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Chapter 9 Fatigue of Engineering Materials. 疲労破壊 一定荷重下規則的反覆作用、或負荷以不規則変動時、産生之破壊機構。. ◎ 破壊方式 長期間負載動態荷重時 並無任何前兆、突然発生。 ◎ 反覆荷重所生之応力 比降伏応力更低之応力下、発生疲労破壊。 ◎ 破壊事故原因 約 80 ~ 90% 為 疲労 。. 疲労 (fatigue) 概論 ・疲労現象最早成為問題是在産業革命時期、蒸気火車車軸折損事故。 ・最初之系統的実験、是 1852 ~ 1970 年、 August Wohler 的実験である。
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Chapter 9 Fatigue of Engineering Materials 疲労破壊 一定荷重下規則的反覆作用、或負荷以不規則変動時、産生之破壊機構。 ◎ 破壊方式 長期間負載動態荷重時 並無任何前兆、突然発生。 ◎ 反覆荷重所生之応力 比降伏応力更低之応力下、発生疲労破壊。 ◎ 破壊事故原因 約80~90%為疲労。
疲労(fatigue) 概論 ・疲労現象最早成為問題是在産業革命時期、蒸気火車車軸折損事故。 ・最初之系統的実験、是1852~1970年、August Wohler的実験である。 (S-N曲線以前、称呼Wohler曲線) ・100年経過後之現在、事故原因的80%左右也是因疲労而起。 其理由、 ①疲労破壊直前、常常部材・部品並不産生大変形、事故後才開始了解疲労的進行。 ②航空機或鉄道車両等重要部品以外、非常少定期検査。 ③設計者対疲労相関知識不足。 ④現在因成本為重的開発、因此非常少有充分的実証実験(実機試験)等
疲労現象與疲労破断面 疲労破壊特徴 (1)起点 … 零件之表面付近 応力集中源 (切口、鋭角、溝槽、非金属介在物) (2)裂縫進展 … 疲労裂縫発生後、沿最大応力面 一対之破断面相当平滑、 巨観的塑性変形幾乎不産生。 巨観的破断面特徴 …BeachMarkclam shell(反覆応力大小変動時) 微観的破断面特徴 …Striation (條紋状模様)+ fibrous area 其他、破断面特徴 …裂縫成長使断面積減少 荷重無法負担、延性破壊 破断面上、比較粗的部分残留。
Spacing between two striations is a function of stress amplitude.
疲労破壊及其因子 ◎ 其他原因 ・ 応力集中 ・ 腐食或高温等環境 ・ 組合之応力 ・ 過大応力 ・ 残留応力 ・ 冶金学的組織 基本的因子 (1) 最大引張応力 (2) 変動応力 (3) 応力反覆次数
疲労試験與試験機 : stress range (応力範囲)
懸肘式旋転彎曲疲労試験機 旋転彎曲疲労試験機
low cycle fatigue test high cycle fatigue test
低週次疲労 反覆応力與応変関係 極低週次疲労 (Extremely Low Cycle Fatigue) HysteresisLoop(後述) σa; 高応力値 (塑性変形之反覆) 疲労寿命短 高温環境下使用 原動機等設計 熱応変之反覆 ・ 原子炉圧力容器 ・ 蒸気鍋炉
HysteresisLoop ・・高応力下、伴随塑性応変之一定負荷反覆時之応力‐応変関係
低週次疲労(low cycle fatigue) ・破断反覆次数104次以下之領域. ・応力在降伏応力以上,産生塑性変形,形成図示之遅滞. ・全応変εa,弾性応変εea與塑性応変εpa間、有以下之関係. Δε=2 εa 称応変寛幅, Δεp= 2εpa 称塑性応変寛幅。 応力-応変 遅滞曲線
高週次疲労(high-cycle fatigue) 疲労破断反覆次数在107次以上之領域 応力状態之表示 正弦波状之応力状態, ①平均応力σm與応力振幅(stress amplitude) σa ②最大応力σmax與最小応力σmin之組合. 也有採用応力比(stress ratio)R=σmin/σmax的場合.
S-N曲線之例 疲労強度(fatigue strength):疲労反覆次数在107次之対応強度称呼疲労強度.
P-S-N曲線 ・各応力水準下、一定之破壊概率P 之反覆次数,S-N曲線上図示之線図. ・考慮破断寿命N一定之疲労寿命分布的場合,不論寿命大小,幾乎近似正規分布.
疲労破壊 ・比降伏応力低之反覆応力下所産生之破壊. ・疲労現象分有以下所示2箇段階. 第1段階為裂縫沿最大剪応力方向発生・進展 第2段階為沿垂直応力作用方向進展+剪断分離(最終破壊)
第2段階 裂縫成長到1個晶粒大小左右,裂縫尖端之応力場変大,裂縫進展方向沿垂直応力軸方向改変. ↓ 裂縫尖端反覆鈍化・再鋭化,向裂縫内部進展. 破面呈現striation痕跡(1Striation=1Cycle). ↓ 裂縫進展使得有効断面積減少し,因零件無法承受荷重、最終破断. 疲労裂縫之進展(第2段階) striations
裂縫進展曲線(Crack propagation curve) 第2段階之疲労裂縫進展,裂縫進展速度da/dN可由応力拡大係数幅来表示 疲労裂縫進展曲線呈逆S字形.而且Kmax,Kmin分別為K値之最大値及最小値。 中間領域為安定之裂縫進展領域,裂縫進展速度為 最後破断 右側之高ΔK 領域,Kmax接近材料之破壊靭性値,産生急速破壊.
平均応力越大、裂縫進展速度越大. 使用R=Kmin/Kmax,裂縫進展速度可用下式之Forman 式来表示.