X線CTによる欠陥の三次元計測に基づく アルミダイカスト部材の寿命評価

第 5 回 EFD/CFD 融合ワークショップ
99
X線CTによる欠陥の三次元計測に基づく
アルミダイカスト部材の寿命評価
東京大学生産技術研究所
吉川暢宏
講演内容
１．金属の疲労強度評価
２．アルミダイカスト部品
３．アルミダイカスト材料の疲労試験
４．イメージベースFEM
５．アルミダイカスト材料の疲労強度予測法
2
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金属の疲労とは



引張強度以下の荷重繰返しにより弾性範囲内
でも破断
表面欠陥を起点として繰返し荷重により疲労
き裂が進展
荷重の履歴により破面に特有の模様が残る：
ビーチマーク，ストライエーション
3
ビーチマーク
繰り返し荷重の大きさの変化により進度が変わり
き裂前縁の位置が破面上に縞模様として残存
ボルト破面のビーチマーク（川鉄テクノサービスＨＰより）
4
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ストライエーション
1回の繰返し応力が作用するごとの
き裂の進展量をあらわす縞模様
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による破面観察
5
事故原因に有効な破面観察
破損形態の違いが破面に現れる
延性破壊に特有のディンプル
脆性破壊に特有の劈開破面
6
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疲労破壊が原因の事故・トラブルの例



日航ジャンボ機の御巣鷹山墜落 （85年 8月）
羽田発大阪行きのボーイング747型機が群馬県の山中に墜
落して乗員乗客520人が死亡。機体後部の圧力隔壁（アルミ
合金）の金属疲労が原因。
美浜原発の冷却水漏れ（91年 2月）
関西電力美浜原発2号機で蒸気発生器の伝熱細管（ニッケ
ル・クロム合金）が破断し、放射能を帯びた冷却水約55トン
が２次側に漏れて緊急炉心冷却装置が作動。細管が異常振
動で疲労破壊したことが原因。
イスラエル機の墜落（92年10月）
エルアル航空のボーイング747型貨物機がオランダのスキ
ポール空港を離陸後、右主翼のエンジン２基が脱落して高
層アパートに墜落。約90人の住民が死亡。エンジンの接合
ピン（高強度鋼）の疲労破壊が原因。
7
疲労破壊が原因の事故・トラブルの例



ドイツ高速列車の脱線転覆事故 （98年 6月）
時速200キロで運転中のインターシティー・エクスプレス（ＩＣ
Ｅ）が脱線転覆して約100人が死亡。金属疲労のため車輪（
鋼鉄）が破損したことが原因。
Ｈ２ロケット８号機打ち上げ失敗 （99年11月）
宇宙開発事業団（現・宇宙航空研究開発機構）種子島宇宙
センターから打ち上げられて約4分後、エンジンが停止、地
上から指令で爆破。液体水素ターボポンプの羽根（チタン合
金）が疲労破壊したことが原因。
三菱自動車リコール隠し （02年 1月）
走行中の大型トレーラーから外れたタイヤが主婦にぶつか
って死亡させた事故がリコール隠し発覚のきっかけ。タイヤ
ハブ（特殊鋳鉄）が金属疲労で破損したためだった。
8
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疲労寿命の評価方法

試験片を用いた疲労試験
一定の平均応力と応力振幅で荷重を繰返し
多数の試験片からＳ－Ｎ曲線を求める

破断寿命のばらつきは大きく倍・半分の世界

降伏応力の1/3で疲労限
保守的な設計では輸送機器の価値低下
動的に変動する荷重の想定難しい
9
アルミニウム合金ダイカストの使途
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成形工程
ガスの混入
遅冷却部での
引け巣の発生
チル層の形成
僅かな後加工で
製品の完成
鋳造プロセスと鋳造欠陥の形成
Casting process and defects formation.
11
ダイカスト材料の利点

短時間で多量に，ほとんど仕上がった製品を作
製可能

薄肉・軽量で高強度の製品を作製可能

寸法精度の高い複雑な形状の製品が作製可能

リサイクル性に優れる

鋳肌が滑らかで，めっき，塗装など表面処理を
容易に行うことが可能
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製造プロセスでの欠陥生成



