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耐久性

耐久性は材料科学で使用される用語であり、コンポーネントの計算上の耐用年数を指します。耐久性とは、計算上の耐用年数内で、関連する環境条件を考慮して、損傷なしに静的、準静的、および動的(繰り返しまたは衝撃)の負荷に耐える材料およびコンポーネントの能力を表します。

耐久性測定の方法は、計算による方法か試験結果のいずれかです。従って、これは負荷(機械的および環境的)、材料、生産、および建設の相互作用からなる枠組みを超えた科学です。

動的な力が、ほとんどの場合、コンポーネントの破損の原因です。多くの場合、静的引張試験で得られた破壊荷重を大幅に下回る荷重で損傷が発生します。疲労寿命は、耐久性の一部として、繰返し荷重下での材料の変形および破壊挙動を表します。

S-N curveを使用して統計的な精度で故障を予測できるようになるまで、コンポーネントが操作負荷の下で耐えられるサイクル数。

コンポーネントの耐久性

多くの場合、開発者はコンポーネントを耐疲労性ではなく、高い耐久性を示すように設計を行います。

コンポーネントの耐久性を判断するには、一定または可変の振幅で、静的クリープ荷重から衝撃荷重、繰返し荷重まで、あらゆるタイプの荷重を考慮する必要があります。温度、降水量、圧力などの環境条件、および腐食や経年劣化による材料の変化が考慮されます。次に、最も簡単な試験によって特性値を決定し、それに基づいて設計者が信頼できるコンポーネントを開発できるようにします。

ここでの問題は、損傷プロセスが非常に複雑であり、実際には一つののパラメーターでは説明できないことです。それは常に、周期的な塑性変形が発生する内部の傷やノッチから発生するマイクロクラックの形成から始まります。LCF 試験 はこのプロセスを説明しようという試みのために実施されます。これに続いて、破損まで亀裂が成長し、これは破壊力学の方法です。

高サイクル疲労試験(S-N試験を含め)では、亀裂の発生と亀裂の成長は区別されません。S-N曲線を使用すると、損傷の累積方法(Plamgren / Minerなど)を使用して、さまざまな振幅応力下での耐用年数を比較的簡単に予測できます。

ただし、材料の特性評価の最新の方法により手間がかからない、検証に必要なコンポーネント試験はまだあります。

現在、耐久性はほとんどすべての技術分野で試験されています。耐久性には、特に軽量化構造において多くの利点をもたらします。コンポーネントは材料が少なくて済むため、耐疲労性よりも耐久性が高くなるように設計されていると、重量が軽くなります。たとえば、自動車業界では、軽量化された車両は必要な燃料が少なくなりますが、軽量化された構造により、より高い負荷容量も可能になります耐久性のある設計は、機能要件も部分的に満たしています:耐疲労性に設計された飛行機は、重すぎるため飛行できないかもしれません。

コンポーネントの開発

操作中、機械、システム、または車両のほぼすべてのコンポーネントは、時間の経過に伴う変化を引き起こす機械的負荷にさらされます。開発者の仕事は、耐用年数全体にわたってその機能を果たす製品を作ることです。これは、多くの場合、開発期間が短く、軽量構造とコスト効率の高い生産が求められることと相反しています。計算された耐用年数の推定を疲労試験に適用することで、コンポーネントの信頼性が高く経済的な設計がサポートされます。疲労破壊力学は、亀裂成長の説明をさらにサポートします。非破壊検査の特性値を製品開発に含めることができます。

耐久性の高いコンポーネントのゴールは

  • 必要な製品寿命を達成
  • 構造物を構成しているコンポーネントの信頼性
  • 寿命到達以前での損傷等に対する保証

耐久性の実験的決定

コンポーネントの耐用年数は、負荷のレベルだけでなく、負荷シーケンスにも依存します。耐久性のあるコンポーネント設計の場合、動作に類似した負荷時間シーケンス(可変振幅応力シーケンス)は、単調な負荷の試験よりも耐用年数に関する信頼性の高い知見を提供します。

シュミレーション試験

耐久性を試験するために、記録された荷重-時間のシグナルが試験ベンチ上で可能な限り正確に再現されるシミュレーション試験が実行されます。試験ベンチとコンポーネントの動作が、最適に設定されたコントローラーにもかかわらず、実際のシグナルが所望の目標値に到達しないという事実に至ります。シミュレーション動作(設定値またはターゲットシグナルと実シグナルとの対応)を改善するために、実際のシグナルが元の設定値と一致するまで、何度もプロセスを変更します。

標準化された負荷シーケンスでの試験

標準化された負荷シーケンスは、典型的な設計アプリケーションの運用負荷の多数の代表的な測定値から導き出されており、動的に負荷を受けるコンポーネントの評価基準として機能しています。

耐久性の決定のための製品

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