Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

複合材料 / クリープ / 応力緩和 / 界面拡散 / 粘性すべり / マイクロメカニックス / 内部応力 / 高温材料 / 界面すべり / 金属基複合材料

本課題では、軽量・高剛性・耐熱構造材料として注目されているセラミック粒子強化金属基複合材料(Metal Matrix Composites,MMC)の高温変形挙動(擬弾性、クリープ)に関し、特に強化粒子まわりでの局所的な拡散クリープによる応力緩和の重要性に着目して、理論的・実験的研究を行った。はじめに、多結晶体を対象とした従来の拡散クリープ理論では、拡散と同時に必然的に生ずべき粒界での粘性すべりの効果が定量的には全く把握できないことから、これを考慮した連続体モデルによる一連の解析を行って、粒界すべりによる擬弾性挙動をも包含した新たな拡散クリープ理論を展開した。すなわち、多結晶体における拡散クリープとは、本来、拡散と粘性すべりが同時進行する'連成流れ過程'であり、4要素spring-dashpotモデルに対応する'線形'粘弾性挙動を呈すべきものであること、その'定常'成分の速度係数にも粘性すべりの項が含まれることを定量的に示し、従来の拡散クリープ理論では粘性すべり速度が拡散速度を遥かに上まわることを前提としていること明らかにした。ただし、現実の多くの状況下では上記前提は概ね妥当と考えられる。この点をふまえ、次いで、MMCにおける強化粒子まわりでの拡散クリープがマトリックスの'べき乗則'クリープと連成する問題を扱った。この過程は、一般には数値計算を必要とする非線形微分方程式によって記述されるが、ここでは特に応力指数n=3の'合金型(class l)'クリープ挙動に着目し、内部応力としてマトリックス中に発生する'逆応力'の発展過程に焦点をあてて'非線形'粘弾性挙動を解析的に定式化した。これにより、MMCのクリープは本質的に'非定常'な過程であり、その長時間側の漸近挙動が'定常クリープ'に相当するが、そのクリ-プ速度の負荷応力依存性は、'べき乗則'では記述できないこと、さらに、特に高応力下では強化粒子の破壊や界面剥離などの損傷過程も関与して、実験により求めた'最小クリープ速度'は必ずしも'定常クリープ'を反映せず、'加速クリープ'域でのデータである可能性を指摘した。これを検証すべく行ったSiC粒子強化6061Al合金系MMCに関する実験データはすべて、上述の観点から合理的に解釈できることを示し、従来の'べき乗則'を前提とする解釈ではMMCにおけるクリープの本質が歪曲されると結論した。

走査レーザ測長システム / 高温動的ヤング率 / 内部摩擦 / 複合材料 / 擬弾性 / 耐熱材料 / クリープ / ソ-サレーザ測長システム / 低サイクル疲労 / 熱疲労

本研究では走査レーザビーム(波長670nm)におる"非接触サブミクロン変位計測"を特徴とする新しい多目的高温材料試験システム試作し,その有用性を示すべく,特に新規の高温構造用材料として注目される金属/セラミックス系複合材料を対象として様々な高温試験を実施し,種々の検討を行った.このシステムでは負荷制御のベースユニットとして汎用の油圧サーボ式疲労試験機をそのまま利用し,試験環境は10^<-1>〜10^<-3>Pa程度の真空中とした.まず第1ステップとして,室温〜1100℃での高温試験の実現を目指し,線光源タイプ(レーザビーム透過窓付の4重楕円筒面反射鏡式)赤外線イメージ炉を装着し,ダンベル形丸棒状試験片(ゲージ部の長さ40mm,直径6mm)を標準とする引張-圧縮用試験ジグ(ニッケル基耐熱合金713C製)を設計・製作した.使用した市販のレーザ測長器は常温使用を前提としており,しかも測定精度±3μmがカタログ上での保証値である.そのため本研究では電気的および光学的フィルター等による様々な対策を講じた.その結果,本システムの最も特色とする動的擬弾性/粘弾性試験,すなわち等温条件での低周波(1dHz〜1cHz)単軸周期応力負荷による応力波形(正弦波)と応答ひずみ波形の振幅比および位相差から動的ヤング率と内部摩擦を測定する場合,例えば2μmの変位振幅を測定誤差±0.1μmで計測でき,したがって"非接触サブミクロン変位計測"は実現できたと判断した.さらに室温〜1800℃への温度域拡大を目指した第2ステップでは,試験ジグの耐熱性の制約から点光源タイプ(2重回転楕円面反射鏡式)の赤外線イメージ炉による局部加熱方式を検討したが,真空中での高温加熱に際し,試験片/ジグからの蒸着汚染物によるイメージ炉の赤外線反射効率の著しい低下とレーザビームの透過阻害が問題となり,現状では変位計測可能な温度域は最高1500℃程度にとどまっている.
本システムの具体的な応用として,Al/SiC粒子系およびAl/9Al_2O_3・2B_2O_3ウィスカ系の複合材料について室温〜500℃,Ni/ZrO_2系の複合材料について室温〜800℃の温度域で動的擬弾性/粘弾性試験を実施し,この種の材料にとって重要な高温における動的剛性に関し,多くの有用な実験データを得た.それらの詳細は研究論文として逐次発表予定である.

