導入
疲労は、時間の経過とともに変化する応力または変形の作用下で材料の局所的な特性を変化させ、亀裂の形成や場合によっては構造の破壊を引き起こすプロセス (メカニズムの連続) です。疲労は、材料の引張強さよりもはるかに低い応力変動範囲によって特に特徴付けられます。疲労の主な段階は、亀裂の発生 (材料に欠陥がまだ存在していない場合)、亀裂の伝播、および最終的な破損です。構造物の疲労挙動、つまり破壊までのサイクル数を予測するためによく使用されるパラメータは、この応力 (荷重または加えられた変形) の振幅、その平均値、表面仕上げ、および構造物が置かれる環境です。使用済み。
機構
単調応力 (引張試験を参照) が滑らかな延性金属試験片 (応力場がほぼ均一) にかかると、試験片は弾性限界と呼ばれる応力値から、塑性変形によって不可逆的に変形し始めます。従来の限界値（残留変形量0.2％として定義）よりもはるかに低い耐久限界があります。耐久限界を超えて負荷を繰り返すと、試験片が損傷します。
応力場が任意である構造を解析する場合、そのさまざまな劣化モードを調査する必要があります。
- 静的破壊または1/4サイクルでの破壊。
- その後の操作を妨げる可能性がある場合は、永久変形が発生します。
- 低サイクル疲労での破損、50,000 サイクル未満で破損につながる負荷の場合
- 50,000 サイクルを超える従来の疲労。
これらのさまざまな故障モードは、振幅が減少する負荷に対応します。
疲労損傷は主に交互応力が最も強い領域、つまり応力が集中する領域 (穴、ノッチなど) で発生します。
破断面を顕微鏡で観察すると、典型的な外観が得られます。各応力での亀裂の伝播に対応するほぼ平行な縞模様が見られ、次に最終的な破断に対応する引き裂きゾーンが見られます。
亀裂発生時の寿命は、亀裂が進展するまでの寿命に比べてかなり長いことがよくあります。平滑な試料の場合、伝播寿命は短くなります。一方、構造の場合、伝播部分が重要になる場合があります。したがって、次の 2 つのフェーズを区別します。
- 材料が検出不可能な方法で損傷を受ける開始段階。
耐用年数は、多くの場合、最小限の材料特性を適切に選択して、構造の検出可能な亀裂の開始時点で定義されます。
- 亀裂伝播段階では、破断前に検査を行うことができます。
これは破壊力学の領域です。
亀裂の伝播の法則
マテリアルには特異点が存在する可能性があり、その起源は 2 つあります。
- 初期の製造上の欠陥
- 疲労による亀裂の発生が検出可能。
それは、その寸法aとその形状によって特徴付けられます。
この亀裂は伝播するため、荷重が限界寸法a cまで変化する場合、 a は増加します。
パリ法は、その普及を管理する最も単純な法律です。させて
- N はサイクル数です。
- ΔK 応力拡大係数の変化。
- K、C、 m係数は材料に応じて異なります。
我々は持っています
- $$ {\frac {\mathrm{d}a} {\mathrm{d}\mathrm{N}} = \mathrm{C} (\Delta \mathrm{K})^m} $$
その臨界寸法a c は材料 K ICの特性である靭性に関連しており、構造の脆性破壊につながります。
- $$ {\mathrm{K_{IC}} = \mathrm{F} \times \sigma \times \sqrt{\pi \times a_{\mathrm{c}}}} $$
ここで、σ は亀裂に垂直な方向の有効応力、F は形状係数です。
