第一工業大学研究報告第28号（2016）pp.47－51

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時効硬化
Al 合金の超音波疲労における時効硬化Al
合金の超音波疲労における時効硬化
Al 合金の超音波疲労におけるせん断形き裂の発現機構
せん断形き裂の発現機構
せん断形き裂の発現機構
第一工大
仮屋孝二 元第一工大 皮籠石紀雄
仮屋孝二・皮籠石紀雄

第一工業大学
機械システム工学科〒899-4395 鹿児島県霧島市国分中央1-10-2
第一工大
仮屋孝二 元第一工大
皮籠石紀雄
E-mail k-kariya@daiichi-koudai.ac.jp
第一工業大学 機械システム工学科〒899-4395 鹿児島県霧島市国分中央 1-10-2
E-mail k-kariya@daiichi-koudai.ac.jp

Growth Mechanism of a Shear Mode Crack ofAge-hardened
Al AlloyUltrasonicFatigue
GrowthMechanismof a inShearMode CrackofKohji KARIYAand Norio
Age-hardened
Al AlloyinKAWAGOISHI
Ultrasonic Fatigue

Department of Mechanical systems Engineering,Daiichi Institute of Technology,kirishima 899-4395,JapanKohji KARIYA and Norio KAWAGOISHI

E-mail k-kariya@daiichi-koudai.ac.jp
Department of Mechanical systems Engineering,Daiichi Institute of Technology,kirishima 899-4395,Japan
E-mail k-kariya@daiichi-koudai.ac.jp

Abstract: In order to investigate the effect of humidity on the growth behavior of a fatigue crack and clarify thegrowth mechanism
a macroscopicshear modecrack inAl alloysofunderultrasonicfatigue
Abstract:
In order toofinvestigate
the effectof humidity
onage-hardened
the growth behavior
a fatigue
crackloading,and clarify
thetests
werecarried out
two kinds shearof age-hardenedof an extruded
andultrasonica drawn oneof 2017-T4
growthmechanismof aformacroscopicmode crackAl
in alloys
age-hardened
Al alloysbar
underloading,fatigue
under
ultrasonic
20kHz,
humidity
25% ofandan85%.
Crackbar
growthaccelerated
by hightests werecarriedfrequency,
out for two
kindsinofrelative
age-hardened
Alofalloys
extrudedand awas
drawn
one of 2017-T4
humidityin the earlystage 20kHz,of fatigue
process,humidity
while theofeffectof humidity
wasgrowthhardly wasobservedin the bygrowthunder ultrasonicfrequency,
in relative
25% and85%. Crackaccelerated
highprocess
crack.
A macroscopic
crack morphology
in theofdrawn
alloy waswas ahardly
tensileobserved
mode only
humidityofina longer
the early
stageof fatigue process,while the effecthumidityin irrespective
the growthofhumidity
whichcrack.
is ordinary
observedcrack
in many
metals.inOn
otherhand,crack modein theonly
extrudedalloy
processof a longer
A macroscopic
morphology
the thedrawn
alloy
was aa tensile
irrespective
propagateda tensileandobserved
then changed
to a shear
oneOn
in low
andathemostinofthe
crack
propagationof humidityinwhich
is modeordinaryin many
metals.
the humidity,
other hand,crack
extrudedalloy
wasoccupied
the shearmode.
in bothmostinoffracturesurfaces
werecovered
withpropagation
slip planes
propagatedin by
a tensilemodeand However,then changed
to a alloys,
shear onelow
humidity,
and themostof crack
inhumidity,
thoughwere observed
the early
in low werehumidity.
Thesewerewasboth
occupiedby theshearstriations
mode. However,in both inalloys,
most propagationof fracture surfaces
coveredwithresults
slip planes
explainedfrom thethoughview pointsof thewere
effectobservedof environment
at thepropagation
crack tip andinthe
microstructure.
in both humidity,
striationsin the early
lowhumidity. These results wereexplained from the view points of the effect of environment at the crack tip and the microstructure.
Key words: Fatigue, Age-hardened Al alloy, Ultrasonic loading, Humidity, Crack growth
Key words: Fatigue, Age-hardened Al alloy, Ultrasonic loading, Humidity, Crack growth
1. 緒言
近年，機械・構造物の老朽化に起因した損傷や事1. 緒言故が増加し，社会問題化している．一方，環境負荷近年，機械・構造物の老朽化に起因した損傷や事低減を考慮した場合，それらの機器や設備を長期使故が増加し，社会問題化している．一方，環境負荷用することは重要である．このような高齢化機器の低減を考慮した場合，それらの機器や設備を長期使安全性を保証するには，長期使用した場合の損傷評用することは重要である．このような高齢化機器の価が必須となる．ところが，例えば，機械・構造物安全性を保証するには，長期使用した場合の損傷評の破壊のほとんどを占める疲労破壊においても，超価が必須となる．ところが，例えば，機械・構造物長寿命域の疲労特性が精力的に研究されているものの破壊のほとんどを占める疲労破壊においても，超の，未解決の問題は多い．しかもその場合，超長寿長寿命域の疲労特性が精力的に研究されているもの
命域での疲労試験は多大の時間と労力を要することの，未解決の問題は多い．しかもその場合，超長寿が大きな障害となっている．超音波疲労試験はこの命域での疲労試験は多大の時間と労力を要すること問題に対する解決法の一つとして期待される．１）～が大きな障害となっている．超音波疲労試験はこの問題に対する解決法の一つとして期待される．１）～

