破壊強度と酸化との関連性について

破壊強度と酸化との関連性について

芳 賀 武

･ 1 . 緒 言

セラミックスは耐熱性,耐摩耗性,耐腐食性お よび超硬 さ性などに優れた特性を持 ってい る.最近は特に航空機, 自動事等の各種エンジン部品に使用されているはか,人 工骨,人工 歯等の医療器材にも使用され,さらに

基板やセンサーなどの電子器機材 として,各分野 において使用 され るように成 り,注 目を集めた. しか しセラ ミックスは一般に使用 されてい るような金属に比べて靭性がないため脆 く,また気孔率が高いと言われている.

一方,機械加工により導入され る研摩キズ等の影響を著 しく受けやすい.従 って測定 され る強度のば らつ きが大であるのが一般的である.そ こでセラ ミックスのような脆性材料では 破壊力

′で評価するのは危険であ り, き裂の存在に依存 しない材料の特性値を持 って評価 する必要がある. この材料の特性値 として,破壊 じん性値

が用い られているこ とが 多い.破壊 じん性の測定はほとん ど室温で測定 した結果で多 く報告 されている. しか し高温 における破壊 じん性値は二,三の例が報告1 ) 〜3 )されている程度で,高温において直接破壊 じ ん性値を求めることは装置な どの問題で非常にむずか しいのが現状である.

著者は常圧焼成 した

およびポ ットプレスした

3

4を大気中で酸化 させた のち,た だちに常温で破壊 じん性である

をマイクロ ･インデンテ ィシ ョソ法に より測定 し求 め

また,表面の酸化の度合を走査型電子顕微鏡で観察 し,破壊 じん性値

と酸化の度合 との関連性について比較,検討を加えた結果を報告す る.

2.

理論と実験方法 ( 1 ) 破壊 じん性値

C の求め方

K^zc

値は

によって提案 された ピッカ‑ス硬度計による方法を用いた. とッヵ

‑ス正子によって試料の表面にき裂が発生 しない荷重

で圧 こんをつける.その圧 こんの対 角線の長 さdを計測 し, これを試料の真の硬 さ

vとし

v

P

の問には

･.･･･.(1)

の関係があ り

vを求めた.

を定数 とす る)

つぎに ビッカース圧子に よ､ って,試料面に圧 こんをつけき裂を発生させ, これを計測す る γ . ･を圧 こんの対角線の半長

を き裂長 さの平均値 とす ると

t

v

お よび γEの間 には,つ ぎの ような関係がある.

* 昭和58年11月粉体粉末冶金協会 秋季大会に一部購浜発表p.166.

** 機枕工学科 助教授

原稿受付 昭和61年9

月

日

50 長野工業高等専門学校紀要 ･第17

号

3

Ktc/HvJ 言 ∝(C/T.I)‑す

この(

式 より

を求め ることができる.

本実験においては を用いて,破壊 じん性値

c

Fig.1Schematicview of inducedcrackbymeans ofindentation.

KIC‑0.16Hy(C/T.･)‑i

を求めた

に ビッカース庄子で圧 こんをつけ た と き発 生す るき裂 の発生模式図を示 した.

( 2 ) 試料および実験方法

試料は市販の

および

8

4 の

種類を用いた. ここで

は

よ り高密度の試料である.

4は 焼結助材 と して

3と

3を用いたホ ットプレス材である

の素 材 より

の試料を採取 した.試料の表面 を ダイ ヤモン ド･ペース トにより鏡面研摩仕上げを起い,酸化実験 の試料 とした.酸化実験試料は

粉末上に置 き,マ ッフ ル炉を用い

C

Cおよび

の

種類の温度で

お よび

hrを大気中に保持 し 酸化させた.その後常温で

c の測定お よび表面観察を行 った.

KJ

c の測定実験では

は加圧荷重

,保持時間

で1 0点測定 し,そ の平均値 / ＼

を用いた.また

に示す ように

は ビッカース庶子により試料面に発生した

本のき / ＼

裂 の長 さの平均値であ り

γiは圧 こんの対角線の半長である

お よび

Jの測定は加圧荷 重

,保持時間

でき裂を発生させ

点の圧 こんの平均値か ら求めた.

