JP6809213B2 - 試験方法、試験片の製造方法、及び試験片 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管の疲労特性の試験方法、並びに当該試験方法に用いる試験片の製造方法及び試験片に関する。

鋼管は、外面と比較して内面の品質管理が困難である。機械構造部品として用いられる鋼管には所定の疲労耐久性が求められるが、鋼管の内面性状が不芳であると、内面を起点として疲労破壊する場合がある。そのため、鋼管の内面の疲労特性を評価できる試験方法が必要である。

しかし、単純に管状の試験片の両端部を拘束してねじり負荷又は曲げ負荷を加えると、試験片の内面よりも先に外面や拘束部（掴み部）から疲労破壊が起こる。そのため、内面を起点とした疲労破壊を再現した試験を実施することは困難である。

特許第５５０３６０８号公報には、円筒形金属素材の疲労破壊評価方法が開示されている。同公報には、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％以下にするとともに、中央部の外径と内径の比を（外径／内径）≦２とすること、中央部の外表面に素材の引張強度の２５％以上、その外表面より０．８ｍｍ深さの位置に素材の引張強度の２．５％以下の残留圧縮応力を負荷した状態にすること、試験材に繰り返し曲げ負荷あるいはねじり負荷を加えることで試験材の内面に疲労破壊を発生させて疲労破壊特性を評価すること、等が記載されている。

特許第５５０３６０８号公報

西田正孝、「応力集中」、森北出版、１９８４、ｐｐ．１８０−１８１ 日本材料学会編、「疲労設計便覧」、図２．８ 日本機械学会編、「機械工学便覧α３ 材料力学」、ｐ．１７ 井上関次、「中空スタビライザの設計」、ばね論文集ｖｏｌ．１９８３（１９８３）Ｎｏ．２８、ｐｐ．４６−５４

特許第５５０３６０８号公報に記載された方法によれば、鋼管内面の疲労特性を評価することができる。しかし、この方法では、実際の鋼管の形状に近い試験片を用いるため、鋼管の寸法によっては大型の試験装置が必要になる。また、試験片が大きくなると高周波数での試験が困難になるため、試験時間が長くなる。さらに、評価のための材料が多量に必要になり、試験片の加工費用が嵩む等、経済性にも問題がある。

本発明の目的は、経済性及び試験速度の点で有利な比較的小型の試験片を用いて、鋼管の疲労特性を評価できる試験方法を提供することである。本発明の他の目的は、同試験方法に好適な試験片、及びその製造方法を提供することである。

本発明の一実施形態による試験方法は、内径２ρの鋼管から前記鋼管の内面を含むように採取された試験片を準備する工程と、前記試験片を用いて疲労試験を実施する工程とを備える。前記試験片は、断面が概略矩形であって前記鋼管の内面である断面弓形の溝を有し、前記溝の深さｄと前記試験片の標点部の厚さｈとが下記の式（１）を満たし、前記試験片の標点部の幅ｗが前記試験片の標点部の厚さｈ以上であり、前記溝の深さｄと前記内径２ρとが下記の式（２）を満たす。
ｄ≦０．２５ｈ （１）
ρ≧ｄ （２）

本発明の一実施形態による試験片の製造方法は、内径２ρの鋼管を準備する工程と、前記鋼管から、前記鋼管の内面を含むように試験片を採取する工程とを備える。前記試験片は、断面が概略矩形であって前記鋼管の内面である断面弓形の溝を有し、前記溝の深さｄと前記試験片の標点部の厚さｈとが下記の式（１）を満たし、前記試験片の標点部の幅ｗが前記試験片の標点部の厚さｈ以上であり、前記溝の深さｄと前記内径２ρとが下記の式（２）を満たす。
ｄ≦０．２５ｈ （１）
ρ≧ｄ （２）

本発明の一実施形態による概略矩形試験片は、疲労試験用の試験片であって、前記試験片は、曲率半径ρの断面弓形の溝を有し、前記溝の深さｄと前記試験片の標点部の厚さｈとが下記の式（１）を満たし、前記試験片の標点部の幅ｗが前記試験片の標点部の厚さｈ以上であり、前記溝の深さｄと前記曲率半径ρとが下記の式（２）を満たす。
ｄ≦０．２５ｈ （１）
ρ≧ｄ （２）

