JPH09264815A

JPH09264815A - 複合材料の強度測定方法及びその装置

Info

Publication number: JPH09264815A
Application number: JP8074010A
Authority: JP
Inventors: Makoto Katagiri; 誠片桐; Hideki Sekine; 英樹関根
Original assignee: Chichibu Onoda Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 1996-03-28
Filing date: 1996-03-28
Publication date: 1997-10-07

Abstract

(57)【要約】【課題】実際に試験片を製作せずに複合材料の強度測
定を行う。【解決手段】該脆弱な粒子の含有率及び粒径並びにマ
トリックスの破壊靭性値から実物の試験片と同質な仮想
試験片を発生させる試験片発生行程と：該仮想試験片に
荷重をかけて全ての脆弱な粒子の応力拡大係数を検出す
る弾性解析行程と；該弾性解析行程で求めた全ての応力
拡大係数中の最大値を検出する最大応力拡大係数検出行
程と；該最大応力拡大係数行程で求めた最大応力係数と
マトリックスの破壊靱性値から仮想試験片の強度を算出
する強度計算行程と；を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は複合材料、例え
ば、金属炭化物等の粒子を分散させた超硬合金やサーメ
ットなどの粒子分散複合材料、天然骨材や人工骨材を含
むコンクリートの強度を測定するための方法及び装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】切削工具用の材料として超硬合金やサー
メットが用いられているが、これらの材料は、金属をマ
トリックスとして金属炭化物等の粒子を混在せしめるこ
とにより、高硬度、高剛性、高靭性などの優れた機械的
特性を発揮するものである。

【０００３】これらの機械的特性には、マトリックス特
性や分散粒子の特性、形状及び含有率などの構成要素が
密接に関与している。特に、超硬合金やサーメットで
は、僅かな合金炭素量の変化によって、イータ相（η−
ｐｈａｓｅ）や遊離炭素相（ｆｒｅｅ−Ｃ）などと呼ば
れる脆弱な反応生成粒子、所謂、脆弱相が生成するた
め、曲げ強度等の機械的特性のばらつきが発生する。合
金炭素量の変化は、材料の形状や焼結行程時の焼結炉内
雰囲気にも影響されるため、合金炭素量のばらつきを回
避するのは困難である。

【０００４】そこで、このような材料の強度を測定しな
ければならない。従来、この強度の測定は、例えば、Ｊ
ＩＳＲ１６０１に基づき、試験片を実際に製作し、該
試験片を試験機にセットして試験荷重をかけ、所謂曲げ
試験を行って実測している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の試験方法には、
次の様な問題がある。（１）研削等の機械加工により試験片を製作しなければ
ならないので、強度の測定に多くの時間を要するばかり
でなく、強度の分布、ばらつきを調べるためには多数の
試験片が必要となり膨大な時間と労力が必要となり、極
めて非効率的である。

【０００６】（２）複合材料の寸法が、ＪＩＳに規定す
る試験片の寸法より小さい場合には、規格通りの試験片
を準備することができないことになるので、試験は不可
能となる。

【０００７】この発明は、上記事情に鑑み、実際に試験
片を製作せずに複合材料の強度測定を行うことを目的と
する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、脆弱な粒子
を含む複合材料の強度測定方法であって；該脆弱な粒子
の含有率及び粒径並びにマトリックスの破壊靭性値から
実物の試験片と同質な仮想試験片を発生させることを特
徴とする複合材料の強度測定方法、である。

【０００９】この発明は、脆弱な粒子を含む複合材料の
強度測定方法であって；該脆弱な粒子の含有率及び粒径
並びにマトリックスの破壊靭性値から実物の試験片と同
質な仮想試験片を発生させる試験片発生行程と：該仮想
試験片に荷重をかけて全ての脆弱な粒子の応力拡大係数
を検出する弾性解析行程と；該弾性解析行程で求めた全
ての応力拡大係数中の最大値を検出する最大応力拡大係
数検出行程と；該最大応力拡大係数行程で求めた最大応
力係数とマトリックスの破壊靱性値から仮想試験片の強
度を算出する強度計算行程と；を備えていることを特徴
とする複合材料の強度測定方法、である。

【００１０】この発明は、脆弱な粒子を含む複合材料の
強度測定方法であって；該脆弱な粒子の含有率及び粒径
並びにマトリックスの破壊靭性値から実物の試験片と同
質な仮想試験片を発生させる試験片発生行程と：該仮想
試験片に荷重をかけて全ての脆弱な粒子の応力拡大係数
を検出する弾性解析行程と；該弾性解析行程で求めた全
ての応力拡大係数中の最大値を検出する最大応力拡大係
数検出行程と；該最大応力拡大係数行程で求めた最大応
力係数とマトリックスの破壊靱性値から仮想試験片の強
度を算出する強度計算行程と；該強度計算行程で求めた
強度を表示器に表示せしめる表示行程と；を備えている
ことを特徴とする複合材料の強度測定方法、である。

【００１１】この発明は、脆弱な粒子を含む複合材料の
強度測定装置であって；該脆弱な粒子の含有率及び粒度
並びにマトリックスの破壊靭性値とから実物の試験片と
同質な仮想試験片を発生させる試験片発生装置を備えて
いることを特徴とする複合材料の強度測定装置、であ
る。

【００１２】この発明は、脆弱な粒子を含む複合材料の
強度測定装置であって；該脆弱な粒子の含有率及び粒度
並びにマトリックスの破壊靭性値とから実物の試験片と
同質な仮想試験片を発生させる試験片発生装置と；該仮
想試験片に荷重をかけて全ての脆弱な粒子の応力拡大係
数を検出する弾性解析装置と；該弾性解析行程で求めた
全ての応力拡大係数中の最大値を検出する最大応力拡大
係数検出装置と；該最大応力拡大係数行程で求めた最大
応力係数とマトリックスの破壊靱性値から仮想試験片の
強度を算出する強度計算装置と；を備えていることを特
徴とする複合材料の強度測定装置、である。

【００１３】この発明は、脆弱な粒子を含む複合材料の
強度測定装置であって；該脆弱な粒子の含有率及び粒度
並びにマトリックスの破壊靭性値とから実物の試験片と
同質な仮想試験片を発生させる仮想試験片発生装置と；
該仮想試験片に荷重をかけて全ての脆弱な粒子の応力拡
大係数を検出する弾性解析装置と；該弾性解析行程で求
めた全ての応力拡大係数中の最大値を検出する最大応力
拡大係数検出装置と；該最大応力拡大係数行程で求めた
最大応力係数とマトリックスの破壊靱性値から仮想試験
片の強度を算出する強度計算装置と；該強度計算行程で
求めた強度を表示器に表示せしめる表示装置と；を備え
ていることを特徴とする複合材料の強度測定装置、であ
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明者は、複合材料に生じた脆
弱相に関する情報、マトリックスの機械的特性に関する
情報等の複合材料の構成要素から材料強度を簡単に算出
できるのではないか、と考え研究を重ねた結果、前記構
成要素と複合材料の強度との関係を解明することができ
た。

