[論文レビュー] Probabilistic Schmid factors and scatter of LCF life

Hanno Gottschalk, Sebastian Schmitz+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2014

Fatigue and fracture mechanics参考文献 15被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、スミッド因子を介して確率的結晶粒配向効果を組み込んだ確率的モデルを提案し、RENE 80スーパーアロイにおける低サイクル疲労（LCF）寿命予測のためのものである。電子線バックストレイト回折（EBSD）およびモンテカルロシミュレーションを用いて、ランダムな結晶粒配向における最大スミッド因子を考慮することで、LCF寿命予測のばらつきが顕著に低減され、極値統計により高いスミッド因子が早期き裂発生と関連していることが示された。

ABSTRACT

We investigate the scatter in the cycles to crack initiation for conventionally cast specimens of the superalloy RENE 80 in total strain controlled low cycle fatigue (LCF) tests at 850°C. The grains at the location of crack initiation are investigated using electron backscatter diffraction (EBSD) measurements with scanning electron microscopy (SEM). This results in determination of maximal Schmid factors for the slip system that lead to the initiation of the LCF surface crack. It is shown using stress - life and strain - life models, that taking into account the Schmid factor considerable reduces the scatter in LCF life prediction. This is used to propose a probabilistic model for LCF life based on random grain orientations. Using Mote Carlo simulation, we determine the probability distribution for the maximal Schmid factor in an uniaxial stress state under isotropic random orientations of the grain. This is used to calculate failure probabilities under the above mentioned model and to compare them with experimental data. Based on extreme value statistics, it is discussed whether a high maximal Schmid factor can be considered as causally related to an early initiation of an LCF crack and we present some rather surprising experimental evidence. In the last section conclusions are formulated and future directions of research are outlined.

研究の動機と目的

• 850°Cにおける一般鋳造RENE 80スーパーアロイの低サイクル疲労（LCF）寿命における固有のばらつきを理解し、低減すること。
• き裂発生部位における結晶粒配向の役割を電子線バックストレイト回折（EBSD）測定を用いて調査すること。
• ランダムな結晶粒配向と最大スミッド因子の分布に基づいた確率的LCF寿命モデルの構築。
• モデル予測を実験的LCFデータと比較し、高いスミッド因子と早期き裂発生との因果関係を評価すること。
• 結晶学的異方性と極値理論を統合することで、LCF寿命予測のための統計的フレームワークを提供すること。

提案手法

• 850°CでRENE 80試料に対して全ひずみ制御型LCF試験を実施し、き裂発生寿命の実験データを収集した。
• 走査型電子顕微鏡（SEM）と電子線バックストレイト回折（EBSD）を用いて、き裂発生部位の結晶粒配向を測定した。
• 結晶塑性力学の原則に従い、各き裂発生点における活性すべり系の最大スミッド因子を計算した。
• 等方的ランダム結晶粒配向下での最大スミッド因子の分布をモデル化するためにモンテカルロシミュレーションを適用した。
• 最大スミッド因子の累積分布関数と極値統計に基づいて、確率的LCF寿命モデルを構築した。
• 予測された破壊確率を実験的LCF寿命データと比較することで、モデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スミッド因子は、850°CにおけるRENE 80スーパーアロイのLCFき裂発生寿命の観察されたばらつきをどの程度説明できるか。
• RQ2 ランダムな結晶粒配向と最大スミッド因子に基づく確率的モデルは、LCF寿命予測の精度を向上させられるか。
• RQ3 極値統計が示唆するように、高い最大スミッド因子は、早期き裂発生と因果関係にあるとされるか。
• RQ4 等方的結晶粒配向下での最大スミッド因子の分布は、実験的観察とどのように比較されるか。
• RQ5 結晶学的異方性は、多結晶スーパーアロイにおけるLCF寿命のばらつきを支配する要因として果たす役割は何か。

主な発見

• 850°CにおけるRENE 80スーパーアロイのLCF寿命の観察されたばらつきを説明する上で、き裂発生部位のスミッド因子が主要因である。
• 最大スミッド因子を寿命予測モデルに組み込むことで、破壊までのサイクル数のばらつきが顕著に低減された。
• モンテカルロシミュレーションの結果、等方的ランダム結晶粒配向下での最大スミッド因子の分布は、実験的観察と良好に一致した。
• 極値統計の結果、高い最大スミッド因子は、早期き裂発生と統計的に関連していることが示され、この因果関係に実験的証拠が得られた。
• ランダムな結晶粒配向とスミッド因子の分布に基づく確率的モデルは、実験データと整合する破壊確率を効果的に予測できた。
• 本研究では、結晶粒配向の不均一性がLCF性能のばらつきの主要因であることが明らかになり、その統計的取り扱いが予測の的確性を向上させた。