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日本建築学会大会学術講演梗概集（北海道） 2022 年 9 月

切欠き先端近傍の延性き裂発生における構造用鋼材の破壊条件

建築構造用鋼材
切欠き

延性き裂
応力三軸度

正会員
同同

相当ひずみ

○見波 進*
服部 和徳**
宗川 陽祐**

1. はじめに
鋼構造物における溶接欠陥などの応力集中部からの破プロットは後に用いる FEM 解析用応力歪曲線である．低壊は延性き裂を起点として脆性破壊に至る．破壊発生の3.2 Ｒ切欠き丸棒(タイプ 2〜4)

温の V ノッチ切欠き付き丸棒試験結果を表 2 に示す．

1, 2)

破断性状について，切欠き底に明瞭な延性き裂が発生が行われており，鋼材の延性破壊は応力三軸度に対するし，それが内部に進展して破断に至った．実験から得ら限界歪として与えられる 3) ．本研究では，切欠き先端半れた真応力-真歪の関係について図 3 に示す．ここで真応径を変えた円周切欠き付き丸棒の引張試験を行い，応力力 s と真歪 e は次式で定義された切欠き底を通る断面の平抑制を目的とし延性破壊の発生・進展を把握する研究

集中部にける延性破壊発生条件について検討した．また， 均的な真応力と真歪を表している．
脆性破壊に対する破壊限界応力を求めた．
! = #/(&'! /4) ･･･････････････････････(1)る．使用鋼材の機械的性質と化学成分を表 1 に示す．切欠* = 2ln('" /') ････････････････････････(2)ここで，s :平均真応力，e :平均真歪，P :引張荷重，
d0 :初期直径，d :当該負荷レベルにおける直径
4. 有限要素法解析

きの形状は 4 種類のタイプである．タイプ 1 は V ノッチ先

4.1 解析概要

2. 試験概要
2.1 試験片
試験片形状を図 1 に示す．使用する鋼材は SN490B とす端半径 0.25mm で，低温で試験を行い脆性破壊のパラメー

試験片形状の対称性を考慮し，1/4 の回転対称モデルとタである破壊限界応力σc を求める 4) ．タイプ 2～4 は延性し，切欠き底より標点距離である 13.5mm の範囲とした．

破壊パラメータを検討するためのもので，既往の研究 1)

要素分割は切欠き底近傍で 1 辺の大きさを 0.1mm とした．

を参考に，表面からのき裂を観察することを想定し切欠タイプ 3（R1.0）について図 4 に要素分割を例として示す．

き半径を 2.0mm 以下と設定した．タイプ 1 は 7 体，タイ載荷条件は変位制御とした．解析に用いる応力-歪関係は

プ 2～4 は各 2 体実施した．

14A 号試験片の実験値から多直線に近似した（図 2）．
4.2 解析結果
図 5 に R0.5，R1.0，R2.0 について実験値の荷重変位関載荷は 400kN 油圧式万能材料試験機を用いて実施した．
切欠き付き丸棒試験片は V ノッチは–196℃，R0.5, R1.0,スコープを用い観察した．切欠き部の最小径と標点距離27mm の変位をレーザー寸法測定器を使用し連続的に測定した．応力歪関係を得るためφ6mm の 14A 号試験片の素

1000

500
400
300
200

N-1(RT)
N-2(RT)
FEM

1000

材引張試験を常温と低温の 2 温度で実施した．

00.1

3. 試験結果
3.1 素材・V ノッチ切欠き丸棒

表1

素材試験の結果を図 2 に真応力真歪関係で示す．図中丸

タイプ 1（V ノッチ）

600
N-3(LT)
N-4(LT)
N-5(LT)
FEM

400
200
00.3

0.4

T.S.

Y.P.

0EL.

0.1

Y.R.

N/㎟SN490B

130.2
真歪8000.2
真歪0.30.4

図 2 素材引張試験結果(真応力真歪関係)
供試材の機械的性質と化学成分(ミルシート)

鋼種

C

SN490B (–196℃)

1200

600
真応⼒ (N/㎟)

R2.0 については，き裂観察のため常温で行い，マイクロSN490B (室温)700

真応⼒ (N/㎟)

2.2 載荷方法

379533

Si Mn

P×100

S×100028 133 13vEo
J
188%

527Cu

Ni

19771
Cr Mo Nb×100
11V×1000
313Ceq Pcm
×100
3923Sn

B×1000×100008114Y.P.：降伏点，T.S：引張強さ，EL.：伸びタイプ 2（R0.5）

Y.R.：降伏⽐，vEo：0℃シャルピー吸収エネルギー
Ceq：炭素当量，Pcm：溶接割れ感受性組成

表2

破壊限界応力σc (低温 V ノッチ丸棒引張試験)

SN490B 試験⽚名

タイプ 3（R1.0）
タイプ 4（R2.0）
図 1 試験片形状

V_N-1 V_N-2 V_N-3 V_N-4 V_N-5 V_N-6 V_N-7

平均

test

Pf (kN)

34.0

33.5

28.5

28.4

33.9

33.9

36.3

32.7

FEM

σc (N/㎟)

