超高温環境下における傾斜機能材料の破壊評価

1992 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 03452105
• 研究機関: 九州工業大学
• 研究代表者: 中垣 通彦 九州工業大学, 情報工学部, 教授 (90207720)
• 研究分担者: 山田 貴博 東京工業大学, 工業材料研究所, 助手 (40240022) ; 堀江 知義 九州工業大学, 情報工学部, 助教授 (40229224)
• キーワード: 非均質材料 / 傾斜機能材料 / 破壊力学 / 熱非均質 / 有限要素解析 / 亀裂 / 損傷力学 / 熱衝撃

研究概要

平成3年度に構築した熱有限要素解析システムに、傾斜機能材料の材料力学的挙動をよく表す構成則および最も適した破壊基準による亀裂評価法を組み入れた。このシステムを用いて傾斜機能材料の熱衝撃破壊問題について解析法を示し、傾斜機能材料の材料設計の一つの指針とした。即ち、(1)Kernerと若島による2つの球状粒子分散モデルを用いた材料構成則を、セラミック(ZrO_2)とチタニウム合金(Ti-6Al-4V)から成る傾斜機能材料に適用しシステムに組み込んだ。また、熱破壊強度を大きく左右する要因として線膨張係数の温度依存性が挙げられるが、線膨張係数をコントロールする目的で微小空孔を導入し、構成則に考慮した。想定する温度領域は極めて幅が広いため熱非均質性が激しく、また材料分布も非均質であるので強い非均質問題となる。非定常温度解を求めるため非線形差分アルゴリズムをシステムに追加した。(2)上記二つの材料からなる傾斜機能材料を、空力加熱を受ける宇宙機の前縁部に使用した場合を想定し、片側亀裂を持つ1000℃および1800℃の亀裂体に、それぞれ700℃と-200℃の熱衝撃が加えられた場合について解析した。これらの解析から次に示す知見を得た。即ち:傾斜機能材料の一つの機能である遮熱性は、セラミックの体積分率にほぼ比例した性能を持つが、亀裂強度に及ぼす影響は余り顕著ではない。微小空孔は遮熱効果が大であり、亀裂強度を低下させる働きが顕著である事が認められる。しかし、微小空孔は同時に破壊靭性をも下げる。破壊パラメタ,T^*,を用いた解析では、亀裂先端強度は組成材料単体からなる亀裂強度を上下限としない事が判明した。亀裂強度が臨界状態に達した後は不安定破壊に至る事が証明された。破壊靭性をも考慮した破壊安全性能と遮熱性能とは逆比例関係にあることが明かとなり、材料設計に当たってはどちらを重視するかはその目的によるところとなる。

研究成果

• [文献書誌] 宮崎 則幸,中垣 通彦,佐々木 亨,境 俊也,宗像 健: "有限要素法による非均質材中の安定亀裂成長解析" 日本機械学会論文集(A編). 58. 184-188 (1992)
• [文献書誌] 宮崎 則幸,佐々木 亨,中垣 通彦,F.W.Brust: "有限要素法によるクリープ亀裂進展シミュレーション" 材料. 41. 643-647 (1992)
• [文献書誌] 中垣 通彦,芝原 啓介,宮崎 則幸: "非均質界面付近に存在する亀裂の弾塑性破壊力学評価" 日本機械学会材料力学部門講演会論文集. 920-72. 167-168 (1992)
• [文献書誌] 中垣 通彦,松川 公司,因幡 利成,宮崎 則幸: "傾斜機能材料の破壊強度評価" 日本機械学会材料力学部門講演会論文集. 920-72. 169-170 (1992)
• [文献書誌] M.Nakagaki K.Shibahara Y.Hirata: "A Numerical Method of Assessing a Crack in Elastoplastic Material Inhomogeneity" Proc.of 2nd Internation Conference and Exhibition on Computer Application to Materials and Molecular Science and Engineering.
• [文献書誌] M.Nakagaki T.Inaba M.Matsukawa: "Fracture Assessment of Functionally Gradient Material under Thermal Shock Load" Proc.of 2nd International Conference and Exhibition on Comuter Application to Materials and Molecular Science and Engineering.
• [文献書誌] M.Nakagaki T.Inaba M.Matsukawa: "A Study of Crack in Functionally Gradient Material" Proc.of 1993 ASME Pressure Vessels and Piping Dvision Conference.
• [文献書誌] M.Nakagaki T.Inaba M.Matsukawa K.Kuranari: "A Computational Method for Evaluating Fracture Stability of Functionally Gradient Material" Proc.of Asian Pacific Conference on Fracture and Strength '93.