SiCウィスカ強化アルミニウム合金基複合材料の疲労破壊過程とその特性

1991 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 02452095
• Research Institution: KYUSYU UNIVERSITY
• Principal Investigator: 西谷 弘信 九州大学, 工学部, 教授 (20037708)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 内堀 久幸 九州大学, 工学部, 助手 (80037788) ; 尾田 安司 九州大学, 工学部, 助手 (20091340) ; 野口 博司 九州大学, 工学部, 助教授 (80164680)
• Keywords: 複合材料 / 金属基複合材料 / 疲労 / 回転曲げ / 連続観察 / SiCウィスカ / 切欠き

Research Abstract

本研究に用いた金属基複合材料は、SiCウィスカで強化した6064ーT6アルミニウム合金である(重量含有率30%)。本材料は塑性加工(押出しなど)や旋削が可能であり、また比強度に優れているため実用に供されようとしている。この実用材料を用いて、このような金属基複合材料の疲労特性を、その表面状態の連続観察による疲労過程の解明を通じて、明らかにした。観察は、ウィスカが非常に小さいため、すべて走査型電子顕微鏡を使用した。以下にわかったことを列挙する。
(1)引張り強度と10^7回における時間強度においては、SiC/Al複合材料の強度は、Al合金単体のそれの約2倍であった(その強度は一般構造用炭素鋼に匹敵する)。(2)Al単体の疲労寿命が、1mm程度の比較的長いき裂の伝ぱ寿命によって決まっているのに反して、複合材料はき裂長さ200μm程度までの寿命できまっていた。(3)疲労き裂は寿命の1/20程度の早い時期に発生した。(4)SiCウィスカは微視的には、一様にAl中に入っているのではなく(押出成形により)、ウィスカが入っていない層が存在し、ウィスカの大きさも一様ではない。それに起因して、疲労き裂はそれらの層の境界で発生する場合、欠陥から発生する場合、大きなウィスカから発生する場合の三つがあり、その際微視的き裂は多数発生した。(5)粉末冶金によるAl合金単体の疲れ強さは切欠きに敏感であり、停留き裂発生限界の切欠半径(分岐点の切欠半径)は約0.6mmであった。これらの性質は圧延Al合金のそれとほぼ等しい。(6)本実験の範囲では、SiC/Al複合材料の疲れ強さは切欠きに鈍感であり、分岐点の切欠半径は約0.2mmであった。これは、本複合材料のき裂発生が点発生的であることや、切欠半径が小さいところで (応力集中係数)×(疲れ強さ)=一定が成立することを考慮すると、本実験では、比較的小数本の疲労試験により疲労限度を決定したため統計的因子の影響を極めて強く受けており、本質的には本複合材料は切欠きに敏感ではないかと思われる。
以上のように、ウィスカによる複合化によって引張り強度や疲労強度は上昇するが、(a)本複合材料のK_<fc>が小さいことに起因した上記の(2)の性質により、本材料からなる機械・構造物の保守・点検は難しく、(b)上記の(6)に述べたように疲労強度における統計的因子の影響が大きく安全係数を大きく取らざるを得ないだろう などの使用上注意すべき新たな欠点が見いだされ、このことを十分考慮して実用に供すべきであることが結論づけられた。

Research Products

• [Publications] 西谷・金・野口・西澤・山口: "SiCウィスカ強化アルミニウム合金の疲労過程" 日本機械学会第69期全国大会講演論文集. Vol.A. 328-330 (1991)
• [Publications] 西谷・金・野口・西澤: "SiCウィスカ強化アルミニウム合金の切欠き材の疲労強度" 日本機械学会材料力学講演会講演論文集. Vol.B. 309-311 (1991)
• [Publications] 西谷・金・野口・西澤: "SiCウィスカ強化アルミニウム合金の平滑材および切欠材の疲労強度について" 日本機械学会論文集A編.