金属材料の高温における強化に関する研究 : 積層強 化と固溶強化

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Kyushu University Institutional Repository

金属材料の高温における強化に関する研究 : 積層強 化と固溶強化

森川, 龍哉

Interdisciplinary Graduate School of Engineering Sciences, Kyushu University

https://doi.org/10.11501/3099898

出版情報：Kyushu University, 1994, 博士（工学）, 課程博士 バージョン：

の

金 属 材 料 の 高 温 に お け る 強 化 に 関 す る 研 究

‑ 積 層 強 化 と 固 溶 強 化 ‑

森 川 龍 哉

目 次

1 序 論

1.1 本 研 究 の 背 景 と 目 的 1.1.1 

1.1.2  1.2 概 要

.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 

巨 視 的 な 材 料 強 化 法 ( 積 層 強 化 ) 微 視 的 な 材 料 強 化 法 ( 固 溶 強 化 )

‑ ・ . . . . . ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ . . .  . . . . . . 

2 人 工 積 層 複 合 材 料 の 熱 疲 労

2.1  緒 言

2.2  実 験 方 法 .

2.2.1  試 験 片 の 作 製

2.2.2  熱 疲 労 試 験

2.3  実 験 結 果 と 検 討 .

サ イ ク ル 数 と 銅 層 の 伸 び .

熱 残 留 応 力 の 評 価 .• • • • • • . • • • 残 留 内 部 応 力 の 緩 和 過 程 .

ボ イ ド の 発 生 機 構 . . . . . 

2.3.1  2.3.2  2.3.3  2.3.4 

2.4  _{結 論 ‑ ・ ・ . . . .  .} 

.  .  .  .  .  .  .  . 

. 

.  .  .  .  .  .  1 1 2 4 7  

9

9

0

0

0

2

2

5

6

1

3

 

1

1

1

1

1

1

1

2

2

 

3 人 工 積 層 複 合 材 の 高 温 変 形 24 

3.1  緒 言 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 24  3.2  実験方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 24  3.2.1  試 験 片 の 作 製 . . • . . • . . . ..  24  3.2.2  圧 縮 試 験 . . . . • . . ..  27  3.3  実 験 結 果 と 検 討 .. 

応力ーひずみ線図

異 相 界 面 す べ り の そ の 場 観 察 界 面 拘 束 に よ る 複 合 材 料 の 強 化 界 面 近 傍 の 構 造

3.3.1  3.3.2  3.3.3  3.3.4 

3.4  _{結 論 ‑・・・・・・ ・・・・・・・・・・・・・ ー}

ー・・・・・・・・・.

4 固 溶 硬 化 合 金 の 高 温 変 形 機 構 の 判 別 4.1  緒 言

4.2  回 溶 硬 化 合 金 の 高 温 変 形 挙 動 に よ る 変 形 機 構 の 判 別

4.2.1  実 験 方 法 .. . . ..  51  4.2.2  実 験 結 果 .. . . • . . . • ..  52  4.3  固 溶 硬 化 合 金 の 高 温 に お け る 刃 状 転 位 の 易 動 度 ・ ・ ・ 55  4.3.1  計 算 法 . . . . • . . . • . . . •. 55  4.3.2  計 算 結 果 と 検 討 . . . . .• 58  4.4  電 気 抵 抗 測 定 に よ る 固 溶 硬 化 合 金 の 高 温 変 形 機 構 の

判 別 .. . . • . . . • . . . • . • • . 62  4.4.1  実 験 方 法 .. . . • . • . • . . • . .• 62  4.4.2  実 験 結 果 と 検 討 . . . . • . . • •. 66  31  31  33  35  44  46 

9 9 1  

A古A斗A

V O

4 . 5  

結 論 . . . • . . . ••

7 2  

5 固 溶 硬 化 合 金 の 高 温 変 形 挙 動 の 予 測

77  5 . 1  

緒 言 . . . • . . . .. 

7 7   5 . 2  

実 験 方 法 .. . . • . . • . • .•

7 8   5 . 2 . 1  

高 温 引 張 試 験 . . . • . ••

7 8   5 . 2 . 2  

応 力 緩 和 試 験 . . . ••

8 1   5 . 3  

実 験 結 果 と 検 討 . . . . .. 

8 2   5 . 3 . 1  

応 力 緩 和 試 験 . . . .. 

8 2   5 . 3 . 2  

高 温 変 形 応 力 の 変 形 経 路 依 存 性 . . . .. 

8 3   5 . 4  

変 形 挙 動 の 予 測 .. . . .. 

8 7   5 . 4 . 1  

予 測 法 . . . . .. 

8 7   5 . 4 . 2  

パ ラ メ ー タ の 決 定 . . . . .. 

9 3   5 . 4 . 3  

実 験 結 果 と 計 算 結 果 の 比 較 . . . . .. 

9 6   5 . 5  

結 論 . . . .. 

1 0 2  

6 総 括 103 

謝 辞 109 

参 考 文 献 110 

牙 ヨ 1  _早

序 論

1 . 1   本研究の背景と目的

ジ ェ ッ ト エ ン ジ ン の 部 材 や 空 力 加 熱 に さ ら さ れ る 航 空 機 の 外 皮 部 材 な ど に は 高 温 で 高 い 強 度 を 保 つ こ と の で き る 材 料 が 必 要 と な る 。 高 温 で 強 度 の 高 い 材 料 に は セ ラ ミ ッ ク ス が あ る が 、 延 性 に 乏 し く 、

強 度 の ば ら つ き が 大 き い と い う 問 題 が あ り 、 構 造 用 材 料 の 主 流 は 依 然 と し て 金 属 材 料 で あ る 。

金 属 材 料 の 強 化 の た め に 既 に い ろ い ろ な 方 法 が 開 発 さ れ 、 実 用 に 供 さ れ て い る 。 材 料 の 塑 性 変 形 は 転 位 の 運 動 に よ っ て 担 わ れ て い る の で 、 材 料 の 強 化 と は 転 位 の 運 動 を 阻 止 す る こ と で あ る と 考 え る こ と が で き る 。 そ こ で 、 こ の 阻 止 を ど の よ う な 手 段 で 行 う か に よ っ て 、 材 料 の 強 化 法 は 巨 視 的 な 方 法 と 微 視 的 な 方 法 に 大 別 す る こ と が できる。

1 . 1 . 1  

巨 視 的 な 材 料 強 化 法 (積 層 強 化 )

航空機 等 の 構 成 材 料 の 軽 量 化 の た め に 、 材 料 の複 合 化 と い う 考 え 方 が生ま れ 発 展 し て き た 。 そ の 成 果 の 1っとし て、軽量 で し か も 強 い 、 す な わ ち 高 比 強 度 、 高 比 剛 性 の 材 料 で あ る FRP(繊 維 強 化 プ ラ ス チ ッ ク ) が す で に 実 用 化 さ れ て い る 。 強 化 繊 維 に は ガ ラ ス 、 ボ ロ ン 、 炭 素 な ど が 用 い ら れ 、 さ ら に 高 強 度 を 実 現 す る 繊 維 が 追 求 さ れ ている。しかし、 FRPに は リ サ イ ク ル が 困 難 で あ る 、 耐 熱 性 が 著 し く 劣 る と い っ た 問 題 が あ る 。 超 高 温 用 材 料 と し て 炭 素 ー 炭 素 複 合 材 料 の 開 発 も 進 め ら れ て い る が 、 主 流 は 金 属 を マ ト リ ッ ク ス と し た 金 属 基 複 合 材 料 で あ る と 言 え る 。

金 属 基 複 合 材 料 に も 、 比 強 度 、 比 剛 性 に 優 れ て い る こ と が 要 求 さ れ る が 、 耐 熱 用 に は 高 温 に お い て 強 度 低 下 の 少 な い こ と が 重 要 で あ る 。 ま た 、 高 温 で 延 性 に 富 む こ と も 、 高 温 用 複 合 材 料 の 満 た す べ き 条 件 で あ る 。 比 強 度 の 点 、 で 優 れ て い て も 延 性 の 著 し く 劣 る 材 料 は 大

き な 衝 撃 力 が 付 加 さ れ た と き に 破 壊 し や す い か ら で あ る 。 延 性 に 富 む 母 相 を 持 つ 金 属 基 複 合 材 料 は こ の 条 件 を 満 た す こ と が で き る 。

さらに、 2種 以 上 の 異 な る 材 料 を 用 い て い る こ と か ら 、 複 合 材 料 に は 異 相 間 の 界 面 の 安 定 性 や 密 着 性 の 良 い こ と が 必 要 で あ る 。 こ れ は 、 強 化 相 に 外 力 を 伝 達 さ せ て 強 度 を 上 げ る と い う 複 合 化 の 利 点 を 確 保 す る 上 で 重 要 で あ る 。

