冶金学的故障解析

冶金的故障解析は、金属部品の故障の原因を究明するプロセスです。故障の原因を特定し、根本原因や将来同様の故障を防ぐための潜在的な解決策、さらには法的訴訟で重要な責任についての洞察を提供します。^{[1]冶金的故障の原因を解決することは、企業にとって経済的に興味深いことです。}米国における腐食（冶金的故障の一般的な原因）の年間コストは、 2012年にNACEインターナショナルによって年間4,500億ドルと推定され、2001年の推定値と比較して67％増加しています。 ^[1]これらの故障を分析して根本原因を特定することができ、それを修正すれば、企業の故障コストを削減できます。

故障は、機能的故障と予測される性能故障に大別できます。機能的故障は、コンポーネントまたはプロセスが故障し、その親システム全体が完全に機能しなくなった場合に発生します。このカテゴリには、コンポーネントが急速に破損するという一般的な概念が含まれます。予測される性能故障は、コンポーネントが原因で、システムが寿命、動作限界、形状や色などの特定の性能基準を下回るパフォーマンスをする場合です。トラクターの最大許容負荷など、一部の性能基準はサプライヤーによって文書化されていますが、ガソリン消費量（自動車のガロンあたりの走行距離）など、他の性能基準は顧客によって暗黙的または予測されています。^[1]

多くの場合、環境条件とストレスの両方の組み合わせが故障の原因となります。金属部品は、それらがさらされる環境とストレスに耐えられるように設計されています。金属部品の設計には、特定の元素組成だけでなく、熱処理、機械加工プロセスなどの特定の製造プロセスも含まれます。結果として生じるさまざまな金属の膨大な配列はすべて、独自の物理的特性を持っています。さまざまな環境条件に対してより堅牢になるように、金属部品に特定の特性が設計されています。これらの物理的特性の違いにより、独自の故障モードが発生します。冶金学的故障解析では、解析中にこの情報を可能な限り考慮します。故障解析の最終的な目標は、根本的な原因を特定し、潜在的な問題の解決策を提供して、将来の故障を防ぐことです。^[2]

障害解析の最初のステップは、障害を調査して情報を収集することです。障害調査における情報収集の手順は次のとおりです。^{[1] [3]}

1. 失敗に至った経緯や標本の選択に関する収集情報
2. 故障箇所の予備検査（目視検査）および故障していない箇所との比較
3. 標本の肉眼的検査と分析、および写真による記録（破面、二次亀裂、その他の表面現象）
4. 標本の顕微鏡検査と分析（破断面）
5. 金属組織切片の選択と準備
6. 作製した金属組織標本の顕微鏡検査と分析
7. 非破壊検査
8. 破壊/機械試験
9. 故障メカニズムの特定
10. 化学分析（バルク、局所、表面腐食生成物、堆積物またはコーティング）
11. 考えられる根本原因をすべて特定する
12. シミュレーションされたサービス条件下で最も可能性の高い根本原因をテストする
13. すべての証拠の分析、結論の策定、推奨事項を含むレポートの作成

冶金学的欠陥解析の調査プロセスでは、さまざまな技術が使用されています。^{[1] [3]}

• 肉眼検査： カメラ、実体顕微鏡
• 顕微鏡検査： 光学顕微鏡、電子顕微鏡、X線顕微鏡、金属組織エッチング
• 機械試験： 硬度試験、引張試験、シャルピー衝撃試験
• 化学試験：マイクロプローブ分析、エネルギー分散分光法

非破壊検査:非破壊検査は、サンプルを完全に使用停止にすることなく、金属の特定の物理的特性を検査できる検査方法です。NDT は一般に、コンポーネントが壊滅的に故障する前に、コンポーネントの故障を検出するために使用されます。

破壊テスト:破壊テストでは、金属部品を使用から外し、分析のために部品を切断します。破壊テストにより、故障分析者は実験室環境で分析を実施し、最終的に部品を破壊する材料のテストを実行できるようになります。