３）

しかしこの試験では，疲労特性に対する繰返し速度の影響が必ずしも明らかではなく，材料や試験条
３）
しかしこの試験では，疲労特性に対する繰返し速件等により影響があるとする結果や，逆に影響しな度の影響が必ずしも明らかではなく，材料や試験条いとする結果があり，不明な点が多い．４），５）特に件等により影響があるとする結果や，逆に影響しな腐食を伴う疲労の場合，時間の影響が有り，注意をいとする結果があり，不明な点が多い．４），５）特に要すると考えられる．著者らも Al 合金や Ni 基超合腐食を伴う疲労の場合，時間の影響が有り，注意を金における超音波疲労試験を行い，通常の繰返し速要すると考えられる．著者らも Al 合金や Ni 基超合度である回転曲げ疲労試験の結果と比較した．その金における超音波疲労試験を行い，通常の繰返し速結果，これらの材料では疲労特性に繰返し速度の影度である回転曲げ疲労試験の結果と比較した．その響が確認された．特に時効硬化 Al 合金の場合，回転結果，これらの材料では疲労特性に繰返し速度の影曲げ疲労では一般的に認められるストライエーショ響が確認された．特に時効硬化 Al 合金の場合，回転ン支配の引張形破壊となるのに対し，超音波疲労の曲げ疲労では一般的に認められるストライエーショ
場合，巨視的にもせん断形き裂の伝ぱが生じ，そのン支配の引張形破壊となるのに対し，超音波疲労の場合，巨視的にもせん断形き裂の伝ぱが生じ，その第一工業大学研究報告48第28号（2016）

