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圧縮応力場での亀裂発生・進展に関する疑問
- 現在、担当している設備の軸部分に亀裂が発生しており、原因を調査しています。
- ＦＥＭ解析の結果、亀裂発生部分には一定振幅の片振圧縮応力が働いていることがわかりました。
- この状況で亀裂が発生・進展する可能性はあるのでしょうか？
- 機械設計
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亀裂「発生」に関しては、「圧縮」応力下であっても発生します。「主応力は降伏点を越えている」なら尚更ですが、降伏応力を超えなくても発生するでしょう。鉄鋼材料では、疲労限は引張り強さの４０％程度であり、降伏点（耐力）以下です。他の材料でも似たようなものでしょう。アルミ等では明確な疲労限が無く、ＳＮ曲線はダラダラ下がる傾向にはありますが。それと、マクロ的に見て降伏しているかどうかは、主応力ではなく「相当応力」で考えるべきです。金属材料に限れば、単結晶のＣＲＳＳ（臨界分解せん断応力）を超えればスベリが始まりますから、本当はマクロ的な降伏点より低い応力で「降伏」は始まっており、いわゆる「すべり帯」によって亀裂が発生します。通常の金属材料が単結晶ではなく、多結晶体であることはご存知と思います。 疲労破壊については材料学的（ミクロ）な要素が多く、力学的（マクロ）には説明でない、若しくは、アプリオリに色々な仮定を持ち込まざるを得ないのが実情でしょう。「バウシンガー効果」も、ミクロ的な現象をマクロ的な観点から見た「効果」と言えます。
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小生も疲労と考えます。 静荷重の場合でも、許容応力＝基準強さ（降伏点又は耐力）÷安全率ですから、 主応力は降伏点を越えている片振圧縮応力であれば、亀裂は発生します。 繰り返し荷重（片振り荷重）に対しては疲労限を考慮するために、安全率を鋼類では５ として、許容応力＝基準強さ（降伏点又は耐力）÷安全率を計算しますから、片振り荷重が 引張でも圧縮でも疲労の理論でその応力以下でも破壊（亀裂）が入ります。 （両振り荷重び繰り返し荷重は、交番荷重とも言います。） 詳細はURLの内容を確認下さい。
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ご回答頂き，ありがとうございます． 沢山参考資料をご紹介頂き，助かります． 勉強させて頂きます． ただ，圧縮応力のみで亀裂が発生・進展するというのは，なかなかイメージが難しいです・・・．
＞このような状況で，亀裂が発生・進展することは有るのでしょうか？ 破壊工学という学問の分野もあるくらいなのですが、専門外なのですが一言 私が学んだ記憶から、亀裂は力学的には応力が非常に小さくても進むという事 亀裂の先端がナイフエッジとすれば、殆ど力を加えなくても亀裂は進展する筈
お礼
ご回答頂き，ありがとうございます． 確かに，どんなに小さな力を与えても，亀裂先端部の応力は無限大になると思いますので，亀裂は進展しそうですね．
>>現在，担当している設備の軸部分に亀裂が発生しておりまして 現状亀裂が発生していれば 後は加速度的に進行してくだけです 亀裂もちゃんとモデリングしていれば モデリングしていればわかりますが 傷のところで 引っ張りが発生します 進行してくだけ
お礼
ご回答頂き，ありがとうございます． 「与えている荷重が圧縮のみでも，亀裂が存在していれば，亀裂付近には引張応力が発生し，亀裂が進展する」 ということでしょうか？
降伏(変形)→亀裂発生→亀裂進展 の過程は応力偏差の大きさに依存する と考えられます。基本的には片振圧縮・片振引張でも同じです。 「バウシンガー効果」は荷重方向が逆転したとき，硬化と緩和の繰返しが硬 化側にずれ，亀裂に対する抵抗力か低下する現象だと思いますが，なるほど 低サイクルの疲労とは相関がありそうな気もします。しかし高サイクルでの 疲労となると簡単に説明できないように思います。 鋼材の高サイクル疲労では引張強さの１／３以下に低下しますので，亀裂 が発生・進展することは有り得ると思います。 疲労限度が低下します。
お礼
いつもご回答頂き，ありがとうございます． 高サイクル疲労では，何が引張強さの1/3以下に低下するのでしょうか？ （疲労限度？）
お礼
回答頂き，ありがとうございます． 疲労現象を突き詰めて考えると，マクロな視点では限界が有るようですね． 大変勉強になりました．