについて、逆曲げ荷重に関するパラメータＬｒは、試験片加工時に精度よく指定できる。このため、上記範囲の上限である、０．９９～１．０、さらには上限のＬｒ＝１．０とすることが好ましい。一方、疲労き裂長さに関するパラメータｋは、ＣＴＯＤ試験を行った後にしか精度良く分からない。しかし、発明者は、多少の尤度をもって最適条件の中央となるｋ＝１．２近傍で、ＣＴＯＤ試験の試験結果の精度が良い、との新たな知見も得た。ｋ＝１．２近傍とは、例えば、ｋが１．１以上１．３以下の範囲である。

（構成）
本実施形態は、３点曲げＣＴＯＤ試験の試験片を作製する方法である。
試験片の作製は、図１に示すように、突合せ溶接１０、切欠き加工１１Ａ、逆曲げ処理１１Ｂを、この順番に実行して作製される。
そして、作製された試験片１に対し、本試験である３点曲げＣＴＯＤ試験２０を施す。そして、試験後の試験片１の破面を測定し、継手部の靭性を評価する。

＜突合せ溶接１０＞
ＣＴＯＤ試験２０の試験片１は、図２のように、板厚１２５ｍｍ以上の鋼板１Ａ，１Ｂ同士を突合せ溶接した鋼板である。符号１Ｃは、溶接部である。突合せ溶接については、評価対象の溶接鋼構造物で採用する溶接条件を用いて実行すれば良い。なお、突合せ溶接継手の開先形状は、例えばレ形やＫ形である。
試験片１の板厚は、１２５ｍｍ以上であれば特に限定はない。
本実施形態の試験片１は、正方形断面とする。正方形断面の場合、板幅Ｗ＝板厚Ｂとなる。すなわち、試験片１の幅Ｗも１２５ｍｍ以上となっている。試験片１は、板厚Ｂ、板幅Ｗともに１２５ｍｍ以上であれば、板幅Ｗと板厚Ｂとが異なっていても良い。図２中、符号Ｌは、試験片１の長さで、例えば６００ｍｍとなっている。
試験片１の板厚の上限は、例えば２００ｍｍである。
また、試験片１の材料は、鋼材であれば特に限定はない。本実施形態では、試験片１の材料は、例えば、ＳＭ４９０Ｂのような引張強度４９０ＭＰａ以上の鋼種（鋼板）を対象とする。

＜前処理＞
本実施形態では、突合せ溶接継手からなる試験片１に対し、前処理として切欠き加工１１Ａと逆曲げ処理１１Ｂとを施す。これによって、試験片１を、３点曲げＣＴＯＤ試験２０の試験片とする。切欠き加工１１Ａと逆曲げ処理１１Ｂは、ＩＳＯ１５６５３（２０１８）に準拠した条件にて実行する。

＜切欠き加工１１Ａ＞
切欠き加工１１Ａでは、試験片１の溶接部１Ｃに対し、所定深さのスリット状の切欠き２（機械切欠き）を形成する。切欠き２は、例えば、図２のように、試験片１の板表面（上面）から、板幅方向に向けて形成される。その切欠き２は、溶接融合線に沿って形成される。
図２に示す切欠き２は、例えば、深さ（切欠き長さ）ａｍを４８～６０ｍｍの範囲とする。また、切欠き２の幅を２ｍｍとしている（図２（ｃ）参照）。また。切欠き２の先端部２ａの形状は、角度６０度、先端の曲率半径０．１ｍｍとした（図２（ｄ）参照）。図２では、切欠き２の付け根部２ｂも形状を変える加工を施す場合が例示されている。しかし、切欠き２の形状は、ＩＳＯ１５６５３（２０１８）に準拠して形成されていれば、図２の形状に限定されない。
切欠き２の形成位置Ｎは、図３のように、溶接部１Ｃに形成されていれば良い。溶接の開先形状が、レ形やｋ形の場合には、図３（ａ）のように切欠き２を形成すればよい。つまり、溶接部１Ｃの輪郭が板厚方向に延びる位置に、切欠き２を形成すればよい。

＜逆曲げ処理１１Ｂ＞
逆曲げ処理１１Ｂは、例えば、３点曲げＣＴＯＤ試験２０と同じ試験機を使用する。例えば、逆曲げ処理１１Ｂでは、ＩＳＯ１５６５３（２０１８）に準拠して４点曲げを施す。具体的には、図４のような試験機３０を用いて、切欠き２が閉じる方向に４点曲げを施す。これにより、前処理として、切欠き２の先端部に疲労き裂３を導入する（図５参照）。
ここで、切欠き２の先端部は、図２（ｂ）のように、試験片１の板厚方向全域に延在している。

