JP7705044B2 - Fatigue evaluation method and fatigue evaluation program - Google Patents
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Description
本発明は、疲労評価方法及び疲労評価プログラムに関する。 The present invention relates to a fatigue assessment method and a fatigue assessment program.
自動車部品や鉄道車両部品、橋梁をはじめとした鉄鋼製品の安全性確保・長寿命化が社会的に重要な課題となっており、鉄鋼材料の高疲労強度化が求められている。高疲労強度化を実現するための設計指針を得るためには、高疲労強度化の効果の定量化や疲労寿命の予測技術を確立する必要がある。 Ensuring the safety and extending the lifespan of steel products, including automobile parts, railway vehicle parts, and bridges, has become an important social issue, and there is a demand for high fatigue strength steel materials. In order to obtain design guidelines for achieving high fatigue strength, it is necessary to quantify the effects of high fatigue strength and establish technology for predicting fatigue life.
特開2017-187472号公報には、繰返し荷重が構造物に作用した場合に構造物に生じる疲労損傷を高い精度で評価する疲労評価方法が開示されている。この疲労評価方法は、試験体の試験結果とシミュレーションの結果とを比較して収束条件を満たすか判定し、収束条件を満たさない場合にはシミュレーションの条件を調整し、収束条件を満たす場合にはシミュレーションの条件を確定して、確定したシミュレーションの条件を用いて解析対象の疲労損傷を評価する。 JP 2017-187472 A discloses a fatigue evaluation method for evaluating with high accuracy the fatigue damage that occurs in a structure when repeated loads act on the structure. This fatigue evaluation method compares the test results of a test specimen with the results of a simulation to determine whether the convergence conditions are met, adjusts the simulation conditions if the convergence conditions are not met, and confirms the simulation conditions if the convergence conditions are met, and evaluates the fatigue damage of the analysis target using the confirmed simulation conditions.
特許第2791174号公報には、電子部品はんだ接続寿命評価法が開示されている。この評価法は、電気回路機器のはんだ接続部に発生するせん断ひずみを求める第1工程と、予め有限要素法三次元熱弾性塑性解析から求めた相当ひずみ振幅と上記せん断ひずみとの関係から相当ひずみ振幅を求める第2工程と、予め温度サイクル試験後の破面解析によって求めたき裂進展速度と上記相当ひずみ振幅との関係を示すき裂進展速度式を求める第3工程と、上記相当ひずみ振幅とき裂の長さと寿命サイクル数との関係を示す寿命評価基準式より寿命を求める第4工程とからなる。 Patent Publication No. 2791174 discloses a method for evaluating the life of solder connections in electronic components. This evaluation method includes a first step of determining the shear strain occurring in the solder connections of electric circuit devices, a second step of determining the equivalent strain amplitude from the relationship between the equivalent strain amplitude previously determined by a three-dimensional thermo-elastic-plastic analysis using the finite element method and the shear strain, a third step of determining a crack growth rate equation showing the relationship between the crack growth rate previously determined by a fracture surface analysis after a temperature cycle test and the equivalent strain amplitude, and a fourth step of determining the life from a life evaluation criterion equation showing the relationship between the equivalent strain amplitude, the crack length, and the number of life cycles.
非特許文献1には、α鉄における疲労き裂の評価のためのミクロ組織のモデル化及び結晶塑性シミュレーションについて記載されている。同文献では、平均せん断ひずみ振幅(average shear strain amplitude)と、疲労指数パラメータ(Fatigue Indicator Parameter)との関係が議論されている。
Non-Patent
疲労特性に優れた鋼材を開発するためには、繰返し負荷が作用する際の応力やひずみの発生を把握し、疲労き裂発生機構を解明する必要がある。材料設計指針の決定においては、結晶粒径分布や結晶方位分布等の組織形態に依存する微視的な応力やひずみを把握し、高疲労強度化を実現するための最適な組織形態を探索する必要がある。また、高疲労強度化を実現できているかを判断するためには、組織形態の疲労損傷への影響を考慮した疲労評価方法が必要となる。 To develop steel with excellent fatigue properties, it is necessary to understand the generation of stress and strain when repeated loads are applied and to elucidate the mechanism of fatigue crack initiation. When determining material design guidelines, it is necessary to understand the microscopic stress and strain that depend on the microstructural morphology, such as the crystal grain size distribution and crystal orientation distribution, and to search for the optimal microstructural morphology to achieve high fatigue strength. Furthermore, to determine whether high fatigue strength has been achieved, a fatigue evaluation method that takes into account the effect of the microstructural morphology on fatigue damage is required.
本発明の課題は、組織形態の疲労損傷への影響を考慮した疲労評価方法、及び疲労評価プログラムを提供することである。 The objective of the present invention is to provide a fatigue evaluation method and a fatigue evaluation program that take into account the effect of tissue morphology on fatigue damage.
本発明の一実施形態による疲労評価方法は、複数の結晶すべり系の各々について、部品に繰返し負荷を作用させた際のせん断ひずみ範囲を算出する工程と、前記せん断ひずみ範囲の部品面外方向成分の総和を算出する工程と、を備える。 A fatigue evaluation method according to one embodiment of the present invention includes a step of calculating the shear strain range when a repeated load is applied to a part for each of a plurality of crystal slip systems, and a step of calculating the sum of the out-of-plane components of the shear strain range.
