破壊靭性試験片
【課題】ナゲット部の破壊靭性値の測定に供する破壊靱性試験片を提供する。
【解決手段】ナゲット部の径方向中心を原点として互いに直交するＸ軸およびＹ軸を定めて、ナゲット部の径方向に沿って幅Ｗ、およびＸＹ面に平行かつナゲット部の径方向に直交する方向に沿って厚みＴを有する直方体として、十字形引張疲労試験片から厚みＴの中心を通り幅Ｗに沿って伸びる中心線とＹ軸とから求まるＹ切片の大きさがＮＤ／４以下の下に切り出した破壊靭性試験片であって、厚みＴに対する幅Ｗは１以上４以下、幅Ｗ［ｍｍ］に対する破壊靭性試験片に残存する疲労予き裂の長さａｊ［ｍｍ］は０．３５以上０．７５以下、および、ナゲット部の直径ＮＤ［ｍｍ］に対する厚みＴ［ｍｍ］は０．１以上１．０未満とする。
【解決手段】ナゲット部の径方向中心を原点として互いに直交するＸ軸およびＹ軸を定めて、ナゲット部の径方向に沿って幅Ｗ、およびＸＹ面に平行かつナゲット部の径方向に直交する方向に沿って厚みＴを有する直方体として、十字形引張疲労試験片から厚みＴの中心を通り幅Ｗに沿って伸びる中心線とＹ軸とから求まるＹ切片の大きさがＮＤ／４以下の下に切り出した破壊靭性試験片であって、厚みＴに対する幅Ｗは１以上４以下、幅Ｗ［ｍｍ］に対する破壊靭性試験片に残存する疲労予き裂の長さａｊ［ｍｍ］は０．３５以上０．７５以下、および、ナゲット部の直径ＮＤ［ｍｍ］に対する厚みＴ［ｍｍ］は０．１以上１．０未満とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、破壊靭性試験片、特に、スポット溶接された鋼板の溶接継手におけるナゲット部の破壊靭性値の測定に供する、破壊靭性試験片に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化を防止する措置として、自動車のＣＯ２排出ガスを抑制する動きが高まっている。併せて、石油資源の枯渇が危惧されていることから、自動車の燃費向上が求められている。両者の問題を解決するためには、車体重量の軽量化が必須であるため、自動車の主要部材には、５９０ＭＰａ以上の引張強度を有する高強度薄鋼板を使用する頻度が増えている。
【０００３】
一方、自動車構造における溶接の大半はスポット溶接である。上記のような高強度薄鋼板においては、引張強度を向上させるために、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ等の元素の添加量を増加させている。しかし、このような元素の添加量を増加させると、例えば、ＪＩＳ Ｚ３１３７に規定される静的な十字引張力（Ｃｒｏｓｓ Ｔｅｎｓｉｏｎ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ：以下、「ＣＴＳ」と示す）が低下することが知られている。これは、上記元素の添加量を増加させると、溶接継手のナゲット領域（以下、「ナゲット部」と称する）が硬化し、その破壊靱性値が低下するためと考えられる。このナゲット部の破壊靭性値の低下により界面破断が発生しやすくなり、ＣＴＳが低下するのである。このため、ナゲット部の破壊靱性値を定量化する試験方法の確立や、この試験に供するナゲット部の破壊靱性試験片の製造方法の確立が希求されている。
【０００４】
これまで、スポット溶接継手の破壊靭性値については、様々な研究が報告されている。例えば、非特許文献１および２において、疲労強度は、鋼板強度、板厚、ナゲット径および溶接継手の形式に依存せず、混合モードを考慮した折線方向応力最大説を前提としたパラメータ：ΔＫθｍａｘによりほぼ整理される、と結論づけられている。
しかし、非特許文献２に記載されているように、き裂は、必ずしもナゲット部ではなく、溶接継手の熱影響領域（以下、「ＨＡＺ部」と示す）や母材に進展している場合が多く、ナゲット部の破壊靭性値の測定に最適な、ナゲット部をほぼ直進するき裂のΔＫθｍａｘについては明らかではない。また、ΔＫθｍａｘは有限要素法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ：以下、「ＦＥＭ」と示す）に基づく解析により得られる値であり、その計算には膨大な時間とコストがかかる。
【０００５】
一方、特許文献１には、母材の引張強度、試験片幅、板厚、ナゲット径等により破断強度パラメータを求め、有限要素解析（以下、「ＦＥＭ解析」と示す）により、破断強度パラメータをクライテリオンとして、ＣＴＳを予測する方法について記載されている。
しかし、破断強度パラメータは、各種要因（母材の引張強度、試験片幅、板厚、ナゲット径等）のフィッティングにより求めたものであり、多分に経験的なパラメータであると言え、ナゲット部そのものの破壊限界値を求める手法とは言い難い。また、ＦＥＭ解析には膨大なる時間とコストがかかる。
【０００６】
同様に、特許文献２には、母材引張強度、板厚、全伸び、試験片幅、ナゲット径などから求めた破壊ひずみパラメータをクライテリオンとして、ＦＥＭ解析によりＣＴＳを予測する方法について記載されている。
しかし、破壊ひずみパラメータを求めるには、経験的に求めた種々の補正係数が必要であり、特許文献１に記載された技術と同様に、ナゲット部そのものの破壊限界値を求める手法とは言い難い。また、ＦＥＭ解析には膨大なる時間とコストがかかる。
【０００７】
その他、非特許文献３〜５に記載されているように、混合モードの応力拡大係数範囲やＪ積分範囲を指標として疲労強度を予測する技術があるが、これらのパラメータは、溶接継手の疲労強度を求める指標であり、非特許文献１および２に記載された方法と同様に、その指標がナゲット部そのものの破壊限界値を示しているとは言い難い。さらに、ＦＥＭ解析には膨大なる時間とコストがかかる。
【０００８】
上述したように、ナゲット部の破壊靱性値を求めることができれば、自動車の構造安全性を評価でき、多大なる利点があるにも拘わらず、上記の通り、現在までに、ナゲット部の破壊靱性値を直接的に求める方法は存在していないのが実状である。それ以前に、ナゲット部の破壊靱性値を定量的に測定するための破壊靱性試験片についても、その詳細な製造方法は確立されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４１５０３８３号公報
【特許文献２】特開２００７−３０４００５号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】スポット溶接継手疲労強度データ集、（社）自動車技術会
【非特許文献２】結城良治 他、「スポット溶接継手の疲労強度の破壊力学的解析・評価」、日本機械学会論文集（Ａ編）、５１巻、４６７号、ｐｐ．１７７２−１７７９、１９８５
【非特許文献３】Ｓ．Ｚｈａｎｇ，“Ｓｔｒｅｓｓ ｉｎｔｅｎｓｉｔｉｅｓ ａｔ ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｓ”， Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｒａｃｔｕｒｅ， ８８，ｐｐ．１６７−１８５，１９９７
【非特許文献４】Ｍ．Ｈ．Ｓｗｅｌｌａｍ ｅｔ ａｌ．，“Ａ ｆａｔｉｇｕｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｓ”，Ｆａｔｉｇｕｅ ＆ Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｖｏｌ．１７，Ｎｏ．１０，ｐｐ．１１９７−１２０４，１９９４
