超高サイクル疲労
介在物の周囲の破面には、微細な凹凸が顕著な領域が存在することが多い。この領域の大きさは介在物サイズのおおよそ2倍から6倍程度で、数十 μm 程度の規模である。この領域は、光学顕微鏡で観察すると暗く見えることからODA(英: Optically Dark Area)と呼ばれたり、走査型電子顕微鏡で観察すると白く輝いて見えることからGBF(英: Granular Bright Facet)と呼ばれたり、細粒状の領域であることからFGA(英: Fine Granular Area)と呼ばれたりする(以下、便宜的に本記事ではFGAと呼ぶ)。FGAは、表面起点で疲労破壊した破面や、10 回未満の短寿命域で内部破壊した場合の破面には存在しないことから、超高サイクル疲労の大きな特徴に位置づけられる。
FGAは超高サイクル疲労を理解する鍵と目されているが、その形成メカニズムはいくつかの説が提案されている段階で、研究者間での統一的見解はまだ確立していない。提案されている形成メカニズムとしては以下のものがある。
介在物周辺にトラップされた水素が繰返し応力と連成し、き裂形成を助長することでFGAが形成されるという説
介在物周辺に存在する微細炭水化物が剥離することで多数の微小なき裂が生まれ、連結・合体することでFGAが形成されるという説
介在物周辺の結晶組織が微細化することで空隙・剥離が生まれ、これらが連結・合体することでFGAが形成されるという説
破面の叩き合いが大気が欠如した環境下で長期間なされることでFGAが形成されるという説
超高サイクル疲労の試験において問題となるのが、疲労試験の長期化である。従来使われている一般的な疲労試験機の試験速度(荷重繰り返し周波数)は、数十 Hz 程度である。例えば 50 Hz で疲労試験を行った場合、10 回の繰返し数を負荷するには200日以上の時間を要する。さらに、S-N曲線を割り出すには複数回の試験を要するので、試験完了までには数年がかかる。こういった試験自体にかかる莫大な時間と手間は超高サイクル疲労の研究上の困難の一つで、この問題を解決する試験技術の開発自体も超高サイクル疲労研究の一部を成している。
超高サイクル疲労試験の時間とコストを減らし、極めて有効な試験方法と目されるのが超音波疲労試験である。超音波疲労試験では、ピエゾ素子を使って生み出した超音波弾性波を試験片に伝え、試験片を高周波で共振させ、共振変形から生み出される応力を試験片に与える。超音波疲労試験機で与えられる試験速度は、現実の諸条件の制約もあって 20 kHz 程度に設定されることが多い。20 kHz で疲労試験を行った場合、10 回の繰返し数を負荷するのに 14 時間程度しかかからない。10 回までかけたとしても、所要試験時間は 6 日程度で済む。従来型疲労試験機では困難だった超高サイクル疲労試験も、超音波疲労試験機によって容易に実行可能となる。