本発明の別の実施形態による疲労評価方法は、予め行われた複数の疲労試験のデータに基づいて、前記複数の疲労試験の各々について、(A)複数の結晶すべり系の各々について、試験片に繰返し負荷を作用させた際のせん断ひずみ範囲を算出する工程、(B)前記せん断ひずみ範囲の試験片面外方向成分の総和を算出する工程、及び(C)前記総和に基づいて前記試験片の損傷の指標である損傷指数を求める工程、を行う工程と、前記損傷指数と疲労寿命との関係であるマスターカーブを作成する工程と、上記(A)~(C)と同じ工程によって対象部品の損傷指数を求める工程と、前記対象部品の損傷指数及び前記マスターカーブに基づいて、前記対象部品の疲労寿命を予測する工程と、を備える。 A fatigue evaluation method according to another embodiment of the present invention includes the steps of: (A) calculating the shear strain range when a repeated load is applied to a test piece for each of a plurality of crystal slip systems for each of the plurality of fatigue tests based on data from a plurality of fatigue tests conducted in advance; (B) calculating the sum of the components of the shear strain range in the out-of-plane direction of the test piece; and (C) determining a damage index that is an index of damage to the test piece based on the sum; creating a master curve that is a relationship between the damage index and fatigue life; determining the damage index of the target part by the same steps as those (A) to (C) above; and predicting the fatigue life of the target part based on the damage index of the target part and the master curve.
本発明の一実施形態による疲労評価プログラムは、複数の結晶すべり系の各々について、部品に繰返し負荷を作用させた際のせん断ひずみ範囲を算出する工程と、前記せん断ひずみ範囲の部品面外方向成分の総和を算出する工程と、をコンピュータに実行させる。 The fatigue evaluation program according to one embodiment of the present invention causes a computer to execute the steps of: calculating the shear strain range for each of a plurality of crystal slip systems when a repeated load is applied to a part; and calculating the sum of the out-of-plane components of the shear strain range.
本発明の別の実施形態による疲労評価プログラムは、予め行われた複数の疲労試験のデータに基づいて、前記複数の疲労試験の各々について、(A)複数の結晶すべり系の各々について、試験片に繰返し負荷を作用させた際のせん断ひずみ範囲を算出する工程、(B)前記せん断ひずみ範囲の試験片面外方向成分の総和を算出する工程、及び(C)前記総和に基づいて前記試験片の損傷の指標である損傷指数を求める工程、を行う工程と、前記損傷指数と疲労寿命との関係であるマスターカーブを作成する工程と、上記(A)~(C)と同じ工程によって対象部品の損傷指数を求める工程と、前記対象部品の損傷指数及び前記マスターカーブに基づいて、前記対象部品の疲労寿命を予測する工程と、をコンピュータに実行させる。 A fatigue evaluation program according to another embodiment of the present invention causes a computer to execute the following steps for each of a plurality of fatigue tests based on data from a plurality of fatigue tests conducted in advance: (A) calculating the shear strain range for each of a plurality of crystal slip systems when a repeated load is applied to the test piece; (B) calculating the sum of the components of the shear strain range in the out-of-plane direction of the test piece; and (C) determining a damage index that is an index of damage to the test piece based on the sum; creating a master curve that is the relationship between the damage index and fatigue life; determining the damage index of the target part by the same steps as those (A) to (C) above; and predicting the fatigue life of the target part based on the damage index of the target part and the master curve.
本発明によれば、組織形態の疲労損傷への影響を考慮した疲労評価が可能になる。 The present invention makes it possible to perform fatigue evaluation that takes into account the effect of tissue morphology on fatigue damage.
微視的な応力やひずみを実験的に評価することが難しい場合、数値シミュレーションが有効な手段となる。結晶塑性解析は結晶学的なすべりに基づいて金属の塑性変形異方性を表現する数値解析手法であり、結晶粒レベルの微視的な応力やひずみを評価することができる。 When it is difficult to experimentally evaluate microscopic stress and strain, numerical simulation is an effective method. Crystal plasticity analysis is a numerical analysis method that expresses the anisotropy of plastic deformation of metals based on crystallographic slip, and can evaluate microscopic stress and strain at the crystal grain level.
本発明者は、過去に実施された疲労試験をモデル化して結晶塑性解析を実施し、実験で観測された疲労損傷箇所の分布を説明できる物理量(パラメータ)について検討した。 The inventors modeled previously conducted fatigue tests and performed crystal plasticity analysis to investigate physical quantities (parameters) that can explain the distribution of fatigue damage locations observed in the experiments.
解析対象の疲労試験は、極低炭素鋼の供試材から図1に示す形状の試験片を採取して行われたものである。図中の寸法の単位はmmである。試験片は板状で、紙面に垂直な方向の寸法(厚さ)は1mmである。図2は、電子線後方散乱回折(EBSD)による結晶方位解析を行って得られた、試験片中央付近の0.9mm×0.9mmの領域(図1の領域A)の結晶方位分布である。図3は、結晶方位解析で得られた結晶粒界の情報をもとに作成した多結晶モデルである。 The fatigue test to be analyzed was conducted on a test specimen of the shape shown in Figure 1 taken from an ultra-low carbon steel specimen. The dimensions in the figure are in mm. The test specimen is plate-shaped, with a dimension (thickness) perpendicular to the paper surface of 1 mm. Figure 2 shows the crystal orientation distribution in a 0.9 mm x 0.9 mm region near the center of the test specimen (region A in Figure 1), obtained by performing crystal orientation analysis using electron backscatter diffraction (EBSD). Figure 3 shows a polycrystalline model created based on the information on the crystal grain boundaries obtained by the crystal orientation analysis.
疲労損傷に関連する物理量の候補として、負荷方向応力、最大主応力、負荷方向塑性ひずみ、累計すべり等を検討した。しかし、これらの応力又はひずみが高くなる箇所と実験で観察された疲労損傷部との間には、明確な相関関係は認められなかった。 As candidates for physical quantities related to fatigue damage, we considered load direction stress, maximum principal stress, load direction plastic strain, cumulative slip, etc. However, no clear correlation was found between the locations where these stresses or strains were high and the fatigue damaged areas observed in the experiments.