複 合 材 料 は 強 化 相 の 分 布 の 形 態 に よ っ て 次 の

3

種 類 に 分 類 で き る 。 母 相 中 に 第 2相を分散させた分散強化材(析出強化材を含む)、

繊 維 状 の 強 化 相 を 複 合 さ せ た 繊 維 強 化 材 、 お よ び 板 状 の 強 化 相 を 複

合させた積層強化材である。

3種 に 分 類 し た 複 合 材 料 の 中 で 、 分 散 強 化 材 で は 、 母 相 の 転 位 が 分 散 粒 子 に 到 達 し た 際 に 、 転 位 は 上 昇 運 動 に よ る 乗 り 越 え(1)̲(3)、あ る い は オ ロ ー ワ ン 機 構(4)(粒 子 の 周 り に 転 位 ル ー プ を 作 っ て 転 位 が 粒 子 聞 を 通 過 す る 機 構 ) 等 に よ っ て 通 過 す る こ と が 可 能 で あ る 。 ま た 、 繊 維 強 化 材 の 場 合 も オ ロ ー ワ ン 機 構 に よ っ て 転 位 は 繊 維 聞 を 通 過 可 能 で あ る 。 し か し 、 積 層 強 化 材 で は 、 母 相 の 転 位 が 強 化 相 に 到 達 し た と き 、 そ の 運 動 は 完 全 に 阻 止 さ れ る 。

以 上 の よ う に 、 積 層 強 化 材 は 転 位 論 的 な 強 化 の 効 果 が 最 も 大 き い 複 合 材 料 で あ る と 考 え ら れ る 。 こ の よ う な 観 点 か ら 、 本 研 究 で は 巨 視的な材料強化法の典型的な例として、積層複合材料を取り上げた。

金 属 基 の 複 合 材 料 を 作 製 す る 際 に は 、 母 相 と 強 化 相 の 界 面 密 着 性 の 問 題 や 構 成 相 聞 の 化 学 反 応 に よ り 反 応 相 が 界 面 に 形 成 さ れ る な ど の問題があるが、技術的には強化相表面の処理(コーテイング等)な ど に よ っ て こ れ ら の 問 題 は 克 服 さ れ て い る 。 ま た 、 金 属 同 士 を 複 合 さ せ て 積 層 材 を 作 製 す る 場 合 に は 、 共 品 系 を 利 用 す る こ と に よ り 化 学 的 に 安 定 な 界 面 を つ く る 方 法 も あ る(5)。 し か し 、 高 温 用 に 使 わ れ る複合材料は、高温から低温(室温)、またその逆の温度履歴を繰り 返 し 与 え ら れ る の が 一 般 で 、 そ の よ う な 使 用 条 件 の も と で も 界 面 の 安 定 性 が 保 持 さ れ な け れ ば な ら な い 。 こ の と き 、 上 に 述 べ た よ う な 界 面 の 化 学 的 安 定 性 も 必 要 で あ る が 、 構 成 相 の 熱 膨 張 係 数 の 相 違 に 由 来 す る 熱 応 力 に よ っ て 界 面 す べ り や 軟 相 の 変 形 な ど が 発 生 す る と い っ た 物 理 的 な 不 安 定 性 を 阻 止 す る こ と も 、 複 合 材 料 を 高 温 で 使 用 す る 上 で 重 要 な 課 題 で あ る 。 高 温 で 使 用 中 に 界 面 す べ り な ど の 物 理

的 な 不 安 定 性 が 露 呈 す る と 、 外 力 を 強 化 相 に 伝 達 す る 効 果 が 著 し く 減 ず る 。 そ こ で 、 本 論 文 の 前 半 で は 、 金 属 基 の 人 工 積 層 複 合 材 料 に つ い て 、 界 面 す べ り を 中 心 に し た 異 相 界 面 の 高 温 に お け る 物 理 的 な 不 安 定 性 を 、 熱 サ イ ク ル に よ る 熱 疲 労 と 高 温 変 形 に よ っ て 検 討 し 、 その原因を考察した。

本 研 究 で は 、 積 層 複 合 材 を 構 成 す る 材 料 と し て 母 相 ( 軟 相 ) に は 銅 、 強 化 相 ( 硬 相 ) に は タ ン グ ス テ ン を 選 択 し た 。 銅 と タ ン グ ス テ ン は 銅 を 溶 解 し て 接 合 す る と 密 着 性 の 非 常 に 良 い 界 面 が 得 ら れ る 。 し か も 、 化 学 反 応 に よ る 化 合 物 が 形 成 さ れ ず 、 互 い に 固 溶 す る こ と も な い 。 す な わ ち 、 こ の 組 み 合 わ せ を 用 い る と 、 化 学 的 に 安 定 で 強 固 な 界 面 を 持 つ 積 層 複 合 材 料 を 作 製 す る こ と が で き 、 熱 疲 労 や 高 温 変 形 の 挙 動 を 調 べ る 上 で 、 界 面 の 物 理 的 な 性 質 の み に 絞 っ て 検 討 す

る こ と が で き る と い う 利 点 が あ る 。

1 . 1 . 2  

微 視 的 な 材 料 強 化 法 ( 固 溶 強 化 つ

前 節 の 複 合 強 化 も 強 化 相 の 分 布 を 密 に し て 行 け ば 微 視 的 に な る が 、 本 研 究 で は 微 視 的 な 材 料 強 化 法 の 代 表 と し て 固 溶 強 化 事 を 取 り 上 げ た 。 合 金 元 素 が 原 子 レ ベ ル で 均 一 に 分 布 す る 固 溶 体 は 十 分 微 視 的であるといえる。

合 金 化 に よ る 回 溶 硬 化 は 、 結 晶 粒 の 微 細 化 な ど と 並 び 、 代 表 的 な 金 属 材 料 の 強 化 法 の 一 つ で あ る 。 国 溶 硬 化 の 研 究 は 過 去 に お い て 多 数 行 わ れ 、 そ の 機 構 に 関 す る 知 見 は 多 い(6)。 固 溶 硬 化 合 金 で は 、 高 事国溶強化は寸実に固溶硬化と呼ばれているので、以下では統ーして固溶硬化 と呼ぶ

温 に お い て 転 位 の 周 り に 溶 質 原 子 の 雰 囲 気 が 形 成 さ れ る 。 置 換 型 固 溶 体 の 場 合 に は 、 こ の 雰 囲 気 は 、 溶 質 原 子 が 母 相 の 格 子 点 に 置 換 す る こ と に よ っ て 格 子 を ひ ず ま せ 、 生 じ た 応 力 場 と 転 位 の 応 力 場 と の 相 互 作 用 に よ っ て 溶 質 原 子 が 流 動

( d r i f tf l o w )

す る こ と に よ り 形 成 さ れ る も の で あ る 。 し た が っ て 、 高 温 で 変 形 す る 際 に は 、 転 位 は 溶 質 原 子 の 雰 囲 気 を 引 き ず っ て 運 動 す る 。 こ の 引 き ず り 抵 抗 が 硬 化 の 原 因 と 考 え ら れ て い る (7)。 こ の と き の 転 位 の 運 動 は 粘 性 的 で あ り 、 溶 質 原 子 の 拡 散 を 媒 介 と す る 熱 活 性 化 過 程 で あ る 。 こ の よ う な 変 形 様 式 で は 、 巨 視 的 に は 、 ひ ず み 速 度 の 応 力 指 数 が 約 3になる(純金 属では 4から 5)(8)、 加 工 軟 化 す る(9)、逆遷移クリープ現象が見られ

る(10)な ど の 特 有 の 現 象 が 起 こ る 。

金 属 加 工 の 分 野 で 大 き な 割 合 を 占 め る 熱 間 圧 廷 で は 、 材 料 に 複 雑 な 変 形 履 歴 が 与 え ら れ る 。 こ の と き 、 圧 延 す る 材 料 の 変 形 抵 抗 の 変 動 を 、 上 に 述 べ た よ う な 回 溶 硬 化 の 機 構 に 関 す る 知 見 を 利 用 し て 予 測 で き れ ば 、 よ り 効 率 の 高 い 操 業 が 可 能 に な る と 考 え ら れ る 。

こ の 予 測 法 の 適 用 は 、 ま ず 面 心 立 方 品 の

AI‑Mg

合 金 を 対 象 に 行 わ れ た(11)(12)。 い ろ い ろ な 温 度 と 変 形 経 路 の 条 件 で 得 ら れ た 実 験 値 に 対 し て 予 測 が 行 わ れ 、 予 測 結 果 は 実 験 値 を 概 ね 再 現 す る こ と が で き た 。 し か し 、 変 形 条 件 に よ っ て は 予 測 値 が 実 験 値 を 上 回 る 場 合 が あ っ た 。 こ の 相 違 は 、 そ の 変 形 条 件 で は 転 位 の 運 動 速 度 が 大 き く 、 一 部 の 転 位 が 溶 質 雰 囲 気 か ら 離 脱 し 始 め て い る こ と に 起 因 す る の で は な い か と 考 え ら れ た(11)。 転 位 が 雰 囲 気 か ら 離 脱 し て い れ ば 、 予 測 法 の 前 提 に な っ て い る 変 形 機 構 が 変 化 し て い る こ と に な る か ら で あ る 。 実 際 、 計 算 で 求 め ら れ た 転 位 速 度 と 、 理 論 的 に 推 定 さ れ た 雰

囲 気 離 脱 開 始 転 位 速 度 を 対 応 さ せ る と 、 前 者 が 後 者 を 上回る領域と 予 測 値 が 計 算 値 よ り 大 き な 領 域 と が 対 応 す る こ と が わ か っ た(11)。 以 上 に 述 べ た 変 形 応 力 の 予 測 お よ び 変 形 機 構 の 変 化 の 検 討 は 、 い ず れ も 面 心 立 方 品 の

