円筒形金属素材の疲労破壊評価方法
【課題】円筒形金属素材の内面に発生する疲労破壊を確実に再現させることができ、簡便且つ精度良く円筒形金属素材の内面の疲労特性を評価することができる円筒形金属素材の疲労破壊評価方法を提供する。
【解決手段】円筒形試験材１の中央部１ｂの外径を拘束部１ａの外径の９０％以下とすると共に、中央部１ｂの外径と内径の比を（外径／内径）≦２とし、且つ、中央部１ｂの厚さを１ｍｍ以上とし、中央部１ｂ外表面に金属素材の引張強度の２５％以上、外表面より０．８ｍｍ深さ位置に引張強度の２．５％以下の圧縮残留応力を負荷し、円筒形試験材１に繰り返し曲げ負荷又はねじり負荷を加えることで円筒形試験材１の内面に疲労破壊を発生させ疲労破壊が生じた繰り返し曲負荷又はねじり負荷の条件を基に円筒形金属素材の疲労破壊特性を評価する。
【解決手段】円筒形試験材１の中央部１ｂの外径を拘束部１ａの外径の９０％以下とすると共に、中央部１ｂの外径と内径の比を（外径／内径）≦２とし、且つ、中央部１ｂの厚さを１ｍｍ以上とし、中央部１ｂ外表面に金属素材の引張強度の２５％以上、外表面より０．８ｍｍ深さ位置に引張強度の２．５％以下の圧縮残留応力を負荷し、円筒形試験材１に繰り返し曲げ負荷又はねじり負荷を加えることで円筒形試験材１の内面に疲労破壊を発生させ疲労破壊が生じた繰り返し曲負荷又はねじり負荷の条件を基に円筒形金属素材の疲労破壊特性を評価する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属素材で成る円筒形試験材の両端部を拘束し、前記円筒形試験材に曲げ負荷或いはねじり負荷を加えることで前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させ、円筒形金属素材の内面に発生する疲労破壊を再現させる円筒形金属素材の疲労破壊評価方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から機械構造物には多くの円筒形金属素材が用いられているが、円筒形金属素材の外面についての表面性状の品質管理は目視等で容易にできるものの、円筒形金属素材の内面については目視等で確認できず表面性状の品質管理が非常に行いにくいという問題があった。その結果、円筒形金属素材の内面の表面粗さ（表面凹凸の差）が大きすぎる場合等には、機械構造物の使用条件、使用環境によっては、円筒形金属素材の内面を起点とする破壊が発生する可能性がある。特に円筒形金属素材の曲がり形状部においては、その内面に大きな曲げ応力やねじり応力が加わり、図４に示すように、その内面を起点とする疲労破壊２が発生する可能性がより高くなる。
【０００３】
従って、円筒形金属素材の内面を起点とする疲労特性を事前に把握することが機械構造物の安全性を高める上で重要になる。しかしながら、図３に示すように、単に円筒形金属素材を模した円筒形試験材１の両端部を試験機治具３で拘束し、その円筒形試験材１に対して曲げ負荷或いはねじり負荷を加えただけでは、円筒形試験材１の内面よりも先に外面から疲労破壊２が発生することになり、機械構造物の円筒形金属素材の内面に発生する疲労破壊を再現することはできなかった。
【０００４】
以上説明したような実情から、簡便且つ精度良く円筒形金属素材の内面の疲労特性を評価できる試験手法を開発することが従来からの課題となっていた。
【０００５】
円筒形金属素材の疲労特性を評価する試験手法としては、特許文献１記載のパイプ等の曲げ疲労試験方法が提案されているが、この試験方法は、供試材であるパイプ等の棒材の端部に外嵌する部分を有し、且つその外嵌部の肉厚が棒材の中央部に向かって薄くなるように外周にテーパーを施した短柱状の曲げ治具を棒材の両端に嵌着し、該曲げ治具における外嵌部以外の部分に繰り返し曲げモーメントをかける試験方法である。
【０００６】
しかしながらこの提案は、供試材であるパイプ等の棒材の端部を曲げ治具で拘束して曲げ疲労試験を行った場合、その拘束部等に先に破壊が発生することを防止しようとした提案であって、機械構造物の円筒形金属素材の内面に発生する疲労破壊を再現することを目的とした提案ではない。
【０００７】
また、特許文献２により、実管回転曲げ疲労試験機の実管試験片取りつけ用装置に関する提案がなされているが、この提案も特許文献１と同様に、回転曲げ疲労試験の際に実管の拘束部に破壊が発生することを防止しようとした提案に過ぎない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６２−１７４６３０号公報
【特許文献２】実開平２−１３５８４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたもので、機械構造物の円筒形金属素材の内面に発生する疲労破壊を確実に再現させることができ、簡便且つ精度良く円筒形金属素材の内面の疲労特性を評価することができる円筒形金属素材の疲労破壊評価方法を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１記載の発明は、金属素材で成る円筒形試験材の両端部を拘束し、前記円筒形試験材に繰り返し曲げ負荷或いはねじり負荷を加えることで前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させ、円筒形金属素材の内面に発生する疲労破壊を再現させる円筒形金属素材の疲労破壊評価方法であって、前記円筒形試験材の中央部の外径を両端の拘束部の外径の９０％以下とすると共に、前記中央部の外径と内径の比を（外径／内径）≦２とし、且つ、前記中央部の素材厚さを１ｍｍ以上とし、前記円筒形試験材の中央部の外表面に前記金属素材の引張強度の２５％以上、その外表面より０．８ｍｍ深さの位置に前記金属素材の引張強度の２．５％以下の圧縮残留応力を負荷した状態とし、前記円筒形試験材に、繰り返し曲げ負荷或いはねじり負荷を加えることで前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させ、その疲労破壊が生じた繰り返し曲げ負荷の条件或いはねじり負荷の条件を基に円筒形金属素材の疲労破壊特性を評価することを特徴とする円筒形金属素材の疲労破壊評価方法である。
【００１１】
請求項２記載の発明は、前記円筒形試験材に繰り返し曲げ負荷を加えることで前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させるときに、前記円筒形試験材の両端の拘束部の外面曲げ応力振幅が前記金属素材の引張強度の２５％以上、且つ、前記拘束部の素材厚さが２．５ｍｍ以下である場合には、前記拘束部の空洞内部に変形抑制治具を嵌入した状態で、前記円筒形試験材に繰り返し曲げ負荷を加えて前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させることを特徴とする請求項１記載の円筒形金属素材の疲労破壊評価方法である。
【００１２】