さらに検討を進めた結果、「結晶構造に存在する複数のすべり系における、せん断ひずみ範囲の試験片面外方向成分の総和」が高くなる箇所と、実験で観察された疲労損傷箇所とがよく一致することを見出した。図4は、有限要素法(FEM)解析で得られた「結晶構造に存在する複数のすべり系における、せん断ひずみ範囲の試験片面外方向成分の総和」の分布であり、図5は、実験で観察された疲労損傷箇所を示す図である。図5において、ハッチングを付した箇所が疲労損傷箇所である。 After further investigation, it was found that the locations where the "sum of the components of the shear strain range in the out-of-plane direction of the test specimen in the multiple slip systems present in the crystal structure" was high closely matched the fatigue damage locations observed in the experiment. Figure 4 shows the distribution of the "sum of the components of the shear strain range in the out-of-plane direction of the test specimen in the multiple slip systems present in the crystal structure" obtained by finite element method (FEM) analysis, and Figure 5 shows the fatigue damage locations observed in the experiment. In Figure 5, the hatched areas are the fatigue damage locations.
ここで、「結晶構造に存在する複数のすべり系における、せん断ひずみ範囲の試験片面外方向成分の総和」について詳しく説明する。 Here, we will explain in detail "the sum of the components of the shear strain range in the out-of-plane direction of the test specimen in the multiple slip systems present in the crystal structure."
結晶塑性解析では、塑性変形がすべり面に沿う特定の方向にせん断(すべり)が生じると仮定して変形解析を行う。図6は、bcc結晶構造のすべり系を模式的に示す図である。bcc結晶構造の結晶塑性解析では、{110}<111>型の12すべり系と{112}<111>型の12すべり系とを合わせた合計24のすべり系、又はこれに{123}<111>型の24すべり系を加えた合計48のすべり系が用いられることが多い。本解析では、{110}<111>型の12すべり系と{112}<111>型の12すべり系とを合わせた合計24のすべり系を用いた。 In crystal plasticity analysis, deformation analysis is performed on the assumption that plastic deformation occurs as shear (slip) in a specific direction along the slip plane. Figure 6 is a schematic diagram of a slip system in a bcc crystal structure. In crystal plasticity analysis of a bcc crystal structure, a total of 24 slip systems, consisting of 12 slip systems of {110}<111> type and 12 slip systems of {112}<111> type, or a total of 48 slip systems, consisting of 24 slip systems of {123}<111> type, are often used. In this analysis, a total of 24 slip systems, consisting of 12 slip systems of {110}<111> type and 12 slip systems of {112}<111> type, were used.
図7は、せん断ひずみの時間変化を模式的に示す図である。「せん断ひずみ範囲」は、解析最終サイクルにおける、最小荷重時のせん断ひずみと最大荷重時のせん断ひずみとの差の絶対値である。このせん断ひずみ範囲を、上述した24のすべり系の各々について算出する。 Figure 7 is a diagram showing the change in shear strain over time. The "shear strain range" is the absolute value of the difference between the shear strain at the minimum load and the shear strain at the maximum load in the final cycle of the analysis. This shear strain range is calculated for each of the 24 slip systems mentioned above.
図8は、すべり面と試験片面外方向との関係を示す図である。せん断ひずみ範囲から、試験片面外方向成分を抽出し、考慮したすべてのすべり系(本解析では24すべり系)での総和を求める。この値が「結晶構造に存在する複数のすべり系における、せん断ひずみ範囲の試験片面外方向成分の総和」となる。 Figure 8 shows the relationship between the slip plane and the out-of-plane direction of the test specimen. The out-of-plane direction component of the test specimen is extracted from the shear strain range, and the sum is calculated for all slip systems considered (24 slip systems in this analysis). This value is the "sum of the out-of-plane direction components of the shear strain range of the test specimen in the multiple slip systems present in the crystal structure."
図9は、疲労試験後の試験片の表面近傍の断面を模式的に示す図である。疲労試験後の試験片の表面で観察される突き出し及び入り込み(表面の凹凸)は、結晶面のすべり及び逆すべりによって生じ、き裂発生の原因になると考えられている。せん断ひずみ範囲の試験片面外方向成分は、この突き出し及び入り込みに影響する物理量であると推測できる。 Figure 9 is a schematic diagram showing a cross section near the surface of a test piece after a fatigue test. The protrusions and intrusions (surface irregularities) observed on the surface of the test piece after a fatigue test are thought to be caused by slip and reverse slip of crystal planes, and are the cause of crack initiation. It can be assumed that the component of the shear strain range in the outward direction of the test piece's surface is the physical quantity that affects these protrusions and intrusions.
以上から、「結晶構造に存在する複数のすべり系における、せん断ひずみ範囲の部品面外方向成分の総和」を指標として、部品の疲労を評価できることを見出した。本発明は、以上の知見に基づいて完成された。以下、本発明の実施の形態を詳しく説明する。 From the above, it was discovered that the fatigue of a part can be evaluated using the "sum of the out-of-plane components of the shear strain range in the multiple slip systems present in the crystal structure" as an index. The present invention was completed based on the above findings. Below, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[疲労評価方法]
図10は、本発明の一実施形態による疲労評価方法のフロー図である。この疲労評価方法は、疲労試験のデータを準備する工程(ステップS1)、データの各々を解析する工程(ステップS2)、マスターカーブを作成する工程(ステップS3)、対象部品を解析する工程(ステップS4)、及び、対象部品の疲労寿命を予測する工程(ステップS5)を備えている。
[Fatigue assessment method]
10 is a flow diagram of a fatigue evaluation method according to one embodiment of the present invention. This fatigue evaluation method includes a step of preparing fatigue test data (step S1), a step of analyzing each of the data (step S2), a step of creating a master curve (step S3), a step of analyzing the target component (step S4), and a step of predicting the fatigue life of the target component (step S5).
本実施形態による疲労評価方法の適用対象は、多結晶体であれば特に限定されないが、好ましくは金属材料であり、さらに好ましくは鉄鋼材料(鉄基合金)である。 The fatigue evaluation method according to this embodiment can be applied to any polycrystalline material, but is preferably a metal material, and more preferably a steel material (iron-based alloy).
