2015 Fiscal Year Annual Research Report
ナノ結晶組織制御した微小構造体の疲労強度設計法の開発
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15H03896
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| Research Institution | Meijo University |
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Principal Investigator |
田中 啓介 名城大学, 理工学部, 教授 (80026244)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
來海 博央 名城大学, 理工学部, 教授 (30324453)
清水 憲一 名城大学, 理工学部, 准教授 (50294434)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 機械材料・材料力学 / 疲労 / 破壊力学 / 薄膜 / ナノ結晶 / き裂進展 / 結晶粒径依存性 / 微小構造体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１． UV-LIGAプロセスにより種々の応力集中率を有するマイクロ部品設計のためのモデル切欠き試験片を製作し、疲労特性を評価した。超微細結晶UFC (粒径約300nm)に関する研究を行い、き裂発生寿命とき裂進展寿命の分離を行った。き裂進展寿命はパリス則による寿命計算により予測可能であった。一方、き裂発生寿命については点応力モデルを適用して強度評価を行った。
2．微小欠陥によるナノ結晶薄膜の疲労強度低下のモデル化 ナノ結晶NC (粒径約10nm)の薄膜試験片を創製し、そこに寸法が8，20，50ミクロンの微小欠陥を集束イオンビーム（FIB）により導入した。これらの微小欠陥による疲労強度低下を、応力段階上昇法により定量化に評価することが可能となった。欠陥寸法による疲労限度の低下を仮想き裂モデルで予測することができた。
3．SEM内部での疲労試験システムを構築した．その結果，SEMおよびEBSD により疲労き裂発生部および疲労き裂先端近傍の負荷・除荷サイクルでのその場観察を高精度に行うことを可能となった。
4. 電着を条件制御した状態で長時間継続することにより、超微細結晶UFCおよびナノ結晶NC の均一なバルク平板（板厚2mm、板幅70mm、長さ100mm 程度）を創製した。ついで、このバルク平板から放電加工によって切り出した試験片を用いて、疲労き裂の発生および進展の微視過程の高精度観察を行い、疲労き裂進展機構を検討した。
5．多層薄膜の結晶変形と疲労機構のモデリングのために，電着法で作成したNC単層膜、UFC単層膜について結晶構造および方位分布をX線、EBSDおよびSIM観察で求めた。これをもとに多結晶薄膜のモデルを作成し、薄膜の弾性定数、多結晶中の各結晶の応力分布を、結晶異方性を考慮して検討した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
1．UV-LIGAプロセスによる切欠き試験片の製作と特性評価に関しては、UV-LIGAプロセスにより種々の応力集中率を有するマイクロ部品設計のためのモデル切欠き試験片を製作することに成功し、実験手法が確立できた。さらに、き裂進展寿命およびき裂発生寿命の予測法の指針を決定した。
2．微小欠陥によるナノ結晶薄膜の疲労強度低下のモデル化に関しては、微小欠陥を集束イオンビーム（FIB）により導入することができ、これらの微小欠陥による疲労強度低下を、応力段階上昇法を用いることによって少ない試験片で定量化に迅速に評価する手法が確立できた。
3．SEMによる微視的その場観察に関して、SEM内部での疲労試験システムを構築したが、初期には超音波モータ、エンコーダがオンのときに発生するノイズにより、鮮明な像の取得が困難であった。ノイズ対策を種々試み、最終的には十分に観察に耐える状況になった。
4. ニッケルナノ結晶バルクの創製と疲労特性評価に関して、電着を条件制御した状態で長時間継続することにより、超微細結晶UFCおよびナノ結晶NC の均一なバルク平板を創製することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．UV-LIGAプロセスによるマイクロ部品の製作と特性評価に関しては、UV-LIGAプロセスにより種々の応力集中率を有するモデル切欠き試験片を製作し、疲労特性を評価する。超微細結晶UFCに関する研究を展開し、ナノ結晶NCについて行い結晶粒径による差異を抽出する。さらに、多層膜へと展開し、多層薄膜の結晶変形と疲労のモデリングを行う。
2．マイクロ欠陥による薄膜の疲労強度低下のモデル化に関しては、集束イオンビーム（FIB）によりマイクロサイズのスリットを導入し、マイクロ切欠きによる疲労寿命低下の予測手法を、種々の結晶粒径の薄膜に適用することから、結晶粒径制御による強度設計の基準の構築を進める。
3．SEMおよびEBSDによる微視的その場観察に関しては、SEM内部での疲労試験システムを使用可能となったので、疲労き裂発生部およびき裂先端近傍について、負荷・除荷サイクルでの微視的観察を行い、結晶粒径が疲労微視機構および下限界特性に及ぼす影響を明らかにする。
4．ニッケルナノ結晶バルクの創製と疲労特性評価に関しては、電着を条件制御した状態で長時間継続することにより、均一なバルク平板の創製が可能となったので、このバルク平板から放電加工によって切り出し、微小構造体の疲労強度設計において基礎となる寿命曲線を取得する。さらに、疲労き裂の発生および進展の微視過程の高精度観察を行って、疲労機構を検討する。
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Research Products
(6 results)
