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．

The purpose of this study is to produce high strength metal materials, such as ultra-high strength metal materials, high strength metal materials and high strength metal materials. Precipitation hardening system steel (SUS630) and two kinds of alloy ((α+β) Ti-6Al-4V and β Ti-22V-4Al) are used for the analysis of microcracks generated in the interior of the material. The main research objectives are as follows: (1) development of advanced and in-situ fatigue test system of X-ray CT technology;(2) internal crack development, progress, and solution of residual motion in materials of high strength steel and alloy systems;(3) development of ultra-high strength fatigue test system;(3) part of the research in 2022. The following three items are included in the plan. (1)(α+β)-type alloy Ti-6Al-4V has been studied for its surface crack and internal crack. The relationship between the initial development of internal cracks and the micro-tissue formation process of internal cracks was investigated. As a result, contact between the upper and lower surfaces of the cracks shows the possibility of condensation on one part of the crack surface and the formation of fine tissues. (2)β-type alloy Ti-22V-4Al has a high growth rate and a high growth rate. The results of this study were analyzed quantitatively. (3)A description of the development process of the ultra-high-temperature CT system in the past year is given to the improvement of CT information composition, and the application of the ultra-high-temperature CT system in the future. The results of the analysis show that the surface and internal damage of the double S-N characteristics are quantitatively reproduced.

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

Initiation and propagation process of small fatigue crack in beta titanium alloy via multiscale synchrotron radiation computed tomography

多尺度同步辐射计算机断层扫描β钛合金细小疲劳裂纹的萌生和扩展过程

• 发表时间: 2021
• 作者: Gaoge Xue;Takashi Nakamura;Nao Fujimura;Hiroyuki Oguma;Akihisa Takeuchi;Masayuki Uesugi;Kentaro Uesugi
• 通讯作者: Kentaro Uesugi