2017 Fiscal Year Annual Research Report

ひずみエネルギー密度法によるマイクロ・ナノ材料の統一破壊力学

Research Project

Project/Area Number	16F16366
Research Institution	Kyoto University
Principal Investigator	北村隆行京都大学, 工学研究科, 教授 (20169882)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	GALLO PASQUALE 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 外国人特別研究員
Project Period (FY)	2016-11-07 – 2019-03-31
Keywords	マイクロ / ナノ / 破壊力学 / 破壊基準 / ひずみエネルギー
Outline of Annual Research Achievements	マイクロおよびナノメートルスケール材料に対する一方向負荷試験方法を確定した。対象材料はぜい性材料であるシリコン（Si）とし、切り欠きを有する微小寸法試験片を集束イオンビーム加工装置を用いて作製した。微小負荷試験機構を有するホルダを透過型電子顕微鏡内に挿入して、切り欠き底のその場観察を行いながら微小試験片の負荷実験を実施した。形状の異なる切り欠きに対する破壊荷重を特定し、それを基に応力集中が異なる条件下における切り欠き底からの亀裂発生臨界条件について連続体力学解析を行った。その結果に基づいて、平滑材強度および破壊じん性を含めた統一的破壊基準を考察し、局所ひずみエネルギー密度の支配パラメータとしての有効性について検討するとともに、マクロ材料における破壊基準との比較を行った。その解析より、微小材料では欠陥が含まれる可能性が減少することによる平滑材の強度上昇があり、この効果を取り込むと統一的な破壊基準が求められることを示した。また、微小材料の場合には、局所破壊をもたらす特性寸法がナノメートルになり、その強度も理想強度に匹敵することも示した。連続体に基づく破壊基準の適用下限について、実験結果を基に検討していることが評価されている。これらの成果を2報の国際研究誌に投稿し、掲載に至っている。現在では、分子動力学解析によってこれらの結果を検証するとともに、破壊に至る局所の力学挙動の詳細を明らかにする研究に発展させている。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason かなり高度な実験であったが、装置の操作に習熟するとともに、実験観察に成功したことは高く評価している。解析は来日以前よりマクロ材料に対して行ってきたものをベースとしているが、ナノメートル・スケールの破壊へ上手く適用できるように工夫しており、国際研究誌でも評価が高い。研究者の経験のない解析方法にもチャレンジしており、今後の発展性も見込まれる。
Strategy for Future Research Activity	分子動力学シミュレーションを実施して、切り欠き底におけるひずみエネルギー状態を明らかにする。これらによって、特性寸法の物理的背景を明らかにするなど、本実験で得られた成果の詳細を解析する。また、マイクロ試験片における疲労破壊に対する統一的破壊基準についての実験を行って、本年度の実績を元にナノメートル・スケールの破壊の統一的理解に向けて研究の進展を図る。