破壊力学
破壊力学（はかいりきがく）は、工学の一分野であり、欠陥もしくはき裂を有する部材・材料について、破壊現象を定量的に取り扱う工学的手法の一つである。き裂は半径 0 の切り欠きであり、その部位の応力集中係数を従来の材料力学的手法で取り扱うと無限大となる困難が生じていた。 破壊力学では、欠陥・き裂部位の形状・応力・ひずみの状態などを単純なパラメータに落としこみ、容易に取り扱うことが出来る。
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[編集] 破壊力学のパラメータ
物体の形状や、欠陥・き裂の形態・寸法、荷重条件が異なっていても、材料・パラメータの値が同一であれば、ある部位で破壊現象がおきたばあいに、別の部位でも同様の破壊現象が起きると予測できる。 破壊力学のパラメータは、目的や適用範囲に応じて複数提案されている。
[編集] 応力拡大係数 K
き裂先端部の応力の度合を表すパラメータが応力拡大係数Kである。
線形弾性理論に基づいており、き裂先端の塑性領域が、き裂とくらべて十分に小さい場合のみに適用できる。
一般式を以下に示す。
- σ :き裂部位の公称応力
- a :き裂の半長
- F :き裂・構造物の形状、加重による定数
降伏応力が低く破壊靭性値が高い材料では、き裂部の塑性領域が大きくなる為、応力拡大係数を適用できない。また、材料力学における応力集中係数とは字面がにているが別物である。
[編集] 脆性破壊の評価
次の条件で脆性破壊が発生する。
ここでKcは材料の破壊靭性値で、三点曲げ試験などで測定される。
[編集] き裂開口変位 δ
き裂先端部が塑性変形するとき、先端部の開口する。その開口幅δをき裂の応力・ひずみを表す破壊力学パラメータとして使用できる。
δについても応力拡大係数Kの場合と同じように、脆性破壊の限界値をδcを測定することが出来る。
[編集] 破壊力学の歴史
構造物が脆性破壊により損傷することは、19世紀には広く知られていた。当時は、大きな構造物はリベット・継手で接合されていた為、構造物全体が損傷することは稀であった。しかし、20世紀中頃から溶接構造が広く使われるようになり、一箇所で発生したき裂が溶接部を通り構造物全体に波及する事故が多発するようになった。脆性破壊について最初に研究したのは、イギリスの科学者アラン・アーノルド・グリフィス (en:Alan Arnold Griffith)である。第二次世界大戦下で米国が建造していたリバティ船が多数脆性破壊で損傷したことにより、 グリフィスの脆性破壊の研究[1]が脚光をあびた。当初はガラスなどの脆性材料についての理論であったが、後に鋼材などにも適用が拡大されていった。応用面でも脆性破壊にとどまらず、疲労き裂の進展評価、腐食下での欠陥の寿命評価など破壊現象全般をその適用対象としていき、この学問分野は破壊力学の名称が与えられた。
[編集] 脚注
- ^ Griffith, A. A. (1 January, 1921), “The Phenomena of Rupture and Flow in Solids”, Phil. Trans. R. Soc. A 221 (582-593): 163-198, doi: 10.1098/rsta.1921.0006
[編集] 関連項目
[編集] 外部リンク
- リバティー船の脆性破壊 - 失敗知識データベース
- 材料強度学-破壊解析の理論 (技術者Web学習システム)
- 材料強度学-破壊解析の事例 (技術者Web学習システム)
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