ねじの破壊について

ねじの破壊について(Screw breakage)

スポンサーリンク

 

1. ねじの破壊の分類

ねじが使用中に破壊する場合について、その破壊の種類はおおよそ次のように分類されます。

(1) 延性破壊(Ductile Fracture)
(2) ぜい性破壊(Brittle Fracture)
(3) 疲労破壊(Fatigue Fracture)
(4) 遅れ破壊(Delayed Fracture)
(5) 高温破壊(High temperature Fracture)

 

1.1 延性破壊

延性破壊は、鋼などを引張試験機で、徐々に荷重を負荷して破壊に至る破面の状態と同じです。特に高強度ボルトを除き、大きな塑性変形をともない破壊します。

延性破壊が生じる原因としては、
・比較的強度の低いねじを使用して、必要以上の締付力を与えた場合
・ねじが破壊するような大きい外部荷重が作用した場合
などに発生します。

従って、延性破壊はねじ部の設計が間違っていない場合には、ほとんど発生しないと考えて差し支えありません。

 

1.2 ぜい性破壊

ぜい性破壊は、ねじに衝撃荷重が作用した場合に発生します。

主に高強度のねじで、材料に偏析や異物混入などの内部欠陥が存在する場合や、不適切な熱処理を施した場合や、軟鋼のボルトで結晶粒度が大きくなている場合などに発生することが多いです。

この場合の破面は、平坦な場合が多く、亀裂の発生点付近には、細かい複雑な割れが存在する場合があります。

 

1.3 疲労破壊

疲労破壊は、ねじ部の作用する外部荷重が変動する場合に発生します。発生割合が大きいです。
材料はその材料の引張強さよりはるかに小さい繰り返し負荷でも破壊に至ります。この現象を疲労破壊(疲れ破壊)といいます。

ただし、ねじの場合は外部からの振動負荷(Wa)が、そのままねじ部に付加されるのではなく、ねじ及び締付物のばね定数(Kt,Kc)の作用により、Waの一部分が内部振動負荷(Ft)として、ねじ部に付加されることになります。図1からわかるように、締付力が高いほど、ねじに作用する振動負荷の負荷振幅は小さくなります。

図1 外部からの振動負荷によってボルトに発生する振動負荷(内力)

従って、ねじが強く締め付けられた状態で疲労破壊を起こすというよりは、初期締付力は適正に与えられていたにもかかわらず、何らかの原因で緩んで締付力が低下して、負荷振幅が増加して、疲労破壊の原因になる場合が多いと言われています。

疲労破壊の特徴は、大きな塑性変形をともなわないことです。また、初期のき裂は多くは応力集中部から発生して、負荷が繰り返し負荷されることにより、き裂が進展して最終的に破断に至るものです。
ねじの疲労の場合は、図2に示すような応力集中部がき裂の起点になります。ねじ谷径部や不完全ねじ部などが相当しますが、特に多いのはナットとかみ合うおねじの第1山付近からの破壊です。

図2 ねじの応力集中部 (赤丸は、疲労破壊の起点として多く認められる場所

ねじの破面の状況を電子顕微鏡で、ミクロ的に観察すると、初期のき裂発生部、き裂の進行を示すストライエーションが観察されるき裂進展部、負荷を受けるねじ部の断面が減少して、負荷に耐えきれずに破断する最終破断部が観察されます。

しかし、実際の事故品の場合、ボルトの破面が錆びていたり、き裂が進展する際に破面同士が接触して、お互いを傷つけるため、これらの痕跡を見つけることが困難な場合も多くあります。

 

1.4 遅れ破壊

遅れ破壊とは、一定の引張荷重が付加されている状態で、ある時間が経過したのち、外見上ほとんど塑性変形をともなわずに、ぜい性的に突然破壊する現象を言います。
その破壊様式は、ぜい性的で主として応力集中部から初期のき裂が発生して、徐々にき裂が進展して最終的に破断に至ります。
遅れ破壊の原因としては、水素ぜい性や応力腐食現象などが要因としてあげられるが、その中でも水素ぜい性が主たる原因と考えられています。これは、ねじの加工段階や使用環境などにより、ねじの内部に原子状水素が侵入して、時間の経過とともに応力集中個所に集積して空洞を生じさせ、そこが破壊の起点になるではないかといわれています。

水素の侵入はねじの加工工程や使用環境で起こる可能性があるので、1本のボルトで発生すると、同時期に製作されたボルトや、同じ個所で使用されているボルトについても、遅れ破壊を発生する可能性が大きいです。

