超高サイクル疲労

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出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2023/08/15 07:19 UTC 版)

試験技術

超高サイクル疲労の試験において問題となるのが、疲労試験の長期化である^[39]。従来使われている一般的な疲労試験機の試験速度（荷重繰り返し周波数）は、数十 Hz 程度である^[48]。例えば 50 Hz で疲労試験を行った場合、10⁹ 回の繰返し数を負荷するには200日以上の時間を要する^[39]。さらに、S-N曲線を割り出すには複数回の試験を要するので、試験完了までには数年がかかる^[39]。こういった試験自体にかかる莫大な時間と手間は超高サイクル疲労の研究上の困難の一つで、この問題を解決する試験技術の開発自体も超高サイクル疲労研究の一部を成している^[44]。

超高サイクル疲労試験の時間とコストを減らし、極めて有効な試験方法と目されるのが超音波疲労試験である^[50]^[44]。超音波疲労試験では、ピエゾ素子を使って生み出した超音波弾性波を試験片に伝え、試験片を高周波で共振させ、共振変形から生み出される応力を試験片に与える^[51]^[50]。超音波疲労試験機で与えられる試験速度は、現実の諸条件の制約もあって 20 kHz 程度に設定されることが多い^[51]。20 kHz で疲労試験を行った場合、10⁹ 回の繰返し数を負荷するのに 14 時間程度しかかからない^[51]。10¹⁰ 回までかけたとしても、所要試験時間は 6 日程度で済む^[50]。従来型疲労試験機では困難だった超高サイクル疲労試験も、超音波疲労試験機によって容易に実行可能となる^[52]。

しかし一方で、超音波疲労試験の 20 kHz という繰返し速度は、あまりに速いゆえに特有の問題も引き起こす^[52]。超音波疲労試験では、高速変形による試験片の発熱が避けられない^[51]。試験片への冷風吹き付けや、中断を挟みながらの試験といった冷却法の確立が求められる^[51]。また、一般的に疲労試験の繰返し速度を上げていくと、金属材料の疲労限度は上昇し、S-N曲線も長寿命寄りに移動することが知られている^[53]^[51]。材料によっては繰返し速度の影響は小さい又は見られない結果も得られているが^[54]^[55]、超音波疲労試験の結果を繰返し速度が低い試験結果と常にはまとめて取り扱えないことには注意を要する^[56]。日本では金属材料の超音波疲労試験方法がまとめられ、WES 1112 として規格化されている^[57]。

超音波疲労試験以外の超高サイクル疲労試験方法としては、繰返し速度は 100 Hz 以下だが6本や4本といった複数の試験片を同時に疲労試験可能にすることで効率を上げる試験機の開発がある^[58]。従来型疲労試験機を用いる場合には、多数の機関が共同して手分けして試験を行い、全体としての試験時間を短縮するような企画が組まれることもある^[59]。

また、内部起点型の超高サイクル疲労では、材料内部のき裂進展挙動を直接観察することができない^[60]。変動応力でビーチマークを残す手法や、高輝度放射光によるイメージング法で、内部起点のき裂の発生・進展（da/dN-ΔK関係）を実測した研究報告がある^[61]^[62]。

