JPH0886731A - 熱衝撃試験における温度差設定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱衝撃試験の適切な温度差を設定する。 【構成】 熱応力検出工程（ステップ１）では、成形部
品と同等の供試体に対し、ビッカース圧痕を利用して表
面に予亀裂を形成した上で、熱衝撃を与えて予亀裂の進
展を観察することを温度差を順次大きくしながら繰返
し、予亀裂が進展した際の亀裂長さから、亀裂の進展に
必要な亀裂推進応力を求め、残留応力を加味してその温
度差に対応する熱応力に換算すると共に、応力拡大係数
を求める。欠陥サイズ決定工程（ステップ２）では、成
形部品と等質の複数個の試験片に対する曲げ強度試験を
行って破壊曲げ応力を求め、その破壊曲げ応力から成形
部品に内在する欠陥サイズ（等価亀裂長さ）の分布を推
定し、その分布から熱衝撃試験において排除する欠陥サ
イズを決定する。温度差決定工程（ステップ３，４）で
は、２つの工程において求められた熱応力と排除すべき
欠陥サイズとから、熱衝撃試験における最適な温度差を
求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばセラミックス部
品等の成形部品の保証試験として行われる熱衝撃試験に
おける温度差設定方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えばレーザ発振器においては、誘電体
セラミックス製の放電電極を用いることが行われてい
る。この種のセラミックス製放電電極は、大きな熱負荷
が発生して熱応力が繰返し加わる事情があり、大形で高
価である事情と併せて十分な信頼性を要求される部品と
なっている。一方、一般に、セラミックス製の部品は、
製造工程が多岐にわたり、また、定量化されていない傾
向が強く、人的な管理ミス等により許容範囲を越えた大
きさの欠陥を内在させたまま製品として出荷され、ひい
ては使用中に割れてしまう等のトラブルを招く虞があ
る。

【０００３】このため、この種のセラミックス部品等に
あっては、信頼性向上の観点から、許容範囲を越えた大
きさの欠陥を内在する部品を、保証試験を行ってスクリ
ーニングをかけることが必要となる。セラミックス部品
に内在する欠陥を検出する方法としては、Ｘ線ＣＴを利
用した非破壊検査や、超音波探傷，Ｘ線撮影等が考えら
れるが、いずれも検査コストがかかり過ぎ、また、検出
精度が十分でない欠点がある。そこで、比較的簡易で且
つ確実に欠陥を検査することができる保証試験として、
熱衝撃試験を採用することが考えられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】周知のように、この熱
衝撃試験は、加熱炉により部品を所定の加熱温度（例え
ば１５０℃）まで加熱し、その後、所定の冷却温度（例
えば常温）の冷水に浸漬することによって部品に熱衝撃
を与え、この際に発生する熱応力により部品が破損する
か否かを調べて、不良品（許容範囲を越えた大きさの欠
陥を内在する部品）を取除こうとするものである。

【０００５】ところが、この熱衝撃試験にあっては、熱
衝撃の適切な温度差（加熱温度と冷却温度との差）を設
定するための適当な手法が存在せず、従来ではその温度
差の設定が経験的に行われていた。このため、必ずしも
適切な温度差で熱衝撃試験が行われているとは限らず、
温度差が小さすぎて、許容範囲を越えた大きさの欠陥を
内在する部品でも、見逃して良品として出荷してしまっ
たり、逆に温度差が大きすぎて、本来許容できる小さな
欠陥であっても破損に至らせてしまったり、良品に対し
て寿命の低下を招くようなダメージを与えてしまったり
する不具合が生ずる。

【０００６】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、セラミックス部品等の成形部品に対
する保証試験として熱衝撃試験を行う際の、適切な温度
差を設定することができる熱衝撃試験における温度差設
定方法を提供するにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１の熱衝
撃試験における温度差設定方法は、セラミックス部品等
の成形部品の保証試験として、前記成形部品に対して熱
衝撃を与えることにより所定の大きさ以上の欠陥を有す
るものを排除するための熱衝撃試験を行う際の、前記熱
衝撃の温度差を予め設定するための方法であって、前記
成形部品と同等の供試体に対し、その表面に予亀裂を形
成した上で、熱衝撃を与えて前記予亀裂の進展を観察す
ることを温度差を順次大きくしながら繰返し、前記予亀
裂が進展した際の亀裂長さからその温度差に対応する熱
応力を推定し、この熱応力に基づいて前記熱衝撃試験に
おける熱衝撃の温度差を設定するようにしたところに特
徴を有するものである。