請求項３記載の発明は、前記円筒形試験材に繰り返しねじり負荷を加えることで前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させるときに、前記円筒形試験材の両端の拘束部の外面せん断応力振幅が前記金属素材の引張強度の５０％以上、且つ、前記拘束部の素材厚さが２．５ｍｍ以下である場合には、前記拘束部の空洞内部に変形抑制治具を嵌入した状態で、前記円筒形試験材に繰り返しねじり負荷を加えて前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させることを特徴とする請求項１記載の円筒形金属素材の疲労破壊評価方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の円筒形金属素材の疲労破壊評価方法によると、機械構造物の円筒形金属素材の内面に発生する疲労破壊を、先に外面から疲労破壊が発生してしまうことなく、確実に再現させることができ、簡便且つ精度良く円筒形金属素材の内面の疲労特性を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の円筒形金属素材の疲労破壊評価方法により回転曲げ疲労試験を実施している状態を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は円筒形試験材の端面を示す側面図である。
【図２】請求項２または３記載の円筒形金属素材の疲労破壊評価方法により回転曲げ疲労試験を実施している状態を示し、（ａ）は変形抑制治具を透視して示す正面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【図３】従来からの円筒形金属素材の疲労破壊評価方法により回転曲げ疲労試験を実施している状態を示す正面図である。
【図４】円筒形金属素材の曲がり形状部においてその内面を起点とする疲労破壊が発生する位置を示すための円筒形金属素材の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて更に詳細に説明する。
【００１６】
本発明の円筒形金属素材の疲労破壊評価方法は、例えば、図１に示すように、鉄、銅、アルミニウム等の金属素材で成る円筒形試験材１の両端部を、試験機治具３で拘束し、その円筒形試験材１に繰り返し曲げ負荷或いはねじり負荷を加えることで、その円筒形試験材１の内面に、図４に示すような位置を起点とする疲労破壊２を発生させ、機械構造物の円筒形金属素材１Ａの内面に発生する疲労破壊２を再現させる方法である。
【００１７】
この疲労破壊評価方法に用いる円筒形試験材１は、両端の拘束部１ａ，１ａとその中間に位置する中央部１ｂとより構成される。両端の拘束部１ａ，１ａと中央部１ｂの長さは、図１に示す実施形態の場合は、略１：１：１の比率であり、円筒形試験材１の全長や直径によっても異なるが、中央部１ｂの長さは２０〜３０ｍｍとすることが好ましい。
【００１８】
また、円筒形試験材１の中央部１ｂの外径を、両端の拘束部１ａ，１ａの外径の９０％以下とする。更には、中央部１ｂの外径と内径の比を、（外径／内径）≦２とし、且つ、中央部１ｂの素材厚さを１ｍｍ以上とする。
【００１９】
本発明の円筒形金属素材の疲労破壊評価方法では、このような形状の円筒形試験材１に対し、事前に中央部の外表面に金属素材の引張強度の２５％以上、その外表面より０．８ｍｍ深さの位置に金属素材の引張強度の２．５％以下の圧縮残留応力を負荷した状態とした上で、円筒形試験材１に、繰り返し曲げ負荷或いはねじり負荷を加えることで円筒形試験材１の内面に疲労破壊２を発生させ、機械構造物の円筒形金属素材の内面に発生する疲労破壊２を再現させる。
【００２０】
次に、円筒形試験材１の中央部１ｂの外径等の数値限定理由について説明する。
【００２１】
（円筒形試験材の中央部の外径が両端の拘束部の外径の９０％以下）
円筒形試験材１の両端の拘束部１ａ，１ａには応力集中が発生するため、図３に示すような従来からの円筒形金属素材の疲労破壊評価方法では、曲げ負荷或いはねじり負荷を加えると、試験機治具３で拘束した位置を起点とする疲労破壊２が発生する。このように、試験機治具３で拘束した位置を起点とする疲労破壊２が発生した場合、機械構造物の円筒形金属素材１Ａの内面に発生する疲労破壊２を再現することができなくなる。
【００２２】
そこで、円筒形試験材１の中央部１ｂの外径を、両端の拘束部１ａ，１ａの外径より小さくすることで、円筒形試験材１の中央部１ｂの発生応力を拘束部１ａの発生応力より大きくすることができ、円筒形試験材１の中央部１ｂにおいて疲労破壊２を発生させることが可能となる。
【００２３】
円筒形試験材１の中央部１ｂの発生応力を両端の拘束部１ａ，１ａの発生応力より大きくするためには、円筒形試験材１の中央部１ｂの外径を両端の拘束部１ａ，１ａの外径より十分に小さくする必要があり、実験検討により、円筒形試験材１の中央部１ｂの発生応力を両端の拘束部１ａ，１ａの発生応力より大きくするためには、円筒形試験材１の中央部１ｂの外径を拘束部１ａの外径の９０％以下とする必要があることを見出した。円筒形試験材１の中央部１ｂの外径を拘束部１ａの外径の９０％以下とすることで、筒形試験材１の中央部１ｂで疲労破壊２を発生させることが可能となる。
【００２４】
（円筒形試験材の中央部の外径と内径の比を（外径／内径）≦２、円筒形試験材の中央部の外表面に金属素材の引張強度の２５％以上の圧縮残留応力を負荷）
一般に、円筒形試験材１に対し曲げ変形或いはねじり変形を加えると、円筒形試験材１の中央部１ｂの内面の応力よりも外面の応力の方が大きくなり、円筒形試験材１の中央部１ｂの外表面を起点とする疲労破壊２が発生することが考えられる。
【００２５】
このように、円筒形試験材１の中央部１ｂの外表面を起点とする疲労破壊２が発生することを防止する策として、円筒形試験材１の中央部１ｂの外表面を起点とする亀裂発生に対する抵抗を高める手法と、円筒形試験材１の中央部１ｂの外面応力と内面応力の差を低減させる手法を採用することが考えられる。前の手法を採用する場合は、円筒形試験材１の外面に圧縮応力を加えることが有効であり、後の手法を採用する場合は、円筒形試験材１の外径と内径の差を低減させることが有効である。
【００２６】
以上のような見解をもとに、円筒形試験材１の中央部１ｂの内表面を起点とする疲労破壊２が発生する条件について、実験検討を行った結果、円筒形試験材１の中央部１ｂの外表面に金属素材の引張強度の２５％以上の圧縮残留応力を負荷させた状態とし、それに加え、円筒形試験材１の中央部１ｂの外径と内径の比を、（外径／内径）≦２とすることで、円筒形試験材１の中央部１ｂの内表面を起点とする疲労破壊２が安定して発生することを見出した。
【００２７】
（円筒形試験材の外表面より０．８ｍｍ深さ位置に金属素材の引張強度の２．５％以下の圧縮残留応力を負荷、円筒形試験材の中央部の板厚を１ｍｍ以上）
円筒形試験材１の中央部１ｂの外表面に圧縮残留応力を加える手法としてショットピーニングなどの手法を採用することが考えられるが、円筒形試験材１の中央部１ｂの外表面に圧縮残留応力を負荷すると、その圧縮残留応力が外表面だけでなく円筒形試験材１の中央部１ｂのより深い位置まで影響を及ぼすことになる。しかしながら、この圧縮残留応力が円筒形試験材１の中央部１ｂの一定の深さ以上にまで影響を及ぼした場合、円筒形試験材１の中央部１ｂの内表面を起点とする疲労破壊２が発生しにくい状況となる。また、円筒形試験材１の中央部１ｂの板厚が薄すぎた場合、円筒形試験材１の中央部１ｂの内表面にまで圧縮残留応力の影響を及ぼすことになり、このような場合は、材料の疲労特性を評価することができなくなる。
