引張荷重に耐える部品を設計する際にエンジニアが考慮すべき最も重要な破壊メカニズムのひとつに、延性破壊と呼ばれるものがある。延性破壊は、脆性破壊とは異なり、最終的な切断が起こる前にプラスチック材料の観察可能な変形を伴うという意味で、目に見える破壊である。

本書は、工学的に使用される延性破壊のメカニズム、特徴、防止策に関する手引書である。

延性破壊とは何か？

延性破壊は、材料が降伏点を超えて大きく塑性変形した後にのみ破壊する場合に起こる。これは、材料がほとんど変形せずに破壊する脆性破壊とは対照的である。

延性破壊 応力ひずみ曲線上の変形は、よく知られた順序で起こる。変形は最初、材料が降伏点に達するまで弾性的に起こる。この後、塑性変形が始まり、ひずみ硬化を伴う場合があり、この場合、材料は一時的に強化されます。その後、曲線は最終引張強さ（UTS）に達し、局部的なネッキングによって断面積が最小化され、最終的に破断する。

高延性材料 は、引き裂かれる前に高いレベルの伸びと強い面積の減少を経験する。このような明らかな警告により、エンジニアは問題を事前に特定し解決することができ、延性材料は脆性材料よりも安全な構造・耐荷重材料となる傾向がある。

延性破壊はどのように進行するのか？

延性破損のプロセスは、エンジニアが破損の設計と解析のために学ぶべき、いくつかの異なる段階に分けられる。

で 引張応力 材料の降伏強度を超えると、塑性変形は結晶構造中の転位の移動によって始まる。当初、この変形は材料の断面を通して均一な速度で行われる。ひずみ硬化は荷重の増加とともに起こり、その間に転位接触により材料の強度が上昇する。

最終的な引張強度に達すると、断面積が局所的に減少するネッキングが生じる不安定性がある。この幾何学的変化の結果、応力はネッキング領域に集中し、破壊プロセスが加速する。

微視的スケールでは、ボイドの核生成は、介在物、析出物、粒界などの材料欠陥で起こる。このような空孔は蓄積され、さらに荷重がかかると合体して巨視的な亀裂を形成し、最終的な破壊へと広がっていく。

延性破壊の主な原因とは？

エンジニアリング部品の延性破壊は、通常、材料の限界を超えるために複合的に作用する多くの要因によって引き起こされる。

最も一般的な原因は、常に過度の応力である。塑性変形は、加えられた荷重が降伏強度を超える応力を引き起こしたときに始まる。このような状況は、荷重の見積もりが甘かったり、予期せぬ使用条件や安全係数の低さによって引き起こされることが多い。

ストレス集中装置 やボイドの核となる部分は材料の欠陥である。製造工程では、介在物や空隙、その他の不連続面が残ることがあり、それがその部分の材料を弱くする。高品質を含め、故障挙動に影響する欠陥がゼロの材料はない。

故障の特徴 は荷重条件に大きく依存する。引張荷重は延性破壊に有利であり、荷重を加える速度は見かけの強度と延性に影響する。ひずみ速度を上げると強度は高くなるが、延性も低下する。

材料特性 は温度効果によって大きく変化する。温度の上昇は通常、降伏強度を低下させ、延性を増大させる。一方、低温は、特に体心立方金属において延性から脆性への破壊挙動の変化を引き起こす可能性がある。

故障メカニズム は、腐食性媒体、水素への暴露、その他の過酷な環境といった環境の影響によって変化する可能性がある。以前は延性であった挙動が脆性破壊モードに変化するような脆化を好む環境もある。

延性破壊を防ぐには？

予防策は、部品の耐用年数を通じて応力を降伏強度以下に維持することに重点を置く。

適切な材料選択 は、故障防止の基礎を形成する。エンジニアは材料を選択する際、降伏強度、延性、環境適合性を考慮しなければならない。強度の高い材料は、降伏に対するマージンが大きくなりますが、延性が犠牲になる場合があります。

デザインの最適化 これにより、応力集中が管理しやすい状態に保たれます。余裕のある半径、スムーズなトランジション、適切な断面サイジングにより、荷重を効果的に分散します。有限要素解析は、設計段階で潜在的な問題領域を特定するのに役立ちます。

安全係数 荷重、材料特性、環境条件の不確実性を考慮する。業界標準は通常、アプリケーションの重要性と故障の結果に基づき、最小安全係数を規定している。クリティカルなアプリケーションでは、4:1以上の係数が必要となる場合があります。