【００１５】そこで、本発明者はその解明に基づいて試
験片を実際に製作しなくても理論的に複合材料の強度を
求めることができることに気がつき、複合材料の強度測
定方法とその装置を開発するに至った。

【００１６】本発明の複合材料の強度測定方法は、実際
に試験片を製作せずに、この試験片に相当する概念上の
試験片、即ち、仮想試験片をコンピュータ内に発生さ
せ、その試験片の強度を理論的に求めるものである。

【００１７】複合材料の強度を測定する装置は、図１に
示す様に、入力装置１、脆弱相発生装置２、試験片発生
装置３、弾性解析装置４、最大応力拡大係数検出装置
５、強度試験装置６及び出力装置７、からなる。以下、
各装置１〜７についてそれぞれ説明する。

【００１８】入力装置１はマトリックスの破壊靭性値及
び複合材料、例えば、超硬合金やサーメットなどの組成
又は脆弱相の含有率及び脆弱相の粒径をコンピュータＣ
ＯＭに入力する装置である。これらの入力データは、実
測又は計算により求められる。なお、入力には、例え
ば、キーボードが用いられる。

【００１９】脆弱相発生装置２は、複合材料の組成から
脆弱相の含有率および粒径を計算する装置である。計算
は化学量論に基づいて物質の収支から脆弱相の生成方程
式を予め導出しておき、複合材料の組成から生成する脆
弱相量を求める方法で行う。

【００２０】例えば、炭化バナジウムおよび炭化クロム
を含む超硬合金では、それぞれの金属元素の炭化反応を
あわせて記述することにより、下記式１の様な物質収支
方程式が得られる。

【００２１】

【数５】

【００２２】式１において、Ｐｗを含んでいる上側の式
は、過少な炭素量の状態を示し、又、Ｐｃを含んでいる
下側の式は、過多な炭素量の状態を示す。

【００２３】（Ｂ1〜Ｂ5）は、原料元素のモル比を表わ
した行列であり、Ｂ1＝Ｗ、Ｂ2＝Ｃｏ、Ｂ3＝Ｃ、Ｂ4＝
Ｖ、Ｂ5＝Ｃｒ、である。（Ｃ1〜Ｃ5）、及び（Ｃ1〜Ｃ
4、Ｃ6）は生成物質のモル比を表わした行列であり、Ｃ
1＝ＷＣ、Ｃ2＝Ｃｏ、Ｃ3＝ＶＣ、Ｃ4＝Ｃｒ3Ｃ2、Ｃ5
＝イータ相（脆弱相）、Ｃ6＝遊離炭素相（脆弱相）で
ある。

【００２４】ＰｃはＢ2（Ｃｏ）に対するＢ1（Ｗ）の溶
解度であり、ＰｗはＢ2（Ｃｏ）に対するＢ3（Ｃ）の溶
解度である。この溶解度Ｐｃ、Ｐｗは次の様に定める。
即ち、系が炭素不足のときは、Ｂ１（Ｗ）が最大Ｐｗだ
けＢ2（Ｃ）が最大ＰｃだけＢ2（Ｃｏ）に固溶できるも
のとする。

【００２５】このＰｃ、Ｐｗは、文献値などにより与え
られているが、イータ相（η−ｐｈａｓｅ）及び遊離炭
素相（ｆｒｅｅ−Ｃ）の出現合金炭素量を前記式１に代
入することにより求めることもできる。

【００２６】この脆弱相発生装置２は、前記式１の物質
収支方程式を解くことにより、脆弱相量（Ｃ5、Ｃ6）を
出力する。なお、この式１の代わりに、本装置２に合金
組成を入力しても脆弱相量（Ｃ5、Ｃ6）を出力すること
ができる。

【００２７】また、本装置２の入力部に重量比−モル比
変換部を組み入れてもよく、この場合は直接重量比が入
力できるようにする。

【００２８】脆弱相の粒径は、予め炭素量と脆弱相の粒
径分布との関係を実測しておき、その関係から脆弱相の
粒度分布を求める。

【００２９】なお、脆弱相の含有率および粒度分布が予
め判っているときは、これらの値の信号を直接試験片発
生装置３に入力する構成としても良い。

【００３０】試験片発生装置３は、線形合同法などによ
って発生された乱数をもとに脆弱相を含んだ試験片を発
生する装置であり、例えば、図２に示す様に、ＪＩＳ
Ｒ１６０１に基づいた直方体の曲げ試験片１０を発生さ
せる。この試験片１０は前記データにより特定されたイ
メージ上の仮想試験片である。

【００３１】脆弱相１１は球形であるが、実測される脆
弱相の形状と近似した形状であれば回転楕円体等として
も良い。なお、ここでは、試験片の形状が直方体の場合
について説明するが、この形状はこれに限定されるもの
ではなく、例えば、円筒形でもよい。

【００３２】試験片１０の縦、横、高さの寸法をそれぞ
れＬ1、Ｌ2、Ｌ3とし、粒度分布関数をＦとし、発生さ
せた乱数をｒ1〜ｒ4（但し、０≦ｒ1〜ｒ4＜１）とする
とき、脆弱相の位置（ｘ、ｙ、ｚ）と粒径（半径）ａは
下記式２の様な変換式を用いて算出し、脆弱相１１を試
験片内部に分布させる。

【００３３】

【数６】

【００３４】更に、式２で求めた脆弱相１１が試験片１
０に占める体積を累計し、脆弱相量（Ｃ5、Ｃ6）に相当
するまで繰り返すことにより、実物の試験片と同様な状
態の試験片を発生させる。

【００３５】このとき、脆弱相同志の重なりを考慮し、
重なる脆弱相は試験片内に組み込まないようにするのが
望ましい。しかし、脆弱相量が約５体積％以下であれ
ば、強度の測定結果に影響を及ぼさないので、脆弱相の
重なりを考慮してもよい。なお、脆弱相量が約５体積％
を越える場合には、重なるものを排除するか、又はそれ
らをまとめて１つのものにするかして調整する。

【００３６】弾性解析装置４は、試験片に荷重を負荷
し、脆弱相の破断によって発生したき裂欠陥先端の応力
拡大係数を計算する装置である。本発明において、複合
材料の破断は、試験片に荷重を負荷し荷重を増加させた
とき、このき裂欠陥を起点として破断する場合を想定す
る。

【００３７】ここで、対象とする試験方法は、曲げ試験
および引張試験であるが、試験片に作用する応力状態を
考慮すれば引張強度は曲げ強度と同様に扱えるので、以
下主に曲げ試験における弾性解析装置４の説明をする。

【００３８】試験片１０の内部の応力分布は、負荷する
荷重が引張荷重の場合は図２（Ａ）に示す様な三角形状
の分布となり、曲げ強度は試験片下部の引張応力の作用
する部分、とりわけ、引張応力の大きな試験片下面１３
付近に支配される。