本発明によれば、比較的小型の試験片を用いて、鋼管の疲労特性を評価できる。

図１は、本発明の一実施形態による試験方法のフロー図である。 図２は、鋼管と当該鋼管から採取される試験片との関係を示す図である。 図３は、採取された試験片の斜視図である。 図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 図５は、溝の曲率半径ρが溝の深さｄよりも小さい場合を示す図である。 図６は、試験片の製造方法の一例を示すフロー図である。 図７は、ねじり試験を説明するための図である。 図８は、曲げ試験を説明するための図である。 図９は、疲労試験装置の構成の一例を示す模式図である。 図１０は、簡易試験から得られた疲労特性と実体試験の結果とを比較して示すＳ−Ｎ線図である。 図１１Ａは、試験片の破断面の写真である。 図１１Ｂは、図１１Ａを模式的に図示したものである。 図１２Ａは、鋼管の破断面の写真である。 図１２Ｂは、図１２Ａを模式的に図示したものである。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

図１は、本発明の一実施形態による試験方法のフロー図である。この方法は、鋼管から当該鋼管の内面を含むように採取された試験片を準備する工程（ステップＳ１）と、この試験片を用いて疲労試験を実施する工程（ステップＳ２）とを備えている。以下、各工程を詳述する。

［試験片を準備する工程］
鋼管から当該鋼管の内面を含むように採取された試験片を準備する（ステップＳ１）。図２は、鋼管１０と鋼管１０から採取される試験片２０との関係を示す図である。図３は、採取された試験片２０の斜視図である。

図２に示すように、試験片２０は、鋼管１０の内面（内周面）１０ａを含むように採取されたものである。図３示すように、試験片２０は溝２０ａを有しているが、この溝２０ａは、鋼管１０の内面１０ａであった部分をそのまま残したものである。

以下の説明では、溝２０ａが延びる方向（ｙ方向）を試験片２０の長さ方向と呼ぶ。図２に示すように、試験片２０の長さ方向は、鋼管１０の管軸方向と概略平行である。また、試験片２０の長さ方向と垂直な断面（ｘｚ平面）において、溝２０ａの最深部における溝２０ａの法線方向（ｚ方向）を試験片２０の厚さ方向と呼ぶ。さらに、長さ方向及び厚さ方向の両方に垂直な方向（ｘ方向）を試験片２０の幅方向と呼ぶ。これらに対応して、長さ方向、厚さ方向、及び幅方向の寸法をそれぞれ、長さ、厚さ、及び幅と呼ぶ。

図３に示すように、試験片２０は、標点部２１と、標点部２１の両隣に形成された掴み部２２とを備えている。掴み部２２の幅ｗ１は、標点部２１の幅ｗ（図４）よりも大きい。これは、疲労試験の際に標点部２１で疲労破壊させるためである。より確実に標点部２１で疲労破壊させるためには、長さ方向と垂直に切断した断面について、掴み部２２の断面積を標点部２１の断面積の２倍以上にすることが好ましい。また、標点部２１と掴み部２２との間で応力集中が起きないように、標点部２１と掴み部２２とは、大きな曲率半径で連結されていることが好ましい。例えば、曲率半径は標点部２１の幅ｗの４倍以上とすればよい。

図３に示す例では、標点部２１と掴み部２２とは同じ厚さｈに形成されている。しかし、標点部２１と掴み部２２とは、大きな曲率半径で連結されていれば厚さが異なっていてもよい。例えば、曲率半径は試験片の厚さの４倍以上にすればよい。

図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。図４は、具体的には、試験片２０の標点部２１を長さ方向と垂直に切断した断面図である。

図４に示すように、試験片２０の標点部２１の断面は、幅ｗ、厚さｈの概略矩形の形状であって、幅ｗの側面の一方に溝２０ａが形成された形状を有している。上述のとおり、溝２０ａは、鋼管１０（図２）の内面１０ａであった部分をそのまま残したものである。そのため、溝２０ａの断面は、円の一部を切り取った弓形の形状を有している。ここで「弓形」とは、円の弧とその弦とによって画された形状を意味する。また、溝２０ａの曲率半径ρは、鋼管１０（図２）の内径（２ρ）の半分である。

溝２０ａの深さｄと標点部２１の厚さｈとは、下記の式（１）を満たす。
ｄ≦０．２５ｈ （１）
ここで、溝２０ａの深さｄは、溝２０ａが形成された面から溝２０ａの最深部までの距離を意味する。

溝２０ａの深さｄが０．２５ｈよりも大きくなると、標点部２１の断面形状が矩形から離れ、意図した応力分布が得られなくなる。具体的には、疲労破壊の生じやすい溝の最深部に高い応力集中が生じ、微視き裂の発生による応力緩和が大きくなりすぎるため実体の疲労特性を正しく評価できなくなるからである。溝２０ａの深さｄは、好ましくは０．１０ｈ以下であり、さらに好ましくは０．０５ｈ以下である。一方、溝２０ａの深さｄを小さくしすぎると、加工が困難になる。溝２０ａは、好ましくは０．０１ｍｍ以上である。

