セラミックスの破壊規準と強度信頼性評価の基礎

構造物や製品において、その部品の破損はシステムの故障や重大な事故を引き起こす可能性があります。したがって、長期信頼性を確保した構造物や製品を強度設計製作するためには、使用する材料の強度試験を行い、強度特性を理解することは必須です。 　金属は、強く、よく伸びる性質を有します。そのため、いきなり壊れることはなく、必ずその変形や損傷の徴候がみられます。事例として、2017年12月11日、東海道・山陽新幹線のぞみ34号のN700系車両で発生した重大インシデントである台車に発生した大きな亀裂が記憶に新しいと思われます。これは、金属が伸びる性質を有するために異常を検知して停止することで脱線など大きな事故に至たらなかったと言い換えることができます。一方でセラミックスは金属材料と比較して耐熱性、高比強度、耐摩耗性など優れた特性を有しています。 　しかしながら最大の欠点は、非常に脆く、金属のように伸びないためにその変形や損傷の徴候が見られず、突然、脆性破壊します。セラミックスを構造用材料として応用を始めたころは、金属材料を中心に発達してきた強度設計手法が適用されてきました。しかしながら、そのまま応用することが難しいことが認識されてきました。すなわち、脆く、伸びないセラミックスならではの強度の考え方・取扱い方があります。そこで本講座では金属材料と比較して、➀破壊メカニズムや破損の仕方の違いを説明し、2破損したセラミックスの原因の見つけ方の基礎を学びます。次に、3強度試験方法および強度データの取扱い方を説明するとともに、強度の解析方法について、実際の実験データとExcelを使って実践的に学べるように構成しました。

1. セラミックスの破壊原因と破壊規準【講義】
   1. セラミックス強度信頼性評価に関する歴史
   2. 金属とセラミックスの破壊原因と破壊規準
      1. 金属材料の塑性降伏条件
      2. セラミックスの破壊原因と破壊条件
   3. 金属とセラミックスの破壊形態
2. 強度試験方法【講義】
   1. 引張試験の問題点
   2. 曲げ試験と破壊靭性値試験
   3. 強度特性に及ぼす諸因子 (速度・加工キズ) の影響
3. 強度の統計的取扱い方
   1. ワイブル分布【講義とExcel演習】
      • ExcelのWeibull関数を使って確率分布関数や確率密度関数のグラフを描き、形状母数や尺度母数の変化との関係を学ぶ。
   2. 強度のワイブル解析方法【講義】
   3. Excelによる実験データに基づくセラミックス強度のワイブル解析演習【Excel演習】
      1. 4点曲げ強度評価とワイブル解析
         • 曲げ応力計算およびワイブル解析を実践する。
      2. 破壊確率曲線と予測
         • 3.1節で解析したワイブルパラメータを用いてExcelのWeibull関数を使って破壊確率 (確率分布関数) の曲線を描き、破壊確率を予測する。
      3. 破壊欠陥寸法の推定
         • 破壊靭性値と解析した尺度母数を用いて、破壊に関与した欠陥寸法を推定する。
4. 強度と寸法効果および試験方法の影響
   1. 強度と寸法効果の統計的取扱い【講義とExcel演習】
      • 解析したワイブルパラメータを用いて、強度-体積線図を描き、体積効果を学ぶ。
   2. 有効体積による強度評価【講義とExcel演習】
      • 3点曲げおよび4点曲げ強度のワイブル解析結果から試験方法と応力状態の異なるデータを評価する手法を学ぶ。
5. 質疑応答