AI‑Mg

合 金 に つ い て 行 わ れ た も の で 、 他 の 種 類 の 合 金 や 結 晶 系 に お い て 、 こ の 方 法 が 適 応 で き る か 否 か は 未 だ 明 ら か に さ れ て い な い 。 そ こ で 、 本 論 文 の 後 半 で は 、 材 料 の 変 形 を 微 視 的 視 野 か ら 見 て 構 築 さ れ た 変 形 応 力 の 予 測 法 を 用 い 、 こ の 方 法 が 異 な る 結 品 系 の 材 料 に も 汎 用 し 得 る か 否 か に つ い て 検 討 し た 。

本 研 究 で は 、 原 子 半 径 差 に 基 づ く ミ ス フ ィ ッ ト パ ラ メ ー タ が 0.08 と 大 き い 典 型 的 な 固 溶 硬 化 合 金 で あ り 、 実 用 に 広 く 使 わ れ て い る 鉄 をベ ースにした Fe‑Mo合 金 を 体 心 立 方 晶 合 金 の 中 か ら 選 択 し た 。

以 上 の よ う に 、 本 研 究 で は 材 料 の 巨 視 的 な 強 化 法 と し て 積 層 強 化 法 を 、 微 視 的 な 強 化 法 と し て 合 金 化 に よ る 固 溶 硬 化 を 選 び 、 そ れ ぞ れ の 高 温 変 形 挙 動 の 特 徴 を 調 べ た も の で あ る 。 高 温 変 形 に は 拡 散 が 関 与 す る と い う 共 通 点 が あ る が 、 そ の 関 与 の 重 点 が 積 層 強 化 材 料 で は 界 面 す べ り と 硬 相 の 拘 束 下 で の 軟 相 の 塑 性 変 形 に あ り 、 固 溶 硬 化

材 料 で は 転 位 の 溶 質 雰 囲 気 引 き ず り 運 動 に あ る と い う 大 き な 違 い が あ る 。 そ れ 故 、 本 論 文 で は 前 半 で 積 層 強 化 に つ い て 述 べ 、 後 半 で 固 溶 硬 化 に つ い て 述 べ る こ と と し 、 最 後 に 両 研 究 成 果 を 総 括 す る こ と

とした。

1 . 2   概要

本 論 文 は 、 以 下 の 6章 よ り 構 成 さ れ る 。 第 1章 序 論

第 2章 人 工 積 層 複 合 材 料 の 熱 疲 労 第 3章 人 工 積 層 複 合 材 料 の 高 温 変 形

第 4章 固 溶 硬 化 合 金 の 高 温 変 形 機 構 の 判 別 第

5

章 固 溶 硬 化 合 金 の 高 温 変 形 挙 動 の 予 測 第 6章 総 括

第 1章 に は 、 本 研 究 の 背 景 と 目 的 お よ び 各 章 の 概 要 を 記 し た 。 第 2章 と 第 3章 に は 、 積 層 複 合 材 料 の 高 温 変 形 挙 動 に つ い て 記 した。

第 2章 で は 、 銅 ー タ ン グ ス テ ン 人 工 積 層 複 合 材 料 に 3つ の 異 な る 熱 サ イ ク ル を 与 え た と き に 、 軟 相 で あ る 銅 相 が 界 面 方 向 に 伸 び 、 銅 相 中 に ボ イ ド が 発 生 す る こ と を 示 し 、 こ れ ら の 実 験 結 果 と 、 熱 サ イ

ク ル 中 に 熱 膨 張 係 数 差 に 起 因 し て 試 料 内 部 に 発 生 す る 熱 残 留 応 力 と の関連を検討した。

第 3章 に は 、 銅 ー タ ン グ ス テ ン 人 工 積 層 複 合 材 料 を 高 温 で 圧 縮 試 験 し 、 変 形 挙 動 を 調 べ た 結 果 を 示 し た 。 こ の と き 、 タ ン グ ス テ ン の 圧 延 方 向 と 界 面 の せ ん 断 応 力 方 向 が 平 行 な と き と 垂 直 な と き の 2つ の 実 験 条 件 で 圧 縮 し て 、 前 者 で は 複 合 材 料 の 変 形 は も っ ぱ ら 銅 相 の 変 形 で 担 わ れ る こ と 、 後 者 で は 界 面 す べ り を 伴 う 変 形 が 生 じ る こ と を 示 し 、 界 面 す べ り の 方 向 に よ っ て 変 形 挙 動 が 大 き く 異 な る こ と を

明 ら か に し た 。 ま た 、 変 形 が 銅 相 に 担 わ れ る 場 合 に つ い て は 界 面 拘 束 に よ る 母 相 ( 銅 相 ) の 強 化 機 構 を 考 察 し 、 界 面 す べ り が 生 じ る 場 合 に つ い て は 、 界 面 す べ り と 界 面 構 造 と の 関 連 を 検 討 し た 。

第 4章 と 第 5章 に は 、 固 溶 硬 化 合 金 の 高 温 変 形 挙 動 に つ い て 述 べた。

第 4章では、まず、 Fe‑Mo合 金 を 用 い て 、 転 位 の 溶 質 雰 囲 気 引 き ず り が 変 形 を 律 速 す る と き に 観 測 さ れ る ひ ず み 速 度 の 応 力 に 対 す る べ き 乗 則

( 3

乗 則 ) と ひ ず み 速 度 の 増 大 に 伴 う

3

乗 則 か ら の ず れ を 実 験 的 に 明 ら か に し た 。 ま た 、 固 溶 硬 化 合 金 中 の 溶 質 原 子 と 転 位 の 弾 性 的 相 互 作 用 ( 寸 法 効 果 に よ る ) に 基 づ い て 、 転 位 速 度 の 変 化 に よ る 転 位 の 運 動 抵 抗 の 変 化 を 算 出 し 、 ひ ず み 速 度 の 増 大 に 伴 う 変 形 の 律 速 機 構 の 変 化 と の 関 係 を 検 討 し た 。 さ ら に 、

AI‑Mg

合 金 に つ い て 、 溶 質 雰 囲 気 形 成 に よ っ て 合 金 の 比 抵 抗 が 変 化 す る 可 能 性 を 検 討 し 、 こ れ を 利 用 し て 変 形 の 律 速 機 構 の 変 化 を 実 験 的 に 直 接 と ら え る ことを試みた。

第 5章 で は 、 ま ず 、 体 心 立 方 品 固 溶 硬 化 合 金 (Fe‑Mo合金)の高 温 に お け る 変 形 応 力 の 変 形 経 路 依 存 性 を 実 験 的 に 明 ら か に し た 。 ま た 、 こ れ ま で 面 心 立 方 品 の 合 金 に 有 用 で あ っ た 、 固 溶 硬 化 合 金 の 変 形 機 構 ( 転 位 の 溶 質 雰 囲 気 引 き ず り 機 構 ) に 基 づ い た 変 形 応 力 の 予 測 法 を 示 し 、 こ の 予 測 法 を 使 っ て 体 心 立 方 品 固 溶 硬 化 合 金 の 実 験 値 の 再 現 を 試 み 、 予 測 法 の 汎 用 性 と そ の 適 用 限 界 を 明 ら か に し た 。

第 6章 で は 本 研 究 で 得 ら れ た 主 な 結 果 を 要 約 し て 示 し た 。

弟 2  _早

人 工 積 層 複 合 材 料 の 熱 疲 労

2 . 1   緒言

高 温 で 使 用 さ れ る 複 合 材 料 に は 、 高 温 と 低 温 を 往 復 す る サ イ ク ル 型 の 温 度 履 歴 が 繰 り 返 し 与 え ら れ る 。 こ の と き 、 複 合 材 料 の 開 発 に あ た り 克 服 す べ き 重 要 な 課 題 は 、 母 相 と 強 化 相 の 異 相 界 面 に お け る 反 応 相 の 生 成 な ど の 化 学 的 不 安 定 性 と 界 面 す べ り な ど の 物 理 的 な 不 安 定 性 で あ る 。 本 章 で は 、 モ デ ル 積 層 複 合 材 料 と し て 銅 と タ ン グ ス テ ン に よ る 界 面 密 着 性 の 良 い 複 合 材 料 を 作 製 し 、 異 相 界 面 の 化 学 的 安 定 性 が 満 た さ れ て い る 条 件 で 、 熱 サ イ ク ル に よ る 複 合 材 料 の 形 状 変 化 を 調 べ 、 温 度 履 歴 を 与 え た と き に 各 相 に 生 ず る 熱 応 力 が 複 合 材 料 の 異 相 界 面 の 物 理 的 な 劣 化 に 及 ぼ す 影 響 を 検 討 し た 。 そ の 結 果 に 基 づ き 、 母 相 に 延 性 に 富 む 金 属 材 料 を 用 い た 場 合 で も 、 高 温 で 使 用 す る と き に は 構 成 相 の 熱 膨 張 率 の 適 合 性 が 重 要 に な る こ と を 示 す

(13) 

2 . 2   実験方法

2 . 2 . 1  

試 験 片 の 作 製

積 層 複 合 材 料 の 硬 相 の タ ン グ ス テ ン に は 、 粉 末 焼 結 の 後 圧 延 さ れ た 純 度

99.9wt%

、厚さ

O.lmm

のタングステン箔((株)東芝製)を用 い た 。 こ れ を

25x10mm

の 寸 法 に 切 り だ し た 後 、 フ ッ 酸

30%

、 酢 酸

30%

及 び 硝 酸

40%

の 体 積 比 の 溶 液 を 用 い て 酸 洗 し た 。 こ の 寸 法 の タ ン グ ス テ ン 箔 の 4隅 に 銅 溶 浸 用 の ス ペ ー サ ー と し て 同 じ 厚 さ で

2mm

角 の タ ン グ ス テ ン 箔 を 点 溶 接 し 、 こ れ ら を

1 0

枚積層させて、

タ ン グ ス テ ン 線 で 縛 っ た 。

こ の 積 層 体 を ア ル ミ ナ 製 の る つ ぼ の 底 に 立 て 、 そ の 上 に 純 度

9 9 . 9 9 w t %

の銅箔(日本電球工業(株)製)約

1 7 0 g

を 詰 め た 。 こ の る つ ぼ を 、 1.

