金属の割れは、多くの要因が絡み合った複雑なプロセスです。主な原因は次のとおりです。
- 材料自体の要因: 化学組成と金属組織は金属の衝撃靭性に直接影響します。たとえば、炭素、リン、硫黄などの元素が増加すると、衝撃靭性が低下します。
- 熱処理プロセス: 焼入れ、焼戻しなどの不適切な熱処理プロセスは、材料の微細構造と特性の変化につながり、靭性に影響を与える可能性があります。
- 内部欠陥: 材料内の介在物、偏析、気泡、内部亀裂などの欠陥により、衝撃靭性が著しく低下し、応力集中点になります。
- 試験片の準備と試験条件：試験片のサンプリング方向、ノッチの形状と加工品質、試験温度などが衝撃靭性に影響を与えます。
金属の亀裂は、多くの構造物、特に高応力や高負荷を受ける部品の破損の主な原因の 1 つです。亀裂解析により、潜在的な亀裂の問題を適時に検出できるため、破損、漏洩、崩壊などの構造破損による安全事故を回避できます。
ひび割れ解析は、ひび割れの原因、拡大速度、残存寿命を把握するのに役立ちます。適切な修理やメンテナンス対策を講じることで、ひび割れの拡大を遅らせることができ、金属部品の耐用年数を延ばし、交換や修理のコストを削減できます。
金属のひび割れの分類と違い
熱処理によるひび割れ
特徴:
形態: 熱処理による亀裂はマルテンサイト変態領域で発生することが多く、その亀裂は結晶に沿って亀裂が生じる場合もあれば、結晶を貫通して亀裂が生じる場合もあります。亀裂は放射状、個別の線状、または網状になる場合があります。
場所: 亀裂は通常、ワークピースの鋭い角、断面の急激な変化部分に発生する傾向があります。
断面: 焼入れ割れの断面は通常は酸化されておらず、白色、鈍い白色、または淡赤色 (焼入れによって生じた水さび) になることがあります。
原因:
焼入れ中に発生する大きな応力が材料自体の強度よりも大きく、塑性変形限界を超えると、割れが発生します。
これは、焼入れ加熱温度が高すぎる、冷却が急速すぎるなどの要因に関連している可能性があります。
熱処理割れの原因
a. 材料の冶金品質:
収縮や重大な圧延欠陥などの冶金上の問題により、材料の不均一性が生じ、焼入れ割れのリスクが高まります。
b. 材料の炭素含有量と合金元素: 炭素含有量が増加すると、マルテンサイトの破壊強度が低下し、焼入れ割れが発生しやすくなります。
c. 焼入れプロセス条件:
焼入れ加熱方法と加熱速度の不適切な制御、加熱の不均一、焼入れ温度が高すぎると、焼割れが発生する可能性があります。
d. ワークピースのサイズと形状:
ワークピースの鋭い角や断面の急激な変化部では、応力が集中しやすいため、焼入れ割れが発生しやすくなります。大きなシャフト部品は焼入れしないと、熱応力による割れが発生しやすくなります。
e. 内部欠陥:
材料内部に存在する気泡、介在物、ヘアライン、白斑などの欠陥は、熱処理応力の作用により亀裂の原因となり、徐々に拡大する可能性があります。
f. マルテンサイト固有の脆さ:
マルテンサイトの固有の脆さが焼割れの内部原因であり、その結晶構造、化学組成、冶金的欠陥などがそれに影響を与えます。
鍛造の亀裂
特徴:
形態：鍛造亀裂は高温で形成され、亀裂は比較的厚く、通常は複数の帯状の形で存在し、先端は細くなく、方向も細くありません。亀裂の周囲は完全に脱炭されず、半脱炭されている場合もあります。
発生場所: 多くの場合、粗大組織、応力集中、または合金元素の偏析時に発生します。
断面：亀裂断面は暗褐色になり、酸素皮膜が現れることもありますが、これは鍛造中に亀裂が変形して膨張し、空気と接触したためです。
原因： a、原材料の欠陥：残留収縮：原材料に気孔や穴の閉鎖が不完全な場合、鍛造工程で材料の強度が低下し、亀裂が生じやすくなります。
b、鋼介在物：原料中の非金属介在物、炭化物偏析、異質金属介在物などにより、材料の連続性が弱まり、亀裂の形成が促進される可能性があります。
不適切な鍛造工程:
c、不適切な加熱：加熱温度が高すぎたり低すぎたりすると、材料内の応力が不均一に分散され、鍛造中に亀裂が生じる可能性があります。
d、不適切な変形：変形率が大きすぎると、鋼の可塑性が形状の圧力に耐えるのに十分ではなく、破裂を引き起こしやすくなります。この亀裂は、鍛造段階の初期に発生し、急速に膨張することがよくあります。
e、鍛造後の不適切な冷却：冷却速度が速すぎたり遅すぎたりすると、材料に内部応力が集中し、亀裂が発生する可能性があります。
f、適時に熱処理が行われていない：鍛造後に適時に適切な熱処理が行われないと、材料の内部応力が効果的に解放されず、割れが発生するリスクが高まります。
g、不適切な温度管理：
加熱および冷却プロセスでは、温度が適切に制御されていないと、材料に過度の内部応力が生じ、割れが発生する可能性があります。たとえば、焼入れプロセスでは、冷却が速すぎると、焼入れ割れが発生する可能性があります。
h. 材料の応力集中:
鍛造品に鋭角部や断面の変形部など応力集中部がある場合、その応力が材料の耐力を超えると割れが生じることがあります。
