专利名称：氢气中疲劳试验方法
技术领域：
本发明涉及一种对在规定条件下从试验片的疲劳断面扩展的裂纹长度进行确定的疲劳试验方法。
背景技术：
目前，如专利文献1所示，作为用于对赋予试验片的裂纹的扩展状况进行确认的 疲劳试验方法，有对试验片赋予海滩条带(beach mark)的方法。通常，海滩条带的赋予按 照下面的步骤进行。首先，预先在试验片的表面形成裂纹。然后，如图1(a)所示，在裂纹发生扩展的规 定的重复速度、规定的应力振幅及规定的重复数下赋予载荷。在图1(a)的例中，将重复速 度设为K = O. OlHz)、将应力振幅设为σ工、将重复数设为K。接着，赋予海滩条带时，将重复速度或应力振幅中的至少一方或双方变更为与上 述最初的载荷条件不同的值并赋予载荷。在图1(a)的例中，将重复速度设为f2( = 1Hz)、 将应力振幅设为σ 2 ( 0. 5。D、将重复数设为N2 ( = 5 ION1)，使重复速度及应力振幅双 方的值不同。在此，重复速度及应力振幅设定为裂纹几乎没有扩展的范围的值。这是由于， 通过使裂纹扩展速度极低，显著形成基于断面的重复接触的微动磨损(fretting)氧化物。 该微动磨损氧化物沿着载荷条件变化时的裂纹前缘，可作为黑色带状的海滩条带识别。然后，通过在上述不同的两个载荷条件下交替赋予载荷，如图1(b)所示，试验片 的疲劳断面中在载荷条件改变的部分被赋予以裂纹产生起点为中心而呈大致同心状的海 滩条带。于是，由海滩条带间隔可以对在上述最初的载荷条件下扩展的裂纹长度进行确定。专利文献1 日本特开平11-230880号公报非专利文献1 金崎俊彦、槽崎千寻、峯洋二、松R三郎、村上敬宜“氢对赋予了预 变形的奥氏体系不锈钢的疲劳裂纹扩展的影响”日本机械学科〔No. 05-9〕M&M2005材料力 学研讨会讲演论文集(，O5· 11.4-6，福冈市)、Ρ86、ρ· 595-596非专利文献2 金崎俊彦、槽崎千寻、峯洋二、松R三郎、村上敬宜“氢对不锈钢 的疲劳裂纹扩展特性的影响和马氏体转变”日本机械学会论文集(Α编)72卷723号 (2OO6-Il)、pl23_l30。(原稿受理 2OO6 年 5 月 1 日)
发明内容
在上述的疲劳试验方法中，为了赋予海滩条带，必须使裂纹的扩展速度极慢，因 此，在1次疲劳试验中可以得到的实质上只是在疲劳扩展的最初的载荷条件下扩展的裂纹 长度。即，从试验片的疲劳断面可以确认在最初的载荷条件下的裂纹的扩展状况，但存在不 能确认在后者的载荷条件下的裂纹的扩展状况的问题。特别是在这样的疲劳试验中，主要目的是得到表示应力扩大系数和裂纹扩展速度 的关系的疲劳裂纹扩展曲线。但是，如图I(C)所示，在1次疲劳试验中可以得到的只是在 裂纹扩展的最初的重复速度(f\ = 0.01Hz)下的疲劳裂纹扩展曲线。关于后者的重复速度(f2 = 1Hz)，必须在以该重复速度并设定为裂纹发生扩展的应力振幅及重复次数的基础上， 利用另外的试验片重新实施疲劳试验，得到疲劳裂纹扩展曲线，因此效率低下。特别是如本 例那样以低频率赋予载荷的情况下，由于试验时间极长，因此，期待开发出通过1次疲劳试 验就得到多个重复速度下的各个疲劳裂纹扩展曲线的技术。本发明是鉴于这样的问题而完成的，其目的在于，提供一种技术，所述技术通过改 变试验的重复速度(频率)，使试验片中的氢(在氢气环境中进入试验片的氢和/或试验片 中事先含有的氢)对裂纹扩展的影响发生变化，由此形成不同的疲劳断面，基于这样的现 象，通过1次疲劳试验就可以确认多个载荷条件下的各个裂纹的扩展状况。特别是提供一 种通过1次疲劳试验就得到多个重复速度下的各个疲劳裂纹扩展曲线的技术。本发明为了解决上述课题，采用如下方法。
