JPH08247907A

JPH08247907A - 片側切欠き付き引張疲労試験片の製造方法

Info

Publication number: JPH08247907A
Application number: JP4866195A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Kayamori; 陽一萱森; Hiroshi Ouchi; 博史大内; Shuji Aihara; 周二粟飯原; Katsumi Kurebayashi; 勝巳榑林
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-03-08
Filing date: 1995-03-08
Publication date: 1996-09-27

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、試験片加工の際に生ずる表面凹
凸、表面加工硬化層、表面残留応力の影響を除いた鋼材
の疲労強度・伝播特性を迅速かつ簡易に調査するための
引張疲労試験片の製造方法を提供する。【構成】（１）長さ方向に繰り返し荷重が与えられる
鋼製疲労試験片を製造する方法において、鋼材から採取
され、長さ方向中央部に長方形断面を有する平行部を配
し、当該平行部の上側一面のみに長さ方向と直角に溝状
の切欠きを加工し、当該切欠きの底部に機械的研磨を施
し、更に重量％濃度で１％以上５％以下のフッ化水素酸
を含有する過酸化水素水中で、当該切欠きを研磨する化
学的研磨を加えることを特徴とする、片側切欠き付き引
張疲労試験片の製造方法、（２）前記化学的研磨の後
に、重量％濃度で１％以上３％以下の硝酸を含有するエ
タノールを用いて前記切欠きを腐食することを特徴とす
る前記（１）記載の片側切欠き付き引張疲労試験片の製
造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は鋼材の疲労強度・寿命特
性評価に用いる引張疲労試験片の製造方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】実構造物において設計上配慮すべき最も
重要な破壊形態の一つとして、繰り返し荷重によって生
じる疲労破壊がある。このときの応力は、例えば曲げや
ねじりの作用下では部材の表面で最大となり、表面から
疲労破壊が始まる。また引張圧縮作用下でも、拘束がな
く自由端となる表面から疲労破壊することが多い。その
ため、機械加工、塑性加工、表面処理、熱処理等によっ
て表面に形成される加工層はその部材の疲労強度に著し
い影響を与える。このうち機械加工は疲労試験片製作時
に不可避であるが、試験部に切削・研磨等の機械加工が
施される場合が多い。

【０００３】一般に機械加工によって疲労強度に影響を
与える因子としては、表面の凹凸、表面加工硬化層、表
面残留応力があげられる。これらの因子の影響を除いた
構造材料の疲労強度・寿命特性の評価を行うためには、
何らかの方法でそれらの影響因子を取り除かねばならな
い。

【０００４】疲労強度・寿命特性に影響を与える試験片
の表面加工層を改質もしくは除去するにはいくつかの方
法があり、例えば日本材料学会編の「金属材料疲労設計
便覧」（養賢堂、１９７８年）で述べられているよう
に、機械的仕上げ（切削、研削、機械研磨、手研磨、バ
フ仕上げ等）、真空焼鈍、電解研磨、化学研磨があげら
れる。

【０００５】機械的仕上げはそれ自体が機械加工にほか
ならず、表面に大なり小なり冷間加工、きず、残留応力
を生ずる。真空焼鈍では高温にさらされるため母材と異
なった金属組織になる場合が多く、その構造材料自体の
疲労特性を知るという目的に反する。

【０００６】電解研磨では腐食ピットの発生および比較
的大規模な装置の使用を伴う。化学研磨でも電解研磨と
同様に腐食ピットが生じ易いが、研磨液の濃度および液
温の部分的変動を抑制するとともに加工面にガスが停留
しないような方法、例えば研磨液中に試験片を保持し、
上方に向けた加工面と垂直にブラシの毛を当て、その面
上を直線的に往復して均等にブラッシングすれば、加工
面全体を比較的均一に研磨することができる。また、化
学研磨に要する装置は比較的簡便であり、経済性が高
い。