出典

^ ^a ^b ^c Yoshiyuki Furuya, Hideaki Nishikawa, Hisashi Hirukawa, Nobuo Nagashima, Etsuo Takeuchi. (2019) Catalogue of NIMS fatigue data sheets. Science and Technology of Advanced Materials. 20:1, pages 1055-1072. https://doi.org/10.1080/14686996.2019.1680574
^ 大路・中井 2006, p. 60.
^ 大路・中井 2006, p. 61.
^ ^a ^b Sharma et al. 2020, § 1.2.
^ ^a ^b 大路・中井 2006, p. 62.
^ 古谷ら 2004, p. 55.
^ 塩澤 2007, p. 2.
^ 酒井 2005, p. 358.
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f 中村 2017, p. 435.
^ ^a ^b 酒井・上野 2009, p. 730.
^ ^a ^b ^c ^d ^e 塩澤 2007, p. 11.
^ 宮川進・藤井淳司、2010、「疲労の基礎と実機疲労設計の最新動向」、『材料』59巻3号、日本材料学会、doi:10.2472/jsms.59.250 p. 253
^ 村上敬宜・植田徹・野本哲志・村上保夫、2000、「10⁷回を超える超長寿命疲労破壊の原因と疲労破面のフラクトグラフィー解析」、『日本機械学会論文集 A編』66巻642号、日本機械学会、doi:10.1299/kikaia.66.311 p. 311
^ Sharma et al. 2020, § 1.1 & 2.
^ 塩澤 2007, p. 1.
^ Sharma et al. 2020, § 7.
^ 酒井 2005, p. 65, 70.
^ Sakai T, Nakagawa A, Nakamura Y, Oguma N. Proposal of a Probabilistic Model on Rotating Bending Fatigue Property of a Bearing Steel in a Very High Cycle Regime. Applied Sciences. 2021; 11(7):2889. https://doi.org/10.3390/app11072889
^ Kazymyrovych 2009, p. 6.
^ 大路・中井 2006, p. 68.
^ ^a ^b 小熊 2017, § 5・2・1.
^ 酒井 2005, pp. 358–359.
^ ^a ^b ^c 酒井 2005, p. 359.
^ Sharma et al. 2020, § 4.
^ 古谷ら 2004, pp. 55ndash, 56.
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f 中村 2017, p. 436.
^ Fitzka M, Schönbauer BM, Rhein RK, Sanaei N, Zekriardehani S, Tekalur SA, Carroll JW, Mayer H. Usability of Ultrasonic Frequency Testing for Rapid Generation of High and Very High Cycle Fatigue Data. Materials. 2021; 14(9):2245. https://doi.org/10.3390/ma14092245
^ Kazymyrovych 2009, p. 22.
^ ^a ^b 塩澤 2007, p. 3.
^ ^a ^b 塩澤 2007, p. 4.
^ ^a ^b Sharma et al. 2020, § 1.4.
^ 酒井・上野 2009, p. 49.
^ ^a ^b 中村 2017, p. 437.
^ ^a ^b ^c Kazymyrovych 2009, p. 23.
^ Kazymyrovych 2009, p. 25.
^ ^a ^b 中村 2017, pp. 436–437.
^ ^a ^b ^c 塩澤 2007, p. 9.
^ Kazymyrovych 2009, p. 26.
^ ^a ^b ^c ^d 酒井・上野 2009, p. 731.
^ ^a ^b Kazymyrovych 2009, p. 21.
^ Sharma et al. 2020, § 3.6.
^ Sharma et al. 2020, § 4.3.
^ Kazymyrovych 2009, p. 14.
^ ^a ^b ^c ^d 中村 2017, p. 440.
^ 中村 2017, p. 439.
^ Sharma et al. 2020, § 3.2.
^ ^a ^b 小熊 2017, § 5・2・3.
^ 中村孝・泉谷仁・椎名貴弘・小熊博幸・野口徹、2003、「高応答小型デジタルサーボ疲労試験機の開発」、『材料』52巻11号、日本材料学会、doi:10.2472/jsms.52.1280 pp. 1280–1281
^ Invernizzi S, Montagnoli F, Carpinteri A. Experimental Evidence of Specimen-Size Effects on EN-AW6082 Aluminum Alloy in VHCF Regime. Applied Sciences. 2021; 11(9):4272. https://doi.org/10.3390/app11094272
^ ^a ^b ^c Sharma et al. 2020, § 2.2.
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f 酒井・上野 2009, p. 733.
^ ^a ^b 古谷ら 2004, p. 56.
^ 大路・中井 2006, pp. 67–68.
^ 古谷ら 2004, p. 58.
^ Sharma et al. 2020, § 3.1 & 3.4.
^ Sharma et al. 2020, § 5.
^ 小熊 2017, § 5・2・4.
^ 酒井・上野 2009, pp. 733–736.
^ 酒井・上野 2009, pp. 731–732.
^ 塩澤 2007, p. 10.
^ 中村 2017, pp. 437–439.
^ 小熊 2017, § 5・2・2 & 5・2・3.

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