【００３９】この引張応力は試験片１０の高さＬ3の半
分、即ち、Ｌ3／２のところで０であり、試験片下面１
３付近で最大となるが、破断の起源となる脆弱相１１の
大きさが、試験片の大きさに比べ十分に小さいときは、
脆弱相付近には一様な引張応力が作用しているものとし
て扱うことができる。従って、試験片の曲げ強度の測定
は試験片下面１３付近の引張強度を求めることと同じに
なる。

【００４０】試験片下面１３付近のき裂欠陥の進展につ
いて説明する。図３は、直方体の曲げ試験片１０の引張
応力が最大となる試験片下面１３付近において、引張応
力によりき裂欠陥が生じたときのき裂欠陥付近の微小領
域を示したものである。

【００４１】このき裂欠陥の形状は、き裂欠陥と試験片
下面１３との位置によって、図３（Ａ）に示す円形き裂
欠陥１５Ａ、図３（Ｂ）に示す半円き裂欠陥１５Ｂ、図
３（Ｃ）に示す試験片のコーナ近傍の４分の１円き裂欠
陥１５Ｃ、及び試験片の側面の影響を受ける位置にある
円形又は半円形のき裂欠陥１５Ｄに分類できる。次に、
各き裂欠陥の進展の様子について説明する。

【００４２】まず、円形き裂欠陥（図３Ａ）について説
明する。図３（Ａ）の様に試験片１０の内部に円形き裂
欠陥１５Ａが存在する場合、図４（Ａ）に示した様に、
試験片の下面１３からき裂欠陥１５Ａの深さをｄ1、き
裂欠陥１５Ａの直径を２ａとする。また、このき裂欠陥
１５Ａは側面２０〜２３から十分離れていて試験片１０
の側面２０〜２３の影響は小さいものとする。

【００４３】試験片１０に引張応力を作用させ、この応
力を次第に増加させると円形き裂欠陥１５Ａは成長す
る。（１）円形き裂欠陥１５Ａ上の下面１３から最も遠い点
Ａ、最も近い点Ｂにおける応力拡大係数をＫIA、ＫIBと
し、き裂の深さｄと等しい半径ｄ1の半円状き裂Ｌe上の
応力拡大係数をＫIA'とする。ここで、き裂形状は厳密
には半円ではなく、き裂先端での応力拡大係数がＫIA'
（一定）となる形状であるが、本発明では半円で近似す
る。このときにおける両き裂形状間の誤差は、有限要素
法の計算によると５％以下である。

【００４４】（２）点Ｂでの応力拡大係数（ＫIB）と、
このき裂が成長して半円状き裂となったときのき裂先端
での応力拡大係数との比較により、このときのき裂成長
の安定度を評価できる。即ち、き裂の深さｄ1〜ｄ3によ
って図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の様に場合分けすることが
できる。

【００４５】ｉ）図４（Ａ）の様に円形き裂欠陥１５Ａ
が、試験片１０の下面１３に極めて近い場合。即ち、
（き裂欠陥１５Ａの深さｄ1）−(き裂欠陥１５Ａの直径
２ａ）、が略々零に等しい時には、点Ｂにおける応力集
中は極めて大きい。そして、引張応力の増加により該点
の応力拡大係数ＫIBが、複合材料の破壊靭性値ＫICより
大きくなると、図４（Ａ）に示す半円形状Ｌ1、Ｌ2の様
にき裂欠陥が進展する。

【００４６】この時、き裂欠陥上の点Ｂは、き裂欠陥の
進展とともに、点Ｂ1、Ｂ2、の様に移動するが、点Ｂ
1、Ｂ2のいずれの点においても応力拡大係数ＫIは、図
５のき裂欠陥の深さｄ1に示す様に、き裂進展前の点Ｂ
の応力拡大係数ＫIBより小さくなる。

【００４７】図５は、き裂欠陥の進展の安定性を調べる
ための図であり、図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示した試験
片について有限要素法解析等の弾性解析を行い、図中の
点Ａ、Ｂ2、Ｂ、の応力拡大係数ＫIA、ＫIA'、ＫIBのき
裂欠陥の深さｄ及びき裂欠陥の半径ａに対する変化の様
子を計算した結果例を示す図である。この図において、
縦軸は応力拡大係数ＫI（ＭＰａ・ｍ^1/2）、横軸はき裂
欠陥の深さｄ（μｍ）、ｄ*は応力拡大係数ＫIA'＝応力
拡大係数ＫIBとなるき裂欠陥の深さをそれぞれ示す。な
お、試験片１０に負荷する引張応力は１ＧＰａ、脆弱相
の粒径２ａは４０μm、である。

【００４８】更に、引張応力の増加とともに、半円状き
裂欠陥上すべてにおいて、応力拡大係数が等しくなる形
状Ｌeになるまで応力集中を緩和させながらき裂は進展
する。この時の応力拡大係数はＫIA'である。

【００４９】従って、円形き裂欠陥が試験片下面１３に
極めて近いときは、き裂の進展により応力集中は緩和さ
れ、き裂は半円形状Ｌ1→半円形状Ｌ2→半円形状Ｌeと
安定的に進展することがわかる。

【００５０】更に、引張応力を増加させると、半円形状
Ｌeのいたるところの点で、き裂が進展し、その応力集
中は図５の半円形状Ｌe→半円形状Ｌ3のパスで表わさ
れ、応力集中ＫIは増加の方向であることがわかる。こ
の時のき裂進展は非安定的におこり、複合材料の破断を
ひき起こす。従って、このケースにおける強度支配パラ
メータはＫIA'である。

【００５１】ii）図４（Ｂ）の様に円形き裂欠陥１５Ａ
が試験片下面１３から次第に深くなり、その深さｄ2が
前記ｉ）の深さｄ1より深い場合。即ち、深さｄ2＞深さ
ｄ1の時には、引張応力の増加に伴ってき裂が進展する
が、き裂の深さｄ2がある深さになると、前記ｉ）の様
なき裂進展に伴う応力集中の緩和が起こらなくなる深さ
がある。この深さをｄ*と表わすこととする。

【００５２】即ち、この深さｄ*の時、図４（Ｂ）の点
Ｂ上の応力拡大係数ＫIBは、き裂の進展によって半円状
き裂Ｌeに成長したときの応力拡大係数と等しくなって
いる。従って、き裂の深さｄ*は、円形き裂欠陥１５が
瞬時に安定的に半円状き裂Ｌeに成長できる限界値であ
る。

【００５３】更に、引張応力を増加させた時は、前記
ｉ）の半円状き裂Ｌe→Ｌ3と同様に集中応力を増加し、
試験片１０の破断に至る。この時の材料強度の支配パラ
メータはＫIA'又はＫIBで表わすことができる。

