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金属の加熱による膜割れの原因と影響
- 金属に膜が形成されている場合、加熱すると膜に割れが発生することがあります。加熱速度や温度の変化率が割れの発生に影響を与えるかどうかは疑問です。
- 熱応力は、ヤング率・線膨張係数・温度差によって求められますが、温度の変化率は熱応力の式には関係ありません。
- ゆっくりと加熱する場合と急速に加熱する場合で、割れの発生に異なる条件があるのかどうかは検討が必要です。
- 金属
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まず熱せん膨張係数の違いによる割れは 早かろうがゆっくりだろうが割れる 線路が伸びるのと同じ 誰も触れてないみたいだが 境界に不純物などがあり ガス化すると爆発する 伝達率の差があれば急速(海苔をあぶるよう)にすれば割れない ↑ ガスによる爆発はありゆる 芯まで温めれば線路の話と同じ 軟化温度1000度近くまで上がれば 話は別
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ありがとうございます！参考にさせて頂きます。
膜形成の方法におよると思いますが、割れの原因が機材との密着性の問題なのか、基材の熱膨張によるものなのか的を絞る必要があると思います。 膜形成時に大きな温度変化があれば、膜に残留応力が生じる可能性があり、温度上昇でこれが緩和することも考えられます（メッキ処理後のエージング）。 薬剤の影響や表面張力,静電気など表面物理・化学的な要素も考慮しなければいけないかもしれません。 実際のひずみが測定できれば？以下参考です。 参考 http://www.eng.tottori-u.ac.jp/reports/vol_38/pdf/01kitaoka.pdf
お礼
密着性については問題ないようです！ありがとうございます。
「温度差」とは基材と膜の温度差。徐加熱すると温度差が小さくなる。 薄膜に発生する応力が引張応力になることが危険。このため徐加熱も重要だが、冷却時の徐冷却はより重要。 「熱応力の式 ヤング率ｘ線膨張係数ｘ温度差」について。 1)なぜ基材と膜の特性区別がないのか。 2)なぜ加熱速度の影響がないのか。 この式は単純物体を急加熱あるいは急冷したときに表面に発生する応力の式。温度差とは内部と表面の温度差なのだが、実際には、加熱や冷却以前の物体の温度と、加熱あるいは冷却媒体の温度の差を使用する。 つまり加熱あるいは冷却された瞬間に表面は媒体と同じ温度に、内部は元の温度のままと仮定し、発生し得る最大の応力を計算するもの。実際の温度差はもっと小さく、しかも徐加熱、徐冷却ならさらに小さくなる。 質問のような基材と膜の場合は、当然温度差は基材と膜の温度差になり、それぞれのヤングと熱膨張係数を考慮しなければならない。 膜に発生する応力が引張と圧縮のいずれなのかも重要。 「加熱時には割れるが冷却時には割れない」 「ゆっくり加熱すると割れにくくなるのか」 「膜厚を10倍にしたら割れなくなった理由」 正しい答が欲しいなら基材と膜の材質、厚さを含めた寸法、加熱温度、加熱方法、冷却方法などの情報が必要。 10mm厚の基材に100nmの膜なら「ハの字やソの字」にはならない。 膜材質と温度によっては、塑性変形など考えられないし、亀裂が途中で止まることもない。 同じ10mm厚でも、10mm角と100mm角では事情が違う。 加熱冷却方法が熱衝撃なのか炉加熱や放冷なのかで回答が異なる。 回答(1)の内部応力のある膜なら、膜厚を大きくすると割れやすくなるのが普通。
お礼
そうですね。あくまで基材と膜との温度差ですね！ 冷却も注視しますが、現状では加熱時に割れが発生しています。
加熱／冷却が速く温度が不均一になれば、熱膨張の具合も不均一となり応力は増します。 ヒートショック試験では80℃から-40℃冷媒に突っ込むことをやるが、同じ温度での気相熱衝撃試験よりもあきらかに苛酷。 JISにもそのような試験があります。 JIS H8504 めっきの密着性試験方法 http://kikakurui.com/h8/H8504-1999-02.html 21.2熱衝撃試験 JIS H 8451 遮熱コーティングの耐はく離性試験方法 http://kikakurui.com/h8/H8451-2008-01.html 何の金属でどういう膜なのか判りませんが、条件を振って試せば判ると思います。解析は後講釈。 熱応力は、ヤング率ｘ線膨張係数ｘ温度差 これは二つ以上の異なる材質が組合わされ、温度変化が緩やかな定常現象の場合で、熱応力は地点を問わず均一。 温度変化が急で時間が絡む過渡現象は、単一材質でも熱応力が発生し歪みが現れ、地点での均一さは無いことが普通。 熱伝導性良い金属でも厚さがあり温度が不均一になる場合は起きるが、ガラス、セラミックス、超硬など熱伝導性が悪く、かつ硬くて脆い材料ほど問題になる。これらでは熱衝撃は禁物。 http://www.sun-yell.co.jp/tainetusyougeki.htm http://www.kyocera.co.jp/fcworld/charact/heat/heatresist.html http://www.everloy-cemented-carbide.com/knowledge/faq.html なので薄膜特有の現象ではないのです。 過渡現象というコトバ、検索しても電気系ばっかりで機械系では馴染みがありません。 wiki の過渡現象もこれ 力学系における過渡現象 この節の加筆が望まれています 本件は熱衝撃といえば何となく。 衝撃荷重の計算では、静かに置くだけで静止荷重の２倍で、鋼球落下では数百数千倍に達する。 それらは一旦、電気系で扱う方が易しく、その後に機械系に置き換える 機械系と電気系のアナロジー http://www.rm.mce.uec.ac.jp/lecture/mech/MechCircuitMatrix.pdf
お礼
非常に勉強になりました！なんでも均一というのは難しいですから、そのあたりの影響も無視できないですね。
＞金属に膜が形成されている 薄膜は、形成方法、形成する速度、温度などに関係して、それ自体に大きな 応力が内在すると考えた方がいいと思います。 (1)内部応力によるバイアスがかかるので、膜にかかる応力は、 ヤング率ｘ線膨張係数ｘ温度差±内部応力 ということになり 温度差と応力は比例関係にならないと考えられます。 (2)内部応力は、温度を上げることにより、開放される可能性があると思い ます。温度による応力開放（アニール）は、時間をかけることで進行する ので、温度を急に加える場合と徐々に加える場合で割れの発生に差があっ ても物性の理屈矛盾しているとは思えません。
お礼
初期に弱めの温度である程度の時間加熱することで、応力が開放される可能性もありますね！検討したいと思います。ありがとうございました。
お礼
丁寧なご説明ありがとうございます。勉強になりました！ 単純な質問ですが、厚みを増したら割れは発生しにくくなるものでしょうか？ 厚みを10倍にしたら、割れが発生していないように見えるのです。 見えるだけかもしれません。 返事がおそくなり申し訳ありません。 たいへん勉強になりました！ ありがとうございます。