金属材料の疲労強度を本当に理解していますか？
Aug 01, 2024
ご伝言
I金属疲労の現象と特徴
1. 金属疲労の現象
亀裂の形成: 交互の応力または周期的なひずみを受けると、金属材料は局所的に高い応力がかかっている領域に徐々に小さな亀裂を形成します。
亀裂の伝播: これらの小さな亀裂は、継続的なストレスにより時間の経過とともに徐々に拡大します。
破壊破損: 亀裂がある程度まで広がると、残った材料が荷重に耐えられなくなり、金属部品が完全に破壊されます。
▲図1 一般的な繰り返し応力
2. 金属疲労の特徴
突発性: 金属疲労破壊は時間の経過とともに突然発生することが多く、事前に検出することは容易ではありません。
局所性: 破損は通常、局所的に高い応力がかかり、場所が比較的集中している場所で発生します。
感度: 金属疲労は環境要因や欠陥に敏感です。たとえば、部品の表面粗さ、酸化度、腐食状態はすべて疲労強度に影響を与える可能性があります。
サイクル依存性: 金属疲労は、周期的荷重の応力レベルとサイクル数に直接関係しています。応力レベルが材料の降伏強度を下回っている場合でも、長期の周期的荷重は疲労破壊につながる可能性があります。
統計的性質: 統計によると、工学構造物の故障の約 80%-90% は金属疲労が原因です。
▲疲労破壊の形態の多様性
II 金属疲労の分類
1. 繰り返し荷重の回数による分類
高サイクル疲労: 低応力 (材料の降伏限界以下、さらには弾性限界以下の作動応力) 下での、応力サイクルが 100,000 を超える疲労を指します。これは最も一般的なタイプの疲労破壊で、応力疲労とも呼ばれます。高サイクル疲労の性能は SN 曲線 (応力寿命曲線) で表され、特定の応力比では応力が低いほど寿命が長くなることを示しています。
低サイクル疲労: 応力サイクルが 10,000 ～ 100,000 未満の高応力 (材料の降伏限界に近い作動応力) または高ひずみ条件下での疲労を指します。このタイプの疲労破壊では交互塑性ひずみが大きな役割を果たすため、塑性疲労またはひずみ疲労とも呼ばれます。
2. 疲労破壊の形態による分類
熱疲労: 温度変化による熱応力の繰り返しによって生じる疲労破壊。
腐食疲労: 交互荷重と腐食性媒体 (酸、アルカリ、海水、活性ガスなど) の複合作用による機械部品の疲労破損。
接触疲労: 機械部品の接触面の疲労破壊を指します。接触応力が繰り返されると、孔食や表面の破砕および剥離が発生し、部品の故障につながります。
III. 疲労曲線
▲金属材料の疲労曲線
▲SN曲線
上の図は疲労応力と疲労寿命の関係を示しており、SN 曲線として知られています。この曲線は疲労限界を決定し、疲労応力基準の基礎を確立するために使用されます。
疲労限界: 材料が破壊することなく無限の応力サイクルに耐える能力の強度指標を指します。条件付き疲労限界は、材料が破壊することなく有限の応力サイクルに耐える能力の強度指標を指します。両方とも総称して疲労強度と呼ばれます。引張強度が大きいほど、疲労限界も大きくなります。
IV. 金属材料の疲労強度に影響を及ぼす要因
1. 部品の形状とサイズ
実際の機械部品には、段差、キー溝、ねじ山、油穴など、さまざまな形状の切り欠きが必ず存在し、これが応力集中を引き起こし、疲労強度に影響を与えます。
部品のサイズ効果も重要な考慮事項です。小さなサンプルと比較して、大きな部品では応力集中と応力勾配が大きくなり、疲労性能に影響する可能性があります。
2. 表面仕上げ
表面仕上げが悪いと、材料表面に応力が集中し、材料の疲労強度が低下することがあります。例えば、縦方向の精研磨に比べて、荒加工（荒旋削）では疲労限度が 10 ～ 20 % 以上低下することがあります。
3. サービス条件
腐食性媒体が存在するなどの作業環境により、微小亀裂が侵入し、部品の疲労破損が促進される可能性があります。
高温、高湿度、低温などの複雑な気候条件で使用される航空宇宙材料も、疲労性能に影響を及ぼす可能性があります。
4. 材料の構成
金属材料の組成は、疲労性能に直接影響します。たとえば、炭素含有量が増加すると、マルテンサイトの破壊強度が低下し、急冷亀裂が発生しやすくなります。
5. 組織の状態
金属材料の微細構造は疲労強度に大きな影響を与えます。焼入れと焼戻し後の構造により、疲労強度をさらに向上させることができます。
6. 純粋さ
材料内の介在物などの欠陥は疲労の原因となり、疲労強度を低下させる可能性があります。
7. 残留応力
残留応力の存在は、材料の疲労性能にも影響を与える可能性があります。
8. 材料の強度と可塑性
金属材料の強度と可塑性が優れているほど、疲労破壊に対する耐性が高くなります。
9. 応力振幅
応力振幅の大きさは金属の疲労寿命に直接影響します。
10. 平均応力
平均応力の大きさと性質（引張または圧縮）も金属の疲労性能に影響します。
11. サイクル数
金属疲労破壊は通常、一定数のサイクル後に発生します。
12. 応力集中効果
部品の輪郭の突然の変化や内部の不連続性（気孔、介在物、亀裂など）は応力集中の原因となり、疲労破壊プロセスを加速させる可能性があります。
V 疲労曲線を決定する方法
疲労曲線、特に SN 曲線を決定する方法は、周期的な応力またはひずみを受ける材料の疲労性能を評価するための重要なアプローチです。
1. テストの目的と条件の決定
テストする材料の種類、応力レベルの範囲、周波数、その他のパラメータを明確に定義します。
疲労試験機などの適切な試験装置を選択し、試験要件に応じて調整および校正します。
2. 標本の準備
関連する規格および試験要件に基づいて、要件を満たす試験片を準備します。
試料の寸法、重量、その他のパラメータを正確に測定し記録します。
3. 標本の設置
試験片軸と荷重軸が揃っていることを確認しながら、試験片を疲労試験機に取り付けます。
特別な固定具や装置を必要とするテストの場合は、要件に応じてそれらを設置および調整します。
4. テストパラメータの設定
テストの目的や条件に応じて、負荷波形（正弦波、方形波など）、負荷レベル、周波数などのパラメータを設定します。
実際の動作条件をシミュレートする必要があるテストの場合は、温度や湿度などの対応する環境パラメータを設定します。
5. テストの開始とデータの記録
試験機を起動し、周期的な荷重を開始します。
テスト中は、各サイクルの荷重、変位、時間などのデータを記録します。
試験片の変形と破損を監視し、疲労破損の数と形態をタイムリーに記録します。
6. SN曲線のプロット
試験データに基づいて、応力レベル（S）を横軸に、疲労寿命の対数（N、つまりサイクル数）を縦軸にしてSN曲線をプロットします。
SN 曲線は通常、低サイクル疲労領域、有限寿命疲労領域、高サイクル疲労領域の 3 つのセクションで構成されます。これらのセクションは、テスト データに応じて分割してラベル付けできます。
7. データ分析と解釈
傾きや切片などのパラメータの計算と比較を含む SN 曲線データを分析します。
SN 曲線の形状とパラメータに基づいて、材料の疲労性能と寿命特性を解釈します。
材料の微細構造と化学組成に関する情報を組み合わせて、疲労破壊のメカニズムと影響要因を分析します。