【非特許文献５】Ｐ．Ｃ．Ｗａｎｇ ａｎｄ Ｋ．Ｗ．Ｅｗｉｎｇ，“Ａ Ｊ−ｉｎｔｅｇｒａｌ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｆａｔｉｇｕｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ａ ｔｅｎｓｉｌｅ−ｓｈｅａｒ ｓｐｏｔ ｗｅｌｄ”， ＳＡＥ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒ Ｓｅｒｉｅｓ ８８０３７３，１９８８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、ナゲット部の破壊靭性値の測定に供する破壊靭性試験片を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
発明者らは、上記課題を解決する方途について鋭意検討を行った結果、ナゲット部の破壊靭性値を適切に測定するためには、ナゲット部内を直進する疲労予き裂が導入された、例えば十字型引張疲労試験片から切り出して作製された破壊靱性試験片につき、その寸法や、破壊靭性試験片に残存する疲労予き裂の長さ、およびナゲット部の直径が、所定の要件を満足する必要があることを見出し、本発明を完成させるに到った。
即ち、複数枚の鋼板を板厚方向に重ね合わせて鋼板相互をスポット溶接して鋼板厚み方向へ回転体状に連なる溶接継手を形成し、前記鋼板の板厚方向に引張荷重を繰り返し負荷して前記溶接継手のナゲット部に前記鋼板の積層界面から前記ナゲット部の径方向中心に向かって径方向長さａｃの１／１０以上が前記ナゲット部に含まれる疲労予き裂領域を導入した十字形引張疲労試験片において、前記ナゲット部の径方向中心を原点として互いに直交するＸ軸およびＹ軸を定めて、前記ナゲット部の径方向に沿って幅Ｗ、およびＸＹ面に平行かつ前記ナゲット部の径方向に直交する方向に沿って厚みＴを有する直方体として、前記十字形引張疲労試験片から前記厚みＴの中心を通り前記幅Ｗに沿って伸びる中心線と前記Ｙ軸とから求まるＹ切片の大きさがＮＤ／４以下の下に切り出した破壊靭性試験片であって、前記厚みＴに対する前記幅Ｗは１以上４以下、前記幅Ｗ［ｍｍ］に対する前記破壊靭性試験片に残存する疲労予き裂の長さａｊ［ｍｍ］は０．３５以上０．７５以下、および、前記ナゲット部の直径ＮＤ［ｍｍ］に対する前記厚みＴ［ｍｍ］は０．１以上１．０未満であることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の破壊靭性試験片において、前記間隔Ｗに対する前記破壊靭性試験片に残存する疲労予き裂の長さａｊは０．４０以上０．６０以下であり、前記厚みＴに対する前記幅Ｗは２以下であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ナゲット部の破壊靭性値の測定に供する破壊靭性試験片を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ）十字形引張疲労試験片の模式図、および（ｂ）疲労予き裂導入後の溶接継手のナゲット部の断面観察結果である。
【図２】溶接継手から疲労予き裂領域を跨いで破壊靱性試験片を切り出す方法を示す図である。
【図３】破壊靱性試験片の一例を示す図である。
【図４】疲労予き裂がナゲット部の長軸に対して斜行する様子を示す図である。
【図５】ナゲット部および母材に対する溶接割れ感受性組成と破壊靱性値との関係を示す図である。
【図６】ナゲット部に対する溶接割れ感受性組成と破壊靱性値との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
まず、ナゲット部に疲労予き裂が導入された、複数枚の鋼板をスポット溶接したスポット溶接継手を用意する。このスポット溶接継手は、破壊靱性値の測定に好適な、ナゲット部を直進する疲労予き裂が導入されていれば特に限定されない。例えば、図１（ａ）に示すような十字型引張疲労試験片のナゲット部において、図１（ｂ）の断面観察結果に示すような、ナゲット部の長軸方向に直進する疲労予き裂が導入されたものとすることができる。
【００１７】
本発明においては、溶接継手に導入された疲労予き裂がナゲット部に進展していることを担保するために、溶接継手に導入された疲労予き裂長さａｃに対するナゲット部に含まれる疲労予き裂の長さａｎは０．１以上とする。
【００１８】
上記要件を満足する疲労予き裂は、例えば以下の方法により導入することができる。即ち、まず、複数枚の鋼板を板厚方向に重ね合わせて鋼板相互をスポット溶接する。
次いで、該スポット溶接継手の板厚方向に引張荷重を繰り返し負荷してナゲット部に疲労予き裂を導入する。その際、引張荷重は、開口モードの応力拡大係数の最大値ＫＩｍａｘ：１５［ＭＰａ・ｍ１／２］以下において、下記の式（１）に従うＰｍａｘ［Ｎ］を上限として行う。
【数１】
【００１９】
ただし、
【数２】
【００２０】
ここで、ＮＤ：ナゲット直径（以下、「ナゲット直径」と示す）［ｍｍ］、ｔ：鋼板の厚み［ｍｍ］、Ｈ：０．０５〜０．１５の任意の定数である。
【００２１】
上記のスポット溶接継手の板厚方向に引張荷重を繰り返し負荷する方法は、応力拡大係数の最大値Ｋｍａｘ、引張荷重の最大値Ｐｍａｘ、板厚ｔ、およびナゲット直径ＮＤが、上記した式（１）の関係を満足するのであれば、特に限定されない。例えば、ＪＩＳ Ｚ ３１３８に準拠した十字形引張疲労試験により行うことができる。
【００２２】
スポット溶接継手に導入される疲労予き裂の径方向の長さ：ａｃ［ｍｍ］は、任意に設定することができ、以下の式（３）から求まる疲労予き裂を導入する回数：Ｎだけ繰り返すことにより導入することができる。
【数３】
【００２３】
ここで、Ｈ：０．０５〜０．１５の任意の定数であり、また、Ｃおよびｍは材料定数であり、それぞれ５×１０−１４〜１×１０−１１、０．６７〜４．２１の範囲の値をとることが明らかになっている。即ち、Ｃおよびｍの値が上記範囲にない場合には、鋼でないことを意味する。
【００２４】
なお、疲労予き裂の径方向長さａｃは、ナゲット部だけでなく、ＨＡＺ部を進展する予き裂の長さも含むことに注意する。
また、疲労予き裂導入回数が極端に増加すると、単位時間当たりの人的あるいは実験コストの増加が顕著となるため、Ｎの上限は１０００万回とする。
【００２５】
ＫＩｍａｘの値は、上述の通り、１５［ＭＰａ・ｍ１／２］以下とする。後述の式（４）の条件をより確実に満足するＫＩｍａｘの値として、２［ＭＰａ・ｍ１／２］以上１０［ＭＰａ・ｍ１／２］以下とすることが好ましい。
【００２６】
溶接された鋼板の引張強度は５９０［ＭＰａ］以上であることが好ましい。これは、５９０［ＭＰａ］未満の引張強度を有する鋼板は、従来使用されているように、ＣＴＳの低下は深刻ではなく、本発明は５９０［ＭＰａ］以上の引張強度を有する鋼板にとりわけ有効である。また、引張強度の上限は特に限定されないが、実用的に使用可能な２０００［ＭＰａ］以下で十分である。
【００２７】