以下の説明では、「結晶構造に存在する複数のすべり系における、せん断ひずみ範囲の試験片面外方向成分の総和」を「損傷パラメータ」と呼ぶ。本実施形態では、この損傷パラメータに基づいて、試験片の損傷の指標である「損傷指数」を算出する。損傷指数の詳細は後述する。本実施形態による疲労評価方法ではまず、予め行われた複数の疲労試験のデータを準備し(ステップS1)、各々について損傷指数を算出し(ステップS2)、損傷指数と疲労寿命との関係であるマスターカーブを作成する(ステップS3)。そして、対象部品についても損傷指数を算出し(ステップS4)、マスターカーブを参照して対象部品の疲労寿命を予測する(ステップS5)。以下、各工程を詳述する。 In the following description, the "sum of the components of the shear strain range in the out-of-plane direction of the test piece in the multiple slip systems present in the crystal structure" is referred to as the "damage parameter." In this embodiment, a "damage index," which is an index of damage to the test piece, is calculated based on this damage parameter. Details of the damage index will be described later. In the fatigue evaluation method according to this embodiment, first, data from multiple fatigue tests conducted in advance is prepared (step S1), a damage index is calculated for each test piece (step S2), and a master curve, which is the relationship between the damage index and fatigue life, is created (step S3). Then, a damage index is calculated for the target part (step S4), and the fatigue life of the target part is predicted by referring to the master curve (step S5). Each step will be described in detail below.
予め行われた複数の疲労試験のデータを準備する(ステップS1)。疲労試験のデータの各々は例えば、試験片形状、評価箇所の結晶方位分布、荷重条件(応力振幅等)、及び疲労寿命(疲労き裂が発生するまでの繰返し数、又は試験片が破断するまでの繰返し数)の情報を含む。 Data from multiple fatigue tests conducted in advance is prepared (step S1). Each piece of fatigue test data includes, for example, information on the test specimen shape, the crystal orientation distribution at the evaluation points, the loading conditions (stress amplitude, etc.), and the fatigue life (the number of cycles until a fatigue crack occurs, or the number of cycles until the test specimen breaks).
結晶方位分布は、疲労試験に使用した試験片をEBSD等によって測定して求めたものであることが好ましいが、同種の材料の結晶方位分布のデータで代用してもよい。また、同一の材料で荷重条件を変えて複数の疲労試験を行う場合、すべての試験片が同一の結晶方位分布を持っていると仮定してもよい。 The crystal orientation distribution is preferably determined by measuring the test specimens used in the fatigue test using EBSD or other methods, but data on the crystal orientation distribution of the same material may be used instead. In addition, when multiple fatigue tests are performed on the same material under different loading conditions, it may be assumed that all test specimens have the same crystal orientation distribution.
マスターカーブを作成するためには、荷重条件を変えて測定された少なくとも2水準の疲労試験のデータが必要である。疲労試験のデータは、3水準以上あることが好ましい。 To create a master curve, fatigue test data for at least two levels measured under different loading conditions is required. It is preferable to have fatigue test data for three or more levels.
複数の疲労試験のデータの各々を解析する(ステップS2)。具体的には、複数の疲労試験のデータの各々について、(A)複数の結晶すべり系の各々について、試験片に繰返し負荷を作用させた際のせん断ひずみ範囲を算出する工程(ステップS2-A)、(B)せん断ひずみ範囲の試験片面外方向成分の総和(すなわち、損傷パラメータ)を算出する工程(ステップS2-B)、及び(C)損傷パラメータに基づいて損傷指数を算出する工程(ステップS2-C)を行う。これらの解析は、例えばFEM解析によって行うことができる。 Each of the data from the multiple fatigue tests is analyzed (step S2). Specifically, for each of the data from the multiple fatigue tests, (A) a process of calculating the shear strain range when repeated loads are applied to the test specimen for each of the multiple crystal slip systems (step S2-A), (B) a process of calculating the sum of the components of the shear strain range in the out-of-plane direction of the test specimen (i.e., the damage parameter) (step S2-B), and (C) a process of calculating a damage index based on the damage parameter (step S2-C) are performed. These analyses can be performed, for example, by FEM analysis.
この解析に用いるすべり系として、これらに限定されないが、例えばfcc結晶構造では{111}<110>型の12すべり系を用いることができる。bcc結晶構造の結晶塑性解析では前述のとおり、{110}<111>型の12すべり系と{112}<111>型の12すべり系とを合わせた合計24のすべり系、又はこれに{123}<111>型の24すべり系を加えた合計48のすべり系が用いられることが多い。これらに代えて、例えば{110}<111>型の12すべり系を用いて解析を行ってもよい。 The slip systems used in this analysis are not limited to these, but for example, 12 slip systems of {111}<110> type can be used in an fcc crystal structure. As mentioned above, in crystal plasticity analysis of a bcc crystal structure, a total of 24 slip systems, consisting of 12 slip systems of {110}<111> type and 12 slip systems of {112}<111> type, or a total of 48 slip systems, consisting of 24 slip systems of {123}<111> type, are often used. Instead of these, the analysis may be performed using, for example, 12 slip systems of {110}<111> type.
