氏名　ラジャパ　グナナモーシー
学位の種類　博士（工学）
学位記番号　博甲第93号
学位授与の日付　平成6年3月25日
学位論文の題目　Fracture Behavior of GammaBase Titanium Aluminides（γ基TiAl金属間化合物の破壊特性）
論文審査委員
　主査　教授　武藤　睦治
　副査　教授　田中　紘一
　副査　教授　小島　陽
　副査　助教授　岡崎　正和
　副査　東北大学　教授　花田　修治

• 論文目次
• 論文要旨

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CONTENTS
ABSTRACT　p.II
LIST OF PUBLICATIONS　p.VIII
ACKNOWLEDGEMENTS　p.X
ABSTRACT IN JAPANESE　p.XI
Chapter 1 INTRODUCTION　p.1
1.1　General Considerations　p.2
1.2　Intermetallic Compounds　p.2
1.3　Titanium Aluminide Base Intermetallic Compounds　p.3
1.4　Gamma Base Titanium Aluminides　p.5
1.4.1　Microstructure development　p.6
1.4.2　Alloy development　p.7
1.4.3　Processing conditions　p.9
1.4.4　Mechanical properties　p.10
1.5　Scope of this Work　p.14
Chapter 2 FLEXURAL STRENGTH　p.19
2.1　Introduction　p.20
2.1　Test Materials　p.21
2.2　Experimental Procedure　p.22
2.3　Results　p.24
2.3.1　Microstructure　p.24
2.3.2　Bending tests　p.26
2.3.3　Fractography　p.33
2.4　Discussion　p.34
2.4.1　Bending behavior at room temperature　p.34
2.4.1.1　Influence of microstructure　p.34
2.4.1.2　Influence of ternary addition　p.39
2.4.2　Bending behavior at intermediate temperatures　p.41
2.4.2.1　Influence of microstructure　p.41
2.4.3　Bending behavior at high temperatures　p.45
2.4.3.1　Influence of microstructure　p.45
2.4.3.2　Influence of ternary addition　p.45
2.4.4　A model for fracture mode transition　p.46
2.5　Conclusions　p.47
Chapter 3 FRACTURE TOUGHNESS　p.49
3.1　Introduction　p.50
3.2　Experimental Procedure　p.51
3.3　Results　p.55
3.3.1　Fracture toughness at room temperature　p.55
3.3.2　Fracture toughness at elevated temperatures　p.56
3.3.3　Fractography　p.58
3.4　Discussions　p.66
3.4.1　Room temperature fracture toughness　p.66
3.4.1.1　Binary materials　p.67
3.4.1.2　Influence of chromium addition　p.69
3.4.1.3　Influence of niobium addition　p.70
3.4.2　Fracture toughness at elevated temperatures　p.71
3.4.2.1　Binary materials　p.71
3.4.2.2　Influence of chromium addition　p.72
3.4.2.3　Influence of niobium addition　p.73
3.5　Conclusions　p.73
Chapter 4 CYCLIC FATIGUE CRACK GROWTH BEHAVIOR　p.75
4.1　Introduction　p.76
4.2　Experimental procedure　p.77
4.3　Results　p.80
4.3.1　Fatigue crack growth behaviorof cast and heat treated lamellar microstructure materials　p.80
4.3.2　Fatigue crack growth behaviorof cast and heat treated duplex andequiaxed microstructure materials　p.87
4.3.3　Fatigue crack growth behaviorof isothermal forged materials　p.89
4.4　Discussions　p.98
4.4.1　Fatigue crack growth mechanisms in gama base titanium aluminides　p.98
4.4.2　Effect of lamellar orientation to crack plane on the fatigue crack propagation　p.101
4.4.3　Fatigue crack propagation in isothermal forged materials　p.103
4.4.4　Crack closure　p.104
4.4.5　Significance of stress shielding effect　p.105
4.5　Conclusions　p.108
Chapter 5 SUSTAINED-LOAD CRACK GROWTH AND ENVIRONMENTAL EFFECTS　p.110
5.1.1　Introduction　p.111
5.2　Experimental Procedure　p.112
5.3　Test results　p.113
5.3.1　Sustained-load subcritical crack growth test results　p.113
5.3.2　Bending test results　p.124
5.3.3　Cyclic fatigue crack growth test results　p.124
5.4　Discussions　p.128
5.4.1　Mechanism of sustained-load cracking　p.128
5.4.2　Effects of environment　p.133
5.4.3　Influence of microstructure and ternary addition on the sustained-load cracking　p.137
5.4.4　Comparison of sustained load crack growth and cyclic fatigue crack growth behaviors　p.138
5.5　Conclusions　p.139
Chapter 6 GENERAL CONCLUSIONS AND FUTURE PROSPECTS　p.141
REFERENCES　p.146

