2016 Fiscal Year Annual Research Report
Reliability estimation of contact failure and macroscopic fracture in ceramic ball subjected to thermal shock
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26820015
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| Research Institution | Numazu National College of Technology |
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Principal Investigator |
松田 伸也 沼津工業高等専門学校, 機械工学科, 准教授 (10550460)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | セラミック球 / 熱衝撃破壊 / リングクラック / 破壊力学 / 強度信頼性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，高温環境下で使用される機械構造物のハイエンド部品としての市場が拡大している窒化ケイ素製セラミック軸受球（セラミック球）に対して，実環境で経験する熱衝撃を受けた場合の巨視的割れ（熱衝撃破壊）および接触損傷に対する信頼性をそれぞれ体系的に評価した．具体的には，水中急冷したセラミック球の熱衝撃破壊およびリングクラック発生強度特性についてデータベース化するとともにそれらの損傷メカニズムを解明し，以下の知見を得た：
①熱衝撃破壊は，極表面層に存在する製造欠陥を起点として，引張熱衝撃応力によって1本のき裂が発生する．その後，形状に依存したフープ引張熱応力によってき裂は分岐進展する．②熱衝撃破壊強度は，基礎データとなる窒化ケイ素セラミックスの4点曲げ試験から得られる曲げ強度と欠陥寸法のデータから推定できる．③熱衝撃を受けた場合，リングクラック発生強度は低下し，そのばらつきは増大する．また，リングクラック発生位置は，処女材と比較して接触境界に近づく．これらは，熱衝撃および大気中での加熱による酸化の複合的な影響によって生じる．④リングクラック発生強度は，Gクライテリオンに基づく簡易なモデルによってFEM解析から熱応力を推定すれば予測できる．
以上より，実環境で経験する熱衝撃を受けたセラミック球の熱衝撃破壊およびリングクラック発生強度特性についてデータベース化を行い，それらの損傷メカニズムを実験および力学的解析より明らかにすることができた．その結果，②および④に示すように熱衝撃後の巨視的割れおよびリングクラック損傷に対して評価手法を提案できた．本成果は，セラミック球を高温実環境下で使用する場合を想定した強度信頼性設計のための基礎的知見となることが期待できる．
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