標点部２１の幅ｗは、標点部２１の厚さｈ以上にする。これは、標点部２１の中心を通る軸をねじり中心としたとき、溝２０ａに最大応力を発生させるためである。すなわち、評価したい部位である鋼管１０（図２）の内面相当部に最大応力を発生させるためである。標点部２１の幅ｗは、標点部２１の厚さｈの１．１５倍以上であることが好ましい。Ｗ≧１．１５ｈであれば、溝２０ａに発生する応力を他の部位に発生する応力よりも少なくとも５％大きくすることができるため、適切な評価をできる可能性が高まる。

標点部２１の幅ｗは、溝２０ａの幅ｂよりも大きいことが好ましい。標点部２１の幅ｗが溝２０ａの幅ｂ以下であると、標点部２１の断面形状が矩形から離れ、意図した応力分布が得られなくなる。なお、溝２０ａの幅ｂは２ρｓｉｎ（ａｒｃｃｏｓ（（ρ−ｄ）／ρ））としても求めることができる。

標点部２１の厚さｈは、鋼管１０（図２）の肉厚をｔとして、好ましくは０．１ｔ＜ｈ＜ｔである。鋼管の表層の加工傷や脱炭層は鋼管１０の肉厚ｔの数％程度の領域に分布しているため、肉厚ｔの１０％よりも標点部の厚さｈが厚くなるように試験片を採取すれば、鋼管内面の性状をより適切に評価することができる。標点部２１の厚さｈが大きいほど、鋼管と同様のき裂発生、き裂進展をして破断に至ると期待できるため、より適切な評価をできる可能性が高まる。一方、標点部２１の厚さｈを鋼管１０の肉厚ｔ以上にしても、断面形状が矩形から離れるだけで有利な効果がない。

標点部２１の厚さｈの下限は、好ましくは０．１ｍｍである。厚さｈが０．１ｍｍ未満であると、疲労試験を実施することが難しくなる。標点部２１の厚さｈの上限は、好ましくは１００ｍｍである。

標点部２１の長さＬの下限の定めはない（下限は０ｍｍ）。長さＬが０ｍｍであっても疲労破壊の開始（き裂発生）時までの評価をすることができる。長さＬの好ましい下限は９ｍｍである。長さＬが９ｍｍ以上であれば、疲労破壊によるき裂が生じてもき裂が標点部２１の範囲内におさまり、試験片が破断するまでの評価をすることができる。標点部２１の長さＬの上限の定めはないが、長さＬが長すぎると試験設備が大きくなるため、例えば、１００ｍｍ以下にすればよい。

溝２０ａの曲率半径ρを溝２０ａの深さｄ以上にする。

溝２０ａの曲率半径ρが溝２０ａの深さｄよりも小さくなると、図５のように溝２０ａと平坦部２３との境界部２３ａの角度が鋭角となり、疲労試験の際に応力集中によって疲労特性を正しく評価できなくなる。

［試験片２０の製造方法］
図６は、試験片２０の製造方法の一例を示すフロー図である。この製造方法は、内径２ρの鋼管を準備する工程（ステップＳ１−１）と、この鋼管から当該鋼管の内面を含むように試験片を採取する工程（ステップＳ１−２）とを備えている。

試験対象となる鋼管を準備する（ステップＳ１−１）。鋼管は、継目無鋼管であってもよいし、溶接鋼管であってもよい。鋼管の寸法は特に限定されないが、本実施形態による試験方法は、肉厚が０．６〜１００ｍｍの鋼管に対して特に好適である。

準備した鋼管から、上述した寸法条件を満たす試験片を採取する（ステップＳ１−２）。試験片の採取は、通常の機械加工により行うことができる。鋼管内面の疲労特性を調べるため、鋼管の内面に相当する溝には、表面処理を行わないことが好ましい。

［疲労試験を実施する工程］
準備した試験片２０を用いて、疲労試験を実施する（ステップＳ２（図１））。疲労試験は、試験片２０にねじり負荷を繰り返し加えるねじり疲労試験、及び試験片２０に曲げ負荷を繰り返し加える曲げ疲労試験のどちらでもよい。また、試験片２０に、ねじり負荷及び曲げ負荷の両方を同時に加える疲労試験を実施してもよい。