第1发明是不含氢的试验片或含氢的试验片在氢气环境中的疲劳试验方法，其特 征在于，交替重复以下两个步骤在包括形成于所述试验片的裂纹扩展的规定的应力振幅、 规定的重复速度、及规定的重复数的第一条件下，对所述氢气环境中的所述试验片施加载 荷的第1加载步骤，和在包括所述裂纹扩展的规定的应力振幅、规定的重复速度、及规定的 重复数，且至少重复速度与所述第一条件不同的第二条件下，对所述氢气环境中的所述试 验片施加载荷的第2加载步骤；伴随所述重复速度的变化，所述试验片中的氢对所述裂纹 扩展的影响不同，由此疲劳断面的状态不同，基于这样的现象，对在所述第一条件下扩展的 第1裂纹长度及在所述第二条件下扩展的第2裂纹长度分别进行确定。在此，上述“试验片中的氢”，I.在试验片中事先不含氢的情况下，是表示在氢气环 境中因氢进入该试验片而包含于该试验片中的氢，II.在试验片中事先含有氢的情况下，是 表示该事先含有的氢、以及在氢气环境中因氢进入该试验片而包含于该试验片中的氢。即， 本第1发明可以适用于试验片为充氢材料的情况、为未充氢材料的情况这两者。第2发明是含氢的试验片的疲劳试验方法，其特征在于，交替重复以下两个步骤 在包括形成于所述试验片的裂纹发生扩展的规定的应力振幅、规定的重复速度、及规定的 重复数的第一条件下，对所述试验片施加载荷的第1加载步骤，和在包括所述裂纹发生扩 展的规定的应力振幅、规定的重复速度、及规定的重复数，且至少重复速度与所述第一条件 不同的第二条件下，对所述试验片施加载荷的第2加载步骤；伴随所述重复速度的变化，所 述试验片中的氢对所述裂纹扩展的影响不同，由此疲劳断面的形态不同，基于这样的现象， 对在所述第一条件下扩展的第1裂纹长度及在所述第二条件下扩展的第2裂纹长度分别进 行确定。在此，上述“试验片中的氢”，是表示试验片中事先含有的氢。即，本第2发明当然 可以在试验片为充氢材料的情况下使用，但即使试验片为未充氢材料，在该试验片的氢含 量在一定(在后述的例子中为2.6质量ppm)以上的情况下也可以使用。第3发明是发明1或2的疲劳试验方法，其特征在于，所述第二条件的应力振幅与 所述第一条件相同。第4发明是选自发明1 3中的一项所记载的疲劳试验方法，其特征在于，基于所 确定的所述第1裂纹长度及所述第一条件，得到表示该第一条件下的应力扩大系数和裂纹 扩展速度的关系的第1疲劳裂纹扩展曲线，并且，基于所确定的所述第2裂纹长度及所述第 二条件，得到表示该第二条件下的应力扩大系数和裂纹扩展速度的关系的第2疲劳裂纹扩展曲线。
在进行通常的疲劳试验的大气中，疲劳断面不会随载荷的重复速度的变化而变 化。因此，需要减小裂纹扩展速度，形成由微动磨损氧化物引起的海滩条带。即，为了显著 形成微动磨损氧化物，必须使之为裂纹几乎没有扩展的方式。因此，通过1次疲劳试验可以 确认的只是最初的载荷条件下的裂纹的扩展状况。而在本发明的疲劳试验方法中，以试验片中存在氢作为条件。然后，通过使重复 速度变化，氢对裂纹扩展的影响程度也变化(重复速度越低氢的影响越大)。于是，通过使 重复速度交替变化，可以在同一疲劳断面内交替出现氢的影响大的区域和氢的影响小的区 域。在该氢的影响大的区域和氢的影响小的区域中，由于表面的粗糙度等断面形态不同，因 此，结果形成条纹花样。即，可以将多个载荷条件均设定为裂纹发生扩展的条件，可以通过 1次疲劳试验对多个重复速度的条件下的各个裂纹长度进行确定。另外，如果是以往，则必须要形成微动磨损氧化物，因此赋予海滩条带的方式被限 定于在大气中这样的氧化环境中进行的情形。但是，由于在高纯度的氢气中不存在氧，因此 不形成微动磨损氧化膜。因此，为了确认在不形成微动磨损氧化物的氢气环境中裂纹的扩 展状况，需要使用复制法等。但是，在利用复制法时，需要进行多次每隔规定期间除氢、打开 压力容器、在采取复制后再次填充氢的操作。这些操作烦杂，并且必须考虑操作对实验结果的影响。另外，高压氢气的进出非常 耗费时间，并且也存在安全上的问题。