破壊靭性試験

破壊靭性試験は、亀裂による破壊に対する材料の抵抗力を定量化するために実施される。 このような試験は、破壊靭性の単一値測定または抵抗曲線のいずれかに帰結する。 抵抗曲線は、破壊靱性パラメータ（K、Jなど）が、き裂の伝播を特徴づけるパラメータに対してプロットされたものである。 抵抗曲線あるいは単一値破壊靭性値は、破壊のメカニズムと安定性に基づいて求められる。 破壊靱性は工学的応用において重要な機械的特性である。 材料の破壊靭性を測定するために用いられる試験にはいくつかの種類があり、一般的には様々な形状のノッチ付き試験片を使用します。 広く利用されている標準的な試験方法はシャルピー衝撃試験で、VノッチまたはUノッチを持つ試料にノッチの裏側から衝撃を与えます。 また、荷重をかける前に試験片にあらかじめ細い亀裂を入れておく3点ビーム曲げ試験などの亀裂変位試験も広く利用されています。

試験要件編集

試験片の選択編集

破壊靭性測定に関するASTM規格E1820では、破壊靭性試験用に3種類のクーポン（シングルエッジ曲げクーポン、コンパクト引張クーポン、ディスク状コンパクト引張クーポン）を推奨しています。 これらの寸法は、その試験片で行われる特定の試験の要求によって決定される。 試験の大部分は、コンパクト構成またはSENB構成のいずれかで実施されます。

材料配向編集

ほとんどの工学材料の固有の非等方性のために、破壊の配向は重要である。 このため、材料内に弱点となる面が存在し、この面に沿った亀裂の成長は他の方向と比較して容易である可能性がある。 この重要性から、ASTMは鍛造軸に対する亀裂の方向を報告するための標準的な方法を考案しました。 L、T、Sの文字が縦方向、横方向、短横方向を表し、縦方向は鍛造軸と一致します。 方向は2文字で定義され、1文字目は主引張応力の方向、2文字目は亀裂の進展方向である。 一般に材料の靭性の下限は、鍛造軸方向に亀裂が進展する方向で得られる。

プレクラッキング編集部

正確な結果を得るためには、試験前に鋭い亀裂を入れることが必要である。 機械加工されたノッチやスロットはこの基準を満たさない。 十分に鋭いクラックを導入する最も効果的な方法は、スロットから疲労クラックを成長させるために繰り返し荷重を加えることである。 疲労亀裂はスロットの先端で発生し、亀裂長が所望の値に達するまで伸長させる。

繰り返し荷重は、ひずみ硬化による材料の靭性に影響を与えないように慎重に制御される。 これは主破壊の塑性域と比較してはるかに小さな塑性域を生じる繰り返し荷重を選択することによって行われる。 例えば、ASTM E399によると、最大応力強度Kmaxは0.6 K Ic {displaystyle K_{text{Ic}}} よりも大きくならないようにする必要があります。

初期段階では0.8K Ic {displaystyle K_{text{Ic}}} 未満である。

はクラックが最終的な大きさに近づいたときに発生する。

ある場合には、破壊靭性試験片の側面に溝を加工し、試験片の厚さを亀裂の進展予定経路に沿って元の厚さの最小80%まで減少させる。 Rカーブ試験時にクラックフロントを直線状に維持するためである。

4つの主な標準化試験は、KIcとKR試験が線形弾性破壊力学（LEFM）に有効で、JとJR試験が弾塑性破壊力学（EPFM）に有効なものとして以下に説明されている。

面ひずみ破壊靱性の決定 編集

破壊前の材料の挙動が線形弾性であるとした場合。 塑性域が試験片の寸法に比べて小さい場合、モードI応力拡大係数の臨界値が適切な破壊パラメータとなり得る。 この方法は、破壊靱性を臨界面ひずみ応力拡大係数という形で定量的に示すものです。 試験が完了したら、その結果が意味のあるものであることを確認するために、バリデーションを行う必要があります。 試験片のサイズは固定されており、亀裂先端の平面ひずみ条件を確保できる大きさでなければなりません。

試験片の厚さは、亀裂先端の拘束の程度に影響し、それが破壊靭性値に影響します。破壊靭性は、プラトーに達するまで試験片サイズの増加とともに減少します。 ASTM E 399の試験片サイズの要件は、K Ic { {displaystyle K_{text{Ic}}} を確実にすることを意図しています。

試験片が名目上の線形弾性条件下で破断することを保証することにより、測定値は平面ひずみプラトーに対応します。 つまり、塑性域は試験片の断面積に比べて小さくなければならない。 現在のE399では、コンパクト、SE（B）、円弧型、円盤型の4種類の試験片形状が認められています。 Specimens for K Ic {displaystyle K_{text{Ic}}}

