(57)【要約】【課題】  機器の損傷を最小限にしつつ、精度の高い予寿命予測を行うこと。【解決手段】  機器の予寿命予測対象部位のユニバーサル硬さＨＵを測定し、材料の硬化指数ｎを、式ｎ＝Ｃ［ｄＨＵ／ｄ(logＰ)］＋Ｄ（Ｐ：ユニバーサル硬さ測定時の試験荷重、Ｃ及びＤ：材料によって決まる定数）により求め、材料の応力とひずみの関係を式σ＝Ｋεｎ（σ：応力、ε：ひずみ、ｎ：硬化指数、Ｋ：材料によって決まる定数）を用いて近似する。この式σ＝Ｋεｎに基づいて、ひずみ範囲Δεtに対応するヒステリシスループの応力範囲Δσを求め、予め実験的に求めておいたひずみ繰返し回数Ｎnと応力範囲Δσとの関係に基づいて材料が受けたひずみ繰返し回数Ｎnを求める。予め実験的に求めておいた材料の寿命Ｎfからひずみ繰返し回数Ｎnを減算することにより、予寿命を推定する。【選択図】  図５
2007057325.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振幅一定の繰返しひずみを受け硬化または軟化する材料からなる機器の予寿命予測方法であって、
前記機器の予寿命予測対象部位のユニバーサル硬さＨＵを測定する工程と、
前記ユニバーサル硬さＨＵに基づいて、前記予寿命予測対象部位の応力とひずみの関係を求める工程と、
前記関係に基づいて、前記予寿命予測対象部位に繰返しひずみを与えた場合の応力ひずみヒステリシスループの応力範囲を求める工程と、
前記応力範囲から前記予寿命予測対象部位が受けた繰返しひずみの回数を求め、前記繰返しひずみの回数と、前記寿命予測対象部位を構成する材料と同等の疲労特性を有する材料に前記振幅一定の繰返しひずみを与えた場合の既知の疲労寿命から、予寿命を求める工程と、
を備えたことを特徴とする予寿命予測方法。
【請求項２】
振幅一定の繰返し応力を受け硬化または軟化する材料からなる機器の予寿命予測方法であって、
前記機器の予寿命予測対象部位のユニバーサル硬さＨＵを測定する工程と、
前記ユニバーサル硬さＨＵに基づいて、前記予寿命予測対象部位の応力とひずみの関係を求める工程と、
前記関係に基づいて、前記予寿命予測対象部位に繰返し応力を与えた場合の応力ひずみヒステリシスループのひずみ範囲を求める工程と、
前記ひずみ範囲から前記予寿命予測対象部位が受けた繰返し応力の回数を求め、前記繰返し応力の回数と、前記寿命予測対象部位を構成する材料と同等の疲労特性を有する材料に前記振幅一定の繰返し応力を与えた場合の既知の疲労寿命から、予寿命を求める工程と、
を備えたことを特徴とする予寿命予測方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の予寿命予測方法において、
前記応力とひずみの関係を下式
σ＝Ｋεｎ（σ：応力、ε：ひずみ、ｎ：硬化指数、Ｋ：材料によって決まる定数）
を用いて近似するとともに、
前記硬化指数ｎを、下式
ｎ＝Ｃ［ｄＨＵ／ｄ(logＰ)］＋Ｄ（Ｐ：ユニバーサル硬さ測定時の試験荷重、Ｃ及びＤ：材料によって決まる定数）
に基づいて求めることを特徴とする予寿命予測方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の予寿命予測方法において、
機器の使用期間中、異なる時期に複数回のユニバーサル硬さＨＵ測定を実施し、これら複数回の測定結果に基づいて前記予寿命予測対象部位が受けた繰返しひずみ又は応力の回数を特定することを特徴とする予寿命予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ひずみを繰返し受けることにより応力とひずみとの関係が変化する材料から構成される機器の予寿命を予測する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、疲労寿命評価を行う場合には、応力解析により機器の評価対象部位のひずみ範囲（あるいは応力範囲）を求め、これを当該機器を構成する材料と同一の材料あるいは機械的性質が同等とみなせる相当材料を用い実験室で小型試験片による材料試験によって求めた繰返しひずみ範囲（あるいは応力範囲）と疲労寿命の関係からなる疲労線図に当てはめ、疲労寿命を求めている。しかし、この方法では、単に評価対象部位の新品時を基準とした寿命をおおまかに推定できるにすぎず、ある程度の期間使用した機器の予寿命を精度良く予測することは不可能である。
