High pressure die casting of aluminum makes it possible to attain complex, multifunctional components which are increasingly used in automobile parts owing to its high specific strength. The use of aluminum casting alloys is widespread in different fields of applications such as automobile, aerospace etc. However such casting process induces various defects such as porosity and cold flake which affect the strength of material. The fatigue performance of these alloys is strongly influenced by the presence of such defects. So it is important to know how pore content, its distribution, location and geometry of individual gas pores will affect fatigue failure of the component. The purpose of this research is to develop a prediction model for fatigue crack initiation and to quantify threshold values for the various parameters. Since there are many parameters like defect size, geometry, location, notch radius etc., which affects fatigue life, it is necessary to carry out a systematic study of each of these parameter for a casting defect and incorporate them into a single simple model. It is proposed that local stress concentration factor can be used to predict fatigue life correctly and can even be used to identify fatigue crack prone gas pores. Although the concept is not new but it has not been applied to real component. In this research attempt is made to apply this methodology of local stress concentration to the test pieces made directly from the car engine block. Fatigue tests are carried these test pieces containing various level of porosity. Fatigue life shows wide spread which makes it difficult to predict the fatigue life of such components by conventional S-N curve. X-ray CT image is taken to get three dimensional geometry reconstruction of actual gas pores which is then used in image based finite element analysis in meso scale, to find out the local stress concentration factors which is then used to get a modified S-N curve to get a better prediction of fatigue lives.

To understand the fatigue crack propagation mechanism in this material scanning electron microscopy and energy dispersion spectroscopy are carried out on fractured surface. It is found that gas pores are the dominating fatigue crack initiators. The crack initially incubated at the region of highly stressed/strain localized region and proceeds with fine striation mark. But at a later stage as the crack grows, crack is attracted towards the pores which offers weaker path which is formed by intensified local cyclic plastic zones in the matrix due to pore geometry, pore configurations, pore-pore separations. After this, the crack grows by a sequence of successive pore encounters in mode I.

After having understood the role of stress concentration in fatigue crack propagation, it is required to understand how the stress concentration is affected by porosity, pore configuration and pore geometry. To start with, pair of ideal spherical cavities are considered and the interaction between them is studied using finite element analysis calculation. An empirical formula is developed to show the variation of stress concentration factor with different sizes of pores, inter-pore distance and orientation of pores to loading direction. This model is then applied to multi-pore system and subsequently to actual gas pores in die cast test piece. At this stage, gas pores are considered to be ideal spheres of radii equivalent to the actual volume. Subsequently, the complicated curvatures of the gas pores are also studied. Then this is compared with proposed empirical model. There is a good agreement between the two, implying usefulness and effectiveness of predictive model.

本研究は,高い成形性と経済性の利点から自動車部品として多用されているアルミダイカスト材料の疲労破壊メカニズムを明らかにし,現状では経験則のみで設定されている信頼性基準に力学的合理性を付与することを最終的な目標として,製造プロセスにおいて不可避的に発生する鋳巣に関するメゾメカニクスを検討したものである.鋳巣の存在が疲労強度を低下させることは,定性的には理解できるが,定量的な相関に基づき製品の信頼性を合理的に評価する方法論は未成熟であった.本研究では,定量的議論を展開するための端緒を鋳巣周りの局所的応力上昇に求め,上昇度を勘案した応力振幅を規準とすれば,確度の高い疲労寿命予測が可能となることを経験則的に示した.その経験則が合理的であることを詳細な破面観察から示し,応力集中を引き起こす主要な因子が鋳巣の体積含有率と鋳巣間隔であることを,数理的検討と疲労試験結果との照合から導いた.この結論により,鋳造条件の適否を瞬時に求められる製造現場においても容易に適用できる,簡便かつ合理性の高い疲労強度信頼性評価規準を提示可能とした.

第1章Introductionでは,自動車部品を中心に進められているアルミダイカスト材料活用の現状と,疲労強度信頼性評価に関する問題点および鋳巣に代表される製造欠陥に着目して行われた過去の研究を概観し,研究の目的と意義を示した.

第2章Background and Proposed Methodologyでは,鋳巣により引き起こされる応力集中を基軸として経験則的に構築された疲労寿命予測の方法論を紹介し,本研究で行う研究の枠組みと章ごとの具体的検討項目を示し,検討結果相互の関係により論文の基本構成を明らかにした.

第3章Fatigue Testでは,鋳造条件を変えてADC12材により製造したエンジンブロックより切り出した試験片を用いて行った疲労試験方法と試験結果を示した.本研究では鋳巣を疲労強度低下の主因と捉え,その意味で鋳造材AC4Bにより製造されたエンジンブロックについても,同一の枠組みにより疲労強度評価が行える.本研究で得られた結論の普遍性を高めるため,AC4B材についても疲労試験を行い,以下の検討も両材料について行うこととした.

第4章Image Based Finite Element Analysis for Evaluation of Local Stress Concentration Factorsでは,X線CTより取得した鋳巣に関する三次元データからメゾスケール有限要素モデルを構築する方法を精査し,ADC12材,AC4B材とも空隙と認識する画素値の閾値を適切に設定すれば,局所的応力集中を規準としてより高い確度で疲労寿命が予測可能となることを示した.また,局所的応力集中と鋳巣の体積含有率の相関を検討し,体積含有率が高い場合には他の幾何学的因子による影響も検討する必要があることを課題として示した.

第5章Meso-mechanics of Fatigue Crack Propagationでは, SEMおよびEBSにより破面の詳細な観察を行い,疲労破壊の大部分が鋳巣間の延性破壊で進行するとの仮説を打ち立て,メゾスケール有限要素解析の結果,鋳巣間距離の分布と疲労寿命の関係と合わせて,その妥当性を示した.その帰結として,鋳巣間距離と局所的応力集中の関係が得られれば,容易に疲労寿命の予測が可能となることを示した.

第6章Empirical Formulation of Stress Concentration Factor for Spherical Cavitiesでは,鋳巣の相対位置と局所的応力集中の関係を簡便に定量化するため,球形で理想化された2欠陥により発生する応力集中を半解析的に求めた.定式の過程で,2欠陥間の距離が応力集中に対して支配的パラメータとなることを明らかにし,鋳巣間の延性破壊で進む疲労のメゾメカニクス仮説を強化する結果となった.

第7章Practical Application of Empirical Formula to Die Cast Material では,2欠陥により発生する応力集中に関する定式を,疲労試験前のX線CT撮像より得られた鋳巣の三次元データに適用し,疲労破壊の起点となる危険性の高い位置を簡便に特定できることを示した.疲労試験により発生した破面位置と予測結果の整合性が高いことから,近接する鋳巣間で発生する応力集中により支配される疲労破壊進展との枠組みが適切であることが示されたと考える.

第8章Summary and Future Worksでは,本論文の総括と提案した方法論の適用可能性を論じている.鋳物に限らず,製造過程で発生する空隙欠陥で疲労強度が著しく低下する場合は,本研究で提示した方法論により,確度の高い疲労強度予測が行えると結論付けている.

以上要するに,本研究にて提案した鋳巣の体積含有率と間隔の2パラメータによる方法によれば,アルミダイカスト部材の製造現場において簡便かつ合理的に疲労強度評価が行える.この点において本論文の工学的意義が認められ,よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる.