鉄鋼材料の長寿命疲労強度評価
佐々木哲也 *1 本田

尚 *1 山際謙

太 *1

高圧設備をはじめとする各種産業機器に使用される鉄鋼材料母材（素材）について，荷重繰返し数 107 回程度以上の疲労強度特性（超高サイクル疲労強度特性）を明らかにした．また，長寿命領域の疲労試験に使用される各種疲労試験が疲労試験結果に及ぼす影響についても検討した．

キーワード : 寿命延伸，超高サイクル疲労，ニッケルクロム鋼，高張力鋼，疲労限．
はじめにする研究はほとんど行われていないのが現状である．そ産業革命以来，労働現場で使用される各種機械の疲労こで，本サブテーマでは産業機械に使用される各種鉄鋼破壊により，数多くの死傷災害が発生してきた．このた材料素材の長寿命疲労特性（荷重繰返し数 107 回程度以め疲労破壊に関する研究が精力的に進められた結果，各上）を明らかにすることを目的とする．

1

種産業機器に使用される鉄鋼材料は明確な疲労限を有し，疲労限以下の応力振幅であれば無限回の繰返し荷重2を受けても疲労破壊しないものとされてきた．

ニッケルクロム鋼切欠き材の長寿命疲労特性

ニッケルクロム鋼は各種産業機械のボルトや回転軸なしかし，最近になって一部の高強度鋼が荷重繰返し数どに広く使用されており，しばしば疲労破壊事故が発生107 回以上（超高サイクル領域）で疲労破壊することがしている．ここでは，代表的なニッケルクロム鋼である

明らかになり 1），2），超高サイクル領域での疲労破壊に関SNC631 鋼を使用して荷重繰返し数 107 回程度以上の疲する研究が盛んに行われるようになっている 3）～ 7）．超労強度特性を明らかにする．

高サイクル領域で疲労破壊する場合の S-N 線図は図１に示すような形状となり，いったん現れた水平部が荷重繰

1） 実験方法

返し数の増加とともに低下し，疲労限が消失する．この使用した疲労試験機は，回転曲げ疲労試験機（試験周ような S-N 線図は二重 S-N 線図と呼ばれる ．二重 S-N

波数 53-57Hz, 応力比 R =-1），超音波疲労試験機（試験周線図における単寿命領域では材料表面を起点とする表面波数 20kHz, 応力比 R =-1），油圧サーボ疲労試験機（試破壊であるのに対し，長寿命領域では材料内部の介在物

験周波数 20Hz, 応力比 R =0.1）である．

8）

や組織割れを起点とする内部破壊であり，両者の破壊機構は異なることが知られている．

超音波疲労試験機は（株）島津製作所製の USF-2000
で あ り， こ の 試 験 機 で は 図 2 に 示 す よ う に 試 験 片 を従来の研究によれば，超高サイクル領域で疲労破壊

20kHz の縦波で共振させることによって完全両振りの疲するのはビッカース硬さ HV400 以上，もしくは引張り労試験を行う．なお，超音波疲労試験機にはロードセル

強さ σb =1200MPa 以上の高強度鋼であるとされている 9）はなく，試験片端面の変位振幅を応力振幅に換算していが，一般の産業機器で主に使用されているそれ以下の強る．そこで，試験片に所定の荷重が負荷されていること

度の鉄鋼材料による超高サイクル領域での疲労破壊に関を確認するため，試験片にひずみゲージを貼り付けて応力振幅 σa =300MPa で疲労試験を行ったところ，図 3 のような波形が得られた．これにより，設定通りの荷重が負荷されていることが明らかになった．

図1*1

二重 S-N 線図の模式図
図2

機械システム安全研究グループ .

－ 41 －

超音波疲労試験機のしくみ労働安全衛生総合研究所特別研究報告(b) 回転曲げ疲労試験片JNIOSH-SRR-NO.40（2010）

表 1，表 2 に供試材の化学成分と機械的性質をそれぞれ示す．熱処理として焼入れ（850℃，90 分保持後油冷），焼戻し（570℃，300 分保持後空冷）を施した．また，図4 に試験片形状を示す．本研究では研究例の少ない切欠き材を対象とした．機械要素にはねじの谷部や軸の段差(c) 油圧サーボ用疲労試験片部などの応力集中部が多数有り，実際に切欠き部からの(d) ノッチ部の詳細形状
図4

試験片形状

2） 実験結果
図 5 に実験結果の S -N 曲線を示す．いずれの試験方法でも SNC631 鋼切欠き材では荷重繰返し数 107 回以上疲労破壊事例が多数ある．

