金属破壊解析用走査型電子顕微鏡

March 18, 2024

走査型電子顕微鏡は、一般的に使用される顕微鏡分析ツールとして、あらゆる種類の金属破壊、破壊タイプの決定、形態解析、故障解析およびその他の研究を観察できます。

金属骨折とは何ですか？

金属が外力によって破壊されると、破壊部位に 2 つの一致する部分が残り、これを「破壊」と呼びます。この骨折の形状と外観には、骨折プロセスに関する多くの重要な情報が含まれています。

破壊の形態を観察・研究することで、原因、性質、態様、メカニズムなどを解析することができ、破壊時の応力状態や亀裂の拡大速度などの詳細を把握することができます。骨折は「シーン」のように、骨折発生の全プロセスを保持します。したがって、金属破壊問題の研究にとって、破壊の観察と解析は非常に重要なステップおよび手段です。走査型電子顕微鏡は被写界深度が深く分解能が高いという利点があり、破壊解析の分野で広く使用されています。

金属破壊解析における走査型電子顕微鏡の応用

金属破壊の破壊にはさまざまな形態があります。破壊前の変形の程度によって分類すると、脆性破壊、延性破壊、脆性延性混合破壊に分類されます。さまざまな破壊形態には特徴的な顕微鏡形態があり、これを SEM で特徴付けることができるため、研究者は破壊解析を迅速に実行できます。

延性破壊

延性破壊は、部材が大きく変形した後に発生する破壊であり、主に大きな巨塑性変形を特徴とします。巨視的形態はカップアンドコーン破壊または純粋せん断破壊であり、破面は繊維状で強固な巣からなる。図 1 に示すように、その破面は顕微鏡的に次のような特徴があります。破面は、通常は強靱窩と呼ばれる、多数の小さなワイングラスの形をした微多孔質のピットで構成されています。靱性窩とは、微小空隙により生成される微小領域の材料が塑性変形した後に破面に残り、核生成・成長・凝集を経て、最終的に相互結合して破壊に至る痕跡です。

図1 金属延性破壊破壊/10kV/インレンズ

脆性破壊

脆性破壊とは、大きな変形を伴わない部材の破壊です。破断時の材料の塑性変形が少ない。巨視的には結晶質であるが、微視的には結晶に沿った破壊、崩壊破壊、または準崩壊破壊を含む。図 2 に示すように、金属の脆性と延性の混合破壊が示されており、延性破壊領域では、独特の靱性巣状の特徴が観察されます。脆性破壊領域では、結晶沿い脆性破壊に属し、破壊経路が異なる方位を持った粒界に沿って発生する破壊を指します。顕微鏡的には、この破面は次のような特徴があります。破面は複数の粒子の多面体形態、明らかな粒子、および強い三次元感を示し、粒界はほとんど滑らかで特徴のない形態です。粒子が粗い場合、粉砕は粉砂糖のようなものであり、粉砂糖様粉砕とも呼ばれます。粒子が細かい場合、破壊は細かい粒状になります。

図2 金属の脆性・延性混合破壊破壊/10kV/ETD

疲労破壊

材料が交互の周期的な応力またはひずみにさらされると、材料の機械的特性の継続的な発展によって引き起こされる局所的な構造変化と内部欠陥が低下し、最終的には製品または材料の完全な破壊、つまり疲労破壊として知られるプロセスにつながります。図 3 の金属疲労破壊の破面に示すように、顕微鏡範囲の断面は通常、さまざまなサイズと高さの多数の小さな破断ブロックで構成されます。疲労ストライプ上の各小さな破断ブロックは連続的かつ平行で、わずかに波状に湾曲していますが、疲労ストライプ上の隣接する小さな破断ブロックは連続しておらず、平行ではありません。疲労縞は亀裂の伸長方向に対して垂直であり、亀裂の進行方向に対してわずかに凸状です。各ストライプは 1 つの負荷サイクルを表し、疲労ストライプの数はサイクル数と同じです。それらを数えて、最終的な破壊の前に亀裂の伸長サイクルが何回発生したかを判断するために使用できます。