JPH1090142A - ファインセラミックス破壊靱性値測定用試験片への予亀裂導入方法 - Google Patents
ファインセラミックス破壊靱性値測定用試験片への予亀裂導入方法Info
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- JPH1090142A JPH1090142A JP24060996A JP24060996A JPH1090142A JP H1090142 A JPH1090142 A JP H1090142A JP 24060996 A JP24060996 A JP 24060996A JP 24060996 A JP24060996 A JP 24060996A JP H1090142 A JPH1090142 A JP H1090142A
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- Japan
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Abstract
(57)【要約】
【課題】セラミックス試験片への正確なポップイン亀裂
の導入を、より単純な負荷方法で行う。 【解決手段】ファインセラミックスの破壊靱性値測定用
試験片1 への予亀裂導入方法であって、試験片1 の亀裂
導入位置の表面に予亀裂起点圧痕または予亀裂起点切欠
2 を設け、試験片1 の予亀裂起点2 を含む位置に、亀裂
導入方向に圧縮応力と温度勾配を付与する方法。上記の
予亀裂起点圧痕は、ビッカース圧痕またはヌープ圧痕を
用いて作成し、予亀裂起点切欠は切削によって作成す
る。
の導入を、より単純な負荷方法で行う。 【解決手段】ファインセラミックスの破壊靱性値測定用
試験片1 への予亀裂導入方法であって、試験片1 の亀裂
導入位置の表面に予亀裂起点圧痕または予亀裂起点切欠
2 を設け、試験片1 の予亀裂起点2 を含む位置に、亀裂
導入方向に圧縮応力と温度勾配を付与する方法。上記の
予亀裂起点圧痕は、ビッカース圧痕またはヌープ圧痕を
用いて作成し、予亀裂起点切欠は切削によって作成す
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ファインセラミッ
クスの破壊靱性値を測定するための試験片に予め亀裂を
導入する方法に関する。
クスの破壊靱性値を測定するための試験片に予め亀裂を
導入する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ファインセラミックスは、原料あるいは
製造方法を変えることによって、多くの機能、特性を有
するものが作られ、電子・電気機器部品、光学部品ある
いは機械部品として使用されている。機械部品として使
用するには、強度・靱性を満足することが要求され、そ
れらの試験方法が日本工業規格（ＪＩＳ）等で規定され
ている。
製造方法を変えることによって、多くの機能、特性を有
するものが作られ、電子・電気機器部品、光学部品ある
いは機械部品として使用されている。機械部品として使
用するには、強度・靱性を満足することが要求され、そ
れらの試験方法が日本工業規格（ＪＩＳ）等で規定され
ている。
【０００３】材料の破壊靱性値を測定する試験では、破
壊を発生させるために試験片の表面に予め亀裂を設けて
おく必要がある。これを予亀裂と呼び、金属材料では繰
り返し荷重を与えて疲労亀裂を発生させ、亀裂の伸展を
途中で止めて予亀裂を導入する。しかし、ファインセラ
ミックスの試験片に疲労亀裂を発生させると、亀裂の伸
展を途中で止めることができず、破断してしまう。この
ため、ファインセラミックスでは、ポップイン亀裂とい
う独特の予亀裂を導入する方法が用いられ、日本工業規
格（ＪＩＳ Ｒ 1607）に規定されている。なお、ポッ
プインとは、音を発して急激に亀裂が進展するが、試験
片の破断にまでは至らず、亀裂進展が停止する現象であ
る。
壊を発生させるために試験片の表面に予め亀裂を設けて
おく必要がある。これを予亀裂と呼び、金属材料では繰
り返し荷重を与えて疲労亀裂を発生させ、亀裂の伸展を
