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りさこはかまや
5 years ago
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1 ミクロ組織に基づくフェライトセメンタイト鋼の脆性破壊発生予測柴沼一樹東京大学大学院工学系研究科

2 ミクロ組織に基づくフェライトセメンタイト鋼の脆性破壊発生予測柴沼一樹東京大学大学院工学系研究科システム創成学専攻東京都文京区本郷近年, 構造物に使用される鋼材の高張力化や使用環境の過酷化が進み, 構造材料において従来より高い破壊抵抗特性, すなわち靱性が鋼材に要求されている. 特に, 脆性破壊は突発的に発生した後, 不安定的な亀裂の伝播を伴い, 構造物に大規模な損害を及ぼす可能性があることから確実に防止する必要がある. 従来から, 鋼の靱性はミクロ組織を構成する結晶粒の微細化により向上するだけでなく, セメンタイトなどの脆い第 2 相の寸法によっても靱性が変化することは広く知られている. しかしながら, その理由は必ずしも明確ではなく, ミクロ組織と脆性破壊靱性の関係を解明すると共に, そのばらつきを含めて精度よく靱性を推定することは実用上重要な課題である. この課題の解決には, 破壊の素過程に立脚した数値モデルの構築が有用であると考えられる. 本研究では, 最も基本的なフェライトセメンタイト鋼を対象として, そのミクロ組織情報のみを用いて靱性を定量的に予測するための数値モデルを提案する. 本研究では, Stage-I: セメンタイト割れによる亀裂の核生成,Stage-II: セメンタイト割れのフェライトマトリクスへの伝播によるへき開面の形成,Stage-III: へき開による亀裂のフェライト結晶粒界突破, という微視的な 3 段階の破壊条件が連続的に満足された場合に巨視的な脆性開破壊が生じると仮定した. まず,Stage-I の破壊条件に関して, セメンタイト割れに与える影響因子を実験的に定量化するために, ミクロ組織寸法を系統的に変化させた供試鋼を用いて切欠付引張試験を実施した. 作用ひずみ応力に対するセメンタイト粒の割れ個数の計測することで, 任意の鋼に対して統一的に適用可能なセメンタイト割れ率の定式化を行った. 次に,Stage-II の破壊条件として,Petch の提案した破壊応力を仮定した. これはセメンタイト割れがフェライト粒に伝播する際の堆積転位と亀裂によるエネルギー解放率を破面形成エネルギーと比較することで定式化されたものである. 最後に,Stage-III の破壊条件として, 有効表面エネルギーに関する温度依存性を考慮した上で, 円形亀裂に対する Griffith の条件を仮定した. 以上の破壊条件を考慮した数値モデルを構築するために, 破壊発生起点となりうる領域をアクティブゾーンとして定義し, それを有限個の体積要素に離散化した. 各体積要素にフェライト結晶粒およびセメンタイト粒の分布を与えた. 各体積要素における作用応力ひずみの推移を FEM によるマクロ解析によって評価し, 体積要素が 1 個でも上記 3 段階の破壊条件を連続して満足した場合, その時点で巨視的な脆性破壊が発生すると仮定した. 本モデルを複数の小型切欠付 3 点曲げ試験に適用した結果, 各試験温度の破壊靱性値を定量的に推定できる可能性が示唆された. この結果より, 本研究で提案したフェライトセメンタイト鋼の脆性破壊の靱性予測モデルは, 材料のミクロ組織情報と応力ひずみ曲線のみを用いて, 脆性破壊靱性を定量的かつ高精度に予測可能であり, 破壊靱性に及ぼすミクロ組織の影響を評価する上で有用であることが明らかとなった.

4 1. 1, 75mm

5 ,382 Maritime Danmark (

6 Beremin SmithPetch n σ σ SEM

7 Fe Fe 3 C 2 (I) (III) (II) 1~3μm 3 2.

$Small Large 1LL - 5SL 1LM 1MM - Small 1LS - 1SS / 5SS 7 6, Volume fraction 6 5 4 3 2 1 1LL$

8 (mass%) Symbol bl C Si Mn P S Al N < < Cementite Ferrite grain size particle thickness Large Small Large 1LL - 5SL 1LM 1MM - Small 1LS - 1SS / 5SS 7 6, Volume fraction LL 1MM 1SS Volume fraction 5, 4, 3, 2, 1, 1LL 1MM 1SS Ferrite grain diameter: d [μm] Cementite particle thickness: t [μm]

9 Rolling direction M16, P1. 18 R1 ϕ16 ϕ1 Detail of notch 8 1φ 5R 15 6φ 16 Notch 32 7 FEM 4% SEM 1φ 6φ 15R Unit: [mm] Max. principal plastic strain Maximum Principal Stress μm 16 ~ 15 SEM

10 η Number of cracked cementite [mm -2 ] 4, 3, 2, 1LM R15-4 C 1, 1LM R15-8 C 1LM R15-12 C Maximum plincipal plastic strain Num. of cracked cementite/η [mm -2 ] Maximum principal plastic strain: ε p 1LL R15-8 C 1LM R5-4 C 1LM R5-8 C 1LM R15-4 C 1LM R15-8 C 1LM R15-12 C 1LS R15-8 C 1MM R15-1 C 1SS 1LM R15 R C -4 C 5SL 1LM R15 R15-14 C -8 C 5SS 1LM R15 R C -12 C = = Ratio of cementite cracking: p θ /η 2, 15, 1, 5, ε p =.1 ε p =.2 ε p =.3.E+ 2.E-4 4.E-4 6.E-4 8.E-4 1.E-3 Cementite particle thickness: t 99%max [mm] [ ]

11 3. Fe Fe 3 C 2 (I) (III) (II) 1~3μm 3

Stage (I) Max. principal plastic strain.1.