【０００７】ところで、従来の引張疲労試験片の形状
は、面対称あるいは軸対称になるような設計がなされて
おり、丸棒平滑、角棒平滑、丸棒円周切欠き付き、角棒
両側切欠き付き、平板平滑、平板両側切欠き付き、平板
中央切欠き付き等が使用されてきた。これらの試験片に
想定される疲労き裂発生部（例えば試験片平行部や切欠
き底部）は複数あるいは曲面であり、それらを均一に化
学研磨し表面加工層を取り除くことは困難であった。な
ぜならば、複数試験部の場合には、研磨液に全体が浸漬
された試験片の１番目の試験部をブラッシングすれば、
その間に他の試験部に不均一腐食が生じ、その後２番目
の試験部をブラッシングすれば、その間にすでに研磨し
た１番目の試験部に不均一腐食が生じるためである。ま
た、曲面試験部の場合には試験片もしくはブラシを一定
速度で回転させる必要があり、特別な装置が必要となっ
た。

【０００８】このように、従来の疲労試験片は機械加工
による表面性状の変化を必ず伴い、その影響を除いた鋼
材の疲労強度・伝播特性を迅速かつ簡易に調査する上で
困難があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来の引
張疲労試験片に関しては、試験片加工の際に表面凹凸、
表面加工硬化層、表面残留応力を生じ、その表面層を均
一に除去することが困難であるため、それらの影響を除
いた鋼材の疲労強度・伝播特性を評価することが難しい
という問題があった。本発明は機械加工に起因する鋼材
の表面改質層の影響を除いた疲労強度・伝播特性を迅速
かつ簡易に調査するための引張疲労試験片の製造方法を
提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、（１）長さ方
向に繰り返し荷重が与えられる鋼製疲労試験片を製造す
る方法において、鋼材から採取され、長さ方向中央部に
長方形断面を有する平行部を配し、当該平行部の上側一
面のみに長さ方向と直角に溝状の切欠きを加工し、当該
切欠きの底部に機械的研磨を施し、更に重量％濃度で１
％以上５％以下のフッ化水素酸を含有する過酸化水素水
中で、当該切欠きを研磨する化学的研磨を加えることを
特徴とする、片側切欠き付き引張疲労試験片の製造方
法、（２）前記化学的研磨の後に、重量％濃度で１％以
上３％以下の硝酸を含有するエタノールを用いて前記切
欠きを腐食することを特徴とする前記（１）記載の片側
切欠き付き引張疲労試験片の製造方法である。

【００１１】

【作用】以下に本発明を詳細に説明する。図１に本発明
で製造する片側切欠き付き引張疲労試験片の形状の一例
を示す。この試験片の切欠き底部における応力集中係数
は、例えばＵ字型の切欠きであれば、R. J. Roark, W.
C. Young著「Formulas for Stress and Strain」（McGr
aw-Hill Kogakusya 刊，1975年）の５９２ページにその
計算方法の記載がある。切欠き底部の応力集中係数は小
さすぎると疲労き裂発生位置を特定し難く、大きすぎる
とき裂発生寿命が極端に短くなり伝播寿命だけが支配的
となる上、切欠き寸法が小さくなり化学研磨の際のブラ
ッシングを行い難くなる。従って、本発明試験片の切欠
き底部の応力集中係数は１．５〜５．０程度に設定する
のが妥当である。

【００１２】次に切欠き面の研磨について述べる。まず
切欠き内面に機械研磨を施す。研磨にはエメリー紙ある
いはアルミナやダイヤモンド等の研磨粒子を用いて、切
欠き内面に沿って均一に研磨する。エメリー紙は＃４０
０から＃２０００、研磨粒子は１５μｍから０．５μｍ
の範囲で、数段階に分けて粗いものから細かいものへと
順番に用いる。粒度を上記の範囲に定めた根拠は、粒度
が大きく表面粗さが粗くなるとその研磨きずが応力集中
源になり、逆に粒度が小さくなると均一に研磨仕上げを
行うのに長時間を要するためである。