遅れ破壊は、引張強さが1200N/mm2程度を超える高張力鋼で発生するといわれています。
1964年に摩擦接合用の高力ボルトとしてF13T(引張強さ:1300N/mm2級),F11T(引張強さ:1100N/mm2級)が定められ鋼製の道路橋に使用されました。F13Tは使用後まもなく、あまり時間をおかずに突然破壊する現象が確認されました。また、F11Tについても1975年頃から同様にボルトが突然破断する現象が多発しました。そのため、1980(昭和55)年から鋼製道路橋での使用は行われなくなりました。

そのため、現在ではJIS規格(JIS B1186)では、F8T(引張強さ:800~1000N/mm2),F10T(引張強さ:1000~1200N/mm2)のみが規定されています。現在よく使用されているF10T(引張強さ:1100N/mm2程度)では遅れ破壊は発生していません。

なお、JIS規格にはありませんが、現在F14T,F15Tの高力ボルトが各メーカより提供されています。このボルトについては、材質がF10T以下のボルトとは異ったものを使用しており、拡散性水素が鋼材中に残留する量に関して受容許容値が保証されているため、遅れ破壊は生じません。

 

1.5 高温破壊

火力発電用プラントのタービンに使用されるボルトについては、定常状態でのクリープ損傷による破壊の恐れがあります。
高温において静的な強さや変形が時間依存性になり、ある耐久時間の後に変形をともなって破断するのが、クリープ破断です。金属の結晶は、高温になるほど転位の移動が容易となって降伏点が低下します。
また、塑性変形に伴うひずみ硬化は、高温で起こる再結晶により解消され、変形能も回復します。従って、高温では金属の強さは一般的には低下して、変形しやすくなります。

高温における強度は、一般的にひずみ速度に依存します。変形速度が速い場合は金属の抵抗が増加し、少しの変形で破壊が起こります。一方、低ひずみ速度ではくびれ型の延性破壊になる金属が、同じ温度でひずみ速度が大きくなるとせん断型の破壊になります。

 

2. ねじの破壊例

2.1 延性破壊の破壊例
1. 延性破壊の過程

1.1項で述べたように、大きい塑性変形をともなう破壊です。典型的な例としては、軟鋼の丸棒を引張試験したときの破断面です。破壊に至る過程の模式図について、図3にカップアンドコーン型の場合について示します。くびれが生じてボイドが発生成長して中央部に亀裂を生じさせます。

  (a) くびれ(Necking)
  (b) 微小空洞の形成(Formation of microvoids)
  (c) 微小空洞の合体によるき裂の形成(Coelescence of microvoids to form a crack)
  (d) せん断変形によるき裂の伝搬(Crack propagation by shear deformation)
  (e) 破壊(Fracture

図3 延性破壊の模式図

延性破壊は、3つの連続した過程で起こります。

(1) 試験片がまずくびれます(a)。くびれ部に微小空洞(microvoid)が形成されます(b)。この部位は塑性変形が集中する領域です。空洞の形成に塑性変形が密接にかかわっていることを示しています。
(2) くびれが形成される際に、微小空洞が融合して試験片の中心に微小な亀裂が形成されます(c)。
(3) さらに、これらのき裂はせん断変形により引張軸に対して45°の方向で試験片の表面に向かって伝播して、最終的にはカップアンドコーン型の破断を生じます。

次に、延性破壊の特徴について記述します、

 

2. 延性破壊の特徴

(1)延性破壊の重要な特徴は、多大なエネルギー消費して金属をゆっくり引き裂くことによって発生することです。
(2)延性材料の破壊は、き裂核形成と成長にあいまって加工硬化との関連で説明することもできます。
(3)初期の空洞は、滑り転位が積み重なって空洞もしくは微小き裂を形成するのに十分な応力を生じることができる外来の介在物で形成されることがしばしば観察されます。
(4)ゆっくりと増加する引張荷重を受ける試験片を考えてみましょう。 弾性限度を超えると、材料は加工硬化するようになります。
(5)負荷荷重の増加につれて、永久伸びが増加し、同時に断面積は減少します。
(6)面積の減少は、先に説明したように試験片のくびれの形成につながります。

 

3. 延性破壊の破面について

マクロ的な破面について、図4に示します。

図4 カップアンドコーン型破断面(マクロ)