また、スポット溶接継手に供する鋼板の枚数は２枚以上とする。上限は特に限定されないが、溶接可能な枚数である５枚以下が好ましい。
【００２８】
なお、疲労予き裂を閉口させないために、応力比（荷重比）（＝Ｐｍａｘ／Ｐｍｉｎ）に関しては、０以上とすることが好ましい。ここで、Ｐｍｉｎは、スポット溶接された継手に負荷される引張荷重の最小値である。また、応力比（荷重比）の上限は特に問わないが、１未満であることが好ましい。
【００２９】
こうして、ナゲット部の破壊靭性値の測定に供するに好適の、径方向長さａｃを有する疲労予き裂をスポット溶接継手に導入することができる。
【００３０】
次いで、ナゲット部に疲労予き裂が導入された、スポット溶接された複数枚の鋼板から、破壊靱性試験片を切り出す。そのために、図２に示すように、スポット溶接された鋼板、例えば十字形引張疲労試験片のナゲット部を板厚方向から見て、ナゲット部の中心を原点Ｏとし、互いに直交するＸ軸およびＹ軸を設定してＸＹ座標を規定する（Ｚ軸方向は板厚方向）。ここで、ナゲット部は、Ｚ軸方向から見て、回転体状であり、形状は円形である。そのため、Ｘ軸およびＹ軸は、互いに直交している限り、任意の向きに設定することができる。
【００３１】
本発明においては、破壊靭性試験片として、ナゲット部の径方向に沿って幅：Ｗ［ｍｍ］、ＸＹ面に平行かつ前記径方向に直交する方向に沿って厚み：Ｔ［ｍｍ］、板厚方向に長さ：Ｌ［ｍｍ］を有する直方体として切り出す。Ｗ、Ｔの値に関しては、後述の式（４）の条件を満足することが必要である。Ｌの値に関しては、特に制約は設けないが、図３に示すような引張型の破壊靱性試験を作製する場合には、引張治具に装着できるようなつかみ部を設けることのできる長さとすることが好ましい。
【００３２】
上記のようにＸＹ座標が規定された鋼板の溶接継手から破壊靭性試験片を切り出す際には、以下の４つの要件を満足するように行うことが肝要である。即ち、
（要件１）破壊靱性試験片の中心線とＹ軸との交点から求まるＹ切片の大きさが、ナゲット直径ＮＤに対して１／４以下であること。
（要件２）ナゲット直径ＮＤに対する破壊靭性試験片の厚みＴは、０．１以上１．０未満であること。
（要件３）幅Ｗに対する破壊靭性試験片中の予き裂長さ：ａｊ［ｍｍ］は、０．３５以上０．７５以下であること。および、
（要件４）厚みＴに対する幅Ｗは、１以上４以下であること。
以下、上記各要件について説明する。
【００３３】
（要件１について）
まず、要件１は、例えば十字形引張疲労試験片から破壊靱性試験片を採取する向きを規定するものである。本発明においては、破壊靭性試験片の切り出しは、破壊靭性試験片の厚みＴの中心を通り幅Ｗに沿って伸びる中心線とＹ軸とから求まるＹ切片の大きさがＮＤ／４以下の下に行う。ここで、「中心線」は、十字形引張疲労試験片から厚みＴの中心を通り幅Ｗに沿って伸びる線を意味する。中心線とＹ軸とから求まるＹ切片の大きさがＮＤ／４以下とする理由は、Y切片がＮＤ／４を超えると、試験片表裏面（図２の破壊靭性試験片において、幅Ｗ方向に平行かつ厚みＴ方向に垂直な２つの面）をそれぞれ横切る疲労予き裂の幅方向の長さが著しく異なり、ａｊ（破壊靱性試験片の表裏面をそれぞれ横切る疲労予き裂の幅Ｗ方向の長さを平均した値とする）の値に信頼性が欠け、破壊靭性値が得られなくなるためである。
【００３４】
（要件２について）
また、要件２は、ナゲット直径ＮＤに対する破壊靭性試験片の厚みＴを規定するものであり、０．１以上１．０以下となるようにする。これは、０．１未満の場合には、ナゲット部の局所的な破壊靱性値を求めてしまい、信頼性に欠けるためである。また、１．０を超える場合には、厚みＴの大きさがナゲット直径ＮＤの大きさを超えることを意味しており、図２において、厚み方向全体に亘って疲労予き裂を含む破壊靱性試験片を切り出すことができず、破壊靱性試験片自体が加工できないためである。
【００３５】
（要件３について）
要件３は、破壊靭性試験片の幅Ｗに対する破壊靭性試験片に残存する疲労予き裂長さａｊを規定するものである。これは、ａｊ／Ｗが０．３５未満の場合あるいは０．７５を超える場合には、後述の式（４）の条件を満足しなくなるためである。なお、ａｊ／Ｗが０．３５未満の場合にはき裂先端で平面ひずみ状態を満足せずに、破壊靱性値が得られない。一方で、ａｊ／Ｗが０．７５を超えると、き裂先端が大規模降伏状態となり、小規模降伏状態が前提の破壊靱性値を求めることができない。好ましくは、０．４０以上０．６０以下である。
【００３６】
（要件４について）
要件４は、破壊靭性試験片の厚みＴに対する幅Ｗを規定するものであり、１以上４以下とする。これは、１未満の場合には、後述の式（４）に示す、平面ひずみ条件を満足せずに、破壊靱性値が求めることができないためである。一方、４を超える場合には、試験片の厚みＴに対して幅Ｗが過度に大きくなることを意味している。例えばＴ＝ＮＤとした場合に、Ｗ／Ｔが４を超えると、図２からも明らかなようにＷ＞４ＮＤとなり、疲労予き裂が小型破壊靱性試験片に２つ含まれることになり、破壊靱性値を求めることができない。好ましくは、１以上２以下である。
【００３７】
以上の要件１〜４を満足するように破壊靭性試験片を切り出す方法は、特に限定されない。好ましくは放電加工により行う。
【００３８】
なお、破壊靱性試験片に残存する疲労予き裂長さａｊ、破壊靭性試験片の厚さ：Ｔおよび幅：Ｗは、破壊力学的に、それぞれ以下の式を満足することが必要である。
【数４】
【００３９】
ここで、ＨＶＮ，ＨＶＭおよびσｙＭは、それぞれナゲット部のビッカース硬さ、母材である鋼板のビッカース硬さ、および母材である鋼板の降伏応力である。発明者らは、鋭意検討した結果、本発明による破壊靭性試験片は、上記式（４）の条件を満足することを確認している。
【００４０】
また、疲労予き裂は、図１（ｂ）に示すように、ナゲット部の長軸方向に直線的に進展していることが好ましいが、疲労予き裂を導入する際の条件によっては、図４に示すように、疲労予き裂の先端が、ナゲット部内を長軸方向に対して斜行する角度（以下、「斜行角度」と示す）：γにて進展する場合がある。発明者らは、鋭意検討した結果、この斜行角度γが４５°以下であり、斜行する疲労予き裂の長軸方向へ投影した長さ（以下、「斜行投影長さ」と示す）：βが、破壊靭性試験片に残存する疲労予き裂長さａｊの５０％以下であれば、破壊靱性値の測定に悪影響を与えないことを確認している。
【００４１】
上述のようにして得られた破壊靭性試験片に対して、更に、図３に例示するような破壊靭性試験に適した形状に加工することもできる。その際、加工後の破壊靭性試験片の幅Ｗや破壊靭性試験片に残存する疲労予き裂長さａｊが、上記４つの要件を満足するようにする。
なお、上述した本発明の要件を満足するものであれば、３点曲げや４点曲げなどの各種曲げ試験片、あるいはＣＴ（コンパクトテンション）試験片などを採用することもできる。
【００４２】
こうして、ナゲット部の破壊靱性値の測定に供する壊靭性試験片を得ることができる。
【実施例】
【００４３】
以下、本発明の実施例について説明する。
表１に示す、種々の引張強度：ＴＳおよび板厚：ｔを有する高強度薄鋼板を用いて、ナゲット直径を２ｔ１／２〜７ｔ１／２の間で変化させて、図３（ａ）に示すような、２枚重ねのＪＩＳ Ｚ ３１３８に準拠する十字引張疲労試験片を作製し、室温、大気中にて、溶接継手のナゲット部に疲労予き裂を導入した。
