【研究分野】生物物理・化学物理・ソフトマターの物理

【研究領域課題番号】17K05609 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

非線形ダイナミクス / 破壊 / ソフトマターメカニクス / 破壊力学 / 粘弾性破壊 / 破壊現象 / 非線型ダイナミクス / 粘弾性 / 化学物理 / 応用数学

【研究成果の概要】

従来，線形弾性体を前提に定式化されてきた変分型フェーズフィールド破壊モデルを粘弾性体に拡張した．また，著しい粘弾性を示すひも状ミセル溶液およびそれに数十μmのサイズをもつポリマー微粒子を分散させた系における破壊現象を実験的に研究し，非線形レオロジー挙動との対応を明らかにした．さらに，2成分の溶媒を含む高分子網目系の変形挙動を実験・理論両面から研究した．

【研究の社会的意義】

相転移動力学や反応拡散系の記述に用いられる数理的原理―勾配系―に基づいて，複雑なレオロジー特性をもつソフトマターの破壊現象を理解する枠組みの基礎を提示することができた．また，本研究では，溶媒を含む高分子網目系を主たる具体的な研究対象としたがそのレオロジー挙動の理解には溶媒と高分子成分の相対的な運動を理解する必要がある．本研究では，溶媒が2種液体の混合物である場合において従来知られていなかった新たな網目の変形モードを理論的に見出した．これにより，粘着やゴム強度など実用的な破壊問題を，き裂の特異性を意識しない（が，その効果を取り込んだ）モデルによって理解する可能性が開かれた．

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】16106002 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

破壊 / 界面 / 低次元構造体 / ナノスケール / 連続系 / 離散系 / き裂 / 微小構造体 / 界面強度 / 破壊力学 / 応力拡大 / 特異応力場 / ナノ要素膜 / その場観察

【研究成果の概要】

ナノスケールの低次元構造体の最弱部である界面の強度評価実験方法を開発し、その場観察とマルチスケールの力学評価を行った。また、原子レベルの構造不安定性解析を行った。その結果、従来の破壊力学(連続系)概念の適用下限は数nm 程度であることを明らかにするとともに、それ以下の離散系支配領域での破壊基準を検討した。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2004 - 2008

【配分額】109,850千円 (直接経費: 84,500千円、間接経費: 25,350千円)

【研究分野】航空宇宙工学

【研究領域課題番号】13450399 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

炭素材料 / 脆性材料 / 破壊 / ワイブル統計 / グラファイト / 多軸応力 / 混合モード / 破壊力学 / 炭素系材料 / 力学

【研究成果の概要】

グラファイトはその高い耐熱性から超高温域で耐熱材として使われることが多い.しかし,グラファイトは脆性材料であり,製造過程の段階で多くの微小な欠陥が存在し,その破壊強度は潜在する微小き裂の最大のものに依存する.それゆえ,破壊強度はある程度の分布を持ち,その分布は破壊統計論に基づくワイブル分布によって表される.また,実際に使われる上で部材にかかる応力が純粋な単軸であることは殆んどない.そこで,安全に設計するためには多軸破壊統計論による予測が必要となってくる.
本研究の目的の第一は,二軸試験を用いて多軸破壊統計論を等方性グラファイトにおいて実験的に証明することである.第二は,多軸応力状態での破壊のパラメーターである,モードIとモードIIの破壊靭性値比K_<IIc>/K_<Ic>の値をこの等方性グラファイトに関して決定することである.それぞれについて,以下のような結論を得た.
1)二軸応力破壊試験によって,破壊曲面を作成し,多軸破壊統計論を検証した.σ_3>-28σ_0のき裂にかかる応力が引張応力が主な条件では,K_<IIc>/K_<Ic>=12にしたときの多軸の破壊統計論の理論線によく一致した.σ_3<-28σ_0の圧縮応力が主な条件ではミーゼスの理論線によく一致した.
2)多軸状態下での破壊のパラメーターとなるK_<IIc>/K_<Ic>を混合モード破壊靱性試験から得ることが出来た.円盤圧縮試験,円周き裂引張/ねじり試験から得られた臨界破壊靭性値比K_<IIc>/K_<Ic>は破壊曲面のフィッティングによる12という値と近い値となった.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】10,300千円 (直接経費: 10,300千円)

【研究分野】金属物性

【研究領域課題番号】03650531 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

破壊 / 靭性 / 破壊遷移 / 脆性破壊 / 延性破壊 / 破面 / 破壊力学 / 鉄鋼 / 変形組織 / フラクトグラフィ-

【研究成果の概要】

延性・脆性遷移温度域での破壊には延性破壊要素と脆性破壊要素が含まれ、靭性の温度依存性にはこれらを区別せねばならない。前者は安定延性き裂の伝播抵抗R曲線で代表される。結晶粒径およびフェライトマトリクスの靭性をSi量で変えた低炭素綱についてR曲線の精密な測定を行ない、R曲線には温度依存性はほとんどないことを確認した。一方R曲線にたいする金属組織の影響は結晶粒径やフェライトマトリクス靭性は少ないが、C量や特筆すべきこととして結晶粒界炭化物などすべりの抵抗になる組織因子が顕著な効果をもつことが見出された。
したがって、昨年度の結果と一致して、靭性の温度依存性は脆性破壊発生段階にあることになり、破壊力学解析結果と対応させることにより靭性が比較的低い段階ではき裂先端領域の引張り応力が、またき裂先端の鈍化が進み、安定き裂が形成される段階では歪みが脆性破壊起点の発生を支配することを明らかにした。このことは遷移温度域破壊にすべり変形が本質的な役割を果たしていることを示すものである。
脆性破壊起点近傍の破面直下組織を透過電子顕微鏡で観察し、低温で靭性が低い場合でもすべり変形が進行して転位セルが交差して形成されセル壁に微小な空洞が生じていることが見出された。従来考えられている粒界炭化物など第二相粒子の割れではなく、変形組織が脆性破壊起点の生成をもたらすものと考えられる。
従来、脆性破壊の代表例として考えられてきた焼戻し脆性による粒界破壊においても、計装化シャルピー試験による破壊過程の解析を行なった結果、粒界脆化の進行は安定延性き裂の発生を容易にすることを見出した。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1991 - 1992

【配分額】2,200千円 (直接経費: 2,200千円)