【００１３】機械研磨の後に化学研磨を行う。化学研磨
には、重量％濃度で１％以上５％以下のフッ化水素酸の
過酸化水素水溶液（これを研磨液と呼ぶ）を用いる。研
磨液の濃度を上記範囲に定めた理由は、１％より小さい
と腐食・溶解作用が弱いため研磨されなく、逆に５％よ
り大きいと腐食・溶解作用が強すぎて腐食ピット等の不
均一腐食を生じ易いからであり、また研磨液をフッ化水
素酸の過酸化水素水溶液に指定した理由は、その鋼に対
する腐食・溶解作用が強く、鋼の化学研磨に用いる溶液
として最適であることが従来から知られているからであ
る。

【００１４】試験片は研磨液を注いだ水槽中に浸し、放
置するか振動させてもよいが、上方に向けた切欠き面と
垂直にブラシの毛を当て、切欠きに沿ってブラッシング
することが好ましい。ブラシの素材はナイロン等の合成
樹脂でも豚毛等の天然繊維でも構わない。重要なこと
は、切欠き内側の表面全体が常に研磨液に接するように
することである。通常の炭素鋼製試験片で、約１分間の
ブラッシングを行うことが更に好ましい。

【００１５】所定時間のブラッシング等の後に、光学顕
微鏡を用いて切欠き底の観察をし、腐食ピット等の応力
集中源がないことを確認できたら、機械加工による表面
加工層を除去した切欠きとみなせる。この作業を行う際
に、片側切欠き付きの引張疲労試験片は、切欠きが上側
一面にしか付いていないという点で、均一にブラッシン
グを行うことに最も都合がよく、機械加工による表面加
工層を均一に除去するための最適な形状であるといえ
る。

【００１６】更に、上記試験片の切欠き部を重量％濃度
で１％以上３％以下の硝酸を含有するエタノールを用い
て腐食することにより、切欠き部の金属組織の観察が可
能となる。通常の炭素鋼製試験片で、約１０秒間の腐食
をすることが好ましい。なお、上記濃度範囲に限定する
根拠は、１％より小さいと腐食・溶解作用が弱いため金
属組織を観察し難く、逆に３％より大きいと腐食・溶解
作用が強すぎて金属表面に被膜が形成され、やはり金属
組織を観察し難いからである。この試験片の切欠き部を
疲労試験の途中もしくは終了後に顕微鏡で観察すると、
疲労き裂の発生・伝播挙動と金属組織の関係を評価する
ことができる。

【００１７】

【実施例】以下に実施例について説明する。試験片切欠
き内側表面の機械的研磨を行った場合と行わない場合の
疲労限の比較により、表面の凹凸の影響を除去できるか
否かを検討し、更に機械的研磨を行った試験片の切欠き
内側表面を３％フッ化水素酸の過酸化水素水溶液中で１
分間化学的研磨した場合としない場合の疲労限の比較に
より、表面加工硬化層および表面残留応力の影響を除去
できるか否かを検討した。上記の試験結果を総じて検討
することにより、本発明試験片が機械加工に起因する鋼
材の表面改質層の影響を除いた疲労強度・伝播特性を評
価する試験片として有効であるか否かが判断される。

【００１８】表１に２種類の供試鋼の化学成分と引張強
さを示す。これらの供試鋼Ａ，Ｂから試験片を作製し、
引張疲労試験を行った。試験片形状は図１に示すＵ字型
片側切欠き付き引張疲労試験片で、その寸法は図中の各
記号について、ａ＝１．０、ｂ＝６．０、ｃ＝１．５、
ｄ＝２．５、ｅ＝３．０、ｆ＝５．０、Ｒ＝０．５５、
φ＝１１．０（単位：mm）であり、切欠きの底部におけ
る応力集中係数は２．６であった。

