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

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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．