Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

火山爆発 / 破砕 / 気泡 / 粘弾性 / き裂 / 固体地球惑星科学 / 火山学 / 流体工学 / X線イメージング / 固体地球惑星物理学 / 破壊

マグマ模擬材料である酸素気泡入り水あめを用いて，急減圧にともなう破砕に対する粘弾性の影響を明らかにする実験を進めた．一連の実験を通して，我々は，マグマの粘弾性特性が流体的な性質を帯びるタイムスケールにおいても固体的な破砕（脆性的破砕）が発生することを見出した．マグマの粘弾性緩和時間と天然の火山噴火から見積もられる減圧特性時間との比較から，実際の火山では脆性的破砕が生じていると考えられる．
詳細な観察から，脆性的破砕は，試料内のガスがき裂から急激に放出することで発生すること，破砕を引き起こす試料内部で進展するき裂は，試料内の気泡分布が不均一な部分をきっかけに生じていることを明らかにした．

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

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。

き裂 / 破壊 / き裂伝播 / ガラス / 正弦波状き裂 / 脆性破壊 / 弾性 / 連続分布転位法 / らせん状き裂 / き裂伝播速度

本研究では、破壊現象を材料の切断・割断加工に応用するために、き裂の伝播径路を自由にコントロールできるよう、「き裂の伝播径路を支配する法則」を解明することを最終目的としている。今回はこの研究の一環として、古くから知られた、(I)一様に熱したガラス平板(円管)を冷水中に徐々に沈下させる際に生ずる正弦波状き裂(らせん状き裂)、(II)ガス輸送管が破壊する際に観察される正弦波状き裂に着目し、その伝播挙動を調べ、メカニズムを考究することを目的として実験および理論解析を行った。その結果、(I)については、沈下速度および加熱温度が大きい程正弦波状き裂の波長が短くなる等の知見を得た。また、熱応力解析の結果、き裂は水面下では水面に対して垂直に伝播しようとするが、水面よりも上では水面に平行な方向に曲がろうとする傾向があることが判明した。なお、今回使用したガラス円管は靭性が高く、らせん状き裂を発生させるには至らなかった。次に、(II)については、水槽中でガラス円管を水圧による内圧により破壊させる実験を行い、以下の知見を得た。1.ガラス円管でも正弦波状き裂が発生するのでその発生メカニズムには塑性変形は関与していない。2.き裂伝播速度が概ね100m/s以下のときのみ正弦波状き裂が発生し、200m/sを超える高速伝播の際は正弦波状に伝播しない。このことは正弦波状き裂の発生メカニズムには動的効果が関与していないことを物語る。3.試験片寸法、き裂伝播開始時の水圧等の値に関わらず、正弦波状き裂の波長、振幅はそれぞれ円管直径の約4倍、4割となっている。4.モードIII型せん断荷重によりき裂の伝播方向が円管の軸方向から傾く。また、連続分布転位法による弾性解析の結果、5.正弦波状き裂の発生要因として、き裂の干渉効果や多軸応力効果が重要であることが示唆された。

破壊 / き裂 / 破面観察 / 延性 / 脆性 / フラクタル次元 / エントロピ / 応力三軸度

本研究では、延性破壊と脆性破壊の程度の表現に、破断面の表面形状に関するフラクタル・カオスの概念を導入して定量化を行うことを目的とする。また、これにより、破面の微視的形状と巨視的指標(応力拡大係数・破断ひずみ・破断に至るまでの吸収エネルギ)の両者を関連づけることも研究の対象としている。この目的を達成するために、炭素鋼および鋳鉄の環状切欠き付き丸棒試験片を準静的に引張破断させることにより破断面を得、切欠き径を変化させることにより切欠き底部の応力三軸度を変化させてデータを取得した。破面の延性-脆性の判別には、破面観察に基づく微視的様相の変化、および、吸収エネルギなどの巨視的指標を用いている。次に、得られた破面の凹凸のプロファイルを示す高さ曲線を電子顕微鏡により得て、これに基づき、高さ-高さ相関のフラクタル次元、カオスの概念に基づくRenyiのエントロピを求め、さらに、材料成分および応力三軸度を変化させた実験により、どのように変化が現れるかを調べた。以上の結果、以下の知見を得ることができた。1.脆性破壊においては、(1)測定長さによりフラクタル次元値が異なる。(2)長い測定長さではフラクタル次元値は脆性に近い程高い。(3)短い測定長さではフラクタル次元値はほぼ一定値である。また、2.延性破壊では、測定長さにかかわらず、フラクタル次元値は一定である。これらの結果から、延性、脆性破壊の判別はフラクタル次元の測定長さに対する変化の有無を調べることにより可能である。即ち、測定長さにより、フラクタル次元に明瞭に異なる二領域が存在する場合を脆性破壊、ほぼ一定のフラクタル次元となる場合を延性破壊と判定することができると考えられる。なお、カオスの概念に基づくRenyiのエントロピに関しては、当実験の範囲内では脆性破壊と延性破壊時における明確なる特徴を示さなかった。

【研究連携者】
市原美恵	東京大学	地震研究所	准教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
梅野宜崇	東京大学	生産技術研究所	准教授	(Kakenデータベース)
平方寛之	大阪大学	大学院・工学研究科	准教授	(Kakenデータベース)
澄川貴志	京都大学	大学院・工学研究科	講師	(Kakenデータベース)

【研究協力者】
嶋田隆広	京都大学	大学院工学研究科	助教	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
塩谷義	東京大学	大学院・工学系研究科	教授	(Kakenデータベース)
佐藤勝彦	東京大学	大学院・工学系研究科	助手	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
藤本浩司	東京大学	大学院・工学系研究科	助教授	(Kakenデータベース)
佐藤勝彦	東京大学	大学院・工学系研究科	助手	(Kakenデータベース)