2019 Fiscal Year Research-status Report
Topological analysis of 3D pore distribution in sintered metals-Elucidation of a fatigue failure process of porous materials.
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18K04779
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
尾崎 由紀子 九州大学, 工学研究院, 教授 (20637946)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
品川 一成 九州大学, 工学研究院, 教授 (30215983)
平山 恭介 九州大学, 工学研究院, 助教 (70717743)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 焼結金属 / 金属射出成形 / Ti合金 / 疲労破壊機構 / ３次元気孔配置 / 位相解析 / パーシステント / X線CT |
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| Outline of Annual Research Achievements |
自動車部品を中心に機械部品として広く利用されている焼結金属製品は，原料粉末粒子間の隙間に起因する気孔が残存し，疲労強度低下の要因とされてきた．疲労強度への気孔の影響に関する多くの研究例があるが，破面の気孔形態の観測あるいは試料切断面の気孔サイズの統計解析といった２次元（2D）構造の評価が中心であった．しかし，真の疲労破壊現象の理解には，気孔相互の３次元（3D）的な位置関係（ネットワーク構造）の評価は不可避である．そこで本研究では，X線トモグラフィ（CT）を用いて繰り返し応力下での気孔の3D観測を行い，気孔のトポロジカルなネットワーク構造を厳密な数学（パーシステントホモロジー）の解として数値化する．この値をキーパラメータとして，破壊時の気孔構造変化を直接的に評価することが可能となる．本研究は、繰り返し応力が負荷された金属焼結体の内部構造の経時変化をX線CTによって３次元(３D)観測し、初期亀裂の発生・伝播に関わる気孔配置の変化をパーシステントホモロジー（PH)解析し、金属焼結材料の疲労破壊機構の解明を目的とする。
本年度までに、気孔分布の異なるTi-6%Al-4%V射出成形（MIM）材を試作し、疲労試験機によって弾性領域での繰り返し応力を加えつつ、途中高輝度X線C T測定を行い、3D内部構造の観測を行ったが、疲労試験機のトラブルにより、応力負荷による内部構造の経時変化の観測はできずに終わった。一方、無付加での3D画像をもとに気孔配置のP H解析を行い、気孔配置の違いをパーシステント図上で確認することができた。今後は、無付加時の３D画像をもとに、仮想的なひずみ場における気孔配置について有限要素法とP H解析を組み合わせた計算機実験を行い、亀裂発生を促す気孔配置を特定する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
実験計画に従い、実験を実施し、以下の結果を得たが、応力負荷装置（小型疲労試験機）の問題により試料内部での疲労亀裂の発生は観察ができなかった。さらに、R2年度は、COVID-19対策によって放射光施設の利用の大幅な制限が予想される。そこで、目的の結果を得るための手法を再検討し、今年度得られた結果をもとに、計算機実験による解析を中心とした研究に計画を変更予定である（今後の研究の推進方策参照）。
1) Ti-6%Al-4%V 粉末を原料として、M I Mにより原料粉末粒度および焼結条件が異なる３種類の焼結体を試作し、高輝度X線C T測定用の小型試験片を用いて疲労試験を実施し、S-N曲線を得た。この結果をもとにSPring-8 BL20XUにて、X線CT観察を実施し、小型疲労試験機により弾性域において応力比0.1で繰り返し応力を試料に付加し、繰り返し数0, 5,000、20,000、40,000、70,000回においてX線CT観測を実施した。無負荷では良好なCT画像が得られたものの、小型疲労試験機の不具合により、繰り返し負荷の荷重とサイクルが一定せず、C T画像中に疲労亀裂は確認できずに終わった。
2) 無負荷時のCT画像について、PH解析を実施。その結果、原料粉末粒度、および焼結条件によってパーシステント図に大きな差異を認め、原料および焼結条件によって焼結体内部の気孔の局所配置の差異の解析にP Hが有効であることを確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
R１年度実施計画にもとづき、繰り返し応力負荷時の焼結金属内部の経時変化をX線C T
により確認できずに終わった。さらに、最終年度であるR２年度はCOVID-19の影響でSPring-8の利用は困難な状況である（R１年4月現在、一般利用は中止）。これらの難局を受け、研究計画を下記の通り大幅に変更し、計算機実験にもとづく検討を行い、初期疲労亀裂発生を予言する気孔配置の特定を目指す。
１）無付加時の3D-CT画像に仮想的に引張応力を付加して弾性変形させ、有限要素法によって応力集中箇所に特有な気孔配置の抽出を行う。
２）無付加時と仮想的に５段階で弾性変形させた試料内部の気孔配置についてそれぞれパーシステント図を作成し、パーシステント図内の領域ごとの点群分布とひずみ量の回帰を計算し、回帰係数の高い領域を特定する。この領域の点群を位相空間中に逆変換し、ひずみに敏感な気孔配置として特定する。
３）１および２で得られた結果を照合し、ひずみに敏感な気孔配置と応力集中領域を関係づける。
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| Causes of Carryover |
当初予定していた実験が、疲労試験機の不具合によって実験が中断。COVID-19の状況から実験継続困難と判断し、計算機実験に計画を変更するため、以下の執行を予定。
（概算）物品費 10万円
投稿費用 20万円
数値解析ソフト 60万円
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Research Products
(4 results)