まず、疲労予き裂を導入するためのＫＩｍａｘを設定し、式（１）から、十字引張疲労試験片に負荷する引張荷重の最大値：Ｐｍａｘを求めた。
次いで、疲労予き裂の長さ：ａｃを設定し、表１に示した材料定数Ｃおよびｍを用いて、上記式（３）から疲労予き裂の導入回数：Ｎを求めた。
その後、Ｐｍａｘを十字引張疲労試験片にＮ回繰り返して負荷し、溶接継手のナゲット部に疲労予き裂を導入した。ここで、Ｎは１０００万回を上限とした。
なお、疲労予き裂導入後の疲労予き裂長さの実測値：ａｃ＊を、図１（ｂ）に示したように、ナゲット部の中央で切断した断面観察から求めた。そして、ａｃ＊／ａｃが０．７以上１．３以下の場合に、所望の疲労予き裂長さａｃが得られたものとして○と判定し、上記範囲を超える場合を×と判定した。得られた結果を表２に示す。
以上の条件に従って予き裂を導入したところ、試験片Ｔ１〜Ｔ２９の全てについて、所望の長さａｃ（０．７≦ａｃ＊／ａｃ≦１．３）を有する疲労予き裂を導入することができた。
【００４４】
【表１】
【００４５】
【表２】
【００４６】
続いて、ナゲット部に疲労予き裂が導入された十字型引張疲労試験片に対して放電加工処理を施し、図３に示した形状を有する破壊靱性試験片を作製した。この破壊靱性試験片の寸法、および疲労予き裂長さは、表３の通りである。
【００４７】
【表３】
【００４８】
こうして得られた破壊靱性試験片を、大気中や液体窒素、アルコール等により脆性破壊が発生する環境におき、破壊靱性試験片に荷重を与えて破壊し、以下の式（５）で定義される破壊靱性値：Ｋを求めた。
【数５】
【００４９】
ただし、
【数６】
【００５０】
である。ここで、Ｐ：最高到達荷重（Ｎ）、Ｗ：試験片の幅、Ｔ：試験片の厚み、ａｊ：試験片における疲労予き裂長さである。また、Ｆ（ａｊ／Ｗ）は、以下の式（７）で与えられる。得られた破壊靱性値を表３に示す。
【００５１】
【数７】
【００５２】
得られた破壊靱性値の値を、厚板母材の破壊靱性値とともに図５に示す。なお、厚板母材の破壊靱性値はＷＥＳ１１０８やＡＳＴＭ−Ｅ３９９に代表される規格に準じて求めた。
なお、母材の引張試験は、元厚のＪＩＳ Ｚ ２２０１の５号試験片を、圧延方向と直角方向に採取したあと、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠して行い、母材の降伏応力：σｙＭおよび引張張力：ＴＳを求めた。また、母材およびナゲット部のビッカース硬さを測定した。このビッカース硬さの測定は、圧痕押しつけ荷重：２．９４Ｎ（３００ｇｆ）の下で行った。ここで、横軸の溶接割れ感受性組成（以下、ＰＣＭと示す）は、鋼板の成分組成（質量％）に応じて、以下の式（８）から求めることができる。
【００５３】
【数８】
【００５４】
（発明例１〜２２）
図５には、比較のため、厚板母材のＰＣＭと破壊靱性値との関係も示している。この図から、厚板母材およびナゲットの破壊靱性値は、ＰＣＭの上昇により低下することが分かる。また、本発明による破壊靭性試験片を用いて測定された破壊靱性値は、母材の値よりもやや低いものの、同程度の値を示していることが分かる。
なお、本発明による破壊靭性試験片を用いて測定された破壊靱性値が厚板母材と比較して低い理由は、ナゲット部は溶解後に急速凝固しているために硬化しており、同一のＰｃｍで比較した時に破壊靭性値が低下したためと考えられる。
以上から、本発明による破壊靭性試験片を用いて測定された破壊靱性値は妥当であると言える。
【００５５】
なお、任意の鋼板母材およびナゲット部において、圧痕押しつけ荷重を９８．１Ｎ（１０ｋｇｆ）まで変化させたが、ビッカース硬さはほとんど変わらないことを確認している。
また、本実施例に用いた鋼板は、いずれも表面処理を施していないが、亜鉛めっき処理などの表面処理を施していても、スポット溶接が適正に行われていれば、上記の試験方法で、裸材とほぼ同程度の破壊靱性試験片および破壊靱性値が得られることを確認している。
【００５６】
（比較例１〜７）
比較例１では、破壊靱性試験片を切り出す際の、Ｙ切片が本発明において規定した上限を超えている。このため、試験片を採取した際に、疲労予き裂が短くなり、ａｊ／Ｗが本発明において規定した下限を下回る。その結果、この試験片を用いて破壊靱性試験を行ったところ、Ｋの値が発明例よりもかなり大きな値となり、適正な破壊靱性値を得ることができなかった。
比較例２では、ａｎ／ａｃが０．１を下回っている。このため、破壊靱性試験片を加工しても、式（４）の判定条件を満たさなかった。その結果、この試験片を用いて破壊靱性試験を行ったところ、Ｋの値が発明例よりもかなり大きな値となり、適正な破壊靱性値を得ることができなかった。
比較例３では、破壊靱性試験片の厚さＴが本発明範囲を下回っており、式（４）の判定条件を満たさなかった。その結果、この試験片を用いて破壊靱性試験を行ったところ、Ｋの値が発明例よりもかなり大きな値となり、適正な破壊靱性値を得ることができなかった。
比較例４では、破壊靱性試験片の厚さＴが本発明において規定した上限を上回っている。その結果、破壊靱性試験片に加工しても、試験片中に疲労予き裂を導入できずに、ａｊ／Ｗが０となり、破壊靱性試験を行うことができなかった。
比較例５では、ａｊ／Ｗが本発明において規定した上限を上回っている。その結果、この試験片を用いて破壊靱性試験を行ったところ、Ｋの値が発明例よりもかなり小さい値となり、適正な破壊靱性値を得ることができなかった。
比較例６では、破壊靱性試験片の幅Ｗが本発明において規定した下限を下回っており、式（４）の判定条件を満たさなかった。その結果、この試験片を用いて破壊靱性試験を行ったところ、Ｋの値が発明例よりもかなり大きな値となり、適正な破壊靱性値を得ることができなかった。
比較例７では、破壊靱性試験片の幅Ｗが本発明において規定した上限を上回っている。その結果、Ｗがナゲット直径を超えていたため、破壊靱性試験片を採取することができなかった。
以上の発明例１〜７に対する破壊靱性値を、発明例１〜２２に対する破壊靱性値とともに図６に示す。この図から明らかなように、比較例１〜７の破壊靱性値は、発明例１〜２２、ひいては母材の破壊靭性値と大きく相違していることが分かる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、破壊靭性試験片、特に、スポット溶接された鋼板の溶接継手におけるナゲット部の破壊靭性値の測定に供する、破壊靭性試験片に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化を防止する措置として、自動車のＣＯ２排出ガスを抑制する動きが高まっている。併せて、石油資源の枯渇が危惧されていることから、自動車の燃費向上が求められている。両者の問題を解決するためには、車体重量の軽量化が必須であるため、自動車の主要部材には、５９０ＭＰａ以上の引張強度を有する高強度薄鋼板を使用する頻度が増えている。
【０００３】
