JP2022054788A - 疲労試験システムおよび疲労検査システムならびに試験解析プログラムおよび検査解析プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】温度および時間による疲労強度の低下を考慮した総合的な評価を行う疲労試験システムおよび疲労検査システムならびに試験解析プログラムおよび検査解析プログラムを提供する。【解決手段】試験対象物１のひずみ振幅と破断繰り返し数との相関を得る熱疲労試験を行う疲労試験システム１０において、試験装置１１、１２、１３と試験用解析装置１４とを備え、試験用解析装置１４は、熱疲労試験における熱疲労試験温度に基づいた温度および破断繰り返し数に基づいた時間を変数とする第一の時間－温度パラメータと、ひずみ振幅および試験対象物１の疲労限度線に基づいて求めた等価応力振幅との相関を試験結果として出力する構成である。【選択図】図１

Description

本発明は、疲労試験システムおよび疲労検査システムならびに試験解析プログラムおよび検査解析プログラムに関し、より詳細には、力学的負荷、温度、時間を考慮する疲労試験システムおよび疲労検査システムならびに試験解析プログラムおよび検査解析プログラムに関する。

繰り返し変動する温度下で圧縮および引張が繰り返し作用するエンジンのピストンを構成する部材の熱サイクル疲労を評価する試験として熱疲労試験がある。この熱疲労試験では、試験対象物に付与する力学的負荷の変化と試験対象物の温度の変化とを同調させて、試験対象物におけるひずみ振幅と破断繰り返し数との相関であるε－Ｎ線図を求めている。

しかながら、エンジンのピストンを構成する部材がアルミニウムの場合に、熱疲労試験を複数の熱疲労試験温度で実施すると、熱疲労試験温度ごとにひずみ振幅と破断繰り返し数との相関が異なる結果となる。また、アルミニウムは所定の温度下において経過時間ごとに硬度が変化する特性を有する。このように、使用される温度や使用時間よって疲労強度が低下する部材に対してはひずみ振幅と破断繰り返し数との相関で得られる力学的負荷に基づいた結果のみでは正確にその疲労を評価することができない。

熱疲労試験ではないが、発電プラントや燃焼タービンなどの高温かつ応力下で長時間使用されるものに生じるクリープ変形によるクリープ破断が起るまでの寿命を推定する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この種の手法は、試験片に高温の一定温度下で降伏点未満の低い引張力を一定に加え続け、ひずみや破断時間を測定することで材料特性を評価するものであり、Ｌａｒｓｏｎ－ＭｉｌｌｅｒパラメータやＭａｎｓｏｎ－Ｓｕｃｃｏｐパラメータなどの時間－温度パラメータを用いた外挿推定により短時間で試験可能になっている。

特開２００８－２４９７３２号公報

上記特許文献１に記載の手法のように、長時間の使用で生じるクリープ破断に関する寿命を推定する手法では使用温度や時間経過が用いられている。しかしながら、熱疲労試験の結果に温度変化や時間経過による疲労強度の低下を考慮した総合的な評価指針はない。それ故、使用される温度や使用時間よって疲労強度が低下する部材に対して熱疲労試験で得られた結果に基づいて評価しようとしても、正確な評価を行うことができなかった。

本開示の目的は、温度および時間による疲労強度の低下を考慮した総合的な評価を行う疲労試験システムおよび疲労検査システムならびに試験解析プログラムおよび検査解析プログラムを提供することである。

上記の目的を達成する本発明の一態様の疲労試験システムは、試験対象物のひずみ振幅と破断繰り返し数との相関を得る熱疲労試験を行う疲労試験システムにおいて、前記試験対象物に前記熱疲労試験を行う試験装置と前記熱疲労試験の結果を解析する試験用解析装置とを備え、前記試験用解析装置は、前記熱疲労試験における熱疲労試験温度に基づいた温度および前記破断繰り返し数に基づいた時間を変数とする第一の時間－温度パラメータと、前記ひずみ振幅および前記試験対象物の疲労限度線に基づいて求めた等価応力振幅との相関を試験結果として出力する構成であることを特徴とする。