また、hcp結晶構造では、例えば下記のすべり系を用いることができる。
対象とする結晶すべり系の各々について、試験片に繰返し負荷を作用させた際のせん断ひずみ範囲を算出する(ステップS2-A)。せん断ひずみ範囲は、加工硬化によってサイクル毎に変化する。加工硬化を考慮したせん断ひずみ範囲は例えば、D. Pierce, R.J. Asaro, A. Needleman, Acta metall., vol.30(1982), pp.1087-1119に記載された式を用いて求めることができる。疲労試験では数千サイクルから数十万サイクルの繰返し負荷を作用させる場合もあるが、FEM解析によってせん断ひずみ範囲を算出する場合、計算コストの観点から数サイクルで計算を打ち切り、最終サイクルでのせん断ひずみ範囲を算出するのが現実的である。 For each of the target crystal slip systems, the shear strain range is calculated when a cyclic load is applied to the test piece (step S2-A). The shear strain range changes with each cycle due to work hardening. The shear strain range taking work hardening into account can be calculated, for example, using the formula described in D. Pierce, R.J. Asaro, A. Needleman, Acta metall., vol.30(1982), pp.1087-1119. In fatigue tests, cyclic loads may be applied for several thousand to several hundred thousand cycles, but when calculating the shear strain range using FEM analysis, it is practical to terminate the calculation after several cycles and calculate the shear strain range at the final cycle from the viewpoint of calculation cost.
せん断ひずみ範囲の試験片面外方向成分の総和を算出する(ステップS2-B)。より具体的には、すべり面と全体座標系との関係からせん断ひずみ範囲の試験片面外方向成分を抽出し、ステップS2-Aで考慮した全ての結晶すべり系での総和を算出する。本実施形態では、この総和を「損傷パラメータ」と呼ぶ。この損傷パラメータが大きい箇所は、繰返し負荷によってき裂が発生しやすい箇所であると評価できる。 The sum of the components of the shear strain range in the out-of-plane direction of the test specimen is calculated (step S2-B). More specifically, the components of the shear strain range in the out-of-plane direction of the test specimen are extracted from the relationship between the slip plane and the global coordinate system, and the sum for all crystal slip systems considered in step S2-A is calculated. In this embodiment, this sum is called the "damage parameter." Areas with a large damage parameter can be evaluated as areas where cracks are likely to occur due to repeated loading.
損傷パラメータに基づいて、以下に説明する「損傷指数」を算出する(ステップS2-C)。上述した損傷パラメータは、解析に用いたモデルの要素毎に計算される値である。解析領域全体の損傷の程度を評価する指標として、「損傷指数」を算出する。 Based on the damage parameters, a "damage index" is calculated (step S2-C), as described below. The above-mentioned damage parameters are values calculated for each element of the model used in the analysis. The "damage index" is calculated as an index for evaluating the degree of damage in the entire analysis area.
損傷指数は、損傷パラメータに基づいて算出される。損傷指数は例えば、解析モデルの全要素の損傷パラメータの総和としてもよい。損傷指数は、解析モデルの全要素の損傷パラメータのうち、所定の大きさ以上の損傷パラメータの総和としてもよい。 The damage index is calculated based on the damage parameters. For example, the damage index may be the sum of the damage parameters of all elements of the analytical model. The damage index may be the sum of the damage parameters of all elements of the analytical model that are equal to or greater than a predetermined magnitude.
あるいは、損傷パラメータが大きいものから順に所定の割合の要素を抜き出し、これらの総和を損傷指数としてもよい。すなわち、全要素数をN、所定の割合をs(0<s<1)、k番目に大きい損傷パラメータをdk(k=1、2、3、…、N)として、下記の式で表されるDを損傷指数としてもよい。
また、解析モデルの全要素のうち、き裂に関連する部分、より具体的には試験片の最表層部分に相当する要素だけを抜き出し、抜き出した要素の損傷パラメータに基づいて損傷指数を算出してもよい。例えば、試験片の最表層部分に相当する要素を抜き出し、そこからさらに、損傷パラメータが大きいものから順に所定の割合の要素を抜き出して、これらの総和を損傷指数としてもよい。 In addition, from all the elements of the analysis model, only the parts related to the crack, more specifically, the elements corresponding to the outermost layer of the test piece, may be extracted, and the damage index may be calculated based on the damage parameters of the extracted elements. For example, the elements corresponding to the outermost layer of the test piece may be extracted, and from these, a predetermined percentage of elements may be extracted in descending order of damage parameters, and the sum of these may be used as the damage index.
損傷指数は、上記以外の方法によって算出されたものであってもよい。損傷指数は、損傷パラメータに基づいて算出されるものであればよい。例えば、損傷パラメータの最大値や、損傷パラメータが所定の大きさ以上である要素の数を損傷指数とすることも考えられる。 The damage index may be calculated by a method other than the above. The damage index may be calculated based on the damage parameter. For example, the maximum value of the damage parameter or the number of elements whose damage parameter is equal to or greater than a predetermined value may be used as the damage index.
以上の工程によって、複数の疲労試験のデータの各々について損傷指数が算出される。 By using the above steps, a damage index is calculated for each of the multiple fatigue test data.
ステップS2で得られた損傷指数と、疲労試験で得られている疲労寿命とから、損傷指数と疲労寿命の関係であるマスターカーブを作成する(ステップS3)。 A master curve is created, which shows the relationship between the damage index and fatigue life, from the damage index obtained in step S2 and the fatigue life obtained in the fatigue test (step S3).
次に、疲労評価の対象となる対象部品についても、同様に結晶塑性解析を行う(ステップS4)。具体的には、(A)複数の結晶すべり系の各々について、対象部品に繰返し負荷を作用させた際のせん断ひずみ範囲を算出する工程(ステップS4-A)、(B)せん断ひずみ範囲の部品面外方向成分の総和(すなわち、損傷パラメータ)を算出する工程(ステップS4-B)、及び(C)損傷パラメータに基づいて損傷指数を算出する工程(ステップS4-C)を行う。 Next, a crystal plasticity analysis is similarly performed on the target component to be subjected to fatigue evaluation (Step S4). Specifically, the following steps are performed: (A) calculating the shear strain range when repeated loads are applied to the target component for each of multiple crystal slip systems (Step S4-A); (B) calculating the sum of the out-of-plane components of the shear strain range (i.e., the damage parameter) (Step S4-B); and (C) calculating a damage index based on the damage parameter (Step S4-C).
