金属の疲労

繰返し荷重を受ける金属構造物の疲労破壊は、構造物の極限強度を大幅に下回る荷重で警告なしに発生する可能性があります。この挙動をモデル化することは難しいため、実験室で疲労特性を評価し、現場で疲労亀裂を監視することが重要です。

1967 年にオハイオ川に架かるシルバーブリッジの崩壊により、エンジニアリング界は金属疲労の重要性に注目しました。橋は腐食疲労により脆く崩壊し、46人が死亡しました。疲労不良は、検査員には見えないアイバー接続部で発生し、おそらく製造上の欠陥が原因でした。

疲労破壊は、材料が極限強度の30〜40%しか持たない応力で多くのサイクルの荷重を受けるために発生する可能性があります。このタイプの繰返し荷重中の亀裂の成長と伝播は、警告サインがほとんどない突然の疲労破壊を引き起こす可能性があります。疲労は、耐疲労性に影響を与える多くの要因を持つ複雑なプロセスです。

高サイクルで低応力範囲の状態は、橋梁の上の車や製造工場の回転機械など、可動部品や負荷のある機器や構造物で発生します。低サイクル、高応力範囲の疲労は、地震などの状況で発生します。

このビデオでは、壊滅的な疲労破壊を回避するために、材料の実験室試験と、低応力、高サイクル荷重の繰り返しを受ける構造物のモニタリングの必要性について説明します。

疲労亀裂は通常、垂直応力に対して角度を付けて開始されますが、その後、回転して主引張応力に対して垂直に成長します。亀裂は引張応力またはせん断応力下で伝播しますが、圧縮応力下では伝播しません。

荷重を繰り返し込むと、亀裂は臨界長に達し、突然音速で伝播し、すぐに故障につながります。最初の亀裂成長により、疲労破壊面に特徴的なビーチマークが生成されます。材料表面には、より粗い破断面が生成され、突然破損します。

疲労破壊は、サイクル数と破壊までの応力範囲によって定義されます。加えられる応力範囲が大きくなると、破損までのサイクル数は減少します。ほとんどの金属と鉄合金には、サイクル数に関係なく故障しない耐久性限界があります。特定の応力範囲でのサイクルは、実際の周期的荷重ではランダムです。このため、複数の応力範囲と、故障までのサイクルを表す対応する番号が複数存在します。

マイナーの法則は、応力範囲のセットを定義し、サイクルをこれらの範囲にグループ化することによって使用されます。予想される荷重サイクルの数は、各応力範囲の破壊までのサイクル数で除算され、合計されます。合計が 1 より大きい場合、疲労破壊の可能性があります。この方程式には物理的な根拠はありませんが、エンジニアリング設計の目的には役立ちます。回転ビーム試験を使用して、多数の応力範囲と破壊までのサイクルを試験できます。

この試験では、試験片を回転させながらカンチレバー曲げ構成を使用します。加えられる荷重は、降伏強度を使用して一連の応力範囲を計算します。たとえば、一般的な構造用鋼の降伏強度は 50 ksi で、最初の応力範囲をプラスマイナス 15% とすると、プラスマイナス 7.5 ksi の荷重が得られます。この荷重が加わり、試験片は各回転中に完全な張力と完全な圧縮を受けます。

応力範囲を故障までのサイクル数の対数値に関連付ける S-N 曲線が生成されます。次のセクションでは、より回転するビームマシンを使用して鋼製試験片を試験し、材料のS-N曲線を作成します。

5つのA572グレードの試験片を入手し、ムーア回転ビームマシンの回転カンチレバーセットアップを使用して試験します。使用する試験片の寸法と荷重点までの距離は、使用する試験機によって異なります。

これらの寸法は、独自のテスト設定によって異なる場合があります。私たちの標本は長さ2.40インチ、直径0.15インチです。各試験片の小さな首部は、長さ0.50インチ、直径0.04インチです。

最初の試料を、ネック部分がビームの中央近くになるように機械に取り付けます。試験片の中心から荷重点までの距離を測定します。ビームが自由に回転し、ぐらつくことなく試験片を慎重に位置合わせし、カンチレバーの端に荷重を加えます。カンチレバー試験片は、一連のスプリングによって生成され、その値がロードセルによって監視される点荷重を使用して先端に荷重がかかります。荷重はベアリングを介して加えられるため、ビームが回転すると力は常に下向きになります。

マシン速度は1400rpmsに設定され、サイクルカウンターは0に設定され、テストが開始されます。速度、試験片サイズ、および加えられる応力は、試験機によって異なります。試験片が故障するまで待ち、故障までのサイクル数を記録します。故障した試験片を試験機から取り出し、その破面を検査します。

繰り返して、試験する応力範囲ごとに1つの試験片を試験します。統計的に有効なデータを得るためには、各応力範囲でさらに多くの試験片を試験する必要があります。

応力範囲とサイクル数を表にし、結果をプロットします。試験片の実際の降伏応力は65.3 ksiで、引張強度は87.4 ksiでした。ここに示す応力範囲は、降伏の 23% から 92% に相当します。

このデータは、応力範囲が 15 ksi を超え、サイクルが 100,000 未満の場合、応力範囲とサイクル数の対数との間の線形関係が減少することを示しています。次に、最適適合線は、応力範囲が 25 ksi の場合、破損までのサイクル数が約 31,000 であることを示しています。

応力範囲が 15 ksi 未満では、故障は示されません。これは耐久限界と見なされます。耐久限界の信頼性は、10 ksiから20 ksiの間でより多くの試験片を試験することで向上させることができます。

橋梁の周期荷重履歴がいくつかのサイクルと応力範囲で構成されていると仮定し、材料の疲労挙動がわかっている場合は、マイナーの法則を使用して破損までのサイクルを計算できます。

予想通り、パーセンテージ的には、応力範囲が高いほど、損傷の蓄積にはるかに大きな影響を与えます。この構造は、値が1.0に近いため、設計疲労寿命容量に近いようです。

疲労破壊における繰返し荷重、試験、およびモニタリングの役割を理解したところで、疲労が日常的に使用する構造にどのように影響するかの例を見てみましょう。

橋梁は毎日周期的な負荷を受けています。デラウェア州ウィルミントンのブランディワイン川橋で壊滅的な故障は幸運にも回避されました。1997年に下のトレイルでジョギングをしていた人によって発見された大きな亀裂は、使用上の欠陥から繁殖しているのが見つかりました。修理が行われ、橋は6車線の交通を運び続けながら、その使用を監視しています。

1950年代に飛行中に3機の飛行機が爆発した後、エンジニアは胴体をプールに沈めて与圧と減圧をシミュレートしました。窓の角部に応力が集中するため、荷重を繰り返しかけた後、疲労破壊が発生したと判断されました。その結果、現代の飛行機の設計には、この力を打ち消し、応力集中を減らすための丸みを帯びたコーナーが含まれています。

JoVEの「Introduction to the Fatigue of Metals」をご覧になりました。これで、繰返し荷重の概念と、それが金属の疲労破壊に及ぼす影響について理解できたはずです。

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