WO2002082054A1 - Procede de conception de materiau metallique presentant une resistance de longue duree a la fatigue - Google Patents

Procede de conception de materiau metallique presentant une resistance de longue duree a la fatigue Download PDF

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Yukitaka Murakami
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Definitions

  • the present invention relates to a method for designing a long-life fatigue strength of a metal material used for a mechanical component to which a repetitive stress is applied for a long period of time, such as a transmission of an automobile, a spring, and a bearing of a vehicle.
  • inclusions Non-metallic inclusions (hereinafter referred to as “inclusions”) in metal materials are one type of such defects. Therefore, in the conventional fatigue strength design, a method is adopted in which the stress concentration effect of inclusions is considered based on ⁇ FT, which is the square root of the area of the size of the inclusion that is the starting point of fatigue fracture.
  • this inclusion has a function of trapping hydrogen in addition to stress concentration, and it is known that hydrogen in a metal affects the microscopic fracture mechanism of the metal in the material. This tendency is particularly remarkable in high strength steel.
  • the area around the inclusions affected by hydrogen Since the surface is rough, it looks black when observed with a metallurgical microscope, and this area is called ODA (Optically Dark Area). Fatigue tests have shown that the trapped hydrogen reduces the fatigue strength around inclusions. This effect can be viewed as a religious aspect in which trapped hydrogen substantially increases the size of inclusions. 'However, as the effect of the trapped hydrogen results of investigation in detail by metal microscopic observation, rupture life is prolonged from about 10 5 to 10 8 or more, it has been found that ODA size increases.
  • the conventional fatigue strength design is based on the initial dimensions of the inclusions, IFiT, so the optimal fracture life design is not based on the service life set for the mechanical parts.
  • the present invention by considering the expansion of the DA dimension according to the expected service life of the mechanical parts, the long-life fatigue strength of the metal material that enables the design of the optimal mechanical parts according to the set service life Provide a design method. Disclosure of the invention
  • Figure 1 shows the relationship between the size of inclusions trapped in hydrogen and the number of repetitions of stress up to fracture.
  • the ⁇ DA area around the inclusion (A 0 ) shown in Fig. 1 (8 is the hydrogen-affected area.
  • the dimensions of the inclusion that started the fracture are represented by the square root “area” of the area.
  • the dimension of ⁇ DA increases as the life increases and the rupture occurs.
  • the number of repetitions of stress to failure N ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ is due to the high stress applied, and without the help of trapped hydrogen, the inclusion of fatigue cracks. This means that the occurrence and progress of the event led to the destruction.
  • the stress is low, it may be possible to undergo many repetitions with the help of hydrogen. A crack is formed, and the progress is also helped by hydrogen. Then, after the applied stress alone increases the size of 0 DA to a size large enough to propagate the crack, fatigue crack growth occurs without the influence of hydrogen. Therefore, in the fatigue crack growth region outside of the ODA and not affected by hydrogen, a fatigue fracture surface different from that in 0 DA is formed.
  • the inclusion expands the equivalent defect size, which is the size after expansion of the inclusion as an equivalent defect, due to the effect of hydrogen trapped by the inclusion itself due to repeated stress. Therefore, the extent to which the equivalent defect size increases depends on how long the service life of the mechanical parts to be designed is set and how many repetitions are assumed.
  • the long-life fatigue strength design method of the present invention is a long-life fatigue strength design method for a metal material containing inclusions with hydrogen trapped around it.
  • the second step is to use the assumed stress cycle on the N f axis of the graph. It can be executed by obtaining the equivalent defect size area 'for the initial size V area of the inclusion by obtaining the value on the "area rea axis" corresponding to the return number and the functional relationship.
  • the size of inclusions shows a statistical variation. It is the largest inclusions in the machine component that have a decisive effect on fatigue strength.
  • the extreme value statistics already proposed by the present inventor can be used.
  • Figure 2 shows the extreme value statistical distribution of the inclusions that became the fatigue fracture starting points.