另一方面，为了在不取出试验片的情况下就解决，在 容器中安装用于观察断面的窗，但由于从观察窗到试验片的距离长，因此光学显微镜需要 非常长的焦点距离，这在技术上难以实现。进而，在氢气中应用使用了夹式引伸仪及应变仪 等的弹性卸载柔度法进行的裂纹长度测定法，由于氢，这些仪表老化而值发生变化，因此精 度下降。另外，由于通电，因此需要实施防爆。但是，根据本发明，不需要形成微动磨损氧化物。即，即使在氢气环境中进行疲劳 试验，基于疲劳断面形态的不同，也可以对多个重复速度条件下的各个裂纹长度进行确定。 由此，不需要在如高压氢气环境中那样的危险环境下进行试验片的取出及再次的设置操 作，存在不需要多次进行高压氢气的进出等成本上、安全上的优点。根据该观点，本发明在开发中的燃料电池汽车所必需的高压氢气(氢气的压力目 前为35MPa，推测将来为70MPa)环境下的试验中特别有效。在这样的试验中，由于将高压氢 气封入板压厚的压力容器中，因此，难以使用目前的光学式及电气式的裂纹长度测量技术， 在本发明中，即使在这样的环境下也可以确定多个重复速度条件下的各个裂纹长度，同时， 具有不需要进行试验片的取出等、且不需要多次进行高压氢气的进出等成本上、安全上的 优点。另外，如果是以往，要想形成微动磨损氧化物，则大多情况是使应力振幅减少以使 得裂纹几乎不扩展，但已知应力振幅的大的变化对其之后的疲劳裂纹扩展的影响较大。即， 使应力振幅较大变化后的裂纹扩展不只依赖于该载荷条件，因此，难以确认正确的裂纹扩 展状况。但是，根据本发明，不需要形成微动磨损氧化物。即，不需要使应力振幅变化，因此，可以确认该载荷条件下的正确的裂纹扩展状况。进而，根据本发明，通过1次疲劳试验就可以对多个载荷条件下的各个裂纹长度进行确定，因此，可以得到该多个条件下的各个疲劳裂纹扩展曲线，非常有助于提高疲劳试 验的效率。
图1是表示目前的疲劳试验方法的概要的图。图2中，图2(a)是表示疲劳试验片的尺寸的图，图2 (b)是表示设置于疲劳试验片的人工微孔的尺寸的图。图3是由人工微孔产生的疲劳裂纹的例子。图4是表示疲劳试验的重复数和裂纹长度的关系的图表，图4(a)是SUS304的试 验结果，图4(b)是SUS316的试验结果，图4(c)是SUS316L的试验结果。图5是表示SUS316L的疲劳试验的重复数和裂纹长度的关系的图表。图6是表示SUS316L的疲劳试验的重复数和裂纹长度的关系的图表，是表示裂纹 长度达到200 μ m后的关系的图表。图7是表示本发明的疲劳试验方法的概要的图。图8中，图8(a)是表示将SUS304的充氢材料在氢气环境中进行疲劳试验时的加 载变化的图，图8(b)是相同疲劳试验的疲劳断面，图8 (c)是表示重复数和裂纹长度的关系 的图。图9是将SCM435的充氢材料在大气中进行疲劳试验时的疲劳断面。图10是表示将SCM435的充氢材料及非充氢材料在大气中进行疲劳试验时的疲劳 裂纹扩展曲线的图。图11是表示奥氏体系不锈钢(SUS316L)的充氢材料和非充氢材料的氢含量的图。
具体实施例方式[1.试验片中所含的氢的影响]首先，对试验片中所含的氢对疲劳裂纹的扩展的影响进行说明。已知氢能够进入金属材料中并使材料的静态强度及疲劳强度降低(例如，上述非 专利文献1、2)。本发明的发明人等进行了下面的实验，确认了试验片中所含的氢如何对疲 劳裂纹的扩展速度产生影响。(试验片)使用的材料为奥氏体系不锈钢SUS304、SUS316及SUSU316L(A)(下面，简称为 SUSU316L)。SUS304、SUS316及SUSU316L使用进行了固溶处理的材料。在图2(a)中，图示 出试验片的形状。试验片的表面用砂纸研磨至#2000后，通过抛光研磨进行精加工。关于 各试验片，准备以下所示的进行了氢填充的试验片和未进行氢填充的试验片两种。为了容易地对疲劳裂纹扩展进行观察，如图2(b)所示，在试验片的长度方向的中 央部，在与长度方向垂直的方向，用前端角度为120度的钻头钻开直径100 μ m、深度100 μ m 的人工微孔。试验部为图2(a)所示试验片的中央的圆柱部分，该圆柱的长度为约20mm。该 圆柱的上表面和底面平行，且垂直于试验片的长度方向的轴线。图3是表示试验部的概要 的图。其图示出对试验片施加的载荷方向和由导入的人工微孔产生的疲劳裂纹的例子。进 行了氢填充的试验片的情况，在氢填充完成之后，立即再次实施抛光研磨，打开人工微孔。