試験は通常、幅Wが厚さBの2倍になるように製作され、亀裂長／幅比（a／W）が0.45〜0.55となるように疲労予き裂が入れられる。 このように、試験片は主要寸法であるa、B、W-aがすべてほぼ等しくなるように設計されています。 規格では、これらの寸法は塑性域に比べて大きくなければならないので、この設計により材料を効率的に使用することができます。 平面ひずみ破壊靭性試験

破壊靭性試験を行う場合、最も一般的な試験片構成は、シングルエッジノッチベンド（SENBまたは3点曲げ）およびコンパクトテンション（CT）試験片である。

B , a ≧ 2.5 ( K I C σ YS ) 2 {displaystyle B,a} 2.5 left({Cfrac {K_{IC}{sigma _{ text{YS}}}right)^{2}}}

where B {displaystyle B}の場合。

は必要最小限の厚さ、K Ic {displaystyle K_{text{Ic}}} は必要最小限の厚さ。

は材料の破壊靭性、σ YS {displaystyle \sigma _{text{YS}}} は材料の破壊靭性。

は材料の降伏強度である。

試験は、KIが0.55から2.75（MPa m {displaystyle {sqrt {m}}}

)/sまで増加する速度で着実に負荷を与えることによって行われる。 試験中、荷重と亀裂口開口変位（CMOD）を記録し、最大荷重に達するまで試験を継続する。 臨界荷重<PQは荷重とCMODのプロットから計算される。 仮の靭性KQはK Q = P Q W B f ( a / W , … ) {displaystyle K_{Q}={frac {P_{Q}}{{sqrt {W}}B}}f(a/W,…)}} として与えられます。

.

The geometry factor f ( a / W , … ) {displaystyle f(a/W,…)}.

はa/Wの無次元関数であり、E 399規格では多項式で与えられている。 コンパクトな試験形状に対するジオメトリーファクターは、こちらで確認することができます。 この暫定靭性値は、以下の要件を満たす場合に有効と認められる： m i n ( B , a ) > 2.5 ( K Q σ YS ) 2 {displaystyle min(B,a)>2.5 left({}frac {K_{Q}}{sigma _{ text{YS}}}right)^{2}} ←この値は、以下の要件を満たす場合に有効と認められる。

and P m a x ≦ 1.1 P Q {displaystyle P_{max}***leq 1.1P_{Q}}}

破壊靱性が未知の材料を試験する場合、材料断面全厚の試験片を試験するか、破壊靱性の予測に基づいて試験片の大きさを決めます。 試験の結果得られた破壊靱性値が上式の要求を満足しない場合は、より厚い試験片を用いて試験を繰り返さなければならない。

試験が厚みやその他の平ひずみ要件を満たさない場合、生成された破壊靭性値にはKcという名称が与えられます。 時には、厚さ要件を満たす試験片を作成することができない場合があります。

R曲線の決定、K-REdit

安定した亀裂進展を示す試験片は、亀裂長の増加とともに破壊靱性が増加する傾向を示す(延性亀裂進展)。 この破壊靱性vsき裂長さのプロットは抵抗曲線(R)と呼ばれる。 ASTM E561は、材料の靭性-き裂進展曲線の決定方法を概説しています。 この規格は、材料の最小厚さに関する制約がないため、薄いシートにも使用できますが、試験が有効であるためには、LEFMの要求事項を満たさなければなりません。 LEFMの基準は、基本的に面内寸法が塑性域に比べて大きくなければならないことを述べています。 R曲線の形状に対する厚みの影響について誤解があります。 同じ材料でも、厚い部分は平面ひずみ破壊で破壊し、単一値の破壊靭性を示し、薄い部分は平面応力破壊で破壊し、上昇するR曲線を示すことが示唆されている。 しかし、R曲線の勾配を支配する主な要因は、厚さではなく、破壊形態である。 材料によっては断面の厚みが薄いものから厚いものへと延性引き裂きから劈開へと破壊形態を変化させるものがあり、その場合は厚みだけでR曲線の勾配が決定される。 1008>

K-R曲線の最も正確な評価方法は、塑性域の相対的な大きさに応じて塑性の存在を考慮することである。 塑性が無視できる場合、試験から荷重-変位曲線を求め、各点でのコンプライアンスを求める。 コンプライアンスは、ある点で試験片を除荷した場合に従う曲線の傾きの逆数で、LEFMでは荷重に対する変位の比として与えることができる。 このコンプライアンスは、ASTM規格に示された関係を通じて、瞬間的な亀裂長さを決定するために使用されます。

応力強度は有効亀裂長を計算することによって補正する必要がある。 ASTM規格では2つの代替方法を提案している。 1つ目はアーウィンの塑性域補正と呼ばれる方法である。 Irwinの方法では、有効き裂長さa eff {displaystyle a_{text}}} を記述する。

to be a eff = a + 1 2 π ( K σ Y S ) 2 {displaystyle a_{text{eff}}=a+{Cfrac {1}{2π }}left({Cfrac {K}{sigma _{YS}}}right)^{2}} {Distributed {1}{Cfrac {2}{sigma _{YS}}}} {Cfrac {1}{2π } } }} {Description {1} {1}{2}{2}{2}{2}{2}{2}}}