【００２８】
ここでは、ショットピーニングによる圧縮残留応力の板厚方向の分布調査を行い、円筒形試験材１の中央部１ｂの板厚を１ｍｍ以上とし、且つ、円筒形試験材１の中央部１ｂの外表面より０．８ｍｍ深さの位置の圧縮残留応力を金属素材の引張強度の２．５％以下とすることで、円筒形試験材１の中央部１ｂの外表面に加えた圧縮残留応力の影響を回避できることを見出した。
【００２９】
尚、実験検討により、円筒形試験材１の中央部１ｂの外表面に金属素材の引張強度の２５％以上、その外表面より０．８ｍｍ深さの位置に金属素材の引張強度の２．５％以下の圧縮残留応力を負荷した状態とするためのショットピーニングの条件を検討したところ、ショットピーニングを１段目と２段目に分け、且つ、１段目と２段目のショットピーニングを以下に例示する条件等で実施すれば良いことを確認した。
【００３０】
例えば、後述する実施例において示しているような、引張強度１０００ＭＰａ以上２０００ＭＰａ以下の鋼材を使用した円筒形試験材の疲労評価をする場合には、ショットピーニングの条件は、１段目のショットピーニングを、ショット粒径：φ０．５〜１ｍｍ、投射速度：７５〜１００ｍ／ｓｅｃ、投射時間：４０〜６０ｓｅｃとし、２段目のショットピーニングを、ショット粒径：φ０．３〜１ｍｍ、投射速度：３０〜７５ｍ／ｓｅｃ、投射時間：４０〜６０ｓｅｃとすることである。
【００３１】
以上説明した円筒形金属素材１Ａの疲労破壊評価方法により、機械構造物の円筒形金属素材１Ａの内面に発生する疲労破壊を、先に外面から疲労破壊が発生してしまうことなく、試験で確実に再現させることができ、簡便且つ精度良く円筒形金属素材１Ａの内面の疲労特性を評価することができる。
【００３２】
しかし、円筒形試験材１に加える曲げ負荷或いはねじり負荷を大きくして実験を行う場合、円筒形試験材１の拘束部１ａのすべりを防止するために、より大きな圧力を加えて拘束部１ａを拘束することになる。このような方法で実験を行った場合、条件によれば、拘束部１ａがその大きな圧力により変形してしまうことがあり、中央部１ｂの内面からよりも先に拘束部１ａの内面から亀裂が発生してしまう可能性があることを否定できない。
【００３３】
そこで実験による検討を行った結果、その条件は、円筒形試験材１に繰り返し曲げ負荷を加える場合と、円筒形試験材１に繰り返しねじり負荷を加える場合で、異なることが分かった。
【００３４】
円筒形試験材１に曲げ負荷を加えるときの前記条件は、円筒形試験材１の両端の拘束部１ａの外面曲げ応力振幅が、金属素材の引張強度の２５％以上であり、且つ、その拘束部１ａの素材厚さが２．５ｍｍ以下の場合である。
【００３５】
一方、円筒形試験材１にねじり負荷を加えるときの前記条件は、円筒形試験材１の両端の拘束部１ａの外面せん断応力振幅が金属素材の引張強度の５０％以上であり、且つ、その拘束部１ａの素材厚さが２．５ｍｍ以下の場合である。
【００３６】
上記した夫々の条件を満足する場合、円筒形試験材１の拘束部１ａのすべりを防止するために、より大きな圧力でその拘束部１ａを拘束すると、その大きな圧力によって拘束部１ａが変形してしまうことが考えられ、中央部１ｂの内面からより先に拘束部１ａの内面から亀裂が発生してしまう可能性がある。しかしながら、図２に示すように、拘束部１ａの空洞１ｃ内部に変形抑制治具４を嵌入すれば、外部からの大きな圧力による拘束部１ａの変形を抑制することができる。その結果、拘束部１ａの内面から亀裂が発生することを防止でき、確実に中央部１ｂの内面から亀裂を発生させることができる。すなわち、拘束部１ａの空洞１ｃ内部に変形抑制治具４を嵌入することで、円筒形金属素材１Ａの内面に発生する疲労破壊を確実に再現させることができる。
【００３７】
この変形抑制治具４は、円柱状の軸部４ａと頭部４ｂより形成されている。軸部４ａの径は、円筒形試験材１の拘束部１ａの空洞１ｃの内径より例えば０．０１ｍｍ程度小さいだけであり、拘束部１ａの空洞１ｃ内部にこの変形抑制治具４の軸部４ａを嵌入することで、外部からの大きな圧力による拘束部１ａの変形を抑制することができる。また、この軸部４ａの先端は半球状であり、変形抑制治具４と空洞１ｃ内面との境界に形状不連続を生じにくくしている。一方、頭部４ｂは、変形抑制治具４が必要以上に拘束部１ａの空洞１ｃ内部に入り込んでしまうことを防止するためのストッパーの役割をなし、軸部４ａより大径であることが条件であるが、図２に示す実施形態では、円筒形試験材１の拘束部１ａと同じ大きさの円形断面形状である。
【実施例】
【００３８】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００３９】
表１および表２に示すＡ〜Ｌ、ａ〜ｆの各種条件の円筒形試験材を作製し、ＪＩＳ Ｚ ２２７４に示す回転曲げ疲労試験およびねじり疲労試験を実施した。尚、円筒形試験材の中央部の長さは全て２５ｍｍとした。
【００４０】
円筒形試験材を作製した後に、下記の条件でショットピーニングを施し、円筒形試験材に圧縮残留応力を負荷した。尚、ショットピーニングには鋼球を用いた。
【００４１】
ショットピーニング条件（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊ，Ｌ，ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ）
１段目：ショット粒径φ0.8mm、投射速度88m/sec、投射時間:50sec
２段目：ショット粒径φ0.3mm、投射速度50m/sec、投射時間:50sec
ショットピーニング条件（Ｅ，Ｋ）
１段目：ショット粒径φ0.8mm、投射速度88m/sec、投射時間:10sec
２段目：ショット粒径φ0.3mm、投射速度50m/sec、投射時間:10sec
【００４２】
回転曲げ疲労試験の試験結果を表１に示す。
【００４３】
【表１】
【００４４】
Ａ〜Ｃは発明例であり、いずれの場合でも円筒形試験材の内面に疲労破壊が発生した。これら発明例のうちでは、円筒形試験材の内面の表面粗さ（表面凹凸の差）が最も大きい発明例Ａが、破断寿命が最も短く、円筒形試験材の内面の表面粗さ（表面凹凸の差）が最も小さい発明例Ｃが、破断寿命が最も長い結果となった。この試験結果は、円筒形金属素材の内面の表面粗さ（表面凹凸の差）が破断寿命に影響を及ぼしていることを示す結果である。
【００４５】
Ｄは円筒形試験材の中央部の外径と内径の比（外径／内径）が２．５と大きすぎる比較例、Ｅは円筒形試験材の中央部の外表面の圧縮残留応力が金属素材の引張強度の２１％と小さすぎる比較例、Ｆは円筒形試験材の中央部の板厚（素材厚さ）が０．５ｍｍと薄すぎる比較例である。
【００４６】
その結果、比較例Ｄでは円筒形試験材の中央部の応力が十分に大きくならず拘束部において破断した。比較例Ｅでは、円筒形試験材の中央部の外表面の破壊抵抗が十分に大きくならず中央部の外表面において破断した。
【００４７】
