I. 金属材料の破損の定義と分類
金属材料の破損とは、使用過程において、さまざまな要因により、金属材料が設計機能または性能要件を満たし続けることができなくなる状態を指します。この破損は、材料の物理的特性の劣化、化学的腐食、機械的損傷など、さまざまな原因によって引き起こされる可能性があります。
骨折: 材料の変形の大きさに応じて、破壊はさらに延性破壊と脆性破壊に分けられます。延性破壊は、発生する前にかなりの変形過程を経ますが、脆性破壊は突然発生する傾向があり、明らかな変形量がなく、そのためより大きな破壊力を引き起こします。一般的な破壊の種類には、疲労破壊と静荷重破壊も含まれます。疲労破壊は、長時間の応力サイクル操作下での材料の破壊によるもので、静荷重破壊は、静的な負荷下で発生します。
消耗:摩耗は、鋳物が高速、振動、過負荷などの動作条件で、機械表面間の仕事と仕事の間の摩擦によって材料の摩耗を引き起こし、材料の破損を引き起こします。摩耗は、研磨摩耗、凝着摩耗、疲労摩耗、腐食摩耗、または微動摩耗など、さまざまなタイプに分類できます。機械では、研磨摩耗は最も一般的な摩耗形態の1つです。
腐食：腐食とは、金属材料が周囲の媒体と接触したときに発生する化学反応または電気化学反応であり、材料特性の低下または破壊を引き起こします。腐食は、全体腐食と局部腐食に分けられますが、局部腐食の方が一般的で、応力腐食、細孔腐食、粒界腐食など、さまざまな種類があります。
金属材料の故障は製品の有効性を低下させるだけでなく、人員の安全にも脅威を与える可能性があります。したがって、金属材料の故障分析は、故障の原因を特定し、製品の品質と競争力を向上させるための効果的な解決策を提案できるため、非常に重要です。
II. 金属材料の破損原因
1. 材料の内部欠陥
収縮と緩み
定義: 収縮とは、金属が凝縮する過程で体積が収縮し、インゴットまたは鋳造中心部に管状 (またはフレア状) または散在した穴が形成されることです。緩い急速冷却条件では大きな収縮穴は避けられますが、液体金属と固体金属の体積差により、依然として金属内に多数の小さな収縮穴が分散します。
影響: 材料の機械的特性が著しく低下し、疲労の原因となって破損につながる可能性があり、材料の耐食性にも影響を及ぼします。
分離
定義: 鋳造品の化学組成が不均一になる現象。微視的偏析 (例: 結晶内偏析) と巨視的偏析 (例: 密度偏析) に分けられます。
影響: 鋳物の性能の不均一化につながり、深刻な場合にはスクラップが発生します。
インクルージョン
定義: マトリックスとの明確な界面を持つ金属または非金属材料。性質に応じて、金属介在物と非金属介在物に分けられます。
影響: 材料の機械的特性に影響を与え、亀裂が発生するリスクが高まります。
バブル
定義: 溶融状態の金属は大量のガスを溶解することができ、凝縮プロセスでは溶解度の低下と金属内部でのガスの放出によりガス泡が形成されます。
影響: 金属鋳造の有効断面積が減少し、材料の強度が低下し、ひび割れが発生する可能性があります。
設計上の欠陥
無理な構造設計：荷重支持部に応力集中部が存在するなど、適切な設計が行われず、故障につながる。
材料の不適切な選択: 材料の選択が適切な基準を満たしていないか、材料の性能を十分に理解していないため、材料が使用要件を満たすことができません。
加工不良
熱処理欠陥
例えば、焼入れ割れ、焼戻し割れなど。
影響: 材料の強度と靭性が低下し、破損のリスクが高まります。
冷間加工成形欠陥
たとえば、研削欠陥、切断欠陥、冷間圧造欠陥などです。
影響: 材料の表面品質と寸法精度に影響を与え、材料の全体的な性能を低下させます。
使用過程における欠陥
過負荷応力: 材料は使用過程で過度の外部応力を受け、変形または破損が生じます。
腐食: 湿気、高温、酸、アルカリなどの過酷な環境では材料が腐食し、性能が低下します。
疲労: 交互荷重の作用下にある材料は、一定期間後に疲労破壊します。
環境要因
温度: 高温環境では、材料が酸化して軟化し、強度と硬度が低下する可能性があります。
媒体: 特定の媒体環境により、材料の腐食プロセスが加速される可能性があります。
湿度: 空気中の水分が多すぎると、素材が水分を吸収し、膨張、反り、さらにはカビの発生につながる可能性があります。これは特に電子部品に悪影響を及ぼし、湿気によってショートや永久的な損傷が発生する場合があります。
UV 曝露: 太陽光からの紫外線 (UV) に長時間曝露すると、多くの材料が劣化し、脆くなり、色や構造の完全性が失われます。これは、プラスチック、塗料、繊維に特に当てはまります。
化学物質への暴露: 強力な化学物質との接触は、材料の溶解、変色、化学分解など、さまざまな反応を引き起こす可能性があります。これは、材料が酸、塩基、溶剤、またはその他の反応性物質と接触する可能性のある産業環境では一般的な問題です。