での疲労限の消失は見られなかった．3 種の疲労試験機

図3による疲労限を比較するために，油圧サーボ疲労試験機

超音波疲労試験機による荷重波形による応力比 R =0.1 の疲労限を修正 Goodman 線図で応表1

力比 R =-1 に換算した結果を図 6 に示す．超音波疲労試

供試材の化学成分（wt%）

CSiMnPS

Cu

0.31

0.27

0.49

0.010

0.010

0.03

Ni

Cr

2.570.78

表2

験機による疲労限は回転曲げ疲労試験機や油圧サーボ疲労試験機による疲労限よりも若干高い値となったが，これは速度効果で説明できる 10）．

供試材の機械的性質

Yield strength（MPa）

Tensile strength（MPa）

Elongation（%）

87695621

図5SNC631 鋼切欠き材の S-N 線図(a) 超音波疲労試験片(b) 回転曲げ疲労試験片
図6－ 42 －(c) 油圧サーボ用疲労試験片SNC631 鋼切欠き材の疲労限の比較

鉄鋼材料の長寿命疲労強度評価

500 〜 600MPa 高張力鋼の長寿命疲労特性32） 実験結果

高張力鋼は各種産業機械に広く使用されている．ここ

図 9 に実験結果の S -N 線図を示す．SM490A について

では，500 ～ 600MPa 級高張力鋼を使用して，荷重繰返は荷重繰返し数 107 回以上で破断せず，明瞭な疲労限をし数 107 回程度以上の疲労強度特性を明らかにする．

示している．そして破壊は全て表面起点の疲労破壊であった．一方，WEL-TEN590RE については荷重繰返し

1） 実験方法

数 107 回以上でも破断しており，×印は内部起点，それ使用した疲労試験機は，回転曲げ疲労試験機（試験以外は表面起点の疲労破壊であった．

周波数 50Hz, 応力比 R =-1）である．供試材は 500MPa

WEL-TEN590RE の内部起点による破壊例 2 サンプル級 高 張 力 鋼 SM490A，600MPa 級 高 張 力 鋼 WEL-TENについて，走査型電子顕微鏡による観察を行ったところ，590RE である．

106 回近傍で破断したサンプルは図 10 に示すような表

表 3，表 4 に供試材の化学成分と機械的性質をそれぞ面近傍の空洞が疲労破壊の起点であることがわかった．

れ示す．また，図 7，図 8 はそれぞれ試験片形状，供試この空洞は介在物が脱落して形成されたものと考えられ材の組織観察結果である．

る．一方，107 回近傍で破断したサンプルは図 11 に示
すような介在物（試験片表面からの深さ 30µm，主成分

表 3（a） SM490A の化学成分

Mg, Al, S, Ca）が起点となっていた．

CSiMnPS

0.170.38

1.440.0220.003

表 3（b） WEL-TEN590RE の化学成分
CSiMnPS

Ni

0.060.24

1.950.009

0.004

0.02CrMo

Ti

0.020.060.09
図9
表4500 ～ 600MPa 級高張力鋼の S -N 線図

供試材の機械的性質

Material

Yieldstrength（MPa）

Tensilestrength（MPa）

Elongation（%）

SM490A

35653528

WEL-TEN590RE

621671

35

図7

図 10

起点部の空洞図 11

起点部の介在物試験片の形状

4800 〜 1000MPa 級高張力鋼の長寿命疲労強度評価

ここでは，移動式クレーンをはじめとする各種産業機器で，軽量化を目的として近年使用が増加している 800（a）SM490A
図8（b）WEL-TEN590RE
供試材の組織～ 1000MPa 級高張力鋼を使用して，荷重繰返し数 107
回程度以上の疲労強度特性を明らかにする．

－ 43 －労働安全衛生総合研究所特別研究報告

1） 実験方法JNIOSH-SRR-NO.40（2010）

2） 実験結果使用した疲労試験機は，回転曲げ疲労試験機（試験

図 14 に 800 ～ 1000MPa 級 高 張 力 鋼 の 回 転 曲 げ 疲

周波数 50Hz, 応力比 R =-1），超音波疲労試験機（試験周労 試 験 に よ る S-N 線 図 を 示 す． 比 較 の た め， 前 節 の波数 20kHz, 応力比 R =-1）である．供試材は 800MPa 級

SM490A，WEL-TEN590RE の結果も併せて示している．

高 張 力 鋼 WEL-TEN 780P，1000MPa 級 高 張 力 鋼 WEL

WEL-TEN 780P，WEL-TEN950PE の回転曲げ疲労試験-TEN 950PE である．

では全て試験片表面からの破壊で，内部破壊した例はな

表 5，表 6 に供試材の化学成分と機械的性質をそれぞれ示す．また，図 12，図 13 はそれぞれ超音波試験かった．このため，荷重繰返し数 107 回以上の超高サイクル領域で破壊した試験片はなかった．

片 形 状（ 回 転 曲 げ 試 験 片 形 状 は 図 7 と 同 一， た だ しφ=6mm），供試材の組織観察結果である．

図 15 に WEL-TEN 780P の超音波疲労試験による S-N線図を示す．荷重繰返し数 107 回以上の超高サイクル領域で破壊した試験片が 1 本あった．この試験片の破断面を走査型電子顕微鏡で観察したところ，低倍率の観察結表 5（a） WEL-TEN780P の化学成分
CSiMnPSNi

