配布資料 - 徳島文理大学 理工学部

金属疲労について
−溶接構造を中心として（1/2
1/2）
）ー
徳島文理大学・工学部・
機械電子工学科
機械電子工学科
祝 賢治
■概 要
機 械・構造物の 破壊事故は、 疲労によるものが多 い。なかには 、飛行機の機体破損 による 墜落事故のように社会的に 影響が 大きな 事故もある。 ここでは、私 が関与 した
事 例に基 づいて 、溶接構造を 対象として、 疲労破壊に対 する原 因の究 明から 疲労強度の評 価・対 策までの一連 の流れをまとめた。 「現地 での様 々な調 査」、「顕微鏡によ
る 破面観察」、「 FEM解 析による分 析」、「疲労実験で の確認 」などの情報 に基づいて亀 裂の発生原因 を特定 し、強度評価 を行い 、疲労強度の 向上策 の考案 に結び 付ける
付ける 。
このようにして 、いくつかの 問題を 解決してきたが、そ の経験 に基づいて、 疲労破壊を防 ぐ推奨 モットーを最 後にあげた。
1．機械・構造物の損傷要因の分析
4．金属破面の調査
62％
70%
60%
比率
図 1に、ある機関で調べた機械・構造物の
損傷案件 20件に占める損傷要因の比率を示
す。疲労が 65% 、熱応力が 30% 、振動が
20%、衝撃が 15% 、材料と制御がそれぞれ
10%、その他が 30% となっており、その他
には剛性・摩擦力不足などが含まれる。損
傷要因として最も多い疲労では、非溶接部
での疲労破損に比べ溶接部での破損は 62%
となっており、溶接部が重要な部位といえ
る。
38％
50%
40%
30%
20%
10%
0%
疲労
熱応力
振動
衝撃
材料
制御
その他
損傷要因
図１ 損傷要因の比率
2．疲労破壊の事例
亀裂を生じた金属組織・破面を破壊試験
により調査・観察することにより、つぎの
ような情報を得ることができる。
(1)亀裂の起点
(2)亀裂の進展方向・進展速度
(3)最終破断領域
(4)金属組織の欠陥
(5)補修跡の有無
(6)亀裂の形態
これらの情報に基づいて、破壊形態（延性
破壊、脆性破壊、疲労破壊の区別）を評価
できる。
図 5に破面調査結果の一例を示す。同図
（上）は、亀裂面に垂直な断面のマクロ組
織である。亀裂は隅肉溶接の止端部から発
生し、板厚方向に直線状に進展している。
溶接構造の疲労破壊の事例を図 2に示す。
同図 (上)は鋼管柱基部の三角形のリブ上端よ
り亀裂が生じた事例である。柱部材の寸法
はφ 267× 6（ STK400)、リブの板厚はｔ＝ 19
（ SS400)であり、リブは柱部材に隅肉溶接
にて接合されている。
同図（中）は亀裂面のマクロ組織である。
亀裂の起点が 2か所あり、亀裂は楕円形状に
進展したことがわかる。進展状況を示す
ビーチマークが見える。
同図 (下)は吊り金具のピン穴まわりの円環
状の補強板の溶接部より亀裂が生じ破断し
た事例である。吊り金具の板厚は t=38
（ SM570）であり、補強板にはφ 380× 56
（ SM570）の寸法の板が 2枚使用されている。
補強板はレ形開先とした部分溶け込み溶接
にて吊り金具に接合されている。
同図（下）は亀裂面の一部を電子顕微鏡
で 2400倍に拡大した図である。亀裂の進展
時に生じるストライエーションが比較的明
瞭に見える。
(上 ) 亀裂に垂直な断面のマクロ組織
(上 ) 鋼管柱基部
（
下） 吊り金具
図２ 疲労破壊の事例
（中）亀裂面のマクロ組織
5．破面観察に基づく
亀裂進展応力の推定
（下）亀裂面のミクロ組織
図５ 破面の調査結果の一例
3．亀裂の現地調査
図 5（下）に示すような写真より、ストライエーション間隔を読み取り、所定の関係式を
用いて亀裂進展応力の推定を試みることがある。しかし明瞭なストライエーションが得ら
れることは少なく、また読み取り誤差を伴うために、計算して得られた亀裂進展応力は参
考値として扱われることが多い。表 1に、このような方法で求めた亀裂進展応力範囲の推定
結果の一例を示す。
亀裂は、保守点検時に発見されることが
多い。初期亀裂は小さいため、見落とさな
いためには知識・経験を要する。
表1 亀裂進展応力範囲の推定例
図 3に標準的な非破壊検査のフローを示す。
まずは目視にて疑わしい傷の有無を点検し、
範囲を絞った後、必要に応じて機器を用い
て探傷試験を行う。各種の探傷試験にはそ
れぞれ得失があり、亀裂の検出精度も異な
る。各探傷試験の特徴をごく簡単に図 3の右
に示す。
a(mm)
ストライエーション
間隔
S(mm/cycle)
1.5
2.2×10
亀裂長さ
図3 非破壊検査のフロー
亀裂近傍の金属組織を調べることによっ
て、様々な情報が得られる。これは「破面
調査」といわれ、非破壊試験と破壊試験に
分類される。 (1)非破壊試験には、金属表面
のマクロ組織試験およびスンプ試験があり、
(2)破壊試験には金属内部のマクロおよびミ
クロ組織試験がある。
-4
応力拡大係数
3/2
ΔK(N/mm
1045
)
亀裂進展応力範囲
2
Δσ(N/mm )
430
1.7
3.3×10
-4
1279
494
3.1
4.5×10
-4
1494
427
6．応力・振動等の現地計測
機器を用いて、図 6にその一例を示すような種々の現地データを採集する。これらを分析
することにより、例えば、図 7に示す亀裂発生点近傍のひずみの頻度分布を知ることができ
る。また、外力の特定等にも役立つ。
「スンプ法」は金属表面を研磨・エッチング
