疲労試験法の紹介

部品の先端に十分大きな外乱応力が加わると、十分なサイクル数後に亀裂が形成され、この現象は疲労と呼ばれます。疲労破壊は、エンジニアリング構造やコンポーネントの破損の主な原因です。現在の応用および研究では、4つの主なタイプの疲労試験方法があります。
1.公称応力およびひずみ法
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種類の方法とその応用について簡単に紹介します。

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との関係から応力疲労と歪疲労に分類される。
最初に、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よりも小さい場合の応力疲労と定義されます。応力疲労試験により、材料寿命は104倍以上になりますので、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ると、金属材料の応力Sと破壊のサイクル数Nは非線形に分布している。利用可能なべき乗関数:対数を取る:、または指数を使う:を表すために対数を取る、この方法はSN法と呼ばれます。実際のテストでは、SN曲線、またはp(生存率)-SN曲線を使用して結果を分析しました。
材料疲労SN曲線には一般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(応力比が0.1、疲労寿命は疲労荷重である107)をリフティング法により試験した。図中のAZ31Bマグネシウム合金サンプルの疲労限度は97.29MPaです。
図1. AZ31Bマグネシウム合金の疲労試験

図2. AZ31Bマグネシウム合金疲労試験SN曲線

ひずみ疲労は、高荷重、低設計寿命の部品の試験に適用されます。定義は次のとおりです。最大繰り返し応力Smaxが降伏応力Syより大きい場合、それはひずみ疲労です。応力疲労試験は、高荷重および低周波数で部品を試験するために使用されます。例えば、圧力容器の耐用年数の間に、全サイクル数は104のオーダーである。従って、疲労性能パラメータの記述としてひずみが使用される。応力疲労は低サイクル疲労としても知られています。
ひずみ疲労研究に基づいて、研究者は次の理論を提唱し、材料の応力 - ひずみ(Remberg-Osgood弾塑性応力 - ひずみ)関係を示します。

式中、εe弾性ひずみ振幅εpは塑性ひずみ振幅である。
定振幅対称ひずみ試験では、材料の塑性変形のため、ひずみが減少すると応力は元の経路では減少することができず、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。サイクル数が増えると、同じひずみ振幅応力が増減します。変化に対応するこの応力の応答は、周期的硬化または周期的軟化と呼ばれます。このサイクルは数サイクルに十分であり、材料によって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繰返し硬化または繰返し軟化の傾向を説明します。対称ヒステリシスループ曲線を持つ材料の場合、それは質量材料と呼ばれます。
下図はZK60マグネシウム合金の圧延方向と横方向のσ-ε曲線です。横方向では、繰り返し硬化現象は明らかです。
図3.圧延σ-ε曲線に沿ったZK60Aマグネシウム合金の荷重

図4.横方向のσ-ε曲線に沿ったZK60Aマグネシウム合金の荷重

2.局部応力とひずみ法

切欠き試験片と応力集中成分については、局部応力 - ひずみ解析を使用します。現在の研究は、部材の疲れ寿命は極大ひずみと応力であることを示し、そして応力集中係数の概念を提案した。材料の亀裂形成寿命および部品の残留疲労寿命の予測に適しています。
局所応力法によって提案された理論は、ノイバー式(応力集中式)を有する。
マイナー理論(疲労累積損傷理論):定応力Sのもとでの部材の疲労寿命はNであり、nサイクルの間の損傷は次のようになります。

k一定応力Si下でniサイクルを受けると、総損傷は次のように定義できます。

損傷基準は以下のとおりです。

局所応力法の適用を図5と図6に示します。
図5切欠き試験片の疲労寿命予測
図6.クレーンの疲労寿命予測(クレーン応力とひずみ試験点分布図)

応力集中点の疲労寿命は次の式に従って計算されます。

Sf - 等価応力平滑サンプルの疲労寿命
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図を入力し、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、装置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は、材料の疲労過程のエネルギー定数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、熱力学的エネルギーU、運動エネルギーK、および疲労過程における他の形態のエネルギー散逸に基づいています。物体によって吸収または散逸されるエネルギー変化Eと熱変化Qとの合計は、物体に作用する仕事Wであるはずである。同じ。
疲労サーマルイメージングは、非破壊、リアルタイム、非接触という利点を持っています。同時に、エネルギー散逸と疲労負荷との間の非線形関係、および熱散逸を用いた温度散逸の誤差のために、それは依然として工業的測定には適していない。
現在の研究では、次のような予測モデル理論、Luong法、ΔTmaxおよび疲労寿命Nfが以下のように提案されています。

ここで、C1、C2は定数です。
従って、疲労限度は二線法によって予測することができる。熱放散に基づいて、学者は以下のモデルを提案しました:

R温度上昇スロープ
以下は太原工科大学のZhang Hongxia先生のチームによる疲労熱画像法の研究です。 AZ31B Mg合金の疲労寿命は熱画像により迅速に予測された。二線法による材料の疲労限度を予測するためには、試料の第一段階の温度上昇を試験することだけが必要である。それぞれ図7、図8、図9。
図7.疲労試験におけるサイクル時間が異なるAZ31Bマグネシウム合金サンプルの表面温度

図8. AZ31B疲労プロセスサンプルの表面温度曲線

図9.疲労荷重による温度の変化

4.破壊力学法

線形弾性破壊力学は疲労亀裂成長を研究するための理論的基礎である。疲労亀裂伝播は、応力拡大係数Kによっても定量的に表すことができます。
疲労荷重下では、サイクル数Nに対する亀裂長さaの変化率a、da / dNは、亀裂伝播速度を反映した疲労亀裂成長率である。与えられた亀裂長さaに対して、da / dNは繰返し応力振幅Δσの増加とともに増加します(Δσが大きいほど、ΔKは大きいです)。この現象に基づき、学者たちはda / dN-∆K(き裂進展)を研究しました。速度 - 応力強度増加曲線、曲線は3つのゾーンに分けることができます:低速度、中速度、高速度ゾーン。パリの公式は、中レートの安定的な拡大との間には線形関係があると述べています。
亀裂先端の形状に関する実験式:

疲労亀裂の形成と膨張は損傷力学の枠組みの下で統一することができます。
以下はAZ31Bマグネシウム合金の亀裂成長速度の研究であり、AZ31Bの安定膨張速度を評価した。
図10.疲労き裂先端競合メカニズムの概略図

図11.き裂先端の応力 - ひずみ場の3つの異なる領域の模式図

図12.疲労き裂先端競合機構のaN曲線の概略図

図13.疲労き裂先端競合メカニズムのda / dN-ΔK曲線の概略図

ABセグメント(中速ゾーン):da / dN = 4.57×10 -7(ΔK)3.25(7.2 <ΔK≦13.5 MPa•m 1/2)
BCセグメント(ハイレートゾーン):da / dN = 3.16×10-10(ΔK)6.21(13.5 <ΔK≦22.1 MPa•m 1/2)
結論:
4種類の方法は用途が異なる。公称応力法および局部応力法は、産業分野における材料および部品の性能試験に適しています。エネルギー法は材料の疲労寿命を予測することができ、破壊力学法は疲労亀裂形成と膨張を首尾よく統一する。

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