  • Figure 2 plots the data obtained from the fatigue test specimens, with the cumulative frequency on the vertical axis and the size of the inclusions on the horizontal axis. As described above, inclusions behave as if their size grows as the stress repeats due to the presence of hydrogen. Correct according to the expected service life. For this correction, use the relationship diagram in Figure 1.
  • the method for designing a long-life fatigue strength of a metal material further includes the step of creating an extreme value statistical distribution of the size of the inclusion that has become a fracture starting point among the inclusions included in the metal material.
  • the extreme value statistical distribution is translated in accordance with the relationship of the equivalent defect size V area 'with respect to the initial dimension "area" of the inclusion, and the dimensions of the actual machine component on this translated straight line recursion period corresponding production volume calculated to the use in the calculation of the maximum equivalent defect size area T n the allowable stress corresponding to the maximum of inclusions out of inclusions contained in the actual metallic material used for the mechanical component
  • Serial third step of mechanical components design for example, expression of a parameter the maximum equivalent defect size "area '
  • the effect of hydrogen trapped in inclusions i.e., defects serving as starting points of fatigue cracks, is considered for metal materials used for mechanical parts to which a considerable number of repeated stresses are applied.
  • Figure 1 shows the relationship between the size of inclusions trapped in hydrogen and the number of repetitions of stress up to fracture.
  • FIG. 2 is a diagram showing an extreme value statistical distribution of inclusions such as fatigue fracture starting points.
  • FIG. 3 is a diagram showing an extreme value statistical distribution of inclusions included in the used material.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the growth of ODA and the number of repetitions up to rupture.
  • FIG. 5 is a diagram showing a procedure for determining the maximum defect size according to the actual mechanical component dimensions, production volume, and design life.