【００５４】iii）図４（Ｃ）の様に円形き裂欠陥１５
Ａが試験片下面１３から更に深くなり、その深さｄ3が
前記ii）の深さｄ*より深い場合。前記ｉ）、ii）と同
様に引張応力の増加に伴って試験片１０の破壊靭性値Ｋ
ICより大きくなると、き裂が進展する。この時、円形き
裂１５Ａとこれが進展してできる半円状き裂Ｌ3のそれ
ぞれのき裂先端での応力拡大係数ＫIA'、ＫIBとを比較
すると、ＫIA'＞ＫIBであるため、き裂の進展により応
力集中は増加していることがわかる。この応力拡大係数
は図５のき裂欠陥の深さｄ3上の矢印Ａ１５のパスを通
る。従って、円形き裂欠陥が進展すると、き裂は非安定
的に進展し試験片１０の破断に至る。即ち、このケース
における強度支配パラメータはＫIBである。

【００５５】以上より明らかな様に、図２で示したき裂
欠陥が破壊の起源となる場合の強度は、き裂欠陥の深さ
ｄ≦ｄ*のときは、応力拡大係数ＫIA'で決定しされ、
又、き裂欠陥の深さｄ＝ｄ*のときは応力拡大係数ＫIA'
又はＫIBで決定され、更にき裂欠陥の深さｄ＞ｄ*のと
きは応力拡大係数ＫIBで決定されることになる。

【００５６】次に、半円き裂欠陥（図３Ｂ）について説
明する。図３（Ｂ）に示す様に、き裂欠陥１５Ｂが試験
片１０の下面１３に現れ、き裂が半円状（弧状）である
場合には、図６、図７に示す様に、き裂欠陥の深さｄ
4、ｄ5の大きさにより２通りに扱うことができる。ただ
し、図６のき裂欠陥１５Ｂの深さｄ4は、き裂欠陥１５
Ｂの半径ａより小さく、ｄ4'は半円き裂の深さである。
図７のき裂欠陥１５Ｂの深さｄ5はき裂欠陥１５Ｂの半
径ａより大きい。

【００５７】き裂欠陥１５Ｂは、前述の円形き裂欠陥１
５Ａの進展と同様にしてき裂欠陥先端での応力拡大係数
ＫIが試験片の臨界応力拡大係数ＫICとなる形状をとり
ながら進展する。

【００５８】図６、図７のいずれの場合でも応力拡大係
数ＫIA'≦ＫIAであるため、き裂欠陥は安定成長する。
従って、図３（Ｂ）で示したき裂欠陥１５Ｂが破壊の起
源となる場合の強度は、応力拡大係数ＫIA'で決定でき
る。

【００５９】以上のことから、き裂欠陥の位置と強度を
支配するパラメータとの関係についてまとめると、表１
の様になる。

【００６０】

【表１】

【００６１】尚、上記説明は脆弱相が球形で近似できる
場合について説明したが、脆弱相を回転楕円体で近似し
た場合も試験片には図３と同様の位置に楕円き裂が生じ
る。従って、図４の説明と同様の機構で、該楕円き裂が
まず円形き裂に安定的に進展するため、その後上述の円
形き裂欠陥の進展と全く同様に扱うことができる。

【００６２】試験片のコーナ近傍の１／４円形き裂欠陥
１５Ｃ及び試験片の側面の影響を受ける円形又は半円形
き裂欠陥１５Ｄ（図３（Ｃ））について説明する。き裂
欠陥と試験片下面との位置関係は、対称性を考慮すれば
図８（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）、図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示
した様に６通りに場合分けできる。

【００６３】ここで試験片下面１３及び試験片側面２０
〜２３からのき裂欠陥の深さｄｙ及びｄｘはそれぞれ次
の様に表わすことができる。ｄｙ＝き裂欠陥の半径ａ＋
試験片１０の下面１３からき裂欠陥の中心迄の距離ｙｄ
ｘ＝き裂欠陥の半径ａ＋試験片１０の側面２２からき裂
欠陥の中心迄の距離Ｘ

【００６４】試験片１０の側面２２の影響を考慮しなけ
ればならない条件は、試験片側面からのき裂欠陥の深さ
ｄｘが、き裂欠陥１５Ｃ、１５Ｄの直径２ａの３倍程度
以下、即ち、ｄｘ＜６ａの時、である。

【００６５】図８においてき裂欠陥１５Ｃが、２ａ＜ｄ
ｙ、２ａ＜ｄｘの場合（Ａ）、ａ≦ｄｙ≦２ａ、２ａ＜
ｄｘの場合（Ｂ）、ｄｙ＜ａ、２ａ＜ｄｘの場合
（Ｃ）、のき裂欠陥の進展の様子は図１０（Ａ）の様に
考えた。即ち、き裂欠陥の進展は、まず試験片側面の影
響がないものとして扱い、前述のメカニズムで半円き裂
欠陥に成長し、ついで試験片側面の影響が作用し１／４
円き裂欠陥に成長するものとした。

【００６６】ここで、前述の半円き裂欠陥と同様に、き
裂欠陥の形状は、厳密な１／４円ではなく、き裂欠陥先
端での応力拡大係数ＫIがマトリックスの臨界応力拡大
係数ＫICと等しくなる形状に歪んだ孤であるが、前述同
様に円弧で近似した。

【００６７】この過程において、き裂欠陥の進展の安定
状態を検討し、試験片の強度を支配するパラメータを求
めた。半円き裂欠陥に非安定的にき裂欠陥が成長とする
場合、即ち、ｄｙ＞ｄ*の場合は、表１に示した１と同
様となり、強度支配パラメータはＫIBとなる。

【００６８】き裂欠陥が安定的に成長して半円き裂欠陥
になり、更に荷重が負荷され、き裂欠陥が成長する場合
を考えると、図１１に示す様な応力拡大係数ＫID、ＫI
D'、及びＫIEのき裂欠陥の深さδに対する変化から、δ
≦δ*のとき、１／４円き裂欠陥に安定成長し、δ＞δ*
のとき、き裂欠陥は非安定成長する。尚、δ*は前記ｄ*
と同様に試験片側面の影響を受ける場合のき裂進展に伴
う応力集中の緩和が起こらなくなる深さである。そのた
め、図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の場合も含めて試験片の強
度を支配するパラメータを表２の様に求めることができ
る。

【００６９】

【表２】

【００７０】ここで、図９においてき裂欠陥１５Ｄが、
（Ａ）ａ≦ｄｙ≦２ａ、ａ≦ｄｘ＜２ａの場合、（Ｂ）
ｄｙ＜ａ、ａ≦ｄｘ≦２ａの場合、（Ｃ）ｄｙ＜ａ、ｄ
ｘ＜ａの場合、にき裂欠陥が存在するとき、このき裂欠
陥は図１０（Ｂ）に示す様に、ＫID'≦ＫID、ＫIEであ
るので、１／４円き裂欠陥に安定成長する。従って、図
９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の場合も試験片の強度はＫID'で
支配される。

【００７１】き裂欠陥の位置におけるき裂欠陥先端での
応力拡大係数の値は、前述の様に有限要素法解析や境界
要素法解析等の弾性解析手法によって逐次求めることが
できる。しかし、き裂位置（ｄ、ｄｘ、ｄｙ）と応力拡
大係数（ＫIA、ＫID'、ＫID、ＫID'、ＫIE）との関係
（基本解）を図５や図１１の様に予め求めておき、これ
らの関係から逐次応力拡大係数を算出させる構成として
もよく、この場合、本装置５内の演算が少なくできるの
で望ましい。

