アルミニウムのクリープ変形: メカニズム、合金の限界、および緩和策

アルミニウム部品にとってクリープ変形が意味するもの

クリープとは、金属が短期降伏強度を下回る応力で持続的な荷重にさらされたときに蓄積される、ゆっくりとした永久的な塑性ひずみです。{0}}アルミニウムは約 660 度で溶解するため、クリープは産業機器ではまったく通常の温度で工学的に関連します。-使用温度が絶対融点の約 0.4 度（商用純度グレードでは約 100 度）に近づくと、拡散-によって制御された変形が設計を支配し始めます。したがって、熱交換器のチューブ、ピストンクラウン、バスバージョイント、変圧器の巻線、および高温プラントのボルト接続は、室温での引張強さだけではなく、クリープに耐えられるように寸法設定されています。-

3 つの実際的な結果が続きます。金属はほぼ一定のひずみ下で緩むため、今日しっかりと固定されている接合部でも、その温度で数千時間後にクランプ荷重が失われる可能性があります。短期の実証テストに合格したコンポーネントでも、長年の使用後には過度のたるみや伸びによって故障する可能性があります。-また、温度が上昇すると許容応力は低下するため、安全な使用応力は降伏強さの表ではなくクリープ制限曲線から読み取る必要があります。{4}

アルミニウム合金のクリープを引き起こすメカニズム

絶対融解温度の約 0.4 未満では、変形は転位の滑りによって支配され、金属は従来どおりに動作します。その閾値を超えると、原子の拡散が十分に速くなり、転位が障害物を回避できるようになり、いくつかのメカニズムが同時に作用します。

脱臼登攀。刃状転位やらせん転位は、空孔を吸収または放出することで滑走面を離れ、析出物や境界境界を通過できるようになります。-これは通常、100 度から 250 度の間で支配的なメカニズムです。

粒界滑り。隣接する粒子は互いにせん断し、粒子サイズが小さくなるにつれて寄与が大きくなります。そのため、室温では強い細粒材料でもクリープには弱くなる可能性があります。{0}}

拡散流と境界移動。アルミニウムマトリックスにほとんど溶けない鉄とシリコンの不純物が境界に移動して粗大相を形成し、局所的な滑り抵抗が変化します。

部分構造の進化。-転位セルは亜粒子に再組織され、約 300 度を超えると局所的な再結晶化が変形曲線を再開し、三次クリープを加速する可能性があります。{0}

析出硬化焼き戻し-は、粒子が上昇と境界滑りの両方を妨げるため、通常、同じ応力の純粋な金属よりもゆっくりとクリープします。使用温度が析出物の粗大化範囲を超え、強化相が成長して効果のない粒子になると、この利点は失われます。

温度感度と実際の使用限界

クリープ速度はアレニウスの関係に従うため、温度に対して指数関数的に敏感です。アルミニウムにおける格子自己拡散の活性化エネルギーは約 142 kJ/mol で、150 度から 250 度までの実際の範囲では、50 度増加すると、通常、クリープ速度が約 2 倍になります。一方、約マイナス 50 度以下の極低温使用では拡散が効果的に除去されるため、設計上の問題からクリープが除去されます。

表内の温度は、クリープ評価が必要かどうかを決定するために使用されるスクリーニングしきい値です。特定の設計の許容応力は、正確な製品の形状、焼き戻し、厚さ、関連する温度と設計寿命で測定されたクリープおよびクリープ破断のデータから取得する必要があります。-

合金族とそのクリープ挙動

クリープ挙動の測定方法

定荷重による引張クリープとクリープ破断。参照方法は ASTM E139 に基づいて実行され、多くの場合 1000 時間以上続くテストで、固定荷重と温度での時間に対するひずみを記録します。

一軸クリープ試験。ISO 204 は、同等の単軸手順と、伸び測定と温度制御の要件を定義しています。

応力破壊と外挿。いくつかのストレス レベルでの故障までの時間は時間温度パラメータに適合しているため、100 000 時間での動作をより短いテストから予測できます。

