■2006.2

財団法人 金属系材料研究開発センター

No.232

TODAY

鉄鋼材料の破壊力学研究はまだまだ奥深いは3次元解析が困難だったので2次元き裂を対象としたのは当然であるが、き裂周りの塑性域の発達が部材寸法や負荷モードによって異なるので、それが「塑性拘束」の差を生み、応力場に影響することは早くから指摘されていた。2次元き裂を前提

大阪大学大学院工学研究科教授とした取り扱いは安全側の破壊評価を導くが、高南 二三吉強度鋼（降伏比が高い）ではあまりにも安全側すぎる傾向がある。

破壊力学はご承知のように、Griffithが1920年代

また、前記の2次元き裂の解析では、材料の加工にガラスのような弾性体の破壊を取り扱ったのが硬化特性を表すひずみ硬化指数はある一定値が仮最初で、それ以降、米国戦時標準船の脆性破壊事定されている。従来は鋼材の強度レベルに応じて故を契機として研究が本格化した。これまでに破ひずみ硬化指数がほぼ定まっていたが、近年の製壊評価パラメータがいくつか提案されているが、鋼プロセスの発展により、今ではテーラーメイド

現在広く市民権を得ているのは、Irwinによる応力的に加工硬化特性を付与できるようになり、しか拡大係数K（1958年）、Wellsによるき裂先端開口変も、ひずみレベルによっても加工硬化特性が変化

位CTOD（1960年の提案当時はき裂開口変位COD）、する。このことは、大きな塑性変形を伴う場合にRiceによるJ積分（1968年）の3つで、ISOをはじめ各は、「塑性拘束」の問題とあわせ、CTODやJ積分

国主要機関の破壊靭性試験法や破壊評価手順に取で一義的に応力場を決定しにくいことを意味する。

り入れられている。これらの試験法や評価手順は、さらに、超微細鋼や表面微細鋼、複合組織を意

鋼構造物の脆性破壊の防止に大きな役割を果たし図的に利用した鋼材などが出現すると、破壊のメてきた。

カニズムも従来のように単純ではない。応力クラ破壊力学はこのように本格化してまだ1/2世紀とイテリオン、ひずみクライテリオンが適用できるのいったところであるが、わが国では、鉄鋼材料をか、適用できるとすればその範囲は？ また、難関対象とする限りにおいては、成熟した研究分野での破壊様式の脆性から延性への遷移領域では、まあるかのようにみなされる傾向が強い。事実、わだ遷移のクライテリオンは明らかになっていない。

が国の破壊力学の発展を支えてきた日本機械学会

わが国の鋼材製造技術、特に高強度鋼の製造技や日本造船学会（現、日本船舶海洋工学会）では、破術は文字通り世界をリードしている。しかしなが壊力学に関する研究論文が激減し、研究の興味がら、鋼材の特性評価手法や、鋼材を構造化したと別の物に移っているようである。本当に、鉄鋼材料きの性能評価手順は残念ながら欧米の手法に頼らの破壊力学は成熟したと言いきれるのだろうか？

ざるを得ないのが事実である。得意の高強度鋼技

考えてみると、前記のパラメータは2次元き裂問術を活かし、鉄鋼利用分野においてもわが国が世題について提案されたものなので、現実の3次元き界をリードするためには、鉄鋼破壊研究の果たす裂材に適用すると無理が生じることがある。当初役割はまだまだ大きいと考えるのだが。

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JRCM REPORT「鉄鋼材料の破壊靱性評価手順の標準化」
プロジェク「鉄鋼材料の破壊靱性評価手順の標準化」
プロジェクトト−成果報告と今後の国際標準化推進活動−−成果報告と今後の国際標準化推進活動−
鉄鋼材料研究部