0x 1 0 ‑

⁴

Pa

の真空下で、高周波誘導加熱によって銅の融点 (1356K)直 上 で

2

時 間 保 持 し 、 積 層 体 中 に 銅 を 溶 浸 さ せ た 。 溶 浸 後 は 、

20rnm/h

の 速 度 で る つ ぼ を ワ ー ク コ イ ル 中 で 降 下 さ せ 、 一 方 向 凝 固 さ せ た 。 こ れ は 、 凝 固 の 際 に 銅 層 内 に マ イ ク ロ ポ ア が 発 生 す る の を 防 ぐ た め である。

2 . 2 . 2  

熱 疲 労 試 験

溶 浸 法 で 作 製 し た 積 層 材 か ら

4x4x3mm

の 寸 法 に 切 り だ し た 試 験 片に、赤外線瞬間加熱ゴールドイメージ炉(真空理工(株)製

RHL E ‑ 4 1 0 P )

を 用 い 、 こ れ を 点 滅 さ せ る こ と に よ り 図

2 . 1

に 示 す

3

種 類 の 熱 サ イ ク ル を 与 え た 。 熱 サ イ ク ル の 最 高 温 度 は 1073Kとし、サイ

クル 1、2で は こ の 温 度 で

6 0 0

秒 保 持 し 、 サ イ ク ル 3で は 保 持 時

A  B  C  D  E  F 

表 2.1 3種 の 熱 サ イ ク ル の パ タ ー ン

C y c l e   1 

600s 

C y c l e  2 

S盟主

C y c l e  3 

Os 

1 0 7 3 K ‑ 一 一

一‑ s

一一 疋

JV

一 一 万

Kパ

q u  

マI7I 

473K 十 一 ‑ ‑

1230s  690s 

図 2.1与 え た 3つ の 熱 サ イ ク ル の パ タ ー ン

聞を O秒 と し た 。 ま た 、 熱 サ イ ク ル の 最 低 温 度 は サ イ ク ル 1、3で は 473Kと し て 最 高 温 度 と 600Kの 温 度 差 を 与 え 、 サ イ ク ル 2では

7731<と し 温 度 差 を 3001(に し た 。 こ れ ら の 熱 サ イ ク ル を 与 え る こ と に よ り 、 熱 疲 労 挙 動 に つ い て サ イ ク ル 1、3で 高 温 保 持 時 間 の 影 響 、 サ イ ク ル 1、2よ り 温 度 差 の 影 響 を 調 べ る こ と が で き る 。 い ず れ の サ イ ク ル に お い て も 冷 却 速 度 は 温 度 が 下 が る と 小 さ く な り 、 冷 却 中 で 一 様 で は な か っ た 。 表 2.1に 示 し た 冷 却 速 度 は 冷 却 開 始 点 で のイ直である。

2 . 3   実験結果と検討

2 . 3 . 1  

サ イ ク ル 数 と 銅 層 の 伸 び

図 2.2は 、 図 2.1に 示 し た サ イ ク ル 3を 442回 与 え た 後 の 試 験 片 端 部 の 走 査 型 電 子 顕 微 鏡 ( 日 立 製 作 所 ( 株 ) 製 8‑510型)写真である。

熱 膨 張 係 数 の 相 違 に よ り 、 軟 ら か い 構 成 相 の 銅 層 が 塑 性 変 形 し 、 界 面 に 平 行 に 伸 び が 生 じ た 様 子 が わ か る 。 ま た 、 端 部 の 一 部 よ り ク

ラック(界面剥離)が生じている。

図 2.3(a)に 熱 サ イ ク ル を 与 え た 回 数 と 積 層 方 向 に 平 行 な 方 向 へ の 銅 層 の 伸 び と の 関 係 を 示 す 。 伸 び の 量 は サ イ ク ル 数 と と も に 単 調 に 増 加 し て い る が 、 そ の 増 え 方 は サ イ ク ル 1を 与 え た 場 合 が 最 も 大 き く 、 つ い で サ イ ク ル 3、 サ イ ク ル 2の 順 に 小 さ く な っ て い る 。 表

2.1と 対 比 す る と 、 温 度 差 が 大 き い ほ ど 、 高 温 で の 保 持 時 聞 が 長 い ほ ど 伸 び が 大 き く な る こ と が わ か る 。

図

2 . 2

熱 サ イ ク ル ( サ イ ク ル

3 : 4 4 2

回 ) を 与 え た 後 に 複 合 材 料 の 端 部 で 観 察 さ れ た 銅 層 の 伸 び と 界 面 剥 離

c f ! .  

、、、

。

^〉E'‑^U

^、

。 _』 コ

。

^←‑

。 c 

. ‑

4 c

・

u

^d 

0) 

c 

w  。

4 

2 

。

。

( a )   0  Thermal Cycle 1 

a  Thermal Cycle 2 

口 ThermalCycle 3 

I  ( b )  

Cycle 1 

500 

Number o f  Thermal Cycles 

図

2 . 3

熱 サ イ ク ル の 回 数 と 銅 層 の 伸 び の 関 係

( a )

実 験 値

( b )

界 面 す べ り の み で 残 留 応 力 が 緩 和 さ れ る と 仮 定 し た と き の 理 論 値

2 . 3 . 2  

熱 残 留 応 力 の 評 価

熱 膨 張 率 の 異 な る 材 料 を 積 層 さ せ た 複 合 材 料 に お い て 、 そ の 界 面 で の 接 合 が 強 固 で あ る と き に は 、 加 熱 お よ び 冷 却 の 際 に 界 面 応 力 が 生 ず る 。 熱 膨 張 率 の 大 き い 構 成 相 ( 本 複 合 材 料 で は 軟 相 の 銅 ) は 加 熱 の 際 に 熱 膨 張 率 の 小 さ い 構 成 相 ( 本 複 合 材 料 で は 硬 相 の タ ン グ ス

テ ン ) か ら 圧 縮 応 力 を 受 け 、 冷 却 の 際 に は 引 張 応 力 を 受 け る 。 こ の 応 力 は 次 の よ う に 見 積 も ら れ る 。

今 、 銅 箔 と タ ン グ ス テ ン 箔 を 積 層 接 合 し 、 こ れ に 内 部 応 力 零 の 温 度 ( 基 準 温 度 ) か ら の 温 度 差

D : .

Tを 与 え た と き を 考 え る 。 銅 と タ ン グ ス テ ン の 熱 膨 張 係 数 を そ れ ぞ れ αCu、α w、 温 度 差 ム

T

に よ る 銅 の 拘 束 の な い と き の 伸 び 率 (eigenひずみ)をεCu、 複 合 材 料 の ひ ず み をεと す る と 、 界 面 す べ り や 塑 性 変 形 が な け れ ば 、 ε‑εCuが 弾 性 ひ ず み と な る の で 、 銅 に 働 く 応 力σCuは

σ

C u   = =   E c u (

ε‑ε

C u )  

(2.1 ) 

となる。ここで、

E c u

は 銅 の ヤ ン グ 率 で あ る 。 同 様 に 温 度 差 ム

T

に よ る タ ン グ ス テ ン の 無 拘 束 下 で の 伸 び 率 をεw、 タ ン グ ス テ ン の ヤ ング率を

Ew

と す る と 、 タ ン グ ス テ ン に 働 く 応 力σwは

σ

w  = =   Ew(

^ε‑ε

w )  

で あ る 。 こ れ ら の 応 力 は 界 面 を 通 し て 構 成 相 が 互 い に 他 に 及 ぼ す も の で あ る 。 本 複 合 材 料 で は こ れ ら の 相 の 体 積 分 率 が 等 し い の で 、 つ

り あ い の 条 件 よ り

σ^Cu 

+

σ

w  = =   0 

と な る 。 し た が っ て 、 複 合 材 料 の 伸 び 率 は

ε ‑Ec〆Cu

+ 

Ewεw  Ecu 

+ 

Ew 

で与えられる。また、 εCu==αC包ム

T

、εw==αwム

T

な の で ECuαCu +Ewα w  

ε ‑ 凶 H H

ム T

Ecu 

+ 

Ew 

で あ る 。 上 式 と 式 (2.1)か ら 熱 膨 張 係 数 差 に よ る 応 力σ(==σCu== 

一σ

w )

は

E

CuEw 

σ = ‑ ( α w一αCu)

ム

^T

u+Ew  ^(2.2)  で 与 え ら れ る 。 こ れ よ り 、 残 留 内 部 応 力 は 熱 膨 張 率 の 差 と 材 料 に 与 え る 基 準 温 度 と の 温 度 差 に 比 例 す る こ と が わ か る 。

本 研 究 で は 銅 と タ ン グ ス テ ン の 複 合 化 を 銅 の 融 点 直 上 で 行 っ て い る の で 、 基 準 温 度 は 銅 の 融 点 1356Kとしてよいであろう。また、

αCu(== 1.41x10‑⁵K‑¹)

ど

αw (==0.444 X 10‑⁵K‑1)、 ムT

三

Oな の で 、 作 製 し た 複 合 材 料 に は 、 銅 相 に 引 張 応 力 、 タ ン グ ス テ ン 相 に 圧 縮 応 力 が 作 用 し て い る で あ ろ う 。 ヤ ン グ 率 と し て 室 温 の 値 、 ECu==1.23 x 10²GPa、Ew==4.07x10²GPa、ム

T

として銅の融点 1356K と室温 298Kとの差 1058Kを 用 い る と 、 式 (2.2)か ら 室 温 で の 本 複 合 材 料 の 残 留 内 部 応 力 は 約 970MPaと な る 。 ま た 、 サ イ ク ル 1と サ イ ク ル 3の 温 度 差 (600K)を tJ.

