| 研究概要 |
機械・構造物の疲労信頼性の確保,疲労強度向上と長寿命化を目的として,各種の表面改質処理が行われている.本研究ではセラミックス被覆,プラズマ光輝窒化およびショットピーニング処理を施した材料の超長寿命域における回転曲げ疲労試験を行い,疲労強度に及ぼす表面改質処理の影響と表面改質層の役割について検討を行った.得られた主な結論は以下の通りである.
(1)高炭素クロム軸受鋼JIS SUJ2,高速度工具鋼JIS SKH51および低合金鋼JIS SNCM439低温焼戻し材の疲労試験から得られたS-N曲線は破壊機構の異なる2本のS-N曲線となり,「二重S-N曲線」と命名した.1本のS-N曲線は高応力振幅・短寿命域に現れる表面き裂発生型疲労破壊によるものであり,他の1本は低応力振幅・長寿命域に現れる内部非金属介在物を起点とする内部き裂発生型疲労破壊によるものである.これらS-N曲線の形態は材種,熱処理条件,表面性状の影響を受けて変化し,4種類に分類できることを指摘した.
(2)表面改質処理によって導入された高硬度層および圧縮残留応力の影響により,表面き裂発生型疲労のS-N曲線は高応力振幅・長寿命側に移行して疲労強度の向上が認められるが,内部き裂発生型疲労破壊のS-N曲線が現れて表面改質処理による疲労強度向上に限界が現れる.内部き裂発生型疲労破壊のS-N曲線は表面改質処理の影響を受けず,材料固有の特性となることを指摘した.
(3)内部き裂発生起点となった介在物周囲には粒状で輝いた特異な破面様相が観察され,これをGBF (Granular bright facet)と命名した.これは超長寿命域で現れる疲労破壊の特徴として重要であることを破壊力学的検討を通して明らかにした.GBF形成の機構をコンピュータ・シミュレーションによるトポグラフィ解析によって検討し,「微細炭化物の離散剥離説」を新たに提案した.
(4)アルミニウム合金の表面改質処理として実施されているアルマイト処理材の疲労強度特性について検討を行った.その結果,疲労過程中に累積される疲労変形によってアルマイト皮膜が破壊し,この割れを起点として基材に疲労き裂を誘起することによって疲労強度が低下する可能性のあることを指摘した.アルマイト処理材の疲労強度は基材の疲労変形を基礎とした寿命評価を実施することが適当であることを提案した.
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