【００７２】強度計算装置６は、最大応力拡大係数とマ
トリックスの破壊靭性値とから試験片の強度を算出する
装置である。試験方法が曲げ試験の場合は、下記式３の
演算を行うことににより曲げ強度σfｄを求めることが
できる。式３において、ＫICMはマトリックスの破壊靭
性値、ＫIMは強度支配パラメータの最大値、ｙMは、ＫI
Mの得られるき裂欠陥の位置、Ｌ3は試験片の厚さ、をそ
れぞれ示す。

【００７３】

【数７】

【００７４】この式３について図２（Ａ）を参照しなが
ら説明する。試験片１０に荷重を加え、曲げモーメント
を作用させると、試験片内部に図２（Ａ）の矢印Ａ１０
の大きさの応力が発生するが、ここでは、き裂欠陥１５
近傍には一様な引張応力が作用するものとする。

【００７５】この引張応力はき裂欠陥１５の位置座標
（Ｘ、Ｙ、Ｚ）即ち、試験片１０の下面１３からき裂欠
陥迄の距離yMによって大きさが変わる。表１、表２に示
した強度支配パラメータの物理的意味は、非安定破壊を
起こす形状まで成長したき裂欠陥近傍に単位引張応力が
作用したときのき裂欠陥先端の応力拡大係数であるの
で、図２（Ａ）の関係を考慮すると、前記式３の式を導
出できる。

【００７６】なお、試験方法が引張試験の場合は、演算
式に下記式４を用いることにより試験片の引張強度σｆ
ｔを求めることができる。引張試験片の内部に発生する
引っ張り応力は一様に分布しているので、前記式３の導
出方法と同様にして導き出すことができる。

【００７７】

【数８】

【００７８】出力装置７は、試験片の強度等の値をＣＲ
Ｔディスプレーなどの表示器に表示する。

【００７９】

【実施例１】この発明の第１実施例を図１２により説明
する。中央処理装置ＣＰＵと記憶部Ｍと入出力部ＩＯと
からなるコンピュータＣＯＭを用いて複合材料の強度測
定装置５０を作製した。

【００８０】予め、コンピュータＣＯＭの記憶部Ｍに、
式１の物質収支式Ｍ1、式２の変換式を含む試験片作成
プログラムＭ2、弾性解析などを行うための有限要素法
プログラムＭ3、弾性解析結果から最大応力拡大係数を
算出する最大応力拡大係数算出プログラムＭ4、を記憶
させておく。記憶部の容量が小さいときには、ハードデ
ィスク装置などの外部記憶装置にこれらの関係式をあら
かじめ記憶させ、順次記憶部に記憶させ、材料強度を測
定する構成とすることもできる。

【００８１】超硬合金（ＷＣ−Ｃｏ）の強度の測定手順
は、燃焼法などにより測定された合金炭素量ＣＴと文献
値などを参照してマトリックスの破壊靭性値Ｋをキーボ
ードにより入出力部ＩＯから入力し、中央処理装置ＣＰ
Ｕで物質収支式Ｍ1を用いて脆弱相量を算出する。

【００８２】この脆弱相量の算出に基づいて試験片作成
プログラムＭ2によりコンピュータ内に仮想試験片が作
成され、これを有限要素法プログラムＭ3と最大応力拡
大係数算出プログラムＭ4とにより、強度支配パラメー
タの最大値ＫIMを算出する。

【００８３】更に、式３の材料強度計算式Ｍ5とマトリ
ックスの破壊靭性値ＫICMを用いて強度を算出させ、Ｃ
ＲＴディスプレなどの表示器７にその値を表示させる。

【００８４】

【実施例２】この発明の第２実施例を図１３により説明
する。この実施例と第１実施例との相違点は、有限要素
法プログラムＭ3を省略し、最大応力拡大係数算出プロ
グラムＭ4に、あらかじめ有限要素法などによって求め
た応力拡大係数値（基本解）Ｍ6を与え、これらの基本
解から補間法等によって応力拡大係数を求めることであ
る。

【００８５】この実施例では、第１実施例に比べ強度試
験装置５０内での計算回数を大幅に減じることができる
ので、強度をより短時間で求めることができるととも
に、記憶容量は第１実施例に比べ比較的小規模であって
も足りる。

【００８６】

【実施例３】この発明の第３実施例を説明する。コバル
ト粉末を８重量パーセント（ｗｔ％）、炭化バナジウム
を０.４ｗｔ％、炭化クロム０．５ｗｔ％、残部を粒度
０.６μｍの炭化タングステンとを配合した粉末を図示
しない湿式ボールミルにより粉砕混合の後、噴霧乾燥、
プレス成形を経て１４００〜１５００℃で真空焼結を行
い、超硬合金を得た。

【００８７】合金炭素量ＣＴは、原料にタングステン粉
末あるいは炭素粉末を加え適宜調整した。

【００８８】マトリックスの機械的特性である破壊靭性
値ＫICをあらかじめ測定したところ、１２.０ＭＰａ・
ｍ^1/2を得た。これらのデータを図１２の強度試験装置
と図１３のそれとに入力しそれぞれの強度を求めた。

【００８９】図１２に示す強度測定装置５０では、入出
力部ＩＯを介して合金炭素量ＣＴとマトリックスの破壊
靭性値ＫICMを入力すると、記憶部ＭのデータＭ1〜Ｍ5
に基づき仮想試験片の構成、強度の算出の一連の演算を
コンピュータＣＯＭが行い、その強度を表示器７に表示
する。

【００９０】次に、図１３に示す強度測定装置５０で
は、入力部ＩＯを介して合金炭素量とマトリックスの破
壊靭性値を入力すると記憶部ＭのデータＭ1〜Ｍ2、Ｍ4
〜Ｍ6に基づき仮想試験片の構成、強度の算出の一連の
演算をコンピュータＣＯＭが行い、強度を表示器７に表
示する。

【００９１】図１３の装置は特に最大応力拡大係数の算
出において、演算回数を大幅に減じることができるの
で、図１２に比べ迅速に強度の値を表示することができ
る。

【００９２】

【実施例４】この発明の第４実施例を各行程に分けて説
明する。入力行程：超硬合金の合金組成はＷＣ−８ｗｔ％Ｃｏ−
０.５ｗｔ％ＶＣ−０.５ｗｔ％Ｃｒ3Ｃ2であり、合金炭
素量ＣＴは６.１１ｗｔ％、Ｃ／carbide、マトリックス
の破壊靭性値は、１２ＭＰａ・ｍ^1/2、である。ここ
で、Ｃ／carbideは全炭素量を炭化物質量あたりに換算
した値であり、実測により求められる。

