JPH0643925B2 - 複合材料の残留応力の測定方法 - Google Patents

複合材料の残留応力の測定方法

Info

Publication number
JPH0643925B2
JPH0643925B2 JP28569186A JP28569186A JPH0643925B2 JP H0643925 B2 JPH0643925 B2 JP H0643925B2 JP 28569186 A JP28569186 A JP 28569186A JP 28569186 A JP28569186 A JP 28569186A JP H0643925 B2 JPH0643925 B2 JP H0643925B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
temperature
residual
residual stress
measuring
plastic material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP28569186A
Other languages
English (en)
Other versions
JPS63138226A (ja
Inventor
省三 中村
愛三 金田
村上  元
靖 宮野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP28569186A priority Critical patent/JPH0643925B2/ja
Publication of JPS63138226A publication Critical patent/JPS63138226A/ja
Publication of JPH0643925B2 publication Critical patent/JPH0643925B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、複合材料、特に、粘弾性挙動を示し、かつ時
間・温度換算則が成立するプラスチツク材料およびこの
プラスチツク材料と異種の材料の積層体よりなるプラス
チツク複合材料の残留応力の測定方法に関するものであ
る。
〔従来の技術〕
近年、プラスチツク材料が金属やセラミツクなどの異種
材料と併用されたいわゆる複合部品の発展が目ざまし
く、その用途も多種多様である。このような複合部品に
なると、熱的,機械的性質が異なる材料の組合せである
という性格上、特に接合界面部の応力や強度に対する信
頼性が必然的に重要になつてくる。具体的には材料をど
う選ぶか、また寸法や構造をどう決めるかという問題で
ある。したがつて、世上においても接合界面の問題は広
く検討されているが、これに応える十分な技術がまだ確
立されていないのが現状である。
この種の複合部品の熱的ストレス下における応力解析に
おいては、従来の方法では、材料の弾性率Εや線膨張係
数αなどの物性値を、ある一定温度や一定速度の条件下
で求め、この値を使つて解析していた。従つて、従来の
方法で求めた応力の絶対値はその精度が乏しいだけでな
く、単一物質から成る物体に不均一な温度分布が生じた
場合の残留応力を測定できなかつた。すなわち、プラス
チツク材料の物性は時間や温度によつて連続的に大きく
変化するものであるにも拘わらず、これらの点について
配慮されているものはなかつた。
なお、日本機械学会論文集(A編),688〜696
p,51巻,463号(昭60−3)には、プラスチツ
ク材料の残留応力を光学的に測定する技術が開示されて
いる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
プラスチツク材料はその力学的挙動に著しい時間,温度
依存性がある。すなわち、例えば変形のしやすさの尺度
である断性率は、一般に低温では大きく、高温では小さ
いという性質を持つている。又、線膨張係数も低温で小
さく、高温で大きい性質がある。
しかし、前述の如く、従来の方法では材料の弾性率Εや
線膨張係数αの時間ならびに温度依存性については配慮
されておらず、ある一定温度,一定速度で求めたΕやα
の一定値を用いて測定・解析されており、熱応力の精度
の点で大きな問題があつた。特に、複合材料において、
その接合界面の強度を論じる場合には従来の方法は精度
に問題があるため、正確な評価ができず、製造元を出て
市場に出まわつてからクラツクや剥離が発生する事故が
生じていた。
本発明の目的は、複合材料の残留応力を正確に測定する
ことができ、この測定方法で求めた残留応力に基づい
て、複合材料の材質、構造プロセス条件等を適当に設計
・選定する指針を提供可能とする複合材料の残留応力の
測定方法を提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
前述の問題点を解決するためにとられた本発明の構成
は、粘弾性挙動を示し、かつ時間・温度換算則が成立す
るプラスチツク材料および該プラスチツク材料と異種の
材料の積層体よりなるプラスチツク複合材料の残留応力
の測定方法において、前記プラスチツク材料の低温・ガ
ラス状領域および高温・ゴム状領域における弾性率ΕG
およびΕRと光粘弾性特性係数βGおよびβRとを予め測
定しておく工程と、前記プラスチツク材料の残留伸縮ε
rおよび残留曲率χrを予め測定しておく工程と、前記複
