金属マトリックス複合材料の高温における強度特性のマイクロメカニックス

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10650073
• 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 / FRM / MMC / 熱応力 / マイクロメカニックス / 破壊強度 / 弾性学

Research Abstract

航空、宇宙機器の先端構造材料として,繊維強化金属FRM(あるいは金属系複合材料MMC)が開発され,実用化されている.本研究ではMMCの高温における強度特性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.無限弾性体に複数個の楕円体状介在物が存在し、引張荷重を受ける場合、および無限体に1個の楕円体状介在物とらせん転位がある場合の応力集中の干渉を弾性論に基づき厳密に解析し、応力分布,変位分布に及ぼす介在物の大きさ,形状比,横弾性係数比の影響を明らかにした.
2.無限弾性体に楕円体状介在物と円環状き裂が存在し、1軸引張荷重を受ける場合を考え,解析をしたが、級数の収束に難があった。
3.MMCの熱応力の問題として,偏長回転楕円体状介在物をもつ半無限体を考え、介在物に剪断-eigen歪を与えた問題を弾性理論に基づいて厳密に解析し,応力分布,変位分布に及ぼす介在物の大きさ,形状比,横弾性係数比の影響を求めた.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の解析を行い,介在物の境界で摩擦を伴うすべりを許した場合の非線形問題を解析し、応力集中を明らかにした.
4.SUS304材について低サイクル疲労試験を行い,超音波法を用いて微小表面き裂を非破壊的に測定する方法を開発した。その結果,水浸超音波法を用い後方反射波の最大振幅を測定することにより、100ミクロンのき裂を検知することが可能になった.
5.窒化珪素とSUS304および中間財として銅を用いたセラミックス/金属接合材の繰り返し曲げ疲労実験を行い界面き裂の発生と進展特性を観察し、破壊形式が3つあること、圧縮応力側からもき裂が発生することを観察すると共に、残留熱応力を考慮した応力拡大係数を用いてき裂を評価することができた。

Research Products

• [Publications] 林偉平、荒居善雄、土田栄一郎: "セラミックス/金属接合材の繰返し荷重下における界面き裂発生・進展特性"日本機械学会論文集. Vol.A 65巻629号. 165-173 (1999)
• [Publications] 荒居善雄、土田栄一郎: "一様引張りを受ける突き合わせ接合板の界面端特異応力場の材料組み合わせ依存性"日本機械学会論文集. Vol.A 65巻634号. 1241-1248 (1999)
• [Publications] Wei Ping Lin, Yoshio Arai and Eiichiro Tsuchida: "Crack initiation and extension characteristics of cermics/mental joint under cyclic loading"Fatigue'99. 93-94 (1999)
• [Publications] E.Tsuchida, Y, Arai, H, Kotaka and Y. Hagiwara: "Thermal stresses in a semi-infinite plate having an elliptic inclusion and a surface layer"Thermal Stresses'99. 3. 139-142 (1999)
• [Publications] Yoshio Arai and Eiichiro Tuchida: "Effect of load geometry on stress fields and plastic zone shape around interface edge"Theoretical and Appl. Mech.. Vol.48. 31-37 (1999)
• [Publications] E. Tsuchida and H. Yomoda: "Stress interference between two prolate spheroidal inclusions in an elastic sold under all-around tension"Theoretical and Appl. Mech.. Vol.48. 59-72 (1999)
• [Publications] 土田栄一郎、荒居善雄、高窪豊: "摩擦を伴う滑りを許した楕円介在物を有する半無限板の非線形解析"第16回境界要素法論文集. 16. 19-24 (1999)
• [Publications] 土田栄一郎、四方田英利: "2個の偏長回転楕円体状介在物を有する弾性体の二軸一様引張り"第48回応用力学連合講演会講演予稿集. Vol.48. 365-366 (1999)
• [Publications] 荒居善雄、土田栄一郎: "界面端近傍の応力場と塑性域形状に及ぼす荷重形式の影響"第48回応用力学連合講演会講演予稿集. Vol.48. 363-364 (1999)
• [Publications] 荒居善雄、土田栄一郎、桜田英治: "音弾性によるボルト軸力測定に及ぼす曲げ変形の影響"第2回音弾性応用測定研究会,日本非破壊協会. Vol.2. 54-59 (1999)
• [Publications] 荒居善雄、土田栄一郎、鈴木克弥: "光弾性法による介在物応力場の実測に関する研究"光弾性研究会第21回研究発表講演会,. No.21. 15-18 (1999)
• [Publications] Roziq Himawan(ロジックヒマワン)、荒居善雄、土田栄一郎: "超音波法を用いた低サイクル疲労微小表面き裂の非破壊評価"日本機械学会1999年度年次大会講演論文集. Vol.III. 341-342 (1999)
• [Publications] 土田栄一郎、荒居善雄、猪又隆: "表面層と直線縁に平行な楕円介在物を有する半無限体の熱応力"日本機械学会1999年度年次大会講演論文集. Vol.III. 153-154 (1999)
• [Publications] 荒居善雄、土田栄一郎、浅原徳之: "窒素珪素の表面微小き裂の応力腐食割れ進展特性"日本機械学会1999年度年次大会講演論文集. Vol.III. 91-92 (1999)
• [Publications] 林偉平(小川スプリング)、荒居善雄、土田栄一郎: "繰り返し荷重下におけるセラミックス/金属接合界面き裂の進展評価"日本機械学会平成11年材料力学部門講演会講演論文集. No.99-16. 621-622 (1999)
• [Publications] 荒居善雄、土田栄一郎、劉毅: "偏平回転楕円体状介在物を有する円柱の曲げ"日本機械学会平成11年材料力学部門講演会講演論文集. No.99-16. 755-756 (1999)
• [Publications] Roziq Himawan、荒居善雄、土田栄一郎: "超音波法による低サイクル疲労微小表面き裂の非破壊評価"第3回音弾性応用測定研究会,日本非破壊協会. Vol.3. 30-37 (1999)