比較例Ｆでは、円筒形試験材の中央部の板厚（素材厚さ）が薄すぎるため、中央部の内表面にまで圧縮残留応力の影響が及ぶこととなり、発明例Ｂよりも円筒形金属素材の内面の表面粗さ（表面凹凸の差）が大きかったにも関わらず、発明例Ｂよりも疲労寿命が大きいという相矛盾した結果が得られた。すなわち、比較例Ｆのような円筒形試験材を用いた試験では正確な試験結果が得られないことが分かる。
【００４８】
ａ〜ｃは発明例であるが、請求項２記載の変形抑制治具を用いた場合に得られる効果を確認するための回転曲げ疲労試験の試験結果を示す。発明例ａは、拘束部の外面曲げ応力振幅が金属素材の引張強度の２５％以上となっているが、拘束部の板厚（素材厚さ）が２．５ｍｍを超えているため、中央部の内面から破壊が発生している。
【００４９】
一方、発明例ｂ，ｃは、拘束部の外面曲げ応力振幅が金属素材の引張強度の２５％以上で、なお且つ拘束部の板厚（素材厚さ）が２．５ｍｍであり、発明例ｂは、変形抑制治具を用いなかった事例、発明例ｃは、変形抑制治具を拘束部の空洞内部に嵌入して試験を行った事例である。その結果、変形抑制治具を用いた発明例ｃの方が変形抑制治具を用いなかった発明例ｂより破断寿命が長いという結果が得られた。疲労破壊は基本的に中央部の内面から発生するが、試験を重ねた結果、変形抑制治具を用いなかった発明例ｂでは、中央部の内面より先に拘束部の内面から破壊が発生することがあるという結果を得ることができた。
【００５０】
以上の試験結果から、円筒形試験材の両端の拘束部の外面曲げ応力振幅が金属素材の引張強度の２５％以上、且つ、拘束部の板厚（素材厚さ）が２．５ｍｍ以下である場合には、疲労破壊が中央部の内面より先に拘束部の内面から破壊が発生する可能性があるが、変形抑制治具を用いることで、確実に疲労破壊を中央部の内面から発生させることができるということを確認できた。
【００５１】
ねじり疲労試験の試験結果を表２に示す。
【００５２】
【表２】
【００５３】
Ｇ〜Ｉは発明例であり、いずれの場合でも円筒形試験材の内面に疲労破壊が発生した。これら発明例のうちでは、円筒形試験材の内面の表面粗さ（表面凹凸の差）が最も大きい発明例Ｇが、破断寿命が最も短く、円筒形試験材の内面の表面粗さ（表面凹凸の差）が最も小さい発明例Ｉが、破断寿命が最も長い結果となった。この試験結果は、円筒形金属素材の内面の表面粗さ（表面凹凸の差）が破断寿命に影響を及ぼしていることを示す結果である。
【００５４】
Ｊは円筒形試験材の中央部の外径と内径の比（外径／内径）が２．５と大きすぎる比較例、Ｋは円筒形試験材の中央部の外表面の圧縮残留応力が金属素材の引張強度の２０％と小さすぎる比較例、Ｌは円筒形試験材の中央部の板厚が０．５ｍｍと薄すぎる比較例である。
【００５５】
その結果、比較例Ｊでは円筒形試験材の中央部の応力が十分に大きくならず拘束部において破断した。比較例Ｋでは、円筒形試験材の中央部の外表面の破壊抵抗が十分に大きくならず中央部の外表面において破断した。
【００５６】
比較例Ｌでは、円筒形試験材の中央部の板厚が薄すぎるため、中央部の内表面にまで圧縮残留応力の影響が及ぶこととなり、発明例Ｈよりも円筒形金属素材の内面の表面粗さ（表面凹凸の差）が大きかったにも関わらず、発明例Ｈよりも疲労寿命が大きいという相矛盾した結果が得られた。すなわち、比較例Ｌのような円筒形試験材を用いた試験では正確な試験結果が得られないことが分かる。
【００５７】
ｄ〜ｆは発明例であるが、請求項３記載の変形抑制治具を用いた場合に得られる効果を確認するための回転曲げ疲労試験の試験結果を示す。発明例ｄは、拘束部の外面せん断応力振幅が金属素材の引張強度の５０％以上となっているが、拘束部の板厚（素材厚さ）が２．５ｍｍを超えているため、中央部の内面から破壊が発生している。
【００５８】
一方、発明例ｅ，ｆは、拘束部の外面せん断応力振幅が金属素材の引張強度の５０％以上で、なお且つ拘束部の板厚（素材厚さ）が２．５ｍｍであり、発明例ｅは、変形抑制治具を用いなかった事例、発明例ｆは、変形抑制治具を拘束部の空洞内部に嵌入して試験を行った事例である。その結果、変形抑制治具を用いた発明例ｆの方が変形抑制治具を用いなかった発明例ｅより破断寿命が長いという結果が得られた。疲労破壊は基本的に中央部の内面から発生するが、試験を重ねた結果、変形抑制治具を用いなかった発明例ｅでは、中央部の内面より先に拘束部の内面から破壊が発生することがあるという結果を得ることができた。
【００５９】
以上の試験結果から、円筒形試験材の両端の拘束部の外面せん断応力振幅が金属素材の引張強度の５０％以上、且つ、拘束部の板厚（素材厚さ）が２．５ｍｍ以下である場合には、疲労破壊が中央部の内面より先に拘束部の内面から破壊が発生する可能性があるが、変形抑制治具を用いることで、確実に疲労破壊を中央部の内面から発生させることができるということを確認できた。
【符号の説明】
【００６０】
１…円筒形試験材
１ａ…拘束部
１ｂ…中央部
１ｃ…空洞
１Ａ…円筒形金属素材
２…疲労破壊
３…試験機治具
４…変形抑制治具
４ａ…軸部
４ｂ…頭部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属素材で成る円筒形試験材の両端部を拘束し、前記円筒形試験材に曲げ負荷或いはねじり負荷を加えることで前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させ、円筒形金属素材の内面に発生する疲労破壊を再現させる円筒形金属素材の疲労破壊評価方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から機械構造物には多くの円筒形金属素材が用いられているが、円筒形金属素材の外面についての表面性状の品質管理は目視等で容易にできるものの、円筒形金属素材の内面については目視等で確認できず表面性状の品質管理が非常に行いにくいという問題があった。その結果、円筒形金属素材の内面の表面粗さ（表面凹凸の差）が大きすぎる場合等には、機械構造物の使用条件、使用環境によっては、円筒形金属素材の内面を起点とする破壊が発生する可能性がある。特に円筒形金属素材の曲がり形状部においては、その内面に大きな曲げ応力やねじり応力が加わり、図４に示すように、その内面を起点とする疲労破壊２が発生する可能性がより高くなる。
【０００３】
従って、円筒形金属素材の内面を起点とする疲労特性を事前に把握することが機械構造物の安全性を高める上で重要になる。しかしながら、図３に示すように、単に円筒形金属素材を模した円筒形試験材１の両端部を試験機治具３で拘束し、その円筒形試験材１に対して曲げ負荷或いはねじり負荷を加えただけでは、円筒形試験材１の内面よりも先に外面から疲労破壊２が発生することになり、機械構造物の円筒形金属素材の内面に発生する疲労破壊を再現することはできなかった。
【０００４】
以上説明したような実情から、簡便且つ精度良く円筒形金属素材の内面の疲労特性を評価できる試験手法を開発することが従来からの課題となっていた。
【０００５】
円筒形金属素材の疲労特性を評価する試験手法としては、特許文献１記載のパイプ等の曲げ疲労試験方法が提案されているが、この試験方法は、供試材であるパイプ等の棒材の端部に外嵌する部分を有し、且つその外嵌部の肉厚が棒材の中央部に向かって薄くなるように外周にテーパーを施した短柱状の曲げ治具を棒材の両端に嵌着し、該曲げ治具における外嵌部以外の部分に繰り返し曲げモーメントをかける試験方法である。