1

はじめに櫻谷敏和

強さ）が大きくなる高強度鋼に対して駆動力の評価を適切に行う指標としはより厳しい評価法と考えられる。実て、材料の微視的破壊モデルにおいて

本プロジェクトは、経済産業省産業際の鋼構造要素には主として引張応力その有効性が確認されているワイブル

技術環境局標準課から委託された産業が作用し、き裂周囲に塑性域が発達し応力、σWを採用する。

技術研究開発委託事業として、平成14

応力場に塑性拘束緩和が生じている。

図−2に示すように、破壊靱性評価〜16年度の3年間にわたって実施されこの現象を考慮して実際に要求される試験片のδと引張応力下の構造要素のたものである。本研究開発事業は、わ鋼材の破壊靱性値を適切に評価するこδWPを評価し、かつ両者の破壊の際のが国が技術的優位性を有する分野におとが、高純度・高清浄度鋼の精錬・鋳σWが等価であると検証することが本ける国際標準の獲得を目標とした活動

造技術と高度な圧延技術を駆使して製研究開発の第1の目標である。その検を支援するものと位置づけられてい造される高級鋼の適用を合理的に拡大証のもとに、構造要素に存在する塑性る。以下に研究開発成果を示すとともすることに寄与すると考えられる。

拘束緩和を反映する等価CTOD係数＝に、それをもとに国際標準（ISO）化を以上の観点より、CTOD破壊靱性試

β＝δ／δWPが定義される。またσWの推進している状況について紹介する。

験法で評価される鋼材の破壊靱性値を評価には、き裂先端近傍の局所応力実際の鋼構造物に対応する破壊靱性値

σeffと材料の脆性マイクロクラックの2研究開発の背景と目的に適切に評価し直す手順を提示・検証

確率分布から求められるワイブルパラ

わが国の鉄鋼業は高強度・高靱性等し、その成果をISO規格として成立させる

メータmが必要であり、これらの値をの特性を要求される高級鋼の製造技術ことを目標に研究開発事業を推進した。

適切に評価するための研究手法の妥当において世界をリードしており、厳し性を確かめ、βの評価手順に折り込む

い設計条件のもとに製作される高度な3鋼構造体には、日本からの高級鋼材のJRCM内に「鉄鋼材料の破壊靱性評

具体的には以下の研究を実施した。

供給が不可欠とされている場合も多価手順の標準化」研究体を設置し、ロ①材料定数となるワイブルパラメー

い。鋼構造体の安全性確保にとって不ーカルアプローチ手法に基づく破壊力安定破壊（脆性破壊）を防止することが学分野をリードしている大阪大学大学

・厳密なm値評価を目的とする、統計極めて重要である。

院工学研究科の南教授を開発責任者と的に有為なｍ値を提供する脆性破研究開発推進体制ことが本研究開発の第2の目標である。

タｍの決定手順の標準化

鋼材の破壊靱性の評価には破壊力学

して、鉄鋼素材メーカー、重工、建築、壊試験法の評価、並びにFEM法にパラメータとして、応力拡大係数Ｋ、機械分野の専門家の参画のもと研究をよるσWの計算を介して、統計的にJ積分、き裂先端開口変位（CTOD）
δ実施した。また、本分野で自主規格、回帰されるm値の妥当性を検証するが開発され、工業的に用いられている。

WES2805、WES2808

1）を制定した実手順の明確化。

しかし、汎用されているCTOD破壊靱績をもつ（社）日本溶接協会が参画し、・簡便なm値推定に資する、各種鋼材性試験法の三点曲げ負荷のもとで計測標準化案の策定を推進した（図−1）。の機械的特性の文献値をもとにしされる脆性破壊に至る臨界δ値は、き裂先端近傍の厳しい応力状態を反映し4成果概要たm値の材料因子依存性の調査。
②大型構造要素試験によるワイブル応て小さくなり、高靱性鋼材の特性を過破壊靱性評価試験片のき裂先端部の力クライテリオンの有効性の実証小評価しがちであると考えられてい破壊駆動力と、塑性拘束緩和現象を考