上記の目的を達成する本発明の一態様の疲労検査システムは、検査対象物の疲労を検査する疲労検査システムであって、前記検査対象物に作用した実等価応力振幅に関するパラメータを測定する検査用測定装置と、この検査用測定装置で測定した前記パラメータならびに任意の温度および時間とが入力される検査用解析装置と、を備え、前記検査用解析装置は、試験対象物のひずみ振幅と破断繰り返し数との相関を得る熱疲労試験における熱疲労試験温度に基づいた温度および前記破断繰り返し数に基づいた時間を変数とした第一の時間－温度パラメータの算出式と、前記ひずみ振幅および前記試験対象物の疲労限度線に基づいて求めた等価応力振幅ならびに前記第一の時間－温度パラメータの相関を示す累乗近似式とを有し、前記算出式の変数に入力された前記温度および時間を代入して得られる第三の時間－温度パラメータを、前記累乗近似式に入力された前記パラメータに応じて求まる実等価応力振幅を代入して得られる第四の時間－温度パラメータで除算した値を算出し、算出したその値を疲労損傷ダメージとして出力する構成であることを特徴とする。

上記の目的を達成する本発明の一態様の試験解析プログラムは、試験対象物のひずみ振幅と破断繰り返し数との相関を得る熱疲労試験の疲労解析プログラムであって、試験用解析装置に、前記熱疲労試験における熱疲労試験温度に基づいた温度および前記破断繰り返し数に基づいた時間を変数とする第一の時間－温度パラメータを算出させる手順と、前記ひずみ振幅および前記試験対象物の疲労限度線に基づいて求めた等価応力振幅を算出させる手順と、算出させた前記第一の時間－温度パラメータおよび前記等価応力振幅の相関を試験結果として出力させる手順とを実行させることを特徴とする。

上記の目的を達成する本発明の一態様の検査解析プログラムは、検査対象物の疲労を検査する検査解析プログラムであって、試験対象物のひずみ振幅と破断繰り返し数との相関を得る熱疲労試験における熱疲労試験温度に基づいた温度および前記破断繰り返し数に基づいた時間を変数とした第一の時間－温度パラメータの算出式と、前記ひずみ振幅および前記試験対象物の疲労限度線に基づいて求めた等価応力振幅ならびに前記第一の時間－温度パラメータの相関を示す累乗近似式とを有し、検査用解析装置に、前記算出式の変数に任意の温度および時間を代入して第三の時間－温度パラメータを算出させる手順と、前記累乗近似式に検査用測定装置が測定したパラメータに応じて求まる前記検査対象物に作用した実等価応力振幅を代入して第四の時間－温度パラメータを算出させる手順と、算出させた前記第三の時間－温度パラメータを前記第四の時間－温度パラメータで除算した値を疲労損傷ダメージとして出力させる手順を実行させることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、熱疲労試験の試験結果を、ひずみ振幅と破断繰り返し数との力学的負荷の関係のみではなく、温度および時間による疲労強度の低下を考慮して整理することで、総合的な評価を行うことができる。

第一実施形態の疲労試験システムを例示する構成図である。 図１の疲労試験システムの試験方法を例示するフロー図である。 図１の試験装置が行う熱疲労試験で得られるひずみ振幅と破断繰り返し数との相関を例示するε－N線図である。 図１の試験装置が行う熱疲労試験における所定回数の応力とひずみとの相関を例示するヒステリシスループ図である。 図１の試験用解析装置が出力する試験結果として、第一の時間－温度パラメータと等価応力振幅との相関を例示する関係図である。 図１の試験装置が行う引張試験で得られる引張強度と第二の時間－温度パラメータとの相関を例示する関係図である。 第二実施形態の疲労検査システムを例示する構成図である。 図７の疲労検査システムの検査方法を例示するフロー図である。 図７の検査用解析装置が出力する検査結果である疲労損傷ダメージと第三の時間－温度パラメータおよび第四の時間－温度パラメータとの相関を例示する関係図である。 図７の検査用測定装置が取得するパラメータの一例を示し、検査対象物の導電率と時間－温度パラメータとの相関を例示する関係図である。 図７の検査用測定装置が取得するパラメータの他の例を示し、検査対象物の硬度と時間－温度パラメータとの相関を例示する関係図である。

以下に、本開示における疲労試験システムおよび疲労検査システムならびに試験解析プログラムおよび検査解析プログラムの実施形態について説明する。具体的に、第一実施形態として、試験用解析装置１４に試験解析プログラム２０が記憶された疲労試験システム１０を例示し、第二実施形態として検査用解析装置３２に検査解析プログラム４０が記憶された疲労検査システム３０を例示する。

図１に例示するように、第一実施形態の疲労試験システム１０は、試験対象物１のひずみ振幅εと破断繰り返し数Ｎとの相関を得る熱疲労試験を行うものであり、負荷付与装置１１、温度調節装置１２、および、試験用測定装置１３からなる試験装置と試験用解析装置１４とを備えて構成される。また、疲労試験システム１０は、試験対象物１の引張強度σＢを測定可能な引張試験を行うものである。