まず、図７を参照して、試験片２０を用いてねじり疲労試験を実施する場合を説明する。図７に示すように、長さ方向と概略平行で標点部２１の中心を通る軸を中心として、試験片２０にトルクＴを加える。すなわち、モーメントの向きが鋼管の管軸方向と概略平行になる負荷を加える。このとき、掴み部２２の一方を固定して他方のみを回転させるようにしてもよいし、両方の掴み部２２を互いに反対方向に回転させるようにしてもよい。

所定の周波数で評価したいトルクの大きさで、試験片２０にねじり負荷を繰り返し加える。これによって、例えば試験片２０が破断するまでの繰り返し数を測定し、最大応力と破断繰り返し数との関係を調べることができる。あるいは、所定の繰り返し数で試験片が破断するかどうかを調べることができる。なお、変動応力は片振りであってもよいし、両振りであってもよい。

次に、図８を参照して、試験片２０を用いて曲げ疲労試験を実施する場合を説明する。図８に示すように、長さ方向と概略垂直で標点部２１の中心を通る軸を中心として、試験片２０にトルクＴを加える。すなわち、モーメントの向きが鋼管の管軸方向と概略垂直になる負荷を加える。ねじり試験の場合と同様に、掴み部２２の一方を固定して他方のみを回転させるようにしてもよいし、両方の掴み部２２を互いに反対方向に回転させるようにしてもよい。

以下、ねじり試験の場合と同様に、所定の周波数で試験片２０に繰り返し曲げ負荷を加えることで、材料の疲労特性を評価することができる。

図９は、疲労試験装置の構成の一例を示す模式図である。この装置は、一対のチャック３１、モータ３２、トルクセル３３、及び制御装置３４を備えている。

試験片２０は、一対のチャック３１によって拘束される。試験片２０の一方の端部はモータ３２に接続され、他方の端部はトルクセル３３に接続される。モータ３２は、試験片２０にねじり負荷又は曲げ負荷を加える。トルクセル３３は、試験片２０に加わる実負荷を測定する。制御装置３４は、モータ３２を駆動するとともに、トルクセル３３の出力を記録する。

この装置の構成によれば、長さ方向がモータ３２の回転軸と平行になるように試験片２０を配置することで、ねじり疲労試験を実施することができる。また、長さ方向がモータ３２の回転軸と垂直になるように試験片２０を配置することで、曲げ疲労試験を実施することができる。さらに、試験片をこれらの中間の角度に配置することで、試験片にねじり負荷及び曲げ負荷の両方を同時に加える疲労試験を実施することもできる。

以上、本発明の一実施形態による試験方法を説明した。本実施形態によれば、比較的小型の試験片を用いて、鋼管の疲労特性を評価することができる。

［本実施形態の変形例］
上述した実施形態では、標点部の断面形状が概略矩形である場合を説明した。しかし、ねじり中心からの距離が最も近い面に溝２０aが存在していれば、標点部の断面形状にかかわらず、溝２０aに最大応力が加わる。そのため、断面形状に応じた基準応力及び応力集中係数を算出すれば、矩形以外の断面形状、例えば、円形断面、楕円形断面、三角形断面であっても試験を実施することができる。

矩形断面の場合、基準応力τ_０は下記のようになる。

ただし、Ｔはトルクの大きさ、ｗは標点部の幅、ｈは標点部の高さ、ｋ_１は、矩形断面のねじり応力の係数であり、文献等で公表されている（日本機械学会編、「機械工学便覧α３ 材料力学」、ｐ．１７を参照）。例えば、ｗ／ｈ＝１．５のとき、ｋ_１＝０．２３１０である。

円形断面の場合、基準応力τ_０は下記のようになる。

ただし、ｄは円形断面の直径である。最大応力部は円外周のすべてである。

楕円形断面の場合、基準応力τ_０は下記のようになる。

ただし、ａは長半径、ｂは短半径である。最大応力部は短軸と円周との交点である。

正三角形断面の場合、基準応力τ_０は下記のようになる。

ただし、ａは一辺の長さである。最大応力部は各辺の中点である。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されない。

［実体試験との比較］
鋼管を用いた疲労試験（以下「実体試験」という。）と、上記実施形態で説明した試験片による疲労試験（以下「簡易試験」という。）との結果を比較した。