電子顕微鏡(SEM)での観察結果は図5に示されます。

図5 カップアンドコーン型破断面(ミクロ)

図5(a)は中心部の軸方向の引張によるディンプルをです。図5(b)は最終破断部で、せん断形のディンプルが認められます。

 

2.2 ぜい性破壊の破壊例

ぜい性破壊は、塑性変形が極めて小さい状態で金属が分離します。破壊した部分の永久ひずみが伸びや厚さの変化としておおよそ1%以下であればぜい性破壊と判断します。従って、ぜい性破壊の破面は、分離した破面を密着させると、ほぼ原形に復元が可能です。
ぜい性破壊は、材料の弾性限界以下で発生する破断と定義されます。一般に金属内を発達する割れが臨界値に達してから急速に拡大する過程をとります。臨界寸法に達するまでのき裂の成長は緩やかで安定的です。
ぜい性破壊は次の条件で増加します。
(1) ひずみ速度の増加
(2) 温度の低下
(3) 切欠きによる応力集中

 

1. ぜい性破壊の過程

ぜい性破壊の過程は、破壊力学(グリフィス(Griffith)理論)により説明されます。
(1)グリフィス理論では、ぜい性材料には微小き裂が必ず存在し、き裂先端は応力集中が認められると仮定します。
(2)き裂の要因はいくつかあります。転位の集まりや、凝固する際に発生する材料の流れ、表面の傷などです。
(3)ぜい性破壊過程の例として、一定速度で引張を受ける試験片のき裂近傍の応力分布を考えます。
 ・長手方向に引張り応力が付加されると、き裂の長さが増加し、き裂の表面積が増加します。
 ・試験片の表面エネルギーが増加します。
 ・内部のひずみエネルギーの放出も起こります。これはき裂長さの増加が弾性エネルギーの放出を引き起こすことを意味します。
 ・グリフィスは、き裂の進展に必要な表面エネルギーが、き裂の成長によって解放されるひずみエネルギーに等しく打ち消されるか、ひずみエネルギーの方が上回るときにき裂が成長するとしました(グリフィスの条件)。
きを成長させるのに必要な応力σは次式で表されます。

ここで、
a : き裂長さの半分
γ : 材料の単位面積当たりの真の表面エネルギー
E : 縦弾性係数

(4)完全ぜい性材料の場合の引張強度は、材料にもとから存在するき裂の最大長さにより決まってしまいます。
(5)延性材料の場合は、破壊が始まる前に、き裂先端近傍に塑性ひずみが発生します。延性材き裂生成に必要なエネルギーは、単位面積当たりの表面エネルギーγに、単位面積当たりの塑性ひずみエネルギーγpを付加した有効表面エネルギーΓで置き換えた次式で表されます。

2. ぜい性破壊の特徴

(1)ぜい性破壊は、材料の小さなひびが成長し破壊に至ります。
(2)材料表面の原子は、内部の原子と比較して隣り合う原子の数が少ないため、高いエネルギーを保持しています。
(3)金属のぜい性破壊は、破壊が高速で伝播して、破面の形成や、音響の発生、破片の飛散が起きます。これは、ひずみエネルギーの一部が破面形成の表面エネルギーになります。残りの大部分は、音や運動、及び塑性変形に伴う熱に変化します。
(4)脆性破壊では、金属の隣接する部分は、破断面に垂直な応力(せん断応力)によって分離されます。
(5)ぜい性破壊は、へき開面とよばれる特定の結晶面に沿って発生します。この破壊は、へき開破壊(cleavage fracture)と名付けられます。
(6)脆性破壊は塑性変形を生じないので、延性破壊よりも少ないエネルギーしか必要としません。

3. ぜい性破壊の破面について

マクロ的な破面について、図6に示します。

図6 ぜい性破壊のマクロ破面

図7 ぜい性破壊のミクロ破面

 

2.3 疲労破壊の破壊例
1.疲労破壊の過程

締付け後にボルトが繰り返し変動荷重(主に引張り荷重)を受ける場合に、変動荷重の大きさが材料の弾性限度内であっても、ボルトが破壊する場合、疲労破懐の可能性が大きいです。

