延性破壊を理解する:原因、検出、予防戦略

延性破壊は、引張荷重を受けるコンポーネントの設計において重要な考慮事項です。エンジニアは通常、永久変形を避けるために、予想される最大応力が材料の弾性限界内 (降伏点以下) にとどまるように部品を設計します。ただし、応力がこの制限を超えると、材料が塑性変形し始め、最終的に延性破壊が発生する可能性があります。

延性破壊では、部品が重大な塑性変形を受け、多くの場合、破断する前に局所的な断面積の減少 (ネッキング) として見られます。この動作は、塑性変形がほとんどまたはまったくなく、警告が最小限で発生する脆性破壊とは対照的です。 

この記事では、延性破壊とは何か、延性破壊がどのように発生して進行するか、どのようなものであるか、一般的な原因、および構造設計で延性破壊を防ぐ戦略について説明します。

延性破壊とは何ですか?

延性破壊とは、降伏限界を超えて塑性変形した後に材料が破壊するプロセスを指します。これは、材料が破壊する前にほとんど変形しない脆性破壊とは対照的です。延性を持って変形する材料には、脆性破壊と比較して独特の破壊モードがあります。

一般的な応力-ひずみ曲線では、応力がこの制限を超えて材料の降伏点まで増加すると、塑性変形が始まります。材料によっては、降伏点の上限と下限が明確に観察される場合があります。降伏点が低くなると、均一な塑性変形が始まります。 A から B まで、材料はひずみ硬化を受け、塑性変形が続いても転位の相互作用による応力の増加に耐えることができます。点 B での最大応力は極限引張強さ (UTS) です。点 B を超えると、断面積の局所的な減少、つまりネッキングと呼ばれる現象が発生し、材料が耐えられる応力は点 C で破壊が発生するまで減少します。

ネッキングは通常、均一な塑性変形後に発生し、延性破壊の初期段階では存在しないことに注意してください。破損するまでの伸び率が高いほど、材料の延性が高いことを意味します。ただし、ほとんどの金属では、ネッキング段階に達する前に、ある程度のひずみ硬化が発生します。

延性の高い材料には、明確に定義された降伏点がないことがよくあります。これらの材料の降伏強さは、一般に 0.2% オフセット法を使用して決定されます。この方法では、曲線の弾性領域に平行な線が 0.2% のひずみ値から曲線と交差するまで引かれます。この交差点が降伏点を示します。 

材料の延性レベルは、破壊後の破断面における断面積の比例的な減少によって決定できます。アルミニウムや金などの材料は、破断する前に面積が大幅に減少するため、延性が高いと考えられます。

「延性」とは何を意味しますか?

延性という言葉は、「順応性がある」、「柔軟性がある」、または「導かれることができる」を意味するラテン語の ductilis に由来しています。材料科学では、延性とは、破断する前に大きな塑性変形を受ける材料の能力を指します。この特性により、材料をワイヤに引き抜いたり、複雑な形状に成形したり、突然破損することなく負荷時のエネルギーを吸収したりすることができます。

詳細については、延性に関するガイドを参照してください。

延性の図

延性破壊が発生するとどうなりますか?

延性破壊は多段階のプロセスですが、わかりやすくするために引張延性破壊に限定します。まず、発生する応力が材料の弾性限界 (または降伏点) を超え始めるように、部品に張力を加える必要があります。これは、材料が塑性変形を開始するときです。このプロセスはネッキングと呼ばれ、部品の断面積が減少することを指します。最終的に、加えられた応力は、材料を結合する原子間の結合よりも強くなります。材料の最も弱い部分は、既存の細孔や空隙、スラグや金属炭化物などの介在物や汚染物質など、金属結晶が最適な強度を得るために整列していない内部欠陥です。次に、これらの空隙が合体します。これは、空隙が成長して近くの空隙と結合して、より大きな空隙を形成することを意味します。空隙が結合して十分に大きな不連続性が生じると、亀裂は開始点から外側に広がり始め、最終的に材料がマクロ レベルで分離して破損します。

延性破壊とはどのようなものですか?

