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高強度ガラスの衝撃に対する破壊挙動

講演番号（講演番号は入力不要）日本電気硝子㈱○細田 洋平 森岡 康介 濱田聖司

Fracture behavior of high-strength glass against impact
Yohei HOSODA, Kosuke MORIOKA and Seiji HAMADA
1緒言

ソーダ石灰ガラスは一般的なガラス材料として知られており、窓ガラスをはじめ、身の回りの様々な用途で用いられている。近年、自然災害等の増加から、飛来物によるガラスの破損報告が増加しており、より耐衝撃に優れた高強度なガラスが求められている。板ガラスの破壊モードとして、一般的に曲げ破壊とヘルツ破壊が知られている。曲げ破壊は板ガラス全体が変形し、その衝撃
Fig.1. A schematic illustration of steel ball impact test.

面と反対の面に引張応力が生じることによる破壊である。一方でヘルツ破壊は衝撃点周辺の微小領域が変形し、引張応力が生じることによる破壊である。飛来物等の衝(a)(b)

撃による破壊では後者のヘルツ破壊が発生する場合が多いと考えられるが、ヘルツ破壊の発生を利用した強度試験方法はあまり報告されていない。本研究では、ヘルツ破壊下において、開発した板ガラスの強度を測定する目的で、鋼球を用いた板ガラスへの衝撃試験を行い、ヘ(c)ルツ破壊の発生条件を明らかにした。結果、開発した板ガラスは、ヘルツ破壊下において、ソーダ石灰ガラスと比較して非常に高い強度を示した。
22.1

試験方法

(top and side view)
ヘルツ破壊発生条件調査
鋼球と板ガラスの接触面に働くヘルツ

応力 1)は鋼球の直径、速度、質量が関係しているため、それらをパラメータとして、ヘルツ破壊の発生有無を調査した。Fig.1 に本試験で用いた装置構成を示す。鋼球には SUJ-2 製（ヤング率 207GPa）を使用し、直径を 2.5mm～25mm、速度を 5m/s～30m/s、質量を 4g～64g、の間で変化させた。鋼球射出手法は、独自で製作したバネの弾

Fig.2. Observation of Hertzian fracture, (a) Picture by highspeed camera, (b) Appearane of glass sample after impact testand (c) Hertzian cone crack.
2.3 鋼 球の直径と速度の関係

Fig.3.に鋼球の直径を変えて試験を行い、破壊が起こった場合にヘルツ破壊（〇）と曲げ破壊（□）を分類してプロットした図を示す。破壊が起こらなかった場合は（×）をプロットした。

性力を利用した射出装置を使用した。また試験用板ガラ
スには市販のソーダ石灰ガラス（寸法 50mm×50mm、肉厚 8mm、両面鏡面加工品）を使用した。板ガラスの 4
辺それぞれの端部より 5mm の領域を支持枠に挟みこむことで板ガラスを固定し、鋼球と板ガラスの衝突の様子
は高速度カメラ（Photron 製 FASTCAM mini AX-200）により、ヘルツ破壊時に生じるコーン形状のクラック片（以下、ヘルツコーン）の発生有無を観察した。
2.2 ヘ ル ツ 破 壊 観 察 結 果

Fig.2 は直径 13mm、速度13.8m/s、質量 9g、で鋼球を衝突させた際の高速度カメ
ラによる観察結果と破壊後のソーダ石灰ガラスの外観である。高速度カメラでは鋼球が衝突した瞬間にクラックが伝播し、ヘルツコーンが衝突面と反対側から抜け落ちる様子が観察できた（Fig.2(a)）。試験後に回収したヘルツコーンを Fig.2(b)に示す。

Fig.3. Fracture mode by changing diameter and velocity of steel ball.
本結果から鋼球の直径が 13mm 以下、速度が 10m/s 以上の場合にヘルツ破壊が発生しやすいことが分かった。つ
まり鋼球の直径が小さく、速度が速い場合にヘルツ破壊

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は寸法 50mm×50mm、肉厚 7mm、両面鏡面加工品を使が高い頻度で発生することが分かった。

