多結晶金属材料の結晶粒レベルにおける破壊伝播機構の解明に関する研究

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13450407
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 吉成 仁志 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助教授 (20167737)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 金田 重裕 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助手 (90010892) ; 高橋 淳 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助教授 (10222085)
• Keywords: 劈開破壊 / 結晶粒径 / 結晶方位 / 亀裂伝搬経路 / シャルピ試験 / 破面 / 集合組織 / ポップイン挙動

Research Abstract

本研究では、多結晶金属材料である鋼材の劈開破壊伝播現象を2次元シミュレーションにより検討した。シミュレーションの基本原理は、劈開亀裂は結晶粒内の劈開面が割れて伝播していく、割れる条件は各結晶粒の劈開面における最大応力により支配される、という2点である。このような前提に立ち、結晶粒径が一定あるいはランダムに分布する場合、結晶粒の扁平度が変化する場合、弾性および弾塑性の場合の破面の凹凸や伝播経路をシミュレーションにより調べ、シャルピ試験結果と比較検討した。シミュレーションにおいては、FEMによる応力場解析およびCottrell ＆ Riceのキンク亀裂の応力拡大係数解を用いた。また塑性域修正はShihによる多軸応力モードの小規模降伏場の解析を利用した。シミュレーションによれば、結晶粒径は一定の場合よりランダムに分布する場合の方が破面の凹凸が大きくなり、初期亀裂方向と劈開面の法線方向のなす角度の標準偏差が大になるほど真っ直ぐに伝播する傾向が見られた。さらには、弾性より弾塑性の方が破面の凹凸が大になった。これらは傾向的に実験と一致する。集合組織は結晶粒が扁平で結晶方位が確率的に揃っているわけであるが、このような場合は方位がランダムな場合より破面の凹凸が大になる。ポップイン現象についても検討した。靱性の不均一に起因するという従来の考え方ではなく、亀裂がキンクして停止するという考え方でシミュレーションしたところ、扁平度が大なら停止しやすい傾向があることがわかった。しかし、いずれの場合も初期亀裂が大の場合は粒径や扁平度に関係なく亀裂伝播経路はほぼ一定となる。