対象部品は、マスターカーブの作成に用いた試験片と同種の材料からなるものであることが好ましく、同一の化学組成を持った材料からなるものであることがより好ましい。一方、マスターカーブの作成に用いた試験片の結晶方位分布と対象部品の結晶方位分布とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。 The target part is preferably made of the same material as the test piece used to create the master curve, and more preferably made of a material with the same chemical composition. On the other hand, the crystal orientation distribution of the test piece used to create the master curve and the crystal orientation distribution of the target part may be the same or different.
最後に、ステップS4で得られた対象部品の損傷指数と、ステップS3で得られたマスターカーブとに基づいて、対象部品の疲労寿命を予測する(ステップS5)。 Finally, the fatigue life of the target part is predicted based on the damage index of the target part obtained in step S4 and the master curve obtained in step S3 (step S5).
図11~図15を参照して、上述した疲労評価方法の一例を説明する。複数の疲労試験のデータの例として、同一の材料に対して応力振幅σをσ1、σ2、…、σkに変えて行った疲労試験のデータを考える。図11は、応力振幅σと疲労寿命(疲労き裂が発生するまでの繰返し数、又は試験片が破断するまでの繰返し数)Nとの関係を示す図(S-N曲線)である。 An example of the above-mentioned fatigue evaluation method will be described with reference to Figures 11 to 15. As an example of data from a plurality of fatigue tests, consider data from fatigue tests performed on the same material with stress amplitude σ changed to σ 1 , σ 2 , ..., σ k . Figure 11 is a diagram (S-N curve) showing the relationship between stress amplitude σ and fatigue life N (the number of cycles until a fatigue crack occurs, or the number of cycles until the test piece breaks).
まず、応力振幅σがσ1の疲労試験のデータに対して上述した結晶塑性解析を行い、解析モデルの各要素について損傷パラメータdを算出する。図12は、応力振幅σがσ1の疲労試験における損傷パラメータdの頻度分布を模式的に示す図である。損傷パラメータdに基づいて、応力振幅σがσ1の疲労試験のデータにおける損傷指数D1を算出する。図13では例として、損傷パラメータdが大きいものから順に所定の割合で抜き出して総和をとったものを損傷指数D1としている。 First, the above-mentioned crystal plasticity analysis is performed on the data of the fatigue test with stress amplitude σ of σ 1 , and the damage parameter d is calculated for each element of the analysis model. Fig. 12 is a diagram showing a typical frequency distribution of the damage parameter d in the fatigue test with stress amplitude σ of σ 1. Based on the damage parameter d, a damage index D1 is calculated for the data of the fatigue test with stress amplitude σ of σ 1. In Fig. 13, as an example, the damage parameters d are extracted in a predetermined ratio in descending order and the sum is taken as the damage index D1 .
応力振幅σがσ2、…、σkの疲労試験のデータに対しても、同様に結晶塑性解析を行って損傷指数D2、…、Dkを算出する(図13)。疲労試験で得られている疲労寿命N1、N2、…、Nkと損傷指数D1、D2、…、Dkとを対応させることによって、疲労寿命を予測するためのマスターカーブが得られる(図14)。マスターカーブでは、Dは下記のように、Nの関数fで表される。
D=f(N)
Similarly, crystal plasticity analysis is performed on fatigue test data with stress amplitudes σ of σ 2 , ..., σ k to calculate damage indices D 2 , ..., D k (Fig. 13). A master curve for predicting fatigue life is obtained by matching the fatigue lives N 1 , N 2 , ..., N k obtained from the fatigue tests with the damage indices D 1 , D 2 , ..., D k (Fig. 14). In the master curve, D is expressed as a function f of N as follows:
D = f(N)
疲労評価の対象となる対象部品についても、同様の結晶塑性解析を行って、損傷指数DXを求める(図15)。部品の疲労寿命は下記のように、DXに対応するNをfの逆関数から求める(図16)。
N=f-1(D)
A similar crystal plasticity analysis is performed on the target part for fatigue evaluation to determine the damage index D X (FIG. 15). The fatigue life of the part is calculated by calculating N corresponding to D X from the inverse function of f as shown below (FIG. 16).
N = f -1 (D)
以上、本発明の一実施形態による疲労評価方法を説明した。本実施形態によれば、組織形態の疲労損傷への影響を考慮した疲労評価が可能になる。 The above describes a fatigue evaluation method according to one embodiment of the present invention. This embodiment enables fatigue evaluation that takes into account the effect of tissue morphology on fatigue damage.
上述した疲労評価方法は、コンピュータプログラムとしても実現可能である。本発明の一実施形態による疲労評価プログラムは、疲労試験のデータを受け付ける工程、データの各々を解析する工程、マスターカーブを作成する工程、対象部品を解析する工程、及び、対象部品の疲労寿命を予測する工程をコンピュータに実行させる。本実施形態によっても、組織形態の疲労損傷への影響を考慮した疲労評価が可能になる。 The above-mentioned fatigue evaluation method can also be realized as a computer program. A fatigue evaluation program according to one embodiment of the present invention causes a computer to execute the steps of accepting fatigue test data, analyzing each piece of data, creating a master curve, analyzing the target component, and predicting the fatigue life of the target component. This embodiment also enables fatigue evaluation that takes into account the effect of tissue morphology on fatigue damage.
以下、実施例(解析例)によって本発明をより具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されない。 The present invention will be explained in more detail below with reference to examples (analysis examples). The present invention is not limited to these examples.
過去に実施された疲労試験をモデル化して結晶塑性解析を実施した。解析対象の疲労試験で用いられた供試材は、表1に示す化学組成を有する極低炭素鋼である。 A crystal plasticity analysis was performed by modeling fatigue tests that had been conducted in the past. The test material used in the fatigue tests to be analyzed was ultra-low carbon steel with the chemical composition shown in Table 1.