【０００６】
しかしながらこの提案は、供試材であるパイプ等の棒材の端部を曲げ治具で拘束して曲げ疲労試験を行った場合、その拘束部等に先に破壊が発生することを防止しようとした提案であって、機械構造物の円筒形金属素材の内面に発生する疲労破壊を再現することを目的とした提案ではない。
【０００７】
また、特許文献２により、実管回転曲げ疲労試験機の実管試験片取りつけ用装置に関する提案がなされているが、この提案も特許文献１と同様に、回転曲げ疲労試験の際に実管の拘束部に破壊が発生することを防止しようとした提案に過ぎない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６２−１７４６３０号公報
【特許文献２】実開平２−１３５８４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたもので、機械構造物の円筒形金属素材の内面に発生する疲労破壊を確実に再現させることができ、簡便且つ精度良く円筒形金属素材の内面の疲労特性を評価することができる円筒形金属素材の疲労破壊評価方法を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１記載の発明は、金属素材で成る円筒形試験材の両端部を拘束し、前記円筒形試験材に繰り返し曲げ負荷或いはねじり負荷を加えることで前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させ、円筒形金属素材の内面に発生する疲労破壊を再現させる円筒形金属素材の疲労破壊評価方法であって、前記円筒形試験材の中央部の外径を両端の拘束部の外径の９０％以下とすると共に、前記中央部の外径と内径の比を（外径／内径）≦２とし、且つ、前記中央部の素材厚さを１ｍｍ以上とし、前記円筒形試験材の中央部の外表面に前記金属素材の引張強度の２５％以上、その外表面より０．８ｍｍ深さの位置に前記金属素材の引張強度の２．５％以下の圧縮残留応力を負荷した状態とし、前記円筒形試験材に、繰り返し曲げ負荷或いはねじり負荷を加えることで前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させ、その疲労破壊が生じた繰り返し曲げ負荷の条件或いはねじり負荷の条件を基に円筒形金属素材の疲労破壊特性を評価することを特徴とする円筒形金属素材の疲労破壊評価方法である。
【００１１】
請求項２記載の発明は、前記円筒形試験材に繰り返し曲げ負荷を加えることで前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させるときに、前記円筒形試験材の両端の拘束部の外面曲げ応力振幅が前記金属素材の引張強度の２５％以上、且つ、前記拘束部の素材厚さが２．５ｍｍ以下である場合には、前記拘束部の空洞内部に変形抑制治具を嵌入した状態で、前記円筒形試験材に繰り返し曲げ負荷を加えて前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させることを特徴とする請求項１記載の円筒形金属素材の疲労破壊評価方法である。
【００１２】
請求項３記載の発明は、前記円筒形試験材に繰り返しねじり負荷を加えることで前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させるときに、前記円筒形試験材の両端の拘束部の外面せん断応力振幅が前記金属素材の引張強度の５０％以上、且つ、前記拘束部の素材厚さが２．５ｍｍ以下である場合には、前記拘束部の空洞内部に変形抑制治具を嵌入した状態で、前記円筒形試験材に繰り返しねじり負荷を加えて前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させることを特徴とする請求項１記載の円筒形金属素材の疲労破壊評価方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の円筒形金属素材の疲労破壊評価方法によると、機械構造物の円筒形金属素材の内面に発生する疲労破壊を、先に外面から疲労破壊が発生してしまうことなく、確実に再現させることができ、簡便且つ精度良く円筒形金属素材の内面の疲労特性を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の円筒形金属素材の疲労破壊評価方法により回転曲げ疲労試験を実施している状態を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は円筒形試験材の端面を示す側面図である。
【図２】請求項２または３記載の円筒形金属素材の疲労破壊評価方法により回転曲げ疲労試験を実施している状態を示し、（ａ）は変形抑制治具を透視して示す正面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【図３】従来からの円筒形金属素材の疲労破壊評価方法により回転曲げ疲労試験を実施している状態を示す正面図である。
【図４】円筒形金属素材の曲がり形状部においてその内面を起点とする疲労破壊が発生する位置を示すための円筒形金属素材の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて更に詳細に説明する。
【００１６】
本発明の円筒形金属素材の疲労破壊評価方法は、例えば、図１に示すように、鉄、銅、アルミニウム等の金属素材で成る円筒形試験材１の両端部を、試験機治具３で拘束し、その円筒形試験材１に繰り返し曲げ負荷或いはねじり負荷を加えることで、その円筒形試験材１の内面に、図４に示すような位置を起点とする疲労破壊２を発生させ、機械構造物の円筒形金属素材１Ａの内面に発生する疲労破壊２を再現させる方法である。
【００１７】
この疲労破壊評価方法に用いる円筒形試験材１は、両端の拘束部１ａ，１ａとその中間に位置する中央部１ｂとより構成される。両端の拘束部１ａ，１ａと中央部１ｂの長さは、図１に示す実施形態の場合は、略１：１：１の比率であり、円筒形試験材１の全長や直径によっても異なるが、中央部１ｂの長さは２０〜３０ｍｍとすることが好ましい。
【００１８】
また、円筒形試験材１の中央部１ｂの外径を、両端の拘束部１ａ，１ａの外径の９０％以下とする。更には、中央部１ｂの外径と内径の比を、（外径／内径）≦２とし、且つ、中央部１ｂの素材厚さを１ｍｍ以上とする。
【００１９】
本発明の円筒形金属素材の疲労破壊評価方法では、このような形状の円筒形試験材１に対し、事前に中央部の外表面に金属素材の引張強度の２５％以上、その外表面より０．８ｍｍ深さの位置に金属素材の引張強度の２．５％以下の圧縮残留応力を負荷した状態とした上で、円筒形試験材１に、繰り返し曲げ負荷或いはねじり負荷を加えることで円筒形試験材１の内面に疲労破壊２を発生させ、機械構造物の円筒形金属素材の内面に発生する疲労破壊２を再現させる。
【００２０】
次に、円筒形試験材１の中央部１ｂの外径等の数値限定理由について説明する。
【００２１】
（円筒形試験材の中央部の外径が両端の拘束部の外径の９０％以下）