途中で止めて予亀裂を導入する。しかし、ファインセラ
ミックスの試験片に疲労亀裂を発生させると、亀裂の伸
展を途中で止めることができず、破断してしまう。この
ため、ファインセラミックスでは、ポップイン亀裂とい
う独特の予亀裂を導入する方法が用いられ、日本工業規
格（ＪＩＳ Ｒ 1607）に規定されている。なお、ポッ
プインとは、音を発して急激に亀裂が進展するが、試験
片の破断にまでは至らず、亀裂進展が停止する現象であ
る。
【０００４】図４は、ポップイン亀裂を導入するための
装置を示す縦断面図である。図において、符号１は試験
片、２は予亀裂起点、３は圧縮治具、４はアンビル、５
は切欠溝、６は圧縮荷重である。
装置を示す縦断面図である。図において、符号１は試験
片、２は予亀裂起点、３は圧縮治具、４はアンビル、５
は切欠溝、６は圧縮荷重である。
【０００５】予亀裂を導入するにあたっては、試験片1
を圧縮治具3 とアンビル4 との間に挟み、試験片を圧縮
する。試験片の長さＬは、圧縮治具Lpまたはアンビルの
長さLaよりも大きく、LpとLaとは等しく製作されてい
る。試験片1 の片側中央には予亀裂起点2 がビッカース
圧痕または切欠きによって設けられ、予亀裂起点2 に対
向するアンビル4 の表面中央部に切欠溝5 が設けられて
いる。切欠溝の幅Ｇは、発生する予亀裂の長さに影響す
るので、試行錯誤で選定する。
を圧縮治具3 とアンビル4 との間に挟み、試験片を圧縮
する。試験片の長さＬは、圧縮治具Lpまたはアンビルの
長さLaよりも大きく、LpとLaとは等しく製作されてい
る。試験片1 の片側中央には予亀裂起点2 がビッカース
圧痕または切欠きによって設けられ、予亀裂起点2 に対
向するアンビル4 の表面中央部に切欠溝5 が設けられて
いる。切欠溝の幅Ｇは、発生する予亀裂の長さに影響す
るので、試行錯誤で選定する。
【０００６】試験片の予亀裂起点近傍には圧縮力が作用
しないため、試験片の中央部には曲げ応力が働き、圧縮
荷重を増していくと、予亀裂起点から亀裂が発生する。
図４に示すように、荷重点が切欠溝の部分を除き釣り合
っているので、押し込み力はほとんど働かない。そのた
め亀裂長さは短く止まり、いわゆるポップイン亀裂とな
って、破壊靱性試験の予亀裂が導入される。前記「押し
込み力」とは、小さな亀裂が発生したのちも、荷重点が
負荷方向に移動し、試験片を押し込んでさらに亀裂を進
展させようとする力のことである。例えば、負荷方法が
三点曲げであれば、荷重点がわずかではあるが動き、押
し込み力が発生するため亀裂は試験片の上端まで貫通す
る。
しないため、試験片の中央部には曲げ応力が働き、圧縮
荷重を増していくと、予亀裂起点から亀裂が発生する。
図４に示すように、荷重点が切欠溝の部分を除き釣り合
っているので、押し込み力はほとんど働かない。そのた
め亀裂長さは短く止まり、いわゆるポップイン亀裂とな
って、破壊靱性試験の予亀裂が導入される。前記「押し
込み力」とは、小さな亀裂が発生したのちも、荷重点が
負荷方向に移動し、試験片を押し込んでさらに亀裂を進
展させようとする力のことである。例えば、負荷方法が
三点曲げであれば、荷重点がわずかではあるが動き、押
し込み力が発生するため亀裂は試験片の上端まで貫通す
る。
【０００７】ＪＩＳに定められた上記の方法を用いて、
亀裂の長さを短く揃え、しかも真直なポップイン亀裂を
導入することはきわめて困難である。同一チャージのセ
ラミックス材であっても導入される予亀裂は、長すぎた
り、短すぎたり、斜進したり、幅方向に傾いたりする。
そのため、ＪＩＳでは、予亀裂前線の傾き、斜進および
長さの許容範囲を次のように定め、これに合格した５個
の試験片から得られた破壊靱性値を採用している。しか
し、予亀裂の測定は、破壊靱性試験後に行うので、予め
多くの予亀裂導入試験片を作製しておく必要がある。
亀裂の長さを短く揃え、しかも真直なポップイン亀裂を
導入することはきわめて困難である。同一チャージのセ
ラミックス材であっても導入される予亀裂は、長すぎた
り、短すぎたり、斜進したり、幅方向に傾いたりする。
