各種セラミックス材料の繰返し応力負荷による強度低下とその機構

1992 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 03452101
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 宮田 隆司 名古屋大学, 工学部, 教授 (20023228)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田川 哲哉 名古屋大学, 工学部, 助手 (00216805)
• Keywords: セラミックス / 窒化珪素 / アルミナ / 静疲労 / 転がり疲労 / 繰返し応力効果 / 架橋効果 / K-v特性

Research Abstract

セラミック材料は大気中で時間依存形のいわゆる遅れ割れ(静疲労)を生じる他、一部の材料では繰返し荷重による疲労現象(動疲労)を起こすことも知られている。昨年度、窒化珪素及びアルミナを用いた静疲労及び繰返し荷重下における動疲労試験を行ったところ、一定の応力拡大係数のもとでは静疲労き裂進展速度はき裂の進展に伴って低下し、停止する現象がみられた。一方、比較のため行ったほうけい酸ガラスではそのような現象はみられず、また動疲労試験では繰返し数依存形の疲労は生じない材料でもき裂の遅延、停止現象ははるかに少なかった。
今年度の研究においては、結晶粒径の異なる窒化珪素、アルミナについて同様の試験を行い、昨年度の実験結果の確認をするとともに、負荷履歴を変化させてき裂進展抵抗に及ぼす影響を調べた。 その結果、結晶粒径の大きなセラミックスほどき裂進展減速・停止現象が顕著に現れること、走査形電子顕微鏡内でのき裂の開口状況の観察から、この現象が粗大結晶による架橋効果によるものであること、繰返し負荷によってこの架橋効果が減殺されることが動疲労試験でき裂の遅延、停止がみられないことの理由であること、などが明らかとなった。粗大結晶による架橋効果はき裂長さに依存し、従って応力拡大係数とき裂進展速度との関係はき裂長さに依存するので従来、材料特性として評価されてきたK-v特性は材料定数としては認め難いことを示した。負荷履歴の変化がき裂進展に及ぼす影響もこの架橋効果に及ぼす影響として理解することができる。
この他、セラミックスについての転がり疲労試験も行い、硬鋼と同様な転がり疲労がセラミックスでも起こること、その機構も極めて類似しており、内部からせん断形のき裂として発生、進展した疲労き裂が破壊の原因となっていることを明かにした。

Research Products

• [Publications] 大塚 昭夫: "窒化けい素セラミックスのき裂進展特性におけるき裂長さ依存と応力繰り返しの影響" 材料. 41. 1279-1284 (1992)
• [Publications] 大塚 昭夫: "窒化けい素セラミックスの転がり疲労のフラクトグラフィと破損機構" 日本材料学会学術講演会前刷. 41. 360-362 (1992)
• [Publications] 大塚 昭夫: "セラミックスのき裂進展におけるき裂進展長さ依存と応力繰返し依存" 日本材料学会学術講演会前刷. 41. 357-359 (1992)