材料試験、金属学、システムエンジニアリングで25年以上の経験を持つMTSのスタッフ科学者、エリック・シュヴァルツコップ博士は、顧客との関わりに独自の専門知識を提供します。このQ&Aでは、彼が破壊力学と破壊靭性試験について議論します。
Q: 破壊靭性試験とは何ですか？
A: 最も簡単に言うと、破壊靭性試験は、亀裂が壊滅的に成長するために必要なエネルギーを測定する非周期的な試験です。さまざまな種類の試験は「エネルギー」と「壊滅的に」という言葉を異なる方法で定義します。エネルギーは、CTODのような距離パラメータ、KIcのような応力集中パラメータ、またはJIcのような面積で割ったエネルギーのパラメータを含むことがあります。壊滅的な亀裂成長は、非常に速い、非常に遠い、または初期状態より少し遠いと解釈されることがあります。一般的な破壊靭性試験の規格には、ASTM E399、E561、E1820などがあります。
薄い鋼試験片に対するR曲線 ASTM E561試験。亀裂が進行する際に発生する音は、不安定な亀裂成長によるもので、力や変位の急激な変化を引き起こし、一般に「ポップイン」と呼ばれます。
Q: どの業界が破壊靭性測定に関心を持っていますか？
A: 圧力容器に依存する業界は、これらの加圧容器に使用される材料の破壊靭性特性を知る必要があります。何かが圧力下にある場合、時間が経つにつれてどのように反応するかを知ることが重要です。容器やパイプが爆発するよりは漏れる方がはるかに望ましいため、望ましい特性を持つ適切な材料を選ぶことが重要です。これが、発電所や原子力および石油・ガス用途の配管の材料を選定する際に破壊靭性測定が重要である理由です。エネルギーセクターだけでなく、金属および複合材料の製造業、海軍、土木工学、航空宇宙産業も材料を評価するために破壊靭性測定に依存しています。
Q: 亀裂はどのように成長し、材料の塑性はどのように関係していますか？
A: 亀裂は、材料の特性に応じてさまざまな方法で成長し、エネルギーを消費します。時には、亀裂が材料を2つの部分に分ける（各新しい表面の生成がエネルギーを吸収する）、時には材料が変形することでエネルギーを吸収することがあります。また、時には（ある相から別の相に変わる）変化することもあります。異なる材料特性により、いくつかの種類の破壊力学があります。高強度材料には、線形弾性破壊力学（LEFM）が一般的に使用されます。より延性のある材料には、弾性プラスチック破壊力学（EPFM）が使用されます。線形弾性破壊靭性は、塑性変形が他のすべての次元に対して小さいと仮定しています。
Q: どの破壊靭性試験タイプをいつ使用しますか？
A: それは、必要なデータの種類と材料によります。定性的な答えが必要なのか定量的な答えが必要なのかによって、最も簡単な試験のいくつかは、材料が亀裂に対してより敏感かどうかを教えてくれます。簡単な試験は、材料がどれだけ亀裂しやすいかを教えてくれませんが、簡単な引張試験の曲線は何かを示すことができます。シャルピー衝撃試験は、材料が力に耐えられるかどうかを示し、合格/不合格のデータを提供します。定量的な測定が必要で、小さな試験片から有効な試験が得られる場合、KIc試験を試すことができます。材料の塑性が最小であると仮定した場合です。
Q: 材料の塑性が最小でない場合はどうなりますか？
A: 有効なKIc試験を行うには、試験片のほとんどが弾性的であることを確保するために非常に大きく（非常に高価な）試験片が必要になることがあります。この問題には解決策があります。有効なJ積分の結果を得ることで、K値を計算でき、より小さな試験片を使用することが可能になります。J積分を決定するにはより多くの分析が必要ですが、塑性ゾーンのサイズに依存しないため、大きな試験片は必要ありません。
Q: 破壊靭性試験タイプを選ぶ際に他に考慮すべき点は何ですか？
A: すべての試験において、一貫性が重要です。一貫したノッチのタイプが重要です。温度、試験片の形状と厚さ、負荷の加え方を制御することは、有効な試験結果のための要件です。以前の試験から収集したデータも考慮すべき要素です。CTODデータの履歴がある場合、そのタイプの試験を選ぶことが理にかなっています。
Q: 製造された材料の破壊靭性を試験することについてはどうですか？
A: 製造された材料はますます一般的になってきており、いくつかの懸念点があります：多孔性、密度、粒子境界です。これらの材料における孔や境界は亀裂やノッチのように作用し、材料の疲労特性や破壊特性に影響を与えます。「擬似」ノッチが亀裂を壊滅的に成長させるかどうかを判断しなければなりません。複合材料や製造された材料は、目に見えない層間の欠陥を持つことがあるため、テストが必要です。
Q: 破壊靭性測定の未来はどうなりますか？
A: 3D印刷/加算製造のように材料を製造する新しい方法、エンジニアリングされた複合材料のような新しい材料、 hydrogen 燃料車や宇宙旅行のような材料の新しい用途、新しい試験技術が引き続き登場します。これらのすべての革新は、材料が意図された最終用途に適しているかを判断するために破壊靭性が評価される必要があることを意味します。破壊靭性試験の原理と方法論を理解することで、研究者やエンジニアは、現代の技術や産業の進化するニーズに応える、安全で信頼性の高い材料や構造を開発できるのです。