  • FIG. 9 is a diagram showing a procedure for determining a maximum defect size according to a production amount and a design life.
  • the functional relationship between the number N f of stress repetitions up to fracture and the dimension of the hydrogen-affected zone around the inclusion — area ' was determined from the results of the fatigue test, and the inclusions corresponding to the expected number of repetitions of stress were determined.
  • the equivalent defect size which is the size after the enlargement of, and using this equivalent defect size to calculate long-life fatigue strength such as allowable stress
  • the mechanical component is designed to achieve the expected life of the mechanical component. It is possible to design a fracture life in consideration of the expansion of the DA dimension.
  • the present invention is useful as a method for designing long-life fatigue strength of a metal material used for a mechanical component that is subjected to a repetitive stress for a long period of time, such as an automobile transmission, a spring, and a vehicle bearing.

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Description

明 細 書 金属材料の長寿命疲労強度設計法 技術分野
本発明は、 自動車の変速装置、 ばねや車両の軸受など、 耐用期間に相当の繰り返 し応力が加わる機械部品に使用する金属材料の長寿命疲労強度設計法に関する。 背景技術
従来、 自動車の変速装置や車両の軸受などの機械部品には、その使用において相 当回数の繰り返し応力が加わる。 したがって、 これらの機械部品に使用する金属材 料がどの程度の回数の繰り返し応力で破壊するかを把握するとともに、機械部品の 大きさ、 形状、 耐用期間等を考慮して設計する必要がある。 また、 この種の機械部 品に使用される金属材料については、 1 0 7回までの試験で破壊されなければ永久 に疲労破壊は起こらないとしていわゆる疲労限度が決定されてきた。
ところが、 近年 1 0 7回までの疲労試験に耐えたものであっても、 従来の定義に よる疲労限度以下の応力で繰り返し数が 1 0 7回を超えたときに破壊が生じる現象 が新たに発見されている。金属の疲労強度は材料そのものの強度の他に材料中に含 まれる欠陥によって影響される。 この欠陥は応力の集中源となり、疲労破壊の発生 起点となる。 金属材料に含まれる非金属介在物 （以下、 「介在物」 と称す） はその ような欠陥の一種である。 したがって、 従来の疲労強度設計では、 疲労破壊起点と なる介在物の寸法をその面積の平方根で表した^ F Tに基づいて介在物の応力集 中効果を考慮するなどの方法が採用されている。
一方、 この介在物は応力集中の他に水素をトラップする作用があり、金属中の水 素は材料中で金属の微視的破壊機構に影響を与えることが知られている。この傾向 は高強度鋼において特に著しい。水素が影響を及ぼしている介在物の周囲の領域は 表面が粗いので金属顕微鏡観察で黒く見え、 この領域は ODA (Optically Dark Area)と呼ばれている。疲労試験の結果、このトラップされた水素が介在物の周囲の 疲労強度を下げていることが分かっている。この作用は、 トラップされた水素が強 虔の面からは介在物の寸法を実質的に拡大するものとして捉えることができる。 ' ところが、このトラップされた水素の影響を金属顕微鏡観察によって詳細に調べ た結果、 破断寿命が 105程度から 108以上まで長くなるにつれ、 ODA寸法が 大きくなることが分かってきた。 しかしながら、従来の疲労強度設計では介在物の 初期寸法 IFiTに基づいて行うため、 機械部品に設定する耐用年数に応じた最適 な破断寿命設計となっていない。