(氢填充方法)氢填充通过阴极填充法进行。氢填充的条件为pH = 3. 5的硫酸水溶液、钼阳极、 电流密度i = 27A/m2。溶液温度为50°C (323K)的情况下，进行672小时(4周)的氢填充， 温度为80V (353K)的情况下进行336小时(2周)的氢填充。为了使因蒸发引起的硫酸浓 度的变化减小，硫酸水溶液每周更换一次。(疲劳试验方法)疲劳试验以重复速度0.0015 5Hz、应力比R = _l进行。重复速度按照在疲劳试 验中试验部表面温度不超过60°C的方式进行调节。通过复制法观察疲劳裂纹，同时对疲劳 裂纹的长度进行测定。图4是表示疲劳试验所致的裂纹长度和重复数的关系的图表。图4 (a)表示SUS304 的试验结果，图4(b)表示SUS316的试验结果，图4(c)表示SUS316L的试验结果。对于各材 料SUS304、SUS316、SUS316L，将进行了氢填充的情况与未进行氢填充的情况进行比较。在 SUS304、SUS316的情况下重复速度为1. 2Hz，在SUS316L的情况下重复速度为5Hz。从图4可知，进行了氢填充的SUS304、SUS316与未进行氢填充的试验片相比，裂纹 扩展的速度加快。例如，对于裂纹长度2a达到400 u m所需要的重复次数N，进行了氢填充 的情况与未进行氢填充的情况相比，可以说明显减少。在该例中，进行了氢填充的情况下的 疲劳裂纹扩展速度与未进行氢填充的情况相比，快约2倍。另一方面，为SUS316L时，进行 了氢填充的情况下的疲劳裂纹扩展速度与未进行氢填充的情况相比，为快若干的程度。由该结果确认，在以数Hz以下(5Hz、l. 2Hz)的重复速度进行疲劳试验的情况下， 填充于试验片的氢对疲劳裂纹扩展速度有影响。图5是将SUS316L的疲劳试验的结果进行了图示的图表。在该图中，给出如下材 料的疲劳试验结果，所述材料是不进行氢填充但氢含量为0. 4质量ppm、2. 6质量ppm的2 种材料，和对在未进行氢填充的状态下氢含量为2. 6质量ppm的材料进行氢填充而成为3. 9 质量ppm的材料。重复速度在疲劳裂纹的长度达到200 ym之前为1.5Hz。疲劳裂纹的长度 达到200 u m后，使重复速度从1. 5Hz变为0. 0015Hz。氢含量为2. 6质量ppm、3. 9质量ppm的材料直到疲劳裂纹的长度达到200 y m为 止需要10000左右的重复数，氢含量为0. 4ppm的材料需要60000以上，可以说两者存在明 显的差异。从该结果可以确认，氢含量为2. 6质量ppm、3. 9质量ppm的材料与氢含量为0. 4 质量ppm的材料相比，裂纹扩展速度较快。图6是将SUS316L的疲劳试验的结果进行了图示的图表。在该图中，给出如下材 料的疲劳试验结果，所述材料是不进行氢填充但氢含量为0. 4质量ppm、2. 6质量ppm的两 种材料，和对在未进行氢填充的状态下氢含量为2. 6质量ppm的材料进行氢填充而成为3. 9 质量ppm的材料，和对同样的在未进行氢填充状态下氢含量为2. 6质量ppm的材料进行氢 填充而成为5. 1质量ppm的材料。重复速度为1. 5Hz和0. 0015Hz两种。以重复速度为0. 0015Hz的情况进行比较时，可以确认氢含量为5. 1质量ppm、2. 6 质量ppm的材料与0. 4质量ppm的材料相比，裂纹扩展速度快。另外，对氢含量为2. 6质量 ppm的材料进行比较时，可以确认重复速度为0. 0015Hz的情况与重复速度为1. 5Hz的情况 相比，裂纹扩展速度快。(疲劳试验的速度和疲劳裂纹扩展速度的关系)
