セラミックス/金属接合材の疲労破壊プロセスと疲労強度評価手法の提案

高温環境下での高強度特性を有する高温構造用セラミックスは、優れた高温特性の反面、靱性が低く、セラミックス単体での構造物の構築は極めて困難である。しかし、ガスタービンのような構造用材料として使用されるセラミックス/金属接合材は、熱サイクル・繰返し疲労・応力腐蝕割れ・クリープなどの耐久性に対する信頼性を保証することが極めて重要である。特に、銅などの軟金属を中間層に用いるセラミックス/金属接合材料では、中間層の塑性変形によりセラミックスと金属の材料定数の差を吸収しているため、繰返し荷重による疲労・クリープ特性の把握とその破壊プロセスの解明は重要である。そこで本研究では、セラミックス/金属接合構造物の疲労強度評価手法の提案を行うことを目的として、セラミックス/金属接合材料(銅を中間層とした窒化珪素(Si_3N_4)/オーステナイト系ステンレス鋼)を用いて、曲げ疲労試験を実施し、以下のような結論を得た。1.SEMおよびEPMAで観察した結果、静的曲げと異なり、疲労曲げの破壊起点は中間層であることを明らかにした。2.繰り返し疲労の弾塑性有限要素解析を実施し、繰り返し負荷による相当塑性ひずみがセラミックス界面近傍に集中することから、セラミックス側の接合残留応力が緩和され、中間層が疲労破壊の起点となることを明らかにした。さらに、繰り返しによる接合残留応力の緩和によって静的強度が向上するすることを明らかにした。

高温環境下での高強度特性を有する高温構造用セラミックスは、優れた高温特性の反面、靱性が低く、セラミックス単体での構造物の構築は極めて困難である。しかし、ガスタービンのような構造用材料として使用されるセラミックス/金属接合材は、熱サイクル・繰返し疲労・応力腐蝕割れ・クリープなどの耐久性に対する信頼性を保証することが極めて重要である。特に、銅などの軟金属を中間層に用いるセラミックス/金属接合材料では、中間層の塑性変形によりセラミックスと金属の材料定数の差を吸収しているため、繰返し荷重による疲労・クリープ特性の把握とその破壊プロセスの解明は重要である。そこで本研究では、セラミックス/金属接合構造物の疲労強度評価手法の提案を行うことを目的として、セラミックス/金属接合材料(銅を中間層とした窒化珪素(Si_3N_4)/オーステナイト系ステンレス鋼)を用いて、曲げ疲労試験を実施し、以下のような結論を得た。1.SEMおよびEPMAで観察した結果、静的曲げと異なり、疲労曲げの破壊起点は中間層であることを明らかにした。2.繰り返し疲労の弾塑性有限要素解析を実施し、繰り返し負荷による相当塑性ひずみがセラミックス界面近傍に集中することから、セラミックス側の接合残留応力が緩和され、中間層が疲労破壊の起点となることを明らかにした。さらに、繰り返しによる接合残留応力の緩和によって静的強度が向上するすることを明らかにした。