簡易試験用の試験片は、以下のように作製した。まず、質量％で、Ｃ：０．３％、Ｓｉ：０．３％、Ｍｎ：０．８％、Ｐ：０．０１６％、Ｓ：０．００４％を含有する、外径２５．５ｍｍ、肉厚４ｍｍの鋼管を準備した。この鋼管に、ソルトバスで９５０℃×１０分間加熱した後水冷する焼入れ処理と、大気中で２００℃×１時間加熱する焼戻し熱処理とを実施した。熱処理後の鋼管の内面の硬さは、ＨＶ４０１〜４９８であった。

熱処理された鋼管から、試験片長さ６０．０ｍｍ、標点部長さＬ＝９．５ｍｍ、掴み部幅ｗ１＝８．０ｍｍ、標点部幅ｗ＝３．５ｍｍ、試験片厚さｈ＝２．０ｍｍ、溝の曲率半径ρ（図４を参照）＝８．７ｍｍとし、溝の深さｄ（図４を参照）＝０．１０ｍｍとなるように試験片を機械加工によって採取した。

図１０は、簡易試験から得られた疲労特性と実体試験の結果とを比較して示すＳ−Ｎ線図である。図１０の縦軸はせん断応力振幅であり、疲労破壊の基点となりやすい溝の最深部の応力振幅に相当する。図１０中の白抜きのマークは、簡易試験から得られた結果である。図１０中の実線は、井上関次、「中空スタビライザの設計」、ばね論文集ｖｏｌ．１９８３（１９８３）Ｎｏ．２８、ｐｐ．４６−５４に掲載されている硬さが同程度である材料（ＨＲＣ４２〜４５（ＨＶ４１２〜４４６））の実体試験から得られた結果である。図１０から、簡易試験によって疲労特性が評価できることがわかる。

なお、井上らにより、ＨＲＣ４２〜４５（ＨＶ４１２〜４４６）では、焼入れ焼戻しの熱処理をした材料では、同一硬さでは疲労強度もほぼ同一であることが確認されており、図１０から、簡易試験によって実体試験の結果をよく再現できていることがわかる。

図１１Ａは、試験片の破断面の写真であり、図１１Ｂは図１１Ａを模式的に図示したものである。図１２Ａは、鋼管の破断面の写真であり、図１２Ｂは図１２Ａを模式的に図示したものである。図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、試験片は、内面（溝側）を起点として半楕円形状にき裂が進展して破断に至っている。図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、鋼管の破断面にも同様の破壊形態が見られる。このことから、簡易試験によって実体試験の破壊形態を模擬できていることがわかる。

以上、本発明の実施の形態を説明した。上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

１０ 鋼管
１０ａ 内面
２０ 試験片
２０ａ 溝
２１ 標点部
２２ 掴み部
３１ チャック
３２ モータ
３３ トルクセル
３４ 制御装置

Claims (3)

1. 内径２ρの鋼管から前記鋼管の内面を含むように採取された試験片を準備する工程と、
   前記試験片を用いて疲労試験を実施する工程とを備え、
   前記試験片は、断面が概略矩形であって前記鋼管の内面である断面弓形の溝を有し、
   前記溝の深さｄと前記試験片の標点部の厚さｈとが下記の式（１）を満たし、
   前記試験片の標点部の幅ｗが前記試験片の標点部の厚さｈ以上であり、
   前記溝の深さｄと前記内径２ρとが下記の式（２）を満たす、試験方法。
   ｄ≦０．２５ｈ （１）
   ρ≧ｄ （２）
2. 内径２ρの鋼管を準備する工程と、
   前記鋼管から、前記鋼管の内面を含むように試験片を採取する工程とを備え、
   前記試験片は、断面が概略矩形であって前記鋼管の内面である断面弓形の溝を有し、
   前記溝の深さｄと前記試験片の標点部の厚さｈとが下記の式（１）を満たし、
   前記試験片の標点部の幅ｗが前記試験片の標点部の厚さｈ以上であり、
   前記溝の深さｄと前記内径２ρとが下記の式（２）を満たす、試験片の製造方法。
   ｄ≦０．２５ｈ （１）
   ρ≧ｄ （２）
3. 鋼管から前記鋼管の内面を含むように採取された、疲労試験用の試験片であって、
   前記試験片は、前記鋼管の内面である、曲率半径ρの断面弓形の溝を有し、
   前記溝の深さｄと前記試験片の標点部の厚さｈとが下記の式（１）を満たし、
   前記試験片の標点部の幅ｗが前記試験片の標点部の厚さｈ以上であり、
   前記溝の深さｄと前記曲率半径ρとが下記の式（２）を満たす、断面概略矩形試験片。
   ｄ≦０．２５ｈ （１）
   ρ≧ｄ （２）