本開示において、熱疲労試験とは試験対象物１に降伏点前後となるひずみを試験対象物１に破断が生じるまで繰り返し与えた場合の破断繰り返し数Ｎｆを計測し、ひずみ振幅ε（塑性ひずみ範囲Δεｐ）と破断繰り返し数Ｎｆとの相関であるε－Ｎ線図を得られる試験である。熱疲労試験としてはε－Ｎ線図が得られればよく、低サイクル疲労試験や高サイクル疲労試験に限定されず、高温回転曲げ疲労試験も例示される。

負荷付与装置１１は試験対象物１に力学的負荷として圧縮および引張を与える装置である。負荷付与装置１１は熱疲労試験において圧縮および引張により試験対象物１に試験対象物１の降伏点前後のひずみを繰り返して与える装置である。また、負荷付与装置１１は引張試験において試験対象物１に試験対象物１の降伏点を超える力で破断するまで引っ張り続ける装置である。負荷付与装置１１としては電気油圧サーボ式の装置が例示される。

温度調節装置１２は試験対象物１の温度を調節する装置である。温度調節装置１２は熱疲労試験において負荷付与装置１１によるひずみの変位に同調させて試験対象物１の温度を予め設定された熱疲労試験温度である高温および低温に繰り返して変化させる装置である。また、温度調節装置１２は引張試験において試験対象物１の温度を予め設定された引張試験温度に維持する装置である。温度調節装置１２としては高周波加熱装置が例示される。

試験用測定装置１３は熱疲労試験や引張試験において試験対象物１に生じたひずみを測定する装置である。試験用測定装置１３としては等方性導体を用いた金属ひずみゲージや半導体のピエゾ抵抗効果を利用した半導体ゲージが例示される。

試験用解析装置１４は負荷付与装置１１、温度調節装置１２、および、試験用測定装置１３のそれぞれに電気的に接続されており、負荷付与装置１１および温度調節装置１２の制御と試験用測定装置１３が取得した結果の解析とを行う装置である。試験用解析装置１４は各種情報処理を行う中央演算装置（ＣＰＵ）、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成されるハードウェアである。

試験用解析装置１４は制御プログラム１５および試験解析プログラム２０を有する。各プログラムは内部記憶装置に記憶されていて、適時、中央演算装置により実行されている。なお、制御プログラム１５は、試験用解析装置１４とは別体の制御装置に組み込まれてもよく、プログラムの他にプログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）や電気回路で構成されてもよい。

制御プログラム１５は熱疲労試験や引張試験における負荷付与装置１１および温度調節装置１２を制御するプログラムである。熱疲労試験において、制御プログラム１５は試験用解析装置１４に予め入力されたひずみ量や応力などの力学的負荷、熱疲労試験温度、ひずみおよび温度サイクルの位相や波形に基づいて負荷付与装置１１および温度調節装置１２を制御する。なお、熱疲労試験においては、ひずみサイクルおよび温度サイクルを同位相にする試験と、ひずみサイクルおよび温度サイクルを逆位相にする試験が可能である。また、引張試験において、制御プログラム１５は試験用解析装置１４に予め入力されたひずみ量や応力などの力学的負荷、引張試験温度に基づいて負荷付与装置１１および温度調節装置１２を制御する。

試験解析プログラム２０は試験用測定装置１３が所定周期ごとに測定したひずみが入力されて、熱疲労試験や引張試験の試験結果を解析するプログラムである。熱疲労試験において、試験解析プログラム２０は破断繰り返し数Ｎｆを計測し、ひずみ振幅εと破断繰り返し数Ｎｆとの相関であるε－Ｎ線図を得て、第一の時間－温度パラメータｌｍｐｆと等価応力振幅σｆとの相関を試験結果として出力する。また、引張試験において、試験解析プログラム２０は第二の時間－温度パラメータＬＭＰｔと引張強度σＢとの相関を試験結果として出力する。

図２に例示するように、試験解析プログラム２０は複数回の熱疲労試験の試験結果を、縦軸を等価応力振幅σｆとし、横軸を第一の時間－温度パラメータｌｍｐｆとする関係図にプロットする。そして、プロットされた複数の点から累乗近似式として第一の時間－温度パラメータｌｍｐｆと等価応力振幅σｆとの相関を得る。

図３に例示するように、疲労試験システム１０の試験方法は試験対象物１に熱疲労試験と引張試験とを行って、熱疲労試験の試験結果として、第一の時間－温度パラメータｌｍｐｆと等価応力振幅σｆとの相関を出力するものである。なお、本開示の疲労試験システム１０の試験方法においては、同一材料で同一形状の複数の試験対象物１が必要である。