【０００８】この場合、前記予亀裂の長さを、前記成形
部品と等質の試験片に対する曲げ強度試験を行うことに
より得られた破壊曲げ応力から前記成形部品に内在する
欠陥サイズを推定した上で、その欠陥サイズよりも大き
くなるように設定することができる（請求項２の発
明）。

【０００９】また、本発明の請求項３の熱衝撃試験にお
ける温度差設定方法は、成形部品と同等の供試体に対
し、その表面に予亀裂を形成した上で、熱衝撃を与えて
前記予亀裂の進展を観察することを温度差を順次大きく
しながら繰返し、前記予亀裂が進展した際の亀裂長さか
らその温度差に対応する熱応力を推定する熱応力検出工
程と、前記成形部品に内在する欠陥サイズ分布を推定
し、前記熱衝撃試験において排除すべき欠陥サイズを決
定する欠陥サイズ決定工程と、前記熱応力検出工程によ
り求められた熱応力と前記欠陥サイズ決定工程により決
定された欠陥サイズとに基づいて、前記熱衝撃試験にお
ける温度差を決定する温度差決定工程とを実行するとこ
ろに特徴を有する。

【００１０】この場合、前記欠陥サイズ決定工程におい
ては、前記成形部品と等質の複数の試験片に対する曲げ
強度試験を行って破壊曲げ応力を求め、その破壊曲げ応
力から前記成形部品に内在する欠陥サイズ分布を推定す
ることが望ましい（請求項４の発明）。

【００１１】

【作用】セラミックス部品等の成形部品の保証試験とし
て、比較的簡易で低コストで行うことができ、確実に欠
陥を検査することができるといった点で、熱衝撃試験は
有効である。ところが、従来では、熱衝撃により発生す
る熱応力を定量的に推定することが不可能であると考え
られており、熱衝撃試験における温度差を理論的に設定
することができなかった。

【００１２】本発明者は、セラミックス部品等の成形部
品にあっては、内在する欠陥の先端を起点として亀裂が
進展することにより破損に至る特性を有し、また、熱衝
撃によって加わる応力は、欠陥の先端にピークを持つ分
布であり、且つ、応力が加わっている時間も短時間であ
り、欠陥の最も大きなところから亀裂進展が顕在化する
ことに着目し、顕微鏡等で観察可能な予亀裂に対する、
亀裂進展度合いと熱衝撃温度差とを求めることにより、
発生する熱応力を定量的に推定することが可能であるこ
とを確認し、本発明を完成させるに至ったのである。

【００１３】即ち、本発明の請求項１の熱衝撃試験にお
ける温度差設定方法によれば、成形部品と同等の供試体
に、予め大きさの分かっている欠陥としての予亀裂を形
成して亀裂が進展する部分を限定し、その予亀裂がどれ
くらいの温度差の熱衝撃を加えると、どれくらいの長さ
進展するかを求めるようにしている。ここで、亀裂の進
展長さは、応力が大きいほど大きくなり、また、亀裂長
さが大きいほど大きくなるような関数で示される。

【００１４】従って、ある温度差で、ある長さの亀裂進
展があった場合の亀裂推進応力を、計算により求めるこ
とができ、その亀裂推進応力から、供試体に残留してい
た残留応力を加味することにより、その熱衝撃温度差に
よって供試体に発生した熱応力を求めることができる。
この結果、供試体と同等の成形品において、前記温度差
の熱衝撃を与えることにより、どれくらいの熱応力が作
用するかを推定することができる。ここで、熱衝撃温度
差と発生する熱応力とは、比例関係にあると考えられる
ので、熱衝撃試験において成形部品に与えたい熱応力が
決まれば、その熱応力に対応した熱衝撃温度差を理論的
に求めることができるのである。

【００１５】ところで、上記予亀裂の進展から熱応力を
求めるにあたっては、供試体に内在する欠陥よりも先に
予亀裂の亀裂を進展させる必要から、予め供試体の表面
に形成する予亀裂の長さを、供試体に内在する欠陥の大
きさよりも大きくする必要がある。

【００１６】この場合、成形部品に曲げ応力が作用した
際に、破壊が発生するのは、曲げ荷重が作用した部分に
存在する欠陥のうち、最も大きな欠陥サイズのものか
ら、亀裂が進展して破壊に至ると考えられるので、成形
部品と等質の試験片に対する曲げ強度試験を行うことに
より得られた破壊曲げ応力から、成形部品に内在する欠
陥サイズを高精度で推定することができる。本発明の請
求項２の熱衝撃試験における温度差設定方法によれば、
そのようにして成形部品に内在する最大欠陥サイズを推
定するようにしたので、適切な予亀裂の長さを設定する
ことができる。

