材料の疲労限界を理解する

疲労破壊を誘発することなく材料に無制限の回数の負荷サイクルを与えることができる応力レベルは、疲労限界または耐久限界として知られています。一方、アルミニウムと銅はそうではなく、小さな応力振幅でも最終的には機能しなくなります。鉄合金やチタン合金などの一部の金属には、明確な制限があります。

「疲労強度」または「耐久強度」という語句は、材料に明確な限界がない場合に使用され、材料が完全に逆向きの曲げ応力の最大量として定義されます。これは、材料が枯渇する前に所定のサイクル数にわたって耐えることができます。 .

繰り返し応力、残留応力、材料特性、内部欠陥、粒径、温度、設計形状、表面品質、酸化、腐食などはすべて、疲労寿命に影響を与えます。一部の材料、特に鋼とチタンには理論上の応力振幅値があり、それを下回ると材料は何サイクルも破損しません。この値は、疲労限度、持久力限度、または疲労強度として知られています。

この記事では、次の質問について説明します:

• 疲労限度とは?
• 疲労限界を発見したのは誰?
• 疲労限度の定義
• 疲労限度の典型的な値は?

疲労限度とは?

疲労破壊を誘発することなく材料に無制限の回数の負荷サイクルを与えることができる応力レベルは、疲労限界または耐久限界として知られています.

材料の疲労寿命を計算するために、エンジニアはさまざまな手法を採用しています。最も有用なものの 1 つである応力寿命アプローチは、多くの場合、Wöhler 曲線としても知られる S-N 曲線によって特徴付けられます。次の図は、この手法を示しています。コンポーネントの寿命または故障までのサイクル数に対してプロットされたのが、加えられた応力 (S) (N) です。

コンポーネントの寿命は、最初はゆっくりと伸びますが、応力が高い値から低下するにつれて急速に伸びます。疲労は脆性破壊と同様に変化しやすい性質を持つため、曲線をプロットするために使用されるデータは統計的に処理されます。結果のバラツキは、適切に調整するのが難しいいくつかのテストと材料パラメータに対する疲労感受性の結果です。

繰り返し応力、残留応力、材料特性、内部欠陥、粒径、温度、設計形状、表面品質、酸化、腐食などはすべて、疲労寿命に影響を与えます。一部の材料、特に鋼とチタンには理論上の応力振幅値があり、それを下回ると材料は何サイクルも破損しません。この値は、疲労限度、持久力限度、または疲労強度として知られています。

疲労限界を発見したのは誰?

August Wöhler は 1870 年に最初に耐久限界のアイデアを提案しました。しかし、最近の研究では、金属材料には耐久限界がなく、十分な応力サイクルが与えられると、最小の応力でさえ最終的に疲労破壊につながると主張しています。

疲労限度の定義

S-N 曲線には次の用語が定義されています:

疲労限界

それ以下では疲労破壊が発生しない応力レベルは、疲労限界 (耐久限界と呼ばれることもあります) として知られています。一部のチタンおよび鉄 (鉄ベース) 合金のみがこの限界に達することができます。これは、これらの材料の S-N 曲線が高い N 値で水平になるためです。アルミニウムや銅などの他の構造用金属には明確な故障点がなく、わずかな応力でも徐々に壊れます。鋼の標準限界は、290 MPa から極限引張強度 (42 ksi) の 1/2 までの範囲です。

疲労強度

ASTM によると、疲労強度 (SNf) は、所定のサイクル数 (たとえば、107 サイクル) 後に破損が発生する応力レベルです。たとえば、アニールされた Ti-6Al-4V チタン合金の疲労強度は約 240 です。 107 サイクルでの MPa、応力集中係数 =3.3.

疲労寿命

材料の疲労挙動は、その疲労寿命によって定義されます。 S–N プロットによると、特定のストレス レベルで故障が発生するのに必要なサイクル数です。

疲労破壊プロセスを構成する 3 つの異なるステップがあります。

高い張力が集中している場所に小さな亀裂が発生すると、破壊が開始されます。亀裂の伝播。応力サイクルごとに亀裂が少しずつ前進します。多くの場合、亀裂成長の段階で疲労寿命の大部分が消費されます。拡大する亀裂が重大なサイズに達すると、最終的な障害が非常に迅速に発生します。

コンポーネントの表面に応力が集中するポイントで、疲労破壊に関連するクラックがほぼ常に開始 (または「核形成」) します。応力集中やクラックの発生を助長する要因は疲労寿命を縮めます。その結果、より高度な表面仕上げに研磨するよりも、研磨することによって疲労寿命が改善されます。金属部品の疲労寿命は、表面層の強化と硬化によっても改善されます。

疲労限度について詳しくは、以下のビデオをご覧ください:

疲労限度の典型的な値は?

鋼の限界 (Se) は通常、290 MPa から極限引張強度 (42 ksi) の半分までの範囲です。 (Se) は通常、鉄、アルミニウム、および銅でできた合金の極限引張強度の 0.4 倍です。

通常の最大値は、銅が 97 MPa、アルミニウムが 130 MPa (19 ksi)、鉄が 170 MPa (24 ksi) (14 ksi) です。これらの値は、滑らかで「ノッチのない」試験片に適用されることに注意してください。ノッチのある試験片の場合、耐久限界ははるかに低くなります。

高分子材料の疲労限度は、クラックを広げるために破壊しなければならない共有結合の固有の靭性を表すことが実証されています。負荷が固有の強度よりも低く保たれている場合、他の熱化学プロセスがポリマー鎖を破壊しない限り、ポリマーは破壊形成なしで無限に実行できます.

まとめ

材料の疲労寿命を計算するために、エンジニアはさまざまな手法を採用しています。最も有用なものの 1 つである応力寿命アプローチは、多くの場合、Wöhler 曲線としても知られる S-N 曲線によって特徴付けられます。次の図は、この手法を示しています。コンポーネントの寿命または故障までのサイクル数に対してプロットされたのが、加えられた応力 (S) (N) です。

疲労破壊を誘発することなく材料に無制限の回数の負荷サイクルを与えることができる応力レベルは、疲労限界または耐久限界として知られています。この記事は以上で、次の質問に回答します:

• 疲労限度とは?
• 疲労限界を発見したのは誰?
• 疲労限度の定義
• 疲労限度の典型的な値は?

読書から多くのことを学べることを願っています。そうであれば、親切に他の人と共有してください。読んでくれてありがとう。また会いましょう!