内部摩擦 / 高温クリープ / 界面剥離 / 剛性率 / ねじり共振 / 複合材料 / tanδ / 転位 / 複合材料内耗 / 内耗 / 界面 / クリープ / セラミックス

高応力下で一定の応力を負荷してクリープ変形あるいは複合材料の界面剥離等を誘起させ、その後の内部摩擦を測定し、界面機能を評価する装置を開発することが目的である。この3年間で、(1):振幅依存性が測定できる高温用チャックの開発、(2):振幅依存性から複合材料の界面剥離現象を把握する、(3):C/C複合材料のデータ収集、(4):本装置の限界の把握、の項目について検討した。その結果、剛性の高いしっかりした内部摩擦測定用掴み具の開発に成功し、(1):1500℃まで、最大振幅2度で270MPaの剪断応力を負荷することが可能となった。また、(2):C/C複合材料のデータ収集を完了し、(3):本装置の限界の把握も終了した。その結果として(4):多結晶マグネシアの高振幅内部摩擦から転位の移動によると思われる内耗のピーク高さが振幅ならびにMgOの粒径に依存することを明らかにし、別個に測定した高温圧縮クリープデータと内耗データの4要素モデルによる対応づけにも成功した。また、MgOの内部摩擦には800℃付近の刃状転位の移動によるピークと、1200℃付近の螺旋転位の移動によるピーク並びに1400℃以上での高温バックグラウンドと呼ばれる部分に分けられ、ピークに関しては、本装置の捻り応力がパイエルス応力を越えた場合に現れることを明らかにした。(5):窒化ケイ素の粒界ガラス層の粘性を内部摩擦のピーク温度から推定することにも成功した。

複合材料 / 傾斜機能材料 / 熱応力緩和 / 微視力学(マイクロメカニックス) / クリ-プ / 繊維強化 / 熱ラチェット変形 / 金属 / セミラックス / 熱応力 / マイクロメカニックス / ウィスカ

本研究は、耐熱構造材料として注目されているセラミックス-金属系多相材料について、セラミックス(主に繊維状または粒状の分散相)と金属(マトリックス相)熱膨張係数差に起因する熱応力の効果に着目し、微視力学的な観点から、高温変形および破壊の機構を明らかにしようとしたものである。特に、繰り返し加熱・冷却によって生じるラチェット変形(熱サイクル超塑性)に焦点をあてて、理論的および実験的な研究を行った。
はじめに微視力学解析のための基本ツ-ルとして、“平均場近似"を取り入れた“等価介在物法"によって、粒子間相互作用を考慮した多相系不均質固体の応力・歪解析法を定式化した。その際、個々の分散相は、所定の方向に配向した多数の楕円体粒子のランダム分布集合体として扱われている。このモデルは様々なミクロ組織を有する多相系に適用できる。例として、Sic/Al系の弾性定数および熱膨張係数を数値計算により求め、Sic粒子の形状・配向効果を具体的に示した。また、粒子と、マトリックスの界面が剥離状態にある場合の取り扱いについても検討し、界面剥離に伴う引張ヤング率と圧縮ヤング率の違いを定量的に示した。
上記の微視力学モデルに基づいて、粒子/マトリックス間の“ミスフィット歪"による内部応力の緩和機構を考察し、界面近傍で生じる物質移動(拡散)に支配される多相系の等温クリ-プ構成式を、遷移域および定常域についてそれぞれ導いた。特に定常域ではビンガム流体となり、マトリックスの降伏応力と粒子体積率の積が変形応力の“しきい値"となる。これについては、Al_3Ni/Al系の等温クリ-プ実験による検証した。この結果を踏まえ、さらに加熱・冷却過程を含む熱サイクル条件下での定応力クリ-プ変形を考察し、またSic/Al系について実験を行って、熱サイクル超塑性が現れる条件、変形の負荷応力依存性等を明らかにした。

【研究分担者】
塚本英明	東京工業大学	精密工学研究所	助手	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
赤津隆	東京工業大学	工業材料研究所	助手	(Kakenデータベース)
田邉靖博 (田辺靖博	田邊靖博)	東京工業大学	工業材料研究所	助教授	(Kakenデータベース)
逆井基次	豊橋技術科学大学	工学部	教授	(Kakenデータベース)