从图5及图6所示的实验结果确认，不管是否进行氢填充，只要试验片的氢含量为 一定以上(在本例中为2.6质量ppm左右)，就对疲劳裂纹扩展速度有影响。另外，确认了 重复速度越慢疲劳裂纹扩展速度越快。在此基础上，下面使用具体例对本发明进行说明。[2.本发明的疲劳试验方法]下面，根据附图对本发明的疲劳试验方法进行说明。首先，使用图7，对本发明的疲 劳试验方法的概要进行说明，接着，使用图8 图11对使用了本发明的疲劳试验方法的试 验例进行说明。本发明利用氢对疲劳裂纹扩展的影响依赖于重复速度这一事实。图7(a)表示对 试验片施加载荷的一例。在该例中，最初以应力振幅o工、重复速度= 0. 01Hz、及重复数 K这样的第一条件对试验片施加载荷，其后，以应力振幅o2 、重复速度f2= 1Hz、及 重复数N2 = 1 50K这样的第二条件施加载荷。第二条件与第一条件至少重复速度不同。通过以上述第一条件、第二条件交替施加载荷，试验片断裂。在此，如上所述，如果 试验片的氢含量为一定以上，则对疲劳裂纹扩展速度有影响，重复速度越慢，疲劳裂纹扩展 速度越快。因此，条件1的重复速度= 0. 01Hz的情况与条件2的重复速度f2 = 1Hz相 比，氢对疲劳扩展的影响大。结果是，在疲劳断面上交替出现氢的影响大的区域(以重复速 度扩展的区域)和氢的影响小的区域(以重复速度f2扩展的区域)，由于两区域的断面 形态不同，因此可识别边界线。S卩，在疲劳断面上，如图7(b)所示，赋予了以裂纹产生地点为中心且呈大致同心 状的条纹状海滩条带(此处所说的海滩条带不是由微动磨损氧化物引起的，而是指基于断 面形态的不同而可识别的边界线)。在该例中，从裂纹产生地点朝向裂纹扩大方向，最初的 海滩条带和第二条海滩条带所包围的范围为在第一杂件下扩展的裂纹的范围。图中，以涂 黑的范围表示。接着，第二条海滩条带和第三条海滩条带所包围的范围为在第二条件下扩展的裂 纹的范围。图中，为涂黑范围所夹持的范围。由于在第一条件下、第二条件下裂纹交替扩
展，因此，将奇数设定为n(l，3，5，......)、将偶数定为m(2，4，6，......)时，将第n条海滩
条带和第n+1条海滩条带所包围的范围确定为在第一条件下扩展的裂纹的范围(以下称为 “第1范围”)，将第m条海滩条带和第m+1条海滩条带所包围的范围确定为在第二条件下扩 展的裂纹的范围(以下称为“第2范围”)。于是，由第n条海滩条带和第n+1条海滩条带的间隔可以分别确定在第一条件下 扩展的裂纹长度，由第m条海滩条带和第m+1条海滩条带的间隔可以分别确定在第二条件 下扩展的裂纹长度。另外，如图7(b)所示，在第1范围和第2范围分别多个交替出现的情况下，存在多 个在第一条件下扩展的裂纹长度，也存在多个在第二条件下扩展的裂纹长度。因此，如图 2(c)所示，关于第一条件，可以得到多个(应力扩大系数AK，疲劳裂纹扩展速度da/dN)的 关系，其结果，对于第一条件的重复速度(f\ = 0. 01Hz)，可以推定表示应力扩大系数AK和 疲劳裂纹扩展速度da/dN的关系的疲劳裂纹扩展曲线。另外，如图7(c)所示，关于第二条 件，也可以得到多个(应力扩大系数AK，疲劳裂纹扩展速度da/dN)的关系，其结果，对于第 二条件的重复速度(f2 = 1Hz)，可以推定表示应力扩大系数AK和疲劳裂纹扩展速度da/ dN的关系的疲劳裂纹扩展曲线。
