材料のクリープを理解する

コールド フローとも呼ばれるクリープは、進行中の機械的負荷を受けると、固体材料がゆっくりと移動したり、不可逆的な変形を起こしたりする傾向です。高負荷または高温下で動作するコンポーネントを検査する場合、エンジニアや冶金学者は通常、クリープを懸念します。クリープと呼ばれる変形メカニズムは、故障モードである場合とそうでない場合があります。この記事では、次の質問に対する回答を示します:

• 材料のクリープとは?
• 材料クリープの段階は何ですか?
• クリープ強度とは?
• クリープ変形にはどのような種類がありますか?
• クリープの一般的な例は何ですか?
• クリープ強度の測定方法
• クリープ変形を最小化または回避する方法

さあ、飛び込みましょう!

材料のクリープとは?

コールド フローとも呼ばれるクリープは、進行中の機械的負荷を受けると、固体材料がゆっくりと移動したり、不可逆的な変形を起こしたりする傾向です。

これは、材料の降伏強度をまだ下回っている高応力レベルに長時間さらされた結果として発生する可能性があります。長時間熱にさらされるとクリープがより深刻になり、材料が融点に近づくにつれて悪化することがよくあります。材料の品質、暴露期間、暴露温度、適用される構造負荷のすべてが、材料の変形速度に影響します。

加えられた応力の強さと持続時間に基づいて、コンポーネントがその目的を果たせなくなるまで変形が増加する可能性があります。例えば、タービンブレードのクリープにより、ブレードがケーシングと接触して故障する可能性があります。高負荷または高温下で動作するコンポーネントを検査する場合、エンジニアや冶金学者は通常、クリープを懸念します。クリープと呼ばれる変形メカニズムは、故障モードである場合とそうでない場合があります。

たとえば、一部のコンクリート技術者は適度なクリープを好みます。クリープがなければひび割れを誘発する可能性のある引張歪みが減少するからです。クリープ変形は、脆性破壊とは異なり、応力が加えられたときにすぐには起こりません。代わりに、持続的なストレスはひずみの蓄積につながります。結果として、クリープは「時間依存」の変形です。

材料クリープの段階は?

クリープは、通常は高温で、金属の降伏強度を下回る荷重で発生する一種の金属変形です。クリープには 3 つのフェーズがあります:

• プライマリまたはステージ I
• 二次またはステージ II
• 三次またはステージ III

プライマリまたはステージ I

変形プロセス中、最初に一次クリープが発生します。この時点で弾性変形が始まったばかりです。原子結合が伸びると、一時的な弾性変形が生じます。弾性変形の後、永久塑性変形が始まります。この歪みは、一次クリープ段階でより急速に始まり、時間の経過とともに遅くなります。加工硬化は、一次クリープ段階の終わり近くで起こるクリープ速度の低下の原因です。

二次またはステージ II

ひずみ速度が安定し一定になると、二次クリープが始まります。クリープの第 1 段階および第 3 段階と比較すると、二次クリープ中のひずみは非常にゆっくりと発生します。微細構造の損傷がないため、クリープ速度は安定しており、非常に遅いです。

三次またはステージ III

クリープ変形のプロセスは、3 次クリープで終了します。金属の微細構造が損傷すると、クリープ プロセスのこのステップが始まります。微細構造がますます劣化し続けると、歪み速度が増加します。十分な微細構造の空隙が生成されると、金属は最終的に割れて機能しなくなります。

クリープ強度とは?

材料は、即時の高い応力または長期間にわたる持続的な応力にさらされると、異なる反応を示します。材料が継続的に機械的に歪むと、ゆっくりと移動したり、永久に変形したりするように見えます。

クロールは、この生まれつきの傾向の名前です。温度、時間、応力、および合金組成は、材料のクリープの開始と進行に影響を与える要因の一部です。クリープ変形率は、滑り率に付けられた名前です。クリープは、多くのエンジニアリング アプリケーション、特に高温と応力に対処するアプリケーションについて学習する必要があります。蒸気管、宇宙船、およびタービンにおける忍び寄る衝撃のいくつかの例は、ディスクとブレードです。

クリープ強度とも呼ばれるクリープ限界は、材料がどれだけクリープに耐えることができるかを測定します。特に応力とは、一定のクリープ率を引き起こす外部要因を指します。これは、材料が所定の期間大幅に変形することなく受けた最大の応力が、亀裂耐性の原因であることを意味します.