冶金学的破壊モードの標準化されたリストは存在せず、異なる冶金学者が同じ破壊モードに異なる名前を使用する場合があります。以下にリストされている破壊モード用語は、 ASTM、^[4]、 ASM、^[5]、および/またはNACE ^[6]によって異なる冶金学的破壊メカニズムとして認められているものです。

• 応力腐食割れ^[7]応力腐食（NACE用語）
• 腐食疲労
• 苛性分解（ASTM用語）
• 苛性脆化（ASM用語）
• 硫化物応力割れ（ASM、NACE用語）
• 応力加速腐食（NACE用語）
• 水素応力割れ（ASM用語）
• 水素誘起応力腐食割れ（ASM用語）

• 疲労（ASTM、ASM用語）
• 機械的過負荷
• クリープ
• 破裂
• ひび割れ（NACE用語）
• 脆化

• 侵食腐食
• 孔食酸素孔食
• 水素脆化
• 水素誘起割れ（ASM用語）
• 腐食脆化（ASM用語）
• 水素分解（NACE用語）
• 水素促進分解（ASM用語）
• 水素水膨れ
• 腐食

冶金学的故障の潜在的な根本原因は、設計から製造、使用まで部品のライフサイクル全体にわたって多岐にわたります。最も一般的な故障の原因は、次のカテゴリに分類できます。^[1]

サービスまたは動作条件による故障には、衝撃力や高負荷など、コンポーネントを想定外の条件で使用することが含まれます。また、摩耗や擦り切れを引き起こす予期しない接触点や、腐食を引き起こす予期しない湿度レベルや化学物質の存在など、使用中の予期しない条件による故障も含まれます。これらの要因により、コンポーネントは予想よりも早く故障します。

不適切なメンテナンスは、破損の潜在的な原因が未処理のままになり、将来的に部品の早期故障につながります。不適切なメンテナンスの理由は、コストを回避するために年間メンテナンスを省略するなどの意図的なもの、または不適切なエンジン オイルを使用するなどの意図的でないものである可能性があります。

コンポーネント製造ラインには通常、製品が一定の基準を満たしているかどうかを確認し、現場での望ましいパフォーマンスを保証するためのテストや検査が含まれています。不適切なテストや検査は、こうした品質チェックを回避し、通常であれば現場での使用に適さない欠陥のある部品が顧客に販売され、故障につながる可能性があります。

製造または加工のエラーは、材料または部品の加工中に発生します。金属部品の場合、鋳造欠陥は、冷間収縮、熱間亀裂、スラグ混入など、よくあるものです。また、表面処理の問題、砂型の突き固めなどの加工パラメータ、硬化時の不適切な温度などによっても発生することがあります。

設計エラーは、使用時の応力状態や使用環境における潜在的な腐食性物質など、望ましい使用ケースが適切に考慮されておらず、非効率的な設計につながる場合に発生します。設計エラーには、寸法や材料の選択が含まれることがよくありますが、設計全体に影響することもあります。

計算方法は、根本原因を証明するために部品を犠牲にする必要がないため、考えられる根本原因をテストする方法として人気が高まっています。計算方法が使用される一般的なケースは、侵食による故障、 [ ^{8] [9]複雑な}応力状態にある部品の故障、 ^{[10] [11]}および予測分析です。^{[12] [13] [14] [15]} 計算流体力学は、侵食摩耗により故障した部品の流れパターンとせん断応力を決定するために使用されます。 ^{[8] [9]} 有限要素解析は、複雑な応力状態にある部品をモデル化するために使用されます。^{[10] [11]}有限要素解析とフェーズフィールドモデルは、亀裂の伝播と故障を予測するために使用できます。 ^{[12] [13] [14] [15]}これらは、部品の設計に影響を与えることで故障を防ぐために使用されます。

• 法医学工学
• 腐食工学
• 故障解析
• 骨折
• 破壊力学