金属疲労破壊には、他のタイプの金属破壊破壊と同様に、破壊プロセスに関する豊富な情報が含まれます。これにより、亀裂がどこで発生し、どのように伝播し、最終的にどのように亀裂が生じたのかについての手がかりが得られます。破断面の形態は、材料特性、応力条件、応力レベル、環境要因などの要因によって影響されます。したがって、疲労破壊解析は疲労破壊を研究するための重要な方法の 1 つです。
典型的な疲労破壊は、通常、疲労起点、疲労伝播ゾーン、最終破壊ゾーンの 3 つの領域で構成されます。図 1 を参照してください。
図1
疲労の原因
疲労起点とは、疲労亀裂が始まる領域です。これは、表面の傷、機械的損傷、腐食ピット、突然の断面変化の領域、亀裂、脆性介在物、偏析、多孔性などの内部冶金学的欠陥など、コンポーネントの弱点に発生することがよくあります。
疲労破面には 1 つまたは複数の疲労起点が存在する場合があります。たとえば、繰り返し曲げる場合、曲げ疲労の原因が 2 つある可能性があり、腐食環境では腐食疲労により複数の原因が発生する可能性があります。
応力集中係数または交番応力のレベルが高くなるほど、破面上の疲労起点の数が多くなります。図 2 は、複数起点の疲労破壊を示しています。
図2
疲労亀裂伝播域
このゾーンは未臨界亀裂伝播領域であり、破断面の中で最も複雑で情報が豊富な領域です。このゾーンの特徴は、骨折が疲労の結果であるかどうかを判断する上で重要です。最も一般的な特徴は、低倍率で見える「ビーチ マーク」と、高倍率で見える疲労縞 (疲労伝播マーキングとも呼ばれる) の存在です。ただし、一部の破面にはこれらの特徴が欠けており、代わりに滑らかで磨かれたセラミックのような特徴、押し出し変形の兆候、またはタイヤのような痕跡などが示される場合があります。疲労伝播の縞模様を図 3 に示します。
図3
3.ファイナルフラクチャーゾーン
この領域では、亀裂が急速に不安定に伝播します。準安定亀裂の成長段階では、疲労亀裂は応力サイクルごとに徐々に拡大しますが、成長速度は比較的遅く、より一貫した予測可能なパターンに従います。ただし、亀裂が臨界サイズに達すると急速に加速し、最終的な破壊につながります。このゾーンは、安定した亀裂の成長から急速な破壊への移行を示します。
亀裂の長さが増加し続け、臨界サイズ c に達すると、亀裂先端での応力集中が材料の破壊強度を超えるほど大きくなります。この時点で、亀裂は不安定になり、急速に広がります。亀裂の前面にある無傷の部分はほぼ瞬時に破壊されます。
最終破砕帯の破面は比較的粗く、破断の最後の点を表すため、多くの場合明るい色になります。この領域の破壊は基本的に静荷重破壊と同様です。脆性材料の場合、微細構造は通常、へき開特徴を示しますが、延性材料の場合、微細構造はディンプル状の破壊特性を示します。
多くの場合、最終破砕帯は疲労起点の反対側に位置します。しかし、材料に回転曲げを加えると、最終破断帯の位置が回転とは逆方向に一定の角度だけ変位します。