そこで、本発明においては、機械部品の使用想定寿命に応じた〇D A寸法の拡大 を考慮することにより、設定する耐用年数に応じた最適な機械部品を設計可能とし た金属材料の長寿命疲労強度設計法を提供する。 発明の開示
図 1に水素をトラップした介在物の大きさと破断までの応力の繰り返し数の関 係図を示す。 図 1に示す介在物 （A0) の周囲の〇DA領域 （八 が水素影響領 域である。 図 1では、 破断起点となった介在物の寸法をその面積 （area) の平方根 "area で表し、 これに対する介在物の面積と 0 D Aの面積とを合わせた面積
(area') の平方根 7" area'の比 " area '/ "-area (> 1) を無次元 ODA寸法とし て縦軸に取り、破 までの応力繰り返し数 N f を横軸に取って、 ODAが応力の繰 り返し数 Nf とともに拡大する傾向を定量的に表している。
図 1から分かるように、 〇D Aの寸法は長寿命で破断した場合ほど大きい。破断 までの応力の繰り返し数 N ί、すなわち破断までの寿命が短いときに OD Aが小さ いのは、 負荷した応力が高いため、 トラップした水素の助けを借りるまでもなく、 介在物から疲労亀裂が発生、進展して破壊に至ったことを意味している。 これに対 し、応力が低い場合、水素の助けを借りながら多数の繰り返しを受けることでよう やく亀裂が発生し、 その進展にも水素の助けを受ける。 そして、 負荷した応力が単 独で亀裂を進展させるに充分な大きさまで 0 D Aの寸法が拡大した後、水素の影響 のない疲労亀裂の進展が起こる。そのため、 O D Aの外側であって水素の影響のな い疲労亀裂の進展領域では、 0 D A内とは異なった疲労破壊面を形成することにな る。
このように介在物は、応力の繰り返しを受けることによってそれ自身がトラップ している水素の影響により、等価な欠陥としてのその介在物の拡大後の寸法である 等価欠陥寸法を拡大していく。 したがって、設計する機械部品の耐用年数をどの程 度に設定するか、 どの程度の繰り返し数までの使用を想定するかによって、その等 価欠陥寸法の拡大の程度が異なる。
すなわち、 本発明の金属材料の長寿命疲労強度設計法は、周囲に水素をトラップ した介在物を含む金属材料の長寿命疲労強度設計法であつて、疲労試験結果から破 断までの応力繰り返し数とトラップした水素が影響を及ぼしている介在物の周囲 の水素影響領域の寸法との関数関係を求める第 1のステップ、金属材料を用いる機 械部品の使用想定応力繰り返し数に対応する介在物の拡大後の寸法であ'る等価欠 陥寸法を前記関数関係により求める第 2のステップ、等価欠陥寸法を許容応力など の長寿命疲労強度の算定に使用して機械部品を設計する第 3のステップからなる ことを特徴とする。 これにより、使用想定応力繰り返し数に対応する等価欠陥寸法 を求めて、機械部品の使用想定寿命に応じた 0 D A寸法の拡大を考慮した破断寿命 設計を行うことが可能となる。
例えば、前記第 1のステップは、破断までの応力繰り返し数 N f および金属材料 に含まれる介在物のうち破断起点となった介在物の面積 A。と水素影響領域の面積
A iとを合わせた面積 A。十 A tの平方根で表した等価欠陥寸法 V area'に対する破 断起点となった介在物の面積 A 0の平方根で表した介在物の初期寸法 V area の比 "area をそれぞれ軸にとってプロッ トしたグラフに基づいて関数関係 を求めること、前記第 2のステップは、前記グラフの N f軸上に使用想定応力繰り 返し数をとつて関数関係により対応する " area rea軸上の値を求めること により介在物の初期寸法 V area に対する等価欠陥寸法 area'を求めることによ り実行可能である。
ところで、 介在物寸法は統計的ばらつきを示す。疲労強度に決定的影響を及ぼす のは、機械部品中に含まれる最大介在物である。機械部品中に含まれる最大介在物 の予測には、本発明者がすでに提案している極値統計を利用することができる。 図 2に、疲労破壊起点となった介在物の極値統計分布を示す。 図 2はそれぞれ累積度 数を縦軸、介在物の大きさを横軸に取って、疲労試験の試験片から得られたデータ をプロッ トしたものである。 なお、 先に述べたように介在物は、 水素の存在によつ てあたかも応力の繰り返しとともに、 その寸法が成長するような挙動を示すので、 水素の影響を考慮して極値統計プロッ トデータを使用想定寿命によって修正する。 この修正には、 図 1の関係図を利用する。