そのため、ＪＩＳでは、予亀裂前線の傾き、斜進および
長さの許容範囲を次のように定め、これに合格した５個
の試験片から得られた破壊靱性値を採用している。しか
し、予亀裂の測定は、破壊靱性試験後に行うので、予め
多くの予亀裂導入試験片を作製しておく必要がある。
【０００８】予亀裂前線の傾き： （予亀裂最大長さ−最小長さ）／（予亀裂）≦0.1 斜進：10°以下 長さ： 1.2〜2.4 mm
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、正確なポッ
プイン亀裂を、より単純な負荷方法で試験片に導入する
方法を提供するにある。
プイン亀裂を、より単純な負荷方法で試験片に導入する
方法を提供するにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の目的
を達成すべくセラミックスにおける亀裂発生のメカニズ
ムについて研究を進め、外荷重の移動のない負荷方法を
採ればよいとの発想のもとに、試験片の変形を拘束して
熱応力による曲げ応力を発生させることにより、短く揃
ったポップイン亀裂が導入できることを確認し、本発明
を完成した。
を達成すべくセラミックスにおける亀裂発生のメカニズ
ムについて研究を進め、外荷重の移動のない負荷方法を
採ればよいとの発想のもとに、試験片の変形を拘束して
熱応力による曲げ応力を発生させることにより、短く揃
ったポップイン亀裂が導入できることを確認し、本発明
を完成した。
【００１１】本発明の要旨は、下記のファインセラミッ
クス破壊靱性値測定用試験片への予亀裂導入方法にある
（図１参照）。
クス破壊靱性値測定用試験片への予亀裂導入方法にある
（図１参照）。
【００１２】ファインセラミックス試験片1 の亀裂導入
位置の表面に予亀裂起点圧痕または予亀裂起点切欠2 を
設け、試験片1 の予亀裂起点2 を含む位置に、亀裂導入
方向に圧縮応力と温度勾配とを付与するファインセラミ
ックス破壊靱性値測定用試験片への予亀裂導入方法。
位置の表面に予亀裂起点圧痕または予亀裂起点切欠2 を
設け、試験片1 の予亀裂起点2 を含む位置に、亀裂導入
方向に圧縮応力と温度勾配とを付与するファインセラミ
ックス破壊靱性値測定用試験片への予亀裂導入方法。
【００１３】上記の予亀裂起点圧痕は、ビッカース圧痕
またはヌープ圧痕を用いて作成し、予亀裂起点切欠は切
削によって作成する。
またはヌープ圧痕を用いて作成し、予亀裂起点切欠は切
削によって作成する。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明者は、ＪＩＳに定められた
ポップイン亀裂の導入方法では、亀裂の長さなどにばら
つきの発生することの原因について研究を進めた。
ポップイン亀裂の導入方法では、亀裂の長さなどにばら
つきの発生することの原因について研究を進めた。
【００１５】図５は、ポップイン亀裂を導入するときの
亀裂発生のメカニズムを説明するための図である。試験
片1 に圧縮荷重6 を負荷すると、予亀裂起点2 の部分で
は下からの圧縮荷重（アンビルによる反力7 ）が負荷さ
れないため、試験片中央に曲げモーメント8 による応力
が発生し、予亀裂起点2 から亀裂が発生する。しかし、
同図に示すように試験片中央部に働く荷重は、アンビル
による反力7 では切欠溝肩部に応力集中が起こり、圧縮
荷重6 では試験片の弾性変形による中央上部からの負荷
の除荷によって複雑な分布となる。なおかつ、試験片の
中央から試験片の長さ方向に少し入った断面には剪断力
が働き、複雑な応力状態となる。このため、アンビルと
試験片のわずかな位置の差によって試験片ごとに亀裂の
近傍の応力状態が変化するので、予亀裂導入の結果がば
らつくのである、と考えた。
亀裂発生のメカニズムを説明するための図である。試験
片1 に圧縮荷重6 を負荷すると、予亀裂起点2 の部分で
は下からの圧縮荷重（アンビルによる反力7 ）が負荷さ
れないため、試験片中央に曲げモーメント8 による応力
が発生し、予亀裂起点2 から亀裂が発生する。しかし、
同図に示すように試験片中央部に働く荷重は、アンビル
