クリープ疲労または変形
エンジニアや製造業者であれば、材料の挙動はよくご存知でしょう。材料は変形することがよくあります。定期的に問題に対処しているかもしれません。これらの挙動の原因をご存知ですか？ クリープ変形したがって、クリープ変形とは何か、そして予期せずクリープ変形が発生するのを防ぐにはどうすればよいかを理解することが重要です。
クリープは、通常、時間の経過とともに発生する、気づかないうちに進行するプロセスです。その変化は徐々に進行します。多くの場合、鋼鉄やポリマーなどの金属に影響を及ぼします。このゆっくりとした継続的な変形は、予期せぬ事態を招く可能性があります。ただし、適切な知識があれば、その前に対処できます。
さらに、 クリープグラフ は、習得すべき最も重要なスキルの 1 つです。クリープ変形とは何か、またそれを回避するにはどうすればよいかについて詳しく見ていきましょう。
クリープ変形とは何ですか?
クリープ変形効果
クリープ変形は徐々に進行する現象です。機械的な歪みとは異なり、材料が長期間にわたって一定の応力を受けると発生します。すぐには現れないかもしれませんが、それでも材料の破損を引き起こす可能性があります。クリープ変形の発生は、材料の特性、温度、使用方法、応力条件によって決まります。
作業員が、道具を入れたバックパックの一番下の部分に金属製の水筒を入れているところを想像してください。この物体は、毎日他の道具の下に隠れたままです。この水筒は、新品のときは正常な外観でしたが、使用期間中に曲がって変形する傾向があります。金属製品のキャップと底の部分は、元の形状から変化することがあります。曲がるプロセスは、突然または即座に変形することなく、徐々に進行します。重い道具や液体の内容物からの継続的な圧力を受けると、金属は徐々に柔らかくなります。
クリープ変形の兆候
クリープ変形の兆候
クリープの兆候を事前に検出することで、材料の歪みを防ぐことができます。 クリープは、多くの種類の材料が大きなストレスを受けて持続すると発生します。 一般的には、 鋼合金 融点の 40% を超える温度ではクリープ変形が発生します。
コンクリートは、他のすべての建築材料とは異なる特性を示します。コンクリートの配合設計における基本的な機能は、骨材含有量の割合によって決まります。クリープ損傷の形成プロセスには、材料の応力レベルに加えて温度変化が含まれます。長期にわたる発達により、コンクリートの建築要素とその表面特性が永久的に損傷します。
クリープと反りの現象は、通常、ポリマー、ナイロン、ABS、ポリエチレン、その他多くの材料に影響を及ぼします（さまざまな材料に関する詳細な情報を入手してください） CNC加工に適したプラスチックの種類)超合金は、クリープ効果の発生を防ぐ効果的な方法です。さらに、エンジニアリンググレードの材料は、高圧条件下でも強度を維持するため、クリープ変形に対する優れた耐性を発揮します。
3D プリントのクリープ
3Dプリンティングにおける熱クリープ
クリープは従来の製造業だけの問題ではありません。3D 印刷でもよく直面する問題です。FDM 印刷では、クリープ変形は荷重下での粘弾性の緩和によって発生し、分子鎖がシフトします。
もう 1 つの問題は、熱クリープです。これは、熱が印刷されたオブジェクトに急激に伝わったときに発生します。材料が熱くなると、特に熱が意図しない領域に到達した場合には、変形につながります。
定常クリープ速度とは何ですか?
定常クリープ速度
時間の経過とともに、クリープする材料はさまざまな段階で応力に反応します。定常状態のクリープ速度は重要な段階です。この段階では、材料は均一な歪みを示し、増加も減少もなく一定の変化率を維持します。
材料は、プロセスを開始した急速なクリープ段階を終えました。現在は平衡状態と安定した変化率を維持しています。この段階での継続的な低速運動により、ストレスが長時間続くと材料の破損が発生する可能性があります。
たとえば、高温ボイラー内の金属パイプは一定の内部圧力を受けています。定常クリープにより、数年かけて徐々に伸び、最終的には破裂に至ります。定常段階で材料が継続的なストレスを受けると、さらに破損しやすくなります。
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典型的なクリープ段階は何ですか?
