金属基複合材料の疲労破壊機構の解明

1992 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 04452115
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 城野 政弘 大阪大学, 工学部, 教授 (20029094)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 菅田 淳 大阪大学, 工学部, 講師 (60162913)
• Keywords: 金属基複合材料 / 粉未冶金合金 / 疲労 / き裂発生強度 / き裂進展抵抗 / 直接観察 / 画像処理 / 定量解析

Research Abstract

粒子分散強化型金属基複合材料の疲労破壊機構についての基礎的知見を得るために,先ず,初晶Si粒子サイズとその分布を変えた2種類の粉末冶金アルミニウム合金を用い,き裂発生箇所を限定するために浅い切欠きを付した試験片による平面曲げ疲労試験を行い,き裂発生,初期進展挙動の微視的な詳細観察を行い,粒子の疲労強度への影響を検討した。初期微小疲労き裂は,応力が高い場合には複数本が,低い場合にはただ1本が見られたが,いずれもSi粒子と母地のアルミニウム合金との界面から発生した。その結果,疲労強度はSi粒子の大きさに依存することになり,粒子を微細化し均一に分散させた材料が高い疲労強度を示した。粒子と母地の界面で発生したき裂はアルミマトリックス中を進展する。き裂がSi粒子にぶつかると,Si粒子が大きい場合にはそれを割って進むこともあるが,通常はSi粒子の界面に沿って進むため,微視的には多数の屈曲を伴って進展する。粒子が大きいほど屈曲は大きくなり,破面粗さ誘起き裂閉口を促進し,一般の長いき裂に関しては応力拡大係数に対するき裂進展速度は低下するが,初期微小き裂ではき裂閉口が弱いため,粒子が小さく微視的な屈曲を多数繰返す,小さい粒子を多数分散させた材料の方がき裂進展抵抗が高くなることが明かとなった。次いでSic粒子分散強化型アルミニウム基複合材料を用いて同様の疲労試験,観察を行っているが,き裂発生がSic粒子とアルミマトリックスの界面で生じること,Sic粒子界面に沿う屈曲を繰返し進展することなど同様の挙動を示すが,アルミマトリックス内で長い第1段階き裂成長が認められるなど異なった挙動も認められ,引続き検討中である。一方,パーソナルコンピュータを用いた走査電子顕微鏡の観察画像処理に関しては,き裂先端開口変位,き裂先端近傍変位場の定量的な解析が可能となり,一部観察結果に対する検討を行い,き裂進展速度との対応を明らかにした。

Research Products

• [Publications] 菅田 淳: "画像処理を用いた疲労き裂進展挙動の走査電子顕微鏡動的直接観察" 精密工学会第4回外観検査の自動化ワークショップ講演論文集. 49-54 (1992)
• [Publications] 城野 政弘: "AL-25Si粉末鍛造アルミニウム合金における表面微小疲労き裂の発生および進展挙動" 材料. 42. 176-182 (1993)
• [Publications] M.Jono: "Effect of Primary Silicon Size on Fatigue Properties of Powder Forged Al-25Si-2024 Alloys" Proc.1993 Powder Metallargy World Congress. (1993)