第 3章 鋼材の力学的性質 1

第 3章 鋼材の力学的性質

3.1 試験の規格

JIS G 0303 : 鋼材の検査通則

Z 2201 : 金属材料引張試験片

Z 2241 : 金属材料引張試験方法

Z 2202 : 金属材料衝撃試験片

Z 2242 : 金属材料—衝撃試験方法

Z 2204 : 金属材料曲げ試験片

Z 2243 : ブリネル硬さ試験方法

Z 2244 : ビッカーズ硬さ試験方法

クリープ試験 ，疲れ試験， 各種の非破壊試験

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3.2 破壊の様式

• 巨視的な形態から引張破壊 せん断破壊

• 破壊に先行する塑性変形の程度からぜい性破壊，延性破壊

• 金属組織面から結晶粒内破壊 ， 結晶粒界破壊

• 外的条件から静的破壊，衝撃破壊，疲労破壊，

クリープ破壊，遅れ破壊

• 原子レベルから引張分離破壊，せん断分離破壊

図 3.2 巨視レベルおよび微視レベルでの破壊の分類

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3.3 引張特性，応力 –ひずみ関係

図 3.4 引張試験で用いる応力とひずみの定義

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図 3.5 鋼の応力 –ひずみ曲線 ヤング率 E = 2.0× 105 N/mm2

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図 3.6 0.2% 耐力 図 3.7 除荷・再載荷時の応力 –ひずみ曲線

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真応力 σt =P

A

真ひずみの増分 dεt =dl

l

εt =∫ l

l0

dl

l= ln

l

l0= ln

l0 +∆l

l0= ln(1 + ε)

図 3.8 真応力 –真ひずみ曲線

図 3.9 引張試験片における伸びの分布

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図 3.11 カップコーン破壊

図 3.12 薄板の試験体の破壊

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破断伸び δ =

(l − l0l0

)× 100 (%)

絞り ψ =

(A−A0

A0

)× 100 (%)

図 3.13 破断伸びと絞り

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3.4 衝撃強さ

延性破壊 −→ 降伏や十分な伸びを伴う ぜい性破壊 −→ 瞬間的な変形を伴わない

破壊じん性値： “破壊に要する仕事”−→シャルピー衝撃試験ぜい性破壊に対する材料の抵抗度

図 3.14 シャルピー衝撃試験

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図 3.15 破面と破面率の例 (シャルピー衝撃試験)

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遷移温度 破壊様式が延性破壊からぜい性破壊へ移行する温度

• 延性破面率 100%とぜい性破面率 100% の平均吸収エネルギーに相当する温度 TrE

• 延性破面率 50%となる温度 Trs

図 3.16 遷移温度アプローチ

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3.5 疲 労

(1) 影響因子

• 疲労 ： 応力が繰り返されることにより生ずる破壊現象 → 鋼構造物の耐久性能を支配

• 応力集中部、溶接欠陥 −→ 疲労き裂 (発生・進展) −→ ぜい性破断、断面減少による不安定破壊

• 高サイクル疲労 ： 105回以上の応力の繰返し 低サイクル疲労 ： 105回以下の応力の繰返し

高サイクル疲労に影響する因子 ：応力の変動幅 繰返し回数 応力範囲 平均応力 応力比

図 3.18 変動応力と名称

図 3.19 S −N 線図図 3.20 鋼の疲労限と引張強さ

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(2) 低サイクル疲労 (塑性疲労)

弾性限以上の繰返し応力、繰返し塑性ひずみ −→ 破断 疲労寿命 104 以下 ：地震や風による過大荷重

疲労試験 ： ひずみ制御、変位制御

図 3.22 低サイクル疲労試験の例

図 3.23 繰返し応力 –ひずみ曲線

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図 3.24 ひずみの成分

図 3.25 構造用鋼材の低サイクル疲労強度

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(3) 累積被害

• 不規則な応力変動 −→ 応力範囲成分の計数 −→レインフロー法• 疲労被害の評価 −→ 線形被害則 Miner 則 Σ

ni

Ni= D = 1

図 3.27 Miner則

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(4) 破面観察 (フラクトグラフィー)

• 破面の観察

図 3.28 破面の例

• 電子顕微鏡による観察 ストライエーション (striations)

図 3.30 ストライエーション (striations)

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(5) 疲労き裂伝播

応力拡大係数を用いた破壊力学的アプローチ

CT型試験片、中央切欠き試験片、曲げ試験片

図 3.32 疲労き裂の進展と進展速度 図 3.33 疲労き裂進展曲線

Paris則da

dN= C(∆K)m

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3.5 遅 れ 破 壊

環境誘起破壊 ：摩擦接合用高力ボルト (F11Tボルト)

• 応力腐食割れ (Stress Corrosion Cracking)

• 水素ぜい化 (Hydrogen Embrittlement)

図 3.35 遅れ破壊概念図図 3.36 水素ぜい化のプロセス

3.5 硬 さ

ビッカーズ硬さ試験 (Vickers) HV

ロックウェル硬さ試験 (Rockwell) HR

ブリネル硬さ試験 (Brinell) HBS