延性破壊は、局所的な塑性変形の結果、破断面近くの部品の断面積が顕著に減少することを特徴とします。ネッキングとして知られるこの狭まりは、破損領域に独特のプロファイルを作成します。延性の高い材料では、ネッキング ゾーンは破断する前に先細になることがよくありますが、延性が低い材料では、移行はより緩やかになります。

延性破壊の原因は何ですか?

適切な条件下では、どのような材料でも破損する可能性があり、そのような条件で破損する前に大きな塑性変形が生じると延性破損が発生します。延性破壊に寄与する要因の一部を以下に示します。

1.ストレスレベル

部品は通常、部品が受ける応力が降伏強度を大幅に下回るように設計されており、多くの場合、安全係数が組み込まれています。引張荷重で加えられた応力が降伏強度を超えると、材料は塑性変形を始めます。これにより延性破壊の第 1 段階が開始され、破壊強度に達して部品が破損するまで変形が続きます。 

2.積載の種類

延性破壊は、加えられた力によって材料が伸びる引張荷重下で最もよく観察されます。荷重がかかる速度である荷重速度も、延性破壊挙動に影響を与える可能性があります。場合によっては、荷重率が高くなると、材料の見かけの破壊靱性が増加する可能性があります。ほとんどのコンポーネントは予想以上の荷重に耐えるように設計されていますが、予期せぬまたは極端な引張応力が延性破壊を引き起こす可能性があります。

3.既存の亀裂または欠陥

亀裂、空隙、その他の欠陥により材料が局所的に弱くなり、その領域に応力集中が生じます。加えられた荷重が十分である場合、これらの高応力ゾーンが最初に降伏し、亀裂の伝播が開始される可能性があります。ほとんどの延性破壊はこのメカニズムによって発生し、微細な空隙の形成と合体から始まり、その後亀裂が成長して最終的に破壊に至ります。

4.材料特性

延性破壊を防ぐには、応力集中が材料の降伏強度を十分に下回るように部品を設計する必要があります。中炭素鋼などの一部の材料には、応力-ひずみ曲線上で簡単に識別できる、明確に定義された降伏点があります。アルミニウムのような延性の高い材料は、明確な降伏点を示しません。代わりに、降伏強度は 0.2% オフセット法を使用して定義され、0.2% の永久ひずみに対応する応力が特定されます。このような材料の場合、この 0.2% オフセット降伏強度は、設計計算における降伏応力として効果的に扱われます。

5.温度と環境への影響

温度は材料の引張挙動に大きな影響を与えます。温度が上昇すると材料の降伏強度が低下し、より低い荷重で延性破壊が発生する可能性があります。逆に、温度を下げると、延性のある材料が脆く破壊される可能性があります。この変化が起こる温度は、延性から脆性への転移温度 (DBTT) として知られています。高温および持続的な荷重では、材料にクリープが発生する可能性があります。これは、室温の降伏強度を下回っても発生する可能性のある時間依存の変形です。腐食などの環境要因は、故障動作にさらに影響を与える可能性があります。特定の腐食剤は脆化を引き起こす可能性があり、通常は延性である材料が脆化モードで破損する可能性があります。

延性破壊はどのようにして防ぐことができますか?

延性破壊は、慎重な工学設計によって防ぐことができます。すべてのコンポーネントとシステムは、使用環境で受ける負荷がその環境での材料の降伏点を超えないように設計する必要があります。故障を防ぐには、荷重を減らすか、断面積を増やすか、または別の材料を選択する必要があります。

応力は力を断面積で割ったものとして定義されるため、力を減らすか面積を増やすと応力が低下し、破損のリスクが軽減されます。より高い降伏強度を持つ材料を選択すると、動作時の荷重が弾性範囲内に確実に収まります。

予想される最大荷重を超える安全係数に耐えるように部品を設計するのは、標準的なエンジニアリング手法です。安全係数は、材料の変動性、環境条件、予期せぬ荷重シナリオなどの不確実性を考慮します。多くの業界では、許容可能な安全係数が規制されており、設計者が任意に選択することはできません。

延性破壊により破損した部品はどのように修理できますか?