合材料を光学的に観察した最終状態における残留しま次
数Νr(x)を測定する工程と、残留応力分布σr(x)を、 ここで、α(Τ)は温度Τにおける線膨張係数 ΤQは高温保持温度 ΤCは冷却温度 の関係を用いて求める工程とよりなることを特徴とする
ものである。
本発明で用いる(1)式は、プラスチツク材料の弾性率
Εは、低温で大きく高温で小さいのが一般的傾向であ
り、温度Τならびに時間tに対する弾性率Εの変化を整
理すると、弾性率Εは時間tあるいは温度Τに対して滑
らかな一本の曲線で与えられるので、この弾性率Εをあ
る級数(プロニ級数)で近似して計算に用い、一方、線
膨張係数αの温度変化を予め測定しておき、これを用い
てひずみを求め、次いで、温度と時間の対応則を求めた
ものである(日本機械学会論文集(A編),688〜6
96p,51巻,463号(昭和60−3)参照)。
本発明はこの式を用いた場合に、粘弾性挙動を示し、か
つ時間・温度換算則が成立するプラスチツク材料および
このプラスチツク材料と異種の材料の積層体よりなるプ
ラスチツク複合材料を構成する材料の残留応力の測定が
可能なことに着目してなされたものである。
〔作用〕
本発明によつて、粘弾性挙動を示し、かつ時間・温度換
算則が成立するプラスチツク材料およびこのプラスチツ
ク材料と異種の材料の積層体よりなるプラスチツク複合
材料の残留応力を測定する際には、まず、プラスチツク
材料の低温・ガラス状領域および高温・ゴム状領域にお
ける弾性率ΕGおよびΕRと光粘弾性特性係数βGおよび
βRとを予め測定しておく工程と、プラスチツク材料の
残留伸縮εrおよび残留曲率χrを予め測定しておく工程
においてプラスチツク材料の基本的物性値が求められる
が、この基本的性質の測定は従来用いられている測定機
によつて求めることができる。
次にこの複合材料を光学的に観察した最終状態における
残留しま次数Νr(x)を測定する工程において、通常の光
弾性装置を用いて残留しま次数が測定される。最後に、
これらの工程で得られた基本的物性値及び残留しま次数
の測定値を(1)式に代入すると残留応力分布σr(x)を
得ることができる。
この際用いられる(1)式には、材料の変形しやすさの
尺度である弾性率Εや線膨張係数αの時間依存性,温度
依存性が考慮されているため、プラスチツク複合材料の
残留応力を正確に測定することができる。
〔実施例〕
以下、実施例について説明する。
材料Aからなる帯板と材料Bからなる帯板の積層帯板よ
りなる二層モデルの両端面を急激に冷却した場合に発生
する残留応力分布を求める測定方法について詳細に説明
する。
対象とした積層帯板は、第1図に示すような材料Aから
なる帯板1と材料Bからなる帯板2を積層した矩形断面
をもつもので、深さ方向をx、厚さ方向をy、長手方向
をzとする直角座標を設け、材料Aからなる帯板1と材
料Bからなる帯板2の接合界面部3をx=0とし、材料
Aからなる帯板1の端面をx=−a、材料Bからなる帯
板2の端面をx=bとする。ここで、帯板の長さを、
材料Aからなる帯板1の深さをdA,材料Bからなる帯
板の深さをdB、全体の深さをd(=dA+dB)、厚さ
をhとし、≫d≫hとした。
このような積層帯板全体を高温保持温度ΤQに保ち、時
間t=0においてこの帯板の上下両面(x=b,x=−
a)が冷却温度ΤCになる場合とする。この際、帯板の
両側面(y=±h/2)は断熱とする。この条件で、残
留応力分布σr(x)を解くと前述の(1)式が得られる。
従つて、残留応力分布σr(x)は、予め材料の特性係数Ε
G,ΕR,βG,βRを測定した上で、冷却後時間が十分経
過したときの残留伸縮εr,残留曲率χrを求めておけ
ば、光弾性法と同様の手法で観察した残留しま次数Ν
r(x)を(1)式に代入するだけで簡単に求めることがで
きることになる。
次に、実測結果について説明する。
本実施例で用いた積層帯板を構成する材料Aはエポキシ
樹脂で、材料Bはアルミニウム(JIS5052)であ
る。エポキシ樹脂は主剤のエピコート807と硬化剤の
エピキユアΤを100:22の重量割合で配合し、15
0mm×150mmの金型に注入後、60℃,2hr加熱硬
化後、所定寸法の材料Aからなる帯板1に加工した。そ
してこれを200℃,1hrで2次キユアし、アルミニ
ウムよりなる材料Bからなる帯板2と接合させ、第1図
に示す積層帯板を作製し、残留応力分布σr(x)を求め
た。この際、必要なエポキシ樹脂の残留しま次数分布Ν
r(x)は、光源として波長がλ=546nmの水銀灯を用
いて測定した結果を用いた。第2図は測定結果を示すも
ので、横軸には接合界面部からの距離x(mm)、縦軸に
は残留しま次数Νr(x)(fr/mm)がとつてある。この
図は残留しま次数Νr(x)は接合界面部3、x=0では正
の値、端面x=20mmでは負の値となることを示してい
る。
このようにして残留しま次数Νr(x)を測定し、第1表に
示した材料Aおよび材料Bの物性値を用い、(1)式を
用いて残留応力分布σr(x)を求めた。
第1表で、Ε,ΕG,ΕRはそれぞれ、弾性率、低温・ガ
ラス状領域の弾性率、高温・ゴム状領域の弾性率、αは
線膨張係数、Τ,Τは、それぞれ、温度、ガラス転位
温度、β,βG,βRは、それぞれ、光粘弾性特性係数、
低温・ガラス状領域の光粘弾性特性係数、高温・ゴム状
領域の光粘弾性特性係数、λは熱伝導率、Cは比熱、ρ
