鉛フリーはんだの強度解明の必要性と今後の問題

はんだは電子部品などの接合に多用されている。しかし、はんだに熱や外力が繰返し作用したときに損傷が蓄積されると剥離や疲労き裂が発生して機器は誤操作を生じて尊い人命を失うことがある。

したがって、はんだの強度特性を究明することは工学上非常に価値のある研究課題である。また、従来のはんだの化学成分には鉛(Pb)が多量含有しているので、今後は、はんだ接合部品の廃棄時の鉛(Pb)による環境問題を考慮した強度設計手法の確立が必要になる。

2006年7月1日より欧州ではRoHS指令への対応が必要とされて、今後、電子部品等のはんだ接合部は鉛フリーを用いた製品の開発が余儀なくされている。

図1は鉛フリーはんだのねじり疲労強度試験を実施している模様を示し、疲労き裂の発生過程における剛性低下を解析ソフトで解明し、その過程をデジタルマイクロスコープで観察・解析するとこが可能である。

(写真左側：解析システム、写真中央：ねじり疲労試験機、写真右側：疲労き裂撮影装置)

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材料強度特性評価

1.クリープ（creep）特性

一定温度下において一定引張応力を負荷したときにひずみが時間の経過と共にどのように変化するかを究明する。

2.静的応力・ひずみ曲線

引張応力を徐々に増加させたときの引張応力とひずみの関係を究明して、材料の降伏点・引張強度を究明する。

3.疲労寿命曲線 (S-N曲線)

一定応力振幅を繰返し負荷したときの破断繰返し数と応力振幅との関係を究明する。JISでは、応力繰返し数は10⁷回に耐えられた応力振幅を疲労限度としている。しかし、機械・装置の長寿命化が進む現在は、応力繰返し数が10⁸回ないし10⁹回における疲労寿命が問題になっている。

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高速引張強度解明の必要性と今後の問題

様々な場所に使用されているボルトやナットのように切欠きを有する部品は切欠き部から破断する。現在、機械・装置は長寿命化・高速化および過酷な使用に耐久できることが要求されている。したがって、機械・装置には衝撃的な外力が作用して破壊を生じることがある。

一方、高速衝撃引張破壊は自動車の衝突事故などに挙げられるように部品が事故発生時にどのように破壊を生じたかを究明できれば今後の安全対策・事故対策を行うことが可能である。

現在は本装置を用いて、ねじ締結体のねじの大きさとねじ部長さの関係を究明し、機械・装置の小型化を考えた強度設計の設計指針と安全・安心のための社会技術を構築している。

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1.平面曲げ疲労試験機(最大板厚14mm)

応力負荷速度は300cpm〜1500cpm可変可能です。

試験片に平面曲げ応力を負荷した時の疲労寿命を解析できる。

2.軸荷重疲労試験機(4920cpm、容量:10kN)

試験片に軸荷重を作用させたときの疲労寿命を解析できる。

3.回転曲げ疲労試験機(3000rpm、100Nm)

試験片に回転曲げ応力を負荷したときの疲労寿命を解析できる。

車軸の疲労強度特性(S-N曲線)を解明できる。

4.衝撃・衝突変形解析装置(測定速度5μsec)

ひずみの測定は5μsec毎に2秒間測定が可能です。

同時に5点のひずみ挙動を測定できる。

衝撃的な荷重が作用した時のひずみ量と時間の関係をひずみゲージによって測定・解析ができる。

5.微視的形状三次元解析装置（破断面観察）

部品等の破壊面は微視的形状を三次元的に解析できる。

試験片の破壊機構が解明できる。

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