印象クリープ。研磨された表面に押し込まれた小さな圧子は、局所的なクリープ抵抗を測定します。これは、サービスコンポーネントから切り出された材料に役立ちます。

デジタル画像相関。全視野光学ひずみマッピングにより、微小ひずみの進展と三次クリープの開始を解決します。-

顕微鏡検査。電子顕微鏡検査は、鉄とシリコンによって形成される境界相を含む、測定されたクリープ速度と転位および析出物の相互作用を結び付けるために使用されます。

ストレス緩和テスト。ASTM E328 でカバーされているこれは、ひずみが固定され荷重が減衰するボルト接合、スプリング、圧入の標準ルートです。

使用中のクリープ変形の軽減

まず金属温度を下げます。改善された冷却、絶縁破壊、および遮熱コーティングにより、合金の変更よりも速度が低下します。

ジルコニウムとチタンを添加すると、粒界を固定して粒界の移動を遅らせる微細な分散質が形成されます。

中温熱交換器の用途には、3xxx グレードのようなマンガンおよびクロムの分散質形成剤を使用してください。

250 度以上のクリープ寿命が基本要件である場合は、スカンジウム改質合金を検討してください。

断面を増やすか、より多くの締結具に荷重を分散するか、接合部をシールする最小値までボルトの予圧を下げることにより、持続応力を軽減します。

組み立て時に 1 回だけ締めるのではなく、文書化された再トルク間隔で、応力を緩和できるようにボルトとクランプの接合部を設計します。{0}

厚さの安定性が重要な場合はクロスローリングによって組織を制御し、高温領域では過度に細かい粒子サイズを避けます。{0}

有限要素クリープ解析を使用して、最初にひずみが集中するゾーンを特定し、試運転後に測定によって検証します。

よくある質問

Q: アルミニウムは何度くらいの温度でクリープ現象を起こし始めますか?
クリープは、絶対融点の約 0.4 度を超えると測定可能になります。これは、商用純度グレードでは約 100 度です。分散強化およびスカンジウム改質合金は抵抗を 250 度以上に維持しますが、6xxx および 2xxx の焼戻しは通常約 130 ～ 150 度で選別されます。

Q: アルミニウムのボルト接合部でクリープが問題になるのはなぜですか?
ジョイントはほぼ一定のひずみで保持されるため、応力緩和によって金属が流動し、クランプ荷重は温度の時間とともに減衰します。予荷重に余裕を持たせるか、定義された間隔でジョイントを締め直す必要があります。-

Q: クリープ耐性に最も優れているアルミニウム合金はどれですか?
適度な温度では、Al-Mn 3xxx 系および分散強化グレードが良好な性能を発揮します。高温では、Al-Si ピストン合金、スカンジウムおよびジルコニウム変性合金、および特殊分散強化製品が最も長いクリープ寿命を実現します。

Q: アルミニウムのクリープ試験はどのように行われますか?
ASTM E139 に準拠した定荷重クリープおよびクリープ破断試験、または ISO 204 に準拠した一軸クリープ試験が標準的な方法であり、クランプされたジョイントの ASTM E328 に準拠した応力緩和試験とサービス サンプルの圧痕クリープによってサポートされています。

Q: 低温でクリープは完全に停止しますか?
約マイナス 50 度以下では拡散が非常に遅いため、クリープは無視できるほどです。そのため、冷蔵設備や極低温設備は通常、時間に依存する変形ではなく、強度と靱性に基づいて設計されます。

Q: サービス後にクリープ変形を元に戻すことはできますか?
いいえ、クリープは永久的な寸法変化と境界ボイドなどの内部損傷を残します。コンポーネントがたるんだり、公差を超えて伸びたりした場合は、まっすぐにするのではなく、交換する必要があります。