ISO 12107:2012 金属材料—疲労試験—データの統計的計画と分析

この規格プレビューページの目次

序文Foreword
序章Introduction
1 スコープ1 Scope
2 参考文献2 Normative references
3 用語と定義3 Terms and definitions

※一部、英文及び仏文を自動翻訳した日本語訳を使用しています。

序文

ISO (国際標準化機構) は、各国の標準化団体 (ISO メンバー団体) の世界的な連合です。国際規格の作成作業は、通常、ISO 技術委員会を通じて行われます。技術委員会が設立された主題に関心のある各会員団体は、その委員会に代表される権利を有します。 ISOと連携して、政府および非政府の国際機関もこの作業に参加しています。 ISO は、電気技術の標準化に関するすべての問題について、国際電気標準会議 (IEC) と緊密に協力しています。

国際規格は、ISO/IEC 指令で指定された規則に従って起草されます。 2.

技術委員会の主な任務は、国際規格を準備することです。技術委員会によって採択されたドラフト国際規格は、投票のためにメンバー団体に配布されます。国際規格として発行するには、投票するメンバー団体の少なくとも 75% による承認が必要です。

このドキュメントの要素の一部が特許権の対象となる可能性があることに注意してください。 ISO は、そのような特許権の一部またはすべてを特定する責任を負わないものとします。

ISO 12107 は、技術委員会 ISO/TC 164, 金属の機械的試験、小委員会 SC 5, 疲労試験によって作成されました。

この第 2 版は、技術的に改訂された第 1 版 (ISO 12107:2003) を取り消して置き換えるものです。

序章

疲労試験の結果は、試験が非常に正確に制御されている場合でも、大きな変動を示すことが知られています。一部には、これらの変動は、試験片の不均一性に起因します。このような不均一性の例には、化学組成、熱処理、表面仕上げなどのわずかな違いが含まれます。残りの部分は、金属工学材料に固有の疲労破壊自体の確率過程に関連しています。

機械や構造物の設計において材料の疲労特性を評価するには、この固有の変動を適切に定量化する必要があります。また、試験所では、材料の疲労挙動を、その変動も含めて比較する必要があります。これらのタスクを実行するには、統計的手法が必要です。この国際規格には、バステネアモデルおよびその他のより洗練された関係を適用するための完全な方法論が含まれています。また、ランアウト (打ち切り) データの分析にも対応しています。

1 スコープ

1.1 目的

この国際規格は、疲労試験の実験計画と結果データの統計分析の方法を示しています。その目的は、高い信頼性と実用的な数の試験片の両方を使用して、金属材料の疲労特性を決定することです。

1.2 解析対象の疲労特性

この国際規格は、適切な座標で材料の応答を直線的に近似できる関係を使用して、さまざまな応力レベルでの疲労寿命特性を分析する方法を提供します。

具体的には、

a)与えられた応力に対する疲労寿命、および
b)与えられた疲労寿命に対する疲労強度。

この規格の「応力」という用語は「ひずみ」に置き換えることができます。説明されている方法は、ひずみの関数としての寿命特性の分析にも有効であるためです。ひずみ制御試験の場合の疲労強度は、通常、応力制御試験で応力の観点から理解されるように、ひずみの観点から考慮されます。

1.3 適用の制限

この国際規格は、疲労破壊の単一メカニズムによる均一な挙動を示す材料の疲労データの分析に限定されています。これは、試験条件下での材料の挙動に密接に関連する試験結果の統計的特性を指します。

実際、特定の材料の試験片をさまざまな条件下で試験すると、破損メカニズムの違いが明らかになる場合があります。通常の場合、結果として得られるデータの統計的特性は 1 つの障害メカニズムを表し、直接分析が可能になる場合があります。逆に、統計的動作が均一でない状況が発生します。このようなすべてのケースは、2 つ以上の個別の分布によってモデル化する必要があります。

このような動作の例は、同じレベルの応力で表面または内部サイトから障害が発生する可能性がある場合によく見られます。これらの条件下では、データには、さまざまな故障メカニズムに対応する混合統計特性が含まれます。これらのタイプの結果は、非常に複雑な分析が必要になるため、この規格では考慮されていません。

最後に、 S - Nのケース (箇条 8 で説明) については、この国際規格は完全なデータのみを扱います。打ち切りデータのランアウトは対処されません。

2 参考文献

本書の適用には、以下の参考文献が不可欠です。日付のある参考文献については、引用された版のみが適用されます。日付のない参照については、参照文書の最新版 (修正を含む) が適用されます。

