疲労亀裂は、一般に局所領(lǐng)域での周期的な塑性変形の結(jié)果です。疲労とは、「繰り返し荷重または他の種類の荷重條件下での破損であり、この荷重レベルは、1 回だけ適用された場(chǎng)合には破損を引き起こすのに十分ではない」と定義されています。この塑性変形は、理想的なコンポーネントの理論上の応力が原因ではなく、コンポーネントの表面を?qū)g際に検出できないために発生します。

August W?hler は疲労研究のパイオニアであり、経験的な方法を提唱しています。 1852 年から 1870 年にかけて、ヴェーラーは鉄道の車軸の進(jìn)行性破損を研究しました。彼は、図 1 に示すテスト ベッドを構(gòu)築しました。このテスト ベッドにより、2 つの鉄道車軸を同時(shí)に回転および曲げることができます。 W?hler は公稱応力と故障に至るサイクル數(shù)との関係をプロットしました。これは後に SN ダイアグラムとして知られています。各曲線は今でも w?hler ラインと呼ばれています。 Sn メソッドは、今日でも最も広く使用されているメソッドです。この曲線の典型的な例を図 1 に示します。

w?hler 線を介していくつかの効果を観察できます。まず、遷移點(diǎn) (約 1000 サイクル) より下の SN 曲線は無(wú)効であることに注意してください。これは、ここでの公稱応力が弾塑性であるためです。疲労が塑性せん斷ひずみエネルギーの解放によって引き起こされることを後で示します。そのため、破壊前の応力とひずみには直線関係がなく、使用できません。遷移點(diǎn)と疲労限界の間 (約 107 サイクル) では、Sn ベースの解析が有効です。疲労限度を超えると、曲線の傾きが急激に減少するため、この領(lǐng)域は「無(wú)限壽命」領(lǐng)域と呼ばれることがよくあります。しかし、そうではありません。たとえば、アルミニウム合金の壽命は無(wú)限ではなく、鋼でさえ可変振幅荷重下では壽命が無(wú)限ではありません。

最新の増幅技術(shù)の出現(xiàn)により、人々は疲労亀裂をより詳細(xì)に研究できるようになりました?，F(xiàn)在、疲労亀裂の発生と伝播は 2 つの段階に分けられることがわかっています。初期段階では、亀裂は加えられた荷重に対して約 45 度の角度で (最大せん斷応力線に沿って) 伝播します。粒界を 2 ～ 3 回通過(guò)した後、その方向が変化し、負(fù)荷に対して約 90 度の方向に沿って伸びます。これらの 2 つの段階は、図 2 に示すように、段階 I の亀裂と段階 II の亀裂と呼ばれます。

ステージ I のクラックを高倍率で観察すると、交番応力によって最大せん斷面に沿って連続的なすべり帯が形成されることがわかります。これらのスリップ バンドは、トランプのように前後にスライドするため、表面がでこぼこになります。図 3 に示すように、凹面は最終的に「出芽」クラックを形成します。第 1 段階では、クラックは粒界に到達(dá)するまでこのモードで拡大し、一時(shí)的に停止します。十分なエネルギーが隣接する結(jié)晶に適用されると、プロセスが続行されます。

2 つまたは 3 つの粒界を橫切った後、亀裂の伝播方向はフェーズ II モードに入ります。この段階では、亀裂伝播の物理的特性が変化しています。亀裂自體が応力の流れに対する大きな障害となり、亀裂先端に高い塑性応力集中を引き起こします。図 4 に示すように。すべての段階 I の亀裂が段階 II に発展するわけではないことに注意してください。

ステージ II の伝播メカニズムを理解するには、応力サイクル中の亀裂先端斷面の狀況を考慮する必要があります。図 5 に示すように、疲労サイクルは公稱応力が點(diǎn)「a」にあるときに始まります。応力強(qiáng)度が増加して點(diǎn)「B」を通過(guò)すると、亀裂の先端が開(kāi)き、局所的な塑性せん斷変形が発生し、亀裂が元の金屬の點(diǎn)「C」にまで及ぶことがわかります。引張応力が「d」點(diǎn)を通過(guò)して減少すると、亀裂の先端が閉じることが観察されますが、永久的な塑性変形により、いわゆる「カットライン」と呼ばれる獨(dú)特の鋸歯が殘ります。サイクル全體が「e」ポイントで終了すると、亀裂が「Da」の長(zhǎng)さを増加させ、追加の斷面線を形成したことがわかります。亀裂成長(zhǎng)の範(fàn)囲は、適用された弾塑性亀裂先端歪みの範(fàn)囲に比例することが現(xiàn)在理解されています。サイクル範(fàn)囲が大きいほど、より大きな Da を形成できます。

疲労亀裂進(jìn)展速度に影響する要因

疲労亀裂の成長(zhǎng)速度に対する次のパラメータの影響が研究され、概念的に説明されています。

1せん斷応力

図から、公稱応力の強(qiáng)度が周期的に変化する間に、一定の「量」のせん斷応力が解放されることがわかります。また、応力変化の範(fàn)囲が広いほど、解放されるエネルギーも大きくなります。図 1 に示す SN 曲線から、応力サイクル範(fàn)囲の増加に伴い、疲労壽命が指數(shù)関數(shù)的に減少することがわかります。

2 平均ストレス

平均応力（殘留応力）も疲労破壊率に影響を與える要因です。概念的には、膨張応力がフェーズ II の亀裂に適用されると、亀裂が強(qiáng)制的に開(kāi)かれるため、応力サイクルはより重要な影響を及ぼします。反対に、平均的な圧縮応力が適用されると、亀裂は強(qiáng)制的に閉じられ、亀裂が拡大し続ける前に、応力サイクルが圧縮前の応力に打ち勝つ必要があります。同様の概念がステージ I のクラックにも適用されます。

3面仕上げ

疲労亀裂は通常、欠陥のある部品の表面に最初に現(xiàn)れるため、表面の品質(zhì)が亀裂の発生確率に大きく影響します。ほとんどの材料試験サンプルは鏡面仕上げですが、最高の疲労壽命も実現(xiàn)します。実際、ほとんどのコンポーネントはサンプルと比較できないため、疲労特性を変更する必要があります。表面仕上げは、低振幅応力サイクルにさらされるコンポーネントの疲労に大きな影響を與えます。

4 表面処理

表面処理は、コンポーネントの耐疲労性を高めるために使用できます。表面処理の目的は、表面に殘留圧縮応力を形成することです。低振幅期間では、表面の応力は明らかに低く、圧縮狀態(tài)を維持しています。したがって、疲労壽命を大幅に延ばすことができます。ただし、指摘したように、この狀況は、振幅の小さい応力サイクルを受けるコンポーネントにのみ有効です。高振幅期間を適用すると、事前圧縮は高振幅期間によって克服され、その利點(diǎn)が失われます。表面品質(zhì)と同様に、表面処理の影響はモデリングによって示すことができます。