ファスナースタッドボルトの代表的な曲げ疲労破壊の事例分析

疲労破壊は、機械コンポーネントの最も一般的な故障モードの 1 つです。統計データによると、すべての機械部品の故障の 50% ～ 80% が疲労損傷に起因することが示されています。疲労破壊の前には、コンポーネントは通常、明らかな塑性変形や破損前の兆候を示しません。それにもかかわらず、疲労破壊は突然かつ破壊的に発生し、多くの場合、重大な機器の故障や安全上の事故につながります。疲労損傷は特定の開始の法則と伝播の法則に従い、最終的には完全な疲労破壊に発展します。

疲労の定義: 金属疲労とは、応力またはひずみが交互に繰り返される繰り返し作用下で金属材料の機械的特性が継続的に劣化することを指します。

疲労破壊の定義: 金属材料が長期にわたる周期的な交互応力と歪みにさらされると、局所的な微細構造の変化と内部欠陥の継続的な伝播が発生し、その結果機械的特性が劣化し、最終的には部品が完全に破壊されます。この破壊過程を疲労破壊と定義します。疲労破壊を引き起こす応力は、通常、材料の静的強度の限界よりもはるかに低いです。疲労破壊は、突然発生すること、局所性が高いこと、表面および内部欠陥に対する感受性が高いことを特徴としています。

1. 破面の巨視的形態解析

今回の調査対象は、風力発電設備に使用されるスタッドボルトの破損です。破面の巨視的形態学的特徴は次のように分析されます。

1. 破面の左下と右下には不規則な凹凸形態が見られます。左側には円弧状の凸状のノッチが見られ、右側には複数の小さな鋸歯状のノッチが分布しています。破面の底部の円弧は鋭い刃先を形成します。

2. 破壊の中央の大きな領域は亀裂伝播領域として機能し、疲労破壊の典型的な巨視的特徴である明確なビーチマークで覆われています。

3. 亀裂発生部およびビーチマーク進展部の破面には、長期間外部環境にさらされたことにより発錆痕が認められる。

4. 瞬間破砕帯は広くて細かいせん断リップを示し、錆のない滑らかで明るい破面を持ちます。これは、最終的な破壊が急速に発生し、延性瞬間破壊に属することを示しています。

5. 破断スタッドの下部シャンクは、明らかな摩擦痕跡を備えた滑らかで明るい表面を特徴とし、長期間の繰り返しの摩擦によって生成された滑らかな円弧面を形成します。

6. 破断位置に明らかなネッキングや変形は見られず、過負荷引張破断の可能性はありません。

2. 巨視的な故障メカニズムの解析

1. 亀裂は下側から始まります。スタッドボルト。滑らかな刃先、鋸歯状のノッチ、シャンク底部の円弧状の隙間が応力集中領域を形成し、これが亀裂の発生源となります。

2. 亀裂伝播帯のビーチマークの特徴が顕著です。初期の伝播段階では、ビーチマークの間隔は小さく、周期的な接線応力下で安定したゆっくりとした亀裂の成長を示しています。後の伝播段階では、間隔が大幅に増加し、亀裂の伝播が加速され、破損リスクが上昇することがわかります。

3. 瞬間破壊領域の幅が広く、細かく、明るいせん断リップは典型的な延性破壊特性を示し、スタッドが優れた総合的な機械的特性を備えた、よく調和した強度と靭性を備えていることを証明しています。

4. スタッド側の滑らかな円弧面は、典型的な摩擦形態です。これは、スタッドが長期にわたる横方向の交互応力に耐え、運転中に継続的に往復運動し、ギア穴壁との摩擦と押し出しを繰り返し、最終的には研磨された滑らかな表面を形成したことを示しています。

巨視的な結論：スタッドの破断は典型的な曲げ疲労破壊です。瞬間破断ゾーンは、脆性破壊の特徴を持たずに、良好な延性破壊特性を示します。

3. 顕微鏡による形態解析

破壊のメカニズムをさらに明らかにするために、破壊試験片に対して走査型電子顕微鏡 (SEM) による顕微鏡検出を実行し、さまざまな破壊領域の微細構造の特徴を観察しました。

1. SEM 観察により、亀裂伝播領域に明確で規則的な疲労縞が観察されます。これは金属疲労破壊の核となる顕微鏡的特徴であり、巨視的なビーチマークとよく一致しており、疲労破壊を確認します。

2. SEM 画像では、均一に分布した多数のディンプルが観察されます。これは、優れた材料の靭性の典型的な顕微鏡の現れです。これは、巨視的な破壊領域の広いせん断リップと一致し、スタッドの強度と可塑性が適切に調整されていることを確認します。

3. 破断面全体に大面積のへき開破壊形態は見られない。局所領域には少量の準劈開特徴のみが現れ、ディンプルと交互になります。これは、この材料が脆性が低く、強度と靭性が最適に適合していることを示しています。

微視的な結論: の元の表面スタッド高い表面粗さの旋削工具跡を保持し、弱い応力集中領域を形成します。装置の動作中、スタッドには連続的に交互の接線方向の曲げ応力がかかり、表面のツールマークは繰り返しの摩擦によって研磨されて滑らかな円弧面になります。長期にわたる高周波の往復曲げ、衝突、摩擦の下では、粗い表面欠陥から優先的に微小亀裂が発生し、疲労源を形成します。交互荷重が継続的に作用すると、亀裂は徐々に伝播し、最終的には高サイクル曲げ疲労破壊につながります。巨視的および微視的形態学的特徴は非常に一致しており、突然の破壊が蓄積された曲げ疲労損傷によって引き起こされることが証明されています。

4. 現地調査と作業状況分析

実際の故障した動作状態を復元するために、風力タービンの設置場所で 2 回の現地調査が実施されました。機器の稼働時間、組立工程、設置位置、破壊形態、保守記録などの関連情報を検証し、故障状況を明らかにしました。

30 基以上の 1.5 MW 風力タービンが 3 年以上運転されていますが、個別の故障事例ではスタッドボルトが 1 本だけ破損しました。現場調査の結果、破損したスタッドは位置がずれて設置されていた。シャンクの片側はギヤ穴端面に隙間なくぴったりとフィットし、反対側は大きな組み付けクリアランスを確保しました。取り付けのずれにより、タービンの動作に伴ってスタッドが連続的に曲がったり往復したりするため、長期にわたる交互の横方向荷重が発生し、潜在的な疲労破壊のリスクが誘発されます。

スタッドのぴったりと嵌合した側面には隙間がなく、工具がアクセスできませんでした。これは、この位置が非常に高い周期的な接線方向の応力に耐え、後の分解で大きな困難を引き起こすことを証明しました。連続的な軸方向の垂直交互応力の下で、穴の壁に嵌合するスタッドの側面は、繰り返しの曲げ、衝撃、およびギア穴との摩擦を受けました。元のターニングマークは完全に摩耗し、鏡のように滑らかな円弧面を形成し、明らかな摩擦特性を示しました。

風力タービンは 17 r/min の回転速度で 1 日あたり 15 時間動作し、毎日約 15,300 サイクルを生成します。総動作サイクルは半年以内に2.8×10⁶、3年半以内に2.0×10⁷に達します。スタッドは、低い応力振幅と低い全体応力レベルで約 4 mm の小さな振幅内で揺れ、典型的な低応力高サイクル疲労作業条件に属します。この破壊は、横方向の交互荷重下での長期にわたる蓄積された曲げ疲労によって引き起こされます。これは、ボルトの曲げ疲労破壊の典型的なケースです。