試験対象物１に対してひずみ範囲や応力などの力学的負荷と熱疲労試験温度とを変化させた熱疲労試験を複数回実施する（Ｓ１１０）。次いで、熱疲労試験により試験対象物１のε－Ｎ線図が得られる（Ｓ１２０）。また、試験対象物１に対して引張力などの力学的負荷と引張試験温度とを変化させた引張試験を複数回実施する（Ｓ１３０）。次いで、引張試験で得られた試験対象物１の引張強度σＢと第二の時間－温度パラメータＬＭＰｔとの相関を出力する（Ｓ１４０）。

次いで、熱疲労試験で得られた結果から第一の時間－温度パラメータｌｍｐｆを算出し、熱疲労試験で得られた結果を引張試験で得られた引張強度σＢと第二の時間－温度パラメータＬＭＰｔとの相関に代入して等価応力振幅σｆを算出する（Ｓ１５０）。算出された第一の時間－温度パラメータｌｍｐｆと等価応力振幅σｆとをプロットし、累乗近似式として得られた第一の時間－温度パラメータｌｍｐｆと等価応力振幅σｆとの相関を試験結果として出力して（Ｓ１６０）、試験方法は完了する。

図４に例示するように、熱疲労試験で得られる結果は、ひずみ振幅εと破断繰り返し数Ｎｆとの相関が示されたε－Ｎ線図である。ε－Ｎ線図においては、ひずみ振幅εと破断繰り返し数Ｎｆとの相関が設定した熱疲労試験温度ごとに異なる相関となる。本開示において、熱疲労試験温度とは予め設定された高温および低温の二つ温度で示されるものである。

図５に例示するように、ひずみ振幅εは塑性ひずみ範囲Δεｐを半分にした値である。熱疲労試験におけるヒステリシスループにおいて、全ひずみ範囲Δεｔは弾性ひずみ範囲Δεｅと塑性ひずみ範囲Δεｐとの和で示される。

第一の時間－温度パラメータｌｍｐｆはＬａｒｓｏｎ－Ｍｉｌｌｅｒパラメータである。第一の時間－温度パラメータｌｍｐｆは、熱疲労試験温度に基づいた温度Ｔｆおよび破断繰り返し数Ｎｆに基づいた時間ｔｆを変数とし、第一定数Cｆを用いて、下記の数式（１）で示される。また、第一の時間－温度パラメータｌｍｐｆと等価応力振幅σｆとの相関は、係数Ａと、冪指数Ｂとを用いて、下記の数式（２）で示される。本開示における第一の時間－温度パラメータｌｍｐｆと等価応力振幅σｆとの相関とは、係数Ａと冪指数Ｂとを累乗近似式により求めることである。なお、第一定数Ｃｆが定まっていない場合に第一定数Ｃｆを求めることも含む。

熱疲労試験温度に基づいた温度Ｔｆは、熱疲労試験温度における予め設定された高温および低温の中間温度でもよく、熱疲労試験中に試験対象物１の温度を逐次、計測して得られた複数の温度の平均温度でもよい。また、熱疲労試験中に試験対象物１の温度を逐次、計測するとともに計測して得られた温度の持続時間を計測し、その持続時間に応じて計測した温度に対して重み付けして得られた温度でもよい。

破断繰り返し数Ｎｆに基づいた時間ｔｆは、負荷付与装置１１が試験対象物１に付与する力学的負荷の１サイクルの時間と破断繰り返し数Ｎｆとを乗算した値である。なお、熱疲労試験が高温回転曲げ疲労試験である場合に、破断繰り返し数Ｎｆは試験時間と試験速度とを乗算した値であり、時間ｔｆはその試験時間である。

第一定数Ｃｆは試験対象物１を構成する材料の種類と試験内容とに応じて予め設定可能な定数である。第一定数Ｃｆは試験対象物１に対してクリープ試験を実施して、クリープ試験の結果から得られるｌｏｇｔｒ－１／Ｔ線図において１／Ｔがゼロとなる値として求めてもよい。本実施形態の第一定数Ｃｆは第一の時間－温度パラメータｌｍｐｆと等価応力振幅σｆとの相関に基づいて設定される。

等価応力振幅σｆは熱疲労試験で得られたひずみ振幅εと試験対象物１の疲労限界度線図とに基づいて算出される。本開示において、疲労限界度線図（耐久限度線図ともいう）は平均応力がゼロでない場合にその平均応力の影響を考慮して疲労強度を評価するためのものであり、Ｇｏｏｄｍａｎの式、Ｇｅｒｂｅｒの式、Ｓｏｄｅｒｂｅｒｇの式、Ｍｏｒｒｏｗの式が例示される。本実施形態の疲労限界度線図はＧｏｏｄｍａｎの式を用いている。

