N o. 2 実用部材の疲労強度 に関する研究
DESCRIPTION
N o. 2 実用部材の疲労強度 に関する研究. 鹿島 巌 酒井 徹. 材料 → 機械加工 → 製品. 実用部材の疲労強度. 疲労破壊 → 表面から発生. 表面粗さ 残留応力 表面層の加工硬化. 疲労強度の影響因子. 昨年度 : 表面粗さ → 疲労限度を推定. 本年度:三つの影響 → 疲労限度を推定. 欠陥材の疲労限度評価に村上の理論. σ w P :疲労限度 (MPa). Hv :ビッカース硬さ. :欠陥の投影面積の 平方根 (μm). 表面粗さ あり 残留応力 なし 加工硬化 なし. 疲労限度の推定. 昨年度. 良好. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
疲労破壊 → 表面から発生
材料 → 機械加工 → 製品
実用部材の疲労強度
表面粗さ
残留応力
表面層の加工硬化
昨年度: 表面粗さ → 疲労限度を推定
疲労強度の影響因子
本年度:三つの影響 →疲労限度を推定
欠陥材の疲労限度評価に村上の理論
61
12043.1
area
HvwP
σw P:疲労限度 (MPa)
Hv :ビッカース硬さ
:欠陥の投影面積の 平方根 (μm)
area
表面粗さあり
残留応力なし
加工硬化なし
疲労限度の推定良好
昨年度
表面粗さあり
残留応力あり
加工硬化あり
疲労限度の推定
検討本年度
製作した試験片
平滑材
粗さ材
ノーズ半径 r
r = 0.1
送り f
f = 0.1f = 0.15
f = 0.2
使用材料の機械的性質
σ sl(MPa) σ B(MPa) σ T(MPa) Ψ (%) E(GPa)焼なまし材 317 572 993 50.3 211
焼入れ焼き戻し材 605 793 1407 63 213
f=0.1f=0.15
-2
0
2
4
6
899.95
99.90
99.80
99.50
99.00
98
95
90
80
50
10
10.1
1000
500
200
100
50
20
10
F (%)yT = 1/ (1-F)
Ry (μ m)
Cum
ulat
ive
Freq
uenc
y
y =
-ln(
-ln(
F))
f=0.2
0 20 40 60 80 100120140160180200 area の算出
粗さの 40 ヶ所データ
極値統計の例
粗さ
それぞれの定数
直線状に分布
極値統計処理可能
0 10 20 300
100
200
300
400
500
表面からの深さ(μ m)
ビッ
カー
ス硬
さH
v
f = 0.1f = 0.15f = 0.2平滑材
(a) 焼なまし材
0 10 20 300
100
200
300
400
500
表面からの深さ(μ m)
ビッ
カー
ス硬
さH
v
f = 0.1f = 0.15f = 0.2平滑材
(b) 焼入れ焼戻し材
深さ方向硬さ分布連続載荷法 深さと硬さの関
係
加工硬化の
深さ
平滑材 加工層浅いエメリー紙で研
磨粗さ材
研磨せず 加工層深い
粗さ材
平滑材
105 106 107 108200
250
300
350
400
450
500
繰返し数 N
σ
応力
振幅
a (
MP
a)
f = 0.1f = 0.15f = 0.2平滑材
焼なまし材疲労試験結果
( S-N曲線 )粗さ材は,平滑材よ
り
疲労限度が上昇
加工層が深い
欠陥に鈍い
粗さ材
平滑材
疲労試験結果焼入れ焼戻し材粗さ材は,平滑材よ
り
疲労限度が低下
欠陥に敏感105 106 107 108
200
250
300
350
400
450
500
繰返し数 N
σ
応力
振幅
a (
MP
a)
○ f0.1□ f0.15◇ f0.2△ 平滑材
unregistered
焼入れ焼戻し材疲労試験結果
( S-N曲線 )平滑材
粗さ材
残留応力と表面付近の硬さの影響
Hv(10N) √ area(μ m) (MPa)残留応力 σ w (MPa)平滑材 197 - -158 265f = 0. 1 222 57 -98 270f = 0. 15 218 67 -64 285f = 0. 2 241 87 -28 290
焼なまし材試験結果
圧縮の残留応力小 疲労限度低い
硬い
硬さの影響が強い
疲労限度高い
一般に・・・
Hv(10N) √ area(μ m) (MPa)残留応力 σ w (MPa)平滑材 265 - -238 430f = 0. 1 301 45 111 355f = 0. 15 311 72 76 355f = 0. 2 307 81 61 350
焼入れ焼戻し材試験結果
引張りの残留応力小
硬さ変化無し
両材は,硬さの影響が強い
疲労限度高い
疲労限度変化無し
一般に・・・
f 0.1
0.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.5
荷重 W (gf)
σ /