コンポーネントが十分な塑性変形を受け、意図した機能を果たせなくなった場合、完全な破壊が発生したかどうかに関係なく、コンポーネントは延性破壊を経験したとみなされます。通常、修理は変形部分を取り外して交換するか、コンポーネント全体を交換することによってのみ可能です。

このタイプの故障は、多くの場合、潜在的な設計上の欠陥を示しています。使用負荷が予想より高かったか、強度が不十分な材料が選択されたかのいずれかです。いずれの場合も、材料の特性評価、荷重履歴のレビュー、および潜在的な環境影響を含む包括的な故障解析を実施する必要があります。調査結果は、再発を防ぐために部品の再設計やより適切な材料の選択に役立つはずです。

延性材料の例とは何ですか?

工学用途で使用される金属の大部分は延性があります。以下に、延性材料の一般的な例をいくつか示します。

• アルミニウム: 高い延性、特に焼きなましされた形状で。構造、自動車、航空宇宙用途で広く使用されています。
• 低炭素鋼: 非常に延性があり、丈夫です。建設や製造で一般的に使用されます。
• 亜鉛: 特に高温で適度に延性があります。亜鉛メッキやダイカストでよく使用されます。
• 中炭素鋼: 延性は低炭素鋼より低いですが、それでも大幅な塑性変形が可能です。
• 銅: 非常に延性と展性が高い。電気配線や熱交換器に最適です。
• ゴールド: 知られている金属の中で最も延性と展性が高い金属の 1 つ。電子機器や装飾用途に使用される

延性破壊にはどのような種類がありますか?

延性破壊には一般に 2 つのタイプがあり、材料の延性のレベルによって区別されます。これらを以下に示します。

<オル>

重大なネッキング: これは、延性の高い材料が引張荷重を受け、破損するまで大幅なネッキング (または断面積の減少) が発生する状況を指します。これらの材料は、最終的に破損する前に、かなりの永久変形が生じます。

カップアンドコーン: この破損モードは、延性が比較的低い材料が破損したときに発生します。この延性破壊モードは、空隙の核生成と合体によって引き起こされ、最終的に亀裂の成長と破壊を引き起こします。

延性破壊と脆性破壊の違いは何ですか?

延性破壊は、材料に降伏強度を超える負荷がかかり、最終的に破壊する前に一定期間塑性変形が始まると発生します。脆性材料は、破壊する前に塑性変形をほとんど、またはまったく受けません。極限引張強さと降伏強さはほぼ同じです。塑性変形がないため、脆性材料は破損しそうであることを視覚的に示しません。

ほとんどの材料が破損するのは、材料が延性と脆性の組み合わせを示すためであり、ひずみ速度と温度の両方によって、材料の挙動が延性から脆性へ、またはその逆に変化する可能性があります。 

詳細については、脆性破壊に関するガイドを参照してください。

概要

この記事では、延性破壊について説明し、それが何であるかを説明し、それを管理および防止する方法について説明しました。延性破壊の詳細については、Xometry の担当者にお問い合わせください。

Xometry は、プロトタイピングや生産のあらゆるニーズに対応する 3D プリンティングやその他の付加価値サービスを含む、幅広い製造機能を提供します。詳細を確認するか、義務のない無料の見積もりをリクエストするには、当社の Web サイトにアクセスしてください。

免責事項

この Web ページに表示されるコンテンツは情報提供のみを目的としています。 Xometry は、情報の正確性、完全性、有効性について、明示的であるか黙示的であるかにかかわらず、いかなる種類の表明または保証も行いません。いかなる性能パラメータ、幾何公差、特定の設計特徴、材料の品質と種類、またはプロセスは、Xometry のネットワークを通じてサードパーティのサプライヤーまたはメーカーによって提供されるものを表すものとして推測されるべきではありません。部品の見積もりを求める購入者は、それらの部品の特定の要件を定義する責任があります。詳細については、 利用規約をご覧ください。

ディーン・マクレメンツ

Dean McClements は機械工学の学士優等学位を取得しており、製造業界で 20 年以上の経験があります。彼の職業上の経歴には、Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yale などの大手企業で重要な役割を果たし、そこでエンジニアリング プロセスとイノベーションに対する深い理解を深めました。

Dean McClements による記事をもっと読む