疲労破壊発生の過程は一般的に次のようになります(図8)。
(1)締付けボルトが変動荷重を繰返し受けるうちに、材料表面の一部または、複数の個所に微細なき裂が発生します。この段階のき裂は、最大せん断応力方向に発生、進展します。
(2)この微小き裂が繰返し変動荷重を受けることにより、き裂が徐々に進行します。この段階では、垂直応力と直角方向へ進展します。
(3)き裂の進行に伴いボルトの断面積が減少して、変動荷重に耐え切れなくなって破断してしまいます。この段階はせん断分離で、45°方向に進展します。
(4)通常、破断までにはかなりの時間的な経過があり、ボルトが破断して初めて損傷がわかる場合が多いことから、予測が困難です。

図8 疲労き裂の発生・進展

 

2. 疲労破壊の特徴

(1)ボルトの疲労破壊の代表的な発生部位はナットとのかみ合い部の第一ねじ谷底になります。応力分布は図9のようになります。

図9 ボルトとナットとのかみ合い部の第一ねじ底の応力分布

その他の疲労破壊の場合の破壊する部位とその発生頻度を示します(表10)。

表10疲労破壊の場合の破壊する部位とその発生頻度

(2)疲労破壊は、高温になればなるほど、ひずみが大きくなればなるほど、増加する傾向があります。
(3)疲労破壊は、材料表面の微小なき裂により発生します、その結果、材料表面付近の転位の移動が発生します。
(4)微小き裂が応力集中個所になります。
(5)応力負荷サイクルごとに、過度の応力がき裂を進展させます。
(6)ボルトのゆるみによる過大負荷応力の発生が原因の場合が多いです。

 

3. 疲労破壊の破面について

(1)色々な応力状態におけるボルトの破面のマクロ観察
ボルトの破壊状態として、荷重状態で表11のように4種類が考えられます。それぞれの荷重のかかり方により発生する応力状態により、特徴のある破面が観察されます。

表11 疲労破壊の応力状態と破面

(2)ボルト破面のミクロ観察

ミクログラフィ的に認められる通常の疲労破面と同様の組織が認められます。ここでは、一例として疲労き裂進展領域のストライエーション模様を示します(図12)。

図12 疲労き裂進展領域

 

2.4 遅れ破壊の破壊例
1.遅れ破壊の原因と破壊する部位

材料が弾性限度内でかつ静的な負荷応力が付加される条件で破壊が発生するのは、腐食により応力を受ける材料断面が減少した場合と、材料のぜい化による場合のいずれかです。遅れ破壊は後者の材料のぜい化によるものです。ぜい化の原因については、現在では水素ぜい性によるものと考えられています。
水素ぜい性の原因になる水素は、外部から鋼材に侵入して内部に拡散すると考えられます。水素ぜい性の発生機構については、いくつかの説が提出されていますが、まだ完全には解明されていないのが現状です。

ボルトの場合、遅れ破壊が発生しやすい部位として、応力集中部であるボルト頭部首下部や、不完全ねじ部、ナットとのかみ合いはじめ部などで多く発生します(図13)。

図13 ボルトの遅れ破壊発生部位

2. ボルトの遅れ破壊の特徴

(1)鋼であれば鋼種によらず割れ感受性を持っています。強度レベルが高いものほど、著しく割れ感受性が増します。ボルトの場合は、125kgf/mm2を超える場合は、自然大気においても潜在的に遅れ破壊の危険性があります。

(2)実使用環境での腐食反応により発生する水素や、製品の製造工程(例えば、酸洗、電気めっきなど)での発生水素が、鋼中に侵入します。侵入した水素は使用状態のボルトの応力集中部に拡散移動して濃縮されます。従って水素の侵入量は微量でもぜい化の要因となります。

(3)常温近傍で発生します。さらに100℃程度までは温度が高いほど感受性が増大します。この点はぜい性破壊が低温になるほど感受性が増大するのと異なる点です。

(4)マクロ的には、大きな塑性変形を伴わないで破壊します。その点は、大きい塑性変形を伴うクリープ破壊とは異なります。

(5)静荷重のもとで発生します。この点は変動荷重の付加により起こる疲労破壊とは異なります。

(6)負荷応力の強さが降伏点応力よりかなり低い場合でも発生します。ただし、遅れ破壊が発生に至るまでの時間は、負荷応力が大きい方が短い傾向があります。また、ある負荷応力以下では発生しない場合もあります。

 

3.遅れ破壊の破面について

遅れ破壊は、ミクロ的には結晶粒界に沿って破壊が進行する粒界破壊になります

図14 遅れ破壊の破断面

 