Fig.2 Relarionshipbetweenoxidationtem･

peratureandfracturetoughness.

3.

実験結果お よび考察

か ら

は各温度 に

時間および

時間保持後,常温に て硬 さを測定す る方法 か ら求 め た

cの値である.

Fig.2

は

の授案 した

弓 の 式を使

用 して

cの値を求めた結果であ

る.

時間保持の場合

材では

でやや上昇 し

でやや下降 し

でさ ら に

下降す る.また

4材では ほ ぼ

一定の値を示すが

に お い て

かな りの下降を示す.

材と

3

̀

材 とを比較 した場合

C で の

下降状況は

材に比べて

3

4 材の方がやや下降度が大 きい.

10

時間保持の場合,9

ではやや上昇す る ものの

で各材料 とも一定 の値 を 示 す が,

の温度にお い て,急激な下 降の傾向を見る.

8

4材 とを比較 した場合,Si

材 お よび

材の方が

3

4 材に比べて急激な下降を示す (この

ことはあとに述べ るように,電子顕 微鏡観察か らも分か るように酸化被 膜上の硬 さを測定 してい るため と考

える).

Fig.3とFig.4

は貞広氏

の

‑βOP/C

官で 3

用 して

cの値を求めた結果 で あ る.

は

時間酸化の場合であ り

や低い程度である.またその傾向は

材,Si

材お よび

3

4材 ともに同様 の傾向を示 した.

0時間酸化 の 場合 で,やは り

値 よりやや低い値を示す.しか し温 度が上昇 しても下降度は小さ く,特 に1

の時急激な下降を示 さな い. このことは

とい う真の硬 さを代入 したもので, この裏の硬 さ

vは貞広氏の式には ない ことより, この其の硬 さ

vに 大 きく左右 されるも の と考 え られ る. この

比較をして見たが,浮岡氏

は

の試料を用いて,硬 さ測定で求める 方法 とUno

めた式

C

の 式か ら使用 して

の値を求め た 結果の

例を

｢ 斗 帥

1ト

凸0 4 (仰･u JN M )｡ bJ

u N D

U ∝

UNH9nO l u ∝

トUVt lL

KIC:P｡PIC2

P . =0 . 0726

D

O迩 Blq S

≒ ミ

A B ‑ : 1 . i h :

皇≡篭≡ ≡ :≡テきく

0

900 1 000 1 1 00 1 200 1 300 0XI DAr f ON TEMPERAT URE( o c)

Fig.3 Relationshipbetweenoxidationtem･

peratureandfracturetoughness.

K

I C =P _P . _{. =} P _0. / C3 ₀ i

ゝ 丁ム ー ‑ ＼

: } ^{一一 も､ ÷}

^{こ 完 ;; b : N I . A B : ̲ . . . 0 : h :}

9 0 0 1 000 1 1 00 1 2 00 1 300 0XI DA nON T EMPERA TURE( ● C)

Fig.4 Relationshipbetweenoxidationtem･

peratureandfracturetoughness.

# ^{A O て三 三軒 ＼ ▲ ST C̲ A̲ . Oh}

(Fu

〜tl)豊 SS山NH 9rn L u ∝⊃l¥臣 8 6 4 2 レ LL‑︻‖丘 l Iロ. 育 上 ｢ ‑ ^{ー : 二 A D 二 1 ‑ I : :} K ^こ I C ^‑ : ^: . ^ニ . ^ー

^:

^二二二＼

^{1ロ､､ ヽ} ､ ^､ ､1 ^､ ､ .ヽ

^s;

^{N ,. .h}

､ ミ t A D 5 s 1 ㌔ C 凡 ‑

1

0h

900 1 000 1 1 0 0 1 200 1 300

C Ⅸl D A Tl ON TEMPERA TURE( o C)

Fig.5 Relationshipbetweenoxidationtem･

peratureandfracturetoughness.

