ギガサイクル疲労破壊機構に及ぼす水素の影響の解明と疲労強度信頼性向上方法の確立

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14001002
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 村上 敬宜 九州大学, 大学院・工学研究院, 教授 (10038010)
• 研究分担者: 吉村 達彦 九州大学, 大学院・工学研究院, 教授 (40325501) ; 杉崎 昌和 九州大学, 大学院・総合理工学研究院, 教授 (10037905) ; 南雲 道彦 早稲田大学, 理工学部, 教授 (40208062) ; 高井 健一 上智大学, 理工学部, 助教授 (50317509) ; 松岡 三郎 物質材料研究機構, 材料基盤情報ステーション, 副ステーション長
• キーワード: ギガサイクル疲労破壊 / 水素 / 高強度鋼 / Optically Dark Area (ODA) / フィッシュ・アイ / 介在物 / 極値統計 / √areaパラメータモデル

研究概要

・引張圧縮疲労試験機(10〜300Hz)による繰返し数N=5×10^8の疲労試験および超音波疲労試験機(20kHz)による繰返し数N=3×10^9までの疲労試験をおこない,疲労強度に及ぼす繰返し速度の影響を調べた.
・金属顕微鏡,AFM, SEMによるOptically Dark Area(ODA)とその周囲の観察をおこない,き裂発生,進展機構の破壊力学的考察を行った.
・各種熱処理を施した水素含有量の異なる試験片により疲労試験を行い,水素含有量が多いほどODAの寸法が大きくなることを明らかにした.
・極値統計法による介在物寸法の予測結果と疲労破壊起点の介在物の寸法との相関を調べ,実機の評価を行う際に必要な検査面積を決定する方法を提案した.
・超微小硬度法による介在物のヤング率の評価手法に関する研究をおこない,直径数10μmの介在物のヤング率を測定する手法を開発した.
・トリチウムオートラジオグラフによる金属材料中の水素分布の可視化に関する研究を行い,介在物周辺に存在する水素を可視化する方法を開発した.
・水素含有量の異なる試験片の介在物とその周囲をSIMSにより観察し,ODAの形成と水素含有量には大きな相関があることを明らかにした.
・体積力法,有限要素法による介在物から発生した3次元き裂の応力拡大係数の解析をおこなった.
・水素エンジン燃焼後のシリンダー内の材料の疲労強度評価を行い,水素燃焼が疲労強度に及ぼす影響を調べた.
・研究成果を燃料電池周辺機器へ応用するために,実機で用いられている材料(SUS304)の疲労試験を水素雰囲気中で行い,水素雰囲気中では大気中に比べてき裂進展速度が速くなることを明らかにした.
・ODAの成長曲線と√<area>パラメータモデルを組み合わせた新しい疲労寿命設計法を提案した.