脆性破壊時の限界ワイブル応力が試る。特に降伏比YR（＝降伏応力／引張慮した鋼構造要素のき裂先端部の破棄

験片形状・寸法、応力負荷様式等とは図−1 研究開発推進体制

JRCM NEWS No.232

図−2 ワイブルクライテリオンに基づく等価CTOD係数、βの定義

2

ほぼ無縁の材料特性であること（ワイブル応力クライテリオン）を検証し、結果として等価CTOD係数、βを用いた破壊評価の妥当性の確認。
③本破壊評価手順の工業化に向けた等価CTOD係数、βのノモグラフ化
構造要素のき裂先端近傍のワイブル応力は、負荷応力レベルのみならず、き裂形状・寸法、及び材料の加工硬化特性に応じて変化する。これらの条件を折り込んだ厳密な応力解析を行ってβを定める手法に対して、βの工業的評価のためのノモグラフを作成する。
ノモグラフ検討に際して考慮した代表的な変数は以下のとおり。
・き裂形状因子：き裂タイプ（表面き図−3 塑性拘束緩和を考慮した構造要素の破壊靱性評価手順

裂、板厚貫通き裂）、き裂位置（中の構造要素の脆性破壊特性を破壊靱性

央き裂、端部き裂）・き裂寸法

試験片から得られるCTOD値から推定

・材料特性：ワイブルパラメータｍ、する手順の規格化案を策定した

2，3 ）

。ている。

6

ISO規格化推進活動の概況

加工硬化特性（降伏比YR、一様伸図−3に推定手順のフローを示す。等

鉄鋼分野の国際競争力維持の観点か

び 強度レベル）

価CTOD係数、βの算定手順が規格のら、合理的なISO規格の制定、改訂に骨子となるが、βをより安全サイドで評価対する積極的な活動が、
（社）
日本鉄鋼

・鋼板厚さ以上の研究結果の詳細は、平成16年する観点から、βの算定に必要な情報連盟の標準化センターを中心に複数の度成果報告書 に示されるとともに、わ量のレベルに応じてより合理的な算定機関が分担する形で進められている。

が国の関係産業界（鉄鋼、重工、建築、手法を適用する構成としている。β＝

鋼材（ISO/TC10）、鉄鉱石（TC102）、非機械等）に成果を周知せしめる観点よ1を適用する過度に安全サイドにある破壊試験（TC135）、腐食（TC156）へのり、平成17年度秋期の溶接学会全国大と考えられる従来評価法に対して、以取り組みとともに、高級鋼材の特性を下の3レベルの評価手順を定義した。

正しく評価するための金属の機械試験

2）

3）

会において連報形式で報告した 。

レベルⅠ：簡易評価レベル。βを評価（TC164）への積極的関与が必要と考えは、次の2点である。

するに必要な情報が十分に得られないられている 。

・小規模降伏条件（25mm厚鋼板の小規場合であり、大きめのβ値、0.5を設

実用的な観点からして重要な知見

5）

本研究開発から提案される規格の模降伏限界CTOD値として0.01mm）定するケース。

ISO化推進は、（財）日本規格協会の支を超える負荷応力レベルでは、等レベルⅡ：標準的な評価レベル。構造

援を得つつJRCMが担当することとな

価CTOD係数、βは0.5を超えるこ要素のき裂タイプ・寸法、鋼材の降伏り、平成17年度よりJRCM内に「ISOとのないほぼ一定の値を示す。

比YRが想定できるが、鋼材のワイブ規格化推進委員会」を設置した。平成

・各種鋼材のm値を評価する実験・文ルパラメータmが未知の場合であり、17年10月に英国で開催されたTC164委

献調査の結果によれば、低靱性鋼mを安全サイドの数値、10、あるいは員会において本規格案を南教授が説明材（25mm厚鋼材の限界δ値として20に設定したうえでノモグラフからβし、本案は日本からの提案として、0.05mm以下）のm値が10と評価され値を読みとるケース。

