一方向凝固セラミック共晶複合材料の1600-2000Kでの破壊メカニズム

1600-2000K定向凝固陶瓷共晶复合材料的断裂机理

基本信息

批准号：
05F05367
负责人：
落合庄治郎
金额：
$ 1.54万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2007
项目状态：
已结题

项目摘要

超高温材料研究センターでブリッジマン法により作製された一方向凝固アルミナ/YAG複合材料を用いて、1600-2000Kの高温での力学試験(主として圧縮試験)を、アルゴン雰囲気中、種々の変形ひずみ速度で行うとともに、非破壊試験法であるX線回折法により残留応力を測定した。併せて、インデンテーション試験により構成相の破壊靱性を求め、それより残留応力を求め、X線回折結果と比較検討した。さらに上記結果を実組織からメッシュを作製した有限要素法応力解析に基づく数値モデルにより再現・定量化を試みた。主な結果は以下のように要約される。(1)1600-2000Kの超高温域での変形応力は温度が高いほど、ひずみ速度が低いほど変形応力は低くなる特徴について、有限要素法解析により定量的に再現することに成功した。(2)上記実験結果について,等応力モデルおよび等ひずみモデルを適用して、実測値はこの間に位置していることを示し、さらに応力およびひずみ速度のアルミナおよびYAG内の有限要素法による応力およびひずみ速度分布計算結果から、微細組織の等ひずみおよび等応力モデルからの偏奇が、本材料の変形応力を凝固方向に平行な場合は下げ、垂直な場合は上げることを初めて定量的に示した。(3)X線回折実験結果から、溶融状態からの冷却過程で発生する複合材中のYAGの残留応力の平均値は、室温では凝固方向に平行および垂直な面で-220MPaおよび-160MPaであることを明らかにした。(4)次いで残留応力発生過程の有限要素法応力解析を行い、アルミナのクリープ温度以下で残留応力が集積されることを明らかにし、実験結果の再現に成功した。(5)YAGおよびアルミナ中の残留分布が均一ではなく両相の幾何学的関係によって位置により異なる不均一分布であることを、多数の幾何学的配置が異なるモデルを使って有限要素解析から明らかにした。

采用超高温材料研究中心采用布里奇曼法制备的单向凝固氧化铝/YAG复合材料，在氩气气氛下进行了1600-2000K高温下不同变形应变率下的力学试验（主要是压缩试验）。此外，使用X射线衍射（一种无损检测方法）测量残余应力。另外，通过压痕试验求出构成相的断裂韧性，由此求出残余应力，并与X射线衍射结果进行比较。此外，我们尝试使用基于有限元应力分析的数值模型来重现和量化上述结果，该模型使用由真实组织创建的网格。主要结果总结如下。 (1)利用有限元法分析，成功定量再现了1600-2000K超高温范围内变形应力随温度升高、应变速率降低而降低的特性。（2）针对上述实验结果，应用等应力模型和等应变模型，表明实际测量值位于这两者之间，并且通过有限元法确定了应力和应变率从应变率分布计算结果来看，我们首次定量地证明了微观结构等应变和等应力模型的偏差降低了该材料在平行于凝固方向时的变形应力，当垂直于凝固方向时增加。 (3)从X射线衍射实验结果来看，复合材料中YAG从熔融状态冷却过程中产生的残余应力在室温下平行和平面内的平均值分别为-220 MPa和-160 MPa。垂直于凝固方向表明。 (4)接下来，我们对残余应力产生过程进行了有限元应力分析，发现残余应力在氧化铝的蠕变温度以下累积，成功地再现了实验结果。 (5) 使用多个不同几何构型的模型进行有限元分析表明，YAG和氧化铝中的残余分布并不均匀，而是由于两相之间的几何关系而随位置变化的非均匀分布我做到了。