熱機械疲労とは何ですか？
長期運転中の信頼性に加え、発電所や航空機タービンは、短期的な負荷変動や起動停止プロセスに対して十分な耐性を示す必要があります。熱機械的疲労（TMF）は、材料の熱膨張の結果として生じる機械的負荷のシミュレーションです。起動時に、すべてのコンポーネントの温度は室温から動作温度まで上昇し、それに伴って材料が膨張します。この膨張により材料にストレスが発生します。これは、コンポーネントの損傷を防ぐために正確に決定する必要があります。セラミック遮熱コーティングを施したタービンブレードなどの複合部品の場合、金属部品とセラミック部品間の熱的不整合により、設計時に考慮しなければならない新たな荷重要素が生じます。また、粘着性酸化物コーティングは、運転中の疲労寿命に影響を与えます。
ASTM E2368およびISO 12111に準拠したTMF試験の実施
ASTM E2368 および ISO 12111 に従って熱機械的疲労を測定する場合、試験片は周期的に加熱され、同時に機械的同位相または異位相 (逆位相) ひずみが負荷されます。試験対象となる損傷メカニズムに応じて、異なる温度および機械的ひずみシーケンスをパラメータ化できます。曲線は多くの場合三角形で、例えばピーク温度で保持期間を追加できます。さらに、温度とひずみは同位相または逆位相で適用できます。この周期的な熱負荷と機械的負荷間の位相シフトは、材料の疲労寿命と塑性変形に大きな影響を与えます。
最も一般的なTMF試験（位相シフトの有無にかかわらず）は次のとおりです：
- IP（同位相）：試験片は加熱による熱ひずみと引張力による機械的ひずみを同時に受けます。
- OP（逆位相）：試験片は加熱による熱ひずみと圧縮力による圧縮ひずみを同時に受けます。
- CD（時計回りのダイヤモンド）
- CCD（反時計回りのダイヤモンド）
TMF試験は主にひずみ制御試験です。これは、部品に作用する荷重が熱ひずみの遮断によって発生するためです。応力制御試験は、ノッチ付き試験片など、ノッチ底のひずみを測定できない不均一な試験片で行われることがあります。どちらの場合も、測定および制御できるのは総ひずみ（εt）のみです。総ひずみは、熱ひずみ（εth）と機械的ひずみ（εme）で構成されます。式はεt = εth + εmeです。試験片に熱ひずみに加えて所望の機械的ひずみを負荷するために、規定の温度位相における熱ひずみを事前に時間ベースで測定し、実際の試験中の総ひずみの制御に考慮します。
すべてのTMF試験の前にヤング率を測定します
ひずみ制御熱機械疲労試験の検証済み実施規範では、すべての TMF 試験の前に、周囲温度、最低温度、最高温度、および少なくとも 1 つの追加平均温度値でヤング率を測定することを推奨しています。ASTM E2368 規格と ISO 12111 規格の両方では、熱サイクルの最小、平均、最大温度でのヤング率の測定も要求されています。
測定されたヤング率の値を参照データベースのデータと比較することで、力、ひずみ、温度の制御値と測定値が正しいことが検証されます。測定値が最小力および最大力における予想応力範囲の最大5%の許容限度内であれば、試験操作が正しいことが保証されます。
ASTM E2368およびISO 12111に準拠したひずみ測定
ASTM E2368では、ASTM E83の精度B-2以上を満たす伸び計の使用が要求されています。ISO 12111およびValidated Code-of-Practiceでは、ISO 9513に準拠した精度1以上を満たす伸び計が規定されています。標点間距離が15 mm未満の試験片の場合、伸び計はISO 9513に準拠した精度0.5に適合する必要があります。
熱機械疲労試験におけるひずみ測定に関する追加要件：
- 伸び計は、ドリフト、スリップ、ヒステリシスを最小限に抑えながら、長期間にわたる動的ひずみ測定に適していなければなりません。
- 伸び計は、水冷器などの能動冷却システムを使用して、熱変動や熱の影響から保護する必要があります。
- 伸び計が試験片に接触する圧力は、試験片表面に損傷を与えない範囲で、可能な限り低く抑える必要があります。
- 伸び計は、試験片が加熱されて膨張したときにひずみ測定が損なわれず、センサーアームが試験片から滑り落ちないように取り付ける必要があります。
熱機械疲労試験システム
熱機械疲労試験のために、フュルステンフェルトのツビックローエルはカールスルーエ工科大学（KIT）と緊密に協力し、新しい電気機械式試験システムを開発しました。Kappa 100 SS-CFは、50℃から1,200℃の温度範囲に対応する誘導加熱システムと空冷システムを備えています。バックラッシュフリーのゼロクロス機能を備えたこの電気機械式クリープ試験機は、低周波負荷サイクル試験において長年にわたりその性能を実証してきました。Kappa SS-CFは、ASTM E2368およびISO 12111に規定されているように、繰返し引張および圧縮負荷においてゼロバックラッシュを制御します。
この試験機は、試験片を確実に保持するために水冷式油圧グリップを備えています。水冷により、試験片全体の温度が速やかに安定し、試験片端からの熱の直接排出が確保されます。TMF テスト中のひずみ測定の信頼性は、セラミック センサー アームと水冷を備えた接触式伸び計によって確保されます。
この熱機械疲労試験システムは、一般的に使用されているASTM E2368およびISO 12111規格のすべての要件、ならびにひずみ制御熱機械疲労試験のための検証済み実施基準を満たしています。
TMF試験に使用されるコンポーネントは、サーボ油圧試験機にも取り付けることができます。
TMF試験に最適な温度分布
ひずみ制御熱機械疲労試験の検証済み実施基準によれば、測定対象試験片における規定設定値からの温度偏差は10K未満、または温度差の±2%未満です。試験片の形状と材質に応じて、最大25Kの加熱・冷却速度を使用できます。規格で規定されている最大の加熱・冷却速度を達成するために、TMF試験では誘導加熱システムと特別に配置された冷却ジェットを使用しています。
加熱出力を個別に調整可能な誘導加熱システムにより、電気伝導率の異なる様々な試験片材料の試験が可能です。試験片に連動するインダクタンスコイルにより、試験片上の温度分布が最適化されます。比例圧力制御バルブと対称的に配置された4つのフラットスプレーノズルにより、正確な空気流量制御が実現します。冷却ノズルは調整可能で、位置は将来の試験でも再現可能です。
温度は、ASTM E2368 および ISO 12111 に従って、試験片に直接取り付けられたリボン熱電対を介して制御されます。これらは、測定対象試験片の中央に簡単かつ確実に取り付けられます。調整可能なスプリングプレテンションにより、信頼性の高い接触圧力が確保されます。