ナノフラクトグラフィによる先進セラミックスの実働環境下の疲労き裂進展機構の解明

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09450051
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 菅田 淳 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (60162913)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 植松 美彦 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助手 (80273580) ; 城野 政弘 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (20029094)
• Keywords: 疲労強度 / 疲労き裂進展 / セラミックス / き裂開閉口挙動 / 微小き裂 / 実働荷重 / 有効応力拡大係数 / き裂発生

Research Abstract

先進セラミックス材料として窒化ホウ素/窒化ケイ素複合セラミックスBN/Si_3N_4材を用いて一定振幅荷重ならびに過大荷重、2段繰返し変動荷重試験を行い徐荷弾性コンプライアンス法によりき裂開閉口挙動を調べた。さらに、高分解能の顕微鏡により破面情報を得ることによりセラミックス材料の繰返し荷重下の疲労き裂進展機構の解明を目指した。また、微小三角形断面を有する小型曲げ試験片を用いることにより窒化けい素セラミックスの繰返し荷重下のき裂発生・微小き裂進展挙動の観察を行った。得られた主な結果は以下の通りである。
1 BN/Si_3N_4の一定振幅荷重下におけるき裂進展速度は、応力比が小さくなるにつれて加速することがわかった。これは応力比が小さい、すなわち荷重振幅が大きいほど荷重繰返しによるインターロッキング部の摩耗、破砕がより顕著となり、応力遮へい効果が減少したためである。
2 2段繰返し変動荷重下のき裂進展速度は、一定振幅荷重下の進展速度に比べ加速することがわかった。また、高レベル荷重が大きくなるほど加速は顕著になる。この進展速度の加速現象は、過大荷重負荷後と同様に、高レベル荷重負荷によってインターロッキング部の破砕が促進されるためである。
3 き裂発生をとらえるために高精度化した除荷弾性コンプライアンス法により、窒化けい素セラミックスのき裂発生および極初期の進展挙動を観察することが可能となった。
4 き裂発生には、4μm程度の切削加工傷を起点として生じることが明らかにされるとともに、微小き裂段階においても、き裂の後方の結晶粒によるかみ合いが生じ、繰返し荷重によりこのかみ合いが消失することでき裂進展が生じることが明らかとなった。

Research Products

• [Publications] 菅田 淳: "Si_3N_4-BN複合焼結セラミックスにおける一定振幅荷重下の疲労き裂進展挙動に及ぼすBN含有量の影響" 日本材料学会第47期学術講演会. 308-309 (1998)
• [Publications] 菅田 淳: "Si_3N_4-BN複合焼結セラミックスの疲労き裂進展挙動に及ぼす荷重変動の影響" 日本材料学会第24回疲労シンポジウム. 250-253 (1998)
• [Publications] 菅田 淳: "Si_3N_4-BN複合焼結セラミックスにおける疲労き裂進展特性" 日本機械学会第74期関西支部講演会. (1999)