52

長野工業高等専門学校紀要 ･第

号

DlSTANCEFROMEDGE Q2mm0.4m,T.

Fig.6 Measurlngpointsoffrac‑

Fig.5

は1

時間酸化の場合で,浮用氏の式 を代入 す ると全般的にかな り高い値を示す.温度の上昇 とと もにやは り同様の傾向を示すが,1

での

の式か ら求めた急激な下降は見 られない. このことか

･ ら

る.この浮田氏の

｡の値は同 じSi

材でも,成作上

ポア‑の大 きさや密度あるいは粒度等が異なるために, 違 った値を示 したものと考え られ,浮田氏の β｡の値を代入 した ために全般的に高い値を示

した ものと考え られ る.

そ こで酸化被膜がかな り影響 されるのではないか と判断 されるので,特に1

時間酸化の場 合について,酸化表面を

研摩 し

に示す位置の場所,すなわち端から

を測定 し

入 して整理 した結果,Tabl

l および

に示す結果を得た.Tabl

図に示す と

Fig.7はSiC‑A Type材を示 し,900oC, 1200oCお よび13∞oCの温 度 に お い て,

K^t

c の値は

材を示 し,

KtdSiC)MNm一昔

Table1 Fracturetough nessofSi8N4aftertheremovalofoxide丘1m.

K

z

Table2 FracturetoughnessofSicaftertheremovalofoxide丘1m.

900oC, 1200oC

の温 度 に お い て

Ktc

の値はほ とん ど変化な く

カ所 の位置においても差は見 られな か った. しか し

の温度では 先端部の0.

の値の低下を見る. このことは表面 か らかな り深い所 まで酸化被膜があ る もの と考 え られ る.Fi

4材を示 し

および

の温度において

の値は ほ

とんど変化な く

に おい て

の値が高い. このこ とは 表面を 1 0 F m 研摩す ると

の 酸化被膜がほ とんで研摩 され,初め の酸化 させな い状態 での

の値 とほ とん ど同 じであることより,義 面の酸化は

4の場合少ないもの

と考え られる.

この表面の酸化の影響を調べ るた め走査型電子顕微鏡 より調査 した.

その結果

は 各温度 に お ける酸化の変化を示 した もので,そ の代表的な材料である密度の少ない

ある.

か ら

の各温度 に

時間保持 させたときの写真であ る.

の温度では多 くのポア‑

が観察 されるが,温度の上昇 ととも にポア‑がふ さが り減少 し,その後 温度の上昇で酸化 し初 め

の温度ではかな り表面に酸化被膜が 観察 され た. また

よび

4の両材においても同様の 傾向を示 した.この ことより

C

の温度に

時間保持す るとかな り 酸化が急激におこり,酸化被膜が試 料全体に観察 された.

Pho

t 0.

は

の温度におい て

時間保持 と

時保持を示 した

缶

･u JN

)3 IM S

H 9 rK )1 山 ∝

山

A‑TYPE I Oh r _{Dl ST} ANCE FROM EDGE

払d≡ 三 ≡≡三三 三 詞

J o

, 9 00 1 000 1 1 00 1 2 00 1 300 oxI D A TZ ON TEMPER

RE( ℃)

Fig.7 Relationbetween oxidation temperature and fracture toughnessatthe measuring pointsoffracturetoughnessafterthere･

movalofoxide丘1m.

(仙 ･u

)｡ 望 SS山 N

山 ∝

B一 丁YPE I Ohr

DI ST ANE FROM EDGE

駈 ≡ ≡ ‑ ‑ 1 5 ‑ ‑ ≡ ≡≡

ヽ

三 !. 4 5:諾 ヽ 00 . 2 mm

90 0 1 000 1 1 00 1 200 1 3 00 oxI DA l : 1 0N TEMPE RATURE( ' C)

Fig.8 Relationbetween oxidation temperature andfracture toughnessatthe measuring pointsoffracturetoughnessafterthere･

movalofoxide丘1m.