【００１９】切削によってこの形状・寸法に加工した
後、切欠き内側表面に沿ってダイヤモンド粒子による機
械的研磨を行った。ダイヤモンド粒子の径は３段階に分
けて、６μｍ、３μｍ、１μｍの順に変化させた。更に
切欠き内側表面の３％フッ化水素酸の過酸化水素水溶液
中で１分間均一にブラッシングすることにより化学的研
磨を施した。その後、切欠き側面の拡大写真を撮影し、
その寸法を再測定したが、前記寸法とほぼ同一であっ
た。つまり、今回の機械的研磨および化学的研磨による
寸法変化は無視し得る。

【００２０】表２に各疲労試験結果を示す。Ａ，Ｂいず
れの供試鋼も機械的研磨を行うと疲労限が上昇したが、
これは一種の切欠き作用を持つ表面の凹凸が減少した結
果である。更に、機械的研磨を施した試験片を化学的研
磨した場合としない場合を比較すると、Ａ，Ｂいずれの
鋼も化学的研磨後の疲労限は減少した。こらは表面加工
硬化層および表面圧縮残留応力が除去された結果であ
る。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【表２】

【００２３】以上の結果から、本発明試験片により機械
加工に起因する鋼材の表面改質層の影響を除いた疲労強
度・伝播特性を評価できることが明らかとなった。

【００２４】次に、疲労き裂の発生・伝播挙動と金属組
織の関係を評価した。供試材料は表３に示すＣ，Ｄの２
種類で、試験片形状、寸法、および切欠きの機械的・化
学的研磨方法は前記試験で用いたものと同一であるが、
更に２％硝酸のエタノール溶液による切欠きの腐食を施
した後に引張疲労試験を行った。疲労き裂発生時および
疲労破断後に試験片を試験機から取り外し、疲労き裂発
生・伝播部を光学顕微鏡によって観察した。ちなみに、
Ｃ，Ｄはほぼ同一の化学成分を有する材料（ニッケル基
超合金、インコネル７１８）であるが、その溶解・精製
方法が異なる。

【００２５】その結果、Ｃでは非金属介在物（Ａｌ₂Ｏ
₃，ＴｉＮ）を起点とした疲労き裂の発生が認められ
た。一方、供試鋼Ｄでは先述の非金属介在物はほとんど
見当たらず、結晶粒内で生ずるすべり線に沿って疲労き
裂が発生していた。つまり、Ｃ，Ｄのような超合金は非
金属介在物等の内部欠陥に敏感であり、非金属介在物の
減少を促す電子ビーム再溶解法によって、疲労き裂の発
生機構が変化したことが分かる。また、Ｃ，Ｄともに疲
労き裂の伝播は結晶粒内で生じており、その伝播速度は
結晶粒界付近で遅延されることが分かった。

【００２６】以上の結果から、本発明試験片により疲労
き裂の発生・伝播挙動と金属組織の関係を評価すること
が可能であることが明らかとなった。

【００２７】

【表３】

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、機械加工に起因する鋼
材の表面改質層の影響を除いた疲労強度・伝播特性を評
価でき、鋼材の選定等に利用でき、鋼構造物の疲労破壊
の防止上、極めて価値の高いものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】片側切欠き付き引張疲労試験片の形状を示す
図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者榑林勝巳千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】長さ方向に繰り返し荷重が与えられる鋼
製疲労試験片を製造する方法において、鋼材から採取さ
れ、長さ方向中央部に長方形断面を有する平行部を配
し、当該平行部の上側一面のみに長さ方向と直角に溝状
の切欠きを加工し、当該切欠きの底部に機械的研磨を施
し、更に重量％濃度で１％以上５％以下のフッ化水素酸
を含有する過酸化水素水中で、当該切欠きを研磨する化
学的研磨を加えることを特徴とする、片側切欠き付き引
張疲労試験片の製造方法。
【請求項２】前記化学的研磨の後に、重量％濃度で１
％以上３％以下の硝酸を含有するエタノールを用いて前
記切欠きを腐食することを特徴とする請求項１記載の片
側切欠き付き引張疲労試験片の製造方法。