熱機械疲労試験とは？
長期間の運転中の信頼性に加えて、発電所や航空機のタービンは、短期間の負荷変化や始動停止プロセスに対する十分な耐性を示さなければなりません。熱機械的疲労（TMF）は、材料の熱膨張の結果として生じる機械的負荷のシミュレーションです。起動時に、すべてのコンポーネントの温度は室温から動作温度まで上昇し、それに伴って材料が膨張します。この膨張により材料にストレスが発生します。これは、コンポーネントの損傷を防ぐために正確に決定する必要があります。セラミックサーマルバリアコーティングを施したタービンブレードなどの複合部品の場合、金属とセラミック部品との間の熱的不一致が設計時に考慮すべき別の負荷要素となります。また、接着性酸化皮膜は運転中の疲労寿命に影響を与えます。
ASTM E2368およびISO 12111に基づいてTMF試験を実施します
ASTM E2368とISO 12111に基づいて熱機械疲労を決定する際、試験片は機械的な同調または反同調（反位相）ひずみを伴う中で、周期的に加熱されます。検証する損傷メカニズムに応じて、異なる温度および機械的ひずみの系列をパラメータ化することができます。曲線はしばしば三角形であり、ピーク温度時にホールド期間を追加することができます。さらに、温度とひずみは同調または反同調に適用することができます。周期的な熱および機械的な負荷の位相シフトは、材料の疲労寿命および塑性たわみに著しい影響を与えます。
最も一般的なTMF試験（位相シフトありおよびなし）は以下の通りです：
- IP（同調）：試験片は加熱による熱ひずみと引張力による機械的ひずみを同時に受けます
- OP（反同調）：試験片は加熱による熱ひずみと圧縮力による圧縮を同時に受けます
- CD（時計回りのダイヤモンド）
- CCD（反時計回りのダイヤモンド）
TMF試験は主にひずみ制御されています。なぜなら、部品に作用する負荷は熱ひずみの阻害によって引き起こされるからです。応力制御試験は、時には非一様な試験片（例：切り欠きのあるもの）と関連付けられることがあります。なぜなら、ここでは切り欠きの底のひずみを測定することができないからです。どちらの場合も、全ひずみ（εt）だけが測定および制御されます。これは、熱ひずみ（εth）と機械的ひずみ（εme）からなります：式 εt = εth + εme。所望の機械的ひずみを熱ひずみに追加して試験片を負荷するために、定義温度相で熱ひずみを事前に時間的に測定し、実際の試験中に全ひずみの制御に考慮されます。
ASTM E2368 ISO 12111 ひずみ測定
ASTM E2368では、精度B-2に適合する伸び計の使用が要求されます。ISO 12111および検証済みの実務規範では、ISO 9513に従って精度1またはそれ以上に適合する伸び計が指定されています。ゲージ長が15 mm未満の試験片の場合、伸び計はISO 9513に従って精度0.5に対応している必要があります。
熱機械疲労試験のためのさらなるひずみ測定要件：
- 伸び計は、最小のドリフト、スリップ、およびヒステリシスを確保しながら、長期間の動的なひずみ測定に適している必要があります。
- 伸び計は、ウォータークーラーなどのアクティブクーリングシステムを使用して、熱の変動や影響から保護される必要があります。
- 試験片上の伸び計の接触圧は、試験片表面を損傷させることなく、できるだけ低く保たれるべきです。
- 伸び計は、試験片が加熱されて膨張する際に、ひずみ測定が妨げられず、センサーアームが試験片から滑落することが防止されるように取り付けられる必要があります。
熱機械疲労の決定のための試験システム
熱機械疲労試験に関して、ツビックローエルではフュルステンフェルトでカールスルーエ工科大学（KIT）との緊密な協力のもと、新しい電気機械試験システムを開発しました。Kappa 100 SS-CFは、温度範囲が50℃から1,200℃までの誘導加熱システムとクーリングシステムが装備されています。この電気機械クリープ試験機は、低周波負荷サイクルの試験に多くの年月をかけて実証されています。Kappa SS-CFは、ASTM E2368およびISO 12111で指定された循環引張および圧縮負荷下でのゼロクロスのバックラッシュを制御します。
試験機には、試験片をしっかり保持するための水冷油圧グリップが装備されています。水冷により、試験片沿いの温度安定化が迅速に行われ、試験片端から直接的な熱排出が確保されます。TMF試験中のひずみ測定の信頼性は、セラミック製のセンサーアームと水冷を備えた接触式伸び計によって確保されています。
この熱機械疲労の決定のための試験システムは、一般的に使用されているASTM E2368およびISO 12111規格だけでなく、ひずみ制御熱機械疲労試験の検証済みの実践規範にもすべての要件を満たしています。
TMF試験に使用される構成要素は、サーボ油圧試験機にも取り付けることができます。
TMF試験のための最適な温度分布
ひずみ制御熱機械疲労試験の検証済みの実践規範によると、測定された試験片部の指定された設定値の温度偏差は、<10Kまたは温度差の±2％未満である必要があります。試験片の形状や材料によって異なりますが、最大25Kの加熱および冷却速度を使用できます。規格で指定された最大の加熱および冷却速度に到達するために、TMF試験を実施する際には、誘導加熱システムと特別に配置された冷却ノズルに頼ります。
個別に調整可能な加熱電力を持つ誘導加熱システムにより、異なる試験片材料の試験が可能となります。試験片に関連するインダクタは、試験片上の最適な温度分布を確保します。比例圧力制御弁と4つの対称に配置されたフラットスプレーノズルにより、精密な空気流量制御が実現されます。冷却ノズルは調整可能であり、将来の試験のために位置が再現可能です。
温度は、試験片上のリボン熱電対を介してASTM E2368およびISO 12111に従って制御されます。これらは、測定された試験片部の中心に簡単かつ確実に取り付けられます。調整可能なバネプリテンショニングにより、信頼性の高い接触圧が確保されます。