セラミックス-金属系多相材料の熱・弾塑性応答(微視力学的解析システムとその機能検証)

• Project/Area Number: 03452254
• Research Category: Grant-in-Aid for General Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: 金属材料(含表面処理・腐食防食)
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 若島 健司 東京工業大学, 精密工学研究所 教授 (70016799)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 塚本 英明 東京工業大学, 精密工学研究所, 助手 (30227376)
• Project Period (FY): 1991 – 1992
• Project Status: Completed (Fiscal Year 1992)
• Budget Amount: ¥7,000,000 (Direct Cost: ¥7,000,000); Fiscal Year 1992: ¥300,000 (Direct Cost: ¥300,000); Fiscal Year 1991: ¥6,700,000 (Direct Cost: ¥6,700,000)
• Keywords: 複合材料 / 傾斜機能材料 / 熱応力 / 微視力学 / 弾塑性解析 / 高温変形 / 熱伝導率 / セラミックス-金属系 / ラチェット変形 / セラミックスー金属系

Research Abstract

前年度に具体化した主な項目は,1)微視力学モデルに基づく弾塑性構成式の定式化,2)熱・弾塑性応答の数値解析ソフトウェア作成,3)局部加熱方式動的熱変形試験装置の設計・製作,4)クリープ効果の基礎的検討である。当該年度では、まず始めに上記1)に基づく2)のソフトウェアを用いて、平板状のZr3_2-Ni系傾斜組成制御体に関する一連の熱応力解析を実施した。特に上記3)との関連から、Ni相の塑性挙動を無視した弾性解析およびこれを考慮した弾塑性解析によって一次元熱流場での過渡応答をシミュレートした。その結果,弾性解析では高温側のZrO_2-Ni層内に発生する最大圧縮応力を過大評価すること,またNi相内での応力、部分的に降状応力レベルを大きく上回ることから,本徴視力学アプローチによる弾塑性解析の有用性を確認した。さらに検証実験のための供試体をホットプレス法で作製するため,その際の熱履歴に伴う残留応力を上述の弾塑性解析法を発展させて定量化し,熱応力割れを抑制する作製条件を明らかにした。その結果に従って6層構成のZrO_2-Ni系傾斜組成制御体(100ZrO_2/80ZrO_2-20Ni/60ZrO_2-40Ni/40ZrO_2-60Ni/20ZrO_2-80Ni/100Ni;各層の厚さ0.5mm)を作製し,その健全性を確認した。一次元熱流場での加熱試験に先だって,本供試体における各層の熱伝導率を実測して微視力学的な予測値と比較すべきと考え,当初計画を変更し,基本的には前記3)の試験装置を利用した定常比較型のシステムを開発した。このシステムは,供試体内部の一次元定常温度分布を近接拡大レンズを装着した赤外線熱画像カメラにより計測するもので,従来は測定が困難であった多層積層材をそのまま供試体として構成層の熱伝導率評価が可能であることから,プラズマ溶射プロセスで多層形成した被膜についても検討し,本システムの有用性を確認した。このことは本研究の副次的な成果として特筆できる。このような事情で、当初に計画した実験は現時点では未完であるが,予想外の問題は特に無く,近々(数箇月内)に完了の見込みである。

Research Products

• [Publications] 福井 泰好 (他2名): "傾斜機能材料厚肉円筒の熱応力解析" 日本機械学会論文集(A編). 58. 257-262 (1992)
• [Publications] K.Wakashima(他2名): "Numerical Approach to the Elastic-Plastic Analysis of Thermal Stresses in a Ceramic-Metal Bimaterial Plate With Graded Microstructure" Modelling of Plastic Deformation and Its Engineering Applications (Proc.of the 13th RISO Int.Symp.,RISO National Laboratory,Roskilde,Denmark).
• [Publications] 503-510 (1992)
• [Publications] K.Wakashima (他1名): "A Unified Micromechanical Approach toward thermomechanical Tailoring of Metal Matrix Composites" ISIJ International. 32. 883-892 (1992)
• [Publications] 若島 健司: "複合材料の有効熱伝導率推定モデル" 熱物性. 6. 255-264 (1992)
• [Publications] K.Wakashima (他2名): "Diffusion-Controlled Deformation of Metal Matrix Composites" Aspects of High Temperature Deformation and Fracture of Crystalline Materials (Proc.of JIMIS-7,Japan Institute of Metals). (1993)
• [Publications] K.Wakashima (他2名): "Micromechanics-Based Approach to the Simulation of Thermomechanical Response of Ceramic/Metal Functionally Graded Materials" Proc. of the Int.Conf. on Computer-Assisted Materials Design and Process Simulation(COMMP'93)(Iron and Steel Institute of Japan). (1993)
• [Publications] K.Wakashima,H.Tsukamoto: "MeanーField Micromechanics Model and Its Application to the Analysis of Thermomechanical Behaviour of Composite Materials" Materials Science and Engineering. A146. 291-316 (1991)
• [Publications] K.Wakashima,H.Tsukamoto,B.H.Choi: "A Mechanism of Thermal CyclingーInduced Superplasticity in Discontinuous Fiber Reinforced Metal Matrix Composites" Meta Matrix CompositesーProcessing,Microstructure and Properties(Proc.of the 12th RISO Int.Symp.,RISO National Laboratory,Roskilde,Denmark). 725-734 (1991)
• [Publications] H.Tsukamoto,B.H.Choi,K.Wakashima: "Diffusional Relaxation Model for Dynamic StressーStrain Behavior of Discontinuously Reinforced Metal Matrix Composites" Metal Matrix CompositesーProcessing,Microstructure and Properties(Proc.of the 12th RISO Int.Symp.,RISO National Laboratory,Roskilde,Denmark). 701-706 (1991)
• [Publications] 若島 健司,塚本 英明: "セラミックスー金属系FGM平板の弾塑性熱応力解析の微視力学的アプロ-チ" 第4回傾斜機能材料シンポジウム(FGM'91)講演論文集(傾斜機能材料研究会). 11-17 (1991)
• [Publications] K.Wakashima,H.Tsukamoto: "Numerical Approach to the ElasticーPlastic Analysis of Thermal Stresses in a CeramicーMetal Bimaterial Plate with Graded Microstructure" Modelling of Plastic Deformation and Its Engineering Applications(Proc.of the 13th RISO Int.Symp.,RISO National Laboratory,Roskilde,Denmark). (1992)