【００１７】一方、上述のようにして、熱衝撃温度差と
発生する熱応力との関係が求められたとしても、熱衝撃
試験において成形部品にどれくらいの熱応力を与える
か、言換えれば、どの程度までの大きさの欠陥サイズを
内在する成形部品を許容し、どの程度以上の大きさの欠
陥サイズを内在する成形部品を不良品として排除するか
が問題となる。

【００１８】本発明の請求項３の熱衝撃試験における温
度差設定方法によれば、熱応力検出工程において、上述
と同様にある熱衝撃温度差により発生する熱応力を推定
することができる。そして、欠陥サイズ決定工程におい
て排除すべき欠陥サイズが決定されるのであるが、その
決定は、成形部品に内在する欠陥サイズ分布を推定する
ことに基づいて行われるので、適切な欠陥サイズを決定
することができる。温度差決定工程においては、それら
熱応力と欠陥サイズとに基づいて、適切な熱衝撃試験に
おける温度差が決定されるのである。尚、このとき、熱
応力検出工程と欠陥サイズ決定工程とを実行する順序
は、どちらが先でどちらが後になっても構わない。

【００１９】この場合、上述のように、成形部品と等質
の試験片に対する曲げ強度試験を行うことにより得られ
た破壊曲げ応力から、成形部品に内在する欠陥サイズを
高精度で推定することができるから、上記欠陥サイズ決
定工程における、成形部品に内在する欠陥サイズ分布の
推定を、前記成形部品と等質の複数の試験片に対する曲
げ強度試験を行って破壊曲げ応力を求め、これに基づい
て欠陥サイズ分布の推定を行うようにすれば（請求項４
の発明）、高精度で確実に欠陥サイズ分布を推定するこ
とができる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明をレーザ発振器の放電電極に用
いられる誘電体セラミックス部品の熱衝撃試験に適用し
た一実施例（請求項１，３，４に対応）について、図面
を参照しながら説明する。

【００２１】まず、成形部品としてのセラミックス部品
１について簡単に触れておく。このセラミックス部品１
は、図２に示すように、横長のほぼ矩形状の断面を有
し、長手方向に貫通する３個の穴１ａを有している。ち
なみに、断面の高さ寸法は２８mm、断面の幅寸法は１１
０mmであり、全長は１２００mmである。

【００２２】このセラミックス部品１は、例えば石膏型
内に、穴１ａに相当する中子を配置し、原料泥漿を流込
んで得られる周知の鋳込成形により成形され、この離型
後、乾燥，焼成等の工程を経て得られるようになってい
る。材質は、例えばアルミナセラミックスＡＤ８９（東
芝セラミックス（株）製）であり、約９７％のアルミナ
と、残部に若干量のムライトとを含んで構成されてい
る。

【００２３】また、このセラミックス部品１の３点曲げ
強度（ＪＩＳ）は概ね２４．５ｋｇ／mm2 、破壊靭性値
ＫIc、及び、材料の亀裂進展が開始する応力拡大係数Ｋ
Ith（しきい値）は、

【数１】 である。尚、この値は後述する欠陥サイズの検出などに
利用される。

【００２４】この種のセラミックス部品１は、使用時に
大きな熱負荷が発生して熱応力が繰返し加わる事情があ
り、大形で高価である事情と併せて十分な信頼性を要求
される部品であり、信頼性向上の観点から、許容範囲を
越えた大きさの欠陥を内在するセラミックス部品１を、
保証試験を行ってスクリーニングをかけることが行われ
る。この保証試験として、比較的簡易で且つ確実に欠陥
を検査することができる熱衝撃試験が採用される。

【００２５】周知のように、この熱衝撃試験は、セラミ
ックス部品１を加熱炉内に収容して所定温度Ｔの高温状
態とし、セラミックス部品１全体が均一の高温となった
後、図３に示すように、そのセラミックス部品１を、常
温（２０℃）の水Ｗを収容した水槽２中にやや傾斜させ
ながら速やかに浸漬して、所定温度差ΔＴの熱衝撃を与
えることにより行われる。そして、熱衝撃により破損が
生じたものが、許容範囲を越えた大きさの欠陥を内在す
る不良品として排除され、良品のみが使用に供されるの
である。

【００２６】さて、このような熱衝撃試験にあっては、
熱衝撃の適切な温度差ΔＴ（加熱温度と冷却温度（常
温）との差）を設定する必要がある。なぜならば、温度
差ΔＴが小さすぎると、許容範囲を越えた大きさの欠陥
を内在するセラミックス部品１でも、見逃して良品とし
て出荷してしまったり、逆に温度差ΔＴが大きすぎる
と、本来許容できる小さな欠陥であっても破損に至らせ
てしまったり、良品に対して寿命の低下を招くようなダ
メージを与えてしまったりする不具合が生ずるからであ
る。