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如此，在1次疲劳断裂试验中，通过使重复速度不同，可以分别得到各重复速度下 的疲劳裂纹扩展曲线，因此，可以进行效率良好的疲劳试验。[3.试验例1 (在氢气环境中的疲劳试验)]接着，使用图8对在氢气环境中使用了本发明的疲劳试验方法的试验例进行说 明。这里使用的试验片是进行了氢填充的SUS304。在各试验片的中央表面事先形成有长度 为2a = 245 y m的裂纹。本疲劳试验在氢气环境中进行。如图8(a)所示，对试验片，交替重复第一条件(应力振幅o工=280MPa、应力比 R = -1、重复速度f\ = 1. 2Hz、重复数讽=100)下的加载、和第二条件(应力振幅o 2 = o : = 280MPa、应力比:R = _1、重复速度:f2 = 0. 01Hz、重复数:N2 = = 100)下的加载。试验片疲劳断裂后，用光学显微镜观察该疲劳断面，结果如图8(b)所示，因重复 速度不同而在同一疲劳断面内产生断面形态的不同，其边界线可以作为海滩条带识别。其结果，如图8(b)所示，可以确定在各条件下扩展的裂纹长度。图8(c)表示本实 验的重复数和裂纹长度的关系。裂纹长度的初始值为245 ym，通过在第一条件和第二条件 下交替施加载荷，裂纹缓慢扩展。累计的重复数为2700次时出现最初的海滩条带，为2800 次时出现第二条海滩条带，为2900次时出现第三条海滩条带。在重复数2700次到2800次 之间扩展的裂纹的长度相当于在第二条件下即以重复速度f2 = 0. 01Hz扩展的裂纹长度， 在重复数2800次到2900次之间扩展的裂纹的长度相当于在第一条件下即以= 1. 2Hz扩 展的裂纹长度。如此，根据本发明，不需要形成微动磨损氧化物，因此，即使是本例的在氢气环境 中进行疲劳试验的情况，基于疲劳断面形态的不同，也可以对多个载荷条件下的各个裂纹 长度进行确定。由此，具有不需要在高压氢气环境中的试验中进行多次每隔规定期间除氢、 打开压力容器、采取复制后再次填充氢的操作等成本上、安全上的优点。进而，通过可以确定裂纹长度，可以得到表示第一条件、第二条件下的应力扩大系 数和裂纹扩展速度的关系的疲劳裂纹扩展曲线。另外，在上述的例子中，使用充氢材料作为试验片，但由于即使为未充氢材料，在 氢气环境中氢也进入试验片从而使该试验片中含有氢，因此，可以适用于上述的试验方法。 另外，即使为未充氢材料，有时也存在从制钢时原本就含有的氢，在该氢含量为对疲劳裂纹 的扩展有影响的充分的值的情况下，无论上述氢是否进入，都可以应用本发明。[4.试验例2 (大气中的疲劳试验)]接着，使用图9 图10，对在大气中(氧化环境中)使用了本发明的疲劳试验方法 的试验例进行说明。这里使用的试验片是进行了氢填充的SCM435。对试验片，交替重复第一条件(应力振幅o工=40MPa、应力比R = 0、重复速度 = 0. 01Hz、重复数讽=30)下的加载、和第二条件(应力振幅o 2 = o : = 40MPa、应力
比R = 0、重复速度f2 = 10Hz、重复数N2 = 1000)下的加载。第二条件与第一条件应力 振幅相同，重复速度不同。在试验片疲劳断裂后，用光学显微镜观察该疲劳断面，结果如图9所示，因重复速 度不同而在同一疲劳断面内产生断面形态的不同，其边界线可以作为海滩条带识别。其结果，如图9所示，可以确定在各条件下扩展的裂纹长度。进而，通过可以确定 裂纹长度，还可以确定各条件下的裂纹长度扩展速度da/dNOii/cycle)、应力扩大系数幅度AK(MPaV"m )。即，可以得到表示第一条件、第二条件下的应力扩大系数和裂纹扩展速 度的关系的疲劳裂纹扩展曲线。图10表示如上所述得到的第一条件(重复速度0.01Hz)下的疲劳裂纹扩展曲线、 第二条件(重复速度10Hz)下的疲劳裂纹扩展曲线。