メゾスケールを考慮した傾斜機能材料の破壊力学

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2100Kにも耐える超高温耐熱材料として熱応力緩和型傾斜機能材料の研究が行われている。そのため、熱応力緩和型傾斜機能材料の最適設計、材料強度、破壊力学の観点から数多くの研究がなされてきたが、マクロの立場からしか取り扱われてこなかった。しかし、傾斜機能材料は、粒子の大きさの違い、局所的な機能のばらつき等が存在するため、ミクロの立場からの解析が必要であるが、取り扱いが困難さのため、ミクロの立場からの研究は行われてこなかったそのため、微視構造を考慮した傾斜機能材料の破壊力学に関する研究を共同で実施し、微視構造が熱応力緩和型傾斜機能材料の最適設計、材料強度に及ぼす影響を明らかにする。本年度は、任意の傾斜組成を有する傾斜機能平板の破壊力学的研究を実施している。即ち、局所的な機能のばらつきを評価する研究として、局所的傾斜組成を有するき裂を持つ傾斜機能平板の理論解析を行っている。局所的な機能のばらつきをマクロの傾斜組成の中に局所的傾斜組成を有する傾斜機能材料とモデル化する。具体的にはき裂の先端近傍に局所的傾斜機能層がある場合を取り扱う。その解析手法として、新しい「局所的傾斜機能層モデル」を提案し、き裂長さに対し、傾斜組成がの変化が大きいき裂先端の応力解析を行い、モデルの妥当性、局所的傾斜組成の影響についての研究を行っている。き裂長さ内で傾斜機能層が変化する場合に対し、き裂面で内の傾斜層の物性値が指数関数的に変化させ、層の界面で物性値が連続するようにした。このモデルを使用して、静定問題、動的問題、熱応力問題を解析した。各種問題に対し数値計算を行い、組成の変化、き裂長さが応力拡大係数に及ぼす影響を明らかにした。その成果の一部は、2007年6月3日-8日に台湾の台北で開かれたSeventh International Congress on Thermal Stressesで表題[Themmal stress intensity factors for a crack in a functionallygraded coating-substrate structUre]で講演を行った。