【００２７】そこで、本実施例では、以下に述べるよう
な方法により、熱衝撃試験を行う際の熱衝撃の温度差Δ
Ｔを予め設定するようにしている。この熱衝撃の温度差
ΔＴの設定は、大きく分けて、図１に示すように、
（１）熱応力検出工程（ステップ１）、（２）欠陥サイ
ズ決定工程（ステップ２）、（３）温度差決定工程（ス
テップ３，４）、の３つの工程により行われる。以下、
これらの工程について、実際の実験データと併せて、順
に詳述する。

【００２８】（１）熱応力検出工程（ステップ１） この熱応力検出工程では、成形部品と同等の供試体
（この場合セラミックス部品１のうちの２本）に対し、
例えばビッカース圧痕を利用してその表面に予亀裂Ｃを
形成した上で、熱衝撃を与えて前記予亀裂Ｃの進展を
観察することを温度差Δｔｉを順次大きくしながら予亀
裂Ｃが進展するまで繰返し、前記予亀裂Ｃが進展した
際の亀裂進展開始温度差Δｔ及び亀裂長さａから、亀裂
の進展に必要な亀裂推進応力σｄを求め、前記ビッカー
ス圧痕による残留応力σｒを加味してその温度差Δｔに
対応する熱応力σｔに換算すると共に、亀裂先端での応
力拡大係数Ｋｔを求める、ことが行われる。また、求
めた熱応力σｔを１００℃あたりの熱応力σｔ(100) に
換算することが行われる。

【００２９】予亀裂Ｃの形成 前記セラミックス部品１の上下両面を機械加工（研磨）
して供試体とし、ビッカース圧痕を利用して表面及び裏
面の均一に分散した位置に夫々６個の予亀裂Ｃを形成し
た。尚、この場合、ビッカース荷重を１０ｋｇに設定し
た。予亀裂Ｃは、図４に示すように、菱形の圧痕部分か
ら、横方向（Ｘ方向）及び縦方向（Ｙ方向）に十文字に
延びるように形成される。先端部間の長さを、亀裂長さ
ａの２倍（２ａ）として取扱うようにした。この場合、
長さ２ａは、０．３〜０．５mmの範囲内とされる。

【００３０】熱衝撃付与及び亀裂の観察 まず、上記予亀裂Ｃにカラーチェック浸透液を浸透させ
て、顕微鏡（例えば５０〜１００倍）を用いて予亀裂Ｃ
の長さａ（２ａ）を測定した。その上で、供試体に対し
て、上記した熱衝撃試験と同様な方法（高温状態からの
急水冷）により熱衝撃を与え、乾燥後、やはりカラーチ
ェック浸透液を用いてその亀裂長さａを観察した。この
場合、熱衝撃の付与を、初めに例えば温度差Δｔｉ＝８
０℃で行い、温度差Δｔｉを例えば１０℃ずつ大きくし
ながら、予亀裂Ｃに進展があったと観察できるまで上記
試験を繰返した。これにて、予亀裂Ｃが進展する温度差
Δｔが求められる。

【００３１】図５（ａ），（ｂ）には、実際の試験（１
２点）において得られた、温度差Δｔｉに対する亀裂長
さ２ａの変化状態のうち、代表的な２例を図示してい
る。この結果、温度差Δｔｉが大きくなるにつれ、亀裂
長さａが徐々に長くなっており、亀裂進展開始温度差Δ
ｔは、平均１１６℃、亀裂進展長さΔａは、数１０μｍ
程度であった。

【００３２】熱応力σｔの推定 このようにして供試体に熱衝撃を与えた際に発生する熱
応力σｔは、亀裂の進展に必要な亀裂推進応力σｄか
ら、前記ビッカース圧痕により元々存在する残留応力σ
ｒを削除したものである。従って、両者を算出すれば、
温度差Δｔにより発生する熱応力σｔを求めることがで
きる。

【００３３】まず、これまでの研究により、静疲労の亀
裂進展と、繰返し疲労の亀裂進展とが次の式で表され
る。静疲労亀裂進展特性は、

【数２】 繰返し亀裂進展特性は、

【数３】

【００３４】ここで、ＣｔとＣｎとの関係は、

【数４】

【００３５】この場合、予め予亀裂Ｃを形成して亀裂が
進展する部分を限定しているため、有効体積を考慮する
必要がなく、有効負荷時間を考慮すれば良い。従って、
亀裂推進応力σｄは、