等価応力振幅σｆは熱疲労試験の開始から破断繰り返し数Ｎｆに至るまでのうちの所定回数（Ｄ・Ｎｆ）におけるひずみ振幅εから求められる応力振幅σａと、平均応力σｍと、試験対象物１の引張強度σＢと、を用いて以下の数式（３）で示される。

図５に例示するように、等価応力振幅σｆは熱疲労試験における破断繰り返し数Ｎｆの半分の回数のときの応力とひずみとの相関を示すヒステリシスループにおいて、平均応力σｍが存在している場合に、平均応力σｍをゼロと見做して得られるものである。

所定回数（Ｄ・Ｎｆ）は、熱疲労試験における試験対象物１への応力が試験の経過時間とともに変化することから、その応力が安定したと見做せる回数に設定される。本開示において安定した応力とは、熱疲労試験における試験対象物１への全応力のうちの平均値の近傍の応力を示す。係数Ｄは単位分数または帯分数で構成される。本実施形態において、破断繰り返し数Ｎｆの半分の回数の応力が安定したと見做せることから、係数Ｄとして１／２が例示される。等価応力振幅σｆは疲労試験における応力が安定した状態と見做せる回数のときのヒステリシスループに基づいて算出すればよく、破断繰り返し数Ｎｆの１／４の回数で安定すると見做せる場合は、その回数でもよい。

図６に例示するように、引張試験で得られる試験結果は、引張強度σＢと第二の時間－温度パラメータＬＭＰｔとの相関である。第二の時間－温度パラメータＬＭＰｔはＬａｒｓｏｎ－Ｍｉｌｌｅｒパラメータである。第二の時間－温度パラメータＬＭＰｔは、引張試験温度Ｔｔおよびソーク時間ｔｔを変数とし、第二定数Ｃｔを用いて、下記の数式（４）で示される。また、第二の時間－温度パラメータＬＭＰｔと引張強度σＢとの相関は、係数Ｅと、冪指数Ｆとを用いて、下記の数式（５）で示される。本開示における第二の時間－温度パラメータＬＭＰｔと引張強度σＢとの相関とは、係数Ｅと冪指数Ｆとを累乗近似式により求めることである。なお、第二定数Ｃｔが定まっていない場合に第二定数Ｃｔを求めることも含む。

引張試験温度Ｔｔは、引張試験における予め設定された温度でもよく、引張試験中に試験対象物１の温度を逐次、計測して得られた複数の温度の平均温度でもよい。また、引張試験中に試験対象物１の温度を逐次、計測するとともに計測して得られた温度の持続時間を計測し、その持続時間に応じて計測した温度に対して重み付けして得られた温度でもよい。

ソーク時間ｔｔは、試験対象物１が引張試験温度Ｔｔになるまでに要した時間である。ソーク時間ｔｔとしては、引張試験前に試験対象物１を恒温槽に入れておいた時間としてもよい。

第二定数Ｃｔは試験対象物１を構成する材料の種類と試験内容とに応じて予め設定された定数である。本実施形態の第二定数Ｃｔは第二の時間－温度パラメータＬＭＰｔと引張強度σＢとの相関に基づいて設定される。第二定数Ｃｔと第一定数Ｃｆとは試験内容が異なるため、試験対象物１を構成する材料の種類が同一であっても異なる値となる。

第二の時間－温度パラメータＬＭＰｔの変数である引張試験温度Ｔｔに熱疲労試験の熱疲労試験温度に基づいた温度Ｔｆを代入し、ソーク時間ｔｔに熱疲労試験の開始から所定回数（Ｄ・Ｎｆ）に至るまでの時間（Ｄ・ｔｔ）を代入した第二の時間－温度パラメータＬＭＰｔは以下の数式（６）で示される。

以上のように、第一実施形態の疲労試験システム１０は、熱疲労試験の試験結果を、ひずみ振幅εと破断繰り返し数Ｎｆとの力学的負荷の関係のみではなく、熱疲労試験温度に基づいた温度Ｔｆおよび破断繰り返し数Ｎｆに基づいた時間ｔｆを変数とする第一の時間－温度パラメータｌｍｐｆと等価応力振幅σｆとの相関で示す。それ故、その相関が力学的負荷の変化のみではなく、温度や時間による疲労強度の低下を考慮した指標となり、総合的な評価を行うことができる。