【０００３】
ところで、材料は、一般に疲労の進行過程で、ひずみまたは応力を繰返し受けることにより硬化または軟化する。ここで、疲労の進行過程における応力範囲の変化について、高温機器の疲労損傷形態として一般的な低サイクル疲労を例にとって説明すると、疲労過程において運転中の温度変動に対応し局所的なひずみが変化するひずみ制御型の繰返し負荷を受けると、機器の構成材料は、疲労繰返し回数の増加に伴い応力範囲が増加する繰返し硬化挙動、あるいは疲労繰返し回数の増加に伴い応力範囲が減少する繰返し軟化挙動、あるいは前記繰返し硬化と繰返し軟化が連続的に組合された繰返し硬軟化挙動を示す。このような疲労過程での材料の硬化または軟化挙動は、材料の種類、温度および繰返しひずみの大きさ等に依存すること、また硬軟化に伴い変化する応力の大きさが疲労寿命に影響を及ぼすことが判っている。よって、材料の硬軟化挙動を疲労損傷の評価に反映することができれば、疲労寿命の予測精度を上げることができる。
【０００４】
ところが、このような材料の硬軟化挙動は、実験室で行われる材料試験ではロードセル等の応力センサーを用い容易に測定することができるが、実機では評価対象部位にこのようなセンサーを取付けることが困難な場合が多い。また、解析により求める方法もあるが、解析誤差が予寿命推定精度に大きく影響する懸念がある。
【０００５】
このような点を考慮した機器の予寿命予測方法が、例えば特許文献１に開示されている。ここに開示された方法は、評価対象部位近傍からサンプルを採取して引張試験を行い、測定された引張強さおよび絞り、サンプルを採取した部分のビッカース硬さ、並びに実際に評価対象となっている部位のビッカース硬さに基づいて、ランガーの式を用いて予寿命を予測するものである。
【０００６】
この方法は、評価部位の材料そのものを使うこと、さらに評価部位が実際に受けた損傷履歴を直接評価に反映できることから、精度の高い疲労寿命予測が得られる有効な手段と考えられる。ただし、試料サンプリングにより製品の表面を傷つけることから、充分な試料サイズを確保することが困難な場合がある。また、試料を切出した後に、溶接等による埋め戻し等の事後処理が必要となる場合がある。よって、できる限り小さなサンプリング試料であることが好ましく、理想的には非破壊的な手法が望まれる。
【特許文献１】特開平５−１５７６７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、寿命予測の対象となる機器を構成する材料の疲労過程での応力範囲（またはひずみ範囲）を疲労寿命評価の計算に反映させとにより精度の高い疲労寿命予測を可能としつつ、かつ、評価対象機器に与える損傷を極小化することができる予寿命予測方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は、振幅一定の繰返しひずみ（または繰返し応力）を受け硬化または軟化する材料からなる機器の予寿命予測方法であって、前記機器の予寿命予測対象部位のユニバーサル硬さＨＵを測定する工程と、前記ユニバーサル硬さＨＵに基づいて、前記予寿命予測対象部位の応力とひずみの関係を求める工程と、前記関係に基づいて、前記予寿命予測対象部位に繰返しひずみ（または繰返し応力）を与えた場合の応力ひずみヒステリシスループの応力範囲を求める工程と、前記応力範囲（またはひずみ範囲）から前記予寿命予測対象部位が受けた繰返しひずみ（または繰返し応力）の回数を求め、前記繰返しひずみ（または繰返し応力）の回数と、前記寿命予測対象部位を構成する材料と同等の疲労特性を有する材料に前記振幅一定の繰返しひずみを（または繰返し応力）与えた場合の既知の疲労寿命から、予寿命を求める工程とを備えた予寿命予測方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１０】