研究成果

• [文献書誌] Yukitaka MURAKAMI: "Stress Singularity at the Corner Point of 3-D Surface Crack under Mode II Loading"JSME International Journal. A Vol.45,No.2. 161-169 (2002)
• [文献書誌] 高橋 宏治: "ねじり疲労強度に及ぼす引張圧縮疲労試験により導入した微小予き裂の影響(せん断平均応力および引張りまたは圧縮平均応力の影響)"日本機械学会論文集(A編). 68巻668号. 117-124 (2002)
• [文献書誌] Yukitaka Murakami: "MECHANISM OF FATIGUE FAILURE IN ULTRALONG LIFE REGIME AND APPLICATION TO FATIGUE DESIGN"Proc. of the Eighth International Fatigue Congress,"Fatigue2002"Stockholm, Sweden. Vol.5. 2927-2938 (2002)
• [文献書誌] Hisao MATSUNAGA: "THE EFFECT OF HYDROGEN ON THE HIGH CYCLE FATIGUE STRENGTH OF TI-6AL-4V"Proc. of the Eighth International Fatigue Congress"Fatigue 2002", Stockholm, Sweden. Vol.4. 2525-2532 (2002)
• [文献書誌] 橋村 真治: "ボルト・ナット締結体における締付け力の検出法"日本機械学会論文集(C編). 68巻671号. 211-218 (2002)
• [文献書誌] 村上 敬宜: "ModeII疲労き裂進展下限界値ΔKIIthの測定"材料. 51巻8号. 918-925 (2002)
• [文献書誌] Yukitaka Murakami: "Influence of Hydrogen Trapped by Inclusions on Fatigue Strength of Bearing Steel"BEARING STEEL TECHNOLOGY, ASTM Stock Number : STP1419. STP1419. 113-124 (2002)
• [文献書誌] K.Mori: "A New non-contacting non-destructive testing method for defect detection in concrete"NDT&E International. 35. 399-406 (2002)
• [文献書誌] Kazuya Mori: "A New Tightening Method for Bolted Joints by the Simultaneous Application of Torque and Compressive Force"SAE 2001 TRANSACTIONS VOL.110 JOURNAL OF MATERIALS & MANUFACTURING CECTION 5. 818-824 (2002)
• [文献書誌] 小田原 悟: "流力弾性振動による疲労破壊(累積疲労損傷値に及ぼす初期欠陥寸法の影響)"日本機械学会論文集(A編). 68巻673号. 76-84 (2002)
• [文献書誌] Yukitaka MURAKAMI: "Growth Mechanism and Threshold of Mode II and Mode III Fatigue Crack"Proc. of the 14th European Conference on Fracture-ECF14 Under the auspices of ESIS and ASTM, Cracow, Poland. Vol.II. 493-500 (2002)
• [文献書誌] J.Nagata: "Influence Factors of the Formation of ODA in Ultralong Fatigue Life Regime"Proc. of the 14th European Conference on Fracture-ECF14 Under the auspices of ESIS and ASTM, Cracow, Poland. Vol.II. 517-524 (2002)
• [文献書誌] Y.MURAKAMI: "Mechanism of fatigue failure in ultralong life regime"Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. Vol.25,No.8/9. 735-746 (2002)
• [文献書誌] 松永 久生: "FODがTi-6Al-4V合金の疲労強度に及ぼす影響"材料. 51巻11号. 1259-1266 (2002)
• [文献書誌] S.Zhou: "Experimental investigation on statistics of extremes for three-dimensional distribution of non-metallic inclusions"Materials Science and Technology. Vol.18. 1535-1543 (2002)
• [文献書誌] Yukitaka Murakami: "Effects of small defects on fatigue properties of materials, mechanism of ultralong life fatigue and applications to fatigue design car components"Proc. of SAE2002 World Congress Detroit, Michigan March 4-7. 2002-01-0575. 1-12 (2002)
• [文献書誌] 植田 徹: "高強度鋼の超長寿命疲労破壊における水素の影響とODAの破面形態"日本機械学会論文集(A編). (in press).
• [文献書誌] 長田 淳治: "超長寿命疲労破壊におけるODA(Optically Dark Area)の形成に及ぼす諸因子"材料. (in press).
• [文献書誌] Y.Furuya: "Improvement of gigacycle fatigue properties by modified ausforming in 1600 and 2000 MPa-class low-alloy steels"Metallurgical and Materials Transactions. 33A. 3421-3431 (2002)
• [文献書誌] 古谷 佳之: "改良オースフォームを適用したSCM440鋼の高サイクル疲労特性(第二報:1600MPa及び2000MPa級改良オースフォーム材の疲労特性)"日本機械学会論文集(A編). 68. 1347-1351 (2002)
