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材料の破壊挙動解明への微視的アプローチの適用に関する研究

研究課題

研究課題/領域番号 10450383
研究種目

基盤研究(B)

配分区分補助金
応募区分一般
研究分野 海洋工学
研究機関東京大学

研究代表者

吉成 仁志  東京大学, 大学院・工学系研究科, 助教授 (20167737)

研究分担者 金田 重裕  東京大学, 大学院・工学系研究科, 助手 (90010892)
影山 和郎  東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (50214276)
研究期間 (年度) 1998 – 2000
研究課題ステータス 完了 (2000年度)
配分額 *注記
13,700千円 (直接経費: 13,700千円)
2000年度: 2,500千円 (直接経費: 2,500千円)
1999年度: 2,500千円 (直接経費: 2,500千円)
1998年度: 8,700千円 (直接経費: 8,700千円)
キーワード疲労亀裂伝播 / 走査電子顕微鏡 / 分子動力学 / 銅単結晶 / 活動すべり面 / 3%Si鋼 / Neumannモデル / Lairdモデル / 疲労き裂伝播 / 活動すべり系 / 結晶粒界 / 多重すべり / 銅単結晶材 / 微視的メカニズム / 疑似疲労シミュレーション
研究概要

本研究では、破壊の基本的メカにニズムの解明という最終目的に対して、その第一歩として、疲労亀裂伝播の本質的様相を明らかにすることを目的に微視的アプローチによる実験・解析を行った。
一方、試験と対応させて分子動力学によるシミュレーションを実施し破壊挙動の微視的メカニズムを検討した。
実験では銅単結晶(fcc系)および3%Si鋼(bcc系)のCT試験片を用い、結晶方位と予亀裂方向の関係を系統的に変えた疲労亀裂伝播試験を実施し、走査電子顕微鏡(SEM)による詳細な破面観察を行った。その結果、両材料の疲労亀裂は力学的主応力面上ではなく、結晶構造固有の活動すべり系を選択的に伝播していくことが判明した。この現象は連続体力学で有用なLairdモデルでは説明できず、Neumannモデルを3次元的に拡張して説明する必要があった。銅単結晶材料では活動すべり系がお互いに複雑に干渉し、疲労亀裂伝播速度がその影響を強く受けることが分かった。そのため、多結晶材料で有用なParis則が成立しない。
一方、原子配列を計算機上に実現して分子動力学(MD)による破壊シミュレーションを実施した。その結果、MD計算による両材料の亀裂伝播挙動は実験事実およびSEM観察結果との整合性が得られた。また、擬似疲労MDシミュレーションから非可逆的損傷蓄積の様相についても検討した。3%Si鋼については、MDにより結晶粒界が破壊挙動および亀裂経路に及ぼす影響を検討し実験結果と比較した。
粒界をまたぐ亀裂では前後の結晶方位差によって伝播速度に大きな差が生じることも判明した。このように、分子動力学は破壊の微視的メカニズムを解析するための有用なツールとして期待できる。

報告書

(4件)
  • 2000 実績報告書   研究成果報告書概要
  • 1999 実績報告書
  • 1998 実績報告書
  • 研究成果

    (16件)

すべて その他

すべて 文献書誌 (16件)

  • [文献書誌] 吉成仁志,若原強,粟飯原周二: "疲労き裂伝播の微視的メカニズムの解明に関する研究-3%Si鋼における疲労き裂伝播挙動-"日本造船学会論文集. 189(5月刊行予定). (2001)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] 吉成仁志,粟飯原周二,若原強,岩上寛: "疲労き裂伝播の微視的メカニズムの解明に関する研究-銅単結晶材における疲労き裂伝播挙動-"日本造船学会論文集. 186. 509-519 (1999)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] 吉成仁志,真橋洋平: "分子動力学による銅単結晶材の破壊挙動解析"日本造船学会論文集. 186. 520-533 (1999)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Hitoshi Yoshinari, Shuji Aihara, Tsuyoshi Wakahara, Hiroshi Iwagami: "Study on Microscopical Mechanism of Fatigue Crack Propagation-Fatigue Crack Propagation Behavior in Cu Single Crystal-"Journal of the society of naval architects of Japan. vol.186. 509-519 (1999)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Hitoshi Yoshinari, Yohei Mabashi: "Analysis of Fracture Behavior in Cu Single Crystal Using Molecular Dynamics Method"Journal of the society of naval architects of Japan. vol.186. 521-533 (1999)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Laird, C.: "The influence of metallurgical structure on the mechanisms of fatigue crack propagation"ASTM STP. 415. 131-180 (1967)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Neumann, P.: "Coarse slip model of fatigue"Acta Metallurgica. vol.17. 1219-1225 (1969)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Rieux, P., Driver, J.and Rieu, J.: "Fatigue crack propagation in austenitic and ferritic stailess steel single crystals"Acta Metallurgica. vol.27. 145-153 (1979)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Richards, C.E.: "The influence of material properties on fatigue crack propagation as demonstrated by experiments on silicon iron"Acta Metallurgica. vol.19. 583-594 (1971)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Pelloux, R.M.N.: "Mechanisms of formation of ductile fatigue striations"Transactions of ASM. vol.62. 281-285 (1969)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Bowles, C.Q.and Broek, D.: "On the formation of fatigue striations"Journal of fracture mechanics. vol.8. 75-85 (1972)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Cheung, K.S.and Yip, S.: "A Molecular dynamics simulation of crack extension"Modeling Simul.Mater.Sci.Eng.. vol.2. 865-892 (1994)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Kitagawa, H., Aihara, T.and Kawazoe, Y (eds): "Mecoscopic Dynamics of Fracture, -Computational materials Design-"Springer. (1998)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      2000 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] 吉成仁志,若原強,粟飯原周二: "疲労き裂伝播の微視的メカニズムの解明に関する研究-3%Si鋼における疲労き裂伝播挙動-"日本造船学会論文集. 第189号(5月刊行予定). (2001)

    • 関連する報告書
      2000 実績報告書
  • [文献書誌] 吉成仁志、粟飯原周二、若原強、岩上寛: "疲労き裂伝播の微視的メカニズムの解明に関する研究-銅単結晶材における疲労き裂伝播挙動-"日本造船学会論文集. 第186号. 509-519 (1999)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] 吉成仁志、真橋洋平: "分子動力学による銅単結晶材の破壊挙動解析"日本造船学会論文集. 第186号. 520-533 (1999)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書

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公開日: 1998-04-01   更新日: 2016-04-21  

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