による反力7 では切欠溝肩部に応力集中が起こり、圧縮
荷重6 では試験片の弾性変形による中央上部からの負荷
の除荷によって複雑な分布となる。なおかつ、試験片の
中央から試験片の長さ方向に少し入った断面には剪断力
が働き、複雑な応力状態となる。このため、アンビルと
試験片のわずかな位置の差によって試験片ごとに亀裂の
近傍の応力状態が変化するので、予亀裂導入の結果がば
らつくのである、と考えた。
【００１６】そこで、本発明方法では、外荷重の移動の
ないばかりでなく、複雑な応力状態を避けることのでき
る単純な負荷方法を採ればよいとの発想のもとに、試験
片の変形を完全に拘束して熱応力による曲げ応力を発生
させることとした。
ないばかりでなく、複雑な応力状態を避けることのでき
る単純な負荷方法を採ればよいとの発想のもとに、試験
片の変形を完全に拘束して熱応力による曲げ応力を発生
させることとした。
【００１７】図２は、本発明の熱応力による予亀裂導入
方法を説明するための図である。表面に予亀裂起点2 を
設けた試験片1 を、剛体である上下二つのブロック9,10
で挟み、圧縮荷重をかけて試験片の変形を拘束する。そ
の状態で上ブロック9 をヒーターなどで加熱し、下ブロ
ック10を液体窒素などで冷却すると、試験片1 には熱変
形が発生する。しかし、試験片はブロックで変形を拘束
されているので、試験片全長には曲げ応力が発生し、予
亀裂起点2 から亀裂が発生する。
方法を説明するための図である。表面に予亀裂起点2 を
設けた試験片1 を、剛体である上下二つのブロック9,10
で挟み、圧縮荷重をかけて試験片の変形を拘束する。そ
の状態で上ブロック9 をヒーターなどで加熱し、下ブロ
ック10を液体窒素などで冷却すると、試験片1 には熱変
形が発生する。しかし、試験片はブロックで変形を拘束
されているので、試験片全長には曲げ応力が発生し、予
亀裂起点2 から亀裂が発生する。
【００１８】図３は、熱変形の拘束による曲げ応力発生
のメカニズムを説明するための図であり、(a) は試験片
の変形を拘束するものがない場合、(b) は試験片の変形
を拘束するものがある場合を示す図である。同図(a) に
示したように、試験片1 に変形を拘束するものがなけれ
ば、試験片は上面の熱膨張12と下面の熱収縮11によって
ある一定の曲率で曲がる。しかし、同図(b) に示したよ
うに、上下のブロック9,10によって試験片1 の上下から
変形を拘束すると、図(a) で発生した変形を曲げ戻す作
用をするので、試験片には全長にわたりほぼ等しい曲げ
応力を発生させる。冷却と加熱の温度差を大きくし、曲
げ応力を大きくすると、ある曲げ応力に達したとき、予
亀裂起点2 から亀裂が発生する。曲げ応力は、予亀裂起
点の反対側で圧縮になっているので荷重点がまったく動
かない。このため亀裂の伸展は、試験片の途中で停止す
る。なお、亀裂の停止する位置は、予亀裂起点であるビ
ッカース圧痕の深さ、個数、あるいは切欠の深さなどで
調節することができる。
のメカニズムを説明するための図であり、(a) は試験片
の変形を拘束するものがない場合、(b) は試験片の変形
を拘束するものがある場合を示す図である。同図(a) に
示したように、試験片1 に変形を拘束するものがなけれ
ば、試験片は上面の熱膨張12と下面の熱収縮11によって
ある一定の曲率で曲がる。しかし、同図(b) に示したよ
うに、上下のブロック9,10によって試験片1 の上下から
変形を拘束すると、図(a) で発生した変形を曲げ戻す作
用をするので、試験片には全長にわたりほぼ等しい曲げ
応力を発生させる。冷却と加熱の温度差を大きくし、曲
げ応力を大きくすると、ある曲げ応力に達したとき、予
亀裂起点2 から亀裂が発生する。曲げ応力は、予亀裂起
点の反対側で圧縮になっているので荷重点がまったく動
かない。このため亀裂の伸展は、試験片の途中で停止す
る。なお、亀裂の停止する位置は、予亀裂起点であるビ
ッカース圧痕の深さ、個数、あるいは切欠の深さなどで
調節することができる。
【００１９】
【実施例】試験材料として、表１に示すファインセラミ
ックスである高純度ムライトセラミックスを用意し、長