は密度を示している。
第3図は、このようにして求めた残留応力分布の測定結
果を理論解と比較して示したもので、横軸には接合界面
部からの距離x(mm)、縦軸には残留応力σr(x)(MPa)
がとつてあり、Xが測定結果を示している。
理論計算は粘弾性挙動を示し、かつ時間・温度換算則が
成立するエポキシ樹脂(材料A)と、弾性挙動を示すア
ルミニウム(材料B)との積層帯板について行つた。す
なわは、第1図に示す帯板において、a=2mm,b=2
0mmの寸法とし、ΤQ=180℃,ΤC=10℃の温度条
件で上下両端面を急激に冷却した場合の帯板内部の温度
分布ならびに残留応力を熱伝導および線形粘弾性理論に
基づいて計算した。この計算には第1表に示した物性値
を用い材料のリラクゼーシヨンモジユラスを求め、この
マスターカーブを級数近似して用いた。
このようにして求めた理論解を第3図にYで示してあ
る。
第3図から明らかなように、実施例において得られた残
留応力分布σr(x)の実測結果はいわゆる理論解によく一
致が認められ、本発明の複合材料の残留応力の測定方法
の妥当性を確認することができた。そして、この方法は
接合界面部の残留応力を高精度に、かつ簡便に測定でき
るなどの大きな効果がある。
以上の実施例では、エポキシ樹脂とアルミニウムとの積
層帯板について示したが、プラスチツク材料が粘弾性挙
動を示し、かつ時間・温度換算則が成立するものであれ
ば適用することができ、またこれと積層体を構成する材
料が金属のみならず、セラミツク,プラスチツク材料
等、これと異種の材料であれば適用することができる。
そして、積層帯板における接合界面部の残留応力は、界
面の強度や剥離、さらには経時変形といつた実際上の問
題にも大きく影響するので、これを精度よく測定するこ
とが重要であるが、粘弾性挙動を考慮した解析手法に基
づくこの残留応力の測定方法で求めた残留応力を用いれ
ば、複合材料の材質選定,形状決定,プロセス条件の適
正化を図ることが可能であり、そして、界面部の信頼性
向上に結びつけた設計,製作手法の実現が可能となる。
すなわち、以上の如き残留応力の測定方法によれば、複
合材料の残留応力を高精度に測定できるようになるの
で、(1)接合界面部の応力を性格に把握し、強度の高
い信頼性のもとにおいて優れた材料設計ができる、
(2)応力に基づいて適正な材料選定や厚さなどの形状
・構造設計ができる、(3)発生する応力を小さくする
ための温度条件などのプロセス条件を適正に選ぶことが
できる、(4)材料内部での応力の時間的変化を時々刻
々と把握できるので、クラツクや剥離などの事故原因を
究明できる等の効果がある。
〔発明の効果〕
本発明は、複合材料の残留応力を正確に測定することが
でき、この測定方法で求めた残留応力に基づいて、複合
材料の材質,構造プロセス条件等を適正に設計・選定す
る指針を提供可能とする複合材料の残留応力の測定方法
を提供可能とするもので、産業上の効果の大なるもので
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の複合材料の残留応力の測定方法の一
実施例の積層複合材料の説明図、第2図は、同じく残留
しま次数分布を示す線図、第3図は同じく、残留応力分
布を示す線図である。 1…材料Aからなる帯板、2…材料Bからなる帯板、3
…接合界面部。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】粘弾性挙動を示し、かつ時間・温度換算則
    が成立するプラスチツク材料および該プラスチツク材料
    と異種の材料の積層体よりなるプラスチツク複合材料の
    残留応力の測定方法において、前記プラスチツク材料の
    低温・ガラス状領域および高温・ゴム状領域における弾
    性率ΕGおよびΕRと光粘弾性特性係数βGおよびβRとを
    予め測定しておく工程と、前記プラスチツク材料の残留
    伸縮εrおよび残留曲率Ηrを予め測定しておく工程と、
    前記複合材料を光学的に観察した最終状態における残留
    しま次数Νr(x)を測定する工程と、残留応力分布σr(x)
    を、 ここで、 α(Τ)は温度Τにおける材料の線膨張係数 ΤQは高温保持温度 ΤCは冷却温度 の関係を用いて求める工程とよりなることを特徴とする
    複合材料の残留応力の測定方法。
JP28569186A 1986-11-29 1986-11-29 複合材料の残留応力の測定方法 Expired - Lifetime JPH0643925B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP28569186A JPH0643925B2 (ja) 1986-11-29 1986-11-29 複合材料の残留応力の測定方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP28569186A JPH0643925B2 (ja) 1986-11-29 1986-11-29 複合材料の残留応力の測定方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS63138226A JPS63138226A (ja) 1988-06-10
JPH0643925B2 true JPH0643925B2 (ja) 1994-06-08

