20 凶 N

15 

& = 0 . 2 0   1 4 0  

1 2 0   1 0 0  

80 

60  む仏

WJ

円

55 [k g( ru )]  

10  250 

4 0  

1 0 0  

Q 

Relations between both [(σi)max]max and temperature rise T at point corresponding  to [(σUma

x J

max against 

Q  ( I n

ternal irradiation， correspond to Fig.2‑11 ) 

‑ 34 

2 0 0   W 

150 

Fig.36 

t 

011 

= 

5.4 

x 

10・7で あ っ た 図 3‑4の場合， (σ'l)maxお よ び そ の 発 生 位 置 に 対 応 す る(}2，(}3は い ず れ も レ ー ザ ビ ー ム 照 射 時 間 中 つ ね に 引 張 り で あ っ た . こ こ で 図3‑7に ， レ ー ザ ビ ー ム 照 射 終 了 直 前 の(σ'1)max， (}:;， σ3に 及 ぼ す の

t

011の 影 響 を 示 す . い ず れ の 主 応 力 も

t

011が大きく な る に つ れ て 小 さ く な る . (σ'l)max はつねに引張りであるが， σ三とσ3は

t

⁰¹¹孟 6.7XlO‑⁷ (供試 超 硬 工 異 P20の 場 合 は

t

_OI1孟24.7ms)で 圧 縮 と な る .

8 X 

1 0

^♂ 

T

一 一 一 一 一

6 

i

ぽ 4 

2 

。

‑2 

0  5  10 

ton  ^{15  X} 

1 0 ‑

⁷ 

Fig. 3‑7  Influence of 

i 

On on (ξ)m瓜， 0"2 ，and (J3 immediately before stop  of laser beam irradiation 

. ︑

J

A 13  

3.  3  熱 応 力 場 に 及 ぼ す 内 部 欠 陥 の 影 響

3.  3.  1  超 音 波 顕 微 鏡 に よ る 熱 き 裂 の 観 察

3.2項 で は ， 供 試 超 硬 工 具 P20を欠陥のない等方等質性物体とみなして， レーザピーム 照 射 面 お よ び そ の 近 傍 の 温 度 上 昇 と 熱 応 力 解 析 を 行 っ た . そ の 結 果 ， レ ー ザ ビ ー ム 照 射 面 に は レ ー ザ ビ ー ム 照 射 時 間 中 の み な ら ず ， レ ー ザ ビ ー ム 照 射 停 止 後 も 引 張 応 力 は 作 用 し な い こ と が 明 ら か と な っ た . た だ し ， レ ー ザ ピ ー ム 照 射 面 下 に は レ ー ザ ピ ー ム 照 射 時 間 中 引 張 応 力 場 が 広 範 囲 に 形 成 さ れ る . 第 1主 応 力 は レ ー ザ ピ ー ム 照 射 開 始 後 ご く 短 待 問 で 最 大 と な り ， そ の 位 置 は レ ー ザ ビ ー ム 照 射 面 上 の レ ー ザ ビ ー ム パ ワ ー 密 度 ピ ー ク 点 下 で ， レ ー ザ ビ ー ム 照 射 面 か ら 0.26m mの 深 さ の と こ ろ で あ っ た .

ところで，脆性工具材料の耐熱衝撃性に関してより近似度の高い熱応力解析を行うには，

超 硬 工 具 ， サ ー メ ッ ト 工 具 と い っ た 脆 性 工 具 が 焼 結 材 料 で あ る こ と を 考 慮 し て 空 孔 な ど の 内 部 欠 陥 を 考 え る 必 要 が あ る . そ こ で ， パ ル ス 状 CO2レ ー ザ ピ ー ム 照 射 に よ り 供 試 超 硬 工 具 P20の レ ー ザ ピ ー ム 照 射 屈 に 発 生 し た 熱 き 裂 を 走 査 型 電 子 顕 微 鏡(SEM)と反射型 Cモー

ド超音波顕微鏡(SAM)を用いて観察した.

本 実 験 で 用 い た 超 音 波 顕 微 鏡 の 音 響 レ ン ズ の 印 加 席 波 数 は 400MHzであり，音響レンズ と 試 料 の 聞 に は 媒 質 と し て 水 を 入 れ た . こ の 場 合 の 方 位 分 解 能 は 2.5μm， 深 度 分 解 能 は 0.8μmであった.供試超硬工具 P20の 表 面 は 研 削 仕 上 げ さ れ て お り ， そ の 表 面 粗 さ は 約 0.1 μm Raで あ り ， こ の 状 態 で レ ー ザ ビ ー ム 熊 射 面 を 超 音 波 顕 微 鏡 で 観 察 し た と こ ろ ， 研 削 痕 に よ っ て 干 渉 縞 が 発 生 し ， 熱 き 裂 が 不 鮮 明 と な っ た . そ こ で ， 超 音 波 顕 微 鏡 に よ る 熱 き 裂 の 観 察 で は ， レ ー ザ ビ ー ム 照 射 後 に レ ー ザ ビ ー ム 照 射 面 を 約 0.07μmRaにバフ研磨した.

