焼結傾斜機能材料の靭性向上のための微視組織制御

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前年度までの研究により、金属/酸化物系焼結傾斜機能材料の高温度落差場における靭性の向上に対して、金属相のネットワ-ク形成が重要な役割を果しており、とくにそれを助長する金属繊維の混合が効果的であることが明らかにした。本研究では、組織制御による靭性向上効果をさらに追及する目的で、炭化けい素一窒化けい素系セラミックスアロイと金属モリブデンの組合せによる傾斜機能材料について、組織学的および破壊力学的検討を行った。また、得られた結果にもとづいて、十分な靭性を有する耐熱傾斜機能材料の試作を行った。セラミックスに富む組成側の強度は組識の微細さに依存し、一方、靭性は炭化けい素と窒化けい素の固溶の程度および2相混合組織における分散状態に依存することがわかった。さらに、強度および靭性はともに分散相と基地弾性率および熱膨張係数の差に由来する残留熱応力により向上することを明らかにした。もう一つの成果は、上記傾斜機能材料の高温度落差場試験による熱機械的挙動の解明である。微視組織制御条件を考慮して作製した円盤状の金属/セラミックス系傾斜機能材料をH_2/O_2 混合ガス炎加熱法による高温度落差場試験に供し、傾斜組成および組織制御条件と破壊き裂の発生とその伝播の関係を検討した。温度落差は最大1000Kに達し、き裂は表面に垂直な縦亀裂であり、冷却過程で発生する。有限要素法を用いて高温度落差場試験の加熱および冷却過程における熱応力の発生を計算したところ、加熱時にセラミックス表面に、 非弾性変形を生起させるに十分な圧縮応力が発生し、冷却時にセラミックスの破壊強度を越える2軸引張り応力が発生することがわかった。そのためセラミックス表面に縦き裂が発生したものと推定された。全般的に微視組織制御による延性/脆性遷移温度の増大化およびき裂伝播のためのエネルギ-の増大化が重要であることが認識された。