破面にはすべり面が観察され，両材間で明確な相違が確認された．しかし，せん断形伝ぱに集合組織の関与が指摘されたもののその発現機構の詳細については明らかにできなかった．
そこで本研究では，時効硬化 Al 合金 2017-T4 の押出し材と引抜き材を対象に超音波疲労試験を行い，通常の試験速度である回転曲げ疲労特性６）と比較し，せん断形き裂の伝ぱの形成理由について検討した．
2. 材料，試験片および実験方法用いた材料は，市販の時効硬化 Al 合金 2017-T4の押出し材と引抜き材である．供試材の化学成分と機械的性質を Table 1 と Table 2 にそれぞれ示す．これらの表からわかるように，両材で化学成分，機械的性質共に大きな差はないが，両材を用いたのは，Fig.1 の組織を示す EBSD 写真からわかるように，押出し材はその横断面の多くが(111)面となる顕著な集合組織を有するのに対し，引抜き材の場合特定の方位を持たないので，組織の影響をみることができるからである．なお丸棒断面で測定した平均結晶粒径は，押出材で 13μm，引抜き材で 18μm であり，さらに押出材には 5μm 程度の亜結晶粒が含まれていた．
Fig.2 に試験片の形状，寸法を示す．機械加工した試験片表面は，ペーパー研磨後電解研磨で約 20μm除去してから試験に供した．試験は超音波疲労試験機（引張圧縮荷重，繰返し速度 20kHz）を用い，応力比-1 の下，相対湿度 25％および 85％中で実施した，なお高速負荷すれば試験片は発熱する．本試験
では，それによる温度上昇を 3℃以下に抑制するように間欠負荷した．表面のき裂長さ ℓ はレプリカ法で測定し，き裂が引張形で伝ぱした場合だけでなく，巨視的にもせん断方向に伝ぱした場合も試験片表面に沿う円周方向長さとして定義した．破面観察には走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた．

(a) Extruded alloy(b) Drawn alloy

Fig.1 Microstructure.

Fig.2 Shape and dimensions of specimen.

(a-1) RH25%(a-2) RH85%(a) Extruded alloy
Table 1 Chemical Composition (mass %).
SiFeCuMn

Mg

CrZn

Ti

Al2017･E

0.42

0.30

4.06

0.73

0.58

0.05

0.02

0.05

Al2017･D

0.41

0.32

3.87

0.70

0.62

0.04

0.03

0.04

Table 2 Mechanical properties.
(b-1) RH25%(b-2) RH85%

σ0.2MPa

σBMPa

σTMPa

Ψ%

Al2017･E350

471

638

32.4(b) Drawn alloy

Al2017･D303

464

718

43.7

Fig.3 Crack morphologies of extruded and drawn Al alloys( Arrow indicates crack initiation site,←→ :axial direction).

仮屋・皮籠石：時効硬化Al 合金の超音波疲労におけるせん断形き裂の発現機構

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3. 実験結果および考察
Fig.3 は，両材の巨視的き裂伝ぱ形態を示すレプリ
カ写真である．押出し材の場合，低湿度で引張形伝ぱの後せん断形に変化しているが，高湿度ではすべてせん断形伝ぱである．
これに対し引抜き材の場合，両湿度共に引張形伝ぱである．このような押出し材におけるせん断形き裂の伝ぱは，回転曲げ疲労でも高湿度中，高応力下で観察されたが，低湿度中では完全な引張形伝ぱであった．６）
Fig.4 に両材の破面写真を示す．いずれの材料，湿度でもき裂発生部にはすべり面が観察され，材料，繰返し速度，湿度による差異は認められない．すな
わち，き裂発生の初期は通常の繰返し速度と同様のstageⅠの伝ぱである．そしてその後のき裂伝ぱは，押出し材の低湿度で引張形伝ぱした領域ではストライエーションが観察された（詳細図：略）が，せん断形伝ぱした領域では両湿度共にすべり面が観察される．これに対し引抜き材の場合，低湿度中の初期伝ぱではストライエーションが観察されたが，その後は破面の多くで結晶粒単位の平坦なファセットで占められ，高湿度中でも同様である．このファセッ
トはエッチピット法により観察した結果，Fig.5 に示すように，すべり面であることが確認された．従って表面上は引張形で伝ぱし，繰返し速度及び湿度によるき裂形態上の差異は確認できないが，破面は押出し材と同じすべり面破壊であり，繰返し速度及び湿度による影響が確認できる．このように超音波疲労における破面は，両材で形態的な相違はあるものの，通常の繰返し速度の場合における低湿度ではストライエーション支配，高湿度ではそれに粒界割れやぜい性ストライエーションのようなぜい性的な特徴を有する破面が混在するという破面とは明確に異なる（現段階では，ぜい性破壊か否かは明らかでなくそれを明確にするにはより詳細な観察を要する）．
Figs.6&7 は，き裂の伝ぱ機構と伝ぱ速度の関係をみるために示した両材の超音波疲労と回転曲げ疲労におけるき裂伝ぱ曲線である．超音波疲労の低湿度中の場合，両材共に 1 mm 付近の短いき裂において伝ぱの停滞現象がみられるが，その後の伝ぱは加速している．これに対して高湿度中の場合，両材共にき裂が発生したほぼ直後からき裂伝ぱ速度は加速されており，低湿度でみられた 1mm 付近でのき裂伝ぱの停滞は消失している．そして，その時のき裂伝ぱ曲線の傾きは，両材それぞれにおいて低湿度中におけるき裂停滞後の傾きとほぼ等しく,1 mm 付近以上になると湿度の影響はほとんど認められない．このような低湿度におけるき裂伝ぱの停滞は，前述した引張形からせん断形への伝ぱ形態の遷移時に対応(a-1-1) Crack length initiation(a-2-1) Crack length initiation(a-1-2) Crack length ℓ >1mm