T

と し た と き の 内 部 応 力 は 、 約 530MPaとなる。

2 . 3 . 3  

残 留 内 部 応 力 の 緩 和 過 程

前 節 に 述 べ た よ う に 、 本 複 合 材 料 の 作 製 温 度 か ら 室 温 ま で の 温 度 差 に よ る 界 面 で の 残 留 内 部 応 力 は 、 銅 の 降 伏 応 力 48MPa(14)，こ比べ

て非常に大きし，0 そ の た め 、 室 温 に お い て こ の よ う な 内 部 応 力 が 残 留 し て い る と は 考 え に く く 、 冷 却 の 過 程 で 塑 性 変 形 に よ り 緩 和 さ れ 、 内 部 応 力 は ほ と ん ど 零 に 近 く な っ て い る も の と 思 わ れ る 。 こ の こ と は 、 熱 サ イ ク ル の 最 高 温 度 に 保 持 し た だ け で は 銅 層 の 伸 び や ボ イ ド の 発 生 が 見 ら れ な か っ た こ と や 、 図 2.3(b)に お い て 熱 サ イ ク ル 数 の 増 加 に 伴 う 銅 層 の 伸 び が ほ ぼ 一 様 で あ る こ と 、 す な わ ち 、 各 サ イ ク ル 毎 に 内 部 応 力 状 態 が ほ ぼ 同 じ に な っ た と 考 え ら れ る こ と か ら も わ か る 。 そ れ 故 、 本 複 合 材 料 の 銅 層 の 伸 び は 、 各 サ イ ク ル ご と に 温 度 差 に よ る 残 留 内 部 応 力 が 塑 性 緩 和 さ れ 、 そ の 塑 性 変 形 が サ イ ク ル 数

と と も に 累 積 す る こ と に よ っ て 生 じ た も の と 考 え ら れ る 。

図 2.4は 、 本 複 合 材 料 の 熱 サ イ ク ル 中 の 残 留 内 部 応 力 と そ の 緩 和 過 程 を 説 明 し た 模 式 図 で あ る 。 先 に 述 べ た よ う に 、 試 料 作 製 温 度 か ら 室 温 ま で 冷 却 し た と き に 発 生 し た 内 部 応 力 は 塑 性 緩 和 し た と 考 え られる(この状態で試験片を作製)。熱サイクルの最低温度と最高温 度 を そ れ ぞ れ

T

1，

T

2と し た と き 、 温 度

T

_{1の 状 態}

1

から

T

₂₍

三 T

₁)

に 加 熱 す る と 、 タ ン グ ス テ ン 層 に は 引 張 応 力 、 銅 層 に は 圧 縮 応 力 の か か っ た 状 態 2に な る 。 図 2.4の 銅 と タ ン グ ス テ ン の 層 中 に 示 し た 矢 印 の 方 向 は 、 そ れ ぞ れ の 層 に 作 用 し て い る 残 留 内 部 応 力 の 方 向 を 示している。

こ れ ら の 応 力 を 緩 和 す る に は 、 各 層 に お い て 応 力 を 緩 和 す る 方 向 に 変 位 が 生 じ れ ば よ い 。 こ こ で 、 高 温 下 で あ る た め 銅 層 と タ ン グ ス テ ン 層 の 界 面 で す べ り が 起 こ る と 考 え れ ば 、 界 面 に お け る 両 層 の ひ ず みεの 連 続 性 は 失 わ れ る の で 、 銅 層 に 作 用 し て い る 圧 縮 応 力 と タ

ン グ ス テ ン 層 に 作 用 し て い る 引 張 応 力 は 緩 和 さ れ る 。 界 面 す べ り に

h e a t i n g  

T 1

く

T 2

. ‑ ‑

‑

2 

‑

ー

・

1

・ 幽 . ゆ . { 止

l

・ i ‑ w

_ア川市

‑ H  

、 ーー

‑・・ー‑

‑

‑

‑

‑

・司 司 司. .  

T 2 i  

State 

!Cu 

I n t e r f a c i a l  s l i d i n g  

3 

c o o l i n g  

4 

iW 

I State 

!Cu  ‑ ‑

^『・司 _‑

‑ ‑ ‑

_・‑

‑ ‑ ‑ ‑

‑ ‑ ‑ ‑

‑ ‑ ‑ ‑

‑ ‑ ‑ ‑

‑ ‑ ‑ ‑

‑ a  

図 2.4熱 サ イ ク ル に よ る 残 留 内 部 応 力 の 発 生 と 緩 和 の 説 明 図

‑ ‑

『 司 司

p l a s t i c  d e f o r m a t i o n l  

‑・‑

‑

‑ ‑

5 

川 一

! ! 同 一 同 l 川 一

! l

・

1

・

1N  

よ り そ れ ぞ れ の 層 が 拘 束 さ れ る こ と な く 熱 膨 張 し た 結 果 、 状 態 2に 比 べ て 銅 層 が 伸 び タ ン グ ス テ ン 層 が 縮 ん だ 様 子 を 表 し た の が 状 態 3 である。

こ の よ う に し て

T

_1から

T

_{2へ加熱し、}

T

₂に 保 持 す る こ と に よ り 、 残 留 応 力 が 零 の 状 態 が 得 ら れ た と す る 。 こ の 状 態 か ら 冷 却 し て 、 初 期 温 度 T₁に 達 す る と 、 タ ン グ ス テ ン 層 に は 圧 縮 応 力 、 銅 層 に は 引 張 応 力 が か か っ た 状 態

4

になる。

T

₁ま で の 冷 却 は 速 や か で 、 か っ

T

1は 低 温 で あ る か ら 、 界 面 す べ り は ほ と ん ど 起 こ ら ず 、 こ れ ら の 応

力 は 銅 層 の 塑 性 変 形 に よ っ て 緩 和 さ れ る と 考 え ら れ る 。 そ の 様 子 を 示 し た の が 状 態 5で あ る 。 タ ン グ ス テ ン 層 に は 温 度

T

₁に お け る 界 面 の 拘 束 が な い 状 態 へ と 弾 性 的 な 伸 び が 生 じ 、 層 の 長 さ は 状 態 1_と 同 じ に な る 。 こ の よ う に 、 1サ イ ク ル に お け る 銅 層 の 伸 び は 、 高 温 保 持 で は 圧 縮 応 力 を 緩 和 す る た め の 界 面 す べ り 、 低 温 で は 引 張 応 力 を 緩 和 す る た め の 塑 性 変 形 に よ る も の と 考 え ら れ る 。

1サ イ ク ル ご と に こ の 機 構 が 繰 り 返 さ れ る こ と に よ っ て 、 連 続 し

た 銅 層 の 伸 び が 観 察 さ れ た の で あ ろ う 。 こ の こ と は 、 熱 サ イ ク ル を 与 え た 後 の 試 験 片 に は 銅 層 に 塑 性 変 形 し た こ と を 示 す 多 く の す べ り 線 が 見 ら れ 、 界 面 す べ り に よ る と 思 わ れ る け が き 線 の ず れ も 観 察 さ れ た こ と か ら も 裏 付 け ら れ る ( 第 3_{章参照)。}

高 温 保 持 時 間 600秒 の サ イ ク ル 1と 高 温 保 持 時 間 O秒 の サ イ ク ル

3と は 温 度 変 化 幅 が 等 し い の で 、 こ の 2つ の 結 果 を 比 較 す る こ と に よ っ て 、 高 温 保 持 中 の 界 面 す べ り に よ る 残 留 内 部 応 力 の 緩 和 の 程 度 を 知 る こ と が で き る 。

図 2.3(

a )

に 示 し た よ う に 、 サ イ ク ル 1で の 銅 層 の 伸 び は サ イ ク ル

3よ り 大 き く 、 こ れ は 高 温 保 持 時 間 が 長 い ほ ど 界 面 す べ り に よ る 残 留 応 力 の 緩 和 が よ り 進 ん だ こ と を 意 味 し て い る 。 し か し 、 サ イ ク ル

