JP2015116531A

JP2015116531A - 破断方法

Info

Publication number: JP2015116531A
Application number: JP2013260867A
Authority: JP
Inventors: 齋藤　博之; Hiroyuki Saito; 博之齋藤; 孝澤田; Takashi Sawada; 憲宏藤本; Norihiro Fujimoto
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2015-06-25

Abstract

【課題】破断対象物をより小さな応力で破断させることができる破断方法を提供する。【解決手段】はじめに、水素脆化が発生していない強強度鋼材のしきい値を検出する（ステップＳ１）。しきい値を検出すると、このしきい値を超える応力を破断させる高強度鋼材にかける（ステップＳ２）。応力がかけられた状態の高強度鋼材を、水素脆化が発生する環境下に晒す（ステップＳ３）。【選択図】図４

Description

本発明は、破断方法に関するものである。

近年、資源の有効利用が提唱されており、廃材等に含まれる各種金属の再利用が盛んに行われている。この金属の再利用においては、廃材を炉に入れて高温で熔解する工程を含むことが多い。このとき、自動車の車体や索、鋼棒、鋼線などの土木構造物といった大型の廃材については、シュレッダ等でその廃材に応力をかけることにより破断して、炉に入る大きさに加工することが行われている。

辻川茂男、コンクリート柱の鉄筋破断の実例、コンクリート中鉄筋の割れに関するシンポジウム講演資料、pp.29-52、２００８年ＩＳＯ／ＤＩＳ１６５７３Draft、２０１３年７月齋藤博之、材料試験技術、Vol.58、No.4、pp.156-163、２０１３年１０月発行

しかしながら、破断対象物が例えば１０００ＭＰａ以上といった高い引張強度を有する高強度鋼材などの場合は、その引張強度ゆえに破断にするにはシュレッダ等で大きな応力をかける必要がある。このため、破断は、コストや手間がかかるものとなっていた。

そこで、本発明は、破断対象物をより小さな応力で破断させることができる破断方法を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る破断方法は、水素脆化が発生する破断対象物に応力をかける応力付与ステップと、応力がかけられた状態の前記破断対象物を、水素脆化が発生する環境に晒す水素脆化ステップとを有することを特徴とするものである。

上記破断方法において、応力付与ステップは、水素脆化が生じていない状態の破断対象物が破断するしきい値以上の応力をかけるようにしてもよい。

上記破断方法において、破断対象物は強高度鋼材からなるようにしてもよい。

本発明によれば、応力がかけられた状態の破断対象物を水素脆化が発生する環境に晒すことにより、破断対象物に水素脆化が発生して塑性域が小さくなるので、破断対象物をより小さな応力で破断させることができる。

図１は、高強度鋼材にかけた応力と時間との関係を示す図である。図２は、金属材料中のき裂の周囲の状態を模式的に示す図である。図３は、水素を添加した高強度鋼材と水素を添加しない高強度鋼材に対して引張試験を行ったときの引張強度と伸びとの関係を示す図である。図４は、本発明の実施の形態に係る破砕方法の手順を示すフローチャートである。図５は、高強度鋼材に応力をかける一例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

＜発明の原理＞
まず、本実施の形態に係る破断方法の原理について説明する。なお、本実施の形態では、破断対象物を高強度鋼材とした場合を例に説明を行う。この高強度鋼材とは、一般の鋼材よりも引張強度を向上させた鋼材であって、例えば車用には約６００ＭＰａ以上の引張強度の高強度鋼材が用いられている。

図１に、定荷重試験によって高強度鋼材を破断させたときの最大応力に対する最小応力の比（応力比）と時間の関係を示す。図１において、縦軸は応力比、横軸は時間である。図中の△および○は、異なる材料の高強度鋼材が破損した応力および時間を示している。

図１から分かるように、応力比が大きい、すなわち高強度鋼材にかける応力が大きいほど、高強度鋼材は短時間で破断する（例えば、非特許文献１〜３参照。）。そして、応力比を小さくしてゆくと、やがて図１の符号ａで示すように時間軸と平行になってゆき、１つの値に収束する。

