降低金属材料的疲劳裂纹进展速度的浆料和涂布有该浆料的金属材料

摘要

本发明是一种使金属材料的疲劳裂纹进展速度降低的浆料(粒子浆料)，提供向疲劳裂纹内的进入性优异的浆料和涂布有所述浆料的金属材料。本发明的浆料，是使金属材料的疲劳裂纹进展速度降低的粒子和液体混合的浆料，其粘度为0.01～300Pa·s。

说明书

技术领域

本发明属于涉及金属材料的疲劳裂纹进展抑制的技术领域。

背景技术

在由于金属疲劳而发生的疲劳裂纹面内，会产生微动磨损氧化物等的 异物，而在跨隙效应(也有称为楔效应的情况)下，疲劳裂纹进展速度降 低这一点被普遍了解。

疲劳裂纹进展速度之所以会在跨隙效应下降低，是由于异物的混入导 致裂纹前端开口位移减少。如此，应力波动每一个周期的疲劳裂纹进展速 度，都与疲劳裂纹前端的开口位移密切相关。

在非专利文献1所述的、用于使疲劳裂纹进展速度降低的技术中，利 用的是来自粘接剂的跨隙效应。即，作为积极地利用前述的跨隙效应而使 疲劳裂纹进展速度降低的技术，提出有使用粘接剂的方法。例如记述的是， 通过向铝合金的疲劳裂纹之中注入粘接剂，疲劳裂纹的开口得到抑制，疲 劳裂纹进展速度降低。但是，若粘接剂一度硬化则失去流动性，因此在粘 接剂刚注入后，虽然能够得到疲劳裂纹进展抑制效果，但是在粘接剂注入 后若疲劳龟裂进展，则疲劳龟裂进展减速效果变弱。

为了解决非专利文献1所述的技术中的问题点，在专利文献1中，作 为使跨隙效应显现的方法，记述有“一种裂纹进展防止方法，其是向机械 /结构物的结构构件上发生的裂纹的前端部注入微粉，使其堵塞裂纹前端 部”。具体来说，在专利文献1中公开了将粒径0.05μm的微细粒二氧化硅 与墨液混合的液体对板的疲劳裂纹注入，由此，疲劳裂纹进展速度减速至 1/10左右。

在非专利文献2、非专利文献3、非专利文献4中，记述有使用氧化 铝替代二氧化硅的技术。具体来说，就是使粒径10～20μm左右的微细粒 氧化铝与色拉油和硅脂混合而成为浆状，将此浆状的物质(氧化铝浆料) 预先涂布在预想会发生疲劳操作的部分。由此，能够得到疲劳裂纹进展延 迟，并且疲劳寿命增加这样的结果。

在专利文献2中，记述有一种疲劳裂纹进展抑制技术，其使用的是与 非专利文献2～4有关的氧化铝浆料。在该文献中对于“作为与高硬度微 细粒混合的混合对象的油的粘度”进行了规定，记述了使用5000～15000cP (5～15Pa·s)的油即可。

在该专利文献2中，虽然对于作为与微细粒混合的混合对象的油的粘 度进行了规定，但是没有对浆料的粘度进行规定，因此存在的问题是，无 法保护浆料向疲劳裂纹面内的进入性。

即，为了发挥含有微细粒的浆料(以下也称为微细粒浆料)中的微细 粒的跨隙效应(楔效应)，微细粒浆料需要向入到疲劳裂纹面内。即使油 的粘度相同，若微细粒与油的混合比率变化，则作为微细粒浆料的粘度也 不同，因此只是规定油的粘度，还是无法保证微细粒浆料向疲劳裂纹面内 的流动性。为了保证微细粒浆料向疲劳裂纹内的进入性，需要规定微细粒 浆料的粘度。另外，在该浆料的粘度范围中，优选规定裂纹进展抑制效果 高的粒径范围。但是，在专利文献2中，显示的实验结果是，只有粒径为 10～20μm的一种氧化铝时的效果，不清楚哪个粒径范围的氧化铝才适当。

先行技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平5-57532号公报

专利文献2：日本专利第3808846号公报

非专利文献

非专利文献1：A new method of arresting fatigue crack growth by  artificial wedge[Proceedings of International Conference on Fracture  Mechanics in Engineering Applications，India(1979)，pp.281-293.]