3で も 銅 層 の 伸 び が 観 察 さ れ た こ と か ら 、 界 面 す べ り は 最 高 保 持 温 度 で の み 起 こ る の で は な く 、 保 持 温 度 近 傍 で す で に 起 こ っ て い る も のと思われる。

サ イ ク ル 1と サ イ ク ル 2で は 、 温 度 変 化 幅 の 大 き い サ イ ク ル 1の 方 が よ り 残 留 内 部 応 力 が 大 き い た め に 、 銅 層 の 伸 び も サ イ ク ル 1の 方 が 大 き か っ た の で あ ろ う 。

銅 と タ ン グ ス テ ン の 熱 膨 張 率 の 差 で 生 じ た 界 面 拘 束 が 高 温 保 持 中 ( 銅 層 に 圧 縮 応 力 ) に は す べ て 界 面 す べ り に よ っ て 緩 和 さ れ 、 降 温 中 ( 銅 層 に 引 張 応 力 ) に は す べ て 銅 層 の 塑 性 変 形 に よ っ て 緩 和 さ れ る と い う 極 端 な 仮 定 を す る と 、 1サ イ ク ル 当 た り の 銅 層 の 伸 び は 1サイ ク ル の 昇 温 時 の 界 面 す べ り 量 に 等 し い こ と に な る が 、 こ の す べ り 量 は 半 サ イ ク ル の 温 度 差 で 生 ず る 銅 と タ ン グ ス テ ン の 熱 膨 張 の 差 に な る 。 こ れ に 熱 サ イ ク ル の 回 数 を 乗 じ 、 銅 層 の 伸 び を サ イ ク ル 1とサ イ ク ル

2

に つ い て 計 算 し た も の を 図

2 . 3 ( b )

に 示 す 。 ど ち ら の サ イ ク ル に お い て も 、 実 験 値 に 比 べ て 計 算 値 は 絶 対 値 で ほ ぼ 2けた大きく な っ て お り 、 上 述 の 極 端 な 仮 定 ( 図 2.4も 同 様 ) は 成 立 た な い こ と が わ か る 。 し か し 、 熱 サ イ ク ル 数 の 増 加 に 伴 う サ イ ク ル 1と サ イ ク ル

2に お け る 銅 層 の 相 対 的 な 伸 び 方 に つ い て は 、 実 験 値 と 計 算 値 は 同 じ 傾 向 に あ り 、 サ イ ク ル 数 当 た り の 伸 び 速 度 は サ イ ク ル 1がサイク ル 2の 約 2倍 に な っ て い る 。

高 温 保 持 と 降 温 で 銅 層 の 変 形 が 非 対 称 と な る の は 、 塑 性 変 形 に 比 べ て 界 面 す べ り は 高 温 で 長 時 間 を 必 要 と す る た め で あ る 。 上 述 の

極 端 な 仮 定 で は 銅 層 の 伸 び が 2け た も 大 き く 見 積 も ら れ た こ と は 、 1073K

， 

6008の 高 温 保 持 で も 内 部 応 力 が 完 全 に 緩 和 す る の に 十 分 な 界 面 す べ り が 起 こ ら な か っ た こ と と 、 昇 温 時 に も 塑 性 緩 和 ( 圧 縮 変 形 ) が 大 き か っ た こ と 、 す な わ ち 、 界 面 す べ り よ り も 塑 性 変 形 の 効 果 の 方 が は る か に 大 き い こ と を 示 し て い る 。 以 上 の よ う に 、 塑 性 変 形 を 起 こ す 残 留 応 力 は 、 銅 層 に 加 熱 の 際 に 圧 縮 方 向 に 、 冷 却 の 際 に 引 張 方 向 に か か る と 考 え ら れ る 。 こ の こ と は 、 積 層 複 合 材 料 に 大 き な 温 度 変 動 を 繰 り 返 し 与 え た と き に は 、 繰 返 し 圧 縮 、 引 張 の 塑 性 変 形 を す る こ と に よ り 、 軟 相 内 部 に 疲 労 損 傷 ( 亀 裂 等 ) が 与 え ら れ る 可 能 性 が あ る こ と を 示 唆 し て い る 。

2 . 3 . 4  

ボ イ ド の 発 生 機 構

熱 サ イ ク ル を 与 え た 試 料 に は 、 わ ず か 5サ イ ク ル 与 え た だ け で も ボ イ ド の 発 生 が 見 ら れ た 。 図 2.5に サ イ ク ル 2を 100回 与 え た も の の 走 査 電 子 顕 微 鏡 像 を 示 す 。 こ の ボ イ ド の 発 生 が 、 真 空 に お け る 赤 外 線 加 熱 に よ る 銅 の 昇 華 に よ る も の で は な い こ と を 確 認 す る た め 、 熱 サ イ ク ル と 同 じ 時 問 、 同 じ 真 空 条 件 で 高 温 保 持 を 行 っ た が 、 ボ イ

ド の 発 生 は 認 め ら れ な か っ た 。 し た が っ て 、 ボ イ ド の 発 生 が 熱 サ イ ク ル を 与 え た こ と に よ っ て 生 じ た こ と は 明 ら か で あ る 。

ボ イ ド の 発 生 機 構 は 以 下 の よ う に 考 え ら れ る 。 銅 と タ ン グ ス テ ン の 熱 膨 張 率 の 違 い か ら 発 生 す る 内 部 応 力 を 緩 和 す る た め に 、 銅 相 中 で 塑 性 変 形 が 起 こ る 。 こ の た め 、 転 位 の 上 昇 運 動 、 交 差 す べ り 、 対 消 滅 な ど に よ っ て 、 空 孔 が 形 成 さ れ る 。 ま た 銅 相 中 に 多 数 の す べ り 線 が 観 察 さ れ た こ と か ら 、 転 位 が す べ り 面 上 を 運 動 し 、 界 面 近 傍 に

W 

.

︐

︐

︐

t '  

h  

fF ' 

ハリ

‑E aE SE

‑e  

図

2 . 5

熱 サ イ ク ル ( サ イ ク ル

2 : 1 0 0

回 ) を 与 え た 後 の 複 合 材 の 界 面 と 観 察 さ れ た ボ イ ド

堆 積 し た と 考 え ら れ る 。 こ の と き 、 堆 積 転 位 に よ る 応 力 集 中 が 界 面 上 に ボ イ ド を 発 生 さ せ た 可 能 性 が 大 き い 。

ま た 、 銅 相 の 界 面 に 平 行 な 伸 び は 界 面 す べ り を 伴 っ て お り 、 こ れ が 界 面 転 位 の 運 動 に よ る も の と す る と 、 銅 相 中 を 運 動 し 界 面 に 到 達 した転位が界面転位になり、界面に垂直なノてーガースベクトルの成 分 が 上 昇 運 動 す る こ と に よ り 空 孔 を 形 成 す る 可 能 性 も あ る(15)(16)。

こ の よ う に し て 形 成 さ れ た 空 孔 が 前 述 の 交 差 す べ り 等 に よ り 生 成 し た 空 孔 と と も に ボ イ ド の 成 長 を 促 し た も の と 考 え ら れ る 。

2 . 4   結論

銅 ー タ ン グ ス テ ン 人 工 積 層 複 合 材 料 を 、 熱 履 歴 ( 高 温 保 持 温 度 、 保 持時間)の異なる 3種 類 の 熱 疲 労 試 験 に 供 し た 後 、 複 合 材 料 の 形 状 の 変 化 を 観 察 し 、 各 々 の 層 に お け る 熱 残 留 応 力 の 発 生 お よ び 緩 和 と 関 連 づ け て 検 討 を 行 い 、 以 下 の 結 論 を 得 た 。

1 . 熱 疲 労 試 験 後 に 複 合 材 料 に 生 じ た 形 状 変 化 と し て 、 軟 相 で あ る 銅 層 の 変 形 、 銅 層 の 界 面 方 向 へ の 伸 び の 進 行 お よ び 界 面 の 銅 層 側 で の ボ イ ド の 発 生 が 観 測 さ れ た 。

2.熱 サ イ ク ル の 温 度 変 化 の 幅 が 大 き く 、 高 温 保 持 時 間 の 長 い も の ほ ど 、 熱 サ イ ク ル 数 の 増 加 に と も な っ て 銅 相 の 伸 び が 著 し く 進 行 し 、 界 面 で の ボ イ ド 生 成 が 促 進 さ れ た 。 こ れ ら の 複 合 材 の 形 状 変 化 は 、 銅 と タ ン グ ス テ ン の 熱 膨 張 率 の 違 い か ら 生 ず る 残 留 内 部 応 力 が 界 面 す べ り と 銅 層 の 塑 性 変 形 に よ っ て 緩 和 さ れ る と い う モ デ ル で 、 定 性 的に説明できる。

東 3  _早

人 工 積 層 複 合 材 の 高 温 変 形

3 . 1   緒言

前章に お い て 、 温 度 変 動 に よ っ て 積 層 複 合 材 料 中 に 生 じ る 熱 残 留 応 力 が 緩 和 さ れ る 際 に 、 界 面 す べ り と 軟 相 の 塑 性 変 形 が 生 じ る こ と が わ か っ た 。 そ こ で 本 章 で は 、 圧 縮 試 験 を 用 い 、 高 温 で 複 合 材 料 の 界 面 に 平 行 に せ ん 断 応 力 を か け た と き 、 複 合 材 料 が ど の よ う な 変 形 挙 動 を 示 す か に つ い て 調 べ 、 変 形 条 件 と の 関 連 を 検 討 し た 。 そ の 結 果 、 界 面 す べ り は 界 面 構 造 の 制 御 に よ っ て 抑 制 で き る 可 能 性 の あ る