疲労試験システム１０は第一の時間－温度パラメータｌｍｐｆとしてＬａｒｓｏｎ－Ｍｉｌｌｅｒパラメータを用いたが、代わりにＭａｎｓｏｎ－Ｓｕｃｃｏｐパラメータを用いてもよい。なお、時間－温度パラメータとしては、他にＯｒｒ－Ｓｈｅｒｂｙ－ＤｏｒｎパラメータやＭａｎｓｏｎ－Ｈａｆｅｒｄパラメータが例示されるが、それらのパラメータは熱疲労試験における等価応力振幅σｆとの相関がない。

疲労試験システム１０は疲労限界度線図としてＧｏｏｄｍａｎの式を用いたが、代わりにＧｅｒｂｅｒの式、Ｓｏｄｅｒｂｅｒｇの式、Ｍｏｒｒｏｗの式を用いてもよい。なお、Ｓｏｄｅｒｂｅｒｇの式やＭｏｒｒｏｗの式を用いる場合は本実施形態の引張強度σＢの代わりに降伏点応力や真破断応力を用いる必要があるが、それらの値も引張強度σＢと同様に時間－温度パラメータとの相関を求めればよい。

疲労試験システム１０は熱疲労試験を行う装置と引張試験を行う装置とが別々の装置であってもよい。また、疲労試験システム１０は、試験対象物１の引張強度σＢと第二の時間－温度パラメータＬＭＰｔとの相関が分かっていれば引張試験を行う必要はなく、熱疲労試験のみを行う装置で構成されてもよい。

図７に例示するように、第二実施形態の疲労検査システム３０は、検査対象物２の疲労を検査するものであり、検査用測定装置３１、および、検査用解析装置３２を備えて構成される。

検査用測定装置３１は検査対象物２に作用した実等価応力振幅σｉに関するパラメータを測定する装置である。検査用測定装置３１としては、試験用測定装置１３と同様に検査対象物２に生じたひずみを測定する装置として、金属ひずみゲージや半導体ゲージが例示される。また、検査用測定装置３１は後述するように疲労低下と相関のある検査対象物２の伝導率または硬度を測定する装置も例示される。

検査用解析装置３２は検査用測定装置３１に電気的に接続されており、試験用測定装置１３が取得した結果の解析を行う装置である。検査用解析装置３２は各種情報処理を行う中央演算装置（ＣＰＵ）、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成されるハードウェアである。検査用解析装置３２は任意の温度Ｔｉおよび時間ｔｉが入力可能なインターフェースを有する。検査用解析装置３２は検査解析プログラム４０を有する。このプログラムは内部記憶装置に記憶されていて、適時、中央演算装置により実行されている。

検査解析プログラム４０は検査用測定装置３１が測定したパラメータとインターフェースを介して入力された任意の温度Ｔｉおよび時間ｔｉとに基づいて、検査対象物２の疲労を解析するプログラムである。検査解析プログラム４０は検査対象物２ごとの熱疲労試験で得られた上記の数式（１）で示される算出式と、上記の数式（２）で示される第一の時間－温度パラメータｌｍｐｆと等価応力振幅σｆとの相関を示す累乗近似式とを有する。検査解析プログラム４０は算出式に温度Ｔｉおよび時間ｔｉを代入して得られた第三の時間－温度パラメータｌｍｐｉと、累乗近似式に検査用測定装置３１が測定したパラメータに応じて求まる実等価応力振幅σｉを代入して得られた第四の時間－温度パラメータＬＭＰｉと、から疲労損傷ダメージＤｆとして出力する。

図８に例示するように、疲労検査システム３０の検査方法は検査対象物２に非破壊検査を行って、その検査結果として、疲労損傷ダメージＤｆを出力するものである。

検査用解析装置３２に温度Ｔｉおよび時間ｔｉを入力する（Ｓ２１０）。次いで、入力された温度Ｔｉおよび時間ｔｉを第一の時間－温度パラメータｌｍｐｆの変数に代入して、第三の時間－温度パラメータｌｍｐｉを算出する（Ｓ２２０）。次いで、検査対象物２に対して非破壊検査を実施する（Ｓ２３０）。次いで、非破壊検査により得られたパラメータに応じて求まる実等価応力振幅σｉを第一の時間－温度パラメータｌｍｐｆおよび等価応力振幅σｆの相関を示す上記の数式（２）に代入して第四の時間－温度パラメータＬＭＰｉを算出する（Ｓ２４０）。次いで、第三の時間－温度パラメータｌｍｐｉを第四の時間－温度パラメータＬＭＰｉで除算して得られた疲労損傷ダメージＤｆを出力して（Ｓ２５０）、検査方法は完了する。

