金属の疲労

ソース: ロベルト ・ レオン、ブラックスバーグ, バージニア バージニア工科大学土木環境工学科

土木インフラ プロジェクトの金属疲労の勉強の重要性によってもたらされたスポット ライトに銀橋の崩壊ポイント プレザント、1967 年にウェスト バージニア州。オハイオ州川に架かる eyebar チェーン、サスペンションの橋崩壊夕方のラッシュアワーの間に小さい 0.1 インチ欠陥を持つ単一 eyebar の失敗の結果として 46 人が死亡します。欠陥繰返し条件と脆性崩壊の原因に失敗した後の重要な長さに達した。このイベントは、ブリッジ エンジニアの方々 の注目を集めて、テストと金属疲労を監視の重要性を強調しました。

通常のサービス条件下で材料はサービス (または毎日) 負荷の多数の適用を受けることが。これらの負荷は、通常構造の終局耐力の 30-40% ではせいぜい。しかし、終局耐力をはるかに下回る大きさで、繰り返し荷重の発生後、材料は疲労破壊と呼ばれるものを体験できます。疲労破壊は突然、重要な事前の変形が生じる、き裂成長と急速な伝播リンクされます。疲労は疲労抵抗 (表 1) に影響を与える多くの要因の複雑なプロセスです。この複雑さは、橋梁、クレーン、車両や航空機のほぼすべての種類など繰り返し荷重を受ける構造物の日常的かつ徹底的な検査のため不可欠な必要性を強調します。

表 1。疲労に影響する要因

疲労き裂は通常高 2 軸または 3 軸の応力集中、鋼橋が 3 つの軸引張力を受ける溶接どこにダイヤフラムの発生するものなどの点で、材料の表面で開始します。

金属疲労き裂を金属のすべり面を開始する既存の表面欠陥または欠陥のサイトでわずかに移動すると開始します。き裂進展は当初、非常に遅くなります。亀裂は、通常せん断、しかし、最終的にオフになり、主引張応力に垂直に成長するため法線方向の応力に対して角度が開始されます。疲労き裂が引張を伝達またはないせん断応力、圧縮応力下で。亀裂重要な長さに達すると、亀裂伝播音速の速さで、突発欠損が発生します。開口部閉鎖と同様、鈍化と疲労破面におけるき裂先端生成特性「ビーチマーク」のシャープ潮は潮が遠ざかるとビーチの葉に似ています。粗い表面は、材料が実際に骨折を生産されています。

工学的レベルで疲労破壊を議論するとき、考慮する 2 つの重要なキーの用語があります。

1サイクル (N) - 数は最大値と最小のストレス障害が発生するまでの間のツアーの数として定義。

2 最大値と最小応力の差として定義されている(S または σ_SR) - 応力範囲。

疲労破壊は従来 2 つのカテゴリに定義されている: 高サイクル、低応力、低サイクル、高ストレス。高サイクルは一般的にサイクルの少なくとも数万を示し、低サイクルが 100 未満のサイクルを指します。低、高応力それぞれ研究下の部分が (すなわち、かどうか材料の弾性限界を超えると)、弾性または非弾性変形を受けるかどうかを参照してください。高サイクル機械・機器部品を移動または移動橋やクレーンなどの荷重が構造の低応力が発生します。その一方で、地震や大規模な非弾性応力が以下の 10 サイクルの発生する同様の状況低サイクル、高ストレス疲労が発生します。低サイクル、高応力範囲場合時々 ペーパー クリップの脚の前後に曲げによって示されています。通常かからないを破壊するクリップの 90 度曲げの 10 サイクル。このモジュールでは、低駆動機構として高サイクル、低応力疲労述べるのみと延性材料の高サイクル疲労破壊が根本的に異なる。金属材料の疲労破壊のこのタイプをテストするため我々 は回転ビーム試験が実施されます。疲労寿命は通常 (サイクルのNアンバー対Sトレス範囲) の S-N カーブによって特徴付けられます。作用応力範囲が増加すると、失敗する回数が減少します。個別荷重条件を与えられた材料の疲労寿命は異なります。いくつかの材料、耐久限度またはサイクルの数に関係なく発生しません失敗疲労下応力範囲お越しの木材やコンクリートなどの他の材料は耐久性限度を示さないに対し。ほとんどの金属、合金鉄は、サイクル数後耐久限度を経験しないでください。