一方、自動車構造における溶接の大半はスポット溶接である。上記のような高強度薄鋼板においては、引張強度を向上させるために、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ等の元素の添加量を増加させている。しかし、このような元素の添加量を増加させると、例えば、ＪＩＳ Ｚ３１３７に規定される静的な十字引張力（Ｃｒｏｓｓ Ｔｅｎｓｉｏｎ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ：以下、「ＣＴＳ」と示す）が低下することが知られている。これは、上記元素の添加量を増加させると、溶接継手のナゲット領域（以下、「ナゲット部」と称する）が硬化し、その破壊靱性値が低下するためと考えられる。このナゲット部の破壊靭性値の低下により界面破断が発生しやすくなり、ＣＴＳが低下するのである。このため、ナゲット部の破壊靱性値を定量化する試験方法の確立や、この試験に供するナゲット部の破壊靱性試験片の製造方法の確立が希求されている。
【０００４】
これまで、スポット溶接継手の破壊靭性値については、様々な研究が報告されている。例えば、非特許文献１および２において、疲労強度は、鋼板強度、板厚、ナゲット径および溶接継手の形式に依存せず、混合モードを考慮した折線方向応力最大説を前提としたパラメータ：ΔＫθｍａｘによりほぼ整理される、と結論づけられている。
しかし、非特許文献２に記載されているように、き裂は、必ずしもナゲット部ではなく、溶接継手の熱影響領域（以下、「ＨＡＺ部」と示す）や母材に進展している場合が多く、ナゲット部の破壊靭性値の測定に最適な、ナゲット部をほぼ直進するき裂のΔＫθｍａｘについては明らかではない。また、ΔＫθｍａｘは有限要素法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ：以下、「ＦＥＭ」と示す）に基づく解析により得られる値であり、その計算には膨大な時間とコストがかかる。
【０００５】
一方、特許文献１には、母材の引張強度、試験片幅、板厚、ナゲット径等により破断強度パラメータを求め、有限要素解析（以下、「ＦＥＭ解析」と示す）により、破断強度パラメータをクライテリオンとして、ＣＴＳを予測する方法について記載されている。
しかし、破断強度パラメータは、各種要因（母材の引張強度、試験片幅、板厚、ナゲット径等）のフィッティングにより求めたものであり、多分に経験的なパラメータであると言え、ナゲット部そのものの破壊限界値を求める手法とは言い難い。また、ＦＥＭ解析には膨大なる時間とコストがかかる。
【０００６】
同様に、特許文献２には、母材引張強度、板厚、全伸び、試験片幅、ナゲット径などから求めた破壊ひずみパラメータをクライテリオンとして、ＦＥＭ解析によりＣＴＳを予測する方法について記載されている。
しかし、破壊ひずみパラメータを求めるには、経験的に求めた種々の補正係数が必要であり、特許文献１に記載された技術と同様に、ナゲット部そのものの破壊限界値を求める手法とは言い難い。また、ＦＥＭ解析には膨大なる時間とコストがかかる。
【０００７】
その他、非特許文献３〜５に記載されているように、混合モードの応力拡大係数範囲やＪ積分範囲を指標として疲労強度を予測する技術があるが、これらのパラメータは、溶接継手の疲労強度を求める指標であり、非特許文献１および２に記載された方法と同様に、その指標がナゲット部そのものの破壊限界値を示しているとは言い難い。さらに、ＦＥＭ解析には膨大なる時間とコストがかかる。
【０００８】
上述したように、ナゲット部の破壊靱性値を求めることができれば、自動車の構造安全性を評価でき、多大なる利点があるにも拘わらず、上記の通り、現在までに、ナゲット部の破壊靱性値を直接的に求める方法は存在していないのが実状である。それ以前に、ナゲット部の破壊靱性値を定量的に測定するための破壊靱性試験片についても、その詳細な製造方法は確立されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４１５０３８３号公報
【特許文献２】特開２００７−３０４００５号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】スポット溶接継手疲労強度データ集、（社）自動車技術会
【非特許文献２】結城良治 他、「スポット溶接継手の疲労強度の破壊力学的解析・評価」、日本機械学会論文集（Ａ編）、５１巻、４６７号、ｐｐ．１７７２−１７７９、１９８５
【非特許文献３】Ｓ．Ｚｈａｎｇ，“Ｓｔｒｅｓｓ ｉｎｔｅｎｓｉｔｉｅｓ ａｔ ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｓ”， Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｒａｃｔｕｒｅ， ８８，ｐｐ．１６７−１８５，１９９７
【非特許文献４】Ｍ．Ｈ．Ｓｗｅｌｌａｍ ｅｔ ａｌ．，“Ａ ｆａｔｉｇｕｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｓ”，Ｆａｔｉｇｕｅ ＆ Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｖｏｌ．１７，Ｎｏ．１０，ｐｐ．１１９７−１２０４，１９９４
【非特許文献５】Ｐ．Ｃ．Ｗａｎｇ ａｎｄ Ｋ．Ｗ．Ｅｗｉｎｇ，“Ａ Ｊ−ｉｎｔｅｇｒａｌ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｆａｔｉｇｕｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ａ ｔｅｎｓｉｌｅ−ｓｈｅａｒ ｓｐｏｔ ｗｅｌｄ”， ＳＡＥ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒ Ｓｅｒｉｅｓ ８８０３７３，１９８８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、ナゲット部の破壊靭性値の測定に供する破壊靭性試験片を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
発明者らは、上記課題を解決する方途について鋭意検討を行った結果、ナゲット部の破壊靭性値を適切に測定するためには、ナゲット部内を直進する疲労予き裂が導入された、例えば十字型引張疲労試験片から切り出して作製された破壊靱性試験片につき、その寸法や、破壊靭性試験片に残存する疲労予き裂の長さ、およびナゲット部の直径が、所定の要件を満足する必要があることを見出し、本発明を完成させるに到った。
即ち、複数枚の鋼板を板厚方向に重ね合わせて鋼板相互をスポット溶接して鋼板厚み方向へ回転体状に連なる溶接継手を形成し、前記鋼板の板厚方向に引張荷重を繰り返し負荷して前記溶接継手のナゲット部に前記鋼板の積層界面から前記ナゲット部の径方向中心に向かって径方向長さａｃの１／１０以上が前記ナゲット部に含まれる疲労予き裂領域を導入した十字形引張疲労試験片において、前記ナゲット部の径方向中心を原点として互いに直交するＸ軸およびＹ軸を定めて、前記ナゲット部の径方向に沿って幅Ｗ、およびＸＹ面に平行かつ前記ナゲット部の径方向に直交する方向に沿って厚みＴを有する直方体として、前記十字形引張疲労試験片から前記厚みＴの中心を通り前記幅Ｗに沿って伸びる中心線と前記Ｙ軸とから求まるＹ切片の大きさがＮＤ／４以下の下に切り出した破壊靭性試験片であって、前記厚みＴに対する前記幅Ｗは１以上４以下、前記幅Ｗ［ｍｍ］に対する前記破壊靭性試験片に残存する疲労予き裂の長さａｊ［ｍｍ］は０．３５以上０．７５以下、および、前記ナゲット部の直径ＮＤ［ｍｍ］に対する前記厚みＴ［ｍｍ］は０．１以上１．０未満であることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の破壊靭性試験片において、前記間隔Ｗに対する前記破壊靭性試験片に残存する疲労予き裂の長さａｊは０．４０以上０．６０以下であり、前記厚みＴに対する前記幅Ｗは２以下であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ナゲット部の破壊靭性値の測定に供する破壊靭性試験片を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ）十字形引張疲労試験片の模式図、および（ｂ）疲労予き裂導入後の溶接継手のナゲット部の断面観察結果である。
