板状傾斜機能材料の非弾性変形挙動の解析

熱応力の緩和を目的とした傾斜機能材料(FGM)の変形挙動を明らかにするために,球形第2相粒子を分散させた板状傾斜機能材料のモデルを拡張し,構成相である母相(金属相)と第2相粒子(セラミックス相)の降伏・ひずみ硬化特性およびクリープ変形を考慮した解析手法を開発した.この解析法を用いて,FGMの変形挙動に及ぼす各相の機械的性質(ヤング率,非弾性変形挙動等),第2相粒子の分布形状等の影響を検討した.その結果を以下に示す.ただし,ここでは力学的条件として面外変形を拘束し,母相側表面を冷却,第2相側表面に加熱・冷却の熱負荷を与えた場合を想定する.A)冷却側(金属相リッチな領域)の応力状態加熱時に引張応力が作用する.この応力は母相のヤング率が小さいほど軽減されるが,最も影響を及ぼす因子は母相の降伏・ひずみ硬化挙動である.即ち,降伏強度が低い材料ほど応力を緩和することができ,冷却時に生じる圧縮応力も再降伏によって軽減できる.B)加熱側(セラミックス相リッチな領域)の応力状態加熱時に圧縮応力が作用する.この応力を軽減させるためには,1)ヤング率の小さい第2相,2)熱膨張率の大きい母相,3)母相の割合が多くなる第2相分布形状,等を用いることが有効である.しかし第2相の非弾性挙動による応力緩和は注意すべきである.脆性的なセラミックスでも高温に長時間曝されるとクリープ変形し応力緩和を生じる.このとき生じたクリープひずみは冷却過程で加熱側に引張応力を発生させ,セラミックス表面から縦割れを引き起こす原因となる.したがって微細な粒径を用いることはクリープ変形や超塑性変形を考慮すると有効とは言えない.FGMを設計する際,セラミックスの強度と非弾性変形挙動のバランスから粒径の大きさを考慮する必要がある.※研究成果は,現在投稿準備中である.

熱応力の緩和を目的とした傾斜機能材料(FGM)の変形挙動を明らかにするために,球形第2相粒子を分散させた板状傾斜機能材料のモデルを拡張し,構成相である母相(金属相)と第2相粒子(セラミックス相)の降伏・ひずみ硬化特性およびクリープ変形を考慮した解析手法を開発した.この解析法を用いて,FGMの変形挙動に及ぼす各相の機械的性質(ヤング率,非弾性変形挙動等),第2相粒子の分布形状等の影響を検討した.その結果を以下に示す.ただし,ここでは力学的条件として面外変形を拘束し,母相側表面を冷却,第2相側表面に加熱・冷却の熱負荷を与えた場合を想定する.A)冷却側(金属相リッチな領域)の応力状態加熱時に引張応力が作用する.この応力は母相のヤング率が小さいほど軽減されるが,最も影響を及ぼす因子は母相の降伏・ひずみ硬化挙動である.即ち,降伏強度が低い材料ほど応力を緩和することができ,冷却時に生じる圧縮応力も再降伏によって軽減できる.B)加熱側(セラミックス相リッチな領域)の応力状態加熱時に圧縮応力が作用する.この応力を軽減させるためには,1)ヤング率の小さい第2相,2)熱膨張率の大きい母相,3)母相の割合が多くなる第2相分布形状,等を用いることが有効である.しかし第2相の非弾性挙動による応力緩和は注意すべきである.脆性的なセラミックスでも高温に長時間曝されるとクリープ変形し応力緩和を生じる.このとき生じたクリープひずみは冷却過程で加熱側に引張応力を発生させ,セラミックス表面から縦割れを引き起こす原因となる.したがって微細な粒径を用いることはクリープ変形や超塑性変形を考慮すると有効とは言えない.FGMを設計する際,セラミックスの強度と非弾性変形挙動のバランスから粒径の大きさを考慮する必要がある.※研究成果は,現在投稿準備中である.