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Chapter 9 Fatigue of Engineering Materials 疲労破壊 一定荷重下規則的反覆作用、或負荷以不規則変動時、産生之破壊機構。 ◎ 破壊方式 長期間負載動態荷重時 並無任何前兆、突然発生。 ◎ 反覆荷重所生之応力 比降伏応力更低之応力下、発生疲労破壊。 ◎ 破壊事故原因 約80～90%為疲労。 疲労(fatigue) 概論 ・疲労現象最早成為問題是在産業革命時期、蒸気火車車軸折損事故。 ・最初之系統的実験、是1852～1970年、August Wohler的実験である。 (S-N曲線以前、称呼Wohler曲線) ・100年経過後之現在、事故原因的80%左右也是因疲労而起。 其理由、 ①疲労破壊直前、常常部材・部品並不産生大変形、事故後才開始了解疲労的 進行。 ②航空機或鉄道車両等重要部品以外、非常少定期検査。 ③設計者対疲労相関知識不足。 ④現在因成本為重的開発、因此非常少有充分的実証実験(実機試験)等 疲労現象與疲労破断面 疲労破壊特徴 （１）起点 … 零件之表面付近 応力集中源 （切口、鋭角、溝槽、非金属介在物） （２）裂縫進展 … 疲労裂縫発生後、沿最大応力面 一対之破断面相当平滑、 巨観的塑性変形幾乎不産生。 巨観的破断面特徴 微観的破断面特徴 …Beach Mark clam shell（反覆応力大小変動時） …Striation （條紋状模様）+ fibrous area 其他、破断面特徴 …裂縫成長使断面積減少 荷重無法負担、延性破壊 破断面上、比較粗的部分残留。 Spacing between two striations is a function of stress amplitude. 疲労破壊及其因子 基本的因子 （１） 最大引張応力 （２） 変動応力 （３） 応力反覆次数 ◎ 其他原因 ・ 応力集中 ・ 腐食或高温等環境 ・ 組合之応力 ・ 過大応力 ・ 残留応力 ・ 冶金学的組織 疲労試験與試験機 : stress range (応力範囲) 懸肘式旋転彎曲疲労試験機 旋転彎曲疲労試験機 low cycle fatigue test high cycle fatigue test Paris law 低週次疲労 極低週次疲労 （Extremely Low Cycle Fatigue） 反覆応力與応変関係 Hysteresis Loop（後述） σa ; 高応力値 （塑性変形之反覆） 疲労寿命短 高温環境下使用 原動機等設計 熱応変之反覆 ・ 原子炉圧力容器 ・ 蒸気鍋炉 Hysteresis Loop ・・高応力下、伴随塑性応変之一定負荷反覆時之応力‐応変関係 低週次疲労（low cycle fatigue） ・破断反覆次数104次以下之領域． ・応力在降伏応力以上，産生塑性変形，形成 図示之遅滞． ・全応変εa，弾性応変εea與塑性応変εpa間、 有以下之関係． Δε＝2 εa 称 応変寛幅， Δ εp＝ 2εpa 称 塑性応変寛幅。 応力－応変 遅滞曲線 Manson-Coffin式 Manson-Coffin式 高週次疲労(high-cycle fatigue) 疲労破断反覆次数在107次以上之領域 応力状態之表示 正弦波状之応力状態， ①平均応力σm與応力振幅(stress amplitude) σa ②最大応力σmax 與最小応力σmin之組合． 也有採用応力比（stress ratio）R＝σmin/σmax的場合． S-N曲線以前，又称呼Wohler曲線 S-N曲線之例 疲労強度(fatigue strength)：疲労反覆次数在107次之対応強度称呼疲労強度． P-S-N曲線 ・各応力水準下、一定之破壊概率P 之反覆次数，S-N曲線上図示之線図． ・考慮破断寿命N一定之疲労寿命分布的場合，不論寿命大小，幾乎近似正規分布． 抗拉強度與疲労強度之関係 疲労破壊 ・比降伏応力低之反覆応力下所産生之破壊． ・疲労現象分有以下所示2箇段階． 第1段階為裂縫沿最大剪応力方向発生・進展 第2段階為沿垂直応力作用方向進展＋剪断分離(最終破壊) 第2段階 裂縫成長到1個晶粒大小左右，裂縫 尖端之応力場変大，裂縫進展方向沿 垂直応力軸方向改変． ↓ 裂縫尖端反覆鈍化・再鋭化，向裂縫内 部進展． 破面呈現striation痕跡(1 Striation=1 Cycle)． ↓ 裂縫進展使得有効断面積減少し，因 零件無法承受荷重、最終破断． 疲労裂縫之進展(第2段階) striations 裂縫進展曲線（Crack propagation curve) 第2段階之疲労裂縫進展，裂縫 進展速度da/dN 可由応力拡大係 数幅来表示 疲労裂縫進展曲線呈逆S字形．而 且Kmax，Kmin分別為K値之最大値及 最小値。 中間領域為安定之裂縫進展領 域，裂縫進展速度為 最後破断 右側之高ΔK 領域，Kmax接近材料之破壊靭性値，産生急速破壊． 平均応力越大、裂縫進 展速度越大． 使用R＝Kmin/Kmax，裂縫 進展速度可用下式之 Forman 式来表示．