金属部品の故障解析アプローチ

I. 事前情報収集：故障の背景を明確にする（盲目的な分析を避ける）

1. 基本的な部品情報
   • 部品名、用途（例：シャフト、ギア、圧力容器）、構造設計図（フィレットや穴などの応力集中箇所に注目）;
   • 材料グレード（例：45鋼、304ステンレス鋼、TC4チタン合金）および元の性能パラメータ（硬度、引張強さ、耐食性など）。
2. 製造および加工プロセス
   • 成形プロセス（鋳造、鍛造、溶接、3Dプリンティング）、熱処理プロセス（焼入れ焼戻し、溶体化時効）、表面処理（クロムメッキ、浸炭）;
   • 加工中の欠陥の有無（例：溶接孔、鍛造割れ、熱処理変形）。
3. 使用および動作条件
   • 作業負荷（静的/動的/衝撃荷重、負荷の大きさおよび方向）;
   • 環境パラメータ（温度：室温/高温/低温; 媒体：空気、水、油、酸性塩基溶液、粉塵; 振動または疲労サイクルの有無）;
   • 故障前の動作状態（例：異常なノイズ、漏れ、または精度の低下が発生したかどうか; 故障が突然か徐々か）。
4. 過去のメンテナンス記録
   • 部品が修理または交換されたかどうか; 以前に同様の故障が発生したかどうか; メンテナンス中に不適切な操作があったかどうか（例：過負荷使用、潤滑不足）。

II. 巨視的分析：最初に故障モードを特定する（範囲を迅速に絞り込む）

1. 故障箇所の特定
   • 故障が「応力感受性領域」（例：シャフトショルダー、キー溝、ねじの根元）、「プロセス弱点領域」（例：溶接継手、鋳造ライザー）、または「材料欠陥領域」（例：介在物、気孔）で発生したかどうか;
   • 例：シャフトがシャフトショルダーフィレットで破壊した場合、応力集中に関連している可能性があります。パイプラインが溶接部で漏れている場合、溶接品質を優先して検査する必要があります。
2. 外観特性の観察
   • 破壊故障：破壊の色（酸化色の有無で高温での破壊かどうかを判断）、平坦度（平坦=脆性破壊、粗い=延性破壊）、および放射状の線（疲労破壊の典型的な特徴で、放射状の線の開始点が亀裂源）の有無を観察します;
   • 腐食故障：腐食の種類を特定します（孔食：局所的な小さな穴; 均一腐食：全体的な薄化; 粒界腐食：粒界に沿った亀裂; 応力腐食：亀裂と腐食痕を伴う）;
   • 摩耗故障：摩耗した表面に研磨傷（研磨摩耗）、付着痕（凝着摩耗、例：金属表面の「かじりつき」）、または剥離（接触疲労、例：歯車の歯面の剥離）があるかどうかを観察します;
   • 変形故障：部品の主要な寸法（例：シャフト径、板の平坦度）を測定し、公差を超えているかどうかを判断します（例：高温での「熱変形」、過負荷時の「塑性変形」）。
3. 巨視的機械的特性の検証
   • 故障した部品の「非故障領域」をサンプリングして、硬度、引張強さ、降伏強さなどを試験し、設計要件と比較して、故障が材料特性の不良（例：熱処理後の硬度不足）によって引き起こされたかどうかを判断します。

III. 微視的分析：故障の本質を深く特定する（コアリンク）

例：破壊故障の微視的判断

• SEMで破壊面に多数の「ディンプル」（ピット状の特徴）が観察された場合、延性破壊を示しており、過負荷（材料の降伏強度を超える荷重）が原因である可能性があります;
• 破壊に「へき開面」（平らな小さな結晶面）または「粒界破壊」（粒界に沿って伝播する亀裂）がある場合、脆性破壊を示しており、低温、材料介在物、または粒界腐食が原因である可能性があります;
• 破壊に「疲労ストライエーション」（平行な縞模様）がある場合、疲労破壊を示しており、繰り返し交互荷重（例：シャフトの回転振動）または表面亀裂源（例：機械加工傷）が原因である可能性があります。

IV. 故障メカニズムの決定：現象と本質を結びつける

1. 機械的故障メカニズム
   • 過負荷破壊：荷重が材料の引張強さを超え、破壊面にディンプルがある;
   • 疲労破壊：繰り返し交互荷重、破壊面に疲労ストライエーション+亀裂源がある;
   • 塑性変形：荷重が材料の降伏限界を超えるか、高温での材料軟化;
   • 摩耗：表面接触摩擦による材料損失（研磨摩耗、凝着摩耗、接触疲労摩耗）。
2. 化学的故障メカニズム
   • 腐食：金属と環境媒体との化学反応（例：湿潤環境での炭素鋼の錆び、Cl⁻環境でのステンレス鋼の孔食）;
   • 酸化：高温での金属と酸素との反応（例：800℃以上の鋼が酸化スケールを形成し、寸法精度が低下する）。
3. 熱的故障メカニズム
   • 熱軟化：高温により材料の強度/硬度が低下し、変形または破壊が発生する;
   • 熱疲労：繰り返し加熱-冷却サイクルにより熱応力サイクルが発生し、亀裂が形成される（例：ボイラー管、エンジンブロック）。

V. 根本原因の追跡：全ライフサイクルにおける責任リンクを調査する

1. 設計リンク
   • 欠陥：応力集中設計（例：フィレット半径が小さすぎる）、安全率不足（荷重計算エラー）、不適切な材料選択（例：腐食環境でステンレス鋼の代わりに普通の炭素鋼を使用）;
   • 例：塩酸を輸送するためにQ235鋼（耐酸性なし）を使用した化学パイプラインが腐食漏れを起こし、根本原因は「不適切な材料選択」でした。
2. 材料リンク
   • 欠陥：材料組成の不良（例：合金元素含有量不足）、内部介在物（例：鋼中の硫化物介在物）、冶金学的欠陥（例：鋳造気孔、鍛造割れ）;
   • 例：20CrMnTi鋼製のギアが、製錬中の硫黄含有量が過剰であったため、歯の根元で破壊し、介在物が原因でした。
3. 製造リンク
   • 欠陥：不適切な熱処理プロセス（例：焼入れ温度が低いための硬度不足）、不適切な溶接プロセス（例：不完全溶込み、気孔）、表面加工欠陥（例：旋削傷による疲労亀裂源）;
   • 例：焼入れ後に時間内に焼戻しを行わなかったため、過剰な内部応力により、シャフト部品が保管中に自壊しました。
4. 使用リンク
   • 欠陥：過負荷運転（例：クレーンの過負荷）、温度/圧力限界を超えた運転（例：ボイラー圧力が設計値を超える）、異常な環境（例：湿潤環境での防錆なし）;
   • 例：過剰な設備振動による過剰な交互荷重により、モーターシャフトが疲労破壊を起こしました。
5. メンテナンスリンク
   • 欠陥：潤滑不足（ベアリング摩耗の加速）、腐食性媒体を時間内に清掃しない（例：パイプライン内壁のスケールが除去されず、腐食が激化）、不適切な修理（例：溶接修理中に新しい亀裂を導入）。

VI. 改善策の提案：故障の再発を回避する