642

(⁝ ･tD

M

U

山当

SもN 1 1 0h r DI ST ANCE FR洲 EDGE

A ▲,,r ー

転 : 二 ･ ‑ I: . I ‑

I/ Oa2mm

900 1 000 1 1 00 1 2 00 1 3 00 α1 DA TI ON TEMPRATURE( . C)

Fig.9 Relationbetween oxidation temperature andfracture toughnessatthe measurlng pointsoffracturetoughnessafterthere･

movalofoxide丘1m.

54 長野工兼高等専門学校紀要 ･節17

号

100ノ｣m

(a)SiC･BType900oC IObr (b) SiC･BTypelOOOoC IObr

( C)

Photo.1 Surfaceappearanceofsamplesoxidized

ものである.Phot

時間保持の域令である.

材ではポアーの減 少が視察 されるのに対 して,Phot

b) ( d) ( ∫ )は

0時間抹持の場合である.酸化被 膜が表面全体におおい,ある部分では破 くり面も槻黙 された.そ こで酸化被膜の表面に圧 こ んを押 した場合,Pho

l時間保持の場介は明確に硬 さを示す四角 形状の圧 こんが観察 された. しか し

1 0時r l ' 1 L J 扶持のI i b 介は征 を示す四角形状の圧 こん はやや不明瞭であるが測定できないほどではない｡ この場合,観察 したかぎ りでは酸化被膜 を押 しているものと

叫 の写英か ら判断できる.

このことより

0時間で測定 された

C の低下お よび表面を

研摩 した とき 先端部の

付近での

と判断できると思われる.

ll.折pal .坑 渥 藤

■｢+‑‑‑二相 .恵.一美云

+地 ∫ ▲.

I+● 1●

<S 規 整･訂i■

(a) Sic‑A Type1300oC lhr (C) Sic‑B Type1300oClhr

(b) Sic‑A Type1300oC IOhr (d) SiC･B Type1300oC IOhr (e) SidN41300oC lhr (f) Si8N413000C 1Ohr

Photo.2 Surfaceappearanceofsamplesoxidized

56

_{長 野工業} I L r 等

P , ･

Ll00人Jm!

(a) SiC･A Typelhr (I)) SiC･A TypelOhr Photo.3 Surfaceappearanceolsat‑

叩

4,^結

^論

以上の ことよ り,常 L fで･ 鵬

お よび, 1 ‑ .ウトブ レスをほ どこした

.を大

中で

時間陳将 と1 0 日 ､ f E ^{' l T ) 保持の) I , 5 合につい て}

させたとき ,常 弧で破壊 じん性値である

C と適所の酸化の皮介 との側述作について比峠,検討 した

,つ ぎ の よ うな結論を得

た.

(1) SiCIA Type

材お よび

｣ 句とも

か ら

までの温度範囲にお け る

C の値は

時間保持 と

0時間保持後 もほ とん ど変化な く,初めの値 と同様 の結果 を得た. しか し

の温度において, 1

E I u 保持の似合

c の伯は さほ ど低下 して いない

時間保持の場合

c の伯は急激に低下 している.

(2)SiaN 4

材においても同様 の結果 を得てい る.

(3)

この

C の値 の急激な低下は酸化被膜 の影響が大で あ り,特 に

の 温度に

時 間保持 した場合,酸化被膜がかな り明確に観察 された.

(4)

表面を

研摩 した場合に おいて,特 に1 0時間保持の

材は

の個 の低下を見 ることより酸化の度合が大 きい.

5.

参 考 文 献

1)

米屋勝利,橋本八郎,セラミックス

l

2) J.W.Edington,D.J.RowclifFeandJ.L Hensha

l l

‑47(1975).

3)

井関考着,森 政次,鈴木弘茂,窯業協会誌

4) A.G.EVANS,J.Am.Ceram.SOC.,59,371(1976).

5)

貞贋孟史,粉体および粉末冶金

6)

漸古日出男,岡田正見,浮

昭,窯業協会誌