12 Stage (I) Max. principal plastic strain Maximum Principal Stress (I) 1μm Stage (I) Ratio of cracked cementite: p θ /η 2.E+4 1.5E+4 1.E+4 5.E+3 ε p =.1 ε p =.2 ε p =.3.E+.E+ 2.E-4 4.E-4 6.E-4 8.E-4 1.E-3 Cementite thickness t 99%max (I)

13 Stage (II) Petch 1986 (I) : {1} (II) Stage (II) Fracture stress: [MPa] Petch ,5 2, 1,5 1, : {1} Cracked cementite thickness: t t = mm t = mm t = mm t = mm t =. mm Length of dislocation line: s [mm] (I) (II)

$cleavage fracture initiation Volume element FEM Notch root :$

14 Stage (III) Griffith (I) (III) : : {1} (II) Active zone of cleavage fracture initiation Volume element FEM Notch root : 3

$Active zone of cleavage fracture initiation Volume element$

15 Active zone of cleavage fracture initiation Volume element FEM Notch root Grain Cementite FEM Mises Stress

16 FEM 3 (I) (II) (III) 1 4.

CTOD 6 Detail of notch 2 8 Cementite Ferrite grain size

a = 7 Notch Root:.25R Unit: [mm] Symbol C Si Mn P S Al 1.1.6.

$5SL Small 1LS 5SS Volume fraction 8 6 4 2 1LL 1LS 5SL 5SS$ $Volume fraction 8, 6, 4, 2,$

17 CTOD 6 Detail of notch 2 8 Cementite Ferrite grain size size Large Small Large 1LL 5SL Small 1LS 5SS 2 W =2 6 CTOD a = 7 Notch Root:.25R Unit: [mm] Symbol C Si Mn P S Al < < N Cementite Ferrite grain size size Large Small Large 1LL 5SL Small 1LS 5SS Volume fraction LL 1LS 5SL 5SS Volume fraction 8, 6, 4, 2, 1LL 1LS 5SL 5SS Ferrite grain diameter: d [mm] Cementite particle thickness: t [μm]

18 1.5mm.7mm 2mm.2mm.2mm.2mm 3,57 FEM : 1/4 22,54 19,844 Maximum Principal Stress FEM LL,-8ºC Load [kn] Experimental results Numerical results Gage displacement [mm]

19 1LL,-8ºC 1.5 1, Max. principal plastic strain Max. principal stress [MPa] Clip gauge displacement.17 mm.28 mm.64 mm.139 mm.565 mm mm 2.93 mm Distance from notch [mm] Distance from notch [mm] Critical quasi-ctod [mm] 1 Predicted values Experimental results 1LL Critical quasi-ctod [mm] 1 Predicted values Experimental results 1LS Critical quasi-ctod [mm] 1.1 5SL.1 Predicted values Experimental results Critical quasi-ctod [mm] 1.1 5SS.1 Predicted values Experimental results

$17mm (max) at =.6mm (min)..5 1. 1.5 Distance from notch [mm]..5 1. 1.5 Distance from notch [mm] Location of fracture initiation from the notch [mm] Location of fracture initiation from the notch [mm] 1.$

20 Max. principal stress [MPa] 1, LL, -12 Maximum principal stress at =.45mm (max) at =.22mm (min) Max. principal stress [MPa] 1,5 1, SL, -12 Maximum principal stress at =.17mm (max) at =.6mm (min) Distance from notch [mm] Distance from notch [mm] Location of fracture initiation from the notch [mm] Location of fracture initiation from the notch [mm] Predicted values Experimental results Predicted values Experimental results 1LL 5SL Location of fracture initiation from the notch [mm] Location of fracture initiation from the notch [mm] Predicted values 1. Experimental results LS 5SS Predicted values Experimental results

21 Number of fractured grains 1, 1 1 1LL 5SL (III) Stage (II) Stage (III) Stage (II) d max (1LL) Stage (III) d max (1LL) Grain size: d II [mm].16.8 d max (5SL) d max (5SS) 1LL.4 5SL 5SS Grain size: d III [mm].16.8 d max (5SL) d max (5SS) 1LL.4 5SL 5SS

Stage (II) Fracture stress: σ Fθα [MPa] 1,5 1,25 1, 75 1LL 5SL 5SS 5-16 -14-12 -1-8 -6

22 Stage (II) Fracture stress: σ Fθα [MPa] 1,5 1,25 1, 75 1LL 5SL 5SS Stage (III) Fracture stress: σ Fαα [MPa] 1,5 1,25 1, 75 1LL 5SL 5SS

23 SEM 3 (I) (II) (III) CTOD

PowerPoint Presentation

PowerPoint Presentation Non-linea factue mechanics き裂先端付近の塑性変形塑性域 R 破壊進行領域応カ特異場 Ω R R Hutchinson, Rice and Rosengen 全ひずみ塑性理論に基づいた解析現段階のひずみは除荷がないとすると現段階の応力で一義的に決まる単純引張り時の応カーひずみ関係 ( 構成方程式 ): ( ) ( ) n () y y y ここで α,n 定数, /