ナノ界面の疲労損傷と破壊

纳米界面的疲劳损伤和断裂

• 批准号: 21226005
• 负责人: 北村 隆行
• 金额: $ 139.61万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• 财政年份: 2009
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2009-05-11 至 2014-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21226005/
• 关键词: ナノ界面; 疲労; 破壊; 損傷; 転位; 界面端; ナノ材料; ナノメカニクス

機械構造物は、静的破壊荷重よりも小さい繰り返し荷重で破壊する疲労が大きな問題となっている。しかし、バルク材料の疲労破壊の原因となる疲労転位構造のスケールは数ミクロンオーダーであり、それより小さいナノ構造体の内部にこの転位構造が形成することは不可能である。本研究では、ナノ構造体中の異材界面近傍での疲労損傷・破壊現象を実験・力学解析によって明らかにすることを目的としている。今年度の成果は以下のようにまとめることができる。(1)共振による両振り高サイクル疲労試験を寸法の異なる試験片に適用した。試験片寸法が小さくなると、疲労組織である突き出し/入り込みの形成応力が増加することを見いだした。突き出し/入り込みの幅は試験片寸法の減少とともに小さくなるが、それを構成する板状構造の厚さは約20 nmのまま変わらないことを明らかにした。本結果は、寸法に依存せず約1μm幅の突き出し/入り込みが発生するマクロ材の挙動と異なる。(2)透過型電子顕微鏡観察の結果、試験片内部に明確な疲労転位組織は観察されなかった。表面積の大きいナノ～サブミクロン寸法の試験片では、活動転位は自由表面より容易に外部へ抜けだし、疲労転位構造は形成されないものと結論づけた。(3) プロジェクトの成果をもとに、ナノ構造体の疲労に関して企業との共同研究を開始した。対象は金属ナノ要素が集合した構造体であり、実用に必要な繰り返し数では、ナノ要素特有の性質に起因して疲労破壊しないことを示した。数年後の実製品への適用を計画しており、現在、関連した一件の特許出願を準備している。(4)本研究の将来発展を考慮して、応力分布が単純且つ力学検討が容易な引張負荷試験手法を開発した。これと合わせて、高温疲労試験法についても研究した。本手法では、試験片形状、寸法および結晶方位の制御が可能であり、高温疲労だけでなく環境疲労等への展開を行うことが出来る。

Mechanical structure は, static load on broken 壊 よ り も small さ い Qiao り return し load で broken 壊 す る exhausted 労 が big き な problem と な っ て い る. し か し, バ ル ク material の exhausted 労 broken 壊 の reason と な る exhausted 労 planning a tectonic の ス ケ ー ル は number ミ ク ロ ン オ ー ダ ー で あ り, そ れ よ り small さ い ナ ノ constructs の internal に こ の planning structure が forming す る こ と は impossible で あ る. In this study で は, ナ ノ constructs の interface of different materials nearly alongside で の exhausted 労 phenomenon of damage, broken 壊 を be 験, mechanical analytical に よ っ て Ming ら か に す る こ と を purpose と し て い る. The <s:1> achievements of this year とがで are as follows: ようにまとめる ようにまとめる とがで る る る. (1) Resonance による, liang zhen, olgao サ, サ, <s:1>, fatigue, labor, を, cun method, <s:1>, difference, なる, に, applicable た, た. Method of test piece inch が small さ く な る と 労 organization and で あ る tu き し / into り 込 み の form 応 が raised す / る こ と を see い だ し た. Tu き し / into り 込 み の picture は の test piece "method to reduce と と も に small さ く な る が, そ れ を constitute す る thick plate tectonic の さ は about 20 nm の ま ま - わ ら な い こ と を Ming ら か に し た. The results of this study show that に and the inch method に depend on せず about 1μm of the nucleus process to <s:1> exit 挙 / enter <s:1> 込みが, resulting in する 挙 ロ ロ ロ material 挙 挙 と changes なる. (2) Through the electron 顕 microscope 観 to examine the results of the <s:1>, the internal に of the test piece to clearly identify the な weak labor 転 tissue, and the 観 観 to examine the されな 観 った. Large surface area の き い ナ ノ ~ サ ブ ミ ク ロ ン inch method の test piece で は, activity planning は free surface よ り easy に external へ sorting け だ し 労 and planning a tectonic は form さ れ な い も の と conclusion づ け た. (3) プ ロ ジ ェ ク ト の results を も と に, ナ ノ constructs の exhausted 労 に masato し て enterprise と の joint research を began し た. Elements like は seaborne metal ナ ノ が collection し た constructs で あ り, be necessary な に Qiao り return し number で は, ナ ノ nature of element characteristic の に cause し て exhausted 労 broken 壊 し な い こ と を shown し た. A few years later, the <s:1> actual product へ <e:1> will be applicable to the を project <s:1> てお <e:1> <e:1>, and now, related to <s:1> た one <s:1> license offer を to prepare て て る る る. (4) this study の 発 exhibition future を consider し て, 応 force distribution が 単 pure and beg が easy な 検 つ mechanics led load test technique を open 発 し た. <s:1> れと combined with わせて and high-temperature exhausting labor experiment method に て て research on <s:1> た. This technique で は, test piece shape, inch お よ び crystal orientation の suppression が may で あ り, high temperature fatigue 労 だ け で な く environment exhausted 労 へ の line launched を う こ と が る.

项目成果

Cohesive Zone Model Applied to Creep Crack Initiation at an Interface Edge between Submicron Thick Films

• DOI: 10.1177/1056789509103651
• 发表时间: 2010-04
• 期刊: International Journal of Damage Mechanics
• 影响因子: 4.2
• 作者: Do Van Truong;T. Kitamura

Unusual domain evolution in semiconducting ferroelectrics: A phase field study

• DOI: 10.1016/j.physleta.2013.04.044
• 发表时间: 2013-10
• 期刊: Physics Letters A
• 影响因子: 2.6
• 作者: Jie Wang;Zheng Chen;T. Shimada;T. Kitamura

Nanowires (Chapter 18)

纳米线（第 18 章）

• 发表时间: 2010
• 作者: Takahiro Shimada;ほか
• 通讯作者: ほか

Multi-physics analysis of nano-structured ferroelectrics by first-principles simulations

通过第一性原理模拟对纳米结构铁电体进行多物理分析

• DOI: 10.1007/s00707-013-0873-7
• 发表时间: 2013
• 期刊: Acta Mechanica
• 影响因子: 2.7
• 作者: Yuika Saito;Mitsuhiro Honda;Koichi Watanabe;Atsushi Taguchi;Song Yijiang;Satoshi Kawata,;Takahiro Shimada
• 通讯作者: Takahiro Shimada

Governing Mechanical Factor on Interface Crack Initiation in Nanometer-Scale Components

纳米级元件中界面裂纹萌生的控制机械因素

• 发表时间: 2010
• 作者: Ikeda;S.;Kakinuma;Y.;Takashi Sumigawa
• 通讯作者: Takashi Sumigawa