円筒形試験材１の両端の拘束部１ａ，１ａには応力集中が発生するため、図３に示すような従来からの円筒形金属素材の疲労破壊評価方法では、曲げ負荷或いはねじり負荷を加えると、試験機治具３で拘束した位置を起点とする疲労破壊２が発生する。このように、試験機治具３で拘束した位置を起点とする疲労破壊２が発生した場合、機械構造物の円筒形金属素材１Ａの内面に発生する疲労破壊２を再現することができなくなる。
【００２２】
そこで、円筒形試験材１の中央部１ｂの外径を、両端の拘束部１ａ，１ａの外径より小さくすることで、円筒形試験材１の中央部１ｂの発生応力を拘束部１ａの発生応力より大きくすることができ、円筒形試験材１の中央部１ｂにおいて疲労破壊２を発生させることが可能となる。
【００２３】
円筒形試験材１の中央部１ｂの発生応力を両端の拘束部１ａ，１ａの発生応力より大きくするためには、円筒形試験材１の中央部１ｂの外径を両端の拘束部１ａ，１ａの外径より十分に小さくする必要があり、実験検討により、円筒形試験材１の中央部１ｂの発生応力を両端の拘束部１ａ，１ａの発生応力より大きくするためには、円筒形試験材１の中央部１ｂの外径を拘束部１ａの外径の９０％以下とする必要があることを見出した。円筒形試験材１の中央部１ｂの外径を拘束部１ａの外径の９０％以下とすることで、筒形試験材１の中央部１ｂで疲労破壊２を発生させることが可能となる。
【００２４】
（円筒形試験材の中央部の外径と内径の比を（外径／内径）≦２、円筒形試験材の中央部の外表面に金属素材の引張強度の２５％以上の圧縮残留応力を負荷）
一般に、円筒形試験材１に対し曲げ変形或いはねじり変形を加えると、円筒形試験材１の中央部１ｂの内面の応力よりも外面の応力の方が大きくなり、円筒形試験材１の中央部１ｂの外表面を起点とする疲労破壊２が発生することが考えられる。
【００２５】
このように、円筒形試験材１の中央部１ｂの外表面を起点とする疲労破壊２が発生することを防止する策として、円筒形試験材１の中央部１ｂの外表面を起点とする亀裂発生に対する抵抗を高める手法と、円筒形試験材１の中央部１ｂの外面応力と内面応力の差を低減させる手法を採用することが考えられる。前の手法を採用する場合は、円筒形試験材１の外面に圧縮応力を加えることが有効であり、後の手法を採用する場合は、円筒形試験材１の外径と内径の差を低減させることが有効である。
【００２６】
以上のような見解をもとに、円筒形試験材１の中央部１ｂの内表面を起点とする疲労破壊２が発生する条件について、実験検討を行った結果、円筒形試験材１の中央部１ｂの外表面に金属素材の引張強度の２５％以上の圧縮残留応力を負荷させた状態とし、それに加え、円筒形試験材１の中央部１ｂの外径と内径の比を、（外径／内径）≦２とすることで、円筒形試験材１の中央部１ｂの内表面を起点とする疲労破壊２が安定して発生することを見出した。
【００２７】
（円筒形試験材の外表面より０．８ｍｍ深さ位置に金属素材の引張強度の２．５％以下の圧縮残留応力を負荷、円筒形試験材の中央部の板厚を１ｍｍ以上）
円筒形試験材１の中央部１ｂの外表面に圧縮残留応力を加える手法としてショットピーニングなどの手法を採用することが考えられるが、円筒形試験材１の中央部１ｂの外表面に圧縮残留応力を負荷すると、その圧縮残留応力が外表面だけでなく円筒形試験材１の中央部１ｂのより深い位置まで影響を及ぼすことになる。しかしながら、この圧縮残留応力が円筒形試験材１の中央部１ｂの一定の深さ以上にまで影響を及ぼした場合、円筒形試験材１の中央部１ｂの内表面を起点とする疲労破壊２が発生しにくい状況となる。また、円筒形試験材１の中央部１ｂの板厚が薄すぎた場合、円筒形試験材１の中央部１ｂの内表面にまで圧縮残留応力の影響を及ぼすことになり、このような場合は、材料の疲労特性を評価することができなくなる。
【００２８】
ここでは、ショットピーニングによる圧縮残留応力の板厚方向の分布調査を行い、円筒形試験材１の中央部１ｂの板厚を１ｍｍ以上とし、且つ、円筒形試験材１の中央部１ｂの外表面より０．８ｍｍ深さの位置の圧縮残留応力を金属素材の引張強度の２．５％以下とすることで、円筒形試験材１の中央部１ｂの外表面に加えた圧縮残留応力の影響を回避できることを見出した。
【００２９】
尚、実験検討により、円筒形試験材１の中央部１ｂの外表面に金属素材の引張強度の２５％以上、その外表面より０．８ｍｍ深さの位置に金属素材の引張強度の２．５％以下の圧縮残留応力を負荷した状態とするためのショットピーニングの条件を検討したところ、ショットピーニングを１段目と２段目に分け、且つ、１段目と２段目のショットピーニングを以下に例示する条件等で実施すれば良いことを確認した。
【００３０】
例えば、後述する実施例において示しているような、引張強度１０００ＭＰａ以上２０００ＭＰａ以下の鋼材を使用した円筒形試験材の疲労評価をする場合には、ショットピーニングの条件は、１段目のショットピーニングを、ショット粒径：φ０．５〜１ｍｍ、投射速度：７５〜１００ｍ／ｓｅｃ、投射時間：４０〜６０ｓｅｃとし、２段目のショットピーニングを、ショット粒径：φ０．３〜１ｍｍ、投射速度：３０〜７５ｍ／ｓｅｃ、投射時間：４０〜６０ｓｅｃとすることである。
【００３１】
以上説明した円筒形金属素材１Ａの疲労破壊評価方法により、機械構造物の円筒形金属素材１Ａの内面に発生する疲労破壊を、先に外面から疲労破壊が発生してしまうことなく、試験で確実に再現させることができ、簡便且つ精度良く円筒形金属素材１Ａの内面の疲労特性を評価することができる。
【００３２】
しかし、円筒形試験材１に加える曲げ負荷或いはねじり負荷を大きくして実験を行う場合、円筒形試験材１の拘束部１ａのすべりを防止するために、より大きな圧力を加えて拘束部１ａを拘束することになる。このような方法で実験を行った場合、条件によれば、拘束部１ａがその大きな圧力により変形してしまうことがあり、中央部１ｂの内面からよりも先に拘束部１ａの内面から亀裂が発生してしまう可能性があることを否定できない。
【００３３】
そこで実験による検討を行った結果、その条件は、円筒形試験材１に繰り返し曲げ負荷を加える場合と、円筒形試験材１に繰り返しねじり負荷を加える場合で、異なることが分かった。
【００３４】
円筒形試験材１に曲げ負荷を加えるときの前記条件は、円筒形試験材１の両端の拘束部１ａの外面曲げ応力振幅が、金属素材の引張強度の２５％以上であり、且つ、その拘束部１ａの素材厚さが２．５ｍｍ以下の場合である。
【００３５】
一方、円筒形試験材１にねじり負荷を加えるときの前記条件は、円筒形試験材１の両端の拘束部１ａの外面せん断応力振幅が金属素材の引張強度の５０％以上であり、且つ、その拘束部１ａの素材厚さが２．５ｍｍ以下の場合である。
【００３６】
上記した夫々の条件を満足する場合、円筒形試験材１の拘束部１ａのすべりを防止するために、より大きな圧力でその拘束部１ａを拘束すると、その大きな圧力によって拘束部１ａが変形してしまうことが考えられ、中央部１ｂの内面からより先に拘束部１ａの内面から亀裂が発生してしまう可能性がある。しかしながら、図２に示すように、拘束部１ａの空洞１ｃ内部に変形抑制治具４を嵌入すれば、外部からの大きな圧力による拘束部１ａの変形を抑制することができる。その結果、拘束部１ａの内面から亀裂が発生することを防止でき、確実に中央部１ｂの内面から亀裂を発生させることができる。すなわち、拘束部１ａの空洞１ｃ内部に変形抑制治具４を嵌入することで、円筒形金属素材１Ａの内面に発生する疲労破壊を確実に再現させることができる。