用した。強度試験は、2.1 項と同様の方法で、鋼球の速2.4 運 動量と速度の関係

Fig.4 に鋼球の運動量と速度度を変化させ、板ガラスに衝突させる試験を行い、板ガの関係を鋼球の質量毎にプロットした図を示す。Fig.3

ラスがヘルツ破壊にて破壊する直前の鋼球の速度と破と同様に破壊モードを分類した。運動量が 0.2kg・m/s の壊した際の速度との中央値を算出した。またその速度に部分に着目すると、同じ運動量であっても質量が大きいおける鋼球の運動エネルギーを破壊エネルギーとした。

鋼球に比べて質量が小さい鋼球の方が、ヘルツ破壊が起きやすいことを確認した。鋼球の質量が 9g 以下、速度3.3 試験結果が 10m/s 以上の場合はすべてヘルツ破壊であった。

してヘルツ破壊の発生条件下にて強度比較を行った。い

新規開発ガラスとソーダ石灰ガラスに関ずれのガラスでも速度を大きくするとヘルツ破壊のみが発生することが確認できた。その破壊エネルギーの結果を Fig.5 に示す。ソーダ石灰ガラスは 0.5J でヘルツ破壊が発生したが、新規開発ガラスは 1.5J でヘルツ破壊が発生した。新規開発ガラスはソーダ石灰ガラスに対して約 3 倍の強度を有することが分かった。

Fig.4. Fracture mode by changing momentum and velocity of steel ball.
2.5 ヘルツ破壊の発生条件まとめ

上記 2.3 項、2.4 項の結果を Table 1 に纏めた。Table1 より、ヘルツ破壊の発
Fig.5. Fracture energy of developed glass and soda-lime silicate glass.

生条件を定量的に得ることができた。

(Sample size: 50mm×50mm×7mm, steel ball diameter and weight: 10mm, 4g）

Table 1 Occurrence condition of Hertzian fracture.
4VelocityWeightDiameter≥ 10m/s≤ 9g≤ 13mm本研究では、板ガラスの破壊モードの一種であるヘルツ※Glass: soda-lime silicate (size 50mm×50mm×8mm)

破壊に着目し、ヘルツ破壊の発生条件の調査と、得られ3た条件を利用して新規開発ガラスの強度試験を行い以下の結果が得られた。

新規開発ガラスの強度試験

3.1 新規開発ガラスに関してまとめ

前項で得られたヘルツ破(1)ヘヘルツ破壊の発生条件調査

自作の鋼球射出装置を壊の発生条件を利用して、新規開発ガラスの強度試験を用い、鋼球の速度、質量、直径を変化させ、板ガラスに行なった。新規開発ガラスの特性に関して Table 2 に示発生するヘルツ破壊発生条件を得た。

す。新規開発ガラスは、ソーダ石灰ガラスと比較すると(2)新新規開発ガラスの強度試験密度は同等であるが、熱膨張係数が低く、強度に関連すで新規開発ガラスとソーダ石灰ガラスの強度比較を行る物性であるヤング率、ビッカース硬度、破壊靭性値がったところ、新規開発ガラスはソーダ石灰ガラスに対しヘルツ破壊発生条件下高いという特徴を有している。て約 3 倍の衝撃強度を有することが分かった。

Table 2 Properties of developed glass and soda-lime silicate glass.

講演会当日はヘルツ破壊の発生を観察した動画や新規

DevelopedSoda-limeglass

silicate glass

Densityg/cm3

2.62.5CTE (30-380℃)

10-6/℃

4.9

8.5

Young’s modulus

GPa

9872

Vickers Hardness

Hv700

550

0.90.7

Fracture toughness MPa・m0.5
3.2 試験方法

開発ガラスの強度試験の詳細、その他結果について報告
する。
参考文献
1)

石川信隆, 大野友則, 他, 基礎からの衝撃工学（森北出版）,37-44 (2008)

2.5 項のヘルツ破壊発生条件まとめを参考に試験には直径 10mm、4g の鋼球を用いた。板ガラス

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