疲労設計 N_d、期待される何百万も与えられた応力範囲の負荷サイクルの面で多くの場合は構造体の一生の間にサイクル数をチェックが必要です。サイクルと応力範囲の数は簡単に正弦波および励起ソースが回転部分 (図 1 a) 装備の場合は周期として特徴付けられます。ただし、ほとんどの読み込み履歴は実際の生活でランダムで特性の非常に難しいです。図 1 b は、橋については、典型的な負荷履歴を示します。この場合、それは特徴付ける、にくい応力範囲だけが、またサイクル数ではありません。それを通過する毎分 5 トラックの平均は、州間高速道路の橋を検討してください。50 年の期待寿命、約 1 億 3000 万サイクルがあるでしょうが、明らかに予測と将来的にトラック交通を外挿するのかなりの不確実性があります。同様に、トラックの重量および車軸の分布に基づく応力範囲も予測する非常に困難です。

図 1: 周期、不規則荷重履歴: a. 周期強制強制関数、b. ランダム関数 c. レインフロー カウントします。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

ランダム荷重履歴を相当に変換するには、動作をモデル化する定期的なもの、マイナーのルールなどの簡単な技術のセットが用いられます。マイナー則 (式 1) とも呼ばれるレインフロー カウントは累積損傷と同様、寿命、応力振幅の両方の変化を占めています。図 1 b に示す例のように、ランダムな荷重履歴を変換する式 1 を適切に利用する 1 つは応力範囲の数に信号が分割されます (□_{スリランカ})。応力範囲ごとに、1 つはほぼこの応力の範囲で発生する S-N カーブの応力範囲で (N_私) 失敗するサイクル数で割るサイクル (n_i) の数をカウントします。図 1 c に図 1 b のデータ計算の例を示します。左の端に 30 ksi の応力範囲が表示されます。我々 は 30 ksi を呼び出す場合 = □_SR1、 6 サイクルがあります (または n₁ = 6、赤い矢印でマークされた) □ で_SR1我々 は次の先頭に 1 つの周期の底から測定する場合。さらに、25 の ksi の 5 つがあります (それに □ を呼び出す_{sr2 で})、20 ksi の 4 (□_SR3)、15 ksi で 3 (□_SR4)、10 ksi の 4 (□_SR5) および 2 つ 5 ksi の (□_SR6)。すべてのストレス範囲上の合計が 1 より小さい場合、値が 1 より大きい場合、1 つは橋の疲労破壊を見ると期待に対し、橋が疲労破壊は発生しませんする予定です。一方、この方法は非常に洗練された、いくつかの深刻な理論的限界、それにもかかわらず有用なアプローチも非常に複雑な問題を表します。

(1)

非常に大きな障害に到達するために必要なサイクル数を考えると、疲労のテスト、困難な作業をすることができます。この問題へのシンプルかつ強力なアプローチは、標本はその両端でサポートされている 3 点 (4 点曲げ構成) で 2 つの点荷重を受けるし、回転せず一定の瞬間があるので回転ビームのテストを使用するには供試体の中央 3 分の 1 にせん。それぞれの革命の間に試料周期的載荷履歴 (図 1 a) の正弦波の文字を並列接続における張力 (+) から完全圧縮 (-) への移行が行われます。回転/分 (rpm) 許可サイクルと比較的短時間で実行するテストの数百万の何百もを実行することができますモータの使用。

はるかに科学的な標準亀裂スターターまたは欠陥を含んでいるので、高度なと非常に正確である疲労き裂をテストするための代替のセットアップがある回転のビーム試験では、疲労破壊を測定する簡易法ですが、時間とき裂のサイズを監視する計測器。残念ながら、このタイプの実験は高度技術と供試体要件を加工困難なのために実行する非常に高価です。