クリープ変形の段階
クリープ変形は通常、段階的に発生します。各段階は、材料の挙動がどのように変化しているかについて重要な情報を提供します。プロセスをより明確に理解できるように、これらの段階を分解してみましょう。
一次段階（過渡的クリープ）
これは材料に負荷がかかった後の最初の段階です。材料は 弾性相この段階では、クリープ速度は遅くなり、材料は ひずみ硬化もっと簡単に言えば、圧力がかかると硬くなり、最初は変形が遅くなります。
第二段階（定常クリープ）
材料が一次段階を通過すると、 二次段階 定常クリープこの段階はクリープの最も長い段階です。材料は変形し続けますが、変形速度はより一定になります。ここで材料が軟化し始め、変形プロセスが継続します。この段階は、長期のストレスにさらされる構造物や材料を設計する際に貴重なデータを提供するため、細心の注意を払う必要があります。
第三段階
クリープの最終段階では、材料が暴走し始めます。ここで材料の内部構造が破壊され、破損が発生します。この段階では、内部構造が破壊され、破損が発生します。 ボイド, 微小亀裂、および分離 粒界 ひび割れが発生し、破裂につながる可能性があります。材料はもはや応力に耐えられなくなり、時間の経過とともに破損は避けられなくなります。
クリープ変形の種類
クリープは、万能のプロセスではありません。クリープ中にはさまざまなメカニズムが発生し、特定の条件が満たされないと作動しない複数の独特なプロセスが関与します。主なクリープは、3 つの主要な変形形態で現れます。説明しましょう。
ナバロ・ヘリングの拡大
ナバロ・ヘリングのクリープ効果
高温操作と最小限の応力の組み合わせにより、ナバロ・ヘリング クリープ変形が発生します。温度が上昇すると、材料の結晶格子原子が動き始めます。原子は材料構造内を自由に移動できます。すると、構造に新しい空孔スペースができます。一次粒子サイズによって、材料がクリープによって変形する速度が決まります。粒子サイズが小さいほど、変形速度が速くなります。
ポリマークリープ
ポリマー材料は、高応力と高温時に最もクリープの影響を受けやすくなります。高温および室温でも、このような挙動を示します。ポリマー クリープを引き起こす主な要因は、ポリマー鎖の滑り運動です。これは主に、結晶性ポリマーではなく非晶質ポリマーに影響します。 （詳細はこちら ナイロンの化学的性質)
転位クリープ
転位クリープ
このクリープ段階では、転位の滑り運動または上昇運動によって材料原子の位置が変わります。べき乗則クリープは、水平または垂直方向のシフトによる原子の動きを表します。これにより空孔が生成され、材料の変形を引き起こします。転位が構造全体を移動するため、材料は徐々に変形します。
コブル・クリープ
コブルクリープ効果
コブル クリープは、他の種類の材料変形よりも低温の条件で発生します。実際の結晶粒領域ではなく、結晶粒界が、この種類の材料の歪みの主な発生場所です。材料内の境界は、クリープを発生させる原因となる応力力に対して垂直に移動します。
溶質ドラッグクリープ
一部の材料には、溶質抵抗機構によって変形する耐性合金部品が含まれています。高温により、溶質材料の原子が変形します。これにより、機械的な破損が発生し、材料に重大な損傷が生じます。
ハーパー・ドーン・クリープ
ハーパー・ドーン・クリープ（HD）
このタイプのクリープの背後にある転位メカニズムは、他の転位クリープとは異なります。ハーパー・ドーン クリープの間、ひずみ速度は主に粒径の変化の影響を受けません。このタイプのクリープが発生するには、材料の純度が 99.95% で、0.5 mm を超える大きな粒径でなければなりません。さらに、クリープが明らかになるには、転位の密度が低くなければなりません。応力レベルと融点の 35% ～ 60% の範囲内の温度の組み合わせにより、ハーパー・ドーン クリープが発生します。
焼結限界応力