【００３７】
この変形抑制治具４は、円柱状の軸部４ａと頭部４ｂより形成されている。軸部４ａの径は、円筒形試験材１の拘束部１ａの空洞１ｃの内径より例えば０．０１ｍｍ程度小さいだけであり、拘束部１ａの空洞１ｃ内部にこの変形抑制治具４の軸部４ａを嵌入することで、外部からの大きな圧力による拘束部１ａの変形を抑制することができる。また、この軸部４ａの先端は半球状であり、変形抑制治具４と空洞１ｃ内面との境界に形状不連続を生じにくくしている。一方、頭部４ｂは、変形抑制治具４が必要以上に拘束部１ａの空洞１ｃ内部に入り込んでしまうことを防止するためのストッパーの役割をなし、軸部４ａより大径であることが条件であるが、図２に示す実施形態では、円筒形試験材１の拘束部１ａと同じ大きさの円形断面形状である。
【実施例】
【００３８】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００３９】
表１および表２に示すＡ〜Ｌ、ａ〜ｆの各種条件の円筒形試験材を作製し、ＪＩＳ Ｚ ２２７４に示す回転曲げ疲労試験およびねじり疲労試験を実施した。尚、円筒形試験材の中央部の長さは全て２５ｍｍとした。
【００４０】
円筒形試験材を作製した後に、下記の条件でショットピーニングを施し、円筒形試験材に圧縮残留応力を負荷した。尚、ショットピーニングには鋼球を用いた。
【００４１】
ショットピーニング条件（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊ，Ｌ，ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ）
１段目：ショット粒径φ0.8mm、投射速度88m/sec、投射時間:50sec
２段目：ショット粒径φ0.3mm、投射速度50m/sec、投射時間:50sec
ショットピーニング条件（Ｅ，Ｋ）
１段目：ショット粒径φ0.8mm、投射速度88m/sec、投射時間:10sec
２段目：ショット粒径φ0.3mm、投射速度50m/sec、投射時間:10sec
【００４２】
回転曲げ疲労試験の試験結果を表１に示す。
【００４３】
【表１】
【００４４】
Ａ〜Ｃは発明例であり、いずれの場合でも円筒形試験材の内面に疲労破壊が発生した。これら発明例のうちでは、円筒形試験材の内面の表面粗さ（表面凹凸の差）が最も大きい発明例Ａが、破断寿命が最も短く、円筒形試験材の内面の表面粗さ（表面凹凸の差）が最も小さい発明例Ｃが、破断寿命が最も長い結果となった。この試験結果は、円筒形金属素材の内面の表面粗さ（表面凹凸の差）が破断寿命に影響を及ぼしていることを示す結果である。
【００４５】
Ｄは円筒形試験材の中央部の外径と内径の比（外径／内径）が２．５と大きすぎる比較例、Ｅは円筒形試験材の中央部の外表面の圧縮残留応力が金属素材の引張強度の２１％と小さすぎる比較例、Ｆは円筒形試験材の中央部の板厚（素材厚さ）が０．５ｍｍと薄すぎる比較例である。
【００４６】
その結果、比較例Ｄでは円筒形試験材の中央部の応力が十分に大きくならず拘束部において破断した。比較例Ｅでは、円筒形試験材の中央部の外表面の破壊抵抗が十分に大きくならず中央部の外表面において破断した。
【００４７】
比較例Ｆでは、円筒形試験材の中央部の板厚（素材厚さ）が薄すぎるため、中央部の内表面にまで圧縮残留応力の影響が及ぶこととなり、発明例Ｂよりも円筒形金属素材の内面の表面粗さ（表面凹凸の差）が大きかったにも関わらず、発明例Ｂよりも疲労寿命が大きいという相矛盾した結果が得られた。すなわち、比較例Ｆのような円筒形試験材を用いた試験では正確な試験結果が得られないことが分かる。
【００４８】
ａ〜ｃは発明例であるが、請求項２記載の変形抑制治具を用いた場合に得られる効果を確認するための回転曲げ疲労試験の試験結果を示す。発明例ａは、拘束部の外面曲げ応力振幅が金属素材の引張強度の２５％以上となっているが、拘束部の板厚（素材厚さ）が２．５ｍｍを超えているため、中央部の内面から破壊が発生している。
【００４９】
一方、発明例ｂ，ｃは、拘束部の外面曲げ応力振幅が金属素材の引張強度の２５％以上で、なお且つ拘束部の板厚（素材厚さ）が２．５ｍｍであり、発明例ｂは、変形抑制治具を用いなかった事例、発明例ｃは、変形抑制治具を拘束部の空洞内部に嵌入して試験を行った事例である。その結果、変形抑制治具を用いた発明例ｃの方が変形抑制治具を用いなかった発明例ｂより破断寿命が長いという結果が得られた。疲労破壊は基本的に中央部の内面から発生するが、試験を重ねた結果、変形抑制治具を用いなかった発明例ｂでは、中央部の内面より先に拘束部の内面から破壊が発生することがあるという結果を得ることができた。
【００５０】
以上の試験結果から、円筒形試験材の両端の拘束部の外面曲げ応力振幅が金属素材の引張強度の２５％以上、且つ、拘束部の板厚（素材厚さ）が２．５ｍｍ以下である場合には、疲労破壊が中央部の内面より先に拘束部の内面から破壊が発生する可能性があるが、変形抑制治具を用いることで、確実に疲労破壊を中央部の内面から発生させることができるということを確認できた。
【００５１】
ねじり疲労試験の試験結果を表２に示す。
【００５２】
【表２】
【００５３】
Ｇ〜Ｉは発明例であり、いずれの場合でも円筒形試験材の内面に疲労破壊が発生した。これら発明例のうちでは、円筒形試験材の内面の表面粗さ（表面凹凸の差）が最も大きい発明例Ｇが、破断寿命が最も短く、円筒形試験材の内面の表面粗さ（表面凹凸の差）が最も小さい発明例Ｉが、破断寿命が最も長い結果となった。この試験結果は、円筒形金属素材の内面の表面粗さ（表面凹凸の差）が破断寿命に影響を及ぼしていることを示す結果である。
【００５４】
Ｊは円筒形試験材の中央部の外径と内径の比（外径／内径）が２．５と大きすぎる比較例、Ｋは円筒形試験材の中央部の外表面の圧縮残留応力が金属素材の引張強度の２０％と小さすぎる比較例、Ｌは円筒形試験材の中央部の板厚が０．５ｍｍと薄すぎる比較例である。
【００５５】
その結果、比較例Ｊでは円筒形試験材の中央部の応力が十分に大きくならず拘束部において破断した。比較例Ｋでは、円筒形試験材の中央部の外表面の破壊抵抗が十分に大きくならず中央部の外表面において破断した。
【００５６】
比較例Ｌでは、円筒形試験材の中央部の板厚が薄すぎるため、中央部の内表面にまで圧縮残留応力の影響が及ぶこととなり、発明例Ｈよりも円筒形金属素材の内面の表面粗さ（表面凹凸の差）が大きかったにも関わらず、発明例Ｈよりも疲労寿命が大きいという相矛盾した結果が得られた。すなわち、比較例Ｌのような円筒形試験材を用いた試験では正確な試験結果が得られないことが分かる。
【００５７】
ｄ〜ｆは発明例であるが、請求項３記載の変形抑制治具を用いた場合に得られる効果を確認するための回転曲げ疲労試験の試験結果を示す。発明例ｄは、拘束部の外面せん断応力振幅が金属素材の引張強度の５０％以上となっているが、拘束部の板厚（素材厚さ）が２．５ｍｍを超えているため、中央部の内面から破壊が発生している。
