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S-N 曲線/Woehler Curve

S-N曲線は、DIN 50100の一定の振幅応力を加えることによる 高サイクル疲労(S-N試験)から導き出され、低サイクル疲労 K、有限寿命疲労 Z および高サイクル疲労 Dの領域に分かれます。

領域はサイクル数Nで区切られます

  • 低サイクル疲労 100 - 30,000サイクル
  • 有限疲労寿命 約2,000,000サイクル
  • 高サイクル疲労では無限

S-N曲線から、特定の振幅応力に対する応力変化の最大数を読み取ることができます。これは、材料特性、力と荷重の応力のかけ方(圧縮‐圧縮荷重、引張‐引張荷重、または引張‐圧縮荷重)に依存します。

スムース材料試験片 (ストレスレシオ R = -1)のS-N 曲線

個々の例では、公称振幅応力 Sa および サイクル数 N が対数的に適用されます。両対数表現では、有限寿命疲労の領域は直線を表します。結果その曲線はS-N曲線とされます。

    S-N曲線の説明:

    • Rm 静的強度 (ここでは 引張強さ)
    • Sa 公称振幅荷重
    • SaD 高サイクル疲労強さ
    • N 許容サイクル数
    • ND エッジ荷重サイクル数
    • NG しきい値サイクル数
    • K 低サイクル疲労 / 低サイクル疲労強さ
    • Z 有限疲労寿命 / 有限疲労寿命強さ
    • D 高サイクル疲労 / 高サイクル疲労強さ

    低サイクル疲労

    低サイクル疲労 K は約 104 から 105 のレンジで負荷をかけていきます。

    低サイクル疲労強さは 低サイクル疲労 (LCF )試験.で求めます。この範囲では、サイクル中に塑性変形が発生し、材料が初期段階で破損する程度まで材料やコンポーネントに応力がかかります。Coffin-Manson モデルがもっと詳細な評価ではよく用いられます。

    サイクルの4分の1以内に試験片が破損する負荷は、静的強度と呼ばれ、引張試験でも決定されます。

    有限疲労寿命

    有限疲労寿命 Z は104 と 2·106 サイクルのレンジで行われます (材料による)。有限疲労寿命の範囲に到達した試験片の状態は、常に破損基準にたっしています(例、亀裂または破断)。

    有限疲労寿命強さは 高サイクル疲労 (HCF )試験.で求めます。試験後の結果は、1つの振幅応力での負荷サイクル数です。

    有限疲労寿命曲線

    両対数表現では、S-N曲線はほぼ直線となります。この曲線(傾き-kと)は有限疲労寿命曲線です。

    高サイクル疲労

    高サイクル疲労Dは、疲労または破損の重大な兆候なしに、材料が繰り返し荷重中に耐えることができる応力限界を表します。

    高サイクル疲労の領域では、限られた数のサイクルNGが確立されます。この限られたサイクル数に達する前に試験片が破損した場合、”失敗”と見なされます。高サイクル疲労試験中に、破壊せずに1,000,000サイクル以上耐える材料は、耐疲労性があると見なされます。 

    高サイクル疲労のコンセプトにより、静的コンセプトよりも許容応力が大幅に低くなります。

     

    高サイクル疲労範囲におけるS-N(Woehler)曲線のコースは、3つのタイプに分けられます。

    • S-N曲線の水平方向のコース:顕著な高サイクル疲労強度または長期疲労強度は、フェライト鋼でよく発生します
    • 傾きの少ないS-N曲線のさらなる低下:オーステナイト鋼またはアルミニウムでよく発生します
    • 最初の水平コースの後、S-N曲線は約108サイクルで低下します:内部の損傷により、表面の下に亀裂が発生します。

    S-N 曲線決定のための重要な規格

    • DIN 50100-荷重制御疲労試験–金属試験片およびコンポーネントの一定振幅荷重での繰り返し試験の実行と評価
    • ASTME466-15-金属材料の荷重制御一定振幅一軸疲労試験を実施するための標準的な方法
    • ISO 1099 金属材料 – 疲労試験 – 軸荷重制御法
    • DIN EN 6072 - 航空宇宙シリーズ - 金属材料 - 試験方法 - 一定振幅疲労試験

    S-N 曲線決定のための試験機

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