本稿は、「Asian Pacific Conference for Materials and Mechanics 2009 at Yokohama, Japan, November 13-16」で発表された論文「NOTCH EFFECT ON FATIGUE STRENGTH OF DIE CAST AM60 MAGNESIUM ALLOY」に基づいています。
1. 概要:
- 論文名: NOTCH EFFECT ON FATIGUE STRENGTH OF DIE CAST AM60 MAGNESIUM ALLOY
- 著者: Md. Shahnewaz Bhuiyan, Youshiharu Mutoh, Yukio Miyashita, Yuichi Ostuka, Toshikatsu Koike
- 発表年: 2009
- 発表学会/ジャーナル: Asian Pacific Conference for Materials and Mechanics 2009 at Yokohama, Japan, November 13-16
- キーワード: AM60マグネシウム合金, ダイカスト, 疲労強度, ノッチ効果, 応力集中係数, 疲労ノッチ感度 (論文中に明記されていないため推測)
2. アブストラクト:
本研究は、ダイカストAM60マグネシウム合金の疲労強度に及ぼすノッチ効果を調査するものである。平滑試験片および様々な応力集中係数（Kt）を持つノッチ付き試験片を用いて、4点曲げ試験を実施した。結果は、疲労寿命および疲労限度が、ある点（Kt=2.55）までKtが増加するにつれて減少し、それを超えるKtのさらなる増加は疲労強度を著しく変化させないことを示した。ノッチ付き試験片の疲労限度は、非伝播き裂が観察されなかったため、疲労き裂発生限度に対応することが見出された。き裂は一貫してノッチ底部から発生し、内部の鋳造欠陥はこの結果に影響を与えなかった。AM60合金のノッチ感度は、Ktの増加（1.57から2.09へ）に伴い初期に増加し、その後Ktがさらに増加すると減少した。
3. 緒言:
マグネシウム合金は、低密度、高比強度、優れた鋳造性および被削性などの固有の優れた特性により、航空宇宙および自動車産業分野で注目を集めている。これらの用途における構造部品の多くは、優れた疲労特性を要求する。したがって、マグネシウム合金に関するこれまでの研究の多くは、周囲環境下および腐食環境下での疲労特性に焦点が当てられてきた。しかしながら、将来の工学的応用の観点からは、疲労ノッチ感度に関する情報を有することも重要である。なぜなら、平滑材の疲労性能が良好であっても、ノッチ材の疲労性能は非常に劣る可能性があるからである。工学部品においては、ショルダー、キー溝、オイルホール、溝、ねじ山などの幾何学的不連続部、すなわちノッチが必然的に存在し、応力集中のためにノッチ底部で疲労破壊が非常に頻繁に発生する。したがって、特にマグネシウムおよびその合金のような新興材料の場合、ノッチ付き部品の疲労強度を調査することは非常に重要である。
本研究では、ダイカストAM60マグネシウム合金の疲労強度に対するノッチ効果を理解するために、異なる応力集中係数Ktを持つ一定深さのノッチ付き試験片を用いて4点曲げ試験を実施した。
4. 研究の概要:
研究テーマの背景:
マグネシウム合金は、低密度や高比強度といった有利な特性により、航空宇宙や自動車などの分野でますます利用されている。これらの合金で作られた多くの構造部品にとって、優れた疲労性能は重要な要件である。
先行研究の状況:
マグネシウム合金に関する従来の研究は、主に周囲環境および腐食条件下での疲労特性に集中してきた。しかし、実用的な工学設計のためには、疲労ノッチ感度に関する情報が不可欠である。なぜなら、ノッチを有する部品の疲労性能は、平滑材の疲労性能が良好であっても、著しく劣る可能性があるからである。ノッチは工学部品に一般的に見られ、応力集中のために疲労破壊の主要な起点となる。
研究の目的:
本研究の目的は、「異なる応力集中係数Ktを持つ一定深さのノッチ付き試験片を用いて、ダイカストAM60マグネシウム合金の疲労強度に対するノッチ効果を理解すること」であった。
研究の核心:
研究の核心は、ダイカストAM60マグネシウム合金に対する4点曲げ疲労試験の実施であった。平滑試験片とノッチ付き試験片の両方が試験された。ノッチ付き試験片は、一定のノッチ深さ（0.1 mm）を特徴としたが、ノッチ底半径（ρ = 1 mm, 0.3 mm, 0.25mm, 0.15 mm, 0.1 mm）を変化させることで、異なる理論応力集中係数（Kt = 1.57, 2.09, 2.19, 2.55, 2.90）を達成した。本研究は、S-N曲線、破面、疲労ノッチ係数（Kf）、およびノッチ感度（q）の分析に焦点を当てた。
5. 研究方法論
研究デザイン:
- 使用材料: 使用した材料はダイカストAM60マグネシウム合金であり、その化学組成はAl 5.5-6.5, Mn 0.13, Si 0.5, Cu 0.35, Zn 0.22, Ni 0.03 (質量%)であった。材料の機械的特性をTable 1に示す。
- Table 1 Mechanical properties of the material used
| 降伏応力 σ₀.₂ (MPa) | 引張強さ σᴮ (MPa) | 伸び (%) | ヤング率 E (GPa) |
|---|---|---|---|
| 103 | 224 | 9.0 | 43 |
- 試験片準備: 平滑試験片（Fig. 1(a)）およびノッチ付き試験片（Fig. 1(b)）を準備した。ノッチ付き試験片は、深さ（d）0.1 mmの半円状側面ノッチを有し、1 mm, 0.3 mm, 0.25mm, 0.15 mm, 0.1 mmの5種類の異なる半径（ρ）が導入され、それぞれのKt値は1.57, 2.09, 2.19, 2.55, 2.90であった。全ての試験片表面を1200番のエメリー紙まで研磨した後、加工による残留応力を除去するために270℃の真空中で30分間焼鈍した。最後に、試験片を6μmのダイヤモンドペーストで研磨した。
- 疲労試験: 2KNの負荷容量を持つサーボ油圧試験機を用いて4点曲げ試験を実施した。
データ収集・分析方法:
- 試験条件: 周波数20 Hz、応力比0.1の正弦波を用いて試験を実施した。全ての試験は20℃、55%RHで行われた。
- 試験期間: 疲労試験は試験片が完全に破壊するまで継続し、試験片が107サイクルまで破壊しなかった場合は試験を中止した。
- 応力集中係数 (Kt): 次の式 [5] を用いて計算した:
Kt = 1 + [1 / (1.55(D/d) - 1.3(t/ρ))]n
ここで n = [(D/d - 1) + 0.5(t/ρ)] / [(D/d - 1) + (t/ρ)]
であり、d, D, t, ρ は Fig. 1 に示されている。 - 観察: 試験片表面および破面を走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて詳細に観察した。
研究テーマと範囲:
本研究は、ダイカストAM60マグネシウム合金の疲労特性に対する応力集中の影響を評価することに焦点を当てた。これには以下が含まれる：
- 平滑試験片およびノッチ付き試験片のS-N曲線の決定。
- き裂発生箇所および材料欠陥の影響を特定するための破面観察。
- 非伝播き裂の存在調査。
- 疲労ノッチ係数（Kf）、理論応力集中係数（Kt）、およびノッチ感度（q）の関係の分析。
6. 主な結果:
主な結果:
- S-N曲線: 平滑AM60試験片は約81 MPaの疲労強度を示した。ノッチ付き試験片では、ノッチ半径が減少する（結果として応力集中係数が増加する）につれて、S-N曲線の傾きが平坦になる傾向があり、これは応力集中係数に応じてき裂発生寿命とき裂伝播寿命の比率が変化することを示唆している可能性がある（Figure 2）。
- 破面観察: ノッチ付き試験片の疲労き裂は、繰り返しすべり変形によりノッチ底表面で発生した（Figure 3）。試験片厚さの中央領域でしばしば見られる鋳造気孔は、き裂発生箇所またはその近傍では観察されず、したがって先の試験結果に影響を与えなかった。
- 非伝播き裂: 非伝播き裂の存在を明らかにするために、107サイクルまで破壊しなかったノッチ付き試験片をSEMで観察した。Figure 4は、疲労限度以下で試験を中止した試験片のSEM画像の一例である。図からわかるように、非伝播き裂は見つからなかった。これは、ノッチからき裂が発生すると、破壊に至るまで成長し続けることを意味する。したがって、観察された疲労限度は、き裂発生のしきい応力である。非伝播き裂は、AISI 304、316、およびSUS304でも認識されなかった[6-11]。