Family

ID=17694792

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP28569186A Expired - Lifetime JPH0643925B2 (ja) 1986-11-29 1986-11-29 複合材料の残留応力の測定方法

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH0643925B2 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004532984A (ja) * 2001-05-25 2004-10-28 カリフォルニア インスティテュート オブ テクノロジー 体積力の作用を含む、積層及びグレーデッド型の構造体の大変形と応力の測定

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009128245A (ja) * 2007-11-26 2009-06-11 Nec Corp 内部応力測定装置および内部応力測定方法
CN103884591B (zh) * 2014-03-05 2016-01-13 上海交通大学 连续纤维增强金属基复合材料残余应力单调加载测试方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004532984A (ja) * 2001-05-25 2004-10-28 カリフォルニア インスティテュート オブ テクノロジー 体積力の作用を含む、積層及びグレーデッド型の構造体の大変形と応力の測定

Also Published As

Publication number Publication date
JPS63138226A (ja) 1988-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hattori et al. A stress singularity parameter approach for evaluating the interfacial reliability of plastic encapsulated LSI devices
US6070473A (en) Method for measuring adhesion strength of resin material
Wang et al. Experimental study on Fe-SMA-to-steel adhesively bonded interfaces using DIC
Yu et al. An experimental investigation of residual stresses in an epoxy–steel laminate
Kim et al. Smart cure cycle with cooling and reheating for co-cure bonded steel/carbon epoxy composite hybrid structures for reducing thermal residual stress
Prussak et al. Residual stresses in intrinsic UD-CFRP-steel-laminates-experimental determination, identification of sources, effects and modification approaches
Montenegro et al. A comparative study of mode I delamination behavior of unidirectional glass fiber-reinforced polymers with epoxy and polyurethane matrices using two methods
Sreekantamurthy et al. Composite cure process modeling and simulations using COMPRO® and validation of residual strains using fiber optics sensors
Daniel et al. Effect of laminate construction on residual stresses in graphite/polyimide composites: the effects of ply-stacking sequence and ply orientation on the magnitude of residual stresses were investigated experimentally in graphite/polyimide angle-ply laminates using embedded-strain-gage techniques
JPH0643925B2 (ja) 複合材料の残留応力の測定方法
Makeev et al. A test method for assessment of shear properties of thick composites
Nakamura et al. Thermoviscoelastic analysis of residual stresses in a thermosetting resin/metal laminated beam caused by cooling
Daniel et al. Measurement of residual strains in boron-epoxy and glass-epoxy laminates
JPH0643924B2 (ja) 複合材料の熱応力の測定方法
Padovec et al. Springforward phenomenon of angular sections of composite materials–analytical, numerical and experimental approach
WEITSMAN Assessment of chemical cure-shrinkage stresses in two technical resins
CN115979158B (zh) 一种复合材料固化本征应变的反演方法
Cognard et al. On modelling the behaviour of a ductile adhesive under low temperatures
Cognard et al. WITHDRAWN: On modelling the behaviour of a ductile adhesive under low temperatures
Raghava et al. Thermoelastic behavior of thick glass/epoxy composite laminates
CN109000837A (zh) 一种热压固化复合材料制件与模具界面应力监测方法
Liechti Residual stresses in plastically encapsulated microelectronic devices
Collombet et al. Cure monitoring of an autoclave manufactured industrial part: added value of complementary instrumentation
JP2010230648A (ja) 応力測定装置及び応力測定方法
Aboudi Constitutive relations for the thermomechanical behavior of fiber-reinforced inelastic laminates