ストレス

図 1 – デ・ハビランド DH 106 コメットは世界初の民間旅客機で、大西洋横断飛行用に設計された与圧キャビンを備えていました。 1954年、就航から約1年半後、3機の彗星が飛行中に分裂し、乗客と乗組員が死亡した。 事故後、キャビン内を水タンク内で繰り返し加圧することにより、前部胴体の金属疲労がテストされました。 加圧サイクル テストでは、窓の角が四角いため、応力が高い場所が特定されました。 これらの領域での応力集中を最小限に抑えるために、飛行機の設計者は窓をより円形または楕円形にしました。 (モーリス・サベージ/アラミー・ストックフォト)

図 2 - 完全に逆転した応力ベースのサイクル

図 3 - 繰り返されるストレス サイクル。 図 3 は、最大応力と最小応力の大きさが等しくない、繰り返される応力サイクルを示しています。 どちらの応力も引張状態にありますが、引張と圧縮、または圧縮のみの場合もあります。

図 4 – ウォーラー疲労試験機 (2)。 機械の中心にあるスピンドル (a) は 2 つのベアリング ブロック (b) によって支持され、約 15 rpm で回転します。 2 つの車軸 (試験片) が回転スピンドルの両端に取り付けられ、機械の両端にあるバネ機構 (f) を介して曲げ力が車軸に加えられました。 各回転中に、両方の車軸に完全に逆方向の曲げ応力がかかりました。 曲げ応力の大きさは、バネ機構の張力によって調整されました。

図 5 – クルップ車軸鋼の Wohler の SN 曲線 (2)。

図 6 - スチール、アルミニウム、繊維強化プラスチックの SN 図。

図 7 - Ducom Instruments の回転棒曲げ疲労試験機。 一点荷重でカンチレバーとして取り付けられた試験片は回転させられ、曲げモーメントを受けます。 原理は1800年代に作られたウォーラーの機械と似ています。 Ducom Instruments の提供による

図 8 – この疲労試験システムは、ISO 14801 歯科インプラント – 骨内歯科インプラントの動的疲労試験に従って歯科インプラントを試験するように構成されています。 出典: ADMET

図 9 – ポータブル電子機器で使用される小型コンポーネントの疲労試験を実行するために構成されたねじり疲労試験システム 出典: ADMET

1850 年以来、変動応力にさらされた金属は、1 回の準静的引張で破壊を引き起こすのに必要な応力よりもはるかに低い応力で破損することがわかっていました。 破損は通常、警告なしに発生し、重大な変形を伴わない脆い外観の破損が生じます。 金属疲労は複数の段階からなるプロセスであり、多くの場合 4 つの段階があると説明されます。

ステージ 1:亀裂の発生: 応力集中が高い箇所に微小な亀裂が形成され、部品が損傷します。 高い応力集中点は、通常、ノッチ、鋭いエッジ、またはコーナーに位置します。 アニーリングは、ステージ 1 で損傷した金属を修復するために使用されます。

ステージ 2:スリップバンドまたはステージ 1 亀裂の成長: 初期亀裂は、高いせん断応力の面で深くなり、明確に定義されます。

ステージ 3:ステージ II 亀裂の成長: 明確に定義された亀裂は、最大引張応力に対して垂直な方向に成長します。

ステージ 4:延性破壊: 亀裂が臨界長さに達すると、残りの断面が加えられた力を支えることができなくなり、部品が破壊されます。

サイクル試験

疲労試験は、応力ベースの定振幅荷重下で最も頻繁に実行されます。 テストサンプルにはさまざまな波形形状を適用できますが、最も一般的なのは正弦波です。 図 2 は、完全に反転した応力サイクルを示す応力ベースの正弦波波形を示しています。 完全逆転サイクル試験では、最大応力と最小応力は等しく、逆になります。 慣例により、圧縮応力は負です。

ほとんどの応力ベースの疲労試験は、完全に逆の荷重を使用して実施されます。 ただし、完全に逆転した荷重が実行できない、または通常の使用中にコンポーネントが一方向にしか力を受けないため、完全に逆転した荷重が実行されない例が数多く存在します。 反復応力サイクル負荷の例には、股関節インプラントの圧縮のみの疲労試験や鋼板の引張のみの試験 (薄い材料は圧縮で座屈します) が含まれます。