- 疲労ノッチ係数 (Kf) とノッチ感度 (q):
- 本材料のKf値はKtよりもかなり低く、この差はKtが増加するにつれて大きくなり、その後、より高いKt値で飽和する傾向があった。これは、本材料が低いノッチ感度を有することを示唆している（Figure 5）。
- ダイカストAM60合金では、応力集中係数が1.57から2.09に増加するにつれてノッチ感度が増加した。応力集中係数がさらに増加すると、ノッチ感度は減少した（Figure 6(a)）。本材料で見られたように、AMX602B（X = Ca）マグネシウム合金でも同様の結果が報告されているが、鋼（SUS304、AISI316オーステナイト鋼）では逆の関係が観察される（Figure 6(b)）。
図の名称リスト:
- Figure 1 Shape and dimensions of specimen (a) smooth specimen, (b) notched specimen (in mm)
- Figure 2 S-N curves for the smooth and notched specimens.
- Figure 3 SEM fractograph of fracture surface at crack nucleation region of the notched specimen tested at 100 MPa (Kt = 1.57).
- Figure 4 Magnified view near notched region of run out specimen showing the absence of non-propagating crack.
- Figure 5 Relationship between fatigue notch factor and stess concentration factor.
- Figure 6 Relationship between notch sensitivity and stress concentration factor, (a) magnesium alloy and (b) steel.
7. 結論:
ダイカストAM60マグネシウム合金の疲労特性に対する応力集中の影響を評価するために実施された4点曲げ疲労試験から、以下の結論がまとめられた：
- 疲労寿命および疲労限度は、応力集中係数が1.57から2.55に増加するにつれて減少した。応力集中係数がさらに増加しても、疲労強度には影響しなかった。
- 全てのノッチ付き試験片に対するダイカストAM60の疲労限度は、疲労き裂発生限度に対応した。なぜなら、疲労限度において試験片に非伝播き裂が存在しなかったからである。
- 全てのノッチ付き試験片の破面観察により、き裂はノッチ底部から発生したことが明らかになった。鋳造気孔はき裂発生箇所近傍では観察されなかった。したがって、本試験では、試験片厚さの中央領域でしばしば見られる鋳造欠陥は、先の試験結果に影響を与えなかった。
- 応力集中係数が1.57から2.55に増加するにつれて、材料のノッチ感度も増加した。応力集中係数がさらに増加すると、ノッチ感度は減少した。
8. 参考文献:
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9. 著作権:
- 本資料は、「Md. Shahnewaz Bhuiyan, Youshiharu Mutoh, Yukio Miyashita, Yuichi Ostuka, Toshikatsu Koike」氏らによる論文です。「NOTCH EFFECT ON FATIGUE STRENGTH OF DIE CAST AM60 MAGNESIUM ALLOY」に基づいています。
- 論文の出典: Asian Pacific Conference for Materials and Mechanics 2009 at Yokohama, Japan, November 13-16. (DOIは論文に記載されていません)
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