ISO 353, 統計 - 語彙と記号

3 用語と定義

このドキュメントの目的のために、ISO 3534 および以下に記載されている用語と定義が適用されます。

3.1 統計に関する用語

3.1.1

信頼水準

値 1 − 統計的許容範囲に関連する確率のα

3.1.2

自由度

観測の総数から、データから推定されたパラメータの数を差し引いて計算された数

3.1.3

分布関数

すべての値xについて、確率変数Xがx以下である確率を与える関数

3.1.4

推定

サンプルで観測された値から、このサンプルが取得された分布のパラメータに数値を割り当てる目的で行われる操作

3.1.5

人口

検討中の個々の材料または項目の全体

3.1.6

ランダム変数

指定された値のセットの任意の値を取ることができる変数

3.1.7

サンプル

母集団から取得され、母集団に関する情報を提供することを目的とした 1 つまたは複数のアイテム

3.1.8

サイズ

母集団、ロット、サンプルなどの項目数

3.1.9

平均

母集団内のすべてのデータの合計を観測数で割った値

3.1.10

標本平均

サンプル内のすべてのデータの合計を観測数で割った値

3.1.11

デフォルト偏差

母集団の平均からの平均二乗標準偏差の正の平方根。

3.1.12

推定標準偏差

サンプルの平均からの平均二乗標準偏差の正の平方根。

3.2 疲労に関する用語

3.2.1

疲労寿命

試験用に定義された破壊基準に達する前に、示された応力レベルで試験片に加えられる応力サイクルの数。

3.2.2

疲労限度

長寿命時の疲労強度

注記 1:歴史的に、これは通常、10 ⁷サイクルで寿命を生み出す応力として定義されてきました。

3.2.3

疲労強度

所定の疲労寿命で試験片が破損する応力レベルSの値

注記1これはメガパスカルで表される。

3.2.4

検体

単一の試験判定に使用される材料の部分または断片で、通常、所定の形状および所定の寸法で準備される

3.2.5

ストレスレベル

試験における制御条件下での応力の強さ

例：

振幅、最大、範囲。

3.2.6

ストレスステップ

階段法による試験を行ったときの隣接する応力レベルの差

注記1これはメガパスカルで表される。

参考文献

[1]	BS 3518-5:1966, 疲労試験の方法 — 統計の適用ガイド
[2]	日本機械学会 S 002:1981, 統計疲労試験の標準方法
[3]	NF A 03-405:1991, 金属製品 - 疲労試験 - データの統計処理
[4]	Weibull W.疲労試験と結果の分析。ペルガマプレス、1961
[5]	N ishijima S. 機械構造用熱処理鋼の統計的疲労特性. STP . 1981, 744 , pp. 75-88 [ASTM]
[6]	ASTM E 739-91, 線形または線形化された応力寿命 (SN) およびひずみ寿命 (ε-N) 疲労データの統計解析の標準プラクティス
[7]	Dixson WJ, Mood AM 感度データを取得および分析する方法。混雑する。統計仲間1948, 43 , pp. 109-126
[8]	Brownlee 、KA, Hodges 、JL, Jr, およびRosenblatt 、Murray, 小さなサンプルを使用したアップアンドダウン法。混雑する。統計仲間1953, 48 , pp. 262-277
[9]	Shapiro SS正規性およびその他の分布の仮定をテストする方法.米国品質管理協会、ミルウォーキー: Vol. 3, 1986
[10]	Bastenaire 、F.、 Pomey 、G.、およびRabbe 、P.、Etude statistique des durées de vie en疲労とdes courbes de Wöhler de cinq nuances d'acie Mémoires scientifiques de la revue de metallurgie 、 68 1971年、645-664ページ
[11]	B astenaire F.定応力振幅疲労試験結果の統計的評価のための新しい方法、STP 511 。 ASTM, 1972
[12]	Neter J., Wasserman W., Kutner MH Applied Linear Statistical Models , (1985), pp. 123-132, Irwin, Homewood, Il, USA
[13]	ドレーパー、ノーマン、スミス、ハリー。応用回帰分析。 Wiley, ニューヨーク、ニューヨーク、第 2 版、1981 年
[14]	Stromeyer 、CE 交互の応力条件下での疲労限度の決定。 proロイ。社会A90, 1914, pp. 411-425

Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.

International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, 2.

The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.