加熱による材料粒子の結合プロセスにより、焼結操作中にクリープ堆積が発生します。材料の温度が上昇し、粒子間の細孔のサイズが縮小すると、材料の密度が増加します。材料が密度の閾値に近づくにつれて細孔の収縮が停止すると、材料にクリープが発生します。この時点での応力がクリープにつながります。
テーブルの概要
| クリープタイプ | の賃貸条件 | 重要な特徴 |
| ナバロ・ヘリング | 高温、低ストレス | 原子運動、小さな粒子サイズ |
| ポリマークリープ | 高ストレス、高温 | ポリマー鎖の動き：非晶質ポリマーに影響を与える |
| 転位クリープ | 適度なストレス、温度 | 原子は転位によって移動し、徐々に変形する |
| コブル・クリープ | 低温、高ストレス | 粒界における変形 |
| 溶質ドラッグクリープ | 高温 | 溶質原子による変形 |
| ハーパー・ドーン・クリープ | 高温、転位が少ない | 大きな粒子、ゆっくりとした変形 |
| 焼結限界応力 | 高温、焼結 | 粒子の結合と細孔の収縮が止まる |
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クリープ変形がエンジニアリング材料に与える影響
クリープがエンジニアリング材料にどのような影響を与えるかを見てみましょう。
クリープ変形
プラスチックのクリープ挙動
通常、熱可塑性プラスチックは、時間の経過とともに蓄積される一定の応力により、ゆっくりとした寸法変化によってクリープ変形を起こします。この変化は時間の経過とともに起こるため、通常は検出されません。金属部品は、金属部品がゆっくりと曲がるのと同様に、長期間の圧力によって徐々に変形します。
粒界すべり
粒界すべり
低密度のエッジは、材料内の小さな結晶を結び付けます。クリープ現象中に境界が破壊されるため、材料は弱くなります。圧力がさらに増加すると、セクション間に空間が生じます。
ひずみ硬化
材料は、伸張または変形プロセスを経て、ひずみ硬化によって強靭性を確立します。一次クリープ期間の初期段階では、材料は応力を受けると高い強度を示します。その後、ワイヤをその長さに沿って繰り返し曲げると、材料は次第に硬くなります。
欠員
材料に空孔がある場合、その材料は空隙を持っています。この場合、原子はその構造内に存在します。原子はクリープ中に可動性を獲得し、位置間に空洞を生成します。原子が位置を調整する間に、原子間に穴が開き始めます。
クリープ変形を防ぐには？
クリープを防止するには、さまざまな材料がクリープの段階をどのように進行するかについての知識が必要です。材料の二次遷移段階を監視することで、作業に適した材料を選択できます。
方向性鋳造粒子のない材料は、応力誘起変形に対する耐性が高くなります。超合金と分散強化材料は、他の材料に比べて優れたクリープ耐性を示すため、優れた選択肢となります。
微粒子材料（超合金など）は、粒界を強化することでクリープ耐性を向上させます。一方、高融点材料は極端な温度でもそのままの状態を保ち、クリープ効果によって容易に変形しません。
さらに、温度制御もクリープの防止に役立ちます。材料に低温を適用すると、クリープの発生を遅らせながら強度を長持ちさせることができます。
機械加工中の 316FR ステンレス鋼のクリープ変形
ステンレス鋼 316 のクリープ疲労方程式
この分析では、ナトリウム環境が浸炭処理を受けた316FRステンレス鋼にどのような影響を与えるかを調べました。このプロセスは機械加工中に作られた部品に適用されます。これらの部品は後に 高速増殖炉で行われた実験は 550°C ナトリウム条件は現在の原子炉の運転設定を再現しました。
この研究は、以下の結論を示しました。材料の挙動は、クリープ過程が始まる直前の重要な試験期間に観察されました。研究者は、この試験段階を実行する際に降伏応力を超える応力を加えました。研究アナリストは、クリープ挙動を評価するために、2 回目の実験期間全体にわたって一定の力を維持しました。実験設計では、材料面積の収縮によって応力が増加するため、材料面積の収縮を考慮する必要がありました。
