熱疲労破壊

図1 AC2B合金溶体化処理材の熱疲労試験後のTEM明視野像

 熱疲労破壊は、 熱サイクルを受ける部材が何らかの拘束を受けることで熱応力が発生するか、これに外力が重畳し破壊に至る現象である(解説1,2)。これまで、熱機関のピストン、シリンダーヘッドなどのアルミニウム鋳物材料、排気マニホールド用の鋳鉄などを評価してきた。その中で、DAS、ポロシティー、共晶シリコン粒子の形態(以上、論文1,2)や表面冷間硬化処理の影響の評価(論文3,4)、逆位相・同位相の熱疲労と定温低サイクル疲労の比較(論文5)などを行ってきた。また、マルチステップ・シミュレーションを用い、アルミニウム鋳物中のシリコン粒子の損傷挙動も明らかにした(論文2)。実験的にも、Srによる改良処理によりシリコン粒子が微細化され、損傷発生が抑制され、熱疲労特性が向上する事を確認している(論文1)。表面冷間加工処理の効果に関しては、比較的安定な加工組織と表面欠陥低減の効果により熱疲労寿命が有意に改善されることによる(論文3,4)。興味深いことに、AC2Bアルミニウム鋳物で、熱疲労負荷中にθ'-Al2Cu析出物が高温時の圧縮方向と垂直に配向することを見出している(論文6)。図1は、溶体化直後の材料をεmech=0.5%、50〜250℃で熱疲労試験した場合に破断後に観察した析出物のTEM明視野像である。同位相の場合には負荷方向に平行に、また逆位相の場合には負荷方向に垂直に析出物が配向する。これは、板状析出物の盤面に垂直な方向に存在する大きな負のミスフィット歪みによる応力時効の効果である。これを積極的に活用した熱疲労寿命向上法も報告している(論文7)。

図2 スマートコーティングによる熱疲労抵抗改善

図2に示すように、同位相熱疲労特性を向上させたい場合、予め逆位相のより穏やかな熱機械負荷をかけて析出物を負荷方向に垂直に優先配向させる。ここで、σ0.2は負荷軸方向とそれに垂直な方向の0.2%耐力の差である。また、図中のシンボルは様々な予備処理を示す(論文7に詳述)。これにより、同位相熱疲労中に析出物が負荷方向に平行に配向するのを抑制でき、有意な長寿命化が図られている。

図3 析出物配向予備処理の効果。(a)同位相熱疲労寿命と(b)静的強度の異方性(縦軸のΔσ0.2は,負荷軸方向とそれに垂直な方向の0.2%耐力の差)は,いずれも負荷方向への析出物配向割合で整理できる

 この他、全く新しい発想によるスマートコーティングも発表している(図3)。これは、き裂開口の大きな同位相熱疲労の特徴を逆に利用したものである。き裂発生後に最高温度付近で溶融したコーティング材がき裂に含浸し、降温時に凝固してき裂開閉口現象を生じさせる。これによりき裂の進展駆動力が有効に減少し、発生した熱疲労き裂の進展を阻止するという効果が示されている。

関連解説論文

  1. 戸田裕之,小林正和:材料の熱疲労破壊,軽金属,Vol.59,No.6,2009,312-319
  2. 戸田裕之,小林俊郎,疲労試験,鋳造工学,Vol.76,No.6,2004,548-552

投稿論文

  1. 金曽誠,西戸誠志,小林俊郎,戸田裕之,AC4CHアルミニウム合金鋳物における熱機械疲労特性および機械的性質に及ぼすミクロ組織の影響,鋳造工学,Vol.74,No.11,2002.699-705
  2. H. Toda, J. Katano, T. Kobayashi, T. Akahori and M. Niinomi, Assessment of thermo-mechanical fatigue behaviors of cast Al-Si alloys by experiments and multi-step numerical simulation, Materials Transactions, Vol.46, No.1, 2005, 111-117(日本鋳造工学会小林賞受賞)
  3. 戸田裕之、福永哲也、小林正和、上杉健太朗、小林俊郎、山田 徹、大場義夫、柿崎みな子,表面冷間加工処理を施したAC4CHアルミニウム合金鋳物の熱機械疲労特性,軽金属,Vol.58,No.6,2008,236-241
  4. 戸田裕之、小林正和、新原智晴、山田徹、大場義夫、柿崎みな子,表面冷間加工処理を施したAC4Bアルミニウム合金鋳物の熱機械疲労特性,軽金属,Vol.60,No.4,2010,190-191
  5. L. Qian, Z.G. Wang, H. Toda and T. Kobayashi, Effect of reinforcement volume fraction on the thermo-mechanical fatigue behavior of SiCw/6061 Al composites, Materials Science & Engineering. A, Vol.1A357, No.1-2, 2003, 240-247
  6. M. Toyoda, H. Toda, H. Ikuno, T. Kobayashi, M. Kobayashi, K. Matsuda, Preferential orientation of precipitates during thermo-mechanical cyclic loading in an aluminum alloy, Scripta Materialia, Vol.56, 2007, 377-380
  7. H. Toda, T. Fukunaga and M. Kobayashi Improvement of thermomechanical fatigue life in an age-hardened aluminum alloy, Scripta Materialia, Vol. 60, 2009, 385-387
  8. H. Toda, M. Toyoda, T. Kobayashi, T. Akahori and M. Niinomi, Feasibility study on smart coating for failure prevention under thermo-mechanical fatigue loading, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 17, 2006, 1099-1103