な お ， バ フ 研 磨 前 ・ 後 の レ ー ザ ビ ー ム 照 射 商 の 金 属 顕 微 鏡 観 察 か ら 熱 き 裂 の 状 態 は パ フ 研 磨 に よ っ て 変 わ ら な い こ と が 確 認 さ れ た .

図 3‑8は，図 3‑8中 に 示 す パ ル ス 状 CO₂レ ー ザ ゼ ー ム 損 射 条 件 下 で レ ー ザ ビ ー ム 照 射 面 中 央 付 近 に 発 生 し た 熱 き 裂 の SEM像 ( 図 3‑8(a)) と， SAM像 ( 図 3‑8(b)ラ(c)) を示す.図 3‑8(b)は 音 響 レ ン ズ 焦 点 位 置zが レ ー ザ ビ ー ム の 照 射 面 上(z

= 

0μm)のときであり，図3・8(c) はz

= 

12μmの と き で あ る . 図 3‑8(b)と図 3‑8(c)を比較して熱き裂の状態、で大きく異なる点 は，図 3‑8(b)で は レ ー ザ ど ー ム 照 射 面 に 熱 き 裂 が 認 め ら れ な い 部 分 に 図 3‑8(c)で は レ ー ザ

ピ ー ム 損 射 面 下 の 熱 き 裂 が 存 在 す る こ と で あ る .

f o  

︽1

3

(a) SEM image 

e 

c 

a rl e 

' k  

a r且n o e 

唱 )

m m  

刷 門

口 ︑は

/ ι

︑

・hu (c) SAM image below rake face  令=12μm) 

Laser power Q = 176 W^ラontime ton  number of irradiation cycles 

= 

10 

= 10 ms， offtime 

t

Off = 99.9 ms^ラ

Fig. 3‑8  SEM and SAM images ofthermal cracks due to CO₂ pulse laser  beam irradiations on rake face of cemented carbide tool P20 

‑ 37 

レ ー ザ ビ ー ム 照 射 面 に 熱 き 裂 が 発 生 し た 試 料 数 十 点 に つ い て ， 超 音 波 顕 微 鏡 を 照 い て 熱 き 裂 を 観 察 し た . レ ー ザ ビ ー ム 照 射 面 に 熱 き 裂 が 発 生 し て い る 場 合 ， レ ー ザ ピ ー ム 照 射 面 下 に も 熱 き 裂 が 認 め ら れ た . ま た ， い く つ か の 試 料 で は 図 3‑8(c)中 に 示 し た よ う に レ ー ザ ビ ー ム 照 射 面 に は 認 め ら れ な い 熱 き 裂 が レ ー ザ ビ ー ム 照 射 面 下 に あ っ た . な お ， 2.3.3項 で 述 べ た よ う に ， レ ー ザ ピ ー ム 照 射 終 了 後 数 分 以 上 経 過 後 に 金 属 顕 微 鏡 で 熱 き 裂 発 生 の 有 無 を確認中， レ ー ザ ビ ー ム 照 射 面 に 突 然 熱 き 裂 が 発 生 し た こ と が あ る . 以 上 の こ と や ， レー ザ ビ ー ム 照 射 面 の 熱 応 力 は 引 張 り に は な ら な い こ と ， ま た 熱 き 裂 の 発 生 侍 期 が レ ー ザ ピ ー ム 照 射 停 止 待 問 中 の 初 期 で あ る こ と な ど か ら 判 断 し て ， 熱 き 裂 は レ ー ザ ビ ー ム 照 射 面 下 に 発生し， レ ー ザ ビ ー ム 熊 射 停 止 時 間

t

_Off中 に レ ー ザ ビ ー ム 照 射 面 に 現 れ た と 推 測 で き る .

3.  3.  2  球 状 微 小 空 孔 周 辺 の 熱 応 力 解 析 3.3.2.  1  解 析 モ デ ル

超 硬 合 金 は 焼 結 材 料 で あ る . し た が っ て ， そ の 内 部 に は 微 視 的 な 空 孔 な ど の 欠 陥 の 存 在 が 考 え ら れ る . 図 3‑9は ， レ ー ザ ビ ー ム 照 射 面 に 現 れ た 熱 き 裂 の 拡 大 写 真 の 一 例 を 示 す . 3.2項 で は 供 試 超 硬 工 具 P20を 欠 陥 の な い 等 方 等 質 材 と 仮 定 し て レ ー ザ ビ ー ム 照 射 面 お よ び そ の 近 傍 に 発 生 す る 熱 応 力 を 解 析 し た . し か し ， 供 試 超 硬 工 具 P20は ， 実 際 に は 図 3‑9 に 示 す よ う に W CとTiCをCoを パ イ ン ダ と し て 焼 結 し た も の で あ っ て ， 等 方 等 質 物 体 で はない.