このとき、本実施形態では、逆曲げ処理１１Ｂの逆曲げ条件として、（１）式及び（２）式を満足する条件とする。他の条件は、ＩＳＯ１５６５３（２０１８）に準拠した条件とする。
０．９≦ Ｌｒ （＝Ｐｒｂ／ＰＬ） ≦１．０ ・・・（１）
１．０≦ ｋ （＝ａｆ ／ｗｒｂ） ≦１．５ ・・・（２）
ここで、
Ｐｒｂ：逆曲げ処理１１Ｂでの最大荷重
ＰＬ：逆曲げ処理１１Ｂでのリミットロード
ａｆ：逆曲げ処理１１Ｂで導入される疲労き裂の長さ
ｗｒｂ：逆曲げ処理１１Ｂで生じる圧縮塑性域寸法
である。

例えば、クリップゲージを切欠き２の端部（付け根側）に取り付けて、逆曲げ時の切欠き２の開口量が所定値となるように制御する。また、その制御を行いつつ、逆曲げ時の最大荷重Ｐｒｂを測定する。
また、リミットロードＰＬは、下記式によって求めることができる。
ＰＬ ＝｛Ｂ（Ｗ -ａｍ）^２／（Ｓｏ -Ｓｉ）｝・σ
ここで、
Ｂ：試験片１の板厚
Ｗ：試験片１の板幅
ａｍ：切欠き長さ（切欠き２の深さ）
Ｓｏ：４点曲げの外側のスパン
Ｓｉ：４点曲げの内側のスパン
σ：試験片１の室温での降伏応力
である。

そして、求めた最大荷重ＰｒｂとリミットロードＰＬとの比から、パラメータＬｒを求めた。
また、圧縮塑性域寸法ｗｒｂは、下記式から算出した。
ｗｒｂ ＝（π／８）・（Ｋｒｂ／（Ｌ・σ））^２
ここで、
σ：試験片１の室温での降伏応力
Ｌ：ノッチ拘束係数（例えば、２．３）
Ｋｒｂ：応力拡大係数
である。
ａｆは、切欠き２に導入された疲労き裂の長さの平均値であり、長さが最小の疲労き裂長さをａｆｍｉｎとする。なお、この疲労き裂長さａｆは、ＣＴＯＤ試験２０の試験後に測定した。

（ＣＴＯＤ試験２０）
上記のように、機械切欠き２に疲労き裂を導入してＣＴＯＤ試験２０用の試験片１を作製する。
そして、作製した試験片１に対して、図５のような構成で、公知の方法でＣＴＯＤ試験２０を行う。そして、試験片１の破面から、溶接部１Ｃの破壊靱性を評価する。なお、図５に示す寸法は例示である。

（効果）
本実施形態は、板厚１２５ｍｍ以上の溶接継手から採取した試験片１に関する。本実施形態では、３点曲げＣＴＯＤ試験２０用の試験片１を作製する際に、疲労き裂を導入する前処理としての逆曲げ法（逆曲げ処理１１Ｂ）を施す。このとき、逆曲げ法において、（１）式及び（２）式を満足する条件とする。これにより、本実施形態では、試験片１の内部及び表面共に、残留応力が均一に除去される。この結果、本実施形態では、疲労き裂の直進性が担保できるようになる。
そして、本実施形態に基づいた試験片１の作製方法を用いれば、板厚１２５ｍｍ以上の溶接継手からなる試験片１に対する３点曲げＣＴＯＤ試験２０において、有効な試験結果を得ることができる。

（その他）
本開示は、次の構成も取り得る。
（１）鋼板を突合わせ溶接した突合せ溶接継手からなる、３点曲げＣＴＯＤ試験２０の試験片１を作製する方法であって、
上記試験片１の板厚を１２５ｍｍ以上とし、
上記試験片１に切欠き加工１１Ａを行った後に、上記切欠き加工１１Ａで形成した切欠き２が閉じる方向に逆曲げ処理１１Ｂを行って、上記切欠き２に疲労き裂を導入して試験片１とし、
上記逆曲げ処理１１Ｂが下記（１）式及び（２）式を満足する。
０．９≦ Ｌｒ （＝Ｐｒｂ／ＰＬ） ≦１．０ ・・・（１）
１．０≦ ｋ （＝ａｆ ／ｗｒｂ） ≦１．５ ・・・（２）
ここで、
Ｐｒｂ：逆曲げ処理１１Ｂでの最大荷重
ＰＬ：逆曲げ処理１１Ｂでのリミットロード
ａｆ：逆曲げ処理１１Ｂで導入される疲労き裂の長さ
ｗｒｂ：逆曲げ処理１１Ｂで生じる圧縮塑性域寸法
である。

