2019 Fiscal Year Research-status Report
Clarification of fatigue fracture mechanism on dissimilar joint by FSW and improvement of reliability the joints
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19K04100
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| Research Institution | National Institute of Technology, Toyama College |
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Principal Investigator |
岡根 正樹 富山高等専門学校, その他部局等, 教授 (90262500)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 摩擦攪拌 / 摩擦攪拌接合 / FSW / 異種金属接合体 / 疲労特性 / 疲労破壊過程 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，マルチマテリアル構造を視野に入れた，摩擦攪拌接合（FSW）による異種金属接合材の疲労強度特性を検討する研究の一環として，疲労破壊のメカニズムを明らかにし，より高強度で信頼性の高い異種金属接合体を創製するための最適接合条件の構築に寄与することを目指すものである．今年度は，主に，①A6063/S45C接合体における応力比を変化させた場合の疲労強度特性，②これまでの実績を基にした異種Al合金接合体の創製と強度特性，の検討を中心に行っている．
このうち，①については，前年度までの検討で明らかにしている，引張応力のみが繰り返して作用する，応力比R=0.1の場合に対して，平均応力が0になる，完全両振（応力比R=-1）条件下での疲労試験を開始している．その際，R=0.1で使用した寸法形状の疲労試験片が，R=-1の疲労試験では使用できないことがわかり，接合加工実験や試験片の設計変更から着手した．その結果，基本的な疲労特性は把握でき，R=-1の場合は，R=0.1の場合に比べて，疲労強度がほぼ2倍に向上すること等がわかった．
一方②の検討では，FSWによる熱処理型（析出強化型）A6063合金と非熱処理型A5052合金の接合を行っており，まずは，最適接合条件の検討から着手している．接合条件を検討する場合，通常はツールの回転速度と送り速度（接合速度）を系統的に変化させて条件を模索するが，組合せが多岐にわたり煩雑になることが多いことから，本研究ではA6063/S45Cの接合条件を参考に，ツール中心を両材の突合せ面から，より攪拌性の高いA6063側にシフトして接合加工実験を行い最適な接合加工条件を得た．その後，硬さ試験や引張試験等を実施した結果，A6063内，A5052内いずれも接合部近傍は軟化しているが，静的な破壊は必ずA6063内で発生すること等が明らかとなった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究は，摩擦攪拌接合による異種金属接合材の疲労強度特性を検討する研究の一環として，疲労破壊のメカニズムを明らかにすることを目指している．その具体的な方法は，疲労試験中に接合部近傍をリアルタイムで観察すること，ならびに，接合部近傍の局所的な構成関係（応力-ひずみ関係）の分布を計測し，接合領域内で機械的性質が連続的かつ変則的に変化しているようすを，構成関係の分布として明らかにすることである．そのための前段階として，接合部近傍の繰返しの応力負荷にともなう，硬さの変化挙動，ならびに微小な塑性変形量の計測を行っている．一方で，接合領域内の構成関係の分布の計測については，本格的に着手できていない．計測に必要となる超微小硬度計は，当初の予定では，近隣の大学や研究機関（工業技術センター等）のものを，有償で利用する予定であったが，装置の仕様を詳細に検討したところ，本研究で用いるには，スペック的にやや不足と言うことがわかった．一方で，超微小硬度計については，別に獲得した予算により，今年度中に本校に導入される目途がたち，今後，それを活用した本研究の検討が進むものと期待される．したがって，上記のような理由から，研究進展の目途は立っているものの，当初の予定よりも，やや遅れていると判断するものである．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでも述べたように，本研究は，摩擦攪拌接合による異種金属接合材の疲労強度特性を検討する研究の一環として，当初から，疲労破壊のメカニズムを明らかにすることを目指しており，この方針に大きな変更はない．
研究期間前半の検討項目は，主に，接合領域内における機械的性質の分布状態の把握，ならびに，それらが，繰返しの応力負荷にともない，どのように変化するかを把握することにある．それらを直接計測する方法として，前述のように硬さの分布や繰返し負荷にともなう塑性変形量の計測を行っており，これについては，令和2年度以降も継続して実施する．また，前年度までとは異なる応力比（R=-1）での疲労試験を開始しており，今年度以降は，R=-1での塑性変形量を計測し，R=0.1での計測結果と比較検討することで，間接的に，変形の状態を把握することができることから，この検討については，令和2年度以降，本格的に着手する予定である．
一方で，研究期間の後半は，これまでの実験的手法に加え，解析的手法での検討を加え，接合部における疲労破壊のメカニズム解明に取り組む．解析的な手法には，主に粒子法を用いる予定である．粒子法は，メッシュレス法であるため，メッシュ破綻が生じず，大変形の解析や，き裂の進展シミュレーションに適した方法であるが，開発の歴史が浅く，解析ソフトも限定的であるため，解析的な手法による検討の際は，信頼性の高い有限要素解析も併用する．令和2年度は，研究期間後半である令和3年度からの本格的な解析的検討の準備に取りかかる予定である．
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| Causes of Carryover |
【理由】
次年度使用額が生じた主な理由は，接合領域内の構成関係の分布の計測が予定通り進まなかったことと，1月以降，新型コロナウィルス拡散防止の観点から，種々の学術講演会が軒並み中止となり，旅費の使用がほとんど生じなかったことによる．
【使用計画】
種々の学術講演会に参加するための旅費については，講演会が開催されるか否か，つまり新型コロナウィルス拡散が収束するか否かに依存しており，現段階では，予測できない．一方で，接合領域内の構成関係の分布の計測，検討については，今年度中に着手できる目途がたっており，各種の備品，消耗品の購入等で，使用する予定である．
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Research Products
(2 results)