このように、高強度鋼材が破断する最低の応力値（以下、「しきい値」と言う。）未満の応力かけた場合には、破断が生じない。言い換えると、そのしきい値以上の応力をかけると、高強度鋼材を破断させることができる。しきい値以上の応力をかけないと高強度鋼材が破断しない理由は、高強度鋼材中のき裂の成長メカニズムにあると考えられている。このき裂の成長メカニズムについて、図２を参照して説明する。この図２は、金属材料中のき裂の周囲の状態を模式的に示す図である。図２において、符号ｂで示す実線は実際のき裂を示しており、横軸（Ｙ軸）はき裂の成長の方向を示している。また、符号ｃで示す点線は、金属部材に応力をかけたときに成長するき裂の先端の位置（ｒ_y）を示している。また、符号ｄで示す点線は、塑性変形が起こる領域、すなわち塑性域を示しており、その先には弾性変形が起こる弾性域が存在している。

図２の符号ｂで示すようなき裂が存在するとき、そのき裂の先端の応力σ_yは下式（１）で表すことができる。なお、下式（１）において、ｒはＹ軸における距離、Ｋは材料特性による定数である。

σ_y＝Ｋ／（２πｒ）^1/2 ・・・（１）

上式（１）から下式（２）を導出することができる。

ｒ＝Ｋ²（２πσ_y ²）・・・（２）

金属のような材料では、応力をかけ続けてゆくと降伏応力以上で塑性変形が生じることが知られている。このとき、き裂の先端では、き裂の成長に先行して塑性変形が起こっており、塑性域ではこの塑性変形によって材料にかけられた応力が吸収されている。

き裂の先端に応力σ_yがかかっているとき、図２に示すように、き裂はｒ＝ｒ_yまで成長しているが、同時に塑性域がｒ＝Ｒまで成長しているので、この塑性域によってき裂を成長させるエネルギーが吸収されてき裂の成長が止まるため、破断を免れている。ｒ_yが塑性域Ｒよりも大きくなるような応力がかけられると、このときにき裂の先端に生じる応力σ_yが塑性域では吸収しきれないので、き裂がさらに成長し、結果として、材料が破断することとなる。
このように、塑性域Ｒ＞ｒ_yの関係が維持されるのであれば、き裂は成長しないので破断しない。一方、金属部材にかける応力が大きくなって、塑性域Ｒ＞ｒ_yの関係が維持できくなると、き裂が成長して破断が生じる。その塑性域Ｒ＞ｒ_yの関係を満たすか否かを左右するのが、上述したしきい値である。
なお、上式（１）において、ｒ＝０のときには応力が無限大に発散するが、これはｒ＝０近傍で塑性変形が生じるためであって、実際は応力は発散せず原子配列などの変形のエネルギーとして吸収されている。

ところで、高強度鋼材などにおいては、水素を吸収すると塑性域が小さくなって強度が低下する水素脆化が発生することが知られている。その一例を図３に示す。この図３は、水素を添加した高強度鋼材と水素を添加していない高強度鋼材に対して引張試験を行ったときの引張強度と伸びとの関係を示す図である。

図３から分かるように、水素を添加していない高強度鋼材（図中“○”で示す。）は、伸びが２０ｍｍを超えたところで破断している一方、水素を添加した高強度鋼材（図中“●”で示す。）は、伸びが１０ｍｍ程度のところで破断している。
これは、高強度鋼材が水素を吸収すると、き裂近傍で塑性変形ができなくなるので、塑性域が小さくなるためである。このような水素脆化が生じた場合においても、塑性域Ｒ＞ｒ_yの関係が維持できないと、高強度鋼材にかかる応力が吸収されないので、き裂が成長して破断が生じる。特に、水素脆化が生じると、水素脆化が生じていない場合よりも小さな応力で破断が生じることとなる。

そこで、本実施の形態では、破断する高強度鋼材に応力をかけた状態で、これを水素脆化が起こる環境中にさらす。これにより、水素脆化が進行することによって高強度鋼材の塑性域が小さくなって塑性域Ｒ＞ｒ_yの関係を維持できなくなるので、水素脆化が生じない場合よりも小さな応力で高強度鋼材を破断させたり、短時間で高強度鋼材を破断させたりすることができる。

