| 研究課題/領域番号 |
20K04237
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| 研究機関 | 富山大学 |
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研究代表者 |
木田 勝之 富山大学, 学術研究部工学系, 教授 (00271031)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 窒化ケイ素 / せん断応力 / モードⅡ型き裂進展 / 焼結助剤 / き裂開口量 |
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| 研究実績の概要 |
昨年度にin-situ観察用治具を完成させ、電子顕微鏡チャンバー内でき裂の観察を行うことができること、また、赤道に対して垂直方向に予き裂長さ260μmのき裂を導入し、約2.4MPam1/2における実験で治具の有効性を確かめた。本年度は、この治具を用いて、モードⅡとモードⅠが同時に起こる条件で、4つのき裂進展の本試験を行った。最大負荷荷重は7.5 kN～9.0kN、初期き裂長さは0.26～0.28 mm、モードⅠ進展方向を0度とした場合のき裂の初期進展角度は26～32度である。この角度範囲では、疲労初期の応力拡大係数はいずれもモードⅡが優位となる。き裂進展試験では、安定して成長するき裂の長さ測定に成功した。ここで、モードⅠとモードⅡの初期応力拡大係数(KImax、KIImax)は、4つの条件でそれぞれの単位をMPam1/2として、(0.510、2.30)、(0.00、2.70)、(0.521、2.31)、(0.353、2.49)である。これにより、当初予定していたモードⅠとモードⅡがき裂に及ぼす影響に関する基礎データの取得に成功した。これは、せん断応力と引張応力いずれがモードⅡ型き裂先端で優位なのか、結晶と粒界近傍の焼結助剤の影響を考察するという本研究の目的に直接寄与する成果である。
さらに、すべての実験で、モードII型進展がモードI型進展へ遷移する様子を十分な精度で捉えることができた。具体例として、初期のき裂角度26度、(KImax、KIImax)= (0.521、2.31)の試験では、2.00×10^4cycleを過ぎた段階でモードⅡ/モードⅠの混合比が1.0 (45度)を大きく下回り、そのまま破壊に至った。これにより、モード遷移前後でのき裂先端プロセスゾーンの観察にめどが立てることができた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
2020年度には、コロナ関連のため、試験片の入手が遅れた。このため、2020年度と2021年度の計画において、治具作製をき裂進展観察よりも優先させた。その後、試験片の入手ができた。当初の順序が変わったが、2021年度の後半におおむね予定の実験を行うことができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
2021年度に、疲労試験前後にSEMによる観察を実施した。これにより、き裂が結晶粒の影響を受け、偏向を繰返しつつ，全体的にはモードⅠ型が支配する方向にカーブしていること、疲労き裂進展後、予き裂がより開口したことが確認できた。微視的には、き裂経路上の偏向発生位置にプロットを配置し、そのプロットの座標をデータとしてまとめている。2022年度は、偏向角度を5degずつの階級に分けた度数分布図を作成し、表面き裂に生じた食違い(リガメント)に対し、節点を食違い部分の各き裂の先端で整理し、ベクトル解析を進める。これにより、き裂が未破壊域を横断した条件での偏向角度の特徴や、粒界近傍の焼結助剤の偏在性との関係などを抽出する予定である。
これらのデータ整理から、混合比1.0 (45度)を中心としたモード遷移範囲に、その後のき裂進展及び停留を説明するための重要なき裂進展抵抗が発生すること、試験片はある瞬間からモードI型(開口モード)によるき裂進展の影響が急激に大きくなり破壊に至る過程の特徴を考察する予定である。
混合比によるモード遷移の挙動が明らかになりつつあるため、混合比1.0近傍での観察を詳細に継続することに加え、き裂長さを変えた実験にも同様の観察スキームを適用する予定である。これにより、モード遷移に対して、R曲線挙動の整理が可能かどうかを調べる予定である。
また、2021年度には、In-situ観察により、モードⅡ型進展が優位な条件で、き裂ウェイク側での損傷を確認した。これは疲労によるき裂進展抵抗減衰機構が働いたことによるものと推察される。しかしながら、停留挙動も観察された。これらのことと偏向挙動、き裂位置によるモードの混合比の変化から、き裂進展抵抗、いわゆるセラミックス特有のブリッジングについても焼結助剤や結晶の偏向の影響を考察する予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
試験片の入手がコロナ関係で遅れたため、実験に関する計画の順序を年度をまたいで変更した。このため、使用額が当初の予定と異なっているが、基本的な実験は遂行しており、今年度に予定通り使い切る予定である。
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