疲労試験は、この供試材から図1に示す形状の試験片を採取して行われた。図中の寸法の単位はmmである。試験片は板状で、紙面に垂直な方向の寸法(厚さ)は1mmである。疲労試験の結果を表2に示す。 Fatigue tests were conducted by taking test pieces of the shape shown in Figure 1 from this test material. The dimensions in the figure are in mm. The test pieces were plate-shaped, and the dimension (thickness) in the direction perpendicular to the paper surface was 1 mm. The results of the fatigue tests are shown in Table 2.
なお、実際に試験を実施した応力振幅は132MPaと160MPaの2水準であり、応力振幅150MPaの疲労き裂発生寿命は前述の2条件の試験結果を内挿した推定値である。 The stress amplitudes actually used in the tests were 132 MPa and 160 MPa, and the fatigue crack initiation life for a stress amplitude of 150 MPa is an estimated value obtained by interpolating the test results for the two conditions mentioned above.
試験片全体の結晶粒形状を測定して結晶塑性解析を行うことは、測定作業や計算コストの面から合理的ではない。そのため、試験片中央付近のみを解析対象とした。図2は、応力振幅132MPaの試験に用いた試験片について、EBSDによる結晶方位解析を行って得られた、試験片中央付近の0.9mm×0.9mmの領域(図1の領域A)の結晶方位分布である。図3は、結晶方位解析で得られた結晶粒界の情報をもとに作成した多結晶モデルである。なお、応力振幅150MPa及び160MPaの疲労試験の試験片についてはEBSD解析情報がなかったため、図3と同じ多結晶モデルを使用することとした。 Measuring the crystal grain shape of the entire test piece and performing crystal plasticity analysis is not reasonable in terms of measurement work and calculation costs. Therefore, only the center of the test piece was analyzed. Figure 2 shows the crystal orientation distribution in a 0.9 mm x 0.9 mm area (area A in Figure 1) near the center of the test piece, obtained by performing crystal orientation analysis by EBSD on the test piece used in the fatigue test with a stress amplitude of 132 MPa. Figure 3 shows a polycrystalline model created based on the information on the crystal grain boundaries obtained by the crystal orientation analysis. Note that there was no EBSD analysis information for the test pieces used in the fatigue tests with stress amplitudes of 150 MPa and 160 MPa, so it was decided to use the same polycrystalline model as in Figure 3.
図17は、FEM解析の境界条件を示す図である。試験片表面での疲労損傷の推定を目的とするため、試験片厚さ方向については試験片厚さ1mmのうちの表面から0.05mmの部分のみを取り出し、厚さ方向には同一形状で同一結晶方位の結晶粒が続いていると仮定して解析を行った。総要素数は49575とした。解析領域の左端に対称境界を設定し、右端には疲労試験での応力振幅条件で5サイクル負荷を加えた。 Figure 17 shows the boundary conditions for the FEM analysis. In order to estimate fatigue damage on the surface of the test piece, only a portion 0.05 mm from the surface of the 1 mm thickness of the test piece was taken in the thickness direction of the test piece, and the analysis was performed under the assumption that crystal grains of the same shape and crystal orientation continue in the thickness direction. The total number of elements was 49,575. A symmetrical boundary was set at the left end of the analysis region, and a 5-cycle load was applied to the right end under the stress amplitude conditions for the fatigue test.
FEM解析により、各すべり系のせん断ひずみ範囲(5サイクル目の最大値と最小値との差)を算出した。すべり面と全体座標系との関係から、せん断ひずみ範囲の試験片面外方向(ここではz方向)の成分を抽出し、それらの24すべり系({110}<111>型の12すべり系と{112}<111>型の12すべり系とを合わせた合計24のすべり系)についての総和(損傷パラメータ)を算出した。 The shear strain range (the difference between the maximum and minimum values at the fifth cycle) of each slip system was calculated using FEM analysis. From the relationship between the slip plane and the global coordinate system, the component of the shear strain range in the out-of-plane direction of the test specimen (here, the z-direction) was extracted, and the sum (damage parameter) for these 24 slip systems (a total of 24 slip systems, including 12 {110}<111> type slip systems and 12 {112}<111> type slip systems) was calculated.
図18、図19、及び図20は、それぞれ応力振幅が132MPa、150MPa、及び160MPaのときの損傷パラメータの分布である。図18~図20から、応力振幅が大きくなるにしたがって損傷パラメータが大きくなる箇所が拡がっていくことが分かる。 Figures 18, 19, and 20 show the distribution of damage parameters when the stress amplitude is 132 MPa, 150 MPa, and 160 MPa, respectively. From Figures 18 to 20, it can be seen that the areas where the damage parameters increase expand as the stress amplitude increases.
図21、図22、及び図23は、それぞれ応力振幅が132MPa、150MPa、及び160MPaのときの損傷パラメータの頻度分布である。図21~図23の頻度分布は、解析モデルの全要素のうち、試験片表面に相当する要素(図24を参照)を対象として求めた。各応力振幅条件での頻度分布から、上位0.5%までの損傷パラメータの総和を損傷指数Dとして求め、各応力振幅条件での疲労寿命Nと対応させることにより、図25のマスターカーブを得た。このマスターカーブは次式で表される。
D=0.739e-0.000891N
なお、本件ではマスターカーブを指数関数で表したが、マスターカーブは指数関数に限定されない。
Figures 21, 22, and 23 show frequency distributions of damage parameters when the stress amplitude is 132 MPa, 150 MPa, and 160 MPa, respectively. The frequency distributions in Figures 21 to 23 were obtained for the elements corresponding to the surface of the test piece (see Figure 24) among all the elements of the analysis model. The sum of the top 0.5% of damage parameters from the frequency distribution under each stress amplitude condition was obtained as a damage index D, and the master curve in Figure 25 was obtained by correlating it with the fatigue life N under each stress amplitude condition. This master curve is expressed by the following equation.
D=0.739e -0.000891N
In this embodiment, the master curve is expressed as an exponential function, but the master curve is not limited to an exponential function.