2.5 高温破壊の破壊例

本項では、高温破壊の例としてクリープ破壊について述べます。

1.高温破壊の過程

図15は、高温雰囲気中で材料にいっていの荷重を付加した場合の、材料の伸びの推移を示します。時間の経過とともに材料が変形していく様子を示しています。このように、一定の負荷に対して材料が時間とともに変形していく現象をクリープ現象といいます。またその状態を表すグラフをクリープ曲線(creep curve)といいます(図15)。

図15 クリープ曲線

このグラフは、3つの段階に分けることができます。
(1)遷移クリープ(transient creep)
荷重が付加された瞬間に、弾性ひずみと、時間に依存しない塑性ひずみとの和からなる瞬間ひずみを生じます。その後、加工硬化の影響によりひずみ速度が時間の経過とともに減少します。
(2)定常クリープ(steady creep)
ひずみ速度がほぼ一定になる領域です。これは加工硬化と、組織の回復とが釣り合った状態です。
(3)加速クリープ(tertiary creep)
ひずみ速度が加速して、最終破断に至る領域

このクリープ曲線は、温度が一定の場合は荷重が大きくなるにつれて勾配が急になり、また荷重が一定でも温度が高くなると勾配が急になります。
金属の場合、絶対温度の融点の40~50%になるとクリープ変形が顕著になります。

クリープ変形による破壊はクリープ破壊もしくはクリープ破断と呼ばれます。特徴は、高応力・高温度の環境ほどひずみ速度は大きくなり、破断までのひずみ量は大きくなる特徴があります。

クリープ条件と破壊に至る時間とが破面に及ぼす影響は、
・低温・短寿命の場合は、粒内破壊の形態をとる場合が多いです。この場合は高応力負荷になります。
・高温・長寿命の場合は、粒界破壊の形態をとることが多いです。この場合は、低応力負荷になります。

 

2. クリープ破壊の破面

前項で、ミクロ的な破壊の形態が、クリープ条件や破壊に至る時間とにより、変化することを述べました。
クリープ破断面については、現時点で筆者は具体的な説明をまとめることができません。後日追加します。

 

 

 

 

参考文献
機械設計 特集機械要素の破壊実例とその対策 ねじVol22 No1 (1978年1月号)  p18
100事例でわかる 機械部品の疲労破壊・破断面の見方  藤木榮  日刊工業新聞社
MSE 2090: Introduction to Materials Science Chapter 8, Failure  frm University Virginia site
京都大学大学院工学研究科 2016年度「先進構造材料特論」テキスト frm インターネット
日本ファスナー工業株式会社様HP

 

引用図表
図1 外部からの振動負荷によってボルトに発生する振動負荷  日本ファスナー工業株式会社カタログ
図2 ねじの応力集中部    機械設計Vol22 No1 (1978年1月号)  p19
図3 延性破壊の模式図   京都大学大学院工学研究科 2016年度「先進構造材料特論」テキスト frm インターネット
図4 カップアンドコーン型破断面  MSE 2090: Introduction to Materials Science Chapter 8, Failure  frm University Virginia site
図5 カップアンドコーン型破断面(マクロ)   MSE 2090: Introduction to Materials Science Chapter 8, Failure  frm University Virginia site
図6 ぜい性破壊のマクロ破面    MSE 2090: Introduction to Materials Science Chapter 8, Failure  frm University Virginia site
図7 ぜい性破壊のミクロ破面   Lecture Note of Virginia University Chapter 8
図8 疲労亀裂の発生・進展   「工業材料学」   不明(インターネット_講義資料)
図9 ボルトとナットとのかみ合い部の第一ねじ底の応力分布  「ねじの疲労破壊」 精密工学会誌Vol81,No7 2015
表10 ねじの疲労破壊による破壊部位と発生頻度    「破面解析(フラクトグラフィ)」  不明(インターネット),JWES資料:(一社)日本溶接協会 原子力研究委員会 FQA小委員会 ナレッジプラットフォーム公開資料(2016年):「事故例から見た疲労破面形態」 橘内良雄
表11 疲労破壊の応力状態と破面  「破面解析(フラクトグラフィ)」  不明(インターネット)
図12 疲労き裂進展領域(ストライエーション)  機械部品の疲労破壊・破断面の見方 藤木榮
図13 ボルトの遅れ破壊発生部位  日本ファスナー工業株式会社カタログ
図14 遅れ破壊の破断面  日本ファスナー工業株式会社カタログ
図15 クリープ曲線   original

 

ORG:2018/6/19