［第１の実施の形態］
まず、本発明の第１の実施の形態について説明するが、その前にまず、本発明方法の原理について説明する。
【００１１】
振幅一定（ひずみの振幅が一定）の繰返しひずみを材料に与えた場合、応力σとひずみεの関係は、図１に示すような応力ひずみヒステリシスループを描く。疲労の進行に伴い応力範囲Δσは図２または図３のように変化する。材料の状態およびひずみ範囲Δεt等の荷重負荷条件が同じであるならば、応力範囲Δσの大きさは同じになる。
【００１２】
ここで、図２のように疲労の進行すなわち繰返し回数Ｎの増加とともにΔσが増加する挙動は繰返し硬化、図３のように繰返し回数の増加とともにΔσが減少する挙動は繰返し軟化と呼ばれる。（なお、繰返し硬化を示す材料であっても、疲労により発生したき裂が著しく進展する疲労の末期には見かけ上Δσが低下するが、そのような疲労末期の評価は本発明の対象から除くことは言うまでもない。）
【００１３】
ここで、繰返し回数の増加に伴うヒステリシスループの変化を、繰返し硬化の場合を例として図４に示す。繰返し数の増加により、ヒステリシスループの形は縦に伸ばされたようになり、弾性変形の領域を除き全体的にループの傾きは急になり、同じひずみ範囲Δεtに対応する応力範囲は(Δσ)１から(Δσ)２のように増加する。本発明は、以上のような繰返しひずみを受けたことに伴い生じる応力範囲Δσの変化を利用して、予寿命予測を行うものである。
【００１４】
しかし、背景技術の項でも述べたように、ヒステリシスループを評価対象機器から切り出した試験片により実際に試験を行って求めようとするならば、機器には無視することのできない損傷が生じる。そこで、本発明方法においては、ヒステリシスループをユニバーサル硬さ試験のデータから導出することとした。
近年、硬さ試験における圧子の押し込み深さと荷重Ｐを用い求められるユニバーサル硬さＨＵが引張強さなどの材料の機械的性質と相関性があることが報告されている（参考：片山ら，ユニバーサル硬さ試験による材料特性値の評価，材料試験技術Vol.43，No.2，p.148，1998年）。
【００１５】
また、Yasudaら（文献：A new method for evaluating stress-strain properties of metals using ultra-microhardness technique，Journal of Nuclear Materials，Vol.187，p.109，1992年）は、材料の応力σとひずみεの関係を記述するべき乗則σ＝Ｋεｎ（Ｋは材料によって決まる定数）のなかの硬化指数ｎが、ｎ＝Ｃ［ｄＨＵ／ｄ(logＰ)］＋Ｄ（Ｃ及びＤは材料によって決まる定数）なる関係で、ユニバーサル硬さＨＵの関数として記述できることを報告している。本発明方法は、式ｎ＝Ｃ［ｄＨＵ／ｄ(logＰ)］＋Ｄに基づいて硬化指数ｎを求め、このｎを式σ＝Ｋεｎに適用して応力とひずみの関係を求める。そして、εに前記ひずみ範囲Δεtを当てはめて、応力範囲Δσを求めるものである。
【００１６】
どの程度の疲労損傷を受けたか判らない材料であっても、応力範囲Δσが求まれば、求めた応力範囲Δσを既知の繰返し硬化線図、繰返し軟化線図または繰返し硬軟化線図に当てはめることにより、現時点までに受けた繰返しひずみの回数を求めることができ、これにより予寿命を予測することが可能となる。
【００１７】
次に、本発明方法を実施するための具体的手順について、図５乃至図８を参照して説明する。
