衝撃荷重が鉄鋼材料の疲労強度を低下させるのは何故

質問

• 衝撃荷重が鉄鋼材料の疲労強度を低下させるメカニズムについて、繰り返しの衝撃荷重により安全率が低下し、疲労寿命が大幅に短くなることが知られています。
• 衝撃荷重が鉄鋼材料に与える影響は、これまでの力学や工学の参考書では詳しく解説されていない部分です。
• そのため、衝撃荷重による鉄鋼材料の疲労強度低下のメカニズムはまだ解明されていない可能性もあります。

回答No.12

noname#230359

回答(5)回答者です。
最近には珍しく質問者の追加質問のレベルが高く、回答者とのやり取りを興味深く拝見しています。
僭越ながら、他回答の補足に引っ掛けて情報提供します。

「衝撃荷重のピーク値が振幅一定と同じ値なら、衝撃の方が寿命が長くなる」(回答(2)(10))と
「高サイクル領域ではひずみ速度が速いほど寿命が短くなる」(質問者)

衝撃荷重疲労と通常疲労の結果を比較すると、小生紹介文献(2)図5にあるように、低サイクル疲労領域では、同一負荷応力に対する破断回数は明らかに低下し、約1/10になっています。
一方高サイクル領域とは通常は疲労限の世界であり、破断回数ではなく疲労限強度が主題になり、衝撃疲労の疲労限は通常疲労の70%程度です。質問者の「高サイクル疲労での寿命」の意味が不明瞭のように思います。

通常の疲労試験では、例えば台形波形にして、同じ最大荷重であっても負荷保持時間を短くすると、疲労破断回数(寿命)は多くなることは確かです。衝撃荷重を短時間負荷波形だと考えれば、回答(2)は正しいと思います。ただ回答(10)にある「疲労限が上がる」かどかはまではよく判りません。
なお、疲労波形の無負荷時間を長くすると破断回数は増加します。これは金属の回復現象によるものです。

なお、回答(10)で「歪速度は塑性域」のように捉えられていますが、「応力-歪曲線」と言うように、ここで言う歪速度とは応力負荷速度と言う意味ですから、弾性域塑性域とは関係ありません。

「急な応力伝播では、・・微小損傷を起こし易い」(回答(6))
回答者の真意に合致しているかどうか判りませんが、疲労特性に及ぼす荷重負荷波形周波数の影響を紹介します。
文献(6)図3にあるように、応力負荷周波数を100Hzから20KHzに変化させてもS-N曲線には変化はありません。疲労特性に及ぼす因子としては最大荷重と負荷継続時間が支配的であり、負荷応力の変化速度の影響はないと思います。

衝撃荷重疲労は単なる高速応力負荷疲労ではなく、衝撃荷重により発生する応力波が悪影響をすることが重要であり、負荷速度の影響だけを議論することは、本来の質問趣旨とはずれてしまうと思います。

「衝撃荷重とはランダムな繰返荷重で、平均振幅より大きなものが混ざってくるから」(回答(2))

「ランダムな繰返荷重」とは小生文献(1)図1や図4(b)のような振動(減衰振動?)荷重(これが1サイクルになっている)を考えているのでしょうか。ただこれは1974年の古い文献です。その後は文献(4)(1981年)図8や写真2にあるように、振動のない単純波形で試験をしているようですので、ピーク荷重はしっかりと把握されているものと思います(回答(4)のような疑問はあるものの)。

参考URL：

https://www.jstage.jst.go.jp/article/kikaia1979/68/667/68_667_477/_pdf