2022 Fiscal Year Annual Research 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 / 弾性FEM |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度までに原料粉末粒径およびの焼結条件を変えて試作された焼結Ti64-射出成形・焼結材の疲労強度を評価し、結晶粒径、気孔率および気孔形態が疲労限に影響することを確認した。しかし、それぞれの影響因子を分離して評価することが課題となっていた。
最終年度は、結晶粒径の影響を分離し、気孔形態が疲労限に及ぼす影響を評価することを目的とした。まず、HIP処理によって気孔を消尽させたTi64MIM焼結材の疲労限（先行研究）に着目した。すなわち、同じ結晶粒径を有するHIP材の疲労限に対する焼結材の疲労限の比RFを導入し、結晶粒径の影響を分離した指標として導入した。さらに、高輝度X線CTによって可視化された三次元(3D)気孔像に、０次のパーシステント・ホモロジー(PH)を適用することよって、全ての気孔の気孔径と隣接気孔間有効距離（ξ）を数値化した。また、CT像をもとに弾性FEMにより応力分布を同定した。その結果、最大気孔周縁において引張応力方向の法線応力が最大となり、降伏強度を超えることを確認した。そこで、最大気孔を切欠きとみなし、各試料の最大気孔近傍での応力拡大係数KI-maxと応力特異領域(SSF)を求め、RFとの相関を解析した。その結果、顕著な負の相関を確認し、Murakami-Endoモデルに合致する結果となった。以上より、最大気孔への応力集中による疲労初期き裂の形成が示唆された。また、最大気孔のξがSSFより短い場合に限り、疲労破面き裂起点付近の劈開面に複数の気孔が存在し、隣接気孔の応力干渉の初期き裂進展への関与も確認された。
本研究課題を通し、焼結金属材料内部の気孔が疲労き裂進展に果たす役割が解明された。また、多孔質材料の破壊機構解析において、CT観測による気孔の3D可視化、これを利用したFEM解析およびPHによる気孔形態の数値化の有用性が示され、国際誌に掲載された。
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Research Products
(4 results)
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[Presentation] Understanding the effect of process parameters on three-dimensional pore configurations and mechanical properties of laser additive manufactured Ti using synchrotron X-ray computed tomography and homology2023
Author(s)
Y. Shigeta, A. Masatoshi, K. Kudo, K. Shinagawa, N.Nomura, K. Kondoh, M.Hoshino, K.Uesugi, Y. Ozaki
Organizer
The International Conference on Sintering 2023, Gifu, Japan
Int'l Joint Research / Invited
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