こ と と 、 界 面 す べ り が 抑 制 さ れ た と き に は 高 温 に お い て も 複 合 化 に よ る 強 化 が 持 続 で き る 可 能 性 の あ る こ と を 示 す(13)。

3 . 2   実験方法

3 . 2 . 1  

試 験 片 の 作 製

こ こ で は 、 前 章 で 用 い た 溶 浸 法 よ り 簡 便 な 溶 着 法 に よ っ て も 、 比 較 的 層 厚 を 均 一 に で き 、 界 面 を 強 固 に 接 合 す る こ と の で き る こ と が

知 ら れ た の で 、 以 下 に 示 す よ う に 溶 着 法 に よ り 積 層 複 合 材 試 料 の 作 製を行った。

純 度 99.99wt%の 銅 箔 (0.1x 20 x 15mm)と 純 度 99.9wt%の タ ン グ ス テ ン 箔 (0.1 x 20 x 15 mm)の 表 面 を 酸 洗 し 、 銅 箔 と タ ン グ ス テ ン 箔 を 交 互 に 積 層 さ せ た 。 タ ン グ ス テ ン の 酸 洗 は 前 章 と 同 様 と し た が 、 銅 箔 の 酸 洗 に は 硝 酸 10%i溶 液 を 用 い た 。 用 い た タ ン グ ス テ ン 箔 は 、 bcc金 属 の 典 型 的 な 圧 延 集 合 組 織 を 持 ち 、 圧 延 面 が {100}、 圧 延 方 向 が (110)である (17)。 こ の 積 層 体 を タ ン グ ス テ ン 線 で 縛 っ た 後 、 1.0x 10‑⁴Paの 真 空 下 で 赤 外 線 瞬 間 加 熱 ゴ ー ル ド イ メ ー ジ 炉 ( 真 空 理工(株)製 RHL

E ‑

410P)を 用 い て 銅 の 融 点 (1356I<)直 上 ま で 加 熱 して約 3分 間 保 持 し 、 溶 着 一 体 化 さ せ た 。 こ の と き 積 層 体 に 与 え た 温 度 履 歴 を 図 3.1に 示 す 。 圧 縮 試 験 に 用 い た 試 料 は 、 す べ て こ の 方 法 に よ っ て 作 製 し た も の で あ る 。 得 ら れ た 複 合 材 料 の 光 学 顕 微 鏡 写 真 を 図 3.2に 示 す 。 得 ら れ た 複 合 材 料 の 銅 相 の 厚 さ は 約 O.lmmで あ り 、 溶 着 前 の 銅 箔 の 厚 さ と ほ ぼ 同 じ で あ っ た 。

試 験 片 は 、 得 ら れ た 積 層 複 合 材 料 よ り 、 図 3.3の 説 明 図 に 示 す よ う に 、 異 相 界 面 が 高 さ 方 向 ( 応 力 負 荷 方 向 ) に 対 し て 45⁰_{の 角 度} に な る よ う に 低 速 切 断 機 ( ア イ ソ メ ッ ト T M、 ビ ュ ー ラ 一 社 製 ) を 用 い て 切 り 出 し 、 エ メ リ ー 研 磨 の 後 、 試 験 片 の 表 面 を 粒 度 約 1μm

の ダ イ ヤ モ ン ド ペ ー ス ト を 用 い た ノ マ フ 研 磨 に よ り 鏡 面 仕 上 げ し て 、 2x2x3mmの 寸 法 に し た 。 異 相 界 面 を 45⁰に 傾 け た 理 由 は 、 界 面 に せ ん 断 応 力 を か け 、 複 合 材 の 変 形 に 及 ぼ す 界 面 す べ り の 効 果 を 調 べ るためである。

予 備 実 験 で 、 本

Cu‑w

複 合 材 料 の 高 温 変 形 挙 動 は 、 タ ン グ ス テ ン

モ3min~

20Q KJm i n  

300K/min 

1223K 

とζ

h

、

︒ ﹂ 2 0 ﹂ 包

ε ω

ト

. .  園 田 ー一一

1 5   1 0  

図 3.1積 層 体 に 与 え た 温 度 履 歴

了 ;me I  min 

戸h

。

d

箔 の 圧 延 方 向 と せ ん 断 変 形 方 向 と の な す 角 に よ っ て 著 し く 異 な る こ と が 知 ら れ た の で 、 こ の 角 が 0⁰_と 90⁰に な る よ う な 2_{種 類 の 試 験}

片 を 用 意 し た 。 図 3.3の 矢 印 は 、 タ ン グ ス テ ン 箔 の 圧 延 方 向 を 示 し た も の で い ) は 上 述 の 角 が 90⁰，(b)は 0⁰の も の で あ る 。 こ れ ら の 試 験 片 は 、 溶 着 法 を 用 い て 一 体 化 さ せ た 同 じ 積 層 材 よ り 切 り 出 し 方 を 変 え て 作 製 し た の で 、 そ れ ぞ れ の 試 験 片 に お け る 界 面 の 密 着 性 の ば ら つ き は 少 な い と 思 わ れ る 。 こ の 後 、 図 3.3に 示 し た (

a )

と

( b )

の 試 料 を そ れ ぞ れ 試 料 (

a )

お よ び 試 料 (b)と呼ぶことにする。

ま た 、 変 形 中 の 界 面 す べ り の 挙 動 を 直 接 観 察 す る た め に 、 界 面 に 垂 直 に ダ イ ヤ モ ン ド 針 に よ り け が き 線 を つ け た 。

3 . 2 . 2  

圧 縮 試 験

強 度 お よ び 変 形 特 性 は 圧 縮 試 験 に よ っ て 調 べ た 。 圧 縮 試 験 に は サーボノマルサ‑EHF2型 疲 労 試 験 機 ( ( 株 ) 島 津 製 作 所 製 ) を 改 良 し た も の(18)を 用 い た 。 定 速 圧 縮 試 験 は 、 773^"，，973Kの温度範囲、

S X 10‑⁶ "，，2 ^X 10‑48‑1の 初 期 ひ ず み 速 度 範 囲 で 、 定 荷 重 圧 縮 ク リ ー

プ試験は 773""1073Kの温度範囲、 11.3""S4.4MPaの 応 力 範 囲 で 行 っ た 。 試 験 は い ず れ も 1 .3

x 

10‑⁴Pa以 下 の 真 空 下 で 行 っ た 。

試 験 片 の 加 熱 は 、 図 3.4の 説 明 図 に 示 し た タ ン グ ス テ ン 製 の サ ス セ プ タ ー を 高 周 波 誘 導 加 熱 し て 、 間 接 的 に 行 っ た 。 通 常 、 圧 縮 試 験 で は 、 変 形 を 開 始 す る と と も に 試 験 片 の 温 度 が 急 激 に 低 下 す る が 、 試 験 片 を 圧 縮 す る 治 具 に 熱 伝 導 率 の 小 さ な ク ロ セ ラ ム 〈 黒 崎 窯 業 ( 株 ) 製 、 反 応 焼 結 法 に よ っ て 作 成 し た 窒 化 珪 素 〉 を 用 い る こ と に よ り 試 験 中 の 温 度 低 下 を 10I(以 下 に 抑 え る こ と が で き た 。 ま た 、 試 験

‑

F 

100μm 

図 3.2溶 着 法 に よ っ て 作 製 し た 積 層 複 合 材 料 の 断 面

ー

~

( a )   ( b )  

EE

の

2mm 

図 3.3圧 縮 試 験 片 の 説 明 図 。 矢 印 は タ ン グ ス テ ン 箔 の 圧 延 方 向 を 表す。

‑

F 

s p e c l m

宇

n v a c u u π 1  

一 irosco; 

20  。 。 品 _{I I} • R‑l  。

c o m p r e s s i o n ↑ 

. ♂  

図 3.4圧 縮 試 験 中 の そ の 場 観 察 の 方 法

‑ーー一一一一一ー‑

F 

中 の 温 度 は Pt‑13%Rd熱 電 対 を 試 験 片 に 点 溶 接 し て 直 接 測 定 し た 。 さ ら に 、 図 3.4の 加 熱 用 の サ ス セ プ タ ー に 開 け た 穴 ( 直 径 約 3mm)

か ら 、 真 空 チ ャ ン パ ー の ガ ラ ス 窓 を 通 し て 、 試 験 片 上 の 界 面 に 垂 直 に つ け た け が き 線 の 動 き を 、 実 体 顕 微 鏡 を 用 い て そ の 場 観 察 す る こ と に よ り 、 変 形 中 の 異 相 界 面 す べ り の 様 子 を 観 察 し た 。

試 験 片 の 形 状 か ら 、 圧 縮 の 際 に は 圧 縮 治 具 と 試 験 片 の 上 面 と 下 面 が 接 す る た め 、 銅 、 タ ン グ ス テ ン 各 層 の 端 面 の 一 部 が 拘 束 さ れ る 。 そ の た め 、 変 形 に 寄 与 す る 層 は 銅 、 タ ン グ ス テ ン そ れ ぞ れ 3層 で あった。