混入ガスや溶出ガスにより，「ガス欠陥」が必ず
発生する．
凝固速度の違いから，引け巣や割れが発生する．
射出スリーブから混入した破断チル層は，結晶
不連続面として，き裂状欠陥になる．
ダイカスト欠陥による疲労強度の
ばらつき拡大（低下）
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ダイカスト材に発生する欠陥
空洞欠陥（鋳巣）の発生が不可避
鋳巣
破断チルの発生が不可避
破断チル
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疲労破壊は欠陥からのき裂進展
ダイカスト材料の内部欠陥が疲労破壊の
メカニズムを複雑にしている
内部欠陥の様子を観察できればよい
観察手法はＸ線ＣＴ
欠陥と力学状態を関連付けるために有限
要素法を使う
15
マクロ欠陥が疲労寿命に与える影響を解明し
疲労寿命予測手法を確立するために
手法
 人為的に鋳造条件を違えた試験片を用いた疲労試験
 試験片ごとにX線CTにより材料内部欠陥の情報を取得
 イメージベース有限要素法による応力集中係数の評価
 応力集中係数による寿命曲線（応力振幅）の修正
応力集中係数を介して鋳巣体積率と疲労寿命
鋳巣体積率
を結びつける強度モデルの構築
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人為的に鋳造条件を違えた疲労試験片
X線CT撮像（約17mm）
Type A
Type B
Type C
Type D
Type E
表面状態
鋳肌有り
鋳肌有り
機械加工
機械加工
機械加工
鋳造圧力
高圧
低圧
高圧
低圧
高圧
冷却速度
高速
低速
高速
低速
高速
湯口速度
高速
高速
高速
高速
低速
Type A
鋳巣体積率：0.0060%
鋳巣体積率：0.0060%
Type B
鋳巣体積率：0.0931%
鋳巣体積率：0.0931%
Type C
鋳巣体積率：0.3130%
鋳巣体積率：0.3130%
Type D
鋳巣体積率：0.7182%
鋳巣体積率：0.7182%
Type E
鋳巣体積率：0.0501%
鋳巣体積率：0.0501%
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鋳造条件
Casting condition
④
③
②
Water cooling
①
type
position
water
cooling
pressure
[MPa]
AC-F
②
○
73.8
AC-P
①
MP-F
④
MP-G
④
MP-C
③
MP-W
③
33.4
○
73.8
33.4
○
73.8
33.4
Plunger velocity: 1.2 m/s
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人為的に鋳造条件を違えた疲労試験片
X線CT撮像（約17mm）
Type A
Type B
Type C
Type D
Type E
表面状態
鋳肌有り
鋳肌有り
機械加工
機械加工
機械加工
鋳造圧力
高圧
低圧
高圧
低圧
高圧
冷却速度
高速
低速
高速
低速
高速
湯口速度
高速
高速
高速
高速
低速
Type A
鋳巣体積率：0.0060%
鋳巣体積率：0.0060%
Type B
鋳巣体積率：0.0931%
鋳巣体積率：0.0931%
Type C
鋳巣体積率：0.3130%
鋳巣体積率：0.3130%
Type D
鋳巣体積率：0.7182%
鋳巣体積率：0.7182%
Type E
鋳巣体積率：0.0501%
鋳巣体積率：0.0501%
19
破断寿命のばらつき
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Ｘ線ＣＴ付き材料試験システム
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Ｘ線ＣＴ付き材料試験システム
イメージインテンシファイア
X線源
回転チャック
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Ｘ線ＣＴ付き材料試験システム
X線管
イメージインテンシファイア
引張試験機
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ＣＴ画像による三次元データ取得
多断層ＣＴスライス画像
Multi-crosssectional CT Slice Images
３Ｄボリュームデータ
Three-Dimensional Volume Date
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Ｘ線ＣＴにより撮像した欠陥分布
最大欠陥
最大欠陥
1mm
Type A
0.0060%
1mm
Type B
0.0931%
1mm
Type C
0.3130%
1mm
Type D
0.7182%
1mm
Type E
0.0501%
pave: 平均鋳巣体積率
25
Ｘ線ＣＴにより撮像した欠陥分布
最大欠陥
1mm
Type A
1mm
Type B
1mm
Type C
1mm
Type D
1mm
Type E
必ずしも最大欠陥を起点として
疲労破壊が進行するわけではない
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イメージベース有限要素解析
ヤング率：74.5GPa
ヤング率：74.5GPa
ポアソン比：0.3
ポアソン比：0.3
三次元X線CT画像取得
ボクセル有限要素モデル
（1pixel＝1要素）による
静弾性解析
z
x
y
ボクセル有限要素モデル
鋳巣まわりの
局所応力集中係数
Klocalの算出
局所応力集中係数Klocal
で真の応力振幅を算出し
て寿命曲線を修正
z
x
y
鋳巣まわりの応力集中
27
欠陥周りの応力集中評価
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Local stress amplitude amax [MPa]
局所応力により修正したＳ－Ｎ曲線
Type A
Type B
Type C
Type D
Type E
Type F
300
amax=497Nf
-0.091
200
100
ADC12
Tension-Compression
0 2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
10
9
10
Cycles to failure Nf
29
Local stress concentration factor Klocal [-]
局所応力集中係数と鋳巣体積率の関係
2.5
2.0
Type A
Type B
Type C
Type D
Type E
Type F
1.5
ADC12
Tension-Compression
1.0
0.0
0.5
1.0
1.5
Porosity volume fraction p [%]
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結
論
 疲労強度に対する影響は鋳巣体積率pが支配的
 鋳巣を応力集中源として扱うことによって疲労
強度を評価することが可能
 鋳巣体積率pから局所応力集中係数Klocalを
算出できる可能性高い
鋳巣体積率pを評価できれば疲労強度を
予測することが可能
31
共同研究者
宇都宮登雄（芝浦工業大学）
半谷 禎彦（群馬大学）
桑水流 理（福井大学）
椎原 良典（東京大学）
大学院生
ビダハール クマール スジット（吉川研究室）
村田 陽三（半谷研究室）
矢野 貴之（半谷研究室）
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