TC164/SC4F（Fracture）でハンドリンるのに対し、高靱性鋼材のそれが20レベルⅢ：鋼材のワイブルパラメータグすることが欧米主要国のISO関係者と評価できること（高級鋼材では40ｍをも評価できるケースであり、具体を含め合意された。本提案の背景は合以上の数値も確認）が明らかとな的な条件を考慮したFEM解析からよ理的な設計、評価手法のもとで構造体り、m値の増大とともにβが低下すり小さなβ値を算定するケース。の健全性を判断することにあるが、同る関係のもとで高級鋼の合理的なこのように評価したβ値が、すでに各様のコンセプトの活動が同時期にEU活用が可能なことが示唆された。

国で採用されている構造要素の破壊性内でもFITNET（European Fitness-for-5

ISO規格案の策定

能評価法、例えばBS7910 で採用さservice Network） として推進されてれているFAD法（Failure Assessmentいる。FITNET推進主体となる独仏英以上に示した研究成果をもとに、小Diagram：破壊評価線図）と整合する等の諸国、及び米国の有力研究者から、規模降伏条件を超える引張応力負荷下ことを確認しつつISO規格化を推進しβを採用した手法が各国の破壊性能評

4）

3

6）

JRCM NEWS No.232

（参考文献）価手法と整合するか否かのラウンドロ
ビン的評価を実施したうえでISO化の1）（社）
日本溶接協会ためのCTOD破壊靱性値の拘束緩和補方向に進むことに対する原則的な賛同

WES2805-1997：溶接継手の脆性破壊発

正手法−鉄鋼材料の破壊靱性評価手順を得ている段階にある。

生及び疲労き裂進展に対する欠陥の評
価方法（1997）の標準化プロジェクト（ISTプロジェクト）−」、他連報多数、日本溶接学会秋WES2808-2003：動的繰返し大変形を受ける溶接構造物の脆性破壊性能評価方

期全国大会講演（2005年9月）
4 ）BSI, BS7910-2005：Guide on Methods

法（2003）

for Assessing the Acceptability of Flaws

2）JRCM：経済産業省、産業技術研究開発委託事業「鉄鋼材料の破壊靱性評（2005）in Metallic Structures5）日本工業標準調査委員会標準部会：長を伴う脆性破壊、溶接継手の評価に価手順の標準化」平成16年度成果報告書（2005年3月）「国際標準化活動基盤強化アクションプ
ラン」、2004年6月（2005年3月改訂）

展開していくことが今後の課題であろう。

3 ）南、他：「鋼構造の破壊性能評価の今後数年の作業を要するであろうが、本提案のISO規格化を推進し、高張力鋼等の高級鋼を活用する場の拡大に寄与させたい。また今回の評価は静的負荷下の脆性破壊を対象になされたものであるが、動的負荷、あるいは延性き裂成6）www.eurofitnet.org●セミナー案内金属学会セミナー「非シリコン半導体の現状と展望」
主催：（社）日本金属学会
日時：3月29日（水）10：00〜16：40
場所：文部科学省研究交流センター
つくば市竹園2−20−5
定員：70名参加費（テキスト代含む）：
事前申込 正員 12,000円
非会員 15,000円
当日申込 正員 15,000円
非会員 20,000円
事前申込締切日：3月15日（水）
問い合わせ先：（社）日本金属学会
セミナー参加係E-mail：apply@jim.or.jp
TEL：022−223−3685
FAX：022−223−6312

The Japan Research and Development Center for Metals

JRCM NEWS／第232号

発 行 2006年 2 月 1 日
発行人 小島 彰
発行所 財団法人 金属系材料研究開発センター〒105-0003 東京都港区西新橋一丁目5番11号 第11東洋海事ビル6階

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