そこで，等方等質物体に内部欠拍モデノレとして球状微小空孔を設け， レ ー ザ ビ ー ム 照 射 に よ っ て そ の 球 状 微 小 空 孔 周 辺 に 発 生 す る 熱 応 力 を 有 限 要 素 法 を 用 い て 解 析 し ， 内 部 欠 描 に よ っ て 熱 応 力 が 増 大 す る 部 位 を 明 ら か に す る こ と に し た . 図 3‑10は そ の 解 析 モ デ ル で あ

り ， レ ー ザ ビ ー ム 照 射 面 下 に 設 け た 球 状 微 小 空 孔 周 辺 の 熱 応 力 解 析 方 法 を 以 下 に 示 す . ま ず ， 球 状 微 小 空 孔 の な い 等 方 等 質 性 円 柱 の 端 面 中 心 部 に パ ワ ー 密 度 が ガ ウ ス 分 布 状 の CO₂レ ー ザ ビ ー ム が 作 用 す る と き の 温 度 上 昇 と 熱 応 力 を 解 析 し た . そ の 解 析 は 図 3‑10(a)に 示 す 114円柱モデルで行った.解析モデノレの寸法は，円柱外周面上での温度上昇が無視で き る レ ー ザ ビ ー ム 照 射 面 直 径 0.5mmの 10倍であり， 3.2.1項 で 述 べ た 2次 元 軸 対 称 解 析 モ デ ル に 対 応 す る . 解 析 に は 2次 要 素 を 用 い ， 熱 応 力 が 高 く な る レ ー ザ ビ ー ム 照 射 面 お よ び そ の 近 傍 の 要 素 分 割 を 密 に し た . こ の 場 合 に 要 素 数 は 約 10000で あ っ た . 工 具 表 面 に 相 当 する z=Ommの 匿 の 境 界 条 件 は ， レ ー ザ ピ ー ム 照 射 時 間 ton中 は レ ー ザ ビ ー ム 照 射 面 は ガ ウス分布状の熱流束流入境界，それ以外の面は熱伝達境界とし， レ ー ザ ビ ー ム 照 射 停 止 時

︒ ︒

︽1

3

Fig. 3‑9  A thennal crack on rake face of cemented carbide tool P20 due to  C02 pulse laser beam irradiations 

間 t_Off中 は 全 面 を 熱 伝 達 境 界 と し た.なお ，y = 0 mmお よ び x=Ommの 面 は 対称面であり 時 間 に よ ら ず断 熱境界とした.また， 114円 柱 外 周 面 ， お よ び 底 面 も 断 熱 境 界 と し た . 熱 伝 達 境 界 面 の 熱 伝 達 率 は 40W/(m²K)で一定とした. なお， 熱 応 力 解 析に あ た っ て は z軸 上のA点 を 固 定 点 と した.

つ ぎ に 、 レーザ ビーム 照 射 に よ る球 状 微 小空孔 周 辺の 熱 応 力 解析 であるが， 図 3・10(a) に 対 応 す る 大 き さ の円 柱 モ デ ル 内 部 に 直 径数μm以 下 の 球 状 微 小 空 孔 を 設 け る 解 析 方 法 を 用 い れ ば ， 要 素 数 や 計 算 時 間 が 膨 大 と な る.そ こ で ズー ミング法(5)を適用 し て そ の 熱 応 力 解 析 を 行 う こ と に し た . す な わ ち ， 図 3‑10(a)に示した 114円 柱 モ デ ルとは別 に 一 般 の 長 さ4μmの 立 方 体 の 中 央 部 に 直 径 d_p= 0.1μm""'1μmの球状 微 小 空 孔を 設 け た 解析 モ デ ル を 用 い て 球 状 微 小 空 孔 周 辺 の 熱 応 力 解 析 を 行 っ た . 解 析 は ， 図 3・1O(b)に 示 すy= 0面 を 対 称 面とする 112立方体モデルで、行った.解析には 2次 要 素 を 用 い ， 球 状 微 小 空 孔 周 辺 の 要 素 分 割 を 密 に し た.この 場 合 の 要 素 数 は 約 26000で あ っ た.112立 方 体 モ デ ル の 境 界 条 件 と

ハ吋ノA13 

Laser beam irradiation region 

0.25 m m   Symmetric p1ane  Heat transfer  region 

x 

m  c"1 

Symmetric p1ane 

(a) Cy1indrica1 mode1 without spherica1 minute pore 

Eミ

寸

N 0. 

