形状不連続部の微小疲労き裂開閉口挙動の解明と高精度疲労寿命予測

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K04082
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 西川 嗣彬 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, 主任研究員 (20771843)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 疲労 / 微小疲労き裂 / 画像相関法 / 破壊力学

Outline of Annual Research Achievements

力の繰返しによって起こる金属の疲労破壊は、現在でも様々な機器の主要な破損原因の一つであり、その防止は安全性と経済性の両面において重要である。金属疲労は、力の繰返しに伴い、ミクロなき裂が発生し、徐々に成長することによって起こる。また、この疲労き裂は、切欠き底のような応力の集中する形状不連続部に発生する。したがって、機器の疲労寿命を理解する上では、切欠き底で発生したき裂の成長挙動を把握、予測することが重要となる。しかしながら、表面観察に頼る従来の方法では、発生したき裂の材料内部に向かう成長挙動を把握することが困難であったため、切欠き部におけるミクロな疲労き裂の挙動はほとんど調べられてこなかった。
本研究は、顕微鏡画像だけでなく、画像相関法を活用することで、切欠き底におけるミクロな疲労き裂の成長挙動の把握を可能にするものである。１９年度には、疲労試験片の狭隘な切欠き底を、デジタルマイクロスコープによる連続観察と画像相関法を用いることにより、き裂の開口変位を高精度に実測することに成功し、従来難しかった切欠き底における微視的なき裂の成長挙動を把握することを可能にした。２０年度には、切欠き形状、材料の強度レベル、材料の微視組織を変えた複数の種類の試験片を作製し、切欠き底における微視的な疲労き裂の成長データの取得を行った。これらの技術とデータを活用することで、切欠き底における微小なき裂の成長速度の予測が可能となり、形状不連続部の疲労寿命予測の高精度化に繋がることが期待できる。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

１９年度には切欠きを有する試験片の疲労試験を行って、切欠き底におけるミクロな疲労き裂の発生・成長挙動を顕微鏡により連続観察する手法を確立するとともに、画像相関法により実測するき裂開口変位が、き裂成長評価のパラメータとして利用出来ることを実証することに成功しており、順調に進捗していた。
２０年度は、コロナ過の影響により出勤が制限されたり、加工業者等とのやり取りがスムーズに行えない時期があったため、予定していた試験の一部に遅れが生じた。

Strategy for Future Research Activity

本研究の最終目標は、切欠き底の疲労き裂成長挙動を予測するための力学モデルの構築である。１９年度には、この研究の骨格となる計測手法のアイデアの検証を完了した。２０年度には、確立した計測方法、評価方法を活用して、切欠き形状、材料の強度レベル、材料の微視組織を変えた複数の種類の試験片を作製し疲労き裂成長データの取得を行った。
今年度は、切欠き試験片の疲労データを拡充するとともに、取得したデータベースを詳細に分析することで、破壊力学に基づく寿命予測モデルの構築を目指す。なお、コロナ過の業務への影響は、最近は最小限となっているため、２０年度に生じた進捗の遅れも問題無く取り戻せる見込みである。

Causes of Carryover

コロナ過の影響で業務や加工業者とのやり取り等に支障が生じていた時期があったことで、一部予定していた試験を先送りすることにしたため。繰越し額は、２１年度に先送りした試験片の加工費に充てる予定である。