超高サイクル疲労における内部起点型破壊評価手法の確立

超高周疲劳内引发断裂评价方法的建立

• 批准号: 21H04529
• 负责人: 中村 孝
• 金额: $ 27.71万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-05 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H04529/
• 关键词: ギガサイクル疲労; 内部起点型破壊; 放射光; き裂伝播; 真空; き裂進展; き裂伝搬; き裂発生

本研究の目的は，高強度金属材料に生じる超高サイクル疲労破壊のメカニズムを明らかにし，その評価法を構築することにある．析出硬化系ステンレス鋼（SUS630）と2種類のチタン合金（（α+β)型Ti-6Al-4Vおよびβ型Ti-22V-4Al）を対象として，材料内部に発生する微小き裂の挙動をSPring-8の放射光X線マイクロ/ナノCT（ビームライン：BL20XU）を用いて明らかにする．主な研究目標は，① 放射光X線マイクロ/ナノCT技術の高度化とin-situ疲労試験システムの開発，② 高強度鋼とチタン合金の２系統の材料における内部き裂発生・進展・停留挙動の解明，③ 超高サイクル疲労評価コードの開発，の３つである．2022年度は，このうち②の一部（チタン合金に注力）と③に取組む計画とし，以下の3項目を行った．(1) (α+β)型合金Ti-6Al-4Vを対象とする実験　　き裂の停留挙動に注目した観察を行い，表面き裂と内部き裂の停留限界を測定した．また，内部き裂の初期進展に関連すると考えられているき裂先端周囲の微細組織形成過程を観察した．その結果，き裂上下面の繰返し接触によりき裂面の一部に凝着が生じ，微細組織形成が助長される可能性を示した．(2) β型合金Ti-22V-4Alを対象とする実験　　結晶粒を起点とする内部き裂の非破壊検出に成功し，き裂発生寿命およびき裂進展速度を明らかにした．この結果と破面観察を組合わせることで，内部き裂進展がどのように進むのかを定量化した．(3) 超高サイクル疲労評価コードの開発　　昨年度に開発した超高サイクル疲労破壊過程を記述するプロトタイプモデルに対し，二つの応力におけるCT情報を組込む改良を行い，幅広い応力範囲に適用できるようにした．このモデルに基づきモンテカルロ解析を行った結果，表面破壊と内部破壊からなる二重S-N特性を定量的に再現することができた．

本研究的目的是阐明高强度金属材料发生超高周疲劳失效的机理并开发评估方法。我们使用沉淀硬化不锈钢（SUS630）和两种钛合金（（α+β）型Ti-6Al-4V和β型Ti-22V-4Al）研究了材料内部出现的微裂纹行为。使用同步加速器 X 射线微/纳米 CT（光束线：BL20XU）在 SPring-8 上显示。主要研究目标是（1）同步辐射X射线微纳CT技术的进步和原位疲劳测试系统的开发，（2）两类材料的内部裂纹萌生、扩展和保持：高这三个步骤是：阐明行为，以及（3）制定超高周疲劳评估规范。 2022财年，我们计划开展②部分（以钛合金为主）和③部分的工作，目前已开展了以下三项工作。 (1)以(α+β)型合金Ti-6Al-4V为对象进行了裂纹保持行为观察，测量了表面裂纹和内部裂纹的保持极限。我们还观察了裂纹尖端周围的微观结构形成过程，这被认为与内部裂纹的初始扩展有关。结果表明，裂纹上下表面的反复接触可能会导致部分裂纹表面粘附，促进微观结构的形成。 (2)针对β型合金Ti-22V-4Al的实验成功地无损检测​​出源自晶粒的内部裂纹，并明确了裂纹萌生寿命和裂纹扩展速率。通过将这些结果与断裂表面观察相结合，我们量化了内部裂纹的扩展方式。 (3)超高周疲劳评价代码的开发去年开发的描述超高周疲劳断裂过程的原型模型通过结合两个应力水平的CT信息进行了改进，使其适用于较宽的应力范围．基于该模型的蒙特卡罗分析结果，我们能够定量再现由表面断裂和内部断裂组成的双S-N特征。

项目成果

In situ Observation of Small Fatigue Cracks in High-strength Metals using Synchrotron Radiation Micro and Nano Computed Tomography

使用同步辐射微纳米计算机断层扫描原位观察高强度金属中的小疲劳裂纹

• 发表时间: 2022
• 期刊: Proceedings of the 7th International Conference on Advanced Steels, ICAS 2022
• 作者: Katayama Ikuo;Abe Natsue;Okazaki Keishi;Hatakeyama Kohei;Akamatsu Yuya;Michibayashi Katsuyoshi;Godard Marguerite;Kelemen Peter;Nakamura Takashi
• 通讯作者: Nakamura Takashi

Initiation and early growth behaviors of an internal fatigue crack in beta titanium alloy via synchrotron radiation multiscale computed tomography

通过同步辐射多尺度计算机断层扫描研究β钛合金内部疲劳裂纹的萌生和早期扩展行为

• 发表时间: 2022
• 作者: Xue Gaoge

Gigacycle fatigue of high-strength steel caused by MnS inclusions

• DOI: 10.1016/j.msea.2021.141840
• 发表时间: 2021-09
• 期刊: Materials Science and Engineering A-structural Materials Properties Microstructure and Processing
• 影响因子: 6.4
• 作者: Y. Furuya

Detection of small internal fatigue cracks in Ti‐6Al‐4V via synchrotron radiation nanocomputed tomography

通过同步辐射纳米计算机断层扫描检测 Ti-6Al-4V 中的细小内部疲劳裂纹

• DOI: 10.1111/ffe.13765
• 发表时间: 2022
• 期刊: Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures
• 影响因子: 3.7
• 作者: Xue Gaoge;Tomoda Yuta;Nakamura Takashi;Fujimura Nao;Takahashi Kosuke;Yoshinaka Fumiyoshi;Takeuchi Akihisa;Uesugi Masayuki;Uesugi Kentaro
• 通讯作者: Uesugi Kentaro

Characterization of internal fatigue crack initiation in Ti‐6Al‐4V alloy via synchrotron radiation X‐ray computed tomography

• DOI: 10.1111/ffe.13957
• 发表时间: 2023-02
• 期刊: Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures
• 作者: Fumiyoshi Yoshinaka;Takashi Nakamura;H. Oguma;N. Fujimura;A. Takeuchi;M. Uesugi;K. Uesugi