き裂伝播挙動の解明

図1 Al-Si二相合金中のき裂開口および初期の伝播挙動

 図1は、アルミニウム鋳物中のき裂進展を連続観察した例である(論文3)。実験室で作製した純粋なAl-Mg2Si合金だが、き裂の性状は非常に複雑であり、進展量やき裂進展方向もき裂前縁に沿って大きなばらつきがある(論文5)。き裂前方の損傷(図1赤色)は、破壊力学ではき裂先端開口変位の2倍程度の領域内に限られるとされる。しかし、図1の損傷領域は、これをはるかに超えて広がっている(論文6,10,11)。次に紹介する様々な力学量の4D定量化は、このような現実の複雑なき裂進展挙動を明確に説明してくれる。

図2 Al-Si二相合金中のき裂伝播挙動

 これまでに、数万点規模のミクロ組織特徴点の変位(論文7)から応力拡大係数やJ積分値の計測(論文2,8,9)およびき裂先端開口変位の高密度計測(論文6,8)の2つを実現した。これらにより、ようやくシミュレーションと比較し得る実験解析が可能になったと言える(論文4)。図2は、Al-7%Si合金のき裂進展抵抗分布である。この材料は二相材料であり、スライス番号200〜500のき裂先端周囲には靭性の高いα-Al相が、それ以外では脆性なAl-Si共晶相が存在する。両相の破壊抵抗は1桁程度異なることが示され、これに応じてα-Al相ではき裂が進展せず、Al-Si共晶相では早期にき裂進展する様子が明瞭に捉えられている。

図3 Al-Cu合金の疲労き裂開閉口挙動

 疲労き裂では、き裂開閉口挙動が進展速度を大きく変動させる。しかし、き裂開閉口を材料内部で局所的に計測する手法はこれまでなかった。図3は、これをき裂先端位置の精密な計測により求めたものである(論文8)。図3の太線と細線のき裂先端位置の差が大きな所(スライス500〜600、675〜730)ではき裂閉口が顕著に生じており、その中間ではほとんど生じていない。このような数十μm間隔の開閉口挙動の変動がき裂前縁に添う進展速度の不均一さの原因である。

図4 Al-Cu合金中の疲労き裂の閉口部((a)の黄色部分)および局所的なモードV変位

 上記のCTOD計測は、ミクロ構造に比較的敏感である。一方、ミクロ組織特徴点追跡によるKJの計測は、局所的なミクロ組織には鈍感であるが、モードU・Vの計測が高精度に行うことが出来る。図4は、モードV変位とき裂開閉口部分布の比較である(論文1)。(b)は、そのままKIIIに変換でき(論文2)、混合モード進展駆動力の評価が可能となる。

関連解説論文

  1. 戸田裕之, 小林俊郎, 大垣智巳, 高分解能X線CTによる可視化技術の進歩:材料内部の局所力学量のin-situ測定への応用,材料試験技術,Vol.48,No.1,2004,5-10
  2. 戸田裕之,小林正和,鈴木芳生,竹内晃久,上杉健太朗, 3D・4Dマテリアルサイエンス:その現状と展望,非破壊検査,Vol.58,No.10,2009,433-438
  3. 戸田裕之,佐藤眞直,奥田浩司,小林正和,放射光を用いた材料の観察と解析,軽金属,Vol.61, No.1, 2011

投稿論文

  1. H. Toda, I. Sinclair, J.-Y. Buffiere, E.Maire, T. Connolley, M. Joyce, K.H. Khor and P. Gregson, Assessment of fatigue crack closure phenomenon in damage tolerant aluminium alloy by in-situ high-resolution synchrotron X-ray microtomography, Philosophical Magazine A, Vol.83, No.21, 2003, 2429-2448
  2. H. Toda, I. Sinclair, J.-Y. Buffiere, E. Maire, K.H. Khor, P. Gregson and T. Kobayashi, A 3D measurement procedure for internal local crack driving forces via synchrotron X-ray microtomography, Acta Materialia, Vol 52, No.5, 2004, 1305-1317
  3. L. Qian, H. Toda, K. Uesugi, T. Kobayashi, T. Ohgaki, and M. Kobayashi Application of synchrotron X-ray microtomography to investigate ductile fracture in Al alloys, Applied Physics Letters, Vol. 87, 2005, 241907
  4. L. Qian, H. Toda, S. Nishido, T. Kobayashi, Experimental and numerical investigations of the effects of the spatial distribution of α phase on fracture behavior in hypoeutectic Al-Si alloys, Acta Materialia, Vol.54, 2006, 4881-4893
  5. L. Qian, H. Toda, K. Uesugi, M. Kobayashi and T. Kobayashi, Direct observation and image-based simulation of three-dimensional tortuous crack evolution inside opaque materials, Physical Review Letters, Vol.100, No.11, 2008, 115505
  6. H. Toda, S. Yamamoto, M. Kobayashi and K. Uesugi, Direct measurement procedure for 3-D local crack driving force using synchrotron X-ray microtomography, Acta Materialia, Vol.56, 2008, 6027-6039
  7. M. Kobayashi, H. Toda, Y. Kawai, T. Ohgaki, K. Uesugi, D.S. Wilkinson, T. Kobayashi, Y. Aoki, M. Nakazawa, High-density three-dimensional mapping of internal strain by tracking microstructural features, Acta Materialia, Vol.56, Issue 10, 2008, 2167-2181
  8. H. Zhang, H. Toda, P.C. Qu, Y. Sakaguchi, M. Kobayashi, K. Uesugi, Y. Suzuki, Three-dimensional fatigue crack growth behavior in an aluminum alloy investigated with in situ high-resolution synchrotron X-ray microtomography, Acta Materialia, Vol.57, No.11, 2009, 3287-3300
  9. P. Qu, H. Toda, H. Zhang, Y. Sakaguchi, L. Qian, M. Kobayashi and K. Uesugi, Local crack driving force analysis of a fatigue crack by a microstructural tracking method, Scripta Materialia, Vol. 60, 2009, 489-492
  10. H. Toda, E. Maire, S. Yamauchi, H. Tsuruta, T. Hiramatsu, M. Kobayashi, In situ observation of ductile fracture using X-ray tomography technique, Acta Materialia, Vo.59, No.5, 2011, 1995-2008.
  11. H. Toda, Y. Sakaguchi, K. Uesugi, Y. Suzuki, M. Kobayash, , Acta Materialia, to be submitted.