【００５８】
一方、発明例ｅ，ｆは、拘束部の外面せん断応力振幅が金属素材の引張強度の５０％以上で、なお且つ拘束部の板厚（素材厚さ）が２．５ｍｍであり、発明例ｅは、変形抑制治具を用いなかった事例、発明例ｆは、変形抑制治具を拘束部の空洞内部に嵌入して試験を行った事例である。その結果、変形抑制治具を用いた発明例ｆの方が変形抑制治具を用いなかった発明例ｅより破断寿命が長いという結果が得られた。疲労破壊は基本的に中央部の内面から発生するが、試験を重ねた結果、変形抑制治具を用いなかった発明例ｅでは、中央部の内面より先に拘束部の内面から破壊が発生することがあるという結果を得ることができた。
【００５９】
以上の試験結果から、円筒形試験材の両端の拘束部の外面せん断応力振幅が金属素材の引張強度の５０％以上、且つ、拘束部の板厚（素材厚さ）が２．５ｍｍ以下である場合には、疲労破壊が中央部の内面より先に拘束部の内面から破壊が発生する可能性があるが、変形抑制治具を用いることで、確実に疲労破壊を中央部の内面から発生させることができるということを確認できた。
【符号の説明】
【００６０】
１…円筒形試験材
１ａ…拘束部
１ｂ…中央部
１ｃ…空洞
１Ａ…円筒形金属素材
２…疲労破壊
３…試験機治具
４…変形抑制治具
４ａ…軸部
４ｂ…頭部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属素材で成る円筒形試験材の両端部を拘束し、前記円筒形試験材に繰り返し曲げ負荷或いはねじり負荷を加えることで前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させ、円筒形金属素材の内面に発生する疲労破壊を再現させる円筒形金属素材の疲労破壊評価方法であって、
前記円筒形試験材の中央部の外径を両端の拘束部の外径の９０％以下とすると共に、前記中央部の外径と内径の比を（外径／内径）≦２とし、且つ、前記中央部の素材厚さを１ｍｍ以上とし、
前記円筒形試験材の中央部の外表面に前記金属素材の引張強度の２５％以上、その外表面より０．８ｍｍ深さの位置に前記金属素材の引張強度の２．５％以下の圧縮残留応力を負荷した状態とし、
前記円筒形試験材に、繰り返し曲げ負荷或いはねじり負荷を加えることで前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させ、その疲労破壊が生じた繰り返し曲げ負荷の条件或いはねじり負荷の条件を基に円筒形金属素材の疲労破壊特性を評価することを特徴とする円筒形金属素材の疲労破壊評価方法。
【請求項２】
前記円筒形試験材に繰り返し曲げ負荷を加えることで前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させるときに、
前記円筒形試験材の両端の拘束部の外面曲げ応力振幅が前記金属素材の引張強度の２５％以上、且つ、前記拘束部の素材厚さが２．５ｍｍ以下である場合には、
前記拘束部の空洞内部に変形抑制治具を嵌入した状態で、前記円筒形試験材に繰り返し曲げ負荷を加えて前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させることを特徴とする請求項１記載の円筒形金属素材の疲労破壊評価方法。
【請求項３】
前記円筒形試験材に繰り返しねじり負荷を加えることで前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させるときに、
前記円筒形試験材の両端の拘束部の外面せん断応力振幅が前記金属素材の引張強度の５０％以上、且つ、前記拘束部の素材厚さが２．５ｍｍ以下である場合には、
前記拘束部の空洞内部に変形抑制治具を嵌入した状態で、前記円筒形試験材に繰り返しねじり負荷を加えて前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させることを特徴とする請求項１記載の円筒形金属素材の疲労破壊評価方法。
【請求項１】
金属素材で成る円筒形試験材の両端部を拘束し、前記円筒形試験材に繰り返し曲げ負荷或いはねじり負荷を加えることで前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させ、円筒形金属素材の内面に発生する疲労破壊を再現させる円筒形金属素材の疲労破壊評価方法であって、
前記円筒形試験材の中央部の外径を両端の拘束部の外径の９０％以下とすると共に、前記中央部の外径と内径の比を（外径／内径）≦２とし、且つ、前記中央部の素材厚さを１ｍｍ以上とし、
前記円筒形試験材の中央部の外表面に前記金属素材の引張強度の２５％以上、その外表面より０．８ｍｍ深さの位置に前記金属素材の引張強度の２．５％以下の圧縮残留応力を負荷した状態とし、
前記円筒形試験材に、繰り返し曲げ負荷或いはねじり負荷を加えることで前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させ、その疲労破壊が生じた繰り返し曲げ負荷の条件或いはねじり負荷の条件を基に円筒形金属素材の疲労破壊特性を評価することを特徴とする円筒形金属素材の疲労破壊評価方法。
【請求項２】
前記円筒形試験材に繰り返し曲げ負荷を加えることで前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させるときに、
前記円筒形試験材の両端の拘束部の外面曲げ応力振幅が前記金属素材の引張強度の２５％以上、且つ、前記拘束部の素材厚さが２．５ｍｍ以下である場合には、
前記拘束部の空洞内部に変形抑制治具を嵌入した状態で、前記円筒形試験材に繰り返し曲げ負荷を加えて前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させることを特徴とする請求項１記載の円筒形金属素材の疲労破壊評価方法。
【請求項３】
前記円筒形試験材に繰り返しねじり負荷を加えることで前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させるときに、
前記円筒形試験材の両端の拘束部の外面せん断応力振幅が前記金属素材の引張強度の５０％以上、且つ、前記拘束部の素材厚さが２．５ｍｍ以下である場合には、
前記拘束部の空洞内部に変形抑制治具を嵌入した状態で、前記円筒形試験材に繰り返しねじり負荷を加えて前記円筒形試験材の内面に疲労破壊を発生させることを特徴とする請求項１記載の円筒形金属素材の疲労破壊評価方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１０８１０２（Ｐ２０１２−１０８１０２Ａ）
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９５２４０（Ｐ２０１１−１９５２４０）
【出願日】平成２３年９月７日（２０１１．９．７）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月７日（２０１１．９．７）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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