【００１８】
まず、機器の予寿命予測対象部位のユニバーサル硬さＨＵを測定する。この硬さ測定は、寿命予測対象部位から切り出されたサンプルを用いて行われる。このとき、薄膜の強度測定用に近年開発されている超微小硬度計を使用することが好適である。この超微小硬度計は微少なサンプルしか必要としないため、機器すなわち予寿命予測対象部位のサイズにもよるが、サンプルを切り出すことによって予寿命予測対象部位への強度上の影響が無視できる程度であれば、サンプルの埋め戻しなどの事後処理も不要となる。なお、予寿命予測対象部位のユニバーサル硬さＨＵを十分な精度で実施できるのであれば、サンプルを切り出すことなく、予寿命予測対象部位の硬さを直接測定してもよい。この場合には、機器表面には硬さ測定で圧子が押し込められた微小な圧痕が残るだけで、実質的には非破壊的方法であると言える。仮にその圧痕の除去が必要になっても、サンプリング試料の切出し跡の処理に比べれば、その処理は遥かに容易である（以上、ステップＳ１）。
【００１９】
次に、ステップＳ１で測定したユニバーサル硬さＨＵに基づいて、式ｎ＝Ｃ［ｄＨＵ／ｄ(logＰ)］＋Ｄに基づいて材料の硬化指数ｎを求める（以上、ステップＳ２）。
【００２０】
次に、ステップＳ２で求めた硬化指数ｎを式σ＝Ｋεｎに代入して応力とひずみの関係（単調負荷での応力ひずみ線図）を求める。ここで求めた応力ひずみ線図は、図６において、符号３で示される（以上、ステップＳ３）。
【００２１】
次に、ステップＳ２で求めたσ＝Ｋεｎで表される応力とひずみの関係に基づいて、予寿命予測対象部位に繰返しひずみを与えた場合の応力ひずみヒステリシスループの応力範囲を求める。すなわち、図６に示す応力ひずみ線図３の上で、予寿命予測対象部位の負荷条件であるひずみ範囲Δεtの半分のひずみ振幅に相当するひずみ値Δεt／２に対応する応力値から、ヒステリシスループ１の応力範囲の半分に当たるΔσ／２を求め、応力ひずみヒステリシスループ１の応力の最大ピークと最小ピーク間に相当する応力範囲Δσの値を求める（以上、ステップＳ４）。
【００２２】
なお、ステップＳ４に記載の手段では、実際に予寿命予測対象部位から切り出された試験片により測定する場合ほどにヒステリシスループの形が再現できるわけではない。しかし、本発明方法の実施にあたっては、ヒステリシスループの応力範囲のΔσ値のみが問題となるため、ヒステリシスループの形が完全に再現できないこと自体は問題ではない。実際のところ、任意の条件下において繰り返しひずみを受けた試験片で実際に測定されたヒステリシスループの形状は、図６に示すように、そのピーク近傍において、その試験片で測定されたユニバーサル硬さに基づいて求められたσ＝Ｋεｎで表される応力ひずみ線図３とほぼ一致する。本発明においては、この事実が重要であり、かつそれで十分である。
【００２３】
次に、予め別途求めておいた繰返し硬化挙動線図２（図７右側参照）に、ステップ３にて求めたΔσの値を当てはめることにより、当該評価時までの疲労繰返し数Ｎnを求める（以上、ステップＳ５）。
【００２４】
そして最後に、材料の既知の寿命Ｎfから疲労繰返し回数（材料が受けたひずみ繰り返し回数）Ｎnを減じ、これにより機器の予寿命を求める（以上ステップＳ６）。
【００２５】
なお、ステップＳ５およびＳ６において用いられる図７に示される繰返し硬化挙動線図２およびそこに示される材料の寿命Ｎfは、疲労評価対象とする材料あるいは同等な材料を用い、小型の疲労試験片によるひずみ範囲Δεtを一定とした疲労試験により求めておけば良い。それらの関係をデータベースとして備えておけば、前記の処理を迅速に行うことができる。なお、材料が繰返し軟化挙動を示すものであっても、同様にして予寿命を推定することができる。
【００２６】
