画像処理を援用したレーザースペックル法による先進複合材料の疲労き裂発生機構の解明

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画像処理を援用したレーザースペックル法を用いて、粒子強化複合材料の疲労き裂発生挙動の詳細観察を行った。供試材料としては、強化粒子としてSiC、Siの2種類を選び、母材金属としてはアルミニウム合金を用い、溶湯鍛造法および粉末冶金法により製造したものを用いた。溶湯鍛造法による複合材料では、比較的大きなSiC粒子が存在し疲労き裂は界面割れを起点として比較的初期に発生するため、疲労強度も低下する。それに対し粉末冶金法による複合材料では、き裂は母材とSiC粒子の界面近傍で発生するものの界面が割れることはなく、母材中のすべりにより発生することから疲労強度は母材に比較して特に低下することはない。き裂の進展は、前者の材料では小数の主き裂が成長するのに対し、後者では主としてき裂先端繰返し塑性域内に発生する微視き裂との合体により進展する結果、巨視的には荷重軸直角方向に進展するが、微視的にはジグザグを繰返し進展する。また、疲労き裂がSiC粒子にぶつかる場合、通常はSiC粒子の界面にそって進展するため、多くの微視的な屈曲をもたらしき裂進展抵抗を高める。さらに、き裂発生応力が高いため、微小き裂の進展下限界値の減少も小さいことなどを明らかにした。以上の結果、強化粒子を十分小さくし、均一に分布させた粒子分散型粉末冶金金属基複合材料は耐磨耗性のみでなく耐疲労強度材としても十分実用に耐えることがわかった。なお本研究では、走査電子顕微鏡観察画像の直接取込みと画像処理によりき裂進展長さ、き裂開口変位ならびにき裂先端近傍の変形場の定量的解析をも可能とした。さらに画像処理技術を用い、き裂発生起点となる介在物あるいは分散粒子寸法分布の計測とその極値統計解析から、実部材寸法における疲労強度推定法を提案した。