σw
Pw
実験値と予測値の比較モデル
0.1 0.25 0.5 1 2 3 5 10荷重 F ( N)
<1 危険>1 安全
σ w
σ wP
実験値予測値
8種類
載荷荷重H v
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
荷重 W (gf)
σ /
σw
wP
f 0.1f0.15f 0.2
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
荷重 W (gf)
σ /
σw
wP
f 0.1f0.15f 0.2
すべて1より小さい値
有用ではない
0.1 0.25 0.5 1 2 3 5 10 荷重 F ( N) 焼なまし材
0.1 0.25 0.5 1 2 3 5 10 荷重 F ( N) 焼入れ焼戻し
HvwP 6.1
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
荷重 W (gf)
σ /
σw
wP
f 0.1f0.15f 0.2
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
荷重 W (gf)
σ /
σw
wP
f 0.1f0.15f 0.2
0.1 0.25 0.5 1 2 3 5 10 荷重 F ( N) 焼なまし材
0.1 0.25 0.5 1 2 3 5 10 荷重 F ( N) 焼入れ焼戻し
載荷荷重3N~5N
15 %程度の誤差内予測
載荷荷重 0.25 ~5N 15 %程度の誤差内予測
積載荷重3N~5N
疲労限度の予測が可能
61wP
area
120Hv43.1
③ H v, ,応力比Rによる予測 area
4
m
m
max
min
6/1
10Hv226.0
R
2
)R1(
)area(
)120Hv(43.1
a
a
P
最小応力
最大応力
平均応力
応力振幅
min
max
m
a
:
:
:
:
平均応力が作用する場合村上の式
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
荷重 W (gf)
σ /
σw
wP
f 0.1f0.15f 0.2
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
荷重 W (gf)
σ /
σw
wP
f 0.1f0.15f 0.2
0.1 0.25 0.5 1 2 3 5 10 荷重 F ( N) 焼なまし材
0.1 0.25 0.5 1 2 3 5 10 荷重 F ( N) 焼入れ焼戻し
載荷荷重10N
15%程度の誤差内で予測
載荷荷重 0.25 N~2N
15 %程度の誤差内で予測
有用な載荷荷重が大きく異なる
共通の予測式を設定
困難
P
2
)1(
)(
)120(43.16/1
R
area
Hv
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
荷重 W (gf)
σ /
σw
wP
f 0.1f0.15f 0.2
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
荷重 W (gf)
σ /
σw
wP
f 0.1f0.15f 0.2
0.1 0.25 0.5 1 2 3 5 10 荷重 F ( N) 焼なまし材
0.1 0.25 0.5 1 2 3 5 10 荷重 F ( N) 焼入れ焼戻し
ほとんど1より小さい
ほとんど1より大きい
予測は有用ではない 両材でのばらつきが大きい
危険
20 %以上の誤差
mParea
Hv 2
1
)(
)120(43.16/1
( 2 )疲労限度はビッカース硬さの載荷荷重3~5Nを用 いて以下の予測式によりある程度求めることが可能.
結 言
6/1)(
)120(43.1
area
HvP
( 1 ) 粗さ材の疲労限度は残留応力よりも硬さの影響が 大きい.
再帰期間 T
0
0
S
SST
応力の 90% が作用し破断する可能性がある面積
基準長さ L0 を用いる
有効幅 b を( Ry ) ave. と選定のときSS 0
0S
ST≒
最大高さ (Ry)max の推定
S : 予想を行う面積
S0: 検査基準面積
無限個の円周き裂列を有する丸棒の応力拡大係数
aFK 0max Ⅰ
F:補正係数,a :切欠き深さ
以上の式を等式化する。
aFarea 265.0
area の算出
area
z
y
x
σ 0
σ 0
o
areaK 0max 65.0Ⅰ
近似的に K maxⅠ は次式で与えられる
この近似式を用いて
area を求めることが出来る
0 1 2 3
1
2
3
a/2b
(F/0
.65)
2(F/0.65)2 → y a/2b → x
y=0.38/x (x>0.195)
y=2.97–3.51x–9.74x2
(0≦ x≦ 0.195)