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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
微観的破断面特徴
…Beach Mark clam shell(反覆応力大小変動時)
…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
基本的因子
(1) 最大引張応力
(2) 変動応力
(3) 応力反覆次数
◎ 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
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
Paris law
低週次疲労
極低週次疲労
(Extremely Low Cycle Fatigue)
反覆応力與応変関係
Hysteresis Loop(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
Hysteresis Loop
・・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,
Δ εp= 2εpa 称 塑性応変寛幅。
応力-応変 遅滞曲線
Manson-Coffin式
Manson-Coffin式
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曲線以前,又称呼Wohler曲線
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.
抗拉強度與疲労強度之関係
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(1 Striation=1
Cycle).
↓
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.

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