【図２】溶接継手から疲労予き裂領域を跨いで破壊靱性試験片を切り出す方法を示す図である。
【図３】破壊靱性試験片の一例を示す図である。
【図４】疲労予き裂がナゲット部の長軸に対して斜行する様子を示す図である。
【図５】ナゲット部および母材に対する溶接割れ感受性組成と破壊靱性値との関係を示す図である。
【図６】ナゲット部に対する溶接割れ感受性組成と破壊靱性値との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
まず、ナゲット部に疲労予き裂が導入された、複数枚の鋼板をスポット溶接したスポット溶接継手を用意する。このスポット溶接継手は、破壊靱性値の測定に好適な、ナゲット部を直進する疲労予き裂が導入されていれば特に限定されない。例えば、図１（ａ）に示すような十字型引張疲労試験片のナゲット部において、図１（ｂ）の断面観察結果に示すような、ナゲット部の長軸方向に直進する疲労予き裂が導入されたものとすることができる。
【００１７】
本発明においては、溶接継手に導入された疲労予き裂がナゲット部に進展していることを担保するために、溶接継手に導入された疲労予き裂長さａｃに対するナゲット部に含まれる疲労予き裂の長さａｎは０．１以上とする。
【００１８】
上記要件を満足する疲労予き裂は、例えば以下の方法により導入することができる。即ち、まず、複数枚の鋼板を板厚方向に重ね合わせて鋼板相互をスポット溶接する。
次いで、該スポット溶接継手の板厚方向に引張荷重を繰り返し負荷してナゲット部に疲労予き裂を導入する。その際、引張荷重は、開口モードの応力拡大係数の最大値ＫＩｍａｘ：１５［ＭＰａ・ｍ１／２］以下において、下記の式（１）に従うＰｍａｘ［Ｎ］を上限として行う。
【数１】
【００１９】
ただし、
【数２】
【００２０】
ここで、ＮＤ：ナゲット直径（以下、「ナゲット直径」と示す）［ｍｍ］、ｔ：鋼板の厚み［ｍｍ］、Ｈ：０．０５〜０．１５の任意の定数である。
【００２１】
上記のスポット溶接継手の板厚方向に引張荷重を繰り返し負荷する方法は、応力拡大係数の最大値Ｋｍａｘ、引張荷重の最大値Ｐｍａｘ、板厚ｔ、およびナゲット直径ＮＤが、上記した式（１）の関係を満足するのであれば、特に限定されない。例えば、ＪＩＳ Ｚ ３１３８に準拠した十字形引張疲労試験により行うことができる。
【００２２】
スポット溶接継手に導入される疲労予き裂の径方向の長さ：ａｃ［ｍｍ］は、任意に設定することができ、以下の式（３）から求まる疲労予き裂を導入する回数：Ｎだけ繰り返すことにより導入することができる。
【数３】
【００２３】
ここで、Ｈ：０．０５〜０．１５の任意の定数であり、また、Ｃおよびｍは材料定数であり、それぞれ５×１０−１４〜１×１０−１１、０．６７〜４．２１の範囲の値をとることが明らかになっている。即ち、Ｃおよびｍの値が上記範囲にない場合には、鋼でないことを意味する。
【００２４】
なお、疲労予き裂の径方向長さａｃは、ナゲット部だけでなく、ＨＡＺ部を進展する予き裂の長さも含むことに注意する。
また、疲労予き裂導入回数が極端に増加すると、単位時間当たりの人的あるいは実験コストの増加が顕著となるため、Ｎの上限は１０００万回とする。
【００２５】
ＫＩｍａｘの値は、上述の通り、１５［ＭＰａ・ｍ１／２］以下とする。後述の式（４）の条件をより確実に満足するＫＩｍａｘの値として、２［ＭＰａ・ｍ１／２］以上１０［ＭＰａ・ｍ１／２］以下とすることが好ましい。
【００２６】
溶接された鋼板の引張強度は５９０［ＭＰａ］以上であることが好ましい。これは、５９０［ＭＰａ］未満の引張強度を有する鋼板は、従来使用されているように、ＣＴＳの低下は深刻ではなく、本発明は５９０［ＭＰａ］以上の引張強度を有する鋼板にとりわけ有効である。また、引張強度の上限は特に限定されないが、実用的に使用可能な２０００［ＭＰａ］以下で十分である。
【００２７】
また、スポット溶接継手に供する鋼板の枚数は２枚以上とする。上限は特に限定されないが、溶接可能な枚数である５枚以下が好ましい。
【００２８】
なお、疲労予き裂を閉口させないために、応力比（荷重比）（＝Ｐｍａｘ／Ｐｍｉｎ）に関しては、０以上とすることが好ましい。ここで、Ｐｍｉｎは、スポット溶接された継手に負荷される引張荷重の最小値である。また、応力比（荷重比）の上限は特に問わないが、１未満であることが好ましい。
【００２９】
こうして、ナゲット部の破壊靭性値の測定に供するに好適の、径方向長さａｃを有する疲労予き裂をスポット溶接継手に導入することができる。
【００３０】
次いで、ナゲット部に疲労予き裂が導入された、スポット溶接された複数枚の鋼板から、破壊靱性試験片を切り出す。そのために、図２に示すように、スポット溶接された鋼板、例えば十字形引張疲労試験片のナゲット部を板厚方向から見て、ナゲット部の中心を原点Ｏとし、互いに直交するＸ軸およびＹ軸を設定してＸＹ座標を規定する（Ｚ軸方向は板厚方向）。ここで、ナゲット部は、Ｚ軸方向から見て、回転体状であり、形状は円形である。そのため、Ｘ軸およびＹ軸は、互いに直交している限り、任意の向きに設定することができる。
【００３１】
本発明においては、破壊靭性試験片として、ナゲット部の径方向に沿って幅：Ｗ［ｍｍ］、ＸＹ面に平行かつ前記径方向に直交する方向に沿って厚み：Ｔ［ｍｍ］、板厚方向に長さ：Ｌ［ｍｍ］を有する直方体として切り出す。Ｗ、Ｔの値に関しては、後述の式（４）の条件を満足することが必要である。Ｌの値に関しては、特に制約は設けないが、図３に示すような引張型の破壊靱性試験を作製する場合には、引張治具に装着できるようなつかみ部を設けることのできる長さとすることが好ましい。
【００３２】
上記のようにＸＹ座標が規定された鋼板の溶接継手から破壊靭性試験片を切り出す際には、以下の４つの要件を満足するように行うことが肝要である。即ち、
（要件１）破壊靱性試験片の中心線とＹ軸との交点から求まるＹ切片の大きさが、ナゲット直径ＮＤに対して１／４以下であること。
（要件２）ナゲット直径ＮＤに対する破壊靭性試験片の厚みＴは、０．１以上１．０未満であること。
（要件３）幅Ｗに対する破壊靭性試験片中の予き裂長さ：ａｊ［ｍｍ］は、０．３５以上０．７５以下であること。および、
（要件４）厚みＴに対する幅Ｗは、１以上４以下であること。
以下、上記各要件について説明する。
【００３３】
（要件１について）