非专利文献2：微细粒的楔效应带来的疲劳裂纹进展抑制[日本造船 学会论文集，Vol.184(1998)，pp362-367.]

非专利文献3：Restraint of fatigue crack growth by wedge effects of fine  particles[Fatigue&Fracture of Engineering Materials&Structures，Vol.23-10 (2001)，pp.867-877.]

非专利文献4：氧化铝浆料涂布带来的疲劳裂纹进展的自动抑制和目 测[焊接学会论文集，Vol.22-4(2004)，pp531-541]

作为使疲劳裂纹进展速度降低的方法，如果使用含有粒子的浆料(以 下也称为粒子浆料)，则需要该粒子浆料向疲劳裂纹内的进入性良好。因 此，需要考虑粒子浆料的粘度。此外，在该浆料的粘度范围内，优选规定 为疲劳裂纹进展抑制效果大的粒径。

发明内容

本发明监狱这样的情况而做，其目的在于，提供一种向疲劳裂纹内的 进入性优异，使金属材料的疲劳裂纹进展速度降低的浆料(粒子浆料)， 和涂布有所述浆料的金属材料。

本发明者们为了达成上述目的而进行了锐意研究，其结果是完成了本 发明。

能够如此完成并达成上述目的的本发明，涉及浆料和涂布有该浆料的 金属材料。即，本发明是第一～六发明的浆料，第七发明的金属材料，分 别具有如下构成。

即，在第一发明的浆料中，是使金属材料的疲劳裂纹进展速度降低的 粒子和液体混合的浆料，其特征在于，粘度为0.01～300Pa·s。

在第二发明的浆料中，所述粒子是比所述金属材料的硬度高的物质。 在第三发明中，所述粒子是氧化铝、铁、二氧化硅、氧化锆、碳化硅、碳 化硼、金刚石的一种以上。

在第四发明的浆料中，所述液体的粘度低于5.0Pa·s。在第五发明的 浆料中，所述液体是低挥发性和/或阻燃性的油。

在第六发明的浆料中，所述粒子的粒径为100μm以下。

在第七发明的金属材料中，涂布有第一发明～第六发明的任意一种浆 料。

本发明的浆料，因为向疲劳裂纹内的流动性良好，进入性优异，所以 能够确实地进入到疲劳裂纹中，进而，浆料中的粒子能够发挥跨隙效应(楔 效应)。本发明的金属材料，在这样的浆料的效果下，疲劳裂纹进展速度 确实地降低，从而得到长寿命化。

附图说明

图1是表示涂布有本发明的实施例1的浆料的试验片的疲劳破坏后的 断面的图。

图2表示关于涂布有本发明的实施例1的浆料的试验片和比较例的试 验片(没有涂布的试验片)的疲劳试验结果，是表示应力扩大系数范围和 疲劳裂纹进展速度的关系的图。

图3表示关于涂布有本发明的实施例3的浆料的试验片和比较例的试 验片(没有涂布的试验片)的疲劳试验结果，是表示应力扩大系数范围和 疲劳裂纹进展速度的关系的图。

图4是表示在高碳钢S45C的淬火、回火材上应用了本发明的试验结 果的图。

图5是表示在高温环境下应用了本发明的试验结果的图。

图6是表示作用于实际结构物的各种负荷形式的随机波形下的本发明 的效果实证实验结果的图。

具体实施方式

本发明的浆料，如前述，是混合有金属材料的疲劳裂纹进展速度降低 用的粒子和液体的浆料，粘度为0.01～300Pa·s。如此，若浆料的粘度为 0.01～300Pa·s，则向疲劳裂纹内的流动性良好，进入性优异。因此，能 够确实地向疲劳裂纹内进入，进而，浆料中的粒子(金属材料的疲劳裂纹 进展速度降低用的粒子)能够发挥楔效应。