なお、材料あるいは負荷条件によっては、図８に示すように、ヒステリシスループの応力範囲Δσが上下する硬軟化挙動を示す場合がある。この場合、硬軟化挙動線図２２上には、同一のΔσを示す繰返し数回Ｎが複数点存在する。このような材料および負荷条件に対しては、複数の時点において硬さ測定および応力範囲の算出を行うことにより、実際の繰返し回数Ｎを特定することができ、これにより精度の高い疲労寿命予測を行うことができる。
【００２７】
［第２の実施の形態］
次に、図９を参照して第２の実施の形態について説明する。本実施形態は、振幅一定（応力の振幅が一定）の繰返し応力を受け硬化または軟化する材料からなる機器の予寿命予測方法に関する。
【００２８】
ひずみを繰返し受けた場合と同様に、応力を繰返し受けた場合においても材料は硬化または軟化する。この場合、材料の硬軟化は応力ひずみヒステリシスループのひずみ範囲の変化として現れるが、その場合でも第１の実施の形態と同様の考え方に基づいて、疲労寿命を予測することができる。
【００２９】
次に、第２の実施の形態に係る具体的な手順について説明する。
【００３０】
まず、第１の実施の形態と同様にしてステップＳ１乃至Ｓ３を実行し、式σ＝Ｋεｎにより表現される応力ひずみ線図を求める。
【００３１】
次に、σ＝Ｋεｎで表される応力ひずみ線図に基づいて、予寿命予測対象部位に繰返し応力を与えた場合の応力ひずみヒステリシスループのひずみ範囲Δεtを求める。次に、別途求めておいた図９に示す繰返し硬化挙動線図２１に、前記のΔεtの値を当てはめ、当該評価時までの応力繰返し回数Ｎnを求め、最後に、材料の既知の寿命Ｎfから応力繰返し回数（材料が受けた応力繰り返し回数）Ｎnを減じ、これにより機器の予寿命を求める。なお、これらのステップは第１の実施の形態のステップＳ４乃至Ｓ６と同様の考え方に基づいて、ステップＳ４乃至Ｓ６の説明における「ひずみ」を「応力」と、「応力」を「ひずみ」と読み替えることにより実施可能である。
【００３２】
また、繰返し硬化挙動線図２１は、応力範囲一定の材料疲労試験により求めることができる。なお、図９に示す硬化挙動線図２１は、繰返し硬化を示す材料によるものであることから、下に凸の線図になる。もし、材料が繰返し軟化を示す材料であれば、繰返し硬化挙動線図の形は上に凸となるが、その場合でもΔεtの値から疲労繰返し数Ｎnを求める手法は、図９に示すものと全く同じである。
【００３３】
本発明によれば、機器の損傷を最小限にしつつ、精度の高い予寿命予測を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】繰返しひずみを材料に与えた場合に得られる応力ひずみヒステリシスループを示す図。
【図２】繰返し硬化挙動を示す材料の応力範囲と繰返し回数の関係を示す模式的に示す線図。
【図３】繰返し軟化挙動を示す材料の応力範囲と繰返し回数の関係を示す模式的に示す線図。
【図４】材料の繰返し硬化挙動に伴う応力ひずみヒステリシスループの変化を示す図。
【図５】本発明方法の第１の実施の形態の実施手順を示すフローチャートを示す図。
【図６】繰返しひずみを材料に与えた場合に得られる応力ひずみヒステリシスループと単調負荷による応力ひずみ線図の関係を模式的に示す図。
【図７】第１の実施の形態におけるステップＳ５およびＳ６を説明する図。
【図８】繰返し硬化軟化挙動を示す材料の場合の、繰返し回数の決定方法を説明するための図。
【図９】本発明の第２の実施の形態の疲労寿命予測方法を示す模式図
【符号の説明】
【００３５】
１  応力ひずみヒステリシスループ
２  繰返し硬化挙動線図
２１  繰返し軟化挙動線図
２２  繰返し硬軟化挙動線図
３  単調負荷での応力ひずみ線図
Δσ  応力範囲
Δεt  ひずみ範囲
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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