衝撃荷重が鉄鋼材料の疲労強度を低下させるのは何故

>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という結果が得られているようです

その資料を示されるべきです。
ひずみ速度とは引張試験で塑性変形にまで及ぶ。疲労寿命とは殆ど弾性域での繰返しが前提で質が異なる話では。

　　塑性変形における応力とひずみ
　　http://home.hiroshima-u.ac.jp/rhino/K0051050/chapter-08-all.pdf
　　最後のグラフ　応力ーひずみ曲線の速度依存性・・・・<<< たしかに

疲労試験では逆です(勿論、寿命とは時間でなく回数)
超高速試験では疲労限が上がります。資料を調べてごらんなさい。

掲げられた主題とは随分かけ離れてきてますよ。何故?
安全率12、ましてや辛さ自慢・食えたもんじゃない18倍カレーのグチャグチャは混乱する元なのでもう議論の対象にはしたくない。

↑ぶり返し嫌だけど消火・・・・

　　【書籍チラ見】設備・機械メンテナンス実務講座[材料と機械故障コース]
　　Unwin教授は基準強さに材料の極限強さ(引張強さ、圧縮強さ、せん断強さ)を用いる場合の
　　安全率、、を提唱していて、昔からよく使われた。。鋼→変動荷重および衝撃→安全率12

　　http://kousyoudesignco.dip.jp/ZAIRIKI-ANZEN.html
　　材料の基準強さには従来は材料が破壊するときの応力(引張強さという)を用いていたが、、、

　　http://d-engineer.com/zairiki/anzenritu.html
　　軟鋼の引張強度は　450 N/mm2 です。
　　安全率を　3 としたとき、許容応力　＝　基準強さ（引張強度）／安全率なので、

それじゃあんまりと見直されたのが(2)の追記。基準強さを適切にすれば当然に安全係数は２内外に下がる。

その　?

> 応力伝播とは、有限要素法のシミュレーション事例でよく見かけるものとは違うのですね？
> もっとミクロに、結晶構造の不均一が引き起こす応力波の伝播と干渉の効果が、疲労の
> 亀裂発生と進展を加速していると考えればよいですか？
YESです。ひずみ速度が加速してと考えてください。
弾性変形範囲ですが、速度で微小部分が塑性変形や断裂したと考えれください。
人間で言うと、運動すると筋肉組織が微小断裂し、数日すると修復しますが、
修復前に衝撃的な力を加えますと、肉離れします。
この“筋肉組織が微小断裂し、数日すると修復する”が、比較的ゆっくり荷重で、
弾性変形の範疇で、急激な弾性変形で微小部分が塑性変形や断裂(破断)すると考えて
ください。
当然、片振りや両振りの繰り返し(衝撃的でない)荷重でも、人の筋肉のように治癒能力は
ないので、ゆっくりの弾性変形でも回数を重ねると、微小部分が塑性変形や断裂(破断)
が発生します。
繰り返し衝撃荷重の方が、その進度が速いので、応力の大きさを小さくし、長持ちさせる
手法を取る内容です。

> それとも、ひずみ速度の影響で何かが脆化して。割れが発生したりするのでしょうか？
メカニズムは、疲労寿命1/10と同じで、進度が速いと考えてください。
塑性変形が、そのテンポに付いていけない。(全てではなく、結晶の弱い部分がです)
ですから、エンジンのバルブは、昔は鍛造手法で製作されたりして、応力伝播と、
金属の筋目を合わせる工夫もしておりました。

それと、衝撃的応力波は、応力波干渉もし易く、より大きな荷重を受けたに相当します。

質問者さんは、あまり興味がないと推察しますが、

上述のURLに、古典的な考察ですが、　　許容応力＝基準の強さ／安全率　　にて、
鋼 ⇒　静的荷重;3、片振り繰返し荷重;5、両振り繰返し荷重;8、激しい繰返し荷重;12
　　　　　　　　　(引張/圧縮の何れか)　(引張/圧縮の両方)　　(衝撃的な)
ですが、
激しい繰返し荷重;12だけだと、12倍となりますが、
★ 静的荷重;3 の2.6倍強が、両振り繰返し荷重;8
☆ 両振り繰返し荷重;8の1.5倍が、激しい繰返し荷重;12
　 (18でも、2.25倍です)
から、昔の経験値は、なるほどと思います。

