セラミックス/金属接合強度の破壊力学的評価に関する研究

1989 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 01460095
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 小林 英男 東京工業大学, 工学部, 教授 (00016487)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 轟 章 東京工業大学, 工学部, 助手 (50211397) ; 荒居 善雄 東京工業大学, 工学部, 助手 (70175959) ; 中村 春夫 東京工業大学, 工学部, 助教授 (40134829)
• Keywords: セラミックス / セラミックス@金属接合材料 / 残留応力 / 有限要素法 / フラクトグラフィ

Research Abstract

セラミックスの優れた特性を構造材料として活用する方法として、金属材料との接合が有望である。セラミックス/金属接合材料の強度は、接合界面の応力集中、塑性拘束、接合に起因する熱応力、残留応力、接合界面の末接合部、欠陥などの多くの因子の影響を受ける。力学的に妥当な強度評価手法を確立するためには、破壊機構の解明が不可欠である。そこで本研究では、中間層として薄い銅を用いた窒化けい素/S45C接合材料を対象として、破壊に対して重要な因子である接合残留応力の解析に対して、3次元分布を2次元分布から評価する手法を開発すると共に、セラミックス/金属接合材料の4点曲げ試験を行い、その電子顕微鏡による破面観察から接合材料の破壊機構を検討した。得られた結果を要約すると以下の通りである。
1.接合面近傍の軸方向残留応力分布は、セラミックス側で引張、金属側で圧縮となる。
2.3次元解析によると、軸方向残留応力はエッジ近傍に集中する。
3.エッジ近傍を除いて、軸方向残留応力は2次元モデルによって精度よく近似できる。
4.厚さ方向残留応力2次元モデルによって結果が異なる。軸対象モデルの結果は、3次元モデルの結果とよい一致を示す。
5.3次元モデルの応力は、2次元の平面応力モデルと平面ひずみモデルの結果の適切な重ね合わせによって近似的に評価できる。
6.4点曲げ試験片の電子顕微鏡による破面観察の結果、接合材料の中で著しい低強度となるものは、セラミックス側の欠陥起点の破壊であることが明らかとなった。通常のばらつきの範囲内の強度を示すものは、接合部でき裂が発生し、セラミックス内に存在する微小き裂で進展を阻止されたき裂前縁と界面部を先行して進展するき裂前縁により、き裂前縁のわん曲を生じ、阻止き裂先端の応力拡大係数がセラミックスの破壊靭性値に達して、セラミックス内で不安定破壊をすることが明らかとなった。

Research Products

• [Publications] 佐藤拓哉: "セラミックス/金属接合残留応力の2次元有限要素解析" 日本機械学会第67期通常総会講演論文集. A. (1990)
• [Publications] 小林英男: "破面解析に基づくセラミックス/金属接合材の破壊機構の検討" 日本機械学会第67期通常総会講演論文集. A. (1990)
• [Publications] 小林英男: "欠陥を含むセラミックス/金属接合材の強度評価" 日本機械学会第67期通常総会講演論文集. A. (1990)