若高粘度的浆料无法流入到疲劳裂纹内，浆料的粘度超过300Pa·s， 则流动性过低，即使采取压入等的手段，浆料也无法进入到疲劳裂纹内。 从这一点出发，浆料的粘度的上限为300Pa·s。还有，浆料的粘度的上限 优选为100Pa·s，更优选为50Pa·s，进一步优选为40Pa·s。

另外，若浆料的粘度的下限低于0.01Pa·s，则每单位量的浆料内存 在粒子的量过少，因此无法起到疲劳裂纹的进展速度降低的功能。从这一 点出发，浆料的粘度的下限为0.01Pa·s。还有，浆料的粘度的下限优选 为1Pa·s或2Pa·s，更优选为5Pa·s，进一步优选为10Pa·s。

作为使疲劳裂纹进展速度降低的粒子，浆料优选使用的是比所适用的 金属材料的硬度高的物质，具体来说，优选使用氧化铝、铁、二氧化硅、 氧化锆、碳化硅、碳化硼、金刚石的一种以上[第二、三发明]。因为这些 粒子为高硬度，所以在疲劳裂纹开口过程中容易引起跨隙效应，疲劳裂纹 进展抑制效果高。

作为与所述粒子混合的液体，优选使用粘度低于5.0Pa·s的液体[第 四发明]。如前述，本发明的浆料的粘度为0.01～300Pa·s。在该范围内粘 度一定时，液体的粘度越低，每单位量的浆料内存在的粒子量越多，因此 能够期望显著的效果。从这一点出发，优选液体的粘度低于5.0Pa·s，更 优选为0.8Pa·s以下，进一步优选为0.4Pa·s以下。另外，液体的粘度的 下限值优选为0.01Pa·s。

作为与降低疲劳裂纹进展速度的粒子混合的液体，优选使用低挥发性 和/或阻燃性的油[第五发明]。如果液体的挥发性低，则能够经得起长期的 使用，另外，如果液体为阻燃性，则不用担心引起火灾。

为了抑制疲劳裂纹进展，除了浆料进入到裂纹内以外，还需要粒子有 效地妨碍裂纹开闭口。从这一点出发，疲劳裂纹进展速度降低用的粒子的 粒径优选为100μm以下，特别是优选为10μm以下。根据具有这种粒径的 粒子，能够期待显著的疲劳裂纹进展抑制效果[第六发明]。此外，如果粒 子的粒径在1μm以下，则能够期待更显著的疲劳裂纹进展抑制效果。另外， 如果粒子的粒径的下限值为0.01μm，则可以实施，但是更优选为0.1μm， 如果是0.4μm则更优选。

本发明的浆料，因为向疲劳裂纹内的流动性良好，进入性优异，所以 能够确实地进入到疲劳裂纹中，进而浆料中的粒子能够发挥跨隙效应。因 此，在涂布有本发明的浆料的金属材料中，疲劳裂纹进展速度确实地降低， 可以实现长寿命化[第七发明]。

[本发明的实施方式]

本发明的浆料，例如通过如下方式制作：将使疲劳裂纹进展速度降低 的粒子放入液体中，用搅棒等对其进行搅拌，最后用搅拌器等完全混合。 还有，该浆料也可以通过其他方法制作，只是要能够使粒子和液体混合的 方法即可。