＜破砕方法＞
次に、図４を参照して、本実施の形態に係る破砕方法について説明する。

まず、水素脆化が発生していない破断対象物のしきい値を検出する（ステップＳ１）。具体的には、破断する高強度鋼材について、図１に示すような応力と破断するまでに要した時間との関係を取得し、この関係に基づいてしきい値を検出する。
なお、その応力と時間との関係は、後述するステップＳ２で応力をかける方法と同等の方法で取得した関係を用いることが望ましい。例えば、高強度鋼材を一軸引張により破断する場合には、その関係についても一軸方向の引張試験による測定結果を用いることにより、より正確なしきい値を得ることができる。

しきい値を検出すると、このしきい値を超える応力を破断させる高強度鋼材にかける（ステップＳ２）。

本実施の形態において、破断させる高強度鋼材にかける応力は、しきい値以上であれば、適宜自由に設定することができる。このようにしきい値以上の応力をかけることにより、確実に高強度鋼材を破断させることができる。このとき、例えば、しきい値よりも大きくすればするほどより短時間で破断させることができるので、所望する破断までの所要時間などに応じて設定するようにしてもよい。
なお、破断対象物には、しきい値未満の応力をかけるようにしてもよい。このようにしても、水素脆化によって塑性域が小さくなるので、破断できる場合がある。

応力をかける方法は、各種方法を用いることができる。例えば、一軸引張により応力をかけるようにしてもよい。また、高強度鋼材が棒状や板状に形成されているのであれば、曲げによって応力をかけるようにしてもよい。特に、板状の場合には、弱軸方向に曲げを与えることが望ましい。また、錘などで荷重をかけることによって応力をかけるようにしてもよい。

また、図５に示すように、板状の高強度鋼材１を一対の波状の治具２，３に挟みこみ、積層方向に貫通するロッドとこの両端に螺着したボルト等によって、それらの部材が互いに近づく方向に定荷重をかけることによって、多数の支点で曲げ荷重を加えるようにしてもよい。この場合には、より小さく破断することが可能となる。なお、治具２，３に挟み込む強高度鋼材１は１枚に限定されず複数枚を挟み込むようにしてもよい。例えば、応力をかける方向に直列に複数枚重ねるようにしてもよい。
さらに、強高度鋼材に定荷重がかける方法は、治具を用いる方法に限定されず、各種方法を用いることができる。例えば、所定の重量物を吊すまたは載せることにより、重力の作用を利用して定荷重をかけるようにしてもよい。この場合においても、荷重をかける強高度鋼材の数量は１つに限定されず、複数枚にまとめて荷重をかけるようにしてもよい。例えば、応力をかける方向に直列に複数枚重ねるようにしてもよい。

最後に、応力がかけられた状態の高強度鋼材を、水素脆化が発生する環境下に晒す（ステップＳ３）。
例えば酸などの水素脆化が発生する溶液を高強度鋼材にかけたり、その溶液を貯留した水槽に高強度鋼材を浸漬したりすることができる。

水素脆化が発生する環境下に晒したのち、所定の時間が経過すると、高強度鋼材は破断することとなる。水素脆化が発生することにより塑性域が小さくなるので、水素脆化が発生しない場合よりも、小さい応力で破断させたり、短時間で破断させたりすることができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、高強度鋼材をより小さな応力で破断させることができる。結果として、高強度材の破断に要するコストや手間が抑えることができる。

なお、本実施の形態では、破断対象物を高強度鋼材とした場合を例に説明したが、水素脆化が発生する材料であるならば高強度鋼材に限定されず、金属鋼材など各種材料を適用することができる。

本発明は、水素脆化が発生する材料を破断する各種方法に適用することができる。

１…高強度鋼材、２，３…治具。

Claims

水素脆化が発生する破断対象物に応力をかける応力付与ステップと、
応力がかけられた状態の前記破断対象物を、水素脆化が発生する環境に晒す水素脆化ステップと
を有することを特徴とする破断方法。
請求項１記載の破断方法において、
前記応力付与ステップは、水素脆化が生じていない状態の前記破断対象物が破断するしきい値以上の応力をかける
ことを特徴とする破断方法。
請求項１または２記載の破断方法において、
前記破断対象物は、強高度鋼材である
ことを特徴とする破断方法。