動的線形破壊力学の適用限界およびその拡張に関する研究

1989 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 01460094
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 青木 繁 東京工業大学, 工学部, 教授 (90016436)
• 研究分担者: 岸本 喜久雄 東京工業大学, 工学部, 助教授 (30111652)
• キーワード: 動的線形破壊力学 / 衝撃破壊靭性K_<Id> / 一点曲げ衝撃試験装置 / アルミナ / アルミナ-ジルコニア複合材料 / 動的応力拡大係数 / 動的有限要素解析 / き裂面の接触力

研究概要

まず、1200℃までの温度下でアルミナおよびアルミナ-ジルコニア複合材料の衝撃破壊じん性K_<Id>試験を行った。一点曲げ衝撃試験装置を用い、試験片にはブリッジインデンテイション法によって予き裂を導入した。測定された衝撃力から動的応力拡大係数K_I(t)を求めるために簡便評価式を用いた。き裂面に接触力が存在することを予き裂試験片と切り欠き試験片の静的荷重-ひずみ線図を比較することによって確かめた。負荷速度、試験片形状および破壊までの時間などの試験条件によっては、接触力がK_<Id>の測定値に影響を与えることを指摘した。しかし、本試験条件に対してはその影響はほとんどないことを実験的に検証した。アルミナおよびアルミナ-ジルコニア複合材料の破壊じん性は負荷速度の上昇とともにやや増加することが見出された。また、アルミナのK_<Id>は1200℃までの温度範囲ではほぼ一定値を示すのに対して、アルミナ-ジルコニア複合材料のK_<Id>は温度の上昇によりやや低下した。
つぎに、き裂面にステップ荷重またはランプ荷重が作用する場合を考え、き裂先端近傍の動的応力状態を有限要素法により詳細に解析した。この解析により荷重速度が極めて速い場合の動的応力拡大係数K(t)の支配領域の時間的変化が明瞭となり、衝撃破壊じん性K_<Id>の計測法の問題点が明らかになった。今後、現在の計測法によるK_<Id>を用いる限り動的線形破壊力学の基礎式K(t)=K_<Id>の適用に限界のあることを明らかにする予定である。これまでに国の内外で発表されている衝撃破壊じん性K_<Id>の異常挙動や高速き裂進展じん性K_<Id>の加速度依存性などは多くの原因が重畳して生じていると考えられる。本研究によりその原因のうちいくつかを明らかにできると思われる。

研究成果

• [文献書誌] K.KISHIMOTO: "Study on the Accuracy of J-integral Calculation by Finite Element Method" Proc.Pressure Vessel and Piping(ASME). 160. 111-116 (1989)
• [文献書誌] K.KISHIMOTO: "Computational Accuracy of J-integral by Finite Element Method" Int.J.Pressure Vessel and Piping.
• [文献書誌] S.AOKI: "Impact Fracture Toughness Testing of Alumina and Alumina-Zirconia Composite" Proc.Oji International Seminar on Dynamic Fracture.
• [文献書誌] M.SAKATA: "Measurement of Dynamic Fracture Toughness of Ceramic Materials at Elevated Temperature by one-Point-bend impact test" Proc.7th Int.Conf.on Fracture(1CF7). 1. 827-837 (1989)
• [文献書誌] 青木繁: "アルミナおよびアルミナ-ジルコニア複合材料の高温衝撃破壊じん性試験" 第3回材料の衝撃問題シンポジウム(日本材料学会誌へ投稿中). 149-152 (1989)
• [文献書誌] 青木繁: "セラミックス強化金属複合材料の高温衝撃破壊靭性" 日本機械学会シンポジウム「破壊と新技術」にて発表予定(1990.8).
• [文献書誌] K.KISHIMOTO: "One-Point-Bend Impact Testing of Ceramic Material" 1st KSME-JSME Fracture and Strength Conference.
• [文献書誌] S.AOKI: "FEM Investigation on Caustics for measuring Impact Fracture Toughness" Int.Seminar on Dynamic Failure of Materials.
• [文献書誌] S.TAKAHASHI: "Impact Fracture Toughnesson Ceramic Reinforced Metals at Elevated Temperature" Int.Seminar on Dynamic Failure of Materials.