材料試験、冶金、およびシステム工学において25年以上の経験を持つMTSのスタッフ科学者、エリック・シュヴァルツコップ博士は、顧客との関わりにおいて独自の専門知識を提供します。このQ&Aでは、亀裂がどのように形成され、成長し、変化するかを測定する際の課題について説明します。
Q: 亀裂の測定はなぜ重要ですか？
A: 亀裂は発生します。製造プロセス中に生成されるものもあれば、製品や部品が使用される際に発生するものもあります。亀裂がどのように形成され、成長し、変化するかを理解することで、エンジニアや製品デザイナーは潜在的な部品の故障を発見し、問題のある材料の挙動を軽減し、欠陥に耐えられる製品や構造を設計するのに役立ちます。
Q: エンジニアが異なる荷重や熱条件で亀裂の長さを測定したい理由は何ですか？
A: 部品はさまざまな環境で使用されるため、エンジニアはそれらが実際の条件下でどのように振る舞うかを理解する必要があります。異なる亀裂測定技術は、材料、試験片の形状、および測定される亀裂の種類に基づいて特定のアプリケーションにより適しています。多くの場合、アプリケーションに対する適切さと使いやすさの間にはトレードオフがあります。なぜなら、いくつかの測定技術は特定の環境でより効果的に機能するからです。このため、非環境温度で亀裂を測定することは特に困難です。また、ほとんどの金属の融点を超える高温では、どの方法もうまく機能しません。
Q: 亀裂の長さを測定するために使用される方法は何ですか？さまざまな亀裂測定技術の課題は何ですか？
A: 最も古い方法は、亀裂を探すことです。これは人間の観察またはカメラを使用して行います。この方法には、異常な試験片の形状や照明の問題がある場合に課題があります。
二つ目の方法は「コンプライアンス」と呼ばれ、試験片の剛性が変化する亀裂に対して使用されます。コンプライアンス技術では、荷重と変位を測定し、荷重/変位線の傾き、すなわち剛性を亀裂の長さと相関させます。コンプライアンスは剛性の逆数です。亀裂が成長するにつれて、剛性は減少し、コンプライアンスは増加します。この技術は、表面の欠陥や角の亀裂などの短い亀裂ではなく、長い亀裂に使用されます。短い亀裂は成長する亀裂による試験片のコンプライアンスの有意な変化を示さないためです。亀裂の発生を特定するために使用されることはまれで、コンプライアンスの変化に気づく頃には亀裂が大きくなっています。
三つ目の方法は、電気伝導性材料に利用できる「電位降下法」です。これは、電源が試験片を通じて一定の電流を流す方法です。低抵抗の厚い試験片には大量の電流（通常1アンペア以上、時には10-20アンペア）と、測定された電位の大幅な増幅が必要です。非導電性の試験片には、研究者が薄い金属箔を試験片の表面に接着します。箔と裏打ちは、基盤となる試験片が亀裂したときに引き裂ける程度に弱くなければならず、試験片自体を強化してはいけません。箔の測定繰り返し性に問題が生じることがあり、これは不均一に配置される可能性があるため、接着剤の厚さが異なることがあります。
岩石のような脆い試験片に使用できる別の方法は、音響放出です。この場合、マイクロフォンを試験片に置いて音を測定します。この方法の欠点は、亀裂の位置を特定したり、どれくらいの長さかを判断するのが難しいことです。
Q: MTSは亀裂の長さ測定のためにどのようなソリューションを提供していますか？
A: MTSは、さまざまな試験片サイズに対応したコンプライアンス測定に使用できるエクステンソメータを提供しています。通常の圧縮ゲージ長は5mmから12mmで、通常の移動量は3mmから5mmです。MTSは、室温および高温で使用できるエクステンソメータを持っており、環境チャンバー内でも使用可能です。
また、1アンペアから20アンペアの間で一定の電流を提供する直流電位降下（DCPD）システムもあります。これは、5000倍以上の増幅が必要な金属試験片に最も一般的に使用されます。私たちのDCPDシステムは5000倍以上の増幅から始まり、100000倍まで対応できます。対照的に、ひずみゲージコンディショナーは500倍から5000倍までですが、50000倍には対応できません。
MTS DCPDシステムを選ぶ利点の一つは、ソフトウェア、電子機器、ロードフレームを提供できる完全なソリューションを提供できることです。私たちのロードフレームは電気的に絶縁されており、重要なのは、電流が試験片を通過し、外部のフレームを通過しないようにすることです。グリップも電気的に絶縁することができます。MTSは、静的および動的試験の両方でDCPDソリューションを使用しています。
最後に、MTSは岩石力学のための音響放出ソリューションを提供しています。
Q: 亀裂測定は新しいまたは既存の部品の設計や寿命にどのように影響しますか？
A: 亀裂の位置と発生したプロセスを理解できれば、リスクを軽減できます。亀裂がどのように成長し、いつ成長するかを理解すれば、形状を再設計したり、検査サイクルや退役サイクルに関する決定を行ったりできます。亀裂測定は、再調査または再設計が必要な領域を特定するのに役立ちます。
Q: 亀裂の長さ測定の未来はどのようなものですか？
A: 軽量材料や代替燃料の開発、エネルギー効率の向上、より高温で腐食性のある環境に耐えられる材料の開発への関心は、世界的な課題であり、新しい材料試験の課題を生み出しています。これらの新しい材料を新しい温度で試験するための実験技術は、現在不足しています。例えば、エンジン部品を高温で試験する必要がある場合、金属のグリップで部品を掴むことができないと溶けてしまうため、問題が生じます。もちろん、すべてが高温になるわけではなく、研究者は涼しい地域にセンサーを設置して亀裂をリモートで監視できますが、その場合、測定された値が亀裂によるものなのか、実験のアーチファクトによるものなのかを判断しなければなりません。研究者は、さまざまな実験要素の相互作用を理解する必要があります。
さらに、負荷サイクル中に温度を変化させ、熱機械的疲労と疲労亀裂成長を同時に調査することにも関心があります。電位技術を使用する場合、電気抵抗のどれだけが温度によるもので、どれだけが亀裂の長さによるものかを分ける必要があります。新しい材料の高温での挙動を測定するためには、新しい基準や技術を開発する必要があります。