Irwin の方法は K 自体が亀裂長の関数であるため、反復解を導く。

もう一つの方法、すなわち secant 法は ASTM 規格で与えられたコンプライアンス-亀裂長方程式を用いて、有効コンプライアンスから有効亀裂長を算出する。 荷重-変位曲線の任意の点におけるコンプライアンスは、本質的にその点で試験片を除荷した場合に生ずる曲線の傾きの逆数である。 線形弾性体の場合、除荷曲線は原点に戻りますが、弾性塑性体の場合は永久変形があるため、除荷曲線は原点に戻りません。 弾性塑性体の場合、ある点での有効コンプライアンスは、その点と原点を結ぶ直線の傾き（すなわち、材料が弾性体であった場合のコンプライアンス）とされます。 この有効コンプライアンスを用いて有効亀裂成長量を求め、残りの計算は次式に従う

K I = P W B f ( a eff / W , … ) {}displaystyle K_{I}={}frac {P}{{}sqrt {W}}B}(a_{}text{eff}}/W, …)} {} {}f({}frac{{}sqrt {W}}}としたときの計算。

塑性補正の選択は塑性域の大きさに依存します。 ASTMの抵抗曲線の規格では、塑性域が小さい場合はIrwinの方法を用い、亀裂先端の塑性域が顕著な場合はSecantの方法を用いることを推奨している。 また、ASTM E 561には試験片の大きさや最大許容き裂進展量に関する規定がないため、抵抗曲線の大きさの独立性が保証されていません。

JICEditの決定

単位破壊表面積当たりのひずみエネルギー放出率は、き裂先端を中心とした輪郭経路積分法であるJ積分法によって算出される。 J-靭性値は、亀裂が成長するのに必要な応力エネルギー量から見た材料の抵抗力を意味する。 JIC靭性値は、弾塑性材料で測定される。 ここで、1値のJICは延性き裂の進展開始点付近の靭性として決定される（ひずみ硬化の影響は重要ではない）。 試験は、複数の試験片にそれぞれ様々なレベルの負荷を与え、除荷することで行われる。 これにより、J積分試験に関するASTM規格E1820に示された関係を用いて、き裂長さを求めるためのき裂開口のコンプライアンスが得られます。 クラックの成長を測定するもう一つの方法は、試験片に熱着色または疲労亀裂の印をつけることです。

こうして行われた試験から、いくつかの荷重対亀裂口開き変位（CMOD）曲線が得られ、これを用いて次のようにJを計算する。

線形弾性体Jは、

J e l = K 2 ( 1 – ν 2 ) E {displaystyle J_{el}={frac {K^{2} ◇left(1-}nu ^{2} ◇right)}{E}}} で計算される。

となり、KはK I = P W B B N f ( a / W , … ) {displaystyle K_{I}={frac {P}{sqrt {WBB_{N}}}f(a/W, …) から求められる。)}

ここで、BNは側溝付き試験片の正味厚さ、側溝なし試験片のBに等しい

弾性塑性Jは

J p l =η A p l B N b o {displaystyle J_{pl}={θ A_{pl}{B_{N} b_{o}}}を用いて計算される。

Where η {displaystyle \eta }.

=2 for SENB specimen

bo is initial ligament length given by difference between width and initial crack length

APl is plastic area under load-displacement curve.

specialized data reduction technique to get provisional JQ.これは、仮に、仮に、JQを求めるために使用されるものです。 以下の基準を満たせば合格とする

min ( B , b o ) ≧ 25 J Q σ YS {displaystyle \min(B,b_{o})\geq {frac {25J_{Q}}{sigma _{text}YS}}}} 。

耐引裂性の測定（Kahn tear test）編

引裂試験（Kahn tear testなど）は、靭性の半定量的な指標として耐引裂性を提供するものです。 この種の試験は、より小さな試験片を必要とし、したがって、より広範囲の製品形態に使用することができる。

標準試験方法編集

多くの組織が破壊靭性測定に関連する規格を発行しています。

• ASTM C1161 Test Method for Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature
• ASTM E399 Test Method for Plane-strain Fracture Toughness of Metallic Materials
• ASTM E740 Practice for Fracture Testing with Surface-YouTube

金属材料の平面ひずみ破壊じん性試験方法（ASTM E740 Practice with Fracture Testing with Surface-YouTube） 金属材料の破壊じん性試験（ASTM E880

• ASTM E1820 標準破壊靭性試験方法
• ASTM E1823 疲労および破壊試験に関する用語
• ISO 12135 金属材料-準定常破壊靭性の決定のための統一試験方法
• ISO 28079。2009、超硬合金の破壊靭性を測定するために使用されるPalmqvist法。