前述したように、初期き裂進展が金属で非常に遅いです。ただし、いくつかの点で亀裂を最終的な失敗の結果、増加率で成長を開始します。適切な土木設計の鍵は、瞬時の失敗の前にこれらのひびをキャッチすることです。疲労設計はフォルト ・ トレラント設計、存在の最初の亀裂があることをこれらの亀裂が成長することを前提としている概念を前提と。壊滅的な疲労損傷を防ぐためには、定期的な検査が実施、構造年齢として増加する注意と。アイデアは亀裂が、それがインスペクターに表示されますサイズに達する時間でいくつかの時点でします。検査官は最初に亀裂を見落とす可能性がありますが、概念は検査の十分な数が発生という時間の間亀裂が見えるようになるとき、およびその重要なサイズに達する亀裂を逃してはならないように。臨界の大きさは、亀裂幅、亀裂成長が不安定になり、音の速度で伝播する亀裂を開始です。プログラムは連邦レベルで提起されたように州連帯システムですべてのブリッジ検査ごとに、少なくとも 2 年間、ポイント ・ プレザント橋の余波を受けて崩壊します。既存と知られている亀裂問題で橋がはるかに頻繁に監視 (6 ヶ月間に多くの場合またはそれ以下) の修理が必要な場合を決定するために。ただし、このプログラムは、多くの橋の整合性を守ることで役立っている、このプログラム手伝わなかったかもしれないポイント ・ プレザント橋の場合目のバーの接続、それがないされている内面のいずれかで開始障害としてインスペクターに表示されます。一般的には、同様の災害を避けるためにサービスから簡単に検査していないブリッジ型取りし、新しい橋は、簡単に検査が重要な詳細と設計されています。

このロジックに続いてエンジニアも採用してフォールト トレラント設計だけでなく構築する際、橋もヘリコプターおよび他の航空機と同様、車やトラックの設計疲労、回転を与え破壊に非常に敏感なすべてのこれらの構造、高回転域ではエンジンの動き。

1. 5 A572 グレード試験片寸法と使用されている Moore 回転ビーム マシンの適切なコンピューターの構成を取得します。この場合の最小直径 0.50 インチ長いと 0.04 インチ長いと小さな直径 0.15 インチ ハイネックで 2.40 の標本に回転片持ちセットアップをします。
2. 供試体寸法とマシンの構成は、曲げ応力範囲 ± 75%、± 60%、± 45%、± 30% と低い応力をゼロ応力として取る場合は使用材料の公称の降伏応力の ± 15% を生産するために必要な重量を計算します。この実験に使用する A572 級鋼 F_y = 50 ksi 応力範囲の各テスト 1 つの標本。± ± 15% のストレス怒り対応 (0.15 * 50 ksi) へ ± 7.5 ksi を =。多くのより多くの標本は、統計的に有効なデータを取得するには、各応力範囲でテストする必要があります。
3. 機械に最初の標本をマウントします。この場合梁の中央付近にハイネックのセクションを挿入して、その重心を中心に回転ビームに慎重に合わせますしなければ。片試験片は、一連の温泉とロードセルによって値を監視によって生成されるポイントの負荷を使用して先端に読み込まれます。力を常に、下向きビームが回転するベアリングを通した荷重です。マシン速度は 1400 rpm に設定されて、サイクル カウンターは、ゼロに設定、テストが開始されました。速度、試験片寸法と応力試験機によって異なります。
4. 試料が失敗するまで待機し、失敗するサイクル数を記録します。
5. 他の標本に対して繰り返します。

応力サイクルの数と範囲の観点から、最終的な結果をする必要があります (表 2) を集計し、プロットすると、図 2 に示すよう。標本の実際の降伏応力は 65.3 ksi とその引張強さは 87.4 ksi ので、ストレスはここで示されている範囲は 23% と収量の 92% の間に対応します。

