NACHITECHNICALREPORT

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32A1

Vol.

November/2017■ 寄稿・論文・報文・解説

高強度鋼の超高サイクル疲労

機能部品事業
ベアリング
マテリアル「内部介在物起点型破壊」
Very High Cycle Fatigue of High Strength Steels"Internal Inclusion-Induced Fracture"〈キーワード〉超高サイクル疲労・軸受鋼・内部起点型破壊
介在物・細粒状領域

富山大学大学院理工学研究部
教授

小熊 規 泰Noriyasu Oguma

高強度鋼の超高サイクル疲労「内部介在物起点型破壊」

要旨

高強度鋼は低サイクル疲労における表面起点型のS-N曲線と超高サイクル疲労における内部起点型のS-N曲線が重なったS-N特性を呈することが明らかになっている。実工業製品の長期耐久性を確保する観点から、超高サイクルにおける構造用材料の疲労特性の把握が重要である。長期間にわたり繰返し負荷が与えられると内部破壊の起点となった介在1. 超高サイクル疲労とは物の近傍に微 細な形態を呈する特徴的な領域が多くの鉄鋼材料のS-N曲線の特徴は、一般に形成される。この領域の縦断面のSEM像やTEM像傾斜部と水平部からなり、産業機械やその構成において細かな粒子が観察されるので、この領域を部品の設計にあたり、この水平部の応力値（疲労「細粒状領域FGA」と呼んでいる。

限度）を基にした耐久設計が広く普及している。

本 稿では、内部起点型破壊した破面の特徴とFGA形成メカニズムについて解説する。

耐久設計による部材は基本的に疲労破壊を生じないはずであるが、長期にわたって使用しているとその使用環境により破損することが、しばしば報告されている1）。これは、コスト面での採算性だけでなく、資源枯渇回避や地球環境負荷の低減

Abstract
It has been clarified that high strength
steels exhibit the S-N property consisting ofan S-N curve for the surface-induced fracture
in low cycle fatigue and another S-N curve forthe interior inclusion-induced fracture in very
high cycle fatigue. From a viewpoint of an ensuring
the long term durability of the actual industrial
products, the fatigue property of structural
materials in the very high cycle regime has
become an important subject. A characteristicarea indicating the fine morphology is formed in
the vicinity of an inclusion at the crack initiationsite on the interior induced fracture mode during
the long sequence of cyclic loadings. This area isso called as “Fine Granular Area （FGA）”
because‘fine granular’particles are observed inscanning iron microscope（SIM）images andtransmission electron microscope（TEM）imagesof longitudinal section of the FGA.
The features of fracture surface and FGA
formation mechanisms of internal inclusion
induced fracture are reviewed in this paper.

1などの観点から、各 種 機械製品を従来以上に長期間有効利用しなければならない社会的背景に起因するものと考えられる。すなわち、実機部材が従来以上の長期にわたり実際に繰 返し負荷を受けるようになったことが主たる理由と考えられる。
近年の多くの研究結果から、疲労限度以下の負荷応力でも107回をはるかに超えて109回程度まで負荷を与え続けると必ず疲労破壊を起こす現象が明らかになっている2）3）。このような鉄鋼材料の107回から109回程度の疲労特性は「超高サイクル疲労」または「ギガサイクル疲労」と呼ばれ、そのメカニズムや発現 材料の探求が重要課題として国内外の研究機関で盛んに推進されている。
このような超高サイクル疲労における一つの特徴は、超長寿命域での疲労破壊の多くが材料内部を起点として発生することである2）4）。

図1は高強度鋼の一つである高炭素クロム軸受鋼SUJ2の片持ち回転曲げ疲労試験で得られた
広 帯 域S-N特 性 で ある 2）。 図 中 の ○ 印 は 表 面（結晶すべり）起点型破断データを示し、●印は内部（介在物）起点型破断データを示す。同図から分かるように、○印で示される高応力低寿命域のS-N曲 線と●印で 示される低 応 力長 寿 命 域のS-N曲線が明確に分離している。すなわち、表面起点型と内部起点型の別々のS-N曲線が二重に現れるので、「二重S-N曲線」と呼んでいる 5）6）。
前述したように、超長寿命域データの破壊起点は全て内部介在物である。