【数５】 で表される。

【００３６】ここで、

【数６】 である。従って、

【数７】 が得られる。

【００３７】実験により得られた亀裂推進応力σｄは、

【数８】 で求めることができる。

【００３８】次に、亀裂先端での残留応力について考え
る。予亀裂Ｃは、ビッカース圧痕を利用して強制的に形
成しているため、予亀裂Ｃの先端には残留応力σｒが存
在する。この残留応力σｒは、ビッカース圧子押込み荷
重除去後にも圧痕の稜周りの塑性変形に起因して残存す
る引張応力である。従って、水中急冷時の亀裂先端での
亀裂推進応力σｄによる応力拡大係数Ｋｄは、亀裂先端
に加わる熱応力σｔによる亀裂拡大係数Ｋｔと、亀裂先
端の残存応力σｒによる亀裂拡大係数Ｋｒとの和と考え
られる。 Ｋｄ＝Ｋｔ＋Ｋｒ …（９）

【００３９】予亀裂Ｃ先端での残留応力σｒによる亀裂
拡大係数Ｋｒは次式で与えられる。

【数９】

【００４０】そこで、ζは、ＩＦ法による破壊靭性値Ｋ
Icと、予亀裂材の３点曲げによる破壊靭性値ＫIbとの差
より、

【数１０】 のように求めることとした。

【００４１】従って、予亀裂Ｃ先端での残留応力σｒ
は、

【数１１】 として求めることができることになる。

【００４２】ところが、この実験での急水冷時の発生熱
応力σｔによる応力拡大係数Ｋｔは、

【数１２】 である。従って、発生熱応力σｔは、

【数１３】 として求めることができる。

【００４３】１００℃あたりの熱応力σｔ(100) への
換算熱衝撃温度差と発生する熱応力とは、比例関係にあ
ると考えられる。温度差を１００℃とした場合の熱応力
σｔ(100) に換算すると、 σｔ(100) ＝（σｄ−σｒ）×１００／Δｔ …（１５）

【００４４】熱衝撃により亀裂が進展する亀裂面での垂
直応力に換算すると、相当垂直応力Ｚは、

【数１４】 であるが、σｘ，σｙが主応力方向と一致していると仮
定すれば、σｘ＝σ1 、σｙ＝σ2 、τxy＝０であり、

【数１５】 となり、相当垂直応力Ｚｔを求めることができる。

【数１６】

【００４５】従って、熱衝撃温度差Δｔｉで発生する亀
裂推進応力Ｚｄは、セラミックス部品１表面の残留応力
Ｚｒと熱衝撃によって発生する熱応力Δｔｉとの和であ
る。 Ｚｄ＝Ｚｔｉ＋Ｚｒ …（２０） このとき、亀裂長さａｉでの応力拡大係数ＫIiは、

【数１７】 である。従って、ＫIi値と熱衝撃試験の基準値ＫIcとの
比較により、亀裂進展の良否を判定し、不良品のピック
アップを行うことができるのである。

【００４６】ちなみに、今回の実験では、亀裂推進応力
は、１８０〜２３０ＭＰａであり、観測できる最小長さ
の亀裂の進展を実現し得る応力拡大係数ＫI （しきい
値）は、

【数１８】 である。

【００４７】ここで、応力拡大係数ＫI （しきい値）の
供試体上の場所依存度を図６に示す。供試体上の予亀裂
（圧痕）形成位置に拘らず、亀裂が進展し得る応力拡大
係数ＫI は一定であり、局所的な異常は見当たらないと
言える。また、供試体上で計算した、亀裂推進応力、残
留応力、熱応力の分布を図７に示す。熱応力は、供試体
上の位置に拘らず、ほぼ一定であることが分かる。尚、
予亀裂Ｃにおける残留応力は、３０〜９０ＭＰａであ
る。

【００４８】図８は、温度差Δｔｉで発生する熱応力の
平均値を示すものである。温度差１００℃で発生する熱
応力Ｚｔ(100) の平均値は１２７．４ＭＰａであり、温
度差によって比例すると考えられる。図９は、計算した
熱応力をワイブル分布で表したものである。残留応力
は、一般的なオーダーとほぼ一致し、熱衝撃時に発生し
た熱応力（＝亀裂推進応力−残留応力）は、以上の値の
結果より、ほぼ妥当なものと考えられる。

