http://support.spring8.or.jp/Report_JSR/PDF_JSR_27A/2015A1973.pdf

2015A1973

BL46XU

放射光 X 線ラミノグラフィによる転動疲労き裂発生および進展挙動のその場観察-異なる配向形態観察
In-situ Observation of Fatigue Crack Initiation and Propagation underRolling Contact by SR X-ray Laminography – Inspection for Different
Orientation Morphology
牧野 泰三 a, 根石 豊 a, 中井 善一 b, 塩澤 大輝 b, 菊池 将一 b
Taizo Makinoa, Yutaka Neishia, Yoshikazu Nakaib, Daiki Shiozawab, Shoichi Kikuchiba

新日鐵住金(株) 技術開発本部鉄鋼研究所, b 神戸大学大学院工学研究科
a
Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation, bKobe University

表面下内部の介在物から発生・進展する転動疲労のメカニズムを解明するために，ラミノグラ
フィと小型転動疲労試験機を組み合わせた観察手法を用いて，転動き裂の発生およびはく離形成挙動の観察を行っている．これまでに転動面に対して垂直な方向に配向する円柱形状の介在物(垂直介在物)を有する材料について，き裂の発生および進展挙動を観察することに成功した．本課題
実験では，介在物の配向形態が転動疲労き裂に与える影響を検討するために，転動面に平行に配向する円柱状の介在物(水平介在物)を有する試験片に対して転動疲労き裂の観察を行った．本課題
実験では，垂直介在物と同様に，水平介在物から発生する転動疲労き裂の進展過程の観察に成功した．
キーワード：

転動疲労(Rolling Fatigue), ラミノグラフィ(Laminography),高強度鋼(High-strength Steels)

背景と研究目的：
転動疲労は表面下内部の介在物からき裂が発生・進展するため，き裂進展挙動を観察することが困難である．さらに損傷部ははく離することから，破面観察から得られる情報も限定される．
これらのことから，転動疲労の強度向上に必要な介在物寸法や基地組織の高強度化などの，転動疲労メカニズムにおける影響を直接的な観察に基づいて検討したものはほとんどない．本研究では SPring-8 の放射光を用いたイメージングによって転動疲労下における内部介在物からのき裂発生・進展挙動を観察し，転動疲労のメカニズムを解明することを目的とする．本研究では，CT イメージングが適用できない平板状の試料に対しても内部観察が可能な放射光ラミノグラフィ(Synchrotron radiation computed laminography: SRCL)[1][2]をき裂の観察手法として適用した．これまでの研究により，転動面に対して垂直な方向に配向する円柱形状の介在物(垂直介在物)が存在する場合において，介在物からの転動疲労き裂の発生および進展過程について観察を行っている[3-6]．本課題実験では，転動面に平行に配向する円柱状の介在物(水平介在物)が存在する場合に対して転動疲労試験とラミノグラフィによるき裂の発生と進展を観察することにより，介在物の配向形態が転動疲労に与える影響について調査を行った．実際のベアリングでは，転動球の摺動方向に対して，この水平介在物と同じ配向形態をとることが多い．水平介在物を有する試験片に対する事前の調査では，垂直介在物の場合と比較して，疲労寿命のばらつきが大きいことや，転動疲労試験中に表面き裂が発生し，その周囲からフレーキングが生じることが分かった．2015AI 期
では，フレーキングが生じたサンプルに対して，フレーキング箇所および表面き裂発生箇所をラミノグラフィにより観察した．その結果，水平介在物から発生した転動疲労き裂，特にせん断型疲労き裂を検出できることが明らかとなった．そこで，2015AII 期では，あらかじめ転動疲労試験を行い，表面き裂が発生した試験片について SPring-8 内で転動疲労試験とラミノグラフィ撮影を繰返し行うことで，水平介在物から発生した転動疲労き裂の進展挙動を調べた．