Stress amplitude σa, MPa

2,0001,500

σw＝1,278MPa

1,000Surface slip induced fractureInterior inclusion induced fracture102

図1103 104 105 106 107 108 109
Number of cycles to failure Nf,cycles

1010

軸受鋼の回転曲げ疲労における二重S-N特性

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高強度鋼の超高サイクル疲労「内部介在物起点型破壊」

2. 内部起点型破壊の特徴
1）破面様相回転曲げ疲労試験で破断した試験片の破面を低倍率で観察したものであり、介在物から広がる走査型電子顕微鏡SEMで観察した例を示す。図2は平坦な破面領域（Fish-eye）が認められる。この

応力振幅1,300MPa、繰返し数4.28×10 5回で試験レベルの倍率での観察は従前から行なわれている片表面の結晶すべりが起点となって破断したものでため、新たな知見を与えるものではない。しかし、介在物ある。これに対し、図3は応力振幅1,000MPa、繰返近傍を図3（b）のように高倍率観察すると、介在物のし数5.13×10 回で試験片内部の非金属介在物が周囲に細かな凹凸領域が認められる。

7

起点となって破断したものである。図3（a）は比較的10μm

起点
応力振幅 σa＝1,300MPa, 破断寿命 Nf＝4.28×105回
図2

回転曲げ疲労破面（表面起点）のSEM観察例

起点5μm20μm（a）Fish-eye（低倍率）（b）介在物近傍（高倍率）

応力振幅 σa＝1,000MPa, 破断寿命 Nf＝5.13×107回
図3

3

回転曲げ疲労破面（内部起点）のSEM観察例

2）縦断面様相
図4は軸受鋼の片持ち回転曲げ疲労試験における表層に微 細化領域は認められない。いくつかの応力振幅1,050MPa、繰返し数1.14×10 回で内部試 験片破面の縦断 面観察結果では、このように起点型破壊した試験片破面の走査型イオン顕微鏡

片方の破面で微細化領域が存在していると相手方のSIMで観察した例である。破壊起点となった介在物破面には微細化領域が認められなかった。

7近傍を拡大観察したものであり、試験片のクランプ側と上記の知見から、微細組織とマトリックスの境界が重錘負荷側の両破面を並べて示した。また、白い剥離・分断され、微細化領域が破面のどちらかに残留破線で囲った範囲は凹凸領域であり、この領域はして図3のような凹凸様 相になったと考えられる。

両破面で認められた。図4の両破面の凹凸領域のこの特徴をもとに、筆者らはこの領域を細粒状領域

白実線の位置を集束イオンビーム装置FIBでスパッタ（Fine Granular Area : FGA）と呼んでいる3）5）。

リングし、破面直下の縦断面をSIMで観察した像をこのような内部破壊起点となった介在物などの近傍に図5に示す。同図（a）（b）は図4（a）（b）に対応している。

見られるFGAは軸受鋼の他に、ばね鋼や高速度

図5（b）を見ると破面表層の結晶組織が微細化して工具鋼のような高強度鋼の内部起点型破壊に特有のいることが分かる。一方、相手側の図5（a）には破面特徴である。

<Schematic diagram of failed specimen>
Cramp side（A）
（A）

（B）
（B）

15μm15μm（a）クランプ側（b）重錘負荷側
応力振幅 σa＝1,050MPa, 破断寿命 Nf＝1.14×107回
図4

内部起点型疲労破面のSIM観察例

2μm2μm（a）クランプ側
図5
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（b）重錘負荷側
凹凸部の縦断面のSIM観察像
4高強度鋼の超高サイクル疲労「内部介在物起点型破壊」

3）制限視野像7）8）
図6は応力振幅1,100MPa、繰 返し数5.46×10 7

マトリックス部のSADPは典型的なマルテンサイトの回で内部起点型破壊した試験片の破面上に形成回折スポットを示しているのに対し、上段のFGA内のされたFish-eye中央部のSIM像である。破壊起点

SADPは回折スポットがリング状に連なっていることがとなった介在物の周囲（白い破線で囲んだ領域）に認められる。すなわち、多数の結晶方位が回折にFGAが形成されている。このFGA内部の縦断面を起因していることを意味しており、制限視野内にはFIBで加工して剥片を切り出し、透過型電子顕微鏡