x 

4μm  z 

じ

ら

=0.1"'1μm  2μm 

(b) Cubica1 mode1 with a spherica1 minute pore 

Fig. 3‑10  Ana1戸icalmode1s to eva1uate thermal stresses of cemented carbide too1 P20  due to CO₂ 1aser 1eam irradiation on its rake face 

‑ 40 

し て ， 全 節 点 の 温 度 上 昇 お よ び 各 境 界 面 上 の 変 位 を 図 3‑10(a)に示した1/4円柱モデ、ルに対 し て 得 ら れ た 値 を 与 え た . な お ， こ の 解 析 方 法 の 妥 当 性 を 検 討 す る た め ， 図 3・10(a)に示す のと同じ寸法の1/4円 柱 モ デ ル 内 部 に 直 径 1μmの球状微小空孔を設けた解析も行ったが，

解 析 方 法 の 違 い に よ る 計 算 結 果 の 差 は 5 %以下であった.

ズ ー ミ ン グ 法 を 用 い て 応 力 解 析 を 行 う 場 合 ， 球 状 微 小 空 孔 な ど の 応 力 集 中 源 が 立 方 体 モ デノレ境界屈の応力状態に影響を及ぼさないことが必要である(5) そこで，立方体モデノレの 大 き さ が 球 状 微 小 空 孔 周 辺 の 熱 応 力 場 に 及 ぼ す 影 響 も 検 討 し た . 球 状 微 小 空 孔 の 直 径d_pを 0.1μm‑‑‑‑‑.，lμmと し た 本 解 析 で は ， 球 状 微 小 空 孔 中 心 位 置 が 境 界 面 か ら 2μm以 上 離 れ て い れ ば ， 球 状 微 小 空 孔 周 辺 の 熱 応 力 場 に 及 ぼ す 立 方 体 モ デ ル 寸 法 の 影 響 は 認 め ら れ な か っ た . な お ， 球 状 微 小 空 孔 中 心 位 置 は 境 界 面 か ら 2μm以上とする必要があるため， ZpZ五2μmの 範囲の解析は行わなかった.

3.  3.  2.  2  解 析 結 果 お よ び 考 察

ま ず ， 以 下 で 用 い る 無 次 元 座 標 に つ い て 説 明 す る . 無 次 元 座 標 (xラ Yラ Z)は 座 標(x^ぅ Yラ Z) を レ ー ザ ビ ー ム 照 射 面 上 の レ ー ザ ビ ー ム 直 径d( 

= 

0.5 mm)で 除 し た も の で あ り ， 球 状 微 小 空 孔 中 心 の 無 次 元 座 標 は(xpぅ YP^ラ Zp)で、表す.また ，d_pは 球 状 微 小 空 孔 直 径 d_pを dで除した 無次元直径である.

図 3‑11は ， 内 部 照 射 の 場 合 の 球 状 微 小 空 孔 周 辺 の 無 次 元 主 応 力 分 布 の 一 例 を 示 す . 球 状 微小空干しの中心はレーザビームパワー密度ピーク点下でかつレーザビーム照射面に櫨めて 近い(X_pラ YP^ラ Zp)= (0，0，0.004)， レ ー ザ ビ ー ム 照 射 開 始 か ら の 無 次 元 経 過 時 間 は ，

t

=5.4X10‑⁷ 

(1:共試超硬工具 P20では ，

t  = 

20 ms)で あ る . 引 張 り の 無 次 元 第 1主 応 力 的 は ， 球 状 微 小 空 孔 表 面 のθ = 90⁰ で 最 大 と な り ， そ の 方 向 は z軸 に 平 行 で あ っ た . な お ， 第 2， 第 3の 主 応 力 は い ず れ も 零 ま た は 圧 縮 の 応 力 で あ る .

こ こ で ， 無 次 元 直 径d_pの 球 状 微 小 空 孔 の 無 次 元 中 心 産 標 が(X_pラ YP^ラ Zp)に あ る 場 合 で ， レ ー ザ ビ ー ム 照 射 開 始 か ら 無 次 元 時 間 でt経 過 し た と き の 球 状 微 小 空 孔 表 面 に 発 生 す るσlの 最 大 値 を[(σ.1)max]Pと定義する. [(σ1 )max]Pは つ ね に 引 張 り で あ り ， そ の 方 向 は Z軸 に 平 行 で あった.なお，後に述べるが， [(σJ)max]Pはレーザビーム照射開始直後に急激に高くなり，

そ の 後 は 時 間 経 過 と と も に 徐 々 に 上 昇 す る . ま た ， 間 じZpの と き で は ， 球 状 微 小 空 孔 の 中

‑ 41  ‑

GLhl 

_Laserbeam 

irradiation 

t t t t t t t 

G L

ドキュメント内 脆性工具の耐熱衝撃性向上に関する研究 (ページ 39-47)