処理し、レプリカフィルムに金属表面組織を
転写して、光学金属顕微鏡で観察する方法で
ある。曲面や多少の段差でも検査でき、長期
保存が可能である。
図 4にスンプ法による試験結果の一例を示
す。同図（上）は亀裂部のマクロ組織である。
同図（下）が亀裂先端付近のスンプ法による
結果で、亀裂は粒界に沿っており、亀裂の幅
が不均一で先端がとがっているとの情報が得
られる。
（上） 亀裂部のマクロ組織 （
下）スンプ法による結果
図4 スンプ法による試験結果の一例
図6 現地計測データの一例
図7 現地計測データに基づく
亀裂発生点近傍のひずみの頻度分布
金属疲労について
−溶接構造を中心として（2/2
2/2）
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祝 賢治
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機械電子工学科
7．FEM解析による分析
9．S-N線図による疲労寿命の評価
FEM解 析 によれば広範囲にわたる 応力分布および亀裂発生点近傍の 高応力 を
調 べることができる。 図 8は、鋼管柱基部を取 り出し たモデルによる解析例で
あ る。三角形の リブの 上端付近で柱部材の 外殻が 曲げられることにより大き な
応 力が生 じることがわかる。
S-N線 図により疲労寿命 を評価 する方 法は現 在もよく採用 されている。 評価応
力 として 亀裂発生点の 板表面 の溶接 ビード に直交 する応 力（ホットスポット 応
力 ）を採 用することがある。 図 12に ホットスポット応力 の求め 方の一 例および
ホットスポット 応力照査用の S-N線 図を 示す。 このように、 各種基準により S-N
線 図が異 なるため、ホットスポット 応力の 求め方 も各種基準に 適合したものを採
用 する必 要がある。
（左） 解析モデル
（右）解析結果（三角形リブ上端付近の応力分布）
図 12 ホットスポット応力の求め方の例（左）およびホットスポット応力照査用の S-N線図（右）
図 8 鋼管柱基部の解析の例
図 9は FEM解 析により応 力の変 動を追 跡した 例である。同 図 (左） に示すよう
な 軌道を 列車が 通過するときに軌道上面の 特定点 に生じ る応力 の変動 を同図
（ 中）に 示すモデル等 で解析 した結 果が同 図（右 ）である。
解析技術およびコンピュータの性 能の向 上により、現 在ではかなり 複雑な 挙
動 を解析 で追求 することができる。 ただし 、解析 にはモデル化 による 誤差が 伴
うため、 誤差の 把握に は常に 注意が 必要である。
( 左) 解析の対象
( 中) 解析モデル
10．亀裂の進展計算による疲労寿命の評価
破壊力学の手 法を用 いた亀 裂の進展計算 によって疲労寿命を 計算することが
できる。 この方 法は疲労亀裂進展速度と応力拡大係数と の間に 図 13に 示すよう
な 関係があることを利 用する 。応力拡大係数はΔ K＝ F・ｆ （Δσ , a）で 表され
る 。 Fは 継手 、亀裂形状、 亀裂位置等に 関する 補正係数である。図 14に補正係数
Fの 計算結果 の例を 示す。
( 右) 解析結果（応力の変動波形）
図 9 解析による応力の変動の追跡例
8．モデル実験による疲労強度の確認
図 13 疲労亀裂進展速度と応力拡大係数の関係
疲労強度を知 るための最も 信頼のおける 方法は 、モデル実験 による 方法で あ
る 。汎用的な継手構造 については、 過去の 疲労実験データを参 考にできる。 し
か し、新 しい構 造については 疲労実験が必 要なことが多 い。
図 10に 小形試験片による実験例を 示す。 実験結果は一 般に、 同図（ 右）に 示
すような S-N線 図に 整理される。
11．疲労強度の向上（補修・補強方法）
疲労強度の向 上のためには 、
新規設計時に疲労破壊防止の 配
慮 をすると効果 が高い 。
既設の 構造に 疲労亀裂が生 じ
て 補修・ 補強を 行わねばならな
い 場合は 、種々 の制約条件が
あって疲労強度 の改善 にも限 界
が 生じる 。図 15は 鋼管柱基部 の
補強案であるが 、 25％ 程度の 応
力改善がなされるに留 まる。
( 中) 実験状況
（左）試験片
( 右) 実験結果（S-N線図）
図 10 小形試験片による疲労実験の例
図 14 補正係数 Fの計算結果の例
（ 12％）
（ 21％）
（ ）内は計算による応力の改善
効果
最近 の例として、 図 16に 示
すように 亀裂部 を炭素繊維シ ー
ト で応急補修す るアイデアが あ
る。
近年、 小形試験片で は実構造の疲労強度 を把握 しきれないとの報告 があり 、
よ り実構造に近 いモデルでの 実験が 盛んに 行われている 。図 11はそのような 例
である。 実構造 の一部 を取り 出した モデル の試験体を採 用した 。
図 16 炭素繊維シートによる亀裂の応急補修のアイデア
12．疲労破壊を防ぐために(推奨モットー）
（左）試験体と実験状況
( 中) 実験中のひずみの変動
( 右) 実験結果（S-N線図）
図 11 実物大の試験体による疲労実験の例
（ 25％）
図 15 鋼管柱基部の補強案
○
○
○
事例に学ぶ
事後の対策より事前の配慮
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