　新素材は技術発展のかぎをにぎっている。自動車ならびに航空宇宙の分野では高温に耐える高性能軽量材料の要求が高まっている。軽量かつすぐれた高温特性を有するTiAl系金属間化合物はそれらの要求に最も適合した材料である。TiAl系金属間化合物の中でも、γ基TiAlはα2基Ti3Alに比べ高弾性率、良好なクリープ特性ならびに耐酸化特性に優れている。しかしそれらの低延性や低き裂伝ぱ抵抗が実用化の妨げとなっている。これらの欠点が改善されていけば、軽量のγ基TiAlは現在用いられているチタン合金や超合金にとって替わると考えられる。したがって、高温強度、破壊靭性ならびに疲労き裂伝ぱ特性の十分な把握が、それらの破壊特性改善を目指した材料開発にとって必須である。そこで本研究では、未着手・未解明の状況にあるγ基TiAlの破壊特性、ならびに破壊機構の解明を目指すとともに、それらに及ぼす微視組織、添加第三元素あるいは製造条件等の影響を調べた。
　第1章「序論」では、TiAl系金属間化合物が次期高温構造材として期待されている背景および研究・開発の現状・問題点について述べるとともに、本研究の意義と目的を明らかにした。
　第2章「高温強度」では、微視組織、添加元素、熱処理条件の異なる6種のγ基TiAlを用意し、室温から1000℃までの温度範囲における曲げ強度の温度依存性を調べた。その結果いずれの材料とも曲げ強度の温度依存性は類似の傾向を示し、温度とともに増大し、700～900℃で最大値を示し、その後低下することがわかった。しかし、その強度レベルには組織の影響が顕著であり、層状組織材は等軸組織材のおよそ2倍の曲げ強度を有することなどが明らかとなった。
　第3章「高温破壊靭性」においては、室温におけるKIC試験ならびに高温でのJIC試験を行い、破壊靭性値の組織依存性および温度依存性を調べた。その結果によると、層状組織を有する材料はKIC＝35MPa√mに達する高い室温破壊靭性値を示した。破壊靭性値の温度依存性は材料によらず類似の傾向を示し、温度とともに上昇し最大値に達した後低下した。Cr添加は高温靭性を改善するが、恒温鍛造を加えβ相が粒界に分布する組織になるとその効果は認められなくなった。Nb添加は動的再結晶を抑止するため、より高温での靭性改善に有効であった。
　第4章「疲労き裂伝ぱ特性」においては、通常の繰り返し荷重下の疲労き裂伝ぱ試験を行い、き裂伝ぱ挙動を調べるとともに、走査型電子顕微鏡付き疲労試験機を用いたき裂伝ぱ過程のその場連続観察を行った。その結果によると、疲労き裂伝ぱの基本的機構はき裂先端における微視き裂の発生とその連結であり、微視組織はその形態に大きな影響を及ぼし、伝ぱ抵抗の相違をもたらしていることがわかった。また、疲労き裂伝ぱ抵抗は層状組織材が最も大きく、等軸組織材が最も小さいが、層状組織材でき裂が層状組織に沿って進展する場合の伝ぱ抵抗は等軸組織材のそれとほぼ同等であることなどが明らかとなった。
　第5章「一定荷重下のき裂伝ぱ特性」においては、前章と同様の手法により、き裂伝ぱ挙動を調べるとともに、き裂伝ぱ機構について検討した。その結果によると、本供試材は大気中のみならず、真空中においても顕著なSCCき裂進展挙動を示すことが明らかであった。SCCき裂伝ぱの基本的機構はき裂先端における微視き裂の発生とSCCによる主き裂との連結であり、その形態には組織の影響が顕著であることがわかった。層状組織はSCC感受性が高く比KISCC／KICが最も小さいが、KISCCの絶対値は等軸組織に比べ依然として高い値を示すこと、また、Nbの添加はSCCき裂伝ぱ抵抗を著しく造花させることなどが明らかとなった。
　第6章「結論」においては、以上の各章で得られた結論を総括するとともに、今後の材料開発の指針を示した。