すなわち、 本発明の金属材料の長寿命疲労強度設計法では、 さらに、金属材料に 含まれる介在物のうち破断起点となった介在物の寸法の極値統計分布を作成する ステップを含み、前記第 2のステップは、前記極値統計分布を前記介在物の初期寸 法 " areaに対する等価欠陥寸法 V area'の関係に基づいて平行移動し、 この平行移 動した直線上において実際の機械部品の寸法と生産量に応じた再帰期間を算定し て前記機械部品に使用する実際の金属材料に含まれる介在物のうち最大の介在物 に対応する最大等価欠陥寸法 areaT n を許容応力の算定に使用することが望ま しい。 これにより、金属材料中に含まれる最大介在物に対応する等価欠陥寸法を設 計上の欠陥寸法として想定し、 より適切な破断寿命設計を行うことが可能となる。 ここで、 前記第 3のステップの機械部品の設計は、 例えば、 最大等価欠陥寸法 "area ' をパラメータとする式
σ = 1. 56 (HV/9. 8+ 1 20) / ( area'max*) 1/6 ((1 -R) / 2) a (但し、 び ：使用想定応力繰り返し数に応じた許容応力 （MP a)、 HV : ピツカ ース硬さ （MP a)、 R :応力比 （=最小応力 最大応力）、 a = 0. 226 +HV Z 9. 8 x l 0 _4とする） を用いることができる。
本発明によれば、相当回数の繰り返し応力が加わる機械部品に使用する金属材料 について、疲労亀裂の発生起点となっている欠陥すなわち介在物にトラップされた 水素の影響を考慮に入れ、 さらに実際の機械部品の寸法、生産量および設計寿命に 応じた最大等価欠陥寸法を求めて許容応力などの算定に使用し、自動車の変速装置、 ばねや車両の軸受などの機械部品の安全をより確実に確保することができる。 図面の簡単な説明
図 1は、水素をトラップした介在物の大きさと破断までの応力の繰り返し数の関 係図である。
図 2は、 疲労破壊起点どなつた介在物の極値統計分布を示す図である。
図 3は、 使用材料に含まれる介在物の極値統計分布を示す図である。
図 4は、 O D Aの成長と破断までの繰り返し数との関係を示す図である。
図 5は、実際の機械部品の寸法、生産量および設計寿命に応じた最大欠陥寸法の 決定手順を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態における機械部品に使用する金属材料の長寿命疲労強 度設計法について、 図 3〜図 5を用いて説明する。
図 3は使用材料に含まれる介在物の極値統計分布を示す図、図 4は O D Aの成長 と破断までの応力繰り返し数 N f との関係を示す図、図 5は実際の機械部品の寸法、 生産量および設計寿命に応じた最大欠陥寸法の決定手順を示す図である。
( 1 )設計する機械部品に使用する金属材料の試験片によって疲労試験を行い、 図 3に示すように累積度数を縦軸、 介在物の大きさを横軸にそれぞれ取って、使用材 料に含まれる介在物について図 2に相当する極値統計分布を作成する。
( 2 ) また、 この疲労試験の結果から、 破断までの応力繰り返し数 N f とトラップ した水素が影響を及ぼしている介在物周囲の無次元〇 D A寸法（^rea ' / iFea) との関数関係を図 4に示すように求める。無次元〇D A寸法は、破断起点となった 介在物の面積 A。と〇D Aの面積 A とを合わせた面積 A。十 A jの平方根で表した 寸法 area'に対する介在物の面積 A0の平方根で表した介在物寸法 V arefの比で ある。 なお、 多くの材料に当てはまるものとして図 1を近似的に使用してもよい。 ただし、金属材料に含まれる水素量によって図 1のプロットから得られる曲線は変 化する。
(3) 図 4を用い、機械部品の使用想定応力繰り返し数に対応する介在物の拡大後 の寸法、
Figure imgf000008_0001
を求める。例えば、 N f =3 x 1 08と想定 し、 図 4の横軸上に取ると、 V"area'/V arei:軸上の値は約 3となるので、 等価欠 陥寸法 "!F Tの値は介在物の初期寸法 areaの 3倍と見積もることができる。 た だし、実際の機械部品は試験片より寸法が大きく、 実験で得られた介在物よりはる かに大きい介在物が含まれるので、それを推定するために図 3のデータを機械部品 の使用想定繰り返し数に応じて右側に平行移動し （図 5参照)、 さらにこの平行移 動した直線上において実際の機械部品の寸法と生産量に応じた再帰期間 T = T*を 算定して、含まれることが予想される最大等価介在物寸法^? ea'rax*を求める。 す なわち、 この最大等価介在物寸法 V"i? rmax*を実際の機械部品の寸法、生産量およ び設計寿命に応じた最大等価欠陥寸法として決定する。
(4) 等価欠陥寸法 V area'を設計の許容応力などの算定に使用する場合には、 例 えば本発明者が既に提案している次式の 17^"パラメータモデルを利用すること ができる。
σ = 1. 56 (HV/9. 8+ 1 20) / ( Π ) 1/6 (( 1 -R) / 2) a ここで、 σ ：使用想定応力繰り返し数に応じた許容応力 （MP a)、 HV： ビッ カース硬さ （MP a)、 R：応力比 （=最小応力 最大応力）、 a ： 0. 226+H V/9. 8 x 1 0一4である。 そして、 等価欠陥寸法 T "として上で決定した〇 D Aを含めた最大等価欠陥寸法 !?^7 max* ( m) を入力し、 使用想定応力繰り返 し数に応じた許容応力 （M P a ) を算出する。