結 晶 方 位の 異なる微 細 組 織 が 存 在 することをTEMで 観 察した明 視 野 像とFGA内 外 における示している。

制限 視 野 回 折 像（Selective Area Diffraction以上から、長期間の繰 返し負荷により介在物Pattern : SADP）を図7に示す。図7左側の明視野近傍のマトリックスのマルテンサイト組 織が極めて像を見ると、破面表層が微細組織になっていることが薄い層状領域において細粒状組織に分断・微細化

改めて確 認できる。その微 細化組 織 層の厚さはしたものと推論できる。

ほぼ40 0 n m程 度である。また、図7右側 下段の2μm

応力振幅 σa＝1,100MPa, 破断寿命 Nf＝5.46×107回
図6

内部介在物周囲に形成されたFGA500nm

図75

FGA部の縦断面のTEM明視野像（左側）とFGA内外の制限視野X線回折像（右側）

3. 内部起点型疲労破壊メカニズム
上述したように、高強度鋼の超高サイクル疲

なお、筆者らの他にもいくつかのメカニズムが提案

労において内部起点型破壊を生じた破面にはされており、例えば、村上らの水素脆化説 11）、Fish-eyeが観察され、その中心部に非金属介在

塩澤らの界面剥離説12）がある。前者は、介在物に物が観察されることが多い。そして、その介在物トラップされた材料内の非拡散性水素の影響を周辺には特徴的な細粒状領域FGAが形成される受けて、き裂進展経路に顕著な凹凸が形成されることが明らかになった。さらに、破面上のFGA形とした説である。介在物周辺の凹凸領域を光学成に先立ち、介在物周縁のコイン状領域で結晶顕微鏡で観察すると焦点があわず暗く見えることの微細化が起こり、この細粒状領域が破面の相からOptically Dark Area : ODAと呼んでいる。

手方に交互に残るような形態で破断しているこ

他方、後者は材料内に分布している粒状炭化物ととを示した。

マトリックスの界面が剥離することで粗い破面がこれらのエビデンスを基に、筆者らは以下のよ形成されるとした説である。この説では凹凸領域をうな内部起点型破壊の発生メカニズムを提案しGranular Bright Facet : GBFと命名している。

9）10）ている。

高強度鋼の内部起点型疲労破壊に関し、細粒状領域FGAの形成が完了する期間が疲労寿命に①長期間の応力繰返し過程において内部介在物周縁でマルテンサイトが細粒化②細粒層とマトリックスの境界や細粒境界自身で微視的な剥離が発生・進展占める比率を検討した結果、低応力域では90%以上の高い比率であることが報告されている6）。
同様に、FGAの形成開始時期の検討においては、疲労寿命の数%程度で明らかな疲労損傷が確認③細粒状領域の微視的剥離が限界サイズ（欠陥とされている13）。したがって、高強度鋼の疲労寿命みなしたときの下限界応力拡大係数範囲）と評価のためにはさらに詳細なFGA形成メカニズムのなってコイン状のFGAが形成解明が極めて重要である。

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4. 今後の展望
高強度鋼の内部起点型破壊寿命に対する影響因子は未だ十分に解明されていない。国内外の研究機関が様々な材料・環境・負荷条件を対象にして超高サイクル疲労の研究にとり組んでいる。
機械構造物の長期利用信頼性確保のためにも早急な超高サイクル疲労特性の解明と疲労設計への反映が期待される。

参考文献
１）酒井、日本マリンエンジニアリング学会誌、40（2005）358．
２）酒井･武田･塩澤･越智･中島･中村･小熊、材料、49（2000）779．
３）Sakai･Sato･Oguma、FFEMS、25（2002）765．
４）Sakai･Sato･Nagano･Takeda･Oguma、International Journal ofFatigue、28（2006）1547．
５）Sakai、Proc. VHCF-4、（2007）3．
６）小熊･酒井、材料、50（2001）516．
７）小熊･原田･酒井、材料、52（2003）1292．
８）小熊･原田･酒井、日本機械学会論文集、70-690、A（2004）221．
９）Sakai･Harada･Oguma、Proc. ECF-16、CD-ROM（2006）．
10）Sakai･Oguma･Harada、Proc. VHCF-4、（2007）129．
11）村上･野本･植田･村上･大堀、材料、48（1999）1112．
12）塩澤･森井･西野･魯、材料、5（2003）1311．
13）小熊･酒井･渡辺･小竹、日本機械学会論文集、78-789、A（2012）618．

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November / 2017〈発行〉2017 年 11 月 10 日
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