応力から見る航空機の安全性

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英題:The Stresses of Aircraft Safety

航空機のコンポーネントが製造されるとき、材料のサイズ、形状、および特性の正確さを保証するために細心の注意が払われます。航空機の安全を維持する上でこれらの部品が重要であることを考えると、適切な安全対策が厳密に守られない場合、結果は悲惨なものになります。ただし、品質管理プロセスは、コンポーネントの外部特性に適用されるだけではありません。重要な部品の機械加工および製造中に、目に見えない変化が材料内で発生し、一定期間の使用後に安全でなくなる可能性があります。つまり、これらは部品の残留応力状態の変化です。製造のさまざまな段階で航空機コンポーネントに残留応力が発生する可能性が非常に高いため、製造業者とサプライヤは、残留応力とは何か、それを検出する方法、および部品の安全を確保する方法を理解することが非常に重要です。
残留応力は、すべての外部負荷が除去された後にコンポーネントに固定される内部応力です。これらの応力は、非弾性の機械的変形、熱負荷、または相変化のいずれかにより、材料が塑性変形を受けた後に平衡状態になるときに発生します。残留応力は、コンポーネントにとって有益な場合と有害な場合があります。圧縮応力は材料を一緒に押すため、一般に好都合ですが、引張応力は材料を引き離すため、好ましくない傾向があります。外部荷重がない場合、成形品のすべての残留応力の合計は常にゼロです。より具体的には、どの断面でも正味の残留応力は常にゼロです。ただし、ストレスの分布は大きく異なります。したがって、早期の故障を防ぐには、残留応力が高い領域を特定することが重要です。
また、残留応力は航空機のコンポーネントに存在する唯一の応力ではないことを覚えておくことも重要です。使用中、部品には加えられた応力も加わり、材料に存在する総応力は、残留応力に加えられた応力を加えたものに等しくなります。これは、残留応力分布の結果として、高い引張荷重を受ける領域で高い引張応力が発生する場合、および同様に、圧縮荷重を受ける高圧縮残留応力の領域で重要です。
航空機コンポーネントの応力レベルが高すぎる場合、いくつかの異なる故障モードが問題を引き起こす可能性があります。第1に、応力腐食割れ(SCC。環境的に補助される割れとしても知られています)は、材料のSCCしきい値を超える引張応力が持続することを含む潜在的な破損の原因です。もう1つの一般的な問題は疲労です。これは、低サイクル疲労と高サイクル疲労(LCFおよびHCF)に分類できます。これらの用語は、通常、障害が発生するまでにかかるサイクル数(LCFの場合は約104〜105サイクル、HCFの場合はそれ以上)のためにそのように呼ばれています。 LCFは通常、高レベルの局部的な負荷を伴い、部品の耐用年数全体にわたる残留応力の変化とともに、部品および複数の亀裂開始部位に累積的な損傷をもたらします。一方、HCFは、適用される荷重のレベルが低くなる傾向があり、最終的には欠陥によって引き起こされる単一の亀裂開始点につながり、コンポーネントの寿命の終わりに向かって残留応力状態がより急激に変化します。考慮すべき他の要因は、浸食、特に浸食と疲労亀裂の複合効果、およびクリープ、永続的な機械的応力により固体材料がゆっくりと移動する、または永久的に変形する傾向です。時間の経過とともに、クリープはクリープ破断を介して破損する可能性があり、このプロセスは高い引張応力によって加速される可能性があります。
非常に多くの故障モードは有害な残留応力の影響を受けるため、製造業者およびサプライヤーは、製造時の部品の残留応力状態を調査する信頼できる方法と、故障が発生する前に稼働中の部品を修理または交換するための事前定義されたプロセスを必要としています。高レベルの引張応力はSCC、疲労破壊、およびクリープ亀裂の発生に大きく寄与する可能性があるため、有益な圧縮応力を導入することは可能な解決策です。選択する方法は特定の用途によって異なりますが、ショットピーニング、レーザーショックピーニング、バニシング、超音波衝撃処理、オーバースピン、スプリットスリーブ冷間膨張などの例があります。これらのプロセスの一部は、コンポーネントの製造中に行われますが、他のプロセスは、解体や検査など、耐用年数中に好ましいストレスをもたらす可能性があります。故障の危険な領域に十分な圧縮応力が導入されると、稼働中の応力を克服でき、残留応力の合計の大きさをSCCしきい値、疲労限度、またはクリープ破断強度未満に低減できます。
コンポーネントの残留応力状態を特定し、早期の故障を防ぐためには、信頼性の高い定量的な測定方法を選択する必要があります。コンポーネントを損傷することなく残留応力を測定できる、広く受け入れられている定量的方法は、X線回折(XRD)です。 XRDは、ひずみゲージとして結晶面間の距離(d間隔)を使用します。材料に張力がかかると、d間隔は増加し、材料が圧縮されると減少します。回折角(2θ)は実験的に測定され、d間隔はブラッグの法則(nλ=2dsinθ)を使用して計算されます。ここで、λは光源の波長、nは波長の整数倍です。 XRDは、表面付近の応力がこのようなアプリケーションで最も重要であるため、疲労およびSCC関連の問題を調査するために必要な、表面およびその付近で測定します。さらに、XRDは持ち運びが可能であり、繰り返し測定やフィールド測定の効率的な選択になります。
XRDを使用した残留応力テストの実際のアプリケーションでは、応力腐食割れの影響を受けやすい飛行機のフレームで測定が行われました。与えられた仕様によると、フレームはテスト前にピーニングされています。ただし、ラボとフィールドの両方で測定を行ったところ、表面に残留応力の勾配があり、残留応力の大きさが局所的に変化していることがわかりました。圧縮応力の代わりに引張応力が確認されたため、これらの結果はショットピーニングされた部品と一致しませんでした。さらに、ショットピーニングされたコンポーネントは、勾配ではなく均一な(圧縮)表面残留応力を示す傾向があります。これらの結果に基づいて、これらのコンポーネントの製造時に残留応力が適切に制御されていなかったと判断できました。

 

SCC: Stress Corrosion Cracking(応力腐食割れ)とは
高い引張応力に加えて、影響を受けやすい材料と腐食性の環境がSCCに寄与する可能性があります。ただし、これらの2つの要素を変更するのは難しい場合があります。たとえば、環境からコンポーネントを削除することは通常不可能であり、環境からコンポーネントを効果的に削除するためにコーティングを追加することは、コーティングの劣化により短期的な解決策になる可能性があります。

出典:https://www.protoxrd.com/assets/2theta_issue3_2020_magazine.pdf P.14-P.17