ISO 12107 was prepared by Technical Committee ISO/TC 164, Mechanical testing of metals, Subcommittee SC 5, Fatigue testing.

This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 12107:2003), which has been technically revised.

Introduction

It is known that the results of fatigue tests display significant variations even when the test is controlled very accurately. In part, these variations are attributable to non-uniformity of test specimens. Examples of such non-uniformity include slight differences in chemical composition, heat treatment, surface finish, etc. The remaining part is related to the stochastic process of fatigue failure itself that is intrinsic to metallic engineering materials.

Adequate quantification of this inherent variation is necessary to evaluate the fatigue property of a material for the design of machines and structures. It is also necessary for test laboratories to compare materials in fatigue behaviour, including its variation. Statistical methods are necessary to perform these tasks. This International Standard includes a full methodology for application of the Bastenaire model as well as other more sophisticated relationships. It also addresses the analysis of runout (censored) data.

1 Scope

1.1 Objectives

This International Standard presents methods for the experimental planning of fatigue testing and the statistical analysis of the resulting data. The purpose is to determine the fatigue properties of metallic materials with both a high degree of confidence and a practical number of specimens.

1.2 Fatigue properties to be analysed

This International Standard provides a method for the analysis of fatigue life properties at a variety of stress levels using a relationship that can linearly approximate the material's response in appropriate coordinates.

Specifically, it addresses

a) the fatigue life for a given stress, and
b) the fatigue strength for a given fatigue life.

The term “stress” in this International Standard can be replaced by “strain”, as the methods described are also valid for the analysis of life properties as a function of strain. Fatigue strength in the case of strain-controlled tests is considered in terms of strain, as it is ordinarily understood in terms of stress in stress-controlled tests.

1.3 Limit of application

This International Standard is limited to the analysis of fatigue data for materials exhibiting homogeneous behaviour due to a single mechanism of fatigue failure. This refers to the statistical properties of test results that are closely related to material behaviour under the test conditions.

In fact, specimens of a given material tested under different conditions may reveal variations in failure mechanisms. For ordinary cases, the statistical property of resulting data represents one failure mechanism and may permit direct analysis. Conversely, situations are encountered where the statistical behaviour is not homogeneous. It is necessary for all such cases to be modelled by two or more individual distributions.

An example of such behaviour is often observed when failure can initiate from either a surface or internal site at the same level of stress. Under these conditions, the data will have mixed statistical characteristics corresponding to the different mechanisms of failure. These types of results are not considered in this International Standard because a much higher complexity of analysis is required.

Finally, for the S - N case (discussed in Clause 8), this International Standard addresses only complete data. Runouts of censored data are not addressed.

2 Normative references

The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.

ISO 3534 (all parts), Statistics — Vocabulary and symbols

3 Terms and definitions

For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 3534 and the following apply.

3.1 Terms related to statistics

3.1.1

confidence level

value 1 − α of the probability associated with an interval of statistical tolerance

3.1.2

degrees of freedom

number calculated by subtracting from the total number of observations the number of parameters estimated from the data

3.1.3

distribution function

function giving, for every value x , the probability that the random variable X is less than or equal to x

3.1.4

estimation

operation made for the purpose of assigning, from the values observed in a sample, numerical values to the parameters of a distribution from which this sample has been taken

3.1.5

population

totality of individual materials or items under consideration

3.1.6

random variable

variable that may take any value of a specified set of values

3.1.7

sample

one or more items taken from a population and intended to provide information on the population

3.1.8

size

number of items in a population, lot, sample, etc.

3.1.9

mean

sum of all the data in a population divided by the number of observations

3.1.10

sample mean

sum of all the data in a sample divided by the number of observations

3.1.11

standard deviation

positive square root of the mean squared standard deviation from the mean from a population.

3.1.12

estimated standard deviation

positive square root of the mean squared standard deviation from the mean of a sample.

3.2 Terms related to fatigue

3.2.1

fatigue life

number of stress cycles applied to a specimen, at an indicated stress level, before it attains a failure criterion defined for the test

3.2.2

fatigue limit

fatigue strength at long life

Note 1 to entry: Historically, this has usually been defined as the stress generating a life at 10⁷ cycles.

3.2.3

fatigue strength

value of stress level S at which a specimen would fail at a given fatigue life

Note 1 to entry: This is expressed in megapascals.

3.2.4

specimen

portion or piece of material to be used for a single test determination and normally prepared in a predetermined shape and in predetermined dimensions