【００４９】（２）欠陥サイズ決定工程（ステップ２） この欠陥サイズ決定工程においては、セラミックス部
品１と等質の複数個の試験片に対する曲げ強度試験を行
って破壊曲げ応力σｆを求め、その破壊曲げ応力σｆ
からセラミックス部品１に内在する欠陥サイズ（等価亀
裂長さａｉ）の分布を推定し、その欠陥サイズ分布か
ら、熱衝撃試験において排除する欠陥サイズａｏを決定
することが行われる。

【００５０】曲げ強度試験 前記セラミックス部品１と等質の多数個の試験片を製作
し、ＪＩＳＲ１６０１に準拠して３点曲げ強度試験を行
って、破壊曲げ応力σｆ［ＭＰａ］を求めた。実試験で
は、１３９個の試験片に関するデータが得られた。

【００５１】欠陥サイズ分布の推定 試験片に曲げ応力が作用した際に破壊が発生するのは、
曲げ荷重が作用した部分に内在する欠陥のうち、最も大
きな欠陥サイズのものから、亀裂が進展して破壊に至る
ためであると考えられる。従って、上記試験で得られた
破壊曲げ応力σｆから、逆に内在する欠陥サイズを推定
することが可能となる。

【００５２】そこで、内在する欠陥の等価亀裂長さをａ
ｉとしたとき、破壊靭性値をＫIc、曲げ試験の定数をφ
とすると、

【数１９】 である。従って、

【数２０】 となる。

【００５３】ここで、上述のように破壊靭性値ＫIcは判
明しており、また、定数φも既知の値である。ＫIc＝
３．３、φ＝０．６４５とすると、

【数２１】 である。

【００５４】今回の実験では、等価亀裂長さａｉのデー
タが１３９点得られた。これらのデータをヒストグラム
で整理した結果を図１０に示す。内在する欠陥は、０．
１１〜０．２７mmの範囲で存在した。平均値は０．１７
１mm、標準偏差は０．０３２mmであった。欠陥は比較的
大きく、ムライトの偏析に起因しているものと考えられ
る。

【００５５】熱衝撃試験において排除する欠陥サイズ
ａｏの決定 上記のようにして欠陥サイズ分布を推定することがで
き、破壊確率に基づいた検出レベルを設定することがで
きる。例えば大きいほうから１０％の欠陥を抽出しよう
とすれば、破壊確率１０％に相当する等価亀裂長さを、
抽出（排除）すべき欠陥サイズａｏとして扱えば良い。
実際の実験では、排除すべき欠陥サイズ（等価亀裂長
さ）ａｏは、例えば０．２３mmと決定される。

【００５６】（３）温度差決定工程（ステップ３，４） 上記２つの工程において求められた熱応力Ｚｔと排除す
べき欠陥サイズａｏとから、熱衝撃試験における温度差
ΔＴを求めることができる。ここでは、まず熱衝撃試験
で許容できる応力拡大係数ＫIoを決定し（ステップ
３）、この応力拡大係数ＫIoに基づいて温度差ΔＴを求
めるようにしている（ステップ４）。

【００５７】ここで、熱衝撃試験においては、急激な冷
却となるため、図１１に示すように負荷時間が非常に短
い（数秒〜数１０秒程度）特徴がある。また、亀裂の進
展は、欠陥の先端を起点として起こるため、図１２に示
すように、亀裂の先端での応力集中は大であるが、亀裂
がわずかに進展して負荷時間が終了すれば、その進展が
停止すると考えられる。従って、熱衝撃による負荷は、
一様な荷重負荷に比べて軽い負荷と考えることができ
る。

【００５８】上述の（２２）式で示したように、観測で
きる最小長さの亀裂の進展を実現し得る応力拡大係数Ｋ
I （しきい値）は、３．２であった。これに対し、上述
の（１）式で示したように、材料の亀裂進展が開始する
応力拡大係数ＫIth （しきい値）は、２．２であり、ま
た、瞬時破壊につながる限界拡大係数（破壊靭性値）Ｋ
Icは、３．３である。これらの値を比較すると、熱衝撃
試験で観測可能な亀裂進展の応力拡大係数ＫI （見かけ
のしきい値）は、ＫIth に近い値ではなく、ＫIcに近い
値である。このことから、熱衝撃試験における応力負荷
が、一様な負荷分布とは比較し得ないくらい軽い負荷状
態であることが説明できる。

【００５９】さて、熱衝撃試験における見かけ上のしき
い値の応力拡大係数ＫI は、３．２であるが、この値を
負荷応力とした場合、亀裂の進展を観察することが困難
となる。従って、負荷の基準値としては、ＫI よりもα
だけ大きい値を考える必要がある。仮に、α＝０．２と
すれば、