第三の時間－温度パラメータｌｍｐｉは上記の数式（１）で示す算出式において第一の時間－温度パラメータｌｍｐｆの変数である熱疲労試験温度に基づいた温度Ｔｆに温度Ｔｉが代入され、破断繰り返し数Ｎｆに基づいた時間ｔｆに時間ｔｉが代入されて、以下の数式（７）で示される。

温度Ｔｉ、時間ｔｉのそれぞれは任意の値として入力されるが、温度Ｔｉは検査対象物２の使用時の温度であることが望ましく、時間ｔｉは検査対象物２が使用された時間であることが望ましい。温度Ｔｉとしては、使用中に検査対象物２の温度を逐次、計測して得られた複数の温度の平均温度でもよい。また、使用中に検査対象物２の温度を逐次、計測するとともに計測して得られた温度の持続時間を計測し、その持続時間に応じて計測した温度に対して重み付けして得られた温度でもよい。本開示において検査対象物２が使用された時間とは、検査対象物２に対して力学的負荷が作用した時間を示すものとする。

第四の時間－温度パラメータＬＭＰｉは上記の数式（２）で示す第一の時間－温度パラメータｌｍｐｆと等価応力振幅σｆとの相関の累乗近似式に、検査用測定装置３１が測定したパラメータに応じた実等価応力振幅σｉが代入されて、以下の数式（８）で示される。

図９に例示するように、疲労損傷ダメージＤｆは、その値が「１」になると検査対象物２が破壊されたと見做せるものであり、第三の時間－温度パラメータｌｍｐｉを第四の時間－温度パラメータＬＭＰｉで除算した得られる値である。第三の時間－温度パラメータｌｍｐｉと第四の時間－温度パラメータＬＭＰｉとの関係は、線形累積損傷則（マイナー則ともいう）における繰り返し数ｎｉと破断繰り返し数Ｎｉとの関係に類似する。

以上のように、第二実施形態の疲労検査システム３０は、力学的負荷の変化のみではなく、温度や時間による疲労強度の低下を考慮した時間－温度パラメータの比で求められる疲労損傷ダメージＤｆを出力する。つまり、検査時点での検査対象物２に作用する応力の繰り返し数が破断繰り返し数Ｎｆに達したか否かという単純な検査結果と比して、温度および時間による疲労低下も考慮した検査結果を出力することで、熱疲労の総合的な評価を行うことができる。

時間－温度パラメータの比で求められる疲労損傷ダメージＤｆにより検査対象物２の疲労を評価することで、検査対象物２の疲労強度の低下を力学的負荷が作用する繰り返し数のみではなく、使用する温度や時間による疲労強度の低下も加味して評価することができる。また、検査後に使用する温度を低下させて疲労寿命に至るまでの時間を延長させたり、検査後の使用環境に応じた疲労寿命を算出したりできる。

図１０および図１１に例示するように、検査対象物２の導電率および硬度と時間－温度パラメータとは相関がある。この相関は熱疲労試験において、ひずみとともに導電率や硬度を逐次、測定することで得られる。つまり、疲労検査システム３０は検査用測定装置３１により検査対象物２の実等価応力振幅σｉに関するパラメータとして検査対象物２の導電率や硬度を用いてもよい。なお、硬度としてはビッカース硬さを用いたが、ブリネル硬さやロックウェル硬さを用いてもよい。

１ 試験対象物
２ 検査対象物
１０ 疲労試験システム
１１、１２、１３ 試験装置
１４ 試験用解析装置
２０ 試験解析プログラム
３０ 疲労検査システム
３１ 検査用測定装置
３２ 検査用解析装置
４０ 検査解析プログラム

Claims (9)

1. 試験対象物のひずみ振幅と破断繰り返し数との相関を得る熱疲労試験を行う疲労試験システムにおいて、
   前記試験対象物に前記熱疲労試験を行う試験装置と前記熱疲労試験の結果を解析する試験用解析装置とを備え、
   前記試験用解析装置は、前記熱疲労試験における熱疲労試験温度に基づいた温度および前記破断繰り返し数に基づいた時間を変数とする第一の時間－温度パラメータと、前記ひずみ振幅および前記試験対象物の疲労限度線に基づいて求めた等価応力振幅との相関を試験結果として出力する構成であることを特徴とする疲労試験システム。
2. 前記第一の時間－温度パラメータは、前記第一の時間－温度パラメータをｌｍｐｆとし、前記熱疲労試験温度に基づいた温度をＴｆとし、前記破断繰り返し数に基づいた時間をｔｆとし、第一定数をCｆとし、下記の数式（１）で示され、
   前記試験結果は、前記等価応力振幅をσｆとし、係数をＡとし、冪指数をＢとし、下記の数式（２）で示される請求項１に記載の疲労試験システム。
   

