先進セラミックスの実働荷重における疲労損傷加速現像のナノメカニズム的研究

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セラミックス材料である窒化ケイ素を用いて,変動荷重下における疲労き裂進展試験を行い,徐荷弾性コンプライアンス法によって巨視的なき裂進展速度とき裂開閉口挙動を調べた.特に最大荷重値をそろえて過大荷重比も固定し,頻度比のみを変化させた試験を行うことで,き裂進展に及ぼす頻度比の影響について検討した.その結果,変動荷重下のき裂進展速度は一定振幅荷重下に比較して加速すること,加速の程度は頻度比が小さいほど顕著であることを明らかにした.これは過大荷重負荷によってインターロッキングの破砕が促進され,開口点が上昇するために加速が生じると考えられる.また頻度比が小さいほど,1ブロック中の開口点が低くなるために加速は顕著となる.さらに,CT試験片に荷重を負荷したままき裂先端近傍を電子顕微鏡(SEM)により観察することが可能なジグにより,疲労き裂進展経路の詳細観察とき裂開口変位(COD)の計測を行った.その結果,一定振幅荷重下だけでなく変動荷重下においても疲労き裂は結晶粒界を進展するため,結晶粒がき裂上下面を橋渡しするいわゆるインターロッキングを確認することが出来た.また,インターロッキング部のかみ合部分の前後において,CODの変化が認められ,インターロッキングがき裂開口荷重を分担するためにき裂先端における真の応力拡大係数(K_<tip>)を減少させていることが判明した.また,き裂進展経路の微視的SEM観察から得られるき裂進展速度は,除荷弾性コンプライアンス法から求められる巨視的き裂進展速度と必ずしも一致せず,き裂進展機構解明のためには,本研究のような微視的な経路観察が有効であることを示した.一方,過大荷重負荷後のCODは減少しており,過大荷重がインターロッキングの摩耗,破砕を促進し,き裂進展速度を加速させることが判明した.