音弾性法によるセラミックス/金属接合材の熱疲労損傷の非破壊評価に関する研究

1995 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 07750091
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: 荒居 善雄 埼玉大学, 工学部, 助教授 (70175959)
• Keywords: 接合 / 界面 / 破壊力学 / 音弾性 / 超音波 / 残留応力 / セラミックス / 熱疲労

Research Abstract

本研究では熱疲労を受けるセラミックス/金属接合材の界面反射波と接合強度の関係を調べ、熱疲労強度の非破壊評価方法について検討した.
接合界面は本質的に材料不連続部であるため、目視による欠陥検査が困難である。本研究ではセラミックス/金属接合材の強度の非破壊評価方法として、超音波法を用いた。まず、界面における超音波の反射および透過特性を定量化するために、半無限体同士の接合体を界面に垂直に入射する平面波縦波および横波の反射率、透過率をPapcovich-Neuberの変位関数を用いて定式化した。つぎに窒素ケイ素と金属(銅)の界面における反射および透過特性を検討し、反射波の位相特性と振幅特性を比較した場合、本接合材では振幅特性の法が界面欠陥の検出には有利であることを示した。
界面欠陥を含むセラミックス/金属接合材の強度を定量的に評価するために、界面亀裂の応力拡大係数を解析し、セラミックスの破壊靭性値と比較し、界面欠陥からの不安定破壊条件を評価した。応力拡大係数の評価に際して接合残留応力による応力拡大係数と外力による応力拡大係数を独立に解析し、重ね合わせて界面亀裂の応力拡大係数とした。
熱疲労を受けた接合材の強度評価方法の検討として、熱サイクル最高温度を変えた熱疲労試験を行い、熱疲労試験前後にあおける超音波法及び光学顕微鏡による目視検査を行った。超音波法においては、前述の解析結果に基づき、界面における反射波の先頭波の振幅を非破壊評価量として採用した。熱疲労後の強度低下を調べる為に、室温において四点曲げ試験を行った。得られた結果に基づき、熱疲労後の室温強度と超音波法による先頭波の振幅の関係を調べ、モデルを用いてこの関係を考察した。
以上の実験および解析研究を総合し、熱疲労を受けるセラミックス/金属接合材の超音波法による非破壊強度評価方法の有効性について考察を行った。

Research Products

• [Publications] 荒居善雄: "プラズマディスラプション模擬損傷材の残存疲労寿命に及ぼす繰返し熱負荷の影響" 日本機械学会論文集A編. 61巻. 501-507 (1995)
• [Publications] Arai Yoshio: "Residual Stress due Welding and its effect on assessmint of crack near weldinterface" Int. J. Pres. Ves. & Piping. 63. 237-248 (1995)
• [Publications] Arai Yoshio: "Elastic-Plastic Theraml Stress Analysis for optimun Material Design of Functionally Gradient Material" Proc. 1st Int. Symp. Themal Stresses. 355-358 (1995)
• [Publications] Arai Yoshio: "Evaluation of Strength of Ceramic-Meral joint after Tnermal Cycle by Ultrasonic Technique" Proc. Int. Symp Advanced Tech Exp. Mech. 147-152 (1995)
• [Publications] Arai Yoshio: "Evaluation of Stress Field and Stress Intensity Factor for Interface Crack" Theoretical and Appl. Mech.44. 117-125 (1995)