1744

1740

1662

1660

1743

1743

1766

1723

Pf：破断荷重（実験値），σc：破壊限界応⼒（⽂献4)に倣いFEMと破断荷重より算出）

A criterion of ductile failure initiation in structural steel
Susumu Minami, Kazunori Hattori, Yosuke Sokawa― 1019 ―係と解析値の荷重変位関係を比較したものとき裂発生点

図 9 にき裂発生時の指標 D の分布を示す．タイプ 2(R0.5)を示す．実験と解析結果は最大荷重に達するまで，概ねとタイプ 3(R1)は切欠き先端近傍で大きな値となっており，対応していることが分かる．

いずれも概ね 1 に近い値となっているが，比較的切欠き半

4.3 延性き裂発生パラメータ径が大きいタイプ 4(R2)では値が小さい．

き裂発生時の応力三軸度と相当歪の分布状況を図 6，7

5. まとめSN490B 鋼材を対象に切欠き丸棒試験片の破壊試験を実に示す．
. = !# /!$%･･･････････････････････････(3)施し，脆性破壊基準である限界破壊応力σc を得，延性き

ここで，": 応力三軸度，## : 平均垂直応力(静水圧)，#$% : Mises の相当応力，である．

裂発生条件について検討した．延性き裂は断面内に生じ

図 8 に本実験結果と桑村ら 1) によって提案された延性き裂発生条件を示す．

径を変えた実験を行う予定である．

/$" ∙ .&$'( = 1 ････････････････････････(4)ここで，"&$'( : 応力三軸度のピーク値，$) : き裂発生時の平均真歪，$* : 素材の一様伸び（真歪=15.8%），である．

多少のずれが見られるものの同様の傾向となっている
ことが分かる．
本研究では，(4)式と類似の形の次式の指標 D を用い，延性き裂発生の評価について検討する．
$"

ことが確認できた．指標 D については切欠き半径の小さい試験片でよい対応が得られた．今後，鋼種や切欠き半$!

2 = / $#$ ∙ .ている応力三軸度と相当歪との相互関係で生じるという･････････････････････････(5)

ここで， $$% ，"は FEM の各要素の相当歪と応力三軸度であ【謝辞】実験・解析の実施にあたり当時東京電機大学学生佐藤光志朗君・堀水潤之介君の協力を得た．ここに謝意を表す．
【参考文献】
1) 桑村仁, 山本恵市：三軸応力状態における構造用鋼材の延性き裂発生条件, 日本建築学会構造系論文集, No.477, pp.129-135, 1995.11
2) 小野徹郎, 佐藤篤司, 横川貴之, 相川直子：構造用鋼材の延性き裂発生条件, 日本建築学会構造系論文集, No.565, pp.127-134, 2003.3
3) A.C.Mackenzie, J.W.Hancock, D.K.Brown: On the influence of state ofstress on ductile failure initiation in high strength steels, Engineering
Fracture Mechanics, Vol.9, Issue 1, pp.167-168, 1977
4) 中込忠男, 見波進, 白崎博史, 新井聡：塑性履歴を受けた鋼材の脆性破壊におけるローカルクライテリアの適用, 日本建築学会構造系論文集, No.536, pp.151-156, 2000.10り，指標 D がある値に達すると延性き裂が生じると考える．
延性き裂発生限界曲線 1)12000.4!

800

タイプ2_N-1

600

タイプ3_N-10.3

タイプ3_N-2

4000.1

タイプ4_N-20

図30.20.40.6
真歪 e0.80.0

図4

真応力-真歪関係（実験結果）

60

荷重 (kN)

N-1き裂

20

N-2き裂

10N-2き裂

2 変位 (mm) 4

解析値

201062変位 (mm)4SN490B
き裂発⽣点

0.50.400.4

66(c) R2
1R0.5
R1.00.8

R2.00.6

SN490B
き裂発⽣点

R0.5
R1.0R2.0D0.30.40.20.2000

図 6 応力三軸度の分布

2 変位 (mm) 4

荷重変位関係

0.10.22345
軸⼼から径⽅向の距離r(mm)2060.6R0.5R1.0R2.00.6130(b) R1相当歪ｅeq

応⼒三軸度 τ0.8

N-1N-2
解析値
N-1き裂
N-2き裂

00

図5SN490B
き裂発⽣点

応力三軸度ピーク値とき裂発生時歪（実験）

10(a) R0.5
1.2

1.5

4000τpeak 1.0

50N-23000.56040

解析値

30

図8R=1.0）

50

N-240

解析モデル（タイプ 360N-150

荷重 (kN)0.0

1.0

荷重 (kN)

0.000.2

タイプ4_N-12001"!
∙$=1"" #$%&

タイプ2_N-2ｅc

真応⼒ s100001234軸⼼から径⽅向の距離r(mm)

図 7 相当歪の分布* 東京電機大学 理工学部 教授・博士(工学)** (一財)ベターリビングつくば建築試験研究センター・博士(工学)5601234軸⼼から径⽅向の距離r(mm)

図95指標 D の分布* Prof., School of Science and Eng., Tokyo Denki Univ., Dr. Eng.
** Tsukuba Building Test Laboratory of Center for Better Living, Dr. Eng.

― 1020 ―6