0.080.32

1.380.006

0.0020.03

果（図 16（a））からフィッシュアイが確認できた．また，高倍率の観察結果（図 16（b））から，試験片表面より380μm の深さにある隣接した 2 個の介在物が疲労破壊の起点となっていることがわかった．

Cr0.02MoNb0.450.3B

図 17 に本研究で対象とした高張力鋼の引張強さと疲0.0007

労限の関係を示す．高張力鋼母材（素材）では，引張強さと疲労限がほぼ比例することがわかる．

表 5（b） WEL-TEN950PE の化学成分
CSi

Mn

PS

Ni

0.14

0.31

1.440.008

0.001

0.02CrMo

NbB

0.020.56

0.30.0008

表6

供試材の機械的性質Yield
strength（MPa）

Material

Tensilestrength（MPa）

Elongation（%）

WEL-TEN780P

81282926

WEL-TEN950PE

1020

104122

図 14500 ～ 1000MPa 級高張力鋼の S-N 線図（回転曲げ）

図 12Stress amplitude, MPa700超音波試験片の形状

図 13500450

図 15－ 44 －480MPa

550(b) WEL-TEN950PE
供試材の組織log N =-0.0134σa+13.5
疲労限度600400410(a)WEL-TEN780P

傾斜部回帰直線

650

USF, WEL-TEN780P(EPP)
510610710810

Number of cycles to failure

800MPa 級高張力鋼の S-N 線図（超音波）910

Str450400
410USF, WEL-TEN780P(EPP)
567101081010

Number of cycles to failure910

鉄鋼材料の長寿命疲労強度評価

試験で 11 本中 1 本が介在物起点の内部破壊を示した．
謝辞本研究は東京電機大学大学院理工学研究科知能機械工学専攻修士課程（平成 22 年 3 月修了）の坂本国雄君の協力により実施された．記して謝意を表する．
（a）低倍率図 16

参（b）高倍率

WEL-TEN780P 超高サイクル領域疲労破面の SEM 観察

1）

画像

考文

献

内藤武志，植田秀夫，菊池雅男．浸炭焼入材の疲労破面観察．材料；1983：Vol.32，No.361：1162-1166.

2）

江村秀樹，浅見克敏．高強度鋼の疲労強度特性．日本機械学会論文集 A 編；1989：Vol.55，No.509：45-50.

3）小林英男，轟章，大村敏一，佐野尊，竹花立美．二相ス
テンレス鋼の超高サイクル疲労特性とき裂進展寿命評
価．圧力技術；2005：Vol.43，No.3：146-150.

4）竹内悦男，古谷佳之，長島伸夫，宮原健介，松岡三郎．
Ti-6Al-4V 合金のギガサイクル疲労特性における速度効果．日本機械学会論文集 A 編；2004：Vol.70，No.696：1124-1130.

5）

皮籠石紀雄，小川遵，陳強，後藤真宏，森野数博．Ni 基
超合金の疲労強度に及ぼす繰返し速度の影響．日本機械図 17

学会論文集 A 編；2006：Vol.72，No.722：1542-1549.

高張力鋼の引張強さと疲労限の関係
6）

5

結論

Bathias C. Relation Between Endurance Limits andThresholds in the Field of Gigacycle Fatigue. ASTM Spec

1）ニッケルクロム鋼 SNC631 の切欠き材では全ての試験片が切欠き底を破壊起点としており，荷重繰返し

Tech Publ, No.1372; 2000: 135-154.
7）

高橋恭平，小川武史．超音波疲労試験によるオーステナ

数 107 回以上での疲労限の消失は見られなかった．

イト系ステンレス鋼の超高サイクル疲労強度評価．日本

2）500MPa 級高張力鋼 SM490A を用いた回転曲げ疲労

機械学会論文集 A 編；2006：Vol.72，No.723：1731-1736.

試験では，荷重繰返し数 108 回まで内部破壊せず，明8）

瞭な疲労限を示した．

越智保雄，酒井達雄．疲労の基礎と最近の話題 3. 金属材
料の超長寿命域における疲労特性．材料；2003：Vol.52，

3）600MPa 級高張力鋼 WEL-TEN590RE を用いた回転曲げ疲労試験では，荷重繰返し数 10 回までの試験で8No.4：433-439.
9）17 本中 2 本が介在物起点の内部破壊を示した．

沢井達明，木村勇次，津崎兼彰，竹内悦男，松岡三郎．
改良オースフォームを適用した 1800MPa 級ばね鋼の長4）800MPa 級 高 張 力 鋼 WEL-TEN780P，1000MPa 級 高寿命疲労特性．日本機械学会論文集 A 編；2002：Vol.68，

張力鋼 WEL-950PE を用いた回転曲げ疲労試験では，
荷重繰返し数 108 回までの試験で内部破壊せず，明No.665：49-56.
10） 毛利雅志 , 上田貴志 , 鈴木章彦．日本機械学会講演論文集；

瞭な疲労限を示した．一方，WEL-TEN780P を用いた超音波疲労試験では，荷重繰返し数 10 回までの8－ 45 －2001：No.01-16：239-240.
（平成 22 年 9 月 21 日受理）