【００９３】脆弱相発生行程：式１の物質収支式から脆
弱相量１.６vol％（η−ｐｈａｓｅ）を算出すると共
に、脆弱相の平均粒径（直径）１２μｍを算出する。

【００９４】試験片発生行程：試験片として図１４に示
す様なＪＩＳＲ１６０１に基づく寸法、即ち縦Ｌ1、
横Ｌ2、厚さＬ3が４×４０×３（mm）を想定し、この試
験片のうち曲げ試験時に引張応力の作用する部分６０の
みを考慮した。この鎖線で囲まれている部分６０の寸法
ｔ60、Ｌ1、Ｌ62は、１.５×４×１０（mm）である。式
２の変換式を用いて、脆弱相の位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）と粒
径（半径）ａを求め脆弱相を試験片内部に分布させる。
この時求められた脆弱相数は約５３０，０００個であっ
た。なお、粒度分布関数Ｆは粒径０から平均粒径の２倍
までの三角形分布とした。

【００９５】弾性解析行程：すべてのき裂欠陥につい
て、表１、表２に基づいて強度支配パラメータ、即ち、
非安定破壊を起こす臨界の応力拡大係数、例えば、ＫI
A、ＫIA'、ＫIB、ＫID、ＫID'、ＫIEを算出する。

【００９６】この算出方法として、強度測定装置５０が
図１２の場合には、都度有限要素法が用いられ、又、図
１３の場合には、図５のき裂欠陥の深さｄ−応力拡大係
数ＫI関係図、図１１のき裂欠陥深さδ−応力拡大係数
ＫI関係図が用いられる。

【００９７】最大応力拡大係数検出行程：すべてのき裂
欠陥における強度支配パラメータから最大応力拡大係数
ＫIMを算出する。この値ＫIMは、例えば、強度測定装置
が図１２の場合にはＫIM＝０.２７９×１０^-2であり、
又、図１３の場合にはＫIM＝０.２８０×１０^-2であ
る。

【００９８】強度計算行程：試験片の強度は、式３の式
に最大応力拡大係数ＫIM とマトリックスの破壊靭性値
ＫICM、試験片の厚さＬ3、最大応力拡大係数ＫIMの得ら
れるき裂欠陥の位置ｙMとを代入することにより得られ
る。なお、ここではＬ3＝１.５×１０^-3、ｙM＝４.０×
１０^-5を用いた。

【００９９】図１２の強度測定装置で計算をすると、曲
げ強度δｆ＝２.８００×１０⁹ＧＰａ、図１２の強度測
定装置で計算すると、曲げ強度δｆ＝２.８０５×１０⁹
ＧＰａ、であった。

【０１００】

【実施例５】この発明の第５実施例を説明する。この実
施例と第４実施例との相違点は、次の通りである。（１）前記第４実施例の合金組成の超硬合金の合金炭素
量Ｃ／carbide（ｗｔ％）を６.００〜６.４５まで調整
し、１４５０℃で６０分真空焼結して得られた材料の脆
弱相の程度を実測し、その結果を図１５の合金炭素量と
脆弱相粒子（η−ｐｈａｓｅ）平均粒径との関係図、及
び図１６の合金炭素量と脆弱相粒子（ｆｒｅｅ−Ｃ）平
均粒径との関係図にまとめたこと。

【０１０１】（２）式１の物質収支式において、コバル
トＣｏに対するＷ、Ｃの固溶限度（mol／mol）はＰｗ＝
０.０５、Ｐｃ＝０.０４として計算し、その結果を図１
７にまとめたこと。（３）脆弱相発生装置２を図１５、図１６、図１７より
構成し、合金炭素量を入力すると、図１７から脆弱相量
を検出し、図１５、図１６から脆弱相の粒度を算出し、
脆弱相量と脆弱相の平均粒度が出力されること、であ
る。但し、この実施例において図１７を用いる代わりに
式１の物質収支式を用いてもよいことは勿論である。

【０１０２】

【実施例６】この発明の第６実施例を説明する。この実
施例は、本発明の強度測定装置図１２、図１３で測定し
た結果と、従来例により本複合材料をＪＩＳＲ１６０
１に従って実測した結果と、を表３にまとめたものであ
る。この表３から明らかな様に、本装置で測定した測定
値はＪＩＳＲ１６０１による実測値とよく一致してい
ることがわかる。

【０１０３】

【表３】

【０１０４】この発明の第７実施例を説明する。この実
施例は複合材料としてコンクリートを用いた例である。
図１８に示す様に、コンクリート７０は、粗骨材７１と
モルタル７２とを含んでいる。このコンクリート７０に
矢印７０Ａ、７０Ｂ方向の引張荷重が一様にかかった場
合にき裂欠陥の発生可能な場所は、（１）粗骨材７１、
（２）モルタル７２、（３）粗骨材７１とモルタル７２
とのはく離部分７３、である。

【０１０５】次に前記（１）〜（３）のき裂欠陥の発生
過程について検討する。（１）粗骨材の破断は、強度の比較的小さい粗骨材や軽
量骨材を用いた場合にみられる。

【０１０６】（２）モルタル部の破断はあまり発生しな
い。それはモルタルの強度が骨材の強度より大きいから
である。（３）粗骨材とモルタルとのはく離は両者の付着力が小
さいとき、特に表面がなめらかな川砂利を用いたときに
多く見られる。従って、通常のコンクリートでは前記（１）、（３）の
みについてき裂欠陥の発生を考慮すれば足りる。

【０１０７】図１８に示す様に、コンクリート材料内の
き裂は脆弱相の最大寸法を直径２ａとする円形き裂とな
りこのコンクリート材料も脆弱相を含む超硬合金ＷＣ−
Ｃｏ材料と同様に扱うことができる。但し、図１８のは
く離部分７３では、はく離進展初期にき裂欠陥が発生す
る可能性もあり、き裂欠陥サイズを粗骨材寸法で考える
と、過大に評価される可能性もあることに留意すべきで
ある。

【０１０８】普通ポルトランドセメント、天然細砂を用
い、水セメント比３４％、細骨材料率３５％単位水量１
６７Kg／ｍ³を配合してＪＩＳＡ１１３２の円柱状試
験片（直径１０cm、長さ２０cm）を作成した。この試験
片の粗骨材として粒径５〜１５mmのＮＬライト（商品名
秩父小野株式会社製）を用いた。該粗骨材の体積比は
４１％モルタル（水、セメント、砂）は５９％である。

【０１０９】この試験をＪＩＳＡ１１１３に従って引
張試験を行ったところ、引張強度σｔ＝２６.３Kgｆ／c
m²（材令２８ｄａｙｓ）を得た。

【０１１０】前記実験より破断面の観察結果から、破断
面上のほとんどの粗骨材が破断していることから、き裂
欠陥は図１８の７５に示す様に発生するものと仮定す
る。そして、前記試験片と同質の円柱状の仮想試験片を
コンピュータ内に形成する。まず、骨材分布をＮＬライ
トのふるい分け試験結果を示す図１９、図２０の実線か
ら求める。図１９は粗骨材のふるい分け試験結果、図２
０は細骨材のふるい分け試験結果を示す。