【数２２】 である。

【００６０】欠陥サイズａｏにおいて、応力拡大係数Ｋ
Ioに相当する発生応力Ｚｏは、

【数２３】 として計算することができる。

【００６１】熱衝撃試験時のＺｄ＝Ｚｏとして、熱応力
Ｚｔを推定すると、（但し素材の残留応力をＺｒとす
る） Ｚｔ＝Ｚｄ−Ｚｒ …（２８） であり、試験温度に換算すると、 ΔＴ＝Ｚｔ／Ｚｔ(100) ×１００ …（２９） である。尚、今回の実験では、上述のように、温度差１
００℃で発生する熱応力Ｚｔ(100) は１２７．４ＭＰａ
である。

【００６２】以上によって、適切な熱衝撃試験の温度差
ΔＴを求めることができるものである。この温度差ΔＴ
に基づいて熱衝撃試験を実行することにより、セラミッ
クス部品１に内在する欠陥が等価亀裂長さａｏ以上の大
きなものでは、亀裂進展が顕在化され、不良品であるこ
とが容易に判明し、これを排除することができる。一
方、等価亀裂長さａｏよりも小さいサイズの欠陥に関し
ては、亀裂進展の度合いが極めて小さく、熱衝撃による
ダメージは、実使用時の寿命に何ら影響を与えることが
ない程度の極く小さいものとなる。従って、製造された
セラミックス部品１の全数に対して熱衝撃試験を行うこ
とも可能となるものである。

【００６３】このように本実施例によれば、従来のよう
な熱衝撃試験の温度差の設定を経験的に行うものと異な
り、熱応力検出工程において、熱衝撃により発生する熱
応力を定量的に推定することが可能となった。この結
果、セラミックス部品１に対する保証試験として熱衝撃
試験を行う際の、セラミックス部品１に与えたい熱応力
に対応した、適切な温度差を設定することができるよう
になるものである。

【００６４】そして、特に本実施例では、欠陥サイズ決
定工程において、セラミックス部品１と等質の試験片に
対する曲げ強度試験を行うことにより得られた破壊曲げ
応力から、セラミックス部品１に内在する欠陥サイズを
高精度で推定することができるから、排除すべき欠陥サ
イズを適切に決定することができ、ひいては、熱衝撃試
験における温度差を最適なものとすることができるもの
である。

【００６５】尚、上記実施例では、熱応力検出工程を先
に説明しその後に欠陥サイズ決定工程を説明したが、こ
れら工程を実行する順序は、どちらが先でどちらが後に
なっても構わない。この場合、欠陥サイズ決定工程を先
に実行すると、成形部品の欠陥サイズが既に推定されて
いるものであるから、熱応力検出工程において予亀裂を
形成する際に、成形部品に内在する欠陥よりも大きな適
切な長さの予亀裂を形成することができる。

【００６６】また、上記実施例では、熱応力検出工程に
おいて熱衝撃を与える際に、１０度きざみで温度差を上
げていったが、例えば５℃きざみ等温度差をもっと細か
く変化させていってもよく、また、この熱衝撃を与える
ための媒体（冷却媒体）としても、水以外に、油や、液
体窒素等を用いるようにしても良く、さらには、供試体
を常温などの冷却状態としておいた後に急加熱すること
により、熱衝撃を与えるようにすることも可能である。
その他、例えばレーザ発振器用のセラミック製放電電極
に限らず各種の成形部品に適用することができるなど、
本発明は要旨を逸脱しない範囲内で、適宜変更して実施
し得るものである。

【００６７】

【発明の効果】以上の説明にて明らかなように、本発明
によれば、次のような優れた効果をそうするものであ
る。即ち、本発明の請求項１の熱衝撃試験における温度
差設定方法によれば、成形部品と同等の供試体に、予め
大きさの分かっている欠陥としての予亀裂を形成して亀
裂が進展する部分を限定し、その予亀裂がどれくらいの
温度差の熱衝撃を加えると、どれくらいの長さ進展する
かを求めることにより、その熱衝撃温度差によって供試
体に発生した熱応力を検出し、その熱応力に基づいて温
度差を設定するようにしたので、熱衝撃温度差に対応し
た熱応力を理論的に求めることができ、セラミックス部
品等の成形部品に対する保証試験として熱衝撃試験を行
う際の、適切な温度差を設定することができるものであ
る。

【００６８】この場合、予め供試体の表面に形成する予
亀裂の長さを、供試体に内在する欠陥の大きさよりも大
きくする必要があるが、本発明の請求項２の熱衝撃試験
における温度差設定方法によれば、成形部品と等質の試
験片に対する曲げ強度試験を行うことにより得られた破
壊曲げ応力から、成形部品に内在する欠陥サイズを高精
度で推定するようにしたので、適切な予亀裂の長さを設
定することができるものである。

