金属強化セラミックス複合材料の高温強度特性のマイクロメカニックスに関する研究

1994 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 06650086
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: 土田 栄一郎 埼玉大学, 工学部, 教授 (80016550)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 内山 豊美 埼玉大学, 工学部, 助手 (20151904) ; 荒居 善雄 埼玉大学, 工学部, 助教授 (70175959)
• Keywords: 複合材料 / セラミックス / 熱弾性 / 弾性学 / き裂 / マイクロメカニックス / 介在物 / 破壊力学

Research Abstract

航空,宇宙機器の先端構造材料として,金属強化セラミックス(MFRC)が開発され,実用化されている.本研究ではMFRCの高温における破壊現象を明らかにするために,理論解析と実験により介在物のマイクロメカニックスに関する研究を行い,以下の結果を得た.
1.無限弾性体に楕円体状介在物と円環状き裂が存在し、引張荷重を受ける場合を考え,まず中空偏平回転楕円体状介在物を有する無限体の問題を解いた.焦点間距離の半分c=1とし,中空介在物の厚さdを1/200とすると剛性率比の影響は殆ど無いがΓ_<12>=10のように介在物が極端に硬いとき非常に大きな応力集中が生じる.厚さを1/20とすると剛性率比の影響はは顕著であるが応力集中はd=1/200の約半分である.応力拡大係数はき裂が大きくなるにつれ急激に増加する.
2.繊維強化複合材料を巨視的に異方性と考え,楕円介在物を有する直交異方性半無限板の問題を異方性弾性論により解析した.シュミットの直交化法によって求めた結果か満足しないので次年度に行う.さらに,アイソパラメトリック2次要素を用いた境界要素法により楕円介在物を有する半無限板の解析を行い,理論結果と良く合うことを確認した.
3.MFRCの熱応力の問題として,表面層と楕円状介在物をもつ半無限板の介在物を一定温度で加熱した時(一定eigen歪)の熱応力問題を弾性論に基づいて厳密に解析し,応力分布に及ぼす,介在物の大きさ,形状比,横弾性係数比及び表面層の影響を求めた.表面層が硬い場合,介在物境界の応力分布は大きく影響を受ける.
4.板厚の異なる(25mm,15mm,3mm)Ti-6Al-4V合金について破壊靱性試験を行い,AE法を用いて破壊開始位置を測定する方法を開発し,従来手法(ASTM-E399)と比較検討した.その結果,AE法を用いれば板厚に関わらず破壊開始および進展挙動が測定可能であることが明らかとなった.

Research Products

• [Publications] Yoshio ARAI: "Evaluation of Fracture Mechanism of Ceramic-metal Joint by Ultrasonic Method" ICRS4 Proceedings of the Fourth International Conference on,Residual Stresses, Baltimore,Maryland. 122-131 (1994)
• [Publications] Eiichiro TSUCHIDA: "Stress Field in a Half-Space Containing an Oblate Spheroidal Inhomogeneity Subject to Pure Shear Eigenstrain" International Symposium on FRACTURE AND STRENGTH OF SOLIDS,(ISFSS),FEFG'94,July 4-7,1994 Xian,China. 165-165 (1994)
• [Publications] Yoshio ARAI: "Initiation and Growth of Interface Crack and Evaluation of Fracture Criterion for Ceramic-metal Joints" Recent Advances in Experimental Mechanics,Silva Gomes et al.eds.Balkema,Rotterdam. 1341-1345 (1994)
• [Publications] Yoshio ARAI: "Study on Singular Stress Field at Edge of V-shape Notched Disk" Theoretical and Appl.Mech.Vol.42. 123-134 (1994)
• [Publications] Eiichiro TSUCHIDA: "Stresses in a Thick Plate Containing a Prolate Spheroidal Inhomogeneity Subjected to Axisymmetric Bending" Theoretical and Appl.Mech.Vol.42. 89-101 (1994)
• [Publications] 荒居善雄: "漏洩表面波速度の曲げ応力依存性の検討" 音弾性研究会. 2. 39-46 (1994)
• [Publications] 荒居善雄: "超音波法によるセラミックス/金属接合材の非破壊強度評価" 日本機械学会通常総会講演会. 304-306 (1994)
• [Publications] 荒居善雄: "セラミックス-金属接合材の界面き裂発生・進展と破壊条件の評価" 実製品の信頼創成技術シンポジウム. 75-77 (1994)
• [Publications] 荒居善雄: "直流電位差法による窒化ケイ素の応力腐食割れ進展特性および評価に関する研究" 日本セラミックス協会関東支部研究発表会. 40-40 (1994)
• [Publications] 土田栄一郎: "表面の一定領域が加熱される偏長回転楕円体状介在物を有する厚板の定常熱応力" 日本機械学会第72期全国大会 講演論文集. Vol1. 151-153 (1994)
• [Publications] 荒居善雄: "窒化ケイ素の応力腐食割れ進展の実測および評価" 日本機械学会第72期全国大会 講演論文集. Vol.1. 324-326 (1994)
• [Publications] 荒居善雄: "セラミックス/金属接合材料の強度評価" 材料と構造物の強度と破壊シンポジウム. 102-109 (1994)
• [Publications] 土田栄一郎: "球状介在物とらせん転位の干渉" 日本機械学会材料力学部門講演会 講演論文集. Vol.A.215-216 (1994)
• [Publications] 土田栄一郎: "半楕円状介在物を有する半無限板の1軸引張り" 日本機械学会材料力学部門講演 講演論文集. Vol.A. 44-45 (1994)
• [Publications] 荒居善雄: "セラミック基複合材料の弾性係数の評価に関する研究" 日本機械学会材料力学部門講演会 講演論文集. Vol.A. 207-208 (1994)
• [Publications] 土田栄一郎: "2つの偏長回転楕円体状介在物と円環き裂の干渉" 第44回応用力学連合講演会 講演予稿集. 44. 229-230 (1995)
• [Publications] 荒居善雄: "界面端き裂の残留応力による応力拡大係数の評価" 第44回応用力学連合講演会 講演予稿集. 44. 361-362 (1994)