品質管理 は、故障の原因となる欠陥を最小限に抑える。材料試験、非破壊評価、工程管理は、欠陥に起因する故障の可能性を低減する。

サービスモニタリング は、致命的な故障が発生する前に、塑性変形の初期兆候を検出することができます。定期的な検査、寸法チェック、荷重モニタリングは、限界に近づいている部品を特定するのに役立ちます。

延性破壊とはどのようなものか？

延性破壊は、他の破壊モードとは異なる特徴的な特徴を示す。

最も特徴的なのは ネッキング-破断箇所付近の断面積が目に見えて減少すること。この変形は、材料が最終的に分離する前に直径が小さくなる特徴的なプロフィールを作り出す。

破断面 通常、丸い試料ではカップ・アンド・コーンの外観を示す。破壊は中央部でボイドの合体とともに始まり、比較的平坦な中央部を形成する。外周の最終的なせん断破壊が特徴的な円錐形状を形成します。

について ネッキング度 は材料の延性に相関する。純アルミニウムや銅のような延性の高い材料は鋭く尖るが、延性の低い材料はより緩やかな面積減少を示す。

一般的に延性破壊を起こす材料は？

ほとんどのエンジニアリング・メタルは、適切な条件下で延性挙動を示す。

アルミニウム合金 は、特に焼鈍状態で優れた延性を示す。適度な強度と高い延性を併せ持つため、成形加工や衝突エネルギー吸収用途に適している。

低炭素鋼 は、降伏点が明確で卓越した延性を示す。これらの材料は破損前に優れた警告を発し、塑性変形によって大きなエネルギーを吸収することができる。

オーステナイト系ステンレス鋼 は、広い温度範囲にわたって延性挙動を維持する。その安定した結晶構造は、次のような条件下でも脆性変態を起こしにくい。 極低温.

銅および銅合金 は卓越した延性と成形性を発揮します。純銅は破壊する前に極端な変形を起こすことができ、深絞り加工に理想的です。

ニッケル基超合金 多くの材料が脆くなる高温でも延性を維持するため、高温用途には欠かせない。

延性破壊は脆性破壊とどう違うのか？

延性破壊と脆性破壊の区別は、設計思想や安全性に大きく影響する。

• 延性破壊 は、最終的な破壊の前に目に見える変形によって警告を発します。この漸進的な性質は、日常点検での発見を可能にし、壊滅的な破損を防ぐ可能性がある。延性材料のエネルギー吸収能力は、固有の安全マージンも提供します。
• 脆性故障 は、最小限の塑性変形とわずかな警告で起こる。脆性的に破壊する材料は、破壊前に蓄えられるエネルギーが少なく、検出の機会が少ない。脆性破壊は突然起こるため、構造用途では特に危険である。
• 温度はこの挙動に大きく影響する。多くの材料は 延性脆性遷移温度（DBTT） を下回ると、通常は延性材料が脆くなる。この遷移は、低温環境で使用される構造用鋼にとって特に重要である。

延性変形後の部品はいつ交換すべきか？

永久的な変形の兆候がある部品は、継続的な使用可能性を判断するために慎重な評価が必要である。

• 目に見えるネッキングや著しい寸法変化は、通常、交換が必要であることを示している。塑性変形によって材料の微細構造と応力分布が変化し、将来の性能を損なう可能性があります。
• 寸法公差が重要な精密用途では、わずかな塑性変形でさえ許容できない場合があります。セーフティクリティカルな用途の部品は、永久変形が検出されると交換が必要になることがよくあります。
• 延性破損の場合、修理が現実的であることは稀である。影響を受けた材料は、機械的な矯正やその他の修正手段では元に戻せない永久的な変化を起こしている。補修を試みると、応力集中や残留応力がさらに発生し、将来の破損リスクが高まる可能性がある。

延性破壊における温度の役割とは？

温度は延性破壊の可能性と特性の両方に大きく影響する。

高温になると、ほとんどの材料は降伏強度が低下し、延性が増加する。この組み合わせにより、低い応力レベルでは延性破壊の可能性が高くなるが、最終的な破壊に至る前に、より多くの警告を与えることができる。クリープ変形は高温で顕著になり、公称降 伏強さ以下でも時間依存破壊を引き起こす可能 性がある。

低温は一般に降伏強度を高めるが、延性を低下させることがある。多くの材料は低温で延性から脆性への移行を経験し、破壊挙動を根本的に変化させる。この遷移は構造用鋼にとって特に重要であり、寒冷地での用途では考慮しなければならない。

負荷速度は温度の影響とも相互作用する。低温での衝撃荷重は、通常は延性材料であっても脆性挙動を促進することが多い。

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