回転曲げ疲労の要因を教えて下さい

質問

SCM材シャフトの疲労強度改善の目的で調質処理（硬度HRC8ポイント上昇品）を試みましたが逆に回転曲げ疲労限度が5kgf/mm2程度低下してしまいました。（通常品はＬＡ引き抜き材）回転曲げ疲労強度を低下させている要因について他に何があるのか教えて下さい。（ちなみに形状は同一、調質品の表面粗さは通常品同等、結晶粒度は通常品と比べ優れております）

回答No.5

noname#230359

連休してました。段つきは、ｄ／Ｄ＝2だったら、フィレット　ｒ＝0.4の影響でほとんど応力集中形状係数がきまり、曲げで２.５倍　ねじりで１.６倍ぐらいです。
ＨＲＣ25　ＨＲＣ33　に対応する回転曲げ疲労限度は普通　450及び550Ｎ／ｍｍ２　ですのでねじり入力と精度最悪値での曲げ応力をけいさんしてみてください。
　熱処理は、高周波の場合は前処理によって、処理時間、温度の調節をするべきです。表面硬度をカットサンプルでチェックします。

回答No.4

noname#230359

推測ですが、ノッチの付いている全く同一形状の材料があったとします。硬い材料と柔らかい材料です。仮に同じ引張りでも回転でも構いませんが負荷をかけます。
柔らかい材料の場合：負荷によっての変形がノッチ部以外の部分にも生じ、結果としてエネルギーが分散される。痛みを分散して受けるのと同じ。
硬い材料の場合：負荷によっての変形がノッチ部のみに集中し、結果としてエネルギーが集中する。破壊が進行しやすくなる。その分，他の部分は変形しない。痛みを局所的に受ける。
以上例えです。理論的なことは不詳です。

高周波焼入れは負荷の影響が小さくなる部分まで措置しないとやはり壊れやすくなります。つまり、局所的な焼入れでは駄目ということです。念のため。

お礼

返事が遅くなってしまい申し訳ございませんでした。理解できました。ありがとうございました。ちなみに今回のケースでは引張強度試験及び回転曲げ疲労試験共に段付部で破断しております。引張強度は硬度に比例して向上したのですが、回転曲げ疲労強度は低下してしまった次第です。高周波焼入れは出来る限り範囲を広げて処理を考えてみます。色々とアドバイスありがとうございました。

回答No.3

noname#230359

手元の文献によれば、SCM材の場合はHRC45HRC50前後までは比例して強度が高くなり、これ以上に高くすると逆に低下する報告例があります。従ってHRC33程度では低下しないです。
一方で硬くした材料は切欠きに対して敏感になります。これを防ぐために切欠き部を含めて高周波焼入れなどの対応がありますが、逆に焼き割れに対する課題が発生するようです。円形断面でない場合は、回転曲げに対して応力集中が発生しやすくなり、疲労強度は円形断面より弱くなります。（ｋｃｂさんのご指摘の通りです）。この現象は有限要素解析で確認できると思います。
断付形状でも同様です。従って硬度UPした分、断付部の疲労限度が落ちたものと思います。全面高周波焼入れなどで表面硬度を上げると改善されるはずです。

お礼

御回答ありがとうございます。今回疲労強度が低下している部分は段付形状（φ14→φ7）＋付け根Ｒが0.4となっており、強度が低下するのは当たり前の状況にあります。そこでご指摘の通り疲労強度が低下している部分に高周波焼入れを考えており焼き割れが懸念されますが焼き割れさえ発生しなければ、圧縮方向の応力が付与されますので疲労強度は向上すると考えています。そこでお伺いしたいのですが、硬くした材料が切欠きに対して敏感になるのは理論的にどう言うことなのでしょうか？御回答お願い申し上げます。

回答No.2

noname#230359

丸い軸でないとだいたい硬くすると弱くなります。
変位加振とは良くあるのはベアリングのアライメントと軸のまがりや同心ずれなどです。このときにベアリング保持剛性がたかいと軸が一定変位曲げられてくりかえし応力がかかります。ですから精度を上げるか、保持に逃げをうつか、軸をほそくするか、長くするか、カップリングでたわみを逃がすか、考えてみてはいかがですか。

お礼

ご回答ありがとうございます。変位加振につきまして納得できました。早速試してみます。丸い軸でないと疲労強度が低下するのは熱処理前後での応力の変化に起因するからでしょうか？例えば丸棒を調質して段付にしたものは硬度上昇させた分、疲労強度も向上し、段付に加工してから熱処理したものは低下する場合が多いと言うことなのでしょうか？丸い軸とは外径が一定な軸と言うことでしょうか？度々恐れ入りますがご回答お願い申し上げます。

回答No.1

noname#230359

だいたい硬くすると回転曲げは弱くなります。
拘束点剛性と軸剛性との比率と　表面形状で応力が均一かどうか、軸の精度が強度要因と思います。
　変位加振になっているのではないですか。

お礼

早速のお返事ありがとうございます。正確な硬度が抜けておりましたので補足させて頂きますと、通常品はHRC25で調質品はHRC33程度です。平滑材ではHV400ぐらいまでは硬度が上がるにつれて回転曲げ疲労強度も上がると思うのですが、切欠き形状の場合硬度が上がると回転曲げ疲労強度は逆に下がるのでしょうか？変位加振とはシャフトが回転した時バランスが悪いと言うことでしょうか？ご回答宜しくお願い致します。