破壊靱性

破壊靱性：材料の粘り強さを測る指標

破壊靱性とは、材料内部に亀裂や欠陥が存在する状態で、外部から力が加わった際に、破壊に至るまでの抵抗力を示す指標です。材料が破壊に対してどれだけの粘り強さを持っているかを表す、靱性の具体的な尺度の一つと言えるでしょう。

従来は、脆性破壊（不安定な亀裂進展による破壊）を理解するために研究されてきましたが、現在では延性破壊（塑性変形を伴う亀裂進展）についても、破壊靱性の概念を用いて評価されています。延性破壊のように塑性変形が顕著な場合は、J積分やき裂先端開口変位といった弾塑性破壊力学パラメータを用いて評価する必要があります。

破壊靱性試験は、静的負荷に対する「静的破壊靱性」と、衝撃荷重のような動的負荷に対する「動的破壊靱性」に分類されます。一般的に、降伏応力や引張強さが高い材料は破壊靱性が低く、逆に破壊靱性が高い材料は降伏応力や引張強さが低い傾向があります。そのため、材料開発においては、強度と破壊靱性のバランスを最適化することが重要になります。

破壊靱性試験：材料の破壊靱性を評価する方法

破壊靱性値を求めるには、材料から作成した試験片を用いた材料試験を行います。しかし、試験片の形状や負荷方法によって破壊靱性値は変化するため、試験方法は規格化され、標準化されています。特に、平面ひずみ状態での破壊靱性値は、材料が示す破壊靱性値の中で最も小さい値となるため、設計において重要な指標として用いられています。

平面ひずみ破壊靱性試験

平面ひずみ破壊靱性試験は、材料が小規模降伏条件と平面ひずみ条件を満たす場合に適用されます。代表的な規格として、ASTM規格E399があり、モードIの応力拡大係数KICを用いて破壊靱性を評価します。この試験では、事前に切欠きと疲労き裂を導入した三点曲げ試験片やCT試験片を使用します。

正確な平面ひずみ破壊靱性値を得るためには、疲労き裂導入時の応力履歴、負荷速度、不安定き裂進展開始荷重などの条件を厳密に制御する必要があります。試験後にはこれらの条件を検証する必要があり、得られた全ての結果が有効とは限りません。

小規模降伏条件と平面ひずみ条件を満たすためには、き裂長さ(a)、リガメント長さ(b)、試験片厚さ(B)、降伏応力(σY)、破壊靱性値(KIC)の間に以下の関係式が成り立つ必要があります。


a, b ≥ 2.5(KIC/σY)²
B ≥ 2.5(KIC/σY)²

弾塑性破壊靱性試験

KIC試験は、靱性の高い材料では適用が困難になります。高靱性材料では、上記の条件式を満たすためには非常に大きな試験片が必要となるからです。また、実際の機械や構造物では、大規模降伏条件下で破壊が発生することも珍しくありません。

このような大規模降伏条件下における破壊靱性は、J積分やき裂先端開口変位といった弾塑性破壊力学パラメータを用いて評価されます。J積分値を用いた破壊靱性試験方法もASTM規格で規定されており、JIC試験と呼ばれます。ただし、へき開破壊形式のき裂進展は対象外です。

参考文献

小林英男、『破壊力学』初版、共立出版
中井善一・久保司郎、『破壊力学』初版、朝倉書店
大路清嗣・中井善一、『材料強度』初版、コロナ社
東郷敬一郎、『材料強度解析学―基礎から複合材料の強度解析まで』第1版、内田老鶴圃
金子純一・須藤正俊・菅又信、『新版 基礎機械材料学』初版、朝倉書店
日本機械学会（編）、『機械工学辞典』第2版、丸善
* その他、日本材料学会誌に掲載された複数の論文。

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