第1部 セラミックスの破壊強度及び破壊靭性とその測定法

(2023年5月17日 10:30〜12:00)

　セラミックスの破壊強度や破壊靭性の試験方法は、既にJISやISOに制定されて久しく、これらの規格に従えばそれなりの値を得ることはできるかもしれない。しかしながら、多くの規格ユーザーにとっては、幾つかある測定法のうちどれを使うべきなのか迷うところであるし、そもそも近年新たに発行された規格類を知らなかったりする。また、基礎的な理解がないと自分が一体何を測定しているのかが分らずに誤った判断を下す危険性がある。
　そこで、本講座では基礎から各種試験法の種類とその特徴を述べ、どの測定法を使うべきなのか、測定値が意味することは何なのかが理解できることを目指している。また、近年開発された高精度のIF法や、セラミックス薄板基板を対象にした破壊強度と靭性の試験方法を解説する。さらに、実際の測定において早く正しく測定するための一助となるべく、教科書にはあまり書かれていない経験上の勘所などを盛り込む予定である。

1. セラミックスの破壊強度と破壊靭性
   1. 破壊強度とは
   2. 破壊靭性とは
   3. 他の機械的特性との関係
2. セラミックスの破壊強度試験法
   1. 従来の破壊強度試験法の種類とその特徴
      • 引張試験
      • 圧縮試験
      • 曲げ試験
   2. 薄板基板用の曲げ強度試験法
   3. その他、特定用途向け試験法等の開発動向
   4. 測定の一口ポイント
3. セラミックスの破壊靭性試験法
   1. 従来の標準的な破壊靭性試験法の種類とその特徴
      • SEPB (Single-Edge Precracked Beam)
      • SCF (Surface Crack in Flexure)
      • SEVNB (Single-Edge V-Notched Beam)
      • CNB (Chevron Notched Beam)
      • IF (Indentation Fracture)
   2. 改良された高信頼性IF法
   3. セラミックス薄板基板用破壊靭性試験法
   4. 測定の一口ポイント
4. 破壊強度と破壊靭性の応用例 – パワーモジュール用銅張セラミックス基板の耐久性試験
5. 終わりに – 国際規格発行への取り組み
• 質疑応答

第2部 セラミックスの強度ばらつきの予測手法とその応用

(2023年5月17日 13:00〜14:30)

　セラミックスの強度評価においては、ワイブル分布に基づく統計的な手法が採用されてきた。しかしながら、ワイブル分布を得るためには多くの試験回数を必要とし、コストと時間がかかる。そのため、材料の欠陥分布や組織情報を反映した強度ばらつきの数値解析手法が望まれてきた。
　このような状況の下、講演者らは、微視構造情報 (相対密度、欠陥分布、粒径分布など) に基づきセラミックス強度のばらつきを予測しえる数値解析を提案している。提案手法の具体的な手順は、以下の通りである:

• 画像観察等で得られた微視構造の情報を各種確率密度関数で表現する。
• 乱数を用いることで同ロットを想定した複数の解析対象 (例えば、数十個〜数百個の部材) における微視構造の確率的な分布を再現する。
• 上記の情報に基づき部材内の局所的な破壊応力や応力 – ひずみ関係を設定する。
• 解析対象ごとに異なる破壊強度を評価することにより、数値解析結果からワイブル分布を直接作成する。

　本講座では、セラミックスの破壊強度のばらつきの考え方や破壊力学の基礎から説明を始め、上記の破壊強度ばらつきを予測するための数値解析手法を詳述する。また、実務での利用を鑑み、その応用例についても紹介する。

1. セラミックスの強度ばらつきについて
   1. ばらつきの原因と最弱リンク説
   2. ワイブル分布による強度ばらつきの評価
2. 欠陥まわりの破壊力学モデル
   1. 線形破壊力学
   2. 等価亀裂長さ
   3. いくつかの欠陥形状に対応した破壊力学モデル
3. 欠陥の確率的分布の取り扱い
   1. 確率密度関数 (対数正規分布、べき乗分布、極値分布)
   2. 欠陥分布の取得方法
4. 強度ばらつきの簡易予測法
   1. 内部欠陥の確率的分布に基づく曲げ強度のばらつきの予測例
   2. 曲げ強度のサイズ依存性の予測例
5. 強度ばらつきの予測 – 応用編 –
   1. 詳細な破壊力学モデルの適用例
   2. 有限要素法の利用
   3. 許容表面欠陥寸法の予測への応用
• 質疑応答

第3部 セラミックスの変形および破壊の原子レベルでの解明

(2023年5月17日 14:45〜16:15)

　セラミックスの変形および破壊挙動はその粒界の構造や組成と密接に関係している。たとえば高温では粒界すべりが主な変形機構として働く一方、転位が活動する場合は、粒界と転位の相互作用が重要となる。粒界すべりは粒界性格によって異なる挙動を示すことが知られているが、粒界性格-粒界構造-粒界すべりの相関性に関しては未だ不明な点も多く、そのメカニズムについても統一的な見解が得られていない。また、粒界と転位の相互作用も粒界性格に大きく依存すると考えられている。さらに粒界破壊もその粒界構造と組成によってメカニズムが異なると考えられている。
　本講演では、粒界性格およびその構造・組成を制御したモデル材料を系統的に作製し、各試料の高分解能走査透過電子顕微鏡 (STEM) による構造解析、TEMその場観察および第一原理計算を駆使して、粒界性格-粒界構造-粒界すべりー粒界破壊の相関性、種々の材料の転位芯構造、転位間相互作用、粒界と転位の相互作用などについて定量的に明らかにした結果について述べる。

1. 変形及び破壊を理解するため電子顕微鏡その場観察法の意義
2. 脆性破壊と延性破壊
3. 電子顕微鏡その場観察法
4. 粒界破壊の直接観察とその解析
5. 対応粒界と転位の相互作用
6. 転位と転位の相互作用
7. 破壊の原子レベルでのその場観察手法
8. 電子線照射法による粒界移動のその場観察
9. 今後の展開
• 質疑応答