表 2。典型的な結果

データは、約 100,000 のサイクル数の応力範囲を超える 15 ksi 応力範囲とサイクル数のログの減少の線形関係があるを示しています。最良フィット ラインは、その後、破壊までの周期数が約 31,000 25 ksi の応力範囲を示します。15 ksi の応力範囲、下障害は示されません。これは耐久限度を考慮されます。10 ksi と 20 ksi 以上の標本をテストにより、耐久限度の信頼性を向上できます。

図 2:結果 S-N 曲線。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

N_maxを見つけることによって破壊までの周期を計算するのにマイナー則を使用できる場合は橋の載荷履歴は数サイクル (N_exp) と圧力範囲 (SR) (表 3) から成ると仮定され、我々 は材料の疲労現象を知っている、図 2 ですべての応力範囲の間で、N_exp/N_maxの集計グラフ。

表 3。マイナー則の計算

達の扇動、期待どおり被害の累積影響ははるかに大きいがある高い応力範囲。構造設計疲労生活能力値として近くには 1.0 に近いようであります。

疲労損傷は大型トラックによって読み込まれている橋などの繰返し荷重を受ける構造体で共通です。 このエラーの種類は、大きな応力集中や多軸応力の領域で既存の微小き裂の成長によるものです。初期き裂成長は非常に遅いですが、時間とともに加速、最終的に到達後、亀裂伝播音と失敗の速度で重要なサイズに発生します。 疲労挙動を支配する主要パラメーターは、サイクルと応力範囲の数です。このテストでは、回転ビーム機は小さな丸いビーム引張りおよび圧縮の交互サイクルの数が多いを課すことを使われました。 その結果, S-N 曲線の一般的な傾向だけでなく、このタイプのテストから期待される重要な散布。

飛行機エンジニア コメット旅客機の有名な障害を理解を助け疲労破壊を勉強します。デ ハビランド社は 1952 年に彗星旅客機を建てし、東京からロンドンへの飛行時間を半減、時間を最も先進的な旅客機をつくること。それは、この速度を達成するために比較的高い高度で飛んだ、従って加圧する初のジェット旅客機だった。3 つの航空会社は、2 年間の短いスパンで飛行中爆発した後、エンジニアはエラーの原因を判断すると起訴されました。通常の使用条件の効果をテストするため、彼らは旅客機の胴体を取り、加圧と解消加圧をシミュレートするためにプールに浸漬します。エンジニアは、その失敗をかけて疲労窓の四隅に応力集中により繰り返された荷重条件を決定しました。結果として、現代航空機の設計にはこの力に対抗し、応力集中緩和ラウンド コーナーが含まれています。デ ハビランド社は、この安全性の問題を扱っていた、一方、ボーイングはそのボーイング 707 旅客機、航空機の非常に成功したシリーズの最初の開発にこのレッスンから学んだ。ボーイングは栄え、今飛行機世界中の大手メーカーです。今日、多数の繰返しを受けるすべての製品の開発に成功は広範な解析的・実験的作業疲労を特徴付ける、厳格な検査の実施に加え計画を必要があります。フォールト トレラント設計概念を採用しています。

疲労破壊の別の例は、1997 年にブランディ ワイン川の橋で発生しました。重大な亀裂は、デラウェア州のブランディ ワイン川に架かるこの I-95 の橋の上最近発見されました。鋼鈑桁橋は、ウィルミントンのダウンタウンのすぐ北の交通の六つの車線を運ぶ。亀裂は、橋の主要なスパンの中間スパンに筋梁に位置していた。全体の下部フランジは、上フランジの 0.3 メートル以内に上向きに伸びる亀裂とフラクチャされました。この場合、下の歩道にジョガー障害の証拠を見た後当局に警告しました。 鼻隠し梁の負荷が橋が多く追加梁 (すなわち、その荷重パスで展示冗長性) を持っていたので、幸いにも、致命的なエラー避けた。