さ40mm、高さ4 mm、幅3 mmの試験片を10本製作し、予亀
裂起点としてビッカース圧痕（10 kgf）２個を形成し
た。これらの試験片に、本発明の熱応力による方法と、
ＪＩＳに規定されている方法とによって予亀裂を導入
し、破壊靱性試験を行った。
ックスである高純度ムライトセラミックスを用意し、長
さ40mm、高さ4 mm、幅3 mmの試験片を10本製作し、予亀
裂起点としてビッカース圧痕（10 kgf）２個を形成し
た。これらの試験片に、本発明の熱応力による方法と、
ＪＩＳに規定されている方法とによって予亀裂を導入
し、破壊靱性試験を行った。
【００２０】
【表１】
【００２１】図１は、本発明の熱応力による予亀裂導入
方法を実施するための装置の一例を示す縦断面図であ
る。符号13は冷却治具、14は加熱治具、15は固定ボルト
である。
方法を実施するための装置の一例を示す縦断面図であ
る。符号13は冷却治具、14は加熱治具、15は固定ボルト
である。
【００２２】ムライトセラミックスは、比較的脆いため
下側の加熱治具14の加熱は必要なく、上側の冷却治具13
のステンレス製冷却槽に液体窒素を徐々に注ぎ、亀裂発
生音を検知し、固定ボルトを緩めることによって予亀裂
を発生させることができた。それぞれ10本の試験片は、
破壊靱性試験（ＪＩＳ Ｒ 1607）した後、予亀裂長さ
などの測定を行い、それらの結果を表２に示した。
下側の加熱治具14の加熱は必要なく、上側の冷却治具13
のステンレス製冷却槽に液体窒素を徐々に注ぎ、亀裂発
生音を検知し、固定ボルトを緩めることによって予亀裂
を発生させることができた。それぞれ10本の試験片は、
破壊靱性試験（ＪＩＳ Ｒ 1607）した後、予亀裂長さ
などの測定を行い、それらの結果を表２に示した。
【００２３】
【表２】
【００２４】本発明方法を用いて予亀裂を導入した試験
片（試験片番号１〜10）のすべてがＪＩＳで定める許容
範囲にあり、合格であった。
片（試験片番号１〜10）のすべてがＪＩＳで定める許容
範囲にあり、合格であった。
【００２５】これに対し、比較例のＪＩＳによる方法を
用いて予亀裂を導入した試験片（試験片番号11、13、18
および20）は、それぞれ予亀裂前線の傾きが0.18、予亀
裂長さが2.6 mm、同1.1 mm、および予亀裂の斜進が16°
とＪＩＳで定める許容範囲を満足しない。即ち、ＪＩＳ
による方法を用いて予亀裂を導入した試験片では、10本
中４本が不合格であった。
用いて予亀裂を導入した試験片（試験片番号11、13、18
および20）は、それぞれ予亀裂前線の傾きが0.18、予亀
裂長さが2.6 mm、同1.1 mm、および予亀裂の斜進が16°
とＪＩＳで定める許容範囲を満足しない。即ち、ＪＩＳ
による方法を用いて予亀裂を導入した試験片では、10本
中４本が不合格であった。
【００２６】試験片が窒化珪素のような比較的ねばい材
料では、下側の加熱治具14を加熱すると亀裂が発生す
る。
料では、下側の加熱治具14を加熱すると亀裂が発生す
る。
【００２７】
【発明の効果】本発明によるセラミックス試験片への予
亀裂導入方法によれば、ＪＩＳに規定されている方法に
比べて容易に、確実に予亀裂を導入することができる。
また、本発明の方法では特別な圧縮試験機を用いる必要
がなく、試験片を固定し、温度分布を与える簡単な装置
があれば良く、複数の装置を製作すれば同時に複数の試
験片に予亀裂の導入が可能となる。
亀裂導入方法によれば、ＪＩＳに規定されている方法に
比べて容易に、確実に予亀裂を導入することができる。
また、本発明の方法では特別な圧縮試験機を用いる必要
がなく、試験片を固定し、温度分布を与える簡単な装置
があれば良く、複数の装置を製作すれば同時に複数の試
験片に予亀裂の導入が可能となる。
【図１】本発明の熱応力による予亀裂導入方法を実施す
るための装置の一例を示す縦断面図である。
るための装置の一例を示す縦断面図である。
【図２】本発明の熱応力による予亀裂導入方法を説明す
るための図である。
るための図である。
【図３】熱変形の拘束による曲げ応力発生のメカニズム
