2017 Fiscal Year Research-status Report
Changing mechanisms of surface topography and the fatigue damage assessment in cyclically loaded metal materials
| Project/Area Number |
17K14552
|
|---|
| Research Institution | Hokkaido University |
|---|
Principal Investigator |
藤村 奈央 北海道大学, 工学研究院, 助教 (40732988)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2019-03-31
|
| Keywords | 表面性状 / 疲労損傷評価 / ステンレス鋼 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、繰返し負荷を受けた金属材料の損傷の程度を、表面粗さを測定することによって評価する方法の提案を目指して、繰返し塑性変形によって変化する表面性状の形成過程ならびに変化機構を明らかにし、この変化を定量的に評価する手法の確立を目的としている。平成29年度は、ひずみ振幅を一定とした低サイクル疲労試験におけるステンレス鋼の表面性状の変化を、表面性状パラメータを用いて定量的に評価するとともに、表面に形成された微細な凹凸の形成・成長過程を調べることで、評価パラメータと実際に表面で生じている現象との関係を検討した。具体的には以下の通りである。
まず、疲労試験中、定期的にレーザー顕微鏡を用いて形状測定を行い、試験片表面に形成される凹凸の成長を調査した。調査対象は、すべりによって生じるすべり帯表面の微細な凹凸と結晶粒の変形・回転によって生じる凹凸の2種類である。これらを構成する波は波長が異なるため、形状測定において得た3次元画像に対して2次元フーリエ変換を用いた周波数解析を行うことで、2種類の凹凸を分離した。そして各凹凸の高さを測定した。その結果、すべり帯由来の凹凸と結晶粒の変形・回転による凹凸の高さはいずれも繰返し数の増加に伴って増加すること、繰返しに伴う高さの増加の割合はひずみ範囲の大きさによって異なることが確認された。
次に、同試験片表面のあれ具合を算術平均粗さRaと算術平均うねりWaを用いて評価し、2種類の凹凸の高さ変化と比較した。その結果、すべり帯による凹凸の高さの変化とRa、結晶粒の変形・回転による凹凸の高さとWaの間にはそれぞれ線形的な強い相関関係があることが示された。このことから、表面性状の変化は疲労過程において生じるすべり帯および結晶粒の変形・回転によるものであり、RaおよびWaはこれら局所的な疲労損傷過程に基づいて材料の損傷具合を表すパラメータであることを示した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究において平成29年度の目標は、一定ひずみ範囲下の低サイクル疲労試験において、表面に形成される凹凸の成長過程を詳細に調べることで表面性状の変化機構を明らかにし、これと表面の状態を表す表面性状パラメータとの関係を検討することであった。この目標に対して、おおむね予定通り実験・検討を進めることができ、その結果、繰返し負荷過程において表面に生じる微細な凹凸と表面性状パラメータとの関係を定量的に示すことができた。また、以上の成果を論文としてまとめることができる見通しが立っていることから、おおむね順調に進展していると判断した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
実際に機器が受ける負荷は一定ではなく、大きさや周期が変化する変動負荷である。そのため、表面性状の変化に基づいた評価手法を実機に適用するためには、ひずみ履歴がある場合の表面性状の変化についても検討する必要がある。そこで今後は、材料に付与する負荷をひずみ範囲一定の単純な条件から、ひずみ履歴のある条件へと変更し、より実際の負荷状態に近い試験を実施する。そして、このときの表面性状の変化機構を明らかにし、平成29年度に得られた結果を基に、ひずみ履歴がある場合の疲労損傷量を表面性状の変化に基づいて評価する方法を検討する。
具体的には、表面を鏡面状に磨いた試験片を用いて二段二重疲労試験を行い、定期的にレーザー顕微鏡で試験片の表面形状を計測する。疲労試験では、HighとLowの2種類のひずみ範囲条件を採用し、付与する順序をH→LあるいはL→Hとする。表面形状測定結果に対して周波数解析を行い、すべり帯形成および結晶粒の変形・回転による各凹凸の繰返しに伴う変化を定量的に評価する。また、表面を腐食して結晶粒を観察しやすくした腐食試験片の表面観察を通して、二段二重疲労試験における結晶粒の変形・回転の様子についても詳細な調査を行う。そして、鏡面試験片および腐食試験片より得られた結果から、二段二重疲労試験における表面性状の変化機構を明らかにする。また、上述の検討結果を踏まえ、前年度に得たひずみ範囲一定条件における表面性状の変化傾向を用いて、ひずみ履歴がある場合の変化傾向を記述し、これと表面性状パラメータを用いた測定結果から損傷量を評価する方法を検討する。
|
| Causes of Carryover |
当該年度に参加した国内および国際学会が所属機関を会場として開催されたため移動の必要がなく、旅費の支出が抑えられ、当初の予定よりも使用額が少なくなった。一方、平成29年度に得られた成果を論文としてまとめる目途が立ち、また次年度開催される国際会議でこの成果を発表することが決まったため、当該助成金はこれらに使用することとした。以上、次年度使用額は、翌年度助成金と合わせて国際会議への旅費・参加登録費ならびに投稿論文の費用として用いる予定である。
|
Research Products
(3 results)