如此，由于可以通过1次疲劳试验确定 多个重复速度(O.OlHzUOHz)下的各个裂纹长度，因此，可以得到各个疲劳裂纹扩展曲线， 可以极大地有助于提高疲劳试验的效率。进而，根据本发明，由于无需在多个条件间改变应 力振幅，因此，可以得到各重复速度下的正确的疲劳裂纹扩展曲线。另外，关于未进行氢填充的试验片，与上述充氢材料的情况同样，可以得到表示第 一条件、第二条件下的应力扩大系数和裂纹扩展速度的关系的疲劳裂纹扩展曲线。如图11 所示，SUS304这样的奥氏体系不锈钢中存在2.6质量ppm左右的从制钢时原本就含有的氢。 该氢含量如上所述，是对疲劳裂纹的扩展有影响的充分的值。于是，通过改变重复速度，原 本就含有的氢对疲劳裂纹扩展的影响发生变化，氢的影响大的区域和氢的影响小的区域交 替出现，两区域因断面形态不同而可识别边界线。工业上的可利用性本发明可以在将充氢材料或未充氢材料在氢气环境中进行疲劳试验时使用。另 外，可以在将充氢材料或者为未充氢材料但氢含量在一定以上的材料在氧化环境中进行疲 劳试验时使用。本发明是制造在氢气环境下使用的钢铁材料等的金属制造业及氢能基础设 施中特别有用的技术。
权利要求
一种疲劳试验方法，其是不含氢的试验片或含氢的试验片在氢气环境中的疲劳试验方法，其特征在于，交替重复以下两个步骤在包括形成于所述试验片的裂纹发生扩展的规定的应力振幅、规定的重复速度、及规定的重复数的第一条件下，对所述氢气环境中的所述试验片施加载荷的第1加载步骤，和在包括所述裂纹发生扩展的规定的应力振幅、规定的重复速度、及规定的重复数，且至少重复速度与所述第一条件不同的第二条件下，对所述氢气环境中的所述试验片施加载荷的第2加载步骤，伴随所述重复速度的变化，所述试验片中的氢对所述裂纹扩展的影响不同，由此疲劳断面的形态不同，基于这样的现象，对在所述第一条件下扩展的第1裂纹长度及在所述第二条件下扩展的第2裂纹长度分别进行确定。
2.一种疲劳试验方法，其是含氢的试验片的疲劳试验方法，其特征在于，交替重复以下 两个步骤在包括形成于所述试验片的裂纹发生扩展的规定的应力振幅、规定的重复速度、及规 定的重复数的第一条件下，对所述试验片施加载荷的第1加载步骤，和在包括所述裂纹发生扩展的规定的应力振幅、规定的重复速度、及规定的重复数，且至 少重复速度与所述第一条件不同的第二条件下，对所述试验片施加载荷的第2加载步骤，伴随所述重复速度的变化，所述试验片中的氢对所述裂纹扩展的影响不同，由此疲劳 断面的形态不同，基于这样的现象，对在所述第一条件下扩展的第1裂纹长度及在所述第 二条件下扩展的第2裂纹长度分别进行确定。
3.如权利要求1或2所述的疲劳试验方法，其特征在于，所述第二条件的应力振幅与所 述第一条件相同。
4.如权利要求1 3中任一项所述的疲劳试验方法，其特征在于，基于所确定的所述第1裂纹长度及所述第一条件，得到表示该第一条件下的应力扩大 系数和裂纹扩展速度的关系的第1疲劳裂纹扩展曲线，并且，基于所确定的所述第2裂纹长度及所述第二条件，得到表示该第二条件下的应力扩大 系数和裂纹扩展速度的关系的第2疲劳裂纹扩展曲线。
全文摘要
本发明提供一种通过1次试验就可以确认多个重复速度下的裂纹扩展状况的疲劳试验方法。条件1的重复速度f1＝0.01Hz的情况与条件2的重复速度f2＝1Hz比较，氢对疲劳扩展的影响大。其结果，在疲劳断面上，交替出现氢的影响大的区域(以重复速度f1扩展的区域)和氢的影响小的区域(以重复速度f2扩展的区域)，两区域因断面形态不同而可识别边界线。于是，可以分别确定在各条件下扩展的裂纹长度，可以得到各条件下的疲劳开裂扩展曲线。
文档编号G01N3/34GK101809428SQ200980100438
公开日2010年8月18日 申请日期2009年1月9日 优先权日2008年1月22日
发明者村上敬宜, 松冈三郎, 金崎俊彦 申请人:独立行政法人产业技术综合研究所