衝撃荷重が鉄鋼材料の疲労強度を低下させるのは何故

＞私は「繰り返し衝撃荷重を受ける」機械は設計する機会が少ないので興味津々。
回答（8）再出。コノ後、私も数十Hzの振動機械の設計をするハメになりました
経験が無い機械なので疲労限の1/1.5くらいの許容応力でも構わないだろうか？
と客先と相談したら、何と両振りの荷重として安全率を十分とるように指示を
されたので私の目論見の倍程度の剛性を出すことになり、また此処に来てみた

どうもメーカーによる経験則によるところも大きいようですし、材料や機械の
振動の周期や応力振幅や定期的な振動なのかにもよるようである。。。
私も更に文献を探して見たい気になりました。振動工学は難しいから嫌いっと
言ってられないというか逃げられないようになってしまいました。

回答(5)(12)の回答者です。

回答(13)紹介の文献、拝見しました。荷重負荷周波数を高くすると(例えば40Hz→100KHz(図7))、明らかに時間強度(S-N曲線傾斜部での特定回数に対する破断強度)も疲労限も上昇しています。
一方小生文献(6)では周波数を高くしても(100Hz→20KHz)S-N曲線に変化がありません。
見かけ上、二つの文献の結論は全く異なっています。

文献一つで結論を出すことが、如何に危ないかを痛感しました(反省)。研究報告は、目的とする特定の条件下で実施しており、「その結論(特殊)をもって全体に及ぼすは誤り」と言うことか。

今回の二つの文献で最も異なるのは材料です。回答(13)文献はS20Cを始めとする低硬度高延性材、文献(6)は低温焼戻SNCM439(600Hv)、高強度低靱性材です。
疲労破壊過程を大雑把に分けると、亀裂発生・安定成長期と亀裂急進期があり、前者では硬度を高くするほど疲労特性は向上、後者では硬度を高くするほど疲労特性は低下します(加えて介在物の大きさが関与→破壊靱性の世界)。45HRC以上で疲労限が介在物寸法などで大きくバラツクのは、後者の寄与が大きくなるためです。

歪速度を高くすることは、見かけ上、材料特性が低高度高延性材から高強度低靱性材に近づくことになります。
しかしS20Cでは、多分100KHzにしても低高度高延性材のままで、「4,速度効果発生の機構について」を見ても転位の動きの話しかなく、亀裂進展には触れられていません。
一方SNCM439(600Hv)では高強度中靱性から高硬度低靱性に入り始め、周波数増加効果は強度上昇と靱性低下が相殺されているものと考えます。考察では破壊靱性に関与する介在物寸法の話が主体になっています。

疲労特性に及ぼす歪速度の影響は、材料により異なるという結論になります。

なおこれらの文献の結果は、全て衝撃波が関与していないので、質問趣旨とは別の現象と考えます。

回答（12）
　　＞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。

私が(10)にて調べた論文。
　　超高速疲労について
　　https://www.jstage.jst.go.jp/article/jime1966/5/8/5_8_536/_pdf

　　一般に,金属材料の疲労強度に対する速度効果は,通常の疲労試験の繰返し速度範囲400～
　　10,000c/minではほとんど現われないが,この範囲より速度が低くなると疲労強度が低下し,
　　逆にこの範囲より速度が高くなると,速度の上昇とともに疲労強度が増すことが知られて、、、

　　図.３　図.４　ε-N曲線　　　図.５炭素鋼の疲れ限度に対する速度効果
　　図.６　図.７　図.８

超高速では～２倍程度もの疲労限アップとハッキリ差が出てます。材料の違い?

　　４.速度効果発生の機構について
理由も納得性あるが掲載略。単発衝撃試験が絡む点に興味。

サイクル落とすと低くなり→(10)の引用　塑性変形における応力とひずみ
超高速では高くなる。。。双方の説明ができていると思います。


注意すべきは、ピーク応力値はあくまで同じでの比較。一般に衝撃は衝突とほぼ同義なように巨大なピーク応力になりがち。しかしそれは繰返し性が乏しく 疲れ の範疇から除外する点。なので範疇なものはさほど衝撃的でないのかも。。。
超高速は特殊な試験装置を要するが、大抵は(2)追記の試験機で確認できるものです。

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)。

＞基準強さは引張強さだけを用い、衝撃荷重には安全率12などとする古臭い論は捨てるべきです。

・・・火にガソリンを掛ける気もしますが。。。

一般に、基準強さは「降伏点」あるいは「疲労強度」を用いる。
引張強さを使うのは圧力容器にて安全率4とするくらいしか記憶に無い。
これは昔の規格であったから、其れが現在にも残っていることだと思う。
機械設計でも建築でも近年の設計では何れも「降伏点」で考えるのが主流だと。

またまた二人だけの質問者そっちのけの回答になっているので何も言えねぇええ