3 . 3   実験結果と検討

3 . 3 . 1  

応 力 ー ひ ず み 線 図

図 3.5に 773Krv973Kに お け る 圧 縮 試 験 で 得 ら れ た 応 力 ー ひ ず み 曲 線 を 示 す 。 圧 縮 の 途 中 で 試 験 機 の ク ロ ス ヘ ッ ド 速 度 を 変 え た ひ ず み を 矢 印 で 示 し 、 そ れ と 対 応 す る ひ ず み 速 度 を 図 中 に 示 し た 。

タ ン グ ス テ ン 箔 の 圧 延 方 向 が 圧 縮 試 験 の せ ん 断 方 向 に 垂 直 な 試 料 (

a )

は、 773Kと 873Kで は 、 変 形 の 進 行 と と も に 変 形 応 力 が い っ た ん 増 加 し た 後 に 急 激 に 低 下 し 、 そ の 後 変 形 応 力 は ほ ぼ 一 定 の 値 と な っ て い る 。 た だ し 、 試 料 (

a )

の 873I(に お け る 曲 線 Bに よ っ て 示 さ れ る よ う に 初 期 ひ ず み 速 度 が 最 も 低 い 5.1X 10‑⁶s‑¹_{においては、}

急 激 な 変 形 応 力 の 低 下 は 見 ら れ な し '¥0  973Kで は 変 形 応 力 の レ ベ ル が 低 く 、 急 激 な 低 下 は 見 ら れ て い な い が 、 加 工 硬 化 の 後 約 10MPa

の 鋸 歯 状 の 応 力 変 動 が 見 ら れ る 。

ー ι F 

︑lノ

LU  

/E¥ 

i / 1σ¥・1

1.76 ‑2.33‑3.09・・6.38

speClmen  ( a )  

773K 

^{i / σ1も‑1}

6.1 ~4.75

speClmen 

70  60  50 

20  40  30 

10 

正/ 10も・‑1

3.05  0.51 

2.04‑2.7ら3.ω‑7.41 0.6トD.47‑0.93

1.77  0.94 

E  / 1σ¥^・1

A 2.09・.2.75・~3.66-7.55

B 2.15 

873K 

0 

70 

I  873K 

6 0  

^A_B

C D E F  

50 

30  20  40 

何仏︾

JH

、、、

b 

10 

正 /10"¥・1

1.80..2.38・・3.16ー・6.51

973K 

正I 10・も・1

1.71..2.25‑3.α)‑6.18 

0  70 

I  973K  6 0  

25  20  15 

10  5 

% 

30 0 

ε 

25  20 

15  10  5  50 

30  20 

。

40 

773Krv973K

に お け る 圧 縮 試 験 で 得 ら

3.5 Cu‑W積 層 材 料 の れ た 応 力 ー ひ ず み 曲 線 図

‑

ー

‑

一方 、 タ ン グ ス テ ン 箔 の 圧 延 方 向 と 圧 縮 試 験 の せ ん 断 方 向 が 平 行 な 試 料 (b)で は 、 試 料 (

a )

に 見 ら れ た 応 力 の 急 激 な 低 下 は 、 行 っ た 実 験 の ど の 温 度 、 ど の ひ ず み 速 度 で も 観 察 さ れ な か っ た 。 973I(で は 試 料 (

a )

と 同 じ く 、 変 形 応 力 は ひ ず み 約

5%

まで加工硬化した後、

鋸 歯 状 に 変 動 し て い る 。 こ の 変 動 は 動 的 再 結 晶 に よ る も の と 思 わ れ る が 、 ひ ず み 速 度 の 影 響 が 見 ら れ な か っ た 。 773I(と 873Kでは、

973I(で の よ う な 変 形 応 力 の 大 き な 変 動 は 見 ら れ な か っ た 。

3 . 3 . 2  

異 相 界 面 す べ り の そ の 場 観 察

圧 縮 試 験 中 に 変 形 応 力 が 急 激 に 低 下 し た 試 料 (

a )

の 873K、 ひ ず み 速 度 2.0X 10‑⁵S‑1

に お け る け が き 線 の そ の 場 観 察 の 結 果 を 図 3.6 に 示 す 。 図 の 各 写 真 中 に 矢 印 で 示 し た よ う に 、 ひ ず み の 増 加 と と も に 銅 層 と タ ン グ ス テ ン 層 の け が き 線 に 異 相 界 面 上 で ず れ が 見 ら れ 、 界 面 す べ り を 生 じ て い る こ と が わ か る 。

図

3 . 7

は 、 試 料 (

a )

の 圧 縮 試 験 で 観 察 さ れ た け が き 線 の ず れ 量

S

を 、 時 間 tに 対 し て プ ロ ッ ト し た も の で 、 873Kの 例 で あ る 。 図 中 の 破 線 は 、 圧 縮 変 形 が す べ て 界 面 す べ り に よ る も の と 仮 定 し て 、 圧 縮 変 形 量 か ら 求 め た 理 想 的 な ず れ 量 と 変 形 時 間 と の 関 係 を 示 し た も の で あ る 。 ま た 、 同 図 に は 変 形 応 力 の 変 化 も 併 せ て 示 し た 。

変 形 応 力 は 、 界 面 す べ り が 観 察 さ れ な い 変 形 の 初 期 に は 単 調 に 増 加 し て い る が 、 界 面 す べ り が 起 こ り 始 め る と 急 激 に 低 下 し て い る 。 他 の 温 度 、 ひ ず み 速 度 の 条 件 で も 界 面 す べ り が 明 確 に 観 察 さ れ 始 め る と 同 時 に 応 力 一 ひ ず み 曲 線 上 で 急 激 な 応 力 の 低 下 が 観 察 さ れ た 。 こ れ よ り 、 試 料 (

a )

の 圧 縮 試 験 で 観 察 さ れ た 変 形 応 力 の 低 下 は 異 相

図 3.6試 料

( a )

の 異 相 界 面 す べ り の そ の 場 観 察 。 873K、 ひ ず み 速 度 2.0x 10‑⁵ S‑l 

. . . . . . . . ‑ ‑ ‑ ‑ ‑

界 面 す べ り が 原 因 で あ る こ と が わ か る 。

界 面 す べ り の 量 の 実 測 値 と 、 変 形 が す べ て 界 面 す べ り に よ る も の と 仮 定 し て 変 形 量 か ら 求 め た 計 算 値 は 、 そ れ ら の 時 間 依 存 性 が 互 い にほぼ平行であることから、界面すべりがいったん起こり始めれば、

本 積 層 複 合 材 料 の 変 形 は ほ と ん ど こ の す べ り に よ っ て 生 ず る こ と が わ か る 。 応 力 低 下 を 示 さ な か っ た 試 料 (b)で は こ の よ う な 界 面 す べ

りは観察されなかった。

試 料 (

a )

の 変 形 挙 動 は 温 度 と ひ ず み 速 度 に よ っ て 異 な り 、 大 き く 3つ の 領 域 に 分 け ら れ る 。 す な わ ち 、 主 に 軟 相 の 銅 層 の み が 変 形 す

る 領 域 、 主 に 界 面 す べ り に よ っ て 変 形 す る 領 域 、 界 面 が 剥 離 し て し ま う 領 域 で あ る 。 図 3.8は、融点、で規格化した温度の逆数とひずみ 速 度 の 図 上 に 、 そ れ ぞ れ の 変 形 挙 動 を 示 し た 領 域 を 示 し た も の で あ る。界面すべりは、比較的低ひずみ速度、低温のときに生じている。

こ れ は 、 界 面 す べ り が 起 こ る と き は 、 変 形 に よ っ て 銅 層 中 の 転 位 密 度 が 高 い 状 態 に あ る こ と を 示 し て お り 、 界 面 す べ り が 界 面 へ の 転 位 の 落 ち 込 み 、 あ る い は 界 面 に 落 ち 込 ん だ 転 位 の 運 動 に よ っ て 進 行 し て い る こ と を 示 唆 し て い る (15。)

3 . 3 . 3  

界 面 拘 束 に よ る 複 合 材 料 の 強 化

次 に 、 図 3.5の 応 力 ー ひ ず み 線 図 に お い て 、 変 形 応 力 が ほ ぼ 一 定 と な っ た と き の 変 形 応 力 を 定 常 変 形 応 力 と 見 な し 、 こ れ を ひ ず み 速 度 に 対 し て プ ロ ッ ト し た 結 果 を 図 3.9に 示 す 。 図 中 に は 定 荷 重 圧 縮 ク リ ー プ 試 験 の 結 果 も 、 最 小 ひ ず み 速 度 を ク リ ー プ 応 力 に 対 し て プ ロ ッ ト し て 示 し た 。 界 面 す べ り に よ っ て 変 形 が 進 行 す る 場 合 に は 著

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図 3.7圧 縮 に 伴 う 異 相 界 面 す べ り 量 Sと 変 形 応 力σの時間変化。

873K。 破 線 は 変 形 が す べ て 界 面 す べ り に よ る と 仮 定 し た と き の 界 面 す べ り 霊

50  40  30  20 CtS 

10 

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句、、

30  20