(a-2-2) Crack length ℓ >1mm(a-1) RH25% (σa=245MPa) (a-2) RH 85% (σa=260MPa)(a) Extruded alloy(b-1-1) Crack length initiation(b-2-1) Crack length initiation(b-1-2) Crack length ℓ >1mm(b-2-2) Crack length ℓ >1mm(b-1) RH25% (σa=200MPa)(b-2) RH85% (σa=100MPa)(b) Drawn alloy
Fig.4 Fracture surfaces (σa=230MPa).

Fig.5 Etch pit patern on flat facet of drawn alloy.

第一工業大学研究報告

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Crack length,  (mm)1010.10.01

in RH25%US Al2017E a=233MPa
US Al2017D a=231MPaRB Al2017E a=225MPa
RB Al2017D a=225MPa

051x10

52x10

53x10

54x10

55x10

56x10

57x10

Number of cycles, N cycle
Fig.6 Crack growth curves in RH25%.

Crack length,  (mm)1010.10.01

in RH85%
US Al2017E a=226MPa
US Al2017D a=234MPa
RB Al2017E a=225MPa
RB Al2017D a=225MPa

051x10

52x10

53x10

54x10

55x10

56x10

57x10

Number of cycles, N cycle
Fig.7 Crack growth curves in RH85%.
していることが確認され，停滞のない高湿度ではき裂の発生初期からせん断形であることと関係している．なお上述した 1 mm 付近で生じるき裂伝ぱの停滞は,通常の繰返し速度である回転曲げ疲労の場合認められない（数十 μm 前後に認められる伝ぱ停滞は，通常生じる結晶粒界に起因した伝ぱの阻止効果によるものである）ことから，これは超音波という高速の応力繰返しに起因した現象であることを示唆している．
以上述べたように，き裂が短い範囲では高湿度によりき裂伝ぱは加速され，その場合の破面は低湿度におけるストライエーション破面とは異なりすべり破面になる．一方，き裂が長くなるとき裂伝ぱ速度に湿度の影響はなく，破面は両湿度共にすべり破面となる．このように，き裂伝ぱ速度とき裂伝ぱ形態および破面には関係があることが確認される．き裂が長くなった領域でき裂の伝ぱ速度と伝ぱ機構に湿第28号（2016）