クリープ変形にはどのような種類がありますか?

転位クリープ、拡散クリープ (バルク拡散または粒界拡散)、転位クライム グライド クリープ、および熱トリガー グライド クリープは、クリープ変形の例です。これらの多くのクリープ メカニズムはすべて、材料が変形する温度、材料が受ける応力の量、および材料の微細構造と組成に依存します。

たとえば、直射日光によって加熱された継続的に溶接されたレールは、線路上で座屈する可能性があります。これは、鋼の張力の増大とそれに続くクリープによってもたらされます。中程度のクリープ下では、コンクリートが破壊される可能性がありますが、これは構造の引張歪みを下げるのに役立つため、場合によっては有利です。ポリマーに一定の応力がかかると、粘弾性クリープと呼ばれる時間依存のひずみ増加プロセスが発生します。

クリープの一般的な例は何ですか?

多くの場合、一部のアプリケーションではクリープが見られます。たとえば、自動車のフレームは、静荷重が低く、動作温度が低いため、衝撃強度に重点が置かれています。反対に、間違った材料を選択すると、特定の自動車エンジン コンポーネントが高負荷にさらされ、エンジン燃焼による高温にさらされると、クリープが発生する可能性があります。

高熱と極度の応力がかかる用途では、クリープが発生しやすいことがよくあります。例としては、核エネルギーの生成、産業用エンジンの部品、加熱された金属フィラメント、ジェット エンジンの部品、加圧高温パイプなどがあります。

クリープ強度の測定方法

さまざまな応力下での材料の歪みを測定するツールであるクリープ試験機は、クリープ強度を評価するために使用されます。変数として温度または負荷を使用すると、材料がどれだけの応力とひずみに耐えることができるかをプロットするために使用できます。クリープの 3 つの固有の段階 (一次クリープ、定常クリープ、三次クリープ) は、次のグラフに表示されます。

クリープの各ステップの温度と時間間隔は、グラフから決定できます。したがって、グラフの 3 次クリープ段階を使用して、クリープ強度またはクリープ限界を決定できます。熱膨張の影響を最小限に抑えるには、クリープ試験を実施するチャンバーの温度を調整することが不可欠です。

クリープ変形を最小化または回避する方法

クリープ変形が一般的に悪いことであることは明らかです。その影響を軽減したり、発生を防止したりするために、特定の設計上の考慮事項を行うことができます。その一部には次のものがあります。

• 大きな粒子の単結晶材料を利用して粒界の滑りを減らし、固溶体を追加して微細構造の空隙をなくす
• 融点の高い物質を利用する
• 体心立方 (BCC) 金属ではなく面心立方 (FCC) 金属を使用して、拡散係数が低いため、拡散率を減らします。
• 高せん断弾性率または実用的な合金を備えた材料を利用する
• 使用中は材料の動作温度を下げます (用途によって異なります)。

まとめ

クリープ変形は一般に望ましくない現象であることは明らかです。その影響を軽減または防止するには、上記の手順に従う必要があります。

材料科学では、クリープとは、持続的な機械的応力の影響下で固体材料がゆっくりと移動したり永久に変形したりする傾向です。

この記事は以上で、次の質問に回答します:

• 材料のクリープとは?
• 材料クリープの段階は何ですか?
• クリープ強度とは?
• クリープ変形にはどのような種類がありますか?
• クリープの一般的な例は何ですか?
• クリープ強度の測定方法
• クリープ変形を最小化または回避する方法

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