【０１１１】なお、図１９、図２０において、横軸はふ
るいの呼び寸法（mm）、縦軸は骨材のふるいを通る質量
百分率（％）をそれぞれ示す。骨材体積含有率（体積
比）は前記の通り４１％である。

【０１１２】マトリックスの破壊靭性値は、図２１に示
すモルタルパネル８０を形成し、日本ＧＲＣ工業会「短
繊維補強セメント系材料の曲げ試験方法」に準じた方法
で予き裂試験片の曲げ試験を行い、ＪＩＳＲ１６０７
に準じた計算式により破壊靱性値を算出した。

【０１１３】このモルタルパネルは、図２１に示す様に
横Ｌ２＝２７５mm、縦Ｌ１＝５０mm、高さＬ３＝１５mm
のテストピースで、下面１３の中央に幅Ｗ８０＝０.２m
mのき裂８５が形成されている。８６、８７は鋼製の支
点及び載荷点で、支点８６、８６の間隔Ｌ８０は２２５
mmである。このテストピース８０は、水セメント比３４
％（ｗ／ｃ）、砂の含有率４０.７vol％で、単位水量３
０９ｌ／ｍ³、単位セメント量９０５Kg／ｍ³、単位砂量
４０８ｌ／ｍ³である。実測の結果、モルタルの実測値
は０.２１ＭＰａ・ｍ^1/2であった。

【０１１４】上記データを試験片発生装置３に入力し線
形合同法等により発生させた乱数を用いて脆弱相（粗骨
材）を含んだ仮想試験片をコンピュータ内に発生させ
る。

【０１１５】円柱状の仮想試験片の大きさをたて縦Ｌ
1、横Ｌ2、厚さＬ3、粒度分布関数をＦ、発生させた乱
数をｒ1〜ｒ4（０≦ｒ1〜ｒ4＜１）とするとき、脆弱相
の位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）と粒径（半径）ａは下記式５を用
いて算出し、脆弱相を仮想試験片内部に分布させる。

【０１１６】

【数９】

【０１１７】なお、式５はＪＩＳＡ１１３２に規定す
る様な円柱試験片を型枠にコンクリートを流し込んで作
製する場合に適用されるもので、コアドリルで円柱試験
片を切り出す場合には下記式６が適用される。

【０１１８】

【数１０】

【０１１９】更に、式５で求めた粗骨材が仮想試験片に
占める体積を累計し、粗骨材量４１％に相当するまで繰
り返すことにより仮想試験片を作成させる。順次骨材を
分布させるとき、骨材の含有量が大きいので、互いの交
わりを考慮すれば、結果的に強度の測定結果の精度の向
上が期待できる。

【０１２０】次に順次弾性解析装置４、最大応力拡大係
数検出装置５、強度計算装置６を介して強度σfｔ＝２
５.８Kgｆ／cm²を算出し、その結果を出力装置に表示す
る。

【０１２１】以上より明らかな様に、実際に試験片を製
作して実測した場合の強度と、本発明の強度試験装置に
より仮想試験片を発生させて測定した場合の強度とは、
ほぼ等しい値となった。

【０１２２】本発明の複合材料の強度測定方法及びその
装置は、複合材料の強度の測定のみならず、複材材料の
配合決定に利用することもできる。例えば、所定強度の
コンクリート材料が求められている場合には、計算によ
り骨材の含有率及び粒度分布を決定し、所定強度のコン
クリート材料を形成することができる。

【０１２３】

【発明の効果】この発明は以上の様に構成したので、次
の様な顕著な効果を奏する。（１）脆弱な粒子の含有率及び粒度分布並びにマトリッ
クスの破壊靭性値に基づいて仮想試験片を形成するの
で、多くの時間と労力を費やして試験片の実物を製作す
ること必要が無い。その為、従来例に比べ複合材料の強
度測定に要する時間を短縮できるとともに、その労力も
大幅に低減できる。また、ＪＩＳの規定に合致するいか
なる寸法の仮想試験片も作成できるので、従来例の様に
測定不能になることは無い。

【０１２４】（２）仮想試験片の全てのき裂欠陥の応力
拡大係数を算出し、その応力拡大係数中の最大値を検出
し、該最大応力拡大係数とマトリックスの破壊靭性値と
から仮想試験片の強度を算出するので、実際に試験片を
製作しなくても強度を正確に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示すフローチャートであ
る。

【図２】複合材料の曲げ試験片を示す図で、（Ａ）は正
面図、（Ｂ）は斜視図である。

【図３】脆弱相の位置を示す斜視図で、（Ａ）は試験片
の下面より離れた位置にある円形脆弱相を示す図、
（Ｂ）は試験片の下面より露出する半円状脆弱相を示す
図、（Ｃ）は、試験片のコーナ近傍に位置する１／４円
及び半円状脆弱相を示す図、である。

【図４】円形脆弱相のき裂進展を示す図で、（Ａ）は試
験片の下面近傍に位置する円形脆弱相のき裂進展を示す
図、（Ｂ）は（Ａ）より脆弱相が深い位置にある場合の
円形脆弱相のき裂進展を示す図、（Ｃ）は（Ｂ）より脆
弱相が深い位置にある場合の円形脆弱相のき裂進展を示
す図、である。

【図５】き裂深さｄと応力拡大係数ＫIとの関係図であ
る。

【図６】半円状き裂欠陥のき裂進展を示す図で、（Ａ）
は試験片の下面に露出する半円状き裂欠陥のき裂を示す
図、（Ｂ）はそのき裂進展を示す図である。

【図７】半円状き裂欠陥のき裂進展を示す図で、（Ａ）
は図６より深い位置にあり、かつ、その一部が試験片の
下面に露出する円状き裂欠陥のき裂を示す図、（Ｂ）は
そのき裂進展を示す図である。

