金属の破壊モードと破面分析の概要

Ⅰ はじめに

金属材料は、さまざまな用途において、破損、腐食、摩耗、変形などの故障シナリオに直面することがよくあります。これらのうち、破損は最も危険な故障タイプの 1 つと考えられており、常に広く注目されています。金属が応力を受けて (熱や腐食性媒体の影響も受ける場合があります) 2 つ以上の破片に分裂すると、完全破損と呼ばれます。金属内に亀裂がある場合は、不完全破損と呼ばれます。

Ⅱ 金属の破壊の種類

1. 破壊前の塑性変形の程度による分類

サンドブラストは、圧縮空気を動力として、研磨材（銅鉱石、石英砂、コランダム、砂鉄、海南砂など）をワークピースの表面に高速で吹き付けます。研磨材の衝撃と切削作用により、ワークピースの表面が変化し、一定レベルの清浄度と異なる粗さを実現します。

延性破壊

延性破壊または塑性破壊とも呼ばれます。

破面特性:マクロ的に見ると、延性破壊の破壊面には、著しい塑性変形、破壊サイズの変化、繊維状およびせん断縁領域の存在、および鈍い色が見られます。ミクロ的に見ると、ディンプル パターン、繊維状構造、放射状およびヘリンボーン状の隆起パターンが見られます。

決定：一般的に、滑らかな引張試験片の面積減少が 5% を超える場合、延性破壊とみなされると定義されています。

▲ 延性破壊のマクロ的表面

▲ 延性破壊の顕微鏡的表面

脆性破壊

破壊特性:脆性破壊の特徴は、マクロレベルとミクロレベルの両方で、顕著な塑性変形が見られず、表面が比較的滑らかで光沢のあることです。これらの特徴は、破壊時に材料が十分な塑性変形を受けないため、亀裂が急速に広がり、きれいで滑らかな破壊面が形成されるために生じます。ミクロレベルでは、劈開段、リバーパターン、およびタングパターンによって、脆性破壊の破壊メカニズムと亀裂伝播経路がさらに明らかになります。

危険：通常、事前の兆候はなく、突然発生し、深刻な結果につながることがよくあります。

決定：滑らかな引張試験片における断面積の減少が 5% 未満の場合、均一な塑性変形が最小限に抑えられていることを示し、脆性破壊と考えられます。

▲ 脆性破壊マクロ表面

▲ 脆性破壊マクロ表面

2. 亀裂伝播経路による分類

粒界破壊

特徴:亀裂は粒子の内部を伝播します。

自然：延性または脆性のいずれかになります。

▲ 粒界破壊模式図

▲ 粒界破壊顕微鏡写真

粒界破壊

特徴:亀裂は粒界に沿って伝播します。

自然：ほとんどが脆性骨折です。

▲ 粒界破壊模式図

▲ 粒界破壊顕微鏡写真

3. 応力の種類と応力に対する破面方向の相対位置による分類

引張破壊

破面の方向は最大法線応力に対して垂直です。

自然：ほとんどは脆性破壊ですが、著しい塑性変形も見られることがあります。

せん断破壊

破面の方向は最大せん断応力の方向と一致し、最大法線応力と 45 度の角度を形成します。

自然：延性破壊。

 

4. 負荷の性質と応力原因による分類

疲労骨折

意味：交互荷重を受ける材料に発生する破壊。

機構：交互のストレスと時間の複合効果の結果。

▲ 引張と圧縮の複合荷重による疲労破壊

環境破壊

意味：環境要因によって引き起こされる材料の低応力破壊。

分類：主に応力腐食割れと水素脆化が含まれます。

▲ 腐食破壊

II. 金属破面分析法

金属破面を解析する 3 段階法は、破面を観察し評価することで、材料の破面の原因、メカニズム、特性を理解することを目的とした体系的なプロセスです。

ステップ1: マクロ観察

目的：肉眼、拡大鏡、または低倍率の光学顕微鏡を使用して初期観察を実行し、破面に関するマクロ的な情報を収集します。

コンテンツ

概要観察:最初に、肉眼と低倍率レンズを使用して、破面のさまざまな領域の全体的な外観と相互関係を観察します。

破壊性質の分析:延性破壊、脆性破壊など、破壊の性質を予備的に判断します。

亀裂発生源の判定:亀裂の発生源の位置と亀裂の伝播方向を分析します。

冶金および熱処理品質の評価:マクロ観察により冶金品質と熱処理品質を予備的に評価します。

録音:後続の分析のために、マクロ観察の結果を写真に撮り、記録します。

ステップ2：顕微鏡観察

目的：高倍率顕微鏡（金属顕微鏡、走査型電子顕微鏡など）を使用してより詳細な観察を行い、破面の微細情報を取得します。

コンテンツ

破面の直接観察：金属顕微鏡や走査型電子顕微鏡を使用して、破面の微視的形態特性を観察します。

破壊プロファイルの観察:微細構造、亀裂伝播経路、破壊メカニズムをさらに理解します。

マクロ情報の検証:顕微鏡観察を使用して、肉眼観察中に収集された情報をさらに検証します。

骨折の性質の判定:顕微鏡観察結果に基づいて、亀裂の性質、伝播速度、発生場所をより正確に判断します。

骨折原因の特定:総合的な分析を通じて、骨折の原因とメカニズムを特定します。

ステップ3: 定量分析

目的：定量的な試験と分析を通じて破断面のより詳細な研究を実施し、より正確な性能データを取得します。

コンテンツ

化学組成