2019 Fiscal Year Research-status Report

繰返し負荷による破壊靱性低下の影響を考慮した溶接接合部の脆性破壊評価

Research Project

Project/Area Number	19K04721
Research Institution	Ariake National College of Technology
Principal Investigator	岩下勉有明工業高等専門学校, 創造工学科, 教授 (10332090)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	東康二崇城大学, 工学部, 教授 (80320414)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	脆性破壊 / 破壊靱性 / 繰返し負荷 / ワイブル応力 / 破断サイクル数 / 累積疲労損傷度
Outline of Annual Research Achievements	本研究では，包括的な材料靱性レベルにおいて切欠き付鋼試験片の繰返し載荷による破壊実験および有限要素解析によって得られるワイブル応力等の脆性破壊評価のクライテリアと破断サイクル数の関係を定量化することを目的としている．本研究室ではこれまでに2種類の材料（中靱性，低靱性）に関して，切欠きを有する鋼試験片の繰返し載荷破壊実験により，繰返し負荷が脆性破壊発生時期に及ぼす影響について検討を行っている．2019年度は，これら2種類の材料において異なる温度，つまり，異なる靱性レベルで繰返し載荷実験を行うことで，計4種類の靱性レベルにおける破壊実験の結果を得た．具体的には，各試験片に対して，数種類の異なる繰返し振幅を与え，その振幅の大きさが破断サイクル数に与える影響について定量化を試みた．その結果，脆性破壊の発生にばらつきはあるものの，振幅と破断サイクル数には強い相関があり，この関係から得られた近似式は脆性破壊の発生を概ね捉えることができた．また，実験を再現する有限要素解析により，切欠き周辺の応力状態を把握し，脆性破壊発生の評価指標であるワイブル応力を把握した．これにより，切欠きに作用するワイブル応力と破断サイクル数の間にも強い相関が確認でき，近似式により脆性破壊の発生を概ね捉えることができた．これらワイブル応力と破断サイクル数の関係から得られた近似式，および，累積疲労損傷度の考え方を用いて，繰返し負荷を受ける鋼試験片の脆性破壊の発生を予測した結果，脆性破壊特有のばらつきはあるものの，大半の試験片において20%の誤差範囲で脆性破壊時の累積塑性変形能力を推定することができた．一方，一部の試験片で予測精度が著しく悪いものもあったため，追加検証のための実験が必要と考えている．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 実験に関しては，当初2019年度に予定していた材料購入，素材試験片・切欠き付き試験片の作成を行わず，これまでの研究における試験片，残材等を利用して実験を行ったため，試験温度を変化させて，予定していた複数の靱性レベルでの繰返し破壊実験を実施した．なお，実験にあたっては，予定通り，試験機（サーボパルサ）の修理・メンテナンスを行っており，実験を適切かつ正確に実施することができた．なお，新規材料による実験は，2019年度の結果を踏まえて，2020年度に実施する．また，有限要素解析に関しても，異なる温度での素材試験を実施することで，材料データを得て，脆性破壊予測に必要なワイブル応力の算出も行った．前述の通り，当初予定の材料購入は行わなかったものの，予定していた複数靱性レベルの実験・解析により脆性破壊発生の予測を行った．加えて，得られた結果に関して，成果公表のための査読論文投稿も行った．以上から，本年度の進捗状況を「おおむね順調に進展している」とした．
Strategy for Future Research Activity	【現在までの進捗状況】で述べた通り，2019年度は概ね予定通りに進んでいる．よって，2020年度も当初の予定通りに進める形で特に問題ないと考えている．実験は，2019，2020年度の2年計画で実施予定であり，2020年度は，新規材料により素材試験片・切欠き付き試験片を作成して，2019年度と同様に数種類の振幅による繰返し実験を行う予定である．また，新規材料であるため，材料特性を得るための素材試験やシャルピー衝撃試験等もあわせて実施する．一方，新型コロナウイルス感染症の影響で学生の登校について見通しが立っていない．また，学生が登校できても通常通り実験ができるのかの見通しも立っていない状況である．不透明な情勢であるが，技術職員の協力を得ながら，また，新型コロナウイルス感染症対策を講じながら実験を進める予定である．また，新規材料（試験片）における有限要素解析を並行して進め，脆性破壊予測のためのワイブル応力を算出し，2019年度同様，脆性破壊の予測について検討を行う．また，2019年度，2020年度に渡って得られた結果から脆性破壊予測の統一的評価方法についても検討を行う予定である．
Causes of Carryover	当初2019年度に材料購入，素材試験片・切欠き付き試験片による費用を計上していたが，それ以前の残材・試験片を活用することで，2019年度の研究を実施し，それらの結果を踏まえて当初予定の材料購入・試験片製作を2020年度に行うこととした．これにより試験片の一括発注ができ，試験片製作コストを低減させる．また，解析環境の向上のため，高性能パソコンを購入予定である．