2021 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 京都大学, 工学研究科, 助教 (70717743)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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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 / パーシステント・ホモロジー / X線CT / 有限要素解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
金属焼結材料は残存気孔が存在し、疲労強度を低下させる．疲労強度向上のためには、気孔が疲労破壊に関わる機構の理解が重要であり、気孔相互の３次元（3D）的な配置の評
価は不可避である．本研究では，X線透過率が比較的高いTi系合金焼結体を対象に、高輝度X線トモグラフィ（CT）を用いて気孔の3D観測を行い，気孔の3Dネットワーク構造を位相解析（パーシステントホモロジー,PH）によって数値化し、気孔配置と疲労強度の関係を定量化することによって、疲労き裂発生をトリガーする3D気孔配置の特定を行うことに挑戦した。
まずは、気孔分布の異なるTi-6%Al-4%V射出成形（MIM）材を試作し、3D-CT測定を行い、得られた気孔配置にPH解析を適用し、3D気孔配置を定量的に表す”気孔配置パラメータ”として，気孔径および隣接気孔間距離を提案した。
次に、繰返応力を付与し、この過程での気孔配置からき裂発生に至る過程の変化を同様の手法で追跡する予定であったが、COVID19による研究活動の停止により、この手法を断念した。代替案として、上記の無負荷時の気孔の３D-CT画像をもとに、有限要素(FEM)解析を行い、弾性ひずみ場における応力分布を求めた。さらに、上記の気孔配置パラメータを用いて、連続気孔配置モデルを想定し、気孔先端での応力拡大係数KIを推定した。このモデルでは、気孔径が大きく、かつ近接気孔間距離が小さいほど大きな KIが得られた。さらに、KIと気孔周縁の応力との相関解析を行った。その結果、最大気孔周縁が最大応力集中点であり、最大気孔先端のKIとFEMから得られた最大応力が良い相関を示すことを確認した。このことより、数十万個の残存気孔の中から、近接気孔を伴う最大気孔に応力が最も集中し、疲労き裂発生箇所となりうることを示すことができ、疲労き裂発生に関わる気孔配置となりうることを示唆した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
研究概要に示した通り、試料に繰返応力を付与し、この過程での気孔配置からき裂発生に至る過程の変化を同様の手法で追跡する予定であったが、COVID19による研究活動の停止により、研究計画の大幅な変更を余儀なくされた。しかしながら、FEM計算の準備（ソフトウェアおよび学生の計算手法習得）に時間を要し、当初３年（H30-R2)の予定を１年（R3)延長した。
R3では、FEM解析を継続し、結果として、上記の代替案で当初目的の疲労き裂発生機構に関わる3D気孔配置の特徴を示すことができた。研究成果は、鉄鋼協会R3秋季講演大会で発表（２件）したが、年度内に学術誌に投稿するに至らなかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
既に、研究成果は２つの投稿論文として執筆中であり、より質の高い学術誌に投稿し、R4内に掲載完了の計画で作業を進めている。研究成果は、日本鉄鋼協会のシーズ研究テーマとして採択され、純Ti積層造形材の破壊機構解析に発展させ、既に昨年度より同様の手法で延性破壊気孔の解析を開始した。
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| Causes of Carryover |
前年度、学術誌に投稿予定であった論文が未投稿となったため。R4年度、論文投稿に必要な、英文添削費用、掲載費用に使用する予定で作業を進める。
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