昔は、製鋼技術も良くなく、加工技術の特に精度や表面状態も良くなく、衝撃的荷重の
定義もピーク値が超えても平均値が基準荷重内ならOKとか、その考えすらないとか、
他からの少々の荷重でも壊れない(像が乗っても壊れない、ドイツ的発想とか)、
***円/kgや######円/tonの時代背景とかで、そのようになったので、厳密には現在に
そぐわないかもしれませんが、
☆ 両振り繰返し荷重;8の1.5倍が、激しい繰返し荷重;12
　 (18でも、2.25倍です)
で、増えるのは、考察対象でしょう。

http://jikosoft.com/cae/engineering/strmatf07.html
や
http://ebw.eng-book.com/pdfs/ecb7c8688913e12a4494939494498e79.pdf
観ても、あまり一般的ではないが、“振動と結晶のズレ欠陥の増大やそこからの拡大”
は、加速することが想像されますね。

最上段の追記記載で、回答の方向性が変わって良かったわい。

興味を持って拝見しています。メタルフローと呼ばれるような金属結晶粒の世界
というか鍛造材は何故に強いのか？ということが関係してくるのでしょうか。
＞疲労寿命は１/10まで低下する事がある・・・そんなに落ちるのだろうか？

長年に渡り故障が無く壊れない機械が良い機械とされる以上は安全率12であって
も構わないと思う。ギリギリに設計することは難しく大変であるし、そもそも
強度計算などを自在にこなせて初めて成せる技であろうがそれに溺れてはいかん

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。

　　http://www.jsme.or.jp/mmd/news/news28.pdf
　　東工大・小林英男教授　退任講義

　　私の学生時代の材料力学の教科書には，アンウィン教授が提唱した安全率というのが書
　　かれていた．その後，鵜戸口英善先生から安全率はわからないから大きく取るのであって，
　　不安全率だという話を聞いた．
　　そして今，多くの材料力学の教科書に，アンウィン教授の安全率がそのまま数値で書かれて
　　いるのである．
　　要するに，材料力学の講義をしている人の何人かは，現状の規格の安全係数と最近の進歩
　　（確率論的安全係数，部分安全係数）を知らず，50年以上前の安全率の講義をしている
　　のである．


今なお教科書、学校講義、サイト各所にある<50年以上前の安全率>は
・静荷重:3とかは現代理論でも大きくは違わないから実用できる
・繰返荷重は既に怪しい。疲労限度に掛ける安全率～2程が適切なのは容易に理解できる
・衝撃荷重は根拠なく12とかはデタラメ

なのでそこに依拠した質問に正解は無いのです。

(8)
＞長年に渡り故障が無く壊れない機械が良い機械とされる以上は安全率12であっても構わない

・これまでそれで済んだ事案が少なくなかった。
・<確率論的安全係数> を短く説明するのは到底無理で教科書が山積に必要。
しかしそれでは現実にそぐわないから、建築分野では設計基準が設けられ、たいへん煩雑ながら手順に従えば答が出る。

類似の過去質問
　　http://mori.nc-net.or.jp/EokpControl?&tid=265346&event=QE0004
　　No.39241 静加重と衝撃荷重でのたわみ量の違い
　　回答(6)
　　明石海峡大橋のケーブル安全率には，これまで用いられてきた値2.5より小さい2.2が使用された

従来の設計基準を最新学理で見直し、2.2にしてはじめて巨大橋が完成。バカ掛け安全率では到底不可能だし、重量トラック通行等の“衝撃的”荷重は当然考慮。

安全率を掛ける相手・基準強さは本件(2)追記通り。

埋もれていきそうなので、　その?

衝撃荷重とは、微小のピーク荷重が、設定荷重を超えるのではなく、

荷重が掛かる速度が非常に速くなので、

結晶構造の応力に対しての不均一が、素早い引張や圧縮のに対して、微小損傷を起こし、

又は、隣り合う結晶構造間でも、同様の応力伝播が発生し、応力伝播も不均一になると

云われております。

緩やかな応力伝播と急な応力伝播では、単位時間当たりの変化(力積的考察)で考えますと、

後者が大きくなり、前述の微小損傷を起こし易い原因となります。

追記
2015-01-19 21:33:22
記載分