まず、要件１は、例えば十字形引張疲労試験片から破壊靱性試験片を採取する向きを規定するものである。本発明においては、破壊靭性試験片の切り出しは、破壊靭性試験片の厚みＴの中心を通り幅Ｗに沿って伸びる中心線とＹ軸とから求まるＹ切片の大きさがＮＤ／４以下の下に行う。ここで、「中心線」は、十字形引張疲労試験片から厚みＴの中心を通り幅Ｗに沿って伸びる線を意味する。中心線とＹ軸とから求まるＹ切片の大きさがＮＤ／４以下とする理由は、Y切片がＮＤ／４を超えると、試験片表裏面（図２の破壊靭性試験片において、幅Ｗ方向に平行かつ厚みＴ方向に垂直な２つの面）をそれぞれ横切る疲労予き裂の幅方向の長さが著しく異なり、ａｊ（破壊靱性試験片の表裏面をそれぞれ横切る疲労予き裂の幅Ｗ方向の長さを平均した値とする）の値に信頼性が欠け、破壊靭性値が得られなくなるためである。
【００３４】
（要件２について）
また、要件２は、ナゲット直径ＮＤに対する破壊靭性試験片の厚みＴを規定するものであり、０．１以上１．０以下となるようにする。これは、０．１未満の場合には、ナゲット部の局所的な破壊靱性値を求めてしまい、信頼性に欠けるためである。また、１．０を超える場合には、厚みＴの大きさがナゲット直径ＮＤの大きさを超えることを意味しており、図２において、厚み方向全体に亘って疲労予き裂を含む破壊靱性試験片を切り出すことができず、破壊靱性試験片自体が加工できないためである。
【００３５】
（要件３について）
要件３は、破壊靭性試験片の幅Ｗに対する破壊靭性試験片に残存する疲労予き裂長さａｊを規定するものである。これは、ａｊ／Ｗが０．３５未満の場合あるいは０．７５を超える場合には、後述の式（４）の条件を満足しなくなるためである。なお、ａｊ／Ｗが０．３５未満の場合にはき裂先端で平面ひずみ状態を満足せずに、破壊靱性値が得られない。一方で、ａｊ／Ｗが０．７５を超えると、き裂先端が大規模降伏状態となり、小規模降伏状態が前提の破壊靱性値を求めることができない。好ましくは、０．４０以上０．６０以下である。
【００３６】
（要件４について）
要件４は、破壊靭性試験片の厚みＴに対する幅Ｗを規定するものであり、１以上４以下とする。これは、１未満の場合には、後述の式（４）に示す、平面ひずみ条件を満足せずに、破壊靱性値が求めることができないためである。一方、４を超える場合には、試験片の厚みＴに対して幅Ｗが過度に大きくなることを意味している。例えばＴ＝ＮＤとした場合に、Ｗ／Ｔが４を超えると、図２からも明らかなようにＷ＞４ＮＤとなり、疲労予き裂が小型破壊靱性試験片に２つ含まれることになり、破壊靱性値を求めることができない。好ましくは、１以上２以下である。
【００３７】
以上の要件１〜４を満足するように破壊靭性試験片を切り出す方法は、特に限定されない。好ましくは放電加工により行う。
【００３８】
なお、破壊靱性試験片に残存する疲労予き裂長さａｊ、破壊靭性試験片の厚さ：Ｔおよび幅：Ｗは、破壊力学的に、それぞれ以下の式を満足することが必要である。
【数４】
【００３９】
ここで、ＨＶＮ，ＨＶＭおよびσｙＭは、それぞれナゲット部のビッカース硬さ、母材である鋼板のビッカース硬さ、および母材である鋼板の降伏応力である。発明者らは、鋭意検討した結果、本発明による破壊靭性試験片は、上記式（４）の条件を満足することを確認している。
【００４０】
また、疲労予き裂は、図１（ｂ）に示すように、ナゲット部の長軸方向に直線的に進展していることが好ましいが、疲労予き裂を導入する際の条件によっては、図４に示すように、疲労予き裂の先端が、ナゲット部内を長軸方向に対して斜行する角度（以下、「斜行角度」と示す）：γにて進展する場合がある。発明者らは、鋭意検討した結果、この斜行角度γが４５°以下であり、斜行する疲労予き裂の長軸方向へ投影した長さ（以下、「斜行投影長さ」と示す）：βが、破壊靭性試験片に残存する疲労予き裂長さａｊの５０％以下であれば、破壊靱性値の測定に悪影響を与えないことを確認している。
【００４１】
上述のようにして得られた破壊靭性試験片に対して、更に、図３に例示するような破壊靭性試験に適した形状に加工することもできる。その際、加工後の破壊靭性試験片の幅Ｗや破壊靭性試験片に残存する疲労予き裂長さａｊが、上記４つの要件を満足するようにする。
なお、上述した本発明の要件を満足するものであれば、３点曲げや４点曲げなどの各種曲げ試験片、あるいはＣＴ（コンパクトテンション）試験片などを採用することもできる。
【００４２】
こうして、ナゲット部の破壊靱性値の測定に供する壊靭性試験片を得ることができる。
【実施例】
【００４３】
以下、本発明の実施例について説明する。
表１に示す、種々の引張強度：ＴＳおよび板厚：ｔを有する高強度薄鋼板を用いて、ナゲット直径を２ｔ１／２〜７ｔ１／２の間で変化させて、図３（ａ）に示すような、２枚重ねのＪＩＳ Ｚ ３１３８に準拠する十字引張疲労試験片を作製し、室温、大気中にて、溶接継手のナゲット部に疲労予き裂を導入した。
まず、疲労予き裂を導入するためのＫＩｍａｘを設定し、式（１）から、十字引張疲労試験片に負荷する引張荷重の最大値：Ｐｍａｘを求めた。
次いで、疲労予き裂の長さ：ａｃを設定し、表１に示した材料定数Ｃおよびｍを用いて、上記式（３）から疲労予き裂の導入回数：Ｎを求めた。
その後、Ｐｍａｘを十字引張疲労試験片にＮ回繰り返して負荷し、溶接継手のナゲット部に疲労予き裂を導入した。ここで、Ｎは１０００万回を上限とした。
なお、疲労予き裂導入後の疲労予き裂長さの実測値：ａｃ＊を、図１（ｂ）に示したように、ナゲット部の中央で切断した断面観察から求めた。そして、ａｃ＊／ａｃが０．７以上１．３以下の場合に、所望の疲労予き裂長さａｃが得られたものとして○と判定し、上記範囲を超える場合を×と判定した。得られた結果を表２に示す。
以上の条件に従って予き裂を導入したところ、試験片Ｔ１〜Ｔ２９の全てについて、所望の長さａｃ（０．７≦ａｃ＊／ａｃ≦１．３）を有する疲労予き裂を導入することができた。
【００４４】
【表１】
【００４５】
【表２】
【００４６】
続いて、ナゲット部に疲労予き裂が導入された十字型引張疲労試験片に対して放電加工処理を施し、図３に示した形状を有する破壊靱性試験片を作製した。この破壊靱性試験片の寸法、および疲労予き裂長さは、表３の通りである。
【００４７】
【表３】
【００４８】
こうして得られた破壊靱性試験片を、大気中や液体窒素、アルコール等により脆性破壊が発生する環境におき、破壊靱性試験片に荷重を与えて破壊し、以下の式（５）で定義される破壊靱性値：Ｋを求めた。
【数５】
【００４９】
ただし、
【数６】
【００５０】
である。ここで、Ｐ：最高到達荷重（Ｎ）、Ｗ：試験片の幅、Ｔ：試験片の厚み、ａｊ：試験片における疲労予き裂長さである。また、Ｆ（ａｊ／Ｗ）は、以下の式（７）で与えられる。得られた破壊靱性値を表３に示す。
【００５１】
【数７】
【００５２】
得られた破壊靱性値の値を、厚板母材の破壊靱性値とともに図５に示す。なお、厚板母材の破壊靱性値はＷＥＳ１１０８やＡＳＴＭ−Ｅ３９９に代表される規格に準じて求めた。
なお、母材の引張試験は、元厚のＪＩＳ Ｚ ２２０１の５号試験片を、圧延方向と直角方向に採取したあと、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠して行い、母材の降伏応力：σｙＭおよび引張張力：ＴＳを求めた。また、母材およびナゲット部のビッカース硬さを測定した。このビッカース硬さの測定は、圧痕押しつけ荷重：２．９４Ｎ（３００ｇｆ）の下で行った。ここで、横軸の溶接割れ感受性組成（以下、ＰＣＭと示す）は、鋼板の成分組成（質量％）に応じて、以下の式（８）から求めることができる。