を説明するための図であり、(a) は試験片の変形を拘束
するものがない場合、(b) は試験片の変形を拘束するも
のがある場合を示す図である。
を説明するための図であり、(a) は試験片の変形を拘束
するものがない場合、(b) は試験片の変形を拘束するも
のがある場合を示す図である。
【図４】ポップイン亀裂を導入するための装置を示す縦
断面図である。
断面図である。
【図５】ポップイン亀裂を導入するときの亀裂発生のメ
カニズムを説明するための図である。
カニズムを説明するための図である。
１．試験片 ２．予亀裂起点 ３．圧縮治具 ４．アンビル ５．切欠溝 ６．圧縮荷重 ７．アンビルによる反力 ８．曲げモーメント ９．上ブロック 10．下ブロック 11．熱収縮 12．熱膨張 13．冷却治具 14．加熱治具 15．固定ボルト
Claims (1)
- 【請求項１】ファインセラミックス試験片の亀裂導入位
置の表面に予亀裂起点圧痕または予亀裂起点切欠を設
け、試験片の予亀裂起点を含む位置に、亀裂導入方向に
圧縮応力と温度勾配とを付与することを特徴とするファ
インセラミックス破壊靱性値測定用試験片への予亀裂導
入方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24060996A JPH1090142A (ja) | 1996-09-11 | 1996-09-11 | ファインセラミックス破壊靱性値測定用試験片への予亀裂導入方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24060996A JPH1090142A (ja) | 1996-09-11 | 1996-09-11 | ファインセラミックス破壊靱性値測定用試験片への予亀裂導入方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1090142A true JPH1090142A (ja) | 1998-04-10 |
Family
ID=17062047
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24060996A Pending JPH1090142A (ja) | 1996-09-11 | 1996-09-11 | ファインセラミックス破壊靱性値測定用試験片への予亀裂導入方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1090142A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007155665A (ja) * | 2005-12-08 | 2007-06-21 | Univ Nihon | 予亀裂導入装置、予亀裂導入冶具及び予亀裂導入方法 |
| CN115683765A (zh) * | 2022-09-27 | 2023-02-03 | 河海大学 | 一种在粗晶硬质合金表面产生裂纹的方法 |
-
1996
- 1996-09-11 JP JP24060996A patent/JPH1090142A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007155665A (ja) * | 2005-12-08 | 2007-06-21 | Univ Nihon | 予亀裂導入装置、予亀裂導入冶具及び予亀裂導入方法 |
| JP4677588B2 (ja) * | 2005-12-08 | 2011-04-27 | 学校法人日本大学 | 予亀裂導入方法および装置 |
| CN115683765A (zh) * | 2022-09-27 | 2023-02-03 | 河海大学 | 一种在粗晶硬质合金表面产生裂纹的方法 |
| CN115683765B (zh) * | 2022-09-27 | 2024-05-17 | 河海大学 | 一种在粗晶硬质合金表面产生裂纹的方法 |
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