なお、 上式を使用せず、 他の設計式を使用する場合'でも、 上で述べた等価欠陥寸 法 area' (最大等価欠陥寸法 area'∞*) を考慮に入れた疲労強度設計をしなけ れば安全確保はできない。例えば、少数の試験片または実際の部品テス卜の結果に よつて使用想定繰り返し数に応じた許容応力を決める従来の方法では、実際に多く の部品に含まれる最大介在物の影響が考慮されないこと、さらに水素の影響による 介在物の初期寸法からの亀裂の拡大の影響が考慮されないので、疲労強度信頼性は 確保できない。
以上のように、疲労試験結果から破断までの応力繰り返し数 N f と介在物の周囲 の水素影響領域の寸法 — area' との関数関係を求めて、使用想定応力繰り 返し数に対応する介在物の拡大後の寸法である等価欠陥寸法を求め、この等価欠陥 寸法を許容応力などの長寿命疲労強度の算定に使用して機械部品を設計すること により、機械部品の使用想定寿命に応じた 0 D A寸法の拡大を考慮した破断寿命設 計を行うことが可能となる。
産業上の利用可能性
本発明は、 自動車の変速装置、 ばねや車両の軸受など、 耐用期間に相当の繰り返 し応力が加わる機械部品に使用する金属材料の長寿命疲労強度設計法として有用 である。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 周囲に水素を.トラップした非金属介在物を含む金属材料の長寿命疲労強度設 言 +法であって、
疲労試験結果から破断までの応力繰り返し数と前記トラップした水素が影響を 及ぼしている非金属介在物の周囲の水素影響領域の寸法との関数関係を求める第 1のステップ、
前記金属材料を用いる機械部品の使用想定応力繰り返し数に対応する非金属介 在物の拡大後の寸法である等価欠陥寸法を前記関数関係により求める第 2のステ ップ、
前記等価欠陥寸法を許容応力などの超長寿命疲労強度の算定に使用して前記機 械部品を設計する第 3のステップからなることを特徴とする金属材料の長寿命疲 労強度設計法。
2. . 前記第 1のステップは、前記破断までの応力繰り返し数 N f および前記金属 材料に含まれる非金属介在物のうち破断起点となった非金属介在物の面積 A。と前 記水素影響領域の面積 A iとを合わせた面積 A。十 Aェの平方根で表した等価欠陥 寸法/ "SF に対する前記破断起点となった非金属介在物の面積 A。の平方根で表 した介在物の初期寸法 V area の比 ^ rea' Z area をそれぞれ軸にとってプロッ トしたグラフに基づいて前記関数関係を求めること、
前記第 2のステップは、前記グラフの N f 軸上に前記使用想定応力繰り返し数を とって前記関数関係により対応する V area' 軸上の値を求めることによ り介在物の初期寸法 V area に対する等価欠陥寸法/" area'を求めることを特徴と する請求の範囲第 1項に記載の金属材料の長寿命疲労強度設計法。
3. さらに、前記金属材料に含まれる非金属介在物のうち破断起点となった非金 属介在物の寸法の極値統計分布を作成するステップを含み、
前記第 2のステップは、 前記極値統計分布を前記介在物の初期寸法 rl? i:に対 する等価欠陥寸法 ^の関係に基づいて平行移動し、 この平行移動した直線上 において実際の機械部品の寸法と生産量に応じた再帰期間を算定して前記機械部 品に使用する実際の金属材料に含まれる非金属介在物のうち最大の非金属介在物 に対応する最大等価欠陥寸法^" area ' を許容応力の算定に使用することを特徴 とする請求の範囲第 2項に記載の金属材料の長寿命疲労強度設計法。
4. 前記第 3のステップは、 前記最大等価欠陥寸法 area'm をパラメータとす る式
σ= 1. 56 (HV/9. 8+ 1 20) / ( Έ?ϋ ^ ） 1/6 ((1 -R) / 2) α (但し、 σ ：使用想定応力繰り返し数に応じた許容応力 （MP a)、 HV ： ピツカ ース硬さ （MP a)、 R :応力比 (=最小応力 最大応力）、 a = 0. 226 +HV /9. 8 X 1 0_4とする） を用いて前記機械部品を設計することを特徴とする請 求の範囲第 2項に記載の金属材料の長寿命疲労強度設計法。
5. 前記第 3のステップは、 前記最大等価欠陥寸法 Virea ' をパラメータとす る式
σ = 1. 56 (HV/9. 8 + 1 20) / (V area'ma；) 1/6 ((1 — R) / 2) a (但し、 σ ：使用想定応力繰り返し数に応じた許容応力 （MP a)、 HV： ピツカ ース硬さ （MP a)、 R :応力比 （=最小応力ノ最大応力）、 a = 0. 226+HV /9. 8 x 1 0— 4とする） を用いて前記機械部品を設計することを特徴とする請 求の範囲第 3項に記載の金属材料の長寿命疲労強度設計法。
6. 前記金属材料は、 高強度鋼であることを特徴とする請求の範囲第 1項から第 5項のいずれかに記載の金属材料の長寿命疲労強度設計法。
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