次に、本実施形態に基づく実施例について説明する。
（試験片１）
材料ＳＭ４９０Ｂからなる鋼板から試験片１を作製した。試験片１の板厚及び板幅として、一辺が１５０ｍｍ又は１２５ｍｍからなる正方形断面の試験片１を用いた。各試験片１は、溶接ワイヤＫＣ－６０ を用いたＦＣＡＷ（入熱３．０ｋＪ／ｍｍ）溶接で突合せ溶接を行って、試験片１としての突合せ溶接継手を作製した。
切欠き加工１１Ａでは、ＩＳＯ１５６５３（２０１８）に準拠した条件で実行した。そして、試験片１に切欠き２を形成した。

次に、表１、表２に示す条件にて、各試験片１に対し逆曲げ処理１１Ｂを施した。そして、ＣＴＯＤ試験片１を作製した。
そして、各試験片１にＣＴＯＤ試験２０を行い、試験後の破面を測定して、各試験片１の疲労き裂進展量ａｆ（＝ａ０－ａｍ）を求めた。その最小値ａｆｍｉｎを表１、表２に示す。
表１、表２に試験結果を示す。

（評価）
疲労き裂の直進性は、疲労き裂進展量ａｆの最小値ａｆｍｉｎに基づき評価した。そして、最小値ａｆｍｉｎが、２．５％Ｗ以上の場合に、疲労き裂の直線性が有効と判定した。
ここで、板厚１２５ｍｍの場合、２．５％Ｗは３．１ｍｍとし、板厚１５０ｍｍの場合、２．５％Ｗは３．７ｍｍとした。
表２から分かるように、Ｌｒが０．９以上１．０以下の範囲である各実施例では、疲労き裂の直進性の判定結果が有効判定となった。
一方、Ｌｒが０．７以下の比較例の条件ではすべて疲労き裂の直進性の判定結果が無効判定となった。
このように、板厚が１２５ｍｍ以上の場合、Ｌｒを０．９以上１．０以下の範囲に限定して実行する必要があることが分かった。

ここで、本願が優先権を主張する、日本国特許出願２０２２－１１０９７６（２０２２年 ７月１１日出願）の全内容は、参照により本開示の一部をなす。ここでは、限られた数の実施形態を参照しながら説明したが、権利範囲はそれらに限定されるものではなく、上記の開示に基づく各実施形態の改変は当業者にとって自明なことである。

１ 試験片
２ 切欠き
１０ 突合せ溶接
１１Ａ 切欠き加工
１１Ｂ 逆曲げ処理
２０ ＣＴＯＤ試験
３０ 試験機
６０ 角度
Ｂ 板厚
Ｗ 板幅
ａｆ 疲労き裂進展量

Claims (1)

1. 鋼板を突合わせ溶接した突合せ溶接継手からなる、３点曲げＣＴＯＤ試験の試験片を作製する方法であって、
   上記試験片の板厚を１２５ｍｍ以上とし、
   上記試験片に切欠き加工を行った後に、上記切欠き加工で形成した切欠きが閉じる方向に逆曲げ処理を行って、上記切欠きに疲労き裂を導入して試験片とし、
   上記逆曲げ処理が下記（１）式及び（２）式を満足する、
   ３点曲げＣＴＯＤ試験片の作製方法。
   ０．９≦ Ｌｒ （＝Ｐｒｂ／ＰＬ） ≦１．０ ・・・（１）
   １．０≦ ｋ （＝ａｆ ／ｗｒｂ） ≦１．５ ・・・（２）
   ここで、
   Ｐｒｂ：逆曲げ処理での最大荷重
   ＰＬ：逆曲げ処理でのリミットロード
   ａｆ：逆曲げ処理で導入される疲労き裂の長さ
   ｗｒｂ：逆曲げ処理で生じる圧縮塑性域寸法
   である。

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