度の影響がないことは，き裂伝ぱ速度の増大により大気中の水分や酸素の輸送が追随できなくなり７），き裂先端の環境が真空状態に近くなったことから説明される．また前述した 1 mm 付近で生じるき裂伝ぱの停滞も，伝ぱ機構の変化と同様に大気環境から真空環境への変化に起因した現象としてとらえることができる．一方，押出し材と引抜き材間でみられた巨視的き裂伝ぱ形態の相違は集合組織の有無に起因した現象である．４），５）これに対してき裂が短い領域における高湿度によるき裂伝ぱの加速と破面の変化には，大気中の水分の影響，具体的には Al と水の間に生じるアノード反応に伴い発生した水素の影響が推測される．しかし高速繰返しである超音波疲労において，水素の拡散が小さい fcc 金属でも水素が影響するのかを検討する必要がある．ここで，Al中における水素の拡散係数として Al-Zn-Mg 合金のDH=10-14~2x10-13m2/s８）を用いると，無負荷状態での水素の拡散速度は概略 VH ≈ 0.1~0.5 μm/s となる．
一方，き裂が短い時の伝ぱ速度として，例えば下限界近傍の db/dN =10-11~10-10 m/c> ΔKth（b：き裂深さ，ΔKth：下限界応力拡大係数幅）を考えると db/dN≈ 0.2~2μm/s となり，応力繰返し下での転位による水素輸送も考慮すると，き裂伝ぱに対し水素の影響は十分考えることができる．そしてこの場合のき裂伝ぱ速度に及ぼす水素の影響は，延性き裂の伝ぱであることから水素助長塑性変形(HELP)機構９）が考えられる．なお，前述のき裂伝ぱ速度に湿度の影響がなく，真空環境に近づくとしたときのき裂伝ぱ速度は実測値から db/dN ≈10-9 m/c= 20 μm/s が得られた．この値は VH より大きく，このことからも水素の影響はないことが確認できる．ちなみに高湿度中の σa=230MPa においてき裂伝ぱ速度が上述の 10-9m/c 以上になるときのき裂深さは約 30 μm であり，1~2 結晶粒程度である．従ってき裂伝ぱの早い段階で，湿度すなわち水素の影響はなくなったことになり，その後は真空中に近い状態での伝ぱということになる．
Fig.8 は，上記の考察に基づき、き裂伝ぱ速度とき裂形態に及ぼす湿度の影響を模式的に示したものである．
以上述べたように，高湿度ではき裂長さの広い範囲ですべり面破壊であり，SEM レベルでは区別が困難であるが，き裂伝ぱ機構としてはき裂伝ぱ速度が小さい領域では水素が関与したものであり，またそれが大きい領域では真空環境 によるもので，き裂伝ぱ速度により異なる伝ぱ機構であることに注意すべきである．

仮屋・皮籠石：時効硬化Al 合金の超音波疲労におけるせん断形き裂の発現機構

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Fig.8 Schematic illustration showing the growth mechanism of a crack and effect of humidity
under ultrasonic loading (Ex. Extruded).
4. 結 言
時効硬化Al合金2017-T4 の押出し材と引抜き材を用いて、相対湿度 25%と 85%で超音波疲労試験を行い，せん断形き裂の伝ぱの形成理由について検討した．主な結論は以下の通りである．
1. き裂伝ぱ速度は，初期伝ぱ過程では高湿度により加速されたが，長いき裂の伝ぱ過程では湿度の影響は非常に小さい．
2. 巨視的なき裂伝ぱ形態は，低湿度では押出し材の場合引張形からせん断形に遷移したが，引抜き材の場合全過程で引張形であった．一方，高湿度では押出し材の場合せん断形，引抜き材の場合引張形であった．
3. 破面は，低湿度では押出し材，引抜き材共にストライエーションからすべり面に遷移したが，高湿度では押出し材，引抜き材共にすべり面のみであった．
4. 高湿度中におけるき裂伝ぱ機構として，初期伝ぱ過程では水素助長塑性変形(HELP)機構で，長いき裂の伝ぱ過程では真空環境中での伝ぱで説明できる．

2)

3)

4)

5)

6)

7)

謝辞 本論文をまとめるに当たり，貴重な討論を頂いた熊本大学陳強教授と鹿児島大学中村祐三准教授に謝意を表します．
8)
1)

文 献
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