疲労試験方法の紹介-炭化超硬

部品のポイントに十分な外乱応力が加わると、十分なサイクル数後にクラックが発生し、これを疲労と呼びます。疲労破壊は、エンジニアリング構造とコンポーネントの故障の主な原因です。現在のアプリケーションと研究では、疲労試験方法には主に4つのタイプがあります。

1.公称応力およびひずみ法。

2.局所応力およびひずみ法。

3.エネルギー法。

4.破壊力学法。

この記事では、4種類のメソッドとそのアプリケーションについて簡単に紹介します。

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1.公称応力法

公称応力法は、標準部品に定格応力試験を適用する方法であり、最大繰返し応力と降伏応力の関係から、応力疲労とひずみ疲労に分類されます。

まず、応力疲労が導入されます。これは、最大周期応力Smaxが降伏応力Syより小さい場合の応力疲労として定義されます。応力疲労試験により、材料寿命は104倍以上あるため、応力疲労は高サイクル疲労とも呼ばれます。応力疲労の理論によれば、金属材料の応力Sと破損のサイクル数Nは非線形に分布します。利用可能なべき関数：対数を取る：、または指数関数を使用する：対数を取ることで表現します。この方法はSN法と呼ばれます。結果は、SNカーブ、または実際のテストのp（生存率）-SNカーブを使用して分析されました。

材料疲労SNカーブには、一般的に応力疲労が使用されます。図1および図2に示すように、AZ31Bマグネシウム合金の疲労限度（応力比は0.1、疲労寿命は疲労荷重に相当する107）は、リフティング法で試験されています。図のAZ31Bマグネシウム合金サンプルの疲労限度は97.29 MPaです。

図1. AZ31Bマグネシウム合金疲労試験

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図2. AZ31Bマグネシウム合金疲労試験のSNカーブ

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ひずみ疲労は、高負荷、低設計寿命のコンポーネントのテストに適用されます。定義は次のとおりです。最大周期応力Smaxが降伏応力Syよりも大きい場合、それはひずみ疲労です。応力疲労試験は、高負荷および低周波数でのコンポーネントの研究に使用されます。たとえば、圧力容器の耐用年数では、サイクルの合計数は104のオーダーです。したがって、疲労性能パラメータの記述としてひずみが使用されます。ストレス疲労は低サイクル疲労としても知られています。

ひずみ疲労研究の学者たちは、次の理論、材料の応力ひずみ（Remberg-Osgood弾塑性応力ひずみ）関係を提唱しています。

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式では、εe弾性ひずみ振幅、εpは塑性ひずみ振幅です。

定振幅対称ひずみ試験では、材料の塑性変形により、ひずみが減少すると元の経路では応力を減少させることができず、応力-ひずみ曲線は環状になります。この曲線はヒステリシスループと呼ばれます。サイクル数が増加すると、同じひずみ振幅応力が増加または減少します。変化に対応するこの応力の応答は、循環硬化または循環軟化と呼ばれます。サイクルは数サイクルで十分であり、一部の材料は安定したヒステリシスループを形成します。

ひずみ疲労では、応力-ひずみ曲線を使用して、材料の循環硬化または循環軟化傾向を記述します。対称的なヒステリシスループ曲線を持つ材料の場合、これは質量材料と呼ばれます。

下の図は、圧延方向と横方向に荷重をかけたZK60マグネシウム合金のσ-ε曲線を示しています。横方向では、周期硬化現象が顕著です。

図3.σ-ε回転曲線に沿ったZK60Aマグネシウム合金荷重

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図4.横方向のσ-εカーブに沿ったZK60Aマグネシウム合金の荷重

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2.局部応力およびひずみ法

切り欠きのある試験片と応力集中部品については、局部応力ひずみ解析が使用されます。現在の研究では、部材の疲労寿命は局所的な最大ひずみと応力であり、応力集中係数の概念が提案されています。材料の亀裂形成の寿命の計算や、コンポーネントの残留疲労寿命の予測に適しています。

局所応力法が提唱する理論は、ノイバーの公式（応力集中式）

Minner理論（疲労累積損傷理論）：一定応力Sの下での部材の疲労寿命はNであり、nサイクルによる損傷は次のとおりです。

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k一定応力Siの下でniサイクルにさらされた場合、合計損傷は次のように定義できます。

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損傷基準は次のとおりです。

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局所応力法の適用を図5と図6に示します。

図5.切欠き付き試験片の疲労寿命予測

図6.クレーンの疲労寿命予測（クレーンの応力とひずみのテストポイント分布マップ）

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応力集中点の疲労寿命は、次の式に従って計算されます。

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ここで: Sf – 等価応力平滑サンプル疲労寿命

図6クレーンの疲労寿命計算方法は、異なる試験点の時刻歴マップと各点の疲労寿命方程式を入力し、各点の残留疲労寿命を計算する方法です。デフォルトの寿命最小点は、デバイスの残りの疲労寿命です。クレーンの場合、学者たちは普通鋼の累積損傷値Dが0.68に達することを示唆しています。

3.エネルギー法

赤外線サーモグラフィーは、材料の疲労過程のエネルギー定数の法則に基づいて、疲労性能を予測する方法です。疲労熱画像法は、熱力学エネルギーU、運動エネルギーK、および疲労過程におけるエネルギー散逸の他の形態に基づいています。物体によって吸収または放散されるエネルギー変化Eと熱変化Qの合計は、物体に作用する仕事Wでなければなりません。同じ。

疲労熱画像処理には、非破壊、リアルタイム、非接触の利点があります。同時に、エネルギー散逸と疲労荷重の間の非線形関係、および熱散逸を使用した温度散逸の誤差のため、それはまだ工業的測定には適していません。

現在の研究では、次の予測モデル理論、Luong法、ΔTmax、および疲労寿命Nfが提案されています。

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ここで、C1、C2は定数です。

したがって、疲労限度は2線法で予測できます。熱放散に基づいて、学者は次のモデルを提案しました：

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R温度上昇勾配

以下は、太原理工大学の張洪夏先生のチームによる疲労熱画像法の研究です。 AZ31B Mg合金の疲労寿命は、サーマルイメージングによってすぐに予測されました。 2行法に従って材料の疲労限度を予測するには、サンプルの最初の段階の温度上昇をテストするだけで済みます。それぞれ図7、図8、図9。

図7.疲労試験のサイクルタイムが異なるAZ31Bマグネシウム合金サンプルの表面温度

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図8. AZ31B疲労プロセスのサンプル表面温度曲線

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図9.疲労荷重による温度の変化

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4.破壊力学法

線形弾性破壊力学は、疲労亀裂の成長を研究するための理論的な基礎です。疲労亀裂伝播は、応力拡大係数Kによって定量的に説明することもできます。

疲労荷重の下では、サイクル数Nによる亀裂長さaの変化率a、da / dNは、疲労き裂成長の速度であり、亀裂の伝播速度を反映しています。与えられた亀裂長さaに対して、da / dNは繰返し応力振幅∆σの増加に伴い増加します（∆σが大きいほど、∆Kは大きくなります）。この現象に基づいて、学者はda /dN-ΔK（亀裂伝播）を研究しています。レート-ストレス強度増加曲線、曲線は3つのゾーンに分割できます：低レート、中レート、高レートゾーン。パリの公式は、中程度のレートの安定した拡張の間には線形関係があると述べています：

亀裂先端の形状の実験式：

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