2022 Fiscal Year Annual Research Report

Improved fatigue strength of high-strength steels fabricated by additive manufacturing in the very high cycle regime

Research Project

Project/Area Number	22H01356
Allocation Type	Single-year Grants
Research Institution	Yokohama National University
Principal Investigator	高橋宏治横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (90334630)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	古谷佳之国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, グループリーダー (60354255)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Keywords	3D積層造形 / 高強度鋼 / 超高サイクル疲労強度 / ピーニング
Outline of Annual Research Achievements	近年、金属製品における低コスト化、軽量化、製造の時間短縮などの観点から、新たな製造方法として、3Dプリンタによる3D積層造形技術が注目されている。しかし、3D積層造形材は、その積層過程で生成される欠陥の影響を受け、従来材よりも疲労強度が低いことが知られている。特に近年では、材料の長寿命化が期待されており、超高サイクル領域における疲労特性の重要性が増してきている。しかし、3D積層造形材の超高サイクル疲労特性は未解明である。本研究では疲労強度向上手法として、大きく深い圧縮残留応力が導入できるレーザピーニング（LP）に着目した。本年度は、3D積層造形したマルエージング鋼の回転曲げ強度特性に及ぼすLPの影響について調査し、以下の結果が得られた。 (1)LP施工を行っていない平滑材に関して、回転曲げ疲労試験では2重S-N線図が確認され、10^7回付近までは表面破壊、それ以降では内部破壊となった。 (2)回転曲げ疲労試験において、LP施工した試験片ではすべて内部破壊となり、LP施工を行っていない試験片と比べて、高応力側では疲労寿命が約50倍まで向上した。しかし、10^7を超える超高サイクル領域では、LP施工による顕著な疲労強度向上は見られなかった。 (3)LP施工により、表面からの深さが0.23 mmの位置まで圧縮残留応力が導入されたが、それよりも深い内部では残留応力は引張となった。 (4)表面近傍におけるき裂の進展が抑制されたことが高応力側での疲労強度向上の要因である。内部の引張残留応力により疲労き裂進展が促進されたことが、疲労強度が顕著には向上しなかった原因として考えられる。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 3D積層造形したマルエージング鋼の回転曲げ疲労強度特性を実施し、基礎的な超高サイクル疲労強度特性を明らかにすることができたため、予定通りに進んでいる。
Strategy for Future Research Activity	今後は、超音波疲労試験による10^9回までの疲労強度を評価するとともに、超高サイクル疲労領域において、効果的な疲労強度向上手法を探求する。圧延などの従来製法で作製されたマルエージング鋼の疲労強度特性と比較する。