浸炭処理中に、材料の変化に炭素が浸透しました。材料のクリープひずみ率が徐々に低下する前に、材料が強化されたことが観察されました。材料の外側に向かう表面では、浸炭中に炭素の浸透が速くなっています。これらの条件により応力集中領域が形成され、材料の亀裂が発生します。
このモデルの体系的な評価プロセスにより、研究者は材料の亀裂が生じる条件を計算できます。応力レベルが低い場合、材料は応力が高い場合よりもクリープ損傷による破損が多く発生し、主に引張強度に影響を及ぼします。
高応力レベルのナトリウム溶液を使用した実験室環境では、空気試験に比べて材料の寿命が短くなることが示されました。材料へのナトリウムの曝露時間は、大気圧条件以下の応力レベルでの空気曝露時間と同等か、わずかに長くなりました。実験テストでは、材料特性は 550°C の炭化処理によってほとんど影響を受けないことが示されました。
機械加工におけるクリープ防止の実践的アプローチ
機械加工におけるクリープ防止
有限要素解析（FEA）は、 カスタム鋼加工 機械加工の対象となる部品。応力と温度条件下での材料の反応をシミュレートするのに役立ちます。
さらに、クリープの防止にも役立ちます。エンジニアは、将来のクリープの問題を事前に検出できます。また、最適な材料を選択して、コンポーネントの形状を改善できます。
リアルタイムの機械監視は、CNC加工の効率を向上させるもう1つのアプローチです。 送り速度 冷却手順は、製造業者がクリープを回避するのに役立ちます。ツールパスの最適化と最適な加工条件により、クリープひずみの量を 30% 最小限に抑えることができます。 （続きを読む 5軸CNC加工)
主要なポイント（要点）
機械的クリープの影響を受ける材料は、降伏応力に近い状態で融点の 40% を超える高温になると変形します。クリープ変形中、材料は徐々に変形します。ただし、意図した形成が破壊に至るまでには何年もかかる場合があります。
クリープ破壊の可能性を最小限に抑えるには、融点の高い鋼を選択してください。引張ひずみ下では、より大きな粒子を組み合わせるとクリープ変形が遅くなります。
三次クリープは、実際の応力が降伏応力を超えたときに発生します。または、キャビテーションなどの材料の微細構造の変化によって材料が破損したときに発生します。
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Boda Tech では、機械的なクリープを回避するために、CNC 加工プロジェクトに適した材料を選択するお手伝いを専門としています。当社のプラットフォームは、部品の調達を簡素化し、迅速化します。
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よくある質問
Q1: クリープとは何ですか? また、その原因は何ですか?
クリープは、一定の応力がかかった状態でのゆっくりとした変形プロセスです。材料が高温にさらされると発生します。降伏強度に近い、または降伏強度を超える長期の応力もクリープの原因となります。
Q2: クリープ材料の例は何ですか?
鋼鉄や超合金はクリープ材料の典型的な例です。ナイロンやポリエチレンなどのポリマーも、高応力と高温度にさらされるとクリープを起こすことがあります。
Q3: クリープが発生する最も一般的な原因は何ですか?
クリープは高温に長時間さらされることで発生します。材料の降伏強度に近いかそれを超える応力は、時間の経過とともにクリープを加速します。
Q4: 定常クリープ速度はどのように計算されますか?
定常クリープ速度は、時間の経過に伴う変形を測定することによって計算されます。これは、単位時間あたりに発生するひずみの量として表されます。
Q5: カスタム鋼材加工がクリープ耐性にとって重要なのはなぜですか?
カスタム額装 鋼の機械加工 結晶粒度と材料構造を制御するのに役立ちます。鋼のクリープ耐性は、機械加工だけでなく、合金化（例：Cr、Mo）、熱処理、炭化物の安定化に依存します。