• [文献書誌] 古谷 佳之: "超音波疲労試験を利用した介在物検査手法"鉄と鋼. 88. 643-650 (2002)
• [文献書誌] K.Miyahara: "Development and application of a combined AFM-nanoindentation system with a silicon tip and a diamond indenter"Philosophical Magazine. Vol.82. 2149 (2002)
• [文献書誌] Masao Hayakawa: "Microstructural Analyses of Grain Boundary Carbides of Tempered Martensite in Medium-Carbon Steel by Atomic Force Microscopy"Materials Transactions. 43. 1758-1766 (2002)
• [文献書誌] Masao Hayakawa: "Atomic force microscopy of inductuion-and furnace-heating-tempered prestressed steels with different delayed fracture properties"Scripata Materialia. 47. 655-661 (2002)
• [文献書誌] 早川正夫: "改良オースフォームした耐水素割れ感受性に優れる中炭素鋼焼もどしマルテンサイトのAFM組織解析"日本金属学会誌. 66. 745-753 (2002)
• [文献書誌] 阿部孝行: "430℃と500℃で焼戻されたばね鋼SUP7の10^<10>サイクル疲労特性"鉄と鋼. 888. 786 (2002)
• [文献書誌] 蛭川 寿: "フェライト/パーライト鋼のナノ強度解析"日本機械学会論文集A編. 68. 1038 (2002)
• [文献書誌] 蛭川 寿: "焼き戻しマルテンサイト鋼のナノ領域強度解析"日本機械学会論文集A編. 68. 1473 (2002)
• [文献書誌] 長島: "Si探針による高分解能観察が可能なAFM超微小押し込み試験機の開発"日本機械学会論文集A編. 68. 1481-1488 (2003)
• [文献書誌] Y.Furuya: "10^<10>-cycle fatigue properties of 1800 MPa-class JIS-SUP7 spring steel"Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. (in press).
• [文献書誌] M.Nagumo: "Fatigue Damage and Its Interaction with Hydrogen in Martensitic Steels"Mater. Sci. Eng.. A(in press). (2003)
• [文献書誌] K.Yokoyama: "Hydrogen embrittlement of Ni-Ti superelstic alloy in fluoride solution"J. Biomedical Materials Research. (in press).
• [文献書誌] T.Ohmisawa: "Detection of Hydrogen Trap Distribution in Steel using Microprint-Technique"J. Alloys and Compounds. (in press).
• [文献書誌] K.Takai: "Visualization of Hydrogen Desorption Process from Ferrite, Pearlite and Graphite by Secondary Ion Mass Spectrometry"Metallurgical and Materials Transactions. 33,A. (2002)
• [文献書誌] 高井健一: "金属・イオン・共有結合性材料の環境脆化"熱処理. Vol.43,・1号. (2003)
• [文献書誌] K.Takai: "Hydrogen in Trapping States Innocuous to Environmental Degradation of High-strength Steels"ISIJ International. Vol.43. (2003)
• [文献書誌] M.Nagumo: "Function of hydrogen in intergranular fracture of martensitic steels"Phil. Mag. A,82. 3415-3525 (2002)
• [文献書誌] M.Nagumo: "Enhanced susceptibility to delayed fracture in pre-fatigued martensitic steel"Mater. Sci. Eng.. A,344. 86-91 (2003)
• [文献書誌] M.Nagumo: "Fatigue-Hydrogen Interactions"Proc. 1^<st> Int. Conf. Advanced Structural Steels, Iron Steel Inst. Japan. 255-256 (2002)
• [文献書誌] T.Yamaguchi: "Simulation of Hydrogen Thermal Desorption under Reversible Trapping by Lattice Defects"ISIJ International. 43. 514-519 (2003)
• [文献書誌] K.Yokoyama: "Susceptibility to delayed fracture of Ni-Ti superelastic alloy"Mater. Sci. Eng. A,341. 91-97 (2003)
• [文献書誌] M.Nagumo: "Functions of Microstructures in Delayed Fracture of Martensitic Steels"Proc. Int. Conf. Hydrogen Effects in Materials and Corrosion-Deformation Interactions, The Minerals, Metals and Materials Society, Warrendale. (in press). (2003)
• [文献書誌] Yukitaka Murakami: "Metal Fatigue : Effects of Small Defects and Nonmetallic Inclusions"Elsevier Science Ltd, Oxford, UK. 369 (2002)
• [文献書誌] 南雲 道彦: "いろいろな破壊形態の統一的理解"、材料破壊の基礎から応用-信頼性の高い材料の開発・応用にむけて"日本金属学会. 1-8 (2002)