他の試験条件での疲労寿命は、結晶塑性解析から損傷指数Dを求め、それに対応する疲労寿命を下記の式(A)に代入して求めることができる。
N=-(1/0.000891N)ln(D/0.739)・・・式(A)
The fatigue life under other test conditions can be calculated by determining the damage index D from crystal plasticity analysis and substituting the corresponding fatigue life into the following formula (A).
N=-(1/0.000891N)ln(D/0.739)...Formula (A)
この予測式(A)の妥当性を検証するため、他鋼材の疲労試験の解析を行った。供試材は、表1と同じ化学組成で、結晶粒径が異なる極低炭素鋼である。この供試材の結晶方位分布を図26に示す。この供試材の平均結晶粒径は100μmであるのに対し、図2で示した供試材の平均結晶粒径は400μmである。この供試材から、図1と同じ形状の試験片を採取して疲労試験を実施した。試験条件及び試験結果を表3に示す。 To verify the validity of this prediction formula (A), fatigue tests of other steel materials were analyzed. The test material was an ultra-low carbon steel with the same chemical composition as in Table 1 but different crystal grain size. The crystal orientation distribution of this test material is shown in Figure 26. The average crystal grain size of this test material was 100 μm, while the average crystal grain size of the test material shown in Figure 2 was 400 μm. A test piece with the same shape as in Figure 1 was taken from this test material and a fatigue test was conducted. The test conditions and test results are shown in Table 3.
結晶方位解析で得られた結晶粒界の情報をもとに多結晶モデルを作成し、表3の応力振幅条件で結晶塑性解析を行った。損傷指数Dを求め、式(A)に代入して疲労寿命Nを予測した。結果を図27に示す。実験値に対する予測値の誤差は-30%程度であった。疲労寿命予測で一般的に精度が良いとされている誤差1/2~2倍以内で予測できており、本疲労評価方法の妥当性を確認した。 A polycrystalline model was created based on the grain boundary information obtained from the crystal orientation analysis, and a crystal plasticity analysis was performed under the stress amplitude conditions in Table 3. The damage index D was calculated and substituted into formula (A) to predict the fatigue life N. The results are shown in Figure 27. The error in the predicted value compared to the experimental value was approximately -30%. The prediction was made within an error of 1/2 to 2 times, which is generally considered to be accurate in fatigue life prediction, confirming the validity of this fatigue evaluation method.
以上、本発明の実施形態を説明したが、上述した実施形態は本発明を実施するための例示にすぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。
Although the embodiment of the present invention has been described above, the above-mentioned embodiment is merely an example for carrying out the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, and the above-mentioned embodiment can be appropriately modified and carried out without departing from the spirit of the present invention.
Claims (4)
前記せん断ひずみ範囲の部品面外方向成分の総和を算出する工程と、を備える、疲労評価方法。 calculating a shear strain range for each of a plurality of crystal slip systems when the component is subjected to cyclic loading;
calculating a sum of the out-of-plane components of the shear strain range.
(A)複数の結晶すべり系の各々について、試験片に繰返し負荷を作用させた際のせん断ひずみ範囲を算出する工程、
(B)前記せん断ひずみ範囲の試験片面外方向成分の総和を算出する工程、及び
(C)前記総和に基づいて前記試験片の損傷の指標である損傷指数を求める工程、
を行う工程と、
前記損傷指数と疲労寿命との関係であるマスターカーブを作成する工程と、
上記(A)~(C)と同じ工程によって対象部品の損傷指数を求める工程と、
前記対象部品の損傷指数及び前記マスターカーブに基づいて、前記対象部品の疲労寿命を予測する工程と、を備える、疲労評価方法。 Based on data from a plurality of fatigue tests previously conducted, for each of the plurality of fatigue tests,
(A) calculating the shear strain range for each of a plurality of crystal slip systems when a test specimen is subjected to cyclic loading;
(B) calculating a sum of the components of the shear strain range in the out-of-plane direction of the test piece; and (C) calculating a damage index, which is an index of damage to the test piece, based on the sum.
A step of carrying out
creating a master curve representing the relationship between the damage index and fatigue life;
determining a damage index of the target part by the same steps as those (A) to (C) above;
and predicting a fatigue life of the target component based on the damage index of the target component and the master curve.
前記せん断ひずみ範囲の部品面外方向成分の総和を算出する工程と、をコンピュータに実行させる、疲労評価プログラム。 calculating a shear strain range for each of a plurality of crystal slip systems when the component is subjected to cyclic loading;
and calculating a sum of the out-of-plane direction components of the shear strain range of the component.
(A)複数の結晶すべり系の各々について、試験片に繰返し負荷を作用させた際のせん断ひずみ範囲を算出する工程、
(B)前記せん断ひずみ範囲の試験片面外方向成分の総和を算出する工程、及び
(C)前記総和に基づいて前記試験片の損傷の指標である損傷指数を求める工程、
を行う工程と、
前記損傷指数と疲労寿命との関係であるマスターカーブを作成する工程と、
上記(A)~(C)と同じ工程によって対象部品の損傷指数を求める工程と、
前記対象部品の損傷指数及び前記マスターカーブに基づいて、前記対象部品の疲労寿命を予測する工程と、をコンピュータに実行させる、疲労評価プログラム。 Based on data from a plurality of fatigue tests previously conducted, for each of the plurality of fatigue tests,
(A) calculating the shear strain range for each of a plurality of crystal slip systems when a test specimen is subjected to cyclic loading;
(B) calculating a sum of the components of the shear strain range in the out-of-plane direction of the test piece; and (C) calculating a damage index, which is an index of damage to the test piece, based on the sum.
A step of carrying out
creating a master curve representing the relationship between the damage index and fatigue life;
determining a damage index of the target part by the same steps as those (A) to (C) above;
and predicting a fatigue life of the target component based on the damage index of the target component and the master curve.
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