   
3. 前記等価応力振幅は、前記等価応力振幅をσｆとし、前記熱疲労試験の開始から前記破断繰り返し数に至るまでのうちの所定回数における前記ひずみ振幅から求められる応力振幅をσａとし、平均応力をσｍとし、前記試験対象物の引張強度をσＢとし、下記の数式（３）で示される請求項１または２に記載の熱疲労試験システム。
   

   
4. 前記試験用解析装置は、前記試験対象物に対して予め実施された引張試験における前記試験対象物の温度である引張試験温度および前記試験対象物が前記引張試験温度になるまでに要した時間であるソーク時間を変数とした第二の時間－温度パラメータと前記試験対象物の引張強度との相関を有し、
   前記引張強度を前記第二の時間－温度パラメータの変数に前記熱疲労試験温度に基づいた温度および前記熱疲労試験の開始から前記所定回数時間に至るまでの時間を代入して算出する構成である請求項３に記載の疲労試験システム。
5. 前記第二の時間－温度パラメータは、前記第二の時間－温度パラメータをＬＭＰｔとし、前記引張試験温度をＴｔとし、前記ソーク時間をｔｔとし、第二定数をCｔとし、下記の数式（４）で示され、
   前記第二の時間－温度パラメータと前記引張強度との相関は、係数をＥとし、冪指数をＦとし、下記の数式（６）で示される請求項４に記載の疲労試験システム。
   

   
6. 検査対象物の疲労を検査する疲労検査システムであって、
   前記検査対象物に作用した実等価応力振幅に関するパラメータを測定する検査用測定装置と、この検査用測定装置で測定した前記パラメータならびに任意の温度および時間とが入力される検査用解析装置と、を備え、
   前記検査用解析装置は、試験対象物のひずみ振幅と破断繰り返し数との相関を得る熱疲労試験における熱疲労試験温度に基づいた温度および前記破断繰り返し数に基づいた時間を変数とした第一の時間－温度パラメータの算出式と、前記ひずみ振幅および前記試験対象物の疲労限度線に基づいて求めた等価応力振幅ならびに前記第一の時間－温度パラメータの相関を示す累乗近似式とを有し、
   前記算出式の変数に入力された前記温度および時間を代入して得られる第三の時間－温度パラメータを、前記累乗近似式に入力された前記パラメータに応じて求まる実等価応力振幅を代入して得られる第四の時間－温度パラメータで除算した値を算出し、算出したその値を疲労損傷ダメージとして出力する構成であることを特徴とする疲労検査システム。
7. 前記検査用測定装置は、前記パラメータとして前記検査対象物の導電率または硬度を取得する装置で構成され、
   前記検査用解析装置は、前記導電率または前記硬度と前記第四の時間－温度パラメータとの相関を有し、前記測定装置が取得した前記導電率または前記硬度に基づいて前記第四の時間－温度パラメータを求める構成である請求項５に記載の疲労検査システム。
8. 試験対象物のひずみ振幅と破断繰り返し数との相関を得る熱疲労試験の試験解析プログラムであって、
   試験用解析装置に、前記熱疲労試験における熱疲労試験温度に基づいた温度および前記破断繰り返し数に基づいた時間を変数とする第一の時間－温度パラメータを算出させる手順と、前記ひずみ振幅および前記試験対象物の疲労限度線に基づいて求めた等価応力振幅を算出させる手順と、算出させた前記第一の時間－温度パラメータおよび前記等価応力振幅の相関を試験結果として出力させる手順とを実行させることを特徴とする試験解析プログラム。
9. 検査対象物の疲労を検査する検査解析プログラムであって、
   試験対象物のひずみ振幅と破断繰り返し数との相関を得る熱疲労試験における熱疲労試験温度に基づいた温度および前記破断繰り返し数に基づいた時間を変数とした第一の時間－温度パラメータの算出式と、前記ひずみ振幅および前記試験対象物の疲労限度線に基づいて求めた等価応力振幅ならびに前記第一の時間－温度パラメータの相関を示す累乗近似式とを有し、
   検査用解析装置に、前記算出式の変数に任意の温度および時間を代入して第三の時間－温度パラメータを算出させる手順と、前記累乗近似式に検査用測定装置が測定したパラメータに応じて求まる前記検査対象物に作用した実等価応力振幅を代入して第四の時間－温度パラメータを算出させる手順と、算出させた前記第三の時間－温度パラメータを前記第四の時間－温度パラメータで除算した値を疲労損傷ダメージとして出力させる手順を実行させることを特徴とする検査解析プログラム。

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