複合材料疲労と金属疲労の違い

金属と複合材料の疲労を比較対照します。

複合材料疲労と金属疲労は、どちらも損傷の開始から始まり、次に損傷が伝播し、最終的な破損で終わるという点では類似しています。疲労寿命 N f、または破損までのサイクル数はどちらも、損傷の開始中のサイクル、N i と損傷の伝播中のサイクル、N p の合計であると考えることができます。

唯一の違いは、各段階に費やされる相対的な時間です。金属では、疲労プロセスの大部分は単一の亀裂の伝播に費やされます。一般的に、材料内には新しい欠陥を複製する結晶粒界および転位などの多くの欠陥が存在するため、通常、損傷の開始は無視されます。金属のひずみは硬化するため、金属の伝播段階はより長くなります。亀裂が金属内を伝播しようとすると、亀裂の先端で塑性が生じ、亀裂の鈍化とひずみの硬化が発生します。亀裂の鈍化、ひずみの硬化、亀裂の進展のプロセスは、数千のサイクルで繰り返すことが可能です。そのため、金属の場合、方程式(34)は次のように簡略化されます。

各サイクルの伝播段階での亀裂成長の量は通常、パリス則などの経験則で記述されます。

一方向炭素エポキシ積層などの複合材料では、ひずみの硬化は無視できます。このため、疲労寿命の伝播段階は、損傷の開始段階よりもはるかに短くなります。これは、十分なサイズの欠陥が核形成されると、損傷が急速に進展して最終的な破損に至ることが原因です。したがって、繊維強化樹脂(FRP)複合材料では、方程式(34)は次のように簡略化されます。

FRP の損傷の開始は、微小亀裂の蓄積の動力学的プロセスによって制御されます。微小亀裂が臨界密度に到達すると、肉眼で確認できる亀裂が形成されます。このタイプの疲労破損は、破断の動力学的理論(KTF) [29-34]でモデル化できます。FRP 複合材料の場合は、樹脂母材の応力は、複合材料の応力とは同じではありません。樹脂に KTF を適用するには、複合材料レベルの応力から母材の応力を決定する方法を実行する必要があります。このため、以前に説明したように(「MCT 分解」を参照)、多重連続体理論(MCT)を採用して、複合材料の応力からこれらの母材の応力を抽出し、KTF を使用して母材(したがって複合材料)の疲労寿命を予測します。