実験：
表 1．供試鋼(SUJ2)の代表的な化学成分 (mass%)
転動疲労試験機および試験片
CSiMnPSCrFe
1.000.35
0.47 0.006 0.049 1.50Bal.
介在物から発生するき裂を観察するために，転動疲労起点となる主たる介在物がMnS となるように調整した．多量の S 量(0.049 mass%)を含有する SUJ2 鋼(表 1)を，真空溶解炉を用いて 150 kg インゴットを溶製した．溶製したインゴットは，熱間鍛伸により直径 70 mm の棒鋼に加工し，更に球状化焼鈍処理を施した後，試験片における転動疲労評価面が，棒鋼の長手方向に対して平行な直面(縦断面)となるように板材を粗加工によって切り出した．その後，加熱温度 830C，均熱時間 40 min の焼入
図 1．ラミノグラフィ測定装置の外観れ処理と，加熱温度 180C，均熱時間 120min の焼戻し処理を行った．さらに熱間鍛伸方向に対して垂直な方向が試験片長手方向，平行な方向が試験片幅方向となるように加工した．この試験片長手方向は転動疲労試験における摺動方向である．試験片は厚さ 1 mm，幅 10 mm，長さ 24 mm の平板形状であり，熱間鍛伸により介在物は転動面に対して平行で，かつ摺動方向に対して垂直な方向に伸長した形を有している．
転動疲労試験は，開発した小型転動疲労試験機で行った．本疲労試験機では，森式転動疲労試
験機では一方向のみにボールが摺動するのに対して，本疲労試験機ではラミノグラフィの観察部位上をボールが往復する様式である．直径 6.0 mm のセラミック球を用いており，ボールの摺動距
離は 3 mm である．SPring-8 においてラミノグラフィによる測定と表面のレプリカ法による観察，疲労試験を繰り返しながらフレーキング形成過程の連続観察を行った．最大ヘルツ圧 Pmax は 5.39GPa とした．
ラミノグラフィ観察条件
BL46XU ビームラインにおいて放射光ラミノグラフィの測定を行った．測定装置の外観を図 1に示す。撮影では Si モノクロメータにより単色化した X 線を用いた．検出器にはビームモニタBM(x10)と CCD カメラ(C4880-41S)の組み合わせを用いた．検出器は 4 つのピクセルで 1 つの検出画素を構成する 2×2 ビニングモードを使用し，このときの有効ピクセルサイズは 0.74 m である．
また一部ではき裂の確認を目的として 4×4 ビニングモードを用いた．ラミノグラフィの回転軸の傾斜角を φ=30とした．X 線エネルギを 37 keV とし，0から 360まで 0.5刻みで回転させながら透過像を得た．サンプル-カメラ間距離 L は 300mm とし，露光時間は 2×2 ビニングモードでは 4秒である．
結果および考察：
実験結果
水平介在物を有する試験片における表面での観察結果の例を図 2 に示す．この試験片では，繰
返し数 N=2.50×106 cycles で，転動面において摺動方向に垂直なき裂(Crack 1)が発生していることが確認された．その後， SPring-8 において疲労試験とラミノグラフィを繰返し行ったところ，図2 に示したように表面き裂の進展が見られた．
ラミノグラフィによる観察結果から介在物および Crack 1 を 3 次元表示したものを図 3 に示す．
同図では摺動方向を x 軸，板厚方向(深さ方向)を z 軸とし，上面および側面から観察した再構成像をそれぞれ示している．図 3 では前回の観察結果に，新しい計測での観察による再構成像を重ねて示している．図 3(a)より，表面き裂が確認された転動面下には介在物が存在しており，図 3(b)より介在物周囲から深さ方向に進展したき裂(A-A’断面上のき裂)，およびある深さを摺動面に平行に進展したせん断型き裂(B-B’断面上のき裂)が確認できる．図 3(c)では摺動方向にせん断き裂(青色)が進展しており，さらに図 3(d)ではこのせん断き裂が摺動痕中央(y 軸負の方向)に向かって大きく進展していることが分かる．このように，表面付近の介在物からき裂が深さ方向に進展し，その後表面から 35 m 程度の深さでせん断き裂が成長していることが分かった．

図 2．表面き裂の観察結果この試験片は 2015AII 期ではフレーキングまで疲労試験を行っていないが，2015AI 期の観察結果とあわせると，せん断型き裂の成長およびフレーキングに至る過程を連続観察することに成功した．従来の転動疲労の進展モデルとされている，せん断型き裂が最大せん断応力の作用する深さで発生した後，表面方向に向かって進展してはく離が形成されるのではなく，表面付近の介在物から深さ方向に進展した後，せん断型き裂が成長する場合があることが明らかとなった．今後
は，フレーキングの起点となるき裂が発生する表面付近の介在物形状および位置の特徴や，深さ方向へのき裂進展過程の解明が望まれる．
今後の課題：
本課題実験では，転動面に水平に配向する介在物においても，ラミノグラフィと転動疲労試験機を組み合わせることにより，転動疲労き裂の進展挙動の観察が可能であることが分かった．また転動面に垂直に配向する介在物と同様に，表面き裂および深さ方向に進展するき裂が観察され，せん断型疲労き裂の発生または進展に影響を与える可能性があることが分かった．これらの進展モデルについてさらなる詳細な観察が必要であるとともに，垂直き裂発生に及ぼす水平介在物の位置および形状について検討する予定である．
参考文献：[1] 佐野雄二 他、平成 23 年度 重点産業利用課題成果報告書(2011B), 2011B1861.
[2] 釣谷浩之 他、マイクロエレクトロニクスシンポジウム論文集(2012).
[3] 牧野泰三 他、平成 25 年度 重点産業化促進課題・一般課題(産業分野)実施報告書(2013A),
2013A1786.
[4] 小濵友也 他、日本機械学会 M&M 材料力学カンファレンス(2014), OS2121.
[5] T. Makino et al. International Journal of Fatigue, vol. 68, pp.168-177 (2014).
[6] 牧野泰三 他、平成 26 年度 産業新分野支援課題・一般課題(産業分野)実施報告書(2014A),
2014A1562.

図 3．ラミノグラフィによるき裂進展観察結果(Crack 1)