【００５３】
【数８】
【００５４】
（発明例１〜２２）
図５には、比較のため、厚板母材のＰＣＭと破壊靱性値との関係も示している。この図から、厚板母材およびナゲットの破壊靱性値は、ＰＣＭの上昇により低下することが分かる。また、本発明による破壊靭性試験片を用いて測定された破壊靱性値は、母材の値よりもやや低いものの、同程度の値を示していることが分かる。
なお、本発明による破壊靭性試験片を用いて測定された破壊靱性値が厚板母材と比較して低い理由は、ナゲット部は溶解後に急速凝固しているために硬化しており、同一のＰｃｍで比較した時に破壊靭性値が低下したためと考えられる。
以上から、本発明による破壊靭性試験片を用いて測定された破壊靱性値は妥当であると言える。
【００５５】
なお、任意の鋼板母材およびナゲット部において、圧痕押しつけ荷重を９８．１Ｎ（１０ｋｇｆ）まで変化させたが、ビッカース硬さはほとんど変わらないことを確認している。
また、本実施例に用いた鋼板は、いずれも表面処理を施していないが、亜鉛めっき処理などの表面処理を施していても、スポット溶接が適正に行われていれば、上記の試験方法で、裸材とほぼ同程度の破壊靱性試験片および破壊靱性値が得られることを確認している。
【００５６】
（比較例１〜７）
比較例１では、破壊靱性試験片を切り出す際の、Ｙ切片が本発明において規定した上限を超えている。このため、試験片を採取した際に、疲労予き裂が短くなり、ａｊ／Ｗが本発明において規定した下限を下回る。その結果、この試験片を用いて破壊靱性試験を行ったところ、Ｋの値が発明例よりもかなり大きな値となり、適正な破壊靱性値を得ることができなかった。
比較例２では、ａｎ／ａｃが０．１を下回っている。このため、破壊靱性試験片を加工しても、式（４）の判定条件を満たさなかった。その結果、この試験片を用いて破壊靱性試験を行ったところ、Ｋの値が発明例よりもかなり大きな値となり、適正な破壊靱性値を得ることができなかった。
比較例３では、破壊靱性試験片の厚さＴが本発明範囲を下回っており、式（４）の判定条件を満たさなかった。その結果、この試験片を用いて破壊靱性試験を行ったところ、Ｋの値が発明例よりもかなり大きな値となり、適正な破壊靱性値を得ることができなかった。
比較例４では、破壊靱性試験片の厚さＴが本発明において規定した上限を上回っている。その結果、破壊靱性試験片に加工しても、試験片中に疲労予き裂を導入できずに、ａｊ／Ｗが０となり、破壊靱性試験を行うことができなかった。
比較例５では、ａｊ／Ｗが本発明において規定した上限を上回っている。その結果、この試験片を用いて破壊靱性試験を行ったところ、Ｋの値が発明例よりもかなり小さい値となり、適正な破壊靱性値を得ることができなかった。
比較例６では、破壊靱性試験片の幅Ｗが本発明において規定した下限を下回っており、式（４）の判定条件を満たさなかった。その結果、この試験片を用いて破壊靱性試験を行ったところ、Ｋの値が発明例よりもかなり大きな値となり、適正な破壊靱性値を得ることができなかった。
比較例７では、破壊靱性試験片の幅Ｗが本発明において規定した上限を上回っている。その結果、Ｗがナゲット直径を超えていたため、破壊靱性試験片を採取することができなかった。
以上の発明例１〜７に対する破壊靱性値を、発明例１〜２２に対する破壊靱性値とともに図６に示す。この図から明らかなように、比較例１〜７の破壊靱性値は、発明例１〜２２、ひいては母材の破壊靭性値と大きく相違していることが分かる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚の鋼板を板厚方向に重ね合わせて鋼板相互をスポット溶接して鋼板厚み方向へ回転体状に連なる溶接継手を形成し、前記鋼板の板厚方向に引張荷重を繰り返し負荷して前記溶接継手のナゲット部に前記鋼板の積層界面から前記ナゲット部の径方向中心に向かって径方向長さａｃの１／１０以上が前記ナゲット部に含まれる予き裂領域を導入した十字形引張疲労試験片において、
前記ナゲット部の径方向中心を原点として互いに直交するＸ軸およびＹ軸を定めて、前記ナゲット部の径方向に沿って幅Ｗ、およびＸＹ面に平行かつ前記ナゲット部の径方向に直交する方向に沿って厚みＴを有する直方体として、前記十字形引張疲労試験片から、前記厚みＴの中心を通り前記幅Ｗに沿って伸びる中心線と前記Ｙ軸とから求まるＹ切片の大きさがＮＤ／４以下の下に切り出した破壊靭性試験片であって、
前記厚みＴに対する前記幅Ｗは１以上４以下、
前記幅Ｗ［ｍｍ］に対する前記破壊靭性試験片に残存する疲労予き裂の長さａｊ［ｍｍ］は０．３５以上０．７５以下、および、
前記ナゲット部の直径ＮＤ［ｍｍ］に対する前記厚みＴ［ｍｍ］は０．１以上１．０未満、
である破壊靭性試験片。
【請求項２】
前記間隔Ｗに対する前記破壊靭性試験片に残存する疲労予き裂の長さａｊは０．４０以上０．６０以下であり、前記厚みＴに対する前記幅Ｗは２以下であることを特徴とする、請求項１に記載の破壊靭性試験片。
【請求項１】
複数枚の鋼板を板厚方向に重ね合わせて鋼板相互をスポット溶接して鋼板厚み方向へ回転体状に連なる溶接継手を形成し、前記鋼板の板厚方向に引張荷重を繰り返し負荷して前記溶接継手のナゲット部に前記鋼板の積層界面から前記ナゲット部の径方向中心に向かって径方向長さａｃの１／１０以上が前記ナゲット部に含まれる予き裂領域を導入した十字形引張疲労試験片において、
前記ナゲット部の径方向中心を原点として互いに直交するＸ軸およびＹ軸を定めて、前記ナゲット部の径方向に沿って幅Ｗ、およびＸＹ面に平行かつ前記ナゲット部の径方向に直交する方向に沿って厚みＴを有する直方体として、前記十字形引張疲労試験片から、前記厚みＴの中心を通り前記幅Ｗに沿って伸びる中心線と前記Ｙ軸とから求まるＹ切片の大きさがＮＤ／４以下の下に切り出した破壊靭性試験片であって、
前記厚みＴに対する前記幅Ｗは１以上４以下、
前記幅Ｗ［ｍｍ］に対する前記破壊靭性試験片に残存する疲労予き裂の長さａｊ［ｍｍ］は０．３５以上０．７５以下、および、
前記ナゲット部の直径ＮＤ［ｍｍ］に対する前記厚みＴ［ｍｍ］は０．１以上１．０未満、
である破壊靭性試験片。
【請求項２】
前記間隔Ｗに対する前記破壊靭性試験片に残存する疲労予き裂の長さａｊは０．４０以上０．６０以下であり、前記厚みＴに対する前記幅Ｗは２以下であることを特徴とする、請求項１に記載の破壊靭性試験片。
【図２】
【図５】
【図６】
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２０２９４７（Ｐ２０１２−２０２９４７Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７０４４７（Ｐ２０１１−７０４４７）
【出願日】平成２３年３月２８日（２０１１．３．２８）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２８日（２０１１．３．２８）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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