【００６９】本発明の請求項３の熱衝撃試験における温
度差設定方法によれば、ある熱衝撃温度差により発生す
る熱応力を推定する熱応力検出工程と、排除すべき欠陥
サイズを決定する欠陥サイズ決定工程と、熱衝撃試験に
おける温度差を決定する温度差決定工程とを実行するよ
うにしたので、熱応力と欠陥サイズとに基づいて、熱衝
撃試験における最適な温度差を設定することができる。

【００７０】この場合、上記欠陥サイズ決定工程におけ
る、成形部品に内在する欠陥サイズ分布の推定を、前記
成形部品と等質の複数の試験片に対する曲げ強度試験を
行って破壊曲げ応力を求め、これに基づいて欠陥サイズ
分布の推定を行うようにすれば（請求項４の熱衝撃試験
における温度差設定方法）、高精度で確実に欠陥サイズ
分布を推定することができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すもので、温度差設定の
工程を順に示す図

【図２】セラミックス部品の縦断正面図

【図３】熱衝撃試験の様子を概略的に示す図

【図４】ビッカース圧痕により形成された予亀裂を示す
平面図

【図５】熱応力検出工程における温度差と亀裂長さとの
関係の２つの具体例を示す図

【図６】供試体における予亀裂形成位置と応力拡大係数
との関係を示す図

【図７】亀裂推進応力と残留応力と熱応力との関係を示
す図

【図８】温度差と発生する熱応力との関係を示す図

【図９】熱応力をワイブル分布で示す図

【図１０】曲げ強度試験により得られた等価亀裂長さの
分布を示す図

【図１１】熱衝撃試験における温度履歴を示す図

【図１２】熱衝撃試験における位置と応力との関係を示
す図

【符号の説明】

図面中、１はセラミックス部品（成形部品）、Ｃは予亀
裂を示す。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックス部品等の成形部品の保証試
   験として、前記成形部品に対して熱衝撃を与えることに
   より所定の大きさ以上の欠陥を有するものを排除するた
   めの熱衝撃試験を行う際の、前記熱衝撃の温度差を予め
   設定するための方法であって、 前記成形部品と同等の供試体に対し、その表面に予亀裂
   を形成した上で、熱衝撃を与えて前記予亀裂の進展を観
   察することを温度差を順次大きくしながら繰返し、前記
   予亀裂が進展した際の亀裂長さからその温度差に対応す
   る熱応力を推定し、この熱応力に基づいて前記熱衝撃試
   験における熱衝撃の温度差を設定するようにしたことを
   特徴とする熱衝撃試験における温度差設定方法。
2. 【請求項２】 前記予亀裂の長さは、前記成形部品と等
   質の試験片に対する曲げ強度試験を行うことにより得ら
   れた破壊曲げ応力から前記成形部品に内在する欠陥サイ
   ズを推定した上で、その欠陥サイズよりも大きくなるよ
   うに設定されることを特徴とする請求項１記載の熱衝撃
   試験における温度差設定方法。
3. 【請求項３】 セラミックス部品等の成形部品の保証試
   験として、前記成形部品に対して熱衝撃を与えることに
   より所定の大きさ以上の欠陥を有するものを排除するた
   めの熱衝撃試験を行う際の、前記熱衝撃の温度差を予め
   設定するための方法であって、 前記成形部品と同等の供試体に対し、その表面に予亀裂
   を形成した上で、熱衝撃を与えて前記予亀裂の進展を観
   察することを温度差を順次大きくしながら繰返し、前記
   予亀裂が進展した際の亀裂長さからその温度差に対応す
   る熱応力を推定する熱応力検出工程と、 前記成形部品に内在する欠陥サイズ分布を推定し、前記
   熱衝撃試験において排除すべき欠陥サイズを決定する欠
   陥サイズ決定工程と、 前記熱応力検出工程により求められた熱応力と前記欠陥
   サイズ決定工程により決定された欠陥サイズとに基づい
   て、前記熱衝撃試験における温度差を決定する温度差決
   定工程とを実行することを特徴とする熱衝撃試験におけ
   る温度差設定方法。
4. 【請求項４】 前記欠陥サイズ決定工程においては、前
   記成形部品と等質の複数の試験片に対する曲げ強度試験
   を行って破壊曲げ応力を求め、その破壊曲げ応力から前
   記成形部品に内在する欠陥サイズ分布を推定することを
   特徴とする請求項３記載の熱衝撃試験における温度差設
   定方法。