低サイクル疲労

低サイクル疲労 (LCF) には、各サイクルでの塑性変形と、このタイプの負荷に対して材料が有限の耐久性を持つ低サイクル現象という2 つの基本的な特性があります。サイクルという用語は、最終的に疲労と破損につながるストレスの繰り返し適用を指します。低サイクルは、適用間の長い期間に関係します。

疲労に関する研究は、主に航空学におけるサイズ設計と高度な計算方法を使用したエネルギー生産の2つの分野に焦点を当ててきました。LCFの結果により、材料の挙動をより深く研究し、複雑な機械的および冶金学的現象（亀裂伝播、加工軟化、ひずみ集中、加工硬化など）をより深く理解することができます。^[1]

低サイクル疲労 (LCF) の原因として挙げられる一般的な要因は、高い応力レベルと、破壊までのサイクル数の少なさです。特に過去 50 年間に金属と温度、応力、破壊までのサイクル数の関係について多くの研究が行われてきました。SN曲線を描くためにテストが使用され、温度の上昇とともに破壊までのサイクル数が減少することが示されています。しかし、大規模なテストはコストがかかりすぎるため、研究者は主にコンピューター ソフトウェアを使用した有限要素解析に頼ってきました。^[2]

多くの実験から、LCF によって材料の特性が変化する可能性があることが判明しています。破壊延性は低下する傾向があり、その程度はそもそも小さな亀裂が存在するかどうかによって異なります。これらのテストを実行するには、応力振幅を変更できない電気油圧サーボ制御のテストマシンが一般的に使用されます。また、すでに穴が開けられた試験片で低サイクル疲労テストを実行すると、亀裂の伝播の影響を受けやすくなり、破壊延性の低下が大きくなることも判明しました。これは、穴のサイズが 40～200 μm と小さいにもかかわらず当てはまりました。^[3]

部品が低サイクル疲労を受けると、繰り返し塑性変形します。たとえば、部品が永久変形（塑性変形）するまで張力をかけられた場合、それは低サイクル疲労（LCF）の1/4サイクルと見なされます。完全なサイクルを完了するには、部品を元の形状に戻す必要があります。部品が破損するまでに耐えられるLCFサイクルの数は、通常の疲労よりもはるかに少ないです。^[4]

この高い周期的ひずみの状態は、多くの場合、温度の急激な変化などの極端な動作条件の結果です。材料の膨張または収縮から生じる熱応力は、部品の負荷条件を悪化させ、LCF 特性が影響する可能性があります。

低サイクル疲労の挙動を説明するためによく使用される式は、コフィン-マンソン関係式です(1954 年に LF コフィン、1953 年に SS マンソンによって発表)。

${\displaystyle {\frac {\Delta \varepsilon _{t}}{2}}={\frac {\Delta \varepsilon _{p}}{2}}+{\frac {\Delta \varepsilon _{e }}{2}}=\バレプシロン _{f}'(2N)^{c}+{\frac {\sigma _{f}'(2N)^{b}}{E}}}$

どこ、

• Δε t /2 は総ひずみ振幅である。
• Δε _p /2は塑性ひずみ振幅である。
• Δε _e /2は弾性ひずみ振幅である。
• 2 N は故障までの反転回数（Nサイクル）です。
• ε _f 'は、2N =1におけるひずみ切片によって定義される疲労延性係数として知られる経験定数である。
• c は疲労延性指数として知られる経験定数で、通常は -0.5 ～ -0.7 の範囲です。c が小さいほど疲労寿命が長くなります。
• ς _f 'は疲労強度係数として知られる定数である。
• b は疲労脆性指数として知られる経験定数です。

式の前半は塑性領域を示し、後半は弾性領域を示す。 ^[5]

上記の Coffin-Manson 関係式では、定数値 (b と c) は、次の式によって決定されます。

${\displaystyle c={\frac {-1}{1+5{\acute {n}}}}}}$

${\displaystyle b={\frac {-{\acute {n}}}{1+5{\acute {n}}}}}$

LCF が原因となった注目すべき事例として、1994 年のノースリッジ地震が挙げられます。多くの建物や橋が倒壊し、その結果 9,000 人以上が負傷しました。^[6]南カリフォルニア大学の研究者は、10 階建てのビルで低サイクル疲労を受けた主な部分を解析しました。残念ながら、低サイクル疲労の SN 曲線を直接作成するための実験データは限られていたため、解析のほとんどは、SN 曲線上に高サイクル疲労挙動をプロットし、そのグラフの線を延長して Palmgren-Miner 法を使用して低サイクル疲労曲線の部分を作成することで構成されていました。最終的に、このデータは、ノースリッジの 10 階建ての鉄骨ビルが直面した同様のタイプの損傷をより正確に予測および解析するために使用されました。^[7]

最近のもう一つの出来事は2010年のチリ地震で、チリ大学の研究者数名が、地震によって全国各地で複数の鉄筋コンクリート構造物が被害を受けたと報告した。梁、壁、柱などの多くの構造要素が疲労により破損し、設計に使用された鉄筋に明らかな縦座屈の兆候が見られた。^{[9] [10]}この地震により、チリの耐震設計基準は、地震による構造物の被害の観察に基づいて更新された。^[11]