【図８】コーナ近傍の円形き裂欠陥の進展を示す図であ
る。

【図９】コーナ部の１／４円き裂欠陥の進展を示す図で
ある。

【図１０】コーナ近傍のき裂欠陥の進展を示す図であ
る。

【図１１】脆弱相の応力拡大係数ＫIとき裂深さｄとの
関係を示す図である。

【図１２】第１実施例の複合材の強度測定装置を示す図
である。

【図１３】第２実施例の複合材の強度測定装置を示す図
である。

【図１４】ＪＩＳＲ１６０１に基づく試験片の斜視図
である。

【図１５】脆弱相平均粒径（イータ相）と合金炭素量と
の関係図である。

【図１６】脆弱相平均粒径（遊離炭素相）と合金炭素量
との関係図である。

【図１７】脆弱相量の計算結果を示す図である。

【図１８】第７実施例を示す要部拡大図である。

【図１９】粗骨材のふるい分け試験結果を示す図であ
る。

【図２０】細骨材のふるい分け試験結果を示す図であ
る。

【図２１】モルタルパネルを示す図である。

【図２２】ＪＩＳＡ１１３２の強度試験を示す図であ
る。

【符号の説明】

２脆弱相発生装置３試験片発生装置４弾性解析装置５最大応力拡大係数検出装置６強度計算装置１０試験片５０複合材料の強度測定装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】脆弱な粒子を含む複合材料の強度測定方
法であって；該脆弱な粒子の含有率及び粒径並びにマト
リックスの破壊靭性値から実物の試験片と同質な仮想試
験片を発生させることを特徴とする複合材料の強度測定
方法。
【請求項２】脆弱な粒子を含む複合材料の強度測定方
法であって；該脆弱な粒子の含有率及び粒径並びにマト
リックスの破壊靭性値から実物の試験片と同質な仮想試
験片を発生させる試験片発生行程と：該仮想試験片に荷
重をかけて全ての脆弱な粒子の応力拡大係数を検出する
弾性解析行程と；該弾性解析行程で求めた全ての応力拡
大係数中の最大値を検出する最大応力拡大係数検出行程
と；該最大応力拡大係数行程で求めた最大応力係数とマ
トリックスの破壊靱性値から仮想試験片の強度を算出す
る強度計算行程と；を備えていることを特徴とする複合
材料の強度測定方法。
【請求項３】脆弱な粒子を含む複合材料の強度測定方
法であって；該脆弱な粒子の含有率及び粒径並びにマト
リックスの破壊靭性値から実物の試験片と同質な仮想試
験片を発生させる試験片発生行程と：該仮想試験片に荷
重をかけて全ての脆弱な粒子の応力拡大係数を検出する
弾性解析行程と；該弾性解析行程で求めた全ての応力拡
大係数中の最大値を検出する最大応力拡大係数検出行程
と；該最大応力拡大係数行程で求めた最大応力係数とマ
トリックスの破壊靱性値から仮想試験片の強度を算出す
る強度計算行程と；該強度計算行程で求めた強度を表示
器に表示せしめる表示行程と；を備えていることを特徴
とする複合材料の強度測定方法。
【請求項４】脆弱な粒子が、超硬合金のイータ相又は
遊離炭素相であることを特徴とする請求項１、２、又
は、３記載の複合材料の強度測定方法。
【請求項５】脆弱な粒子が、コンクリートの粗骨材で
あることを特徴とする請求項１、２、又は、３記載の複
合材料の強度測定方法。
【請求項６】脆弱な粒子の含有率及び粒径並びにマト
リックスの破壊靭性値が、複合材料の実測により求めら
れることを特徴とする請求項１、２、又は、３記載の複
合材料の強度試験方法。
【請求項７】脆弱な粒子の含有率が、物質の収支に基
づく脆弱相の生成方程式から計算により求められること
を特徴とする請求項１、２、又は、３記載の複合材料の
強度試験方法。
【請求項８】仮想試験片が、縦Ｌ1、横Ｌ2、厚さＬ3
の直方体で、脆弱相の粒度分布関数がＦであり、発生
させた乱数がｒ1、ｒ2、ｒ3、ｒ4である時、脆弱な粒子
の位置（ｘ、ｙ、ｚ）と半径ａが下記式２により計算さ
れ、それぞれの含有率及び粒径並びにマトリックスの破
壊靭性値が、複合材料の実測により求められることを特
徴とする請求項１、２、又は、３記載の複合材料の強度
試験方法。【数１】
【請求項９】仮想試験片が、直径Ｄ、長さＬ、の円柱
体で、脆弱相の粒度分布関数がＦであり、発生させた乱
数がｒ1、ｒ2、ｒ3、ｒ4である時、脆弱な粒子の位置
（ｘ、ｙ、ｚ）と半径ａが下記式５により計算され、そ
れぞれの含有率及び粒径並びにマトリックスの破壊靭性
値が、複合材料の実測により求められることを特徴とす
る請求項１、２、又は、３記載の複合材料の強度試験方
法。【数２】
【請求項１０】仮想試験片に曲げ荷重をかけることを
特徴とする請求項２、又は、３記載の複合材料の強度試
験方法。
【請求項１１】仮想試験片に引張荷重をかけることを
特徴とする請求項２、又は、３記載の複合材料の強度試
験方法。
【請求項１２】仮想試験片の脆弱相が、そのき裂欠陥
の位置により強度支配パラメータが決定されることを特
徴とする請求項２、又は、３記載の複合材料の強度試験
方法。
【請求項１３】仮想試験片の脆弱相のき裂欠陥が、円
形、半円形、又は、１／４円形のいずれかの形状である
ことを特徴とする請求項２、又は、３記載の複合材料の
強度試験方法。
【請求項１４】強度測定行程が、最大応力拡大係数Ｋ
IMと、マトリックスの破壊靱性値ＫICMと、仮想試験片
の厚さＬ3と、脆弱相の該試験片の下面からの高さｙMと
の関係から下記式３により曲げ強度σｆｂを算出するこ
とを特徴とする請求項２、又は、３記載の複合材料の強
度試験方法。【数３】
【請求項１５】強度測定行程が、最大応力拡大係数Ｋ
IMと、マトリックスの破壊靱性値ＫICMと、仮想試験片
の厚さＬ3と、脆弱相の該試験片の下面からの高さｙMと
の関係から下記式４により引張強度σｆｔを算出するこ
とを特徴とする請求項２、又は、３記載の複合材料の強
度試験方法。【数４】
【請求項１６】脆弱な粒子を含む複合材料の強度測定
装置であって；該脆弱な粒子の含有率及び粒度並びにマ
トリックスの破壊靭性値とから実物の試験片と同質な仮
想試験片を発生させる試験片発生装置を備えていること
を特徴とする複合材料の強度測定装置。
【請求項１７】脆弱な粒子を含む複合材料の強度測定
装置であって；該脆弱な粒子の含有率及び粒度並びにマ
トリックスの破壊靭性値とから実物の試験片と同質な仮
想試験片を発生させる試験片発生装置と；該仮想試験片
に荷重をかけて全ての脆弱な粒子の応力拡大係数を検出
する弾性解析装置と；該弾性解析行程で求めた全ての応
力拡大係数中の最大値を検出する最大応力拡大係数検出
装置と；該最大応力拡大係数行程で求めた最大応力係数
とマトリックスの破壊靱性値から仮想試験片の強度を算
出する強度計算装置と；を備えていることを特徴とする
複合材料の強度測定装置。
【請求項１８】脆弱な粒子を含む複合材料の強度測定
装置であって；該脆弱な粒子の含有率及び粒度並びにマ
トリックスの破壊靭性値とから実物の試験片と同質な仮
想試験片を発生させる仮想試験片発生装置と；該仮想試
験片に荷重をかけて全ての脆弱な粒子の応力拡大係数を
検出する弾性解析装置と；該弾性解析行程で求めた全て
の応力拡大係数中の最大値を検出する最大応力拡大係数
検出装置と；該最大応力拡大係数行程で求めた最大応力
係数とマトリックスの破壊靱性値から仮想試験片の強度
を算出する強度計算装置と；該強度計算行程で求めた強
度を表示器に表示せしめる表示装置と；を備えているこ
とを特徴とする複合材料の強度測定装置。