这时，在使疲劳裂纹进展速度降低的粒子中，优选使用比涂布浆料的 金属材料硬度高的物质。在本发明中，高硬度的物质意味着变形量少的物 质，具体来说，意思就是杨氏模量大，弹性变形难以产生的物质，或者维 氏硬度或肖氏硬度等所代表的各种硬度的任一个值大，难以发生塑性变形 的物质。粒子的物质根据涂布浆料的金属材料进行替换即可，为氧化铝、 铁、二氧化硅、氧化锆、碳化硅、碳化硼、金刚石的一种以上即可。例如， 如果是在铝合金上应用浆料的情况，通过涂布使用了杨式模量比铝高的铁 粉的浆料，则能够发挥疲劳裂纹进展速度抑制的效果。粒子的粒径优选为 100μm以下，更优选为10μm以下，进一步优选为1μm以下。液体的粘度 低于5.0Pa·s即可，更优选为0.8Pa·s以下。作为液体，如果可能以挥发 性低的油为宜，特别是优选阻燃性的工业用油等。

在浆料制作后进行粘度测定，确认浆料的粘度。浆料的粘度没有在 0.01～300Pa·s时，需要加入疲劳裂纹进展速度降低用的粒子或液体，从 而使浆料的粘度调整为0.01～300Pa·s。还有，也可以不是每次都进行粘 度测量，而是预先求得浆料的粘度为0.01～300Pa·s这样的粒子/液体的 混合比。

本发明的浆料，例如被涂布在金属材料的疲劳裂纹发生的部分。应用 于疲劳裂纹发生的部分时，也可以不用涂布，而是通过压入等强制性地注 入浆料。这在浆料的粘度高的情况下特别有效。或者，本发明的浆料，例 如被涂布在金属材料的预想将来会发生疲劳裂纹的部分。为了使浆料容易 停留在涂布位置，有效的是在浆料涂布后进行密封。密封特别是在如下情 况下有效，即，在预想到有疲劳裂纹发生的部分预先涂布浆料的情况；向 上注入浆料的情况；或者浆料的粘度低的情况。

实施例

以下说明本发明的实施例和比较例。还有，本发明不受该实施例限定， 也可以在能够符合本发明的宗旨的范围内适当加以变更实施，这些均包含 在本发明的技术范围内。

(实施例1)

作为使疲劳裂纹进展速度降低的粒子，使用氧化铝，作为与该粒子混 合的液体，使用粘度为5.5×10^-2Pa·s的油。通过混合这两者，制作各种 粘度的浆料(氧化铝浆料)。

以下，对于使用粘度32Pa·s的浆料(粒子的粒径：15.9μm)时的结 果和不使用浆料时的结果进行说明。

对于由同一批的SS400(JIS)制作的4个试验片，在其中2个上涂布 上述粘度32Pa·s的浆料，其他2个不涂布浆料，分别反复施加载荷而进 行疲劳试验。

图1是显示疲劳试验后的疲劳断面的放大图(照片)。可知涂布在材 料表面的浆料进入疲劳裂纹内。如果是这一粘度的浆料，则在毛细管现象 和泵效应下，能够进入疲劳裂纹的内部。

图2中显示疲劳试验的结果。可知涂布有浆料时与没有涂布时相比， 疲劳裂纹进展速度变低。具体来说，涂布有浆料时的疲劳裂纹进展速度迟 缓1/10左右。

本发明中规定的浆料的粘度的范围是0.01～300Pa·s。此外，优选浆 料的粘度为10～40Pa·s，在上述试验中使用的是满足优选条件的32Pa· s的粘度的浆料。其结果是浆料能够确实进入到疲劳裂纹内，浆料中的氧 化铝粒子发挥楔效应，疲劳裂纹进展速度变低。

(实施例2)

作为使疲劳裂纹进展速度降低的粒子，使用具有与上述实施例1相同 的粒径的15.9μm的氧化铝。另外，作为与该粒子混合的液体，使用粘度 为1.2×10^-1Pa·s的透平油(turbine oil)。通过混合两者时改变透平油的量， 制作各种粘度的浆料(氧化铝浆料)。各种浆料的粘度为2.6Pa·s、3.4Pa· s、6.4Pa·s、32Pa·s、35Pa·s、70Pa·s。

将这些浆料涂布在与上述实施例1同样的试验片上并进行疲劳试验， 观察疲劳断裂后的断面，调查浆料向疲劳裂纹内的进入性。其结果可知， 在任何一种浆料中都确认其进入到疲劳裂纹内，如果使用这些浆料，则能 够期望对于疲劳裂纹进展速度的降低。

这时，在粘度为70Pa·s的浆料中，若与其他浆料比较，则液动性低， 因此可见向疲劳裂纹内的进入性差的倾向。但是，该浆料通过进行压入， 仍能够确实地进入到疲劳裂纹，能够适用。

另外，在粘度2.6Pa·s、3.4Pa·s浆料中，若与其他浆料比较，则流 动性高，因此可见其难以停留在试验片表面的倾向。但是，这些浆料在涂 布后进行密封，从而停留在涂布位置，因此能够确实地进入到疲劳裂纹内， 能够适用。

(实施例3)

接下来，展示以氧化铝的粒径为参数的试验结果。供试验的浆料所含 有的氧化铝粒径为0.04μm、0.3μm、0.55μm、4.7μm、15.9μm、85μm。液 体使用的是粘度为1.8×10^-1Pa·s的链条油。制成的浆料的粘度分别为 42Pa·s、38Pa·s、24Pa·s、34Pa·s、24Pa·s、21Pa·s。

图3表示没有使用浆料时和使用了上述4种浆料时的疲劳裂纹进展数 据。试验的材料为SS400(JIS)。根据这些数据可知，在全部的粒径的氧 化铝中，疲劳裂纹进展速度减速。特别是粒径为0.55μm的氧化铝的情况 和粒径为4.7μm的氧化铝的情况下，疲劳裂纹进展速度降低的效果大。例 如，在使用了粒径0.55μm的氧化铝时，裂纹进展速度减至1/20左右，疲 劳裂纹进展速度降低的效果极大。还有，由于各浆料均起到疲劳裂纹进展 速度降低的效果，因此也能够确认上述各浆料的粘度恰当。

另外，对于混合粒径分别为0.55μm、4.7μm、15.9μm、85μm的氧化 铝而制作的浆料进行实验。其结果是，能够得到粒径为0.55μm的氧化铝 单独混合时的效果。即可知，混合不同的粒径的多个氧化铝而制作的浆料 也有效。

接着，进行各种条件下的效果验证试验。图4作为将本发明应用于高 强度钢的例子，表示高碳钢S45C(JIS)的淬火、回火材的试验结果。由 该结果可知，与SS400的情况相同，使用浆料时裂纹进展速度减至1/10 左右。

图5表示在高温环境下应用本发明的例子。由该结果可知，即使在达 到200℃的高温环境下，本发明仍发挥出与室温同程度的效果。

图6表示作用于实际结构物的各种负荷形状的随机波形下的效果实证 试验结果。由该结果可知，在拉伸/弯曲/扭曲任意一种负荷形状下，都能 够得到疲劳裂纹进展速度降低的效果。

由这些试验能够确认，本发明的浆料的宽泛条件下的有用性。

以上，对于本发明的实施方式进行了说明，但本发明不受上述的实施 方式限定，只要记载在权利要求的范围内，就可以进行种变更实施。本申 请基于2009年5月28日申请的日本专利申请(专利申请2009-128900)， 2009年7月6日申请的日本专利申请(专利申请2009-159948)，2010年5 月26日申请的日本专利申请(专利申请2010-120385)，其内容在此参照 并援引。

产业上的可利用性

本发明的浆料，向疲劳裂纹内的流动性良好，进入性优异，因此能够 确实地进入到疲劳裂纹中，进而，浆料中的粒子能够发挥跨隙效应(楔效 应)。因此，本发明能够适合用作作为使金属材料的疲劳裂纹进展速度降 低的浆料，在用于确实地实现金属材料的疲劳裂纹进展速度降低上有用。