き裂の伝播挙動を支配する法則の解明(正弦波状き裂、らせん状き裂を例として)

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14350051
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 藤本 浩司 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助教授 (40182993)
• 研究分担者: 塩谷 義 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (30013733) ; 佐藤 勝彦 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助手 (30010911)
• キーワード: き裂 / 破壊 / き裂伝播 / ガラス / 正弦波状き裂 / らせん状き裂 / き裂伝播速度 / 脆性破壊

研究概要

本研究では、破壊現象を材料の切断・割断加工に応用するために、き裂の伝播径路を自由にコントロールできるよう、「き裂の伝播挙動を支配する法則」を解明することを最終目的としている。今回はこの研究の一環として、古くから知られた、(1)一様に熱したガラス平板を冷水中に徐々に沈下させる際に生ずる規則正しい正弦波状き裂、(2)ガス輸送管が破壊する際にしばしば生ずる正弦波状き裂、さらに、(3)一様に熱したガラス円管を冷水中にその軸方向に徐々に沈下させる際に生ずるらせん状き裂に着目し、その伝播挙動のメカニズムを考究することを目的とする。
まず、(1)、(3)に関しては、ガラス板/円管を電気炉中で100〜300℃程度まで一様に熱した後に、冷水中に一定速度(速度は可変)で沈下させる装置を作製し、予備的な実験を行った。その結果、ガラスの加熱温度が200℃程度で沈下速度が非常に遅い場合に正弦波状き裂やらせん状き裂が発生することが多いことが判明した。さらに、ガラス円管でらせん状き裂が発生するのは、その上部に耐熱樹脂栓を装着して冷水中に沈下させた場合に限られ、上部を開口した状態で冷水中に沈下させてもガラス平板の場合と同様な正弦波状き裂しか発生しないことが判明した。今後は、正弦波状き裂の波長・振幅・間隔・位相差、らせん状き裂のピッチ等と実験条件の関係を定量的に調べ、その発生メカニズムを解明する予定である。
さらに、(2)に関しては、ガラス円管に水圧による内圧を作用させて破壊させる装置を製作し、数多くの実験を行った。さらに、今回購入したハイスピードカメラシステムを用いてき裂の伝播過程を撮影したところ、き裂速度が100m/s程度以下の場合のみに規則正しい正弦波状のき裂が発生し、き裂速度が大きい場合は不規則なき裂しか生じないことが判明した。このことは、従来から言われている「内圧によって円管に発生する正弦波状き裂は動的な影響によるものである」ということを否定するものである。今後は適切なモデル化によりこのような正弦波状き裂の伝播の数値シミュレーションを試みる予定である。

研究成果

• [文献書誌] 藤本浩司: "体積力法によるanticrackの解析における特異積分方程式の数値解法"日本機械学会論文集A編. 第68巻 第669号. 26-31 (2002)
• [文献書誌] Fujimoto, K.: "Mechanical Properties of Silicon Impregnated C/C Composite Material at Elevated Temperature"Proceedings of the Tenth U.S.-Japan Conference on Composite Materials. 687-694 (2002)
• [文献書誌] 関直喜: "内圧を受ける円管におけるクラックの進展挙動に関する研究"日本機械学会2002年度年次大会講演論文集. Vol.II. 451-452 (2002)
• [文献書誌] Kakiuchi, T.: "Relationship between Fracture Modes and Fractality of Fracture surfaces"Proceedings of JSME/ASME International Conference on Materials and Processing 2002. Vol.1. 576-579 (2002)
• [文献書誌] Fujimoto, K.: "Degradation of Materials by High Energy Atomic Oxygen"Proceedings of JSME/ASME International Conference on Materials and Processing 2002. Vol.2. 440-445 (2002)
• [文献書誌] Fujimoto, K.: "Degradation of Carbon-Based Materials Due to Impact of High Energy Atomic Oxygen"International Journal of Impact Engineering. Vol.28. 1-11 (2003)
• [文献書誌] 塩谷義(編著): "先進機械材料"培風館. 242 (2002)