疲労亀裂は、一般に局所領域での周期的な塑性変形の結果です。疲労とは、「繰り返し荷重または他の種類の荷重条件下での破損であり、この荷重レベルは、1 回だけ適用された場合には破損を引き起こすのに十分ではない」と定義されています。この塑性変形は、理想的なコンポーネントの理論上の応力が原因ではなく、コンポーネントの表面を実際に検出できないために発生します。

August Wöhler は疲労研究のパイオニアであり、経験的な方法を提唱しています。 1852 年から 1870 年にかけて、ヴェーラーは鉄道の車軸の進行性破損を研究しました。彼は、図 1 に示すテスト ベッドを構築しました。このテスト ベッドにより、2 つの鉄道車軸を同時に回転および曲げることができます。 Wöhler は公称応力と故障に至るサイクル数との関係をプロットしました。これは後に SN ダイアグラムとして知られています。各曲線は今でも wöhler ラインと呼ばれています。 Sn メソッドは、今日でも最も広く使用されているメソッドです。この曲線の典型的な例を図 1 に示します。

4つの要素が疲労亀裂2にどのように影響するかを示すAugustWöhlerの実験静力学
図1 Wöhlerの回転曲げ疲労試験

wöhler 線を介していくつかの効果を観察できます。まず、遷移点 (約 1000 サイクル) より下の SN 曲線は無効であることに注意してください。これは、ここでの公称応力が弾塑性であるためです。疲労が塑性せん断ひずみエネルギーの解放によって引き起こされることを後で示します。そのため、破壊前の応力とひずみには直線関係がなく、使用できません。遷移点と疲労限界の間 (約 107 サイクル) では、Sn ベースの解析が有効です。疲労限度を超えると、曲線の傾きが急激に減少するため、この領域は「無限寿命」領域と呼ばれることがよくあります。しかし、そうではありません。たとえば、アルミニウム合金の寿命は無限ではなく、鋼でさえ可変振幅荷重下では寿命が無限ではありません。

最新の増幅技術の出現により、人々は疲労亀裂をより詳細に研究できるようになりました。現在、疲労亀裂の発生と伝播は 2 つの段階に分けられることがわかっています。初期段階では、亀裂は加えられた荷重に対して約 45 度の角度で (最大せん断応力線に沿って) 伝播します。粒界を 2 ~ 3 回通過した後、その方向が変化し、負荷に対して約 90 度の方向に沿って伸びます。これらの 2 つの段階は、図 2 に示すように、段階 I の亀裂と段階 II の亀裂と呼ばれます。

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図 2 ステージ I とステージ II におけるき裂進展の模式図

ステージ I のクラックを高倍率で観察すると、交番応力によって最大せん断面に沿って連続的なすべり帯が形成されることがわかります。これらのスリップ バンドは、トランプのように前後にスライドするため、表面がでこぼこになります。図 3 に示すように、凹面は最終的に「出芽」クラックを形成します。第 1 段階では、クラックは粒界に到達するまでこのモードで拡大し、一時的に停止します。十分なエネルギーが隣接する結晶に適用されると、プロセスが続行されます。

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図3 連続すべり帯の模式図

2 つまたは 3 つの粒界を横切った後、亀裂の伝播方向はフェーズ II モードに入ります。この段階では、亀裂伝播の物理的特性が変化しています。亀裂自体が応力の流れに対する大きな障害となり、亀裂先端に高い塑性応力集中を引き起こします。図 4 に示すように。すべての段階 I の亀裂が段階 II に発展するわけではないことに注意してください。

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図4

ステージ II の伝播メカニズムを理解するには、応力サイクル中の亀裂先端断面の状況を考慮する必要があります。図 5 に示すように、疲労サイクルは公称応力が点「a」にあるときに始まります。応力強度が増加して点「B」を通過すると、亀裂の先端が開き、局所的な塑性せん断変形が発生し、亀裂が元の金属の点「C」にまで及ぶことがわかります。引張応力が「d」点を通過して減少すると、亀裂の先端が閉じることが観察されますが、永久的な塑性変形により、いわゆる「カットライン」と呼ばれる独特の鋸歯が残ります。サイクル全体が「e」ポイントで終了すると、亀裂が「Da」の長さを増加させ、追加の断面線を形成したことがわかります。亀裂成長の範囲は、適用された弾塑性亀裂先端歪みの範囲に比例することが現在理解されています。サイクル範囲が大きいほど、より大きな Da を形成できます。

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図5 ステージIIのき裂進展模式図

疲労亀裂進展速度に影響する要因

疲労亀裂の成長速度に対する次のパラメータの影響が研究され、概念的に説明されています。

1せん断応力

図から、公称応力の強度が周期的に変化する間に、一定の「量」のせん断応力が解放されることがわかります。また、応力変化の範囲が広いほど、解放されるエネルギーも大きくなります。図 1 に示す SN 曲線から、応力サイクル範囲の増加に伴い、疲労寿命が指数関数的に減少することがわかります。

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図6 すべり面とき裂根元の弾塑性応力とひずみ

2 平均ストレス

平均応力(残留応力)も疲労破壊率に影響を与える要因です。概念的には、膨張応力がフェーズ II の亀裂に適用されると、亀裂が強制的に開かれるため、応力サイクルはより重要な影響を及ぼします。反対に、平均的な圧縮応力が適用されると、亀裂は強制的に閉じられ、亀裂が拡大し続ける前に、応力サイクルが圧縮前の応力に打ち勝つ必要があります。同様の概念がステージ I のクラックにも適用されます。

3面仕上げ

疲労亀裂は通常、欠陥のある部品の表面に最初に現れるため、表面の品質が亀裂の発生確率に大きく影響します。ほとんどの材料試験サンプルは鏡面仕上げですが、最高の疲労寿命も実現します。実際、ほとんどのコンポーネントはサンプルと比較できないため、疲労特性を変更する必要があります。表面仕上げは、低振幅応力サイクルにさらされるコンポーネントの疲労に大きな影響を与えます。

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図 7 サイクルシーケンスの影響の模式図 表面仕上げの影響は、モデル化、つまり SN 曲線に疲労限界での表面補正パラメータを掛けることで表現できます。

4 表面処理

表面処理は、コンポーネントの耐疲労性を高めるために使用できます。表面処理の目的は、表面に残留圧縮応力を形成することです。低振幅期間では、表面の応力は明らかに低く、圧縮状態を維持しています。したがって、疲労寿命を大幅に延ばすことができます。ただし、指摘したように、この状況は、振幅の小さい応力サイクルを受けるコンポーネントにのみ有効です。高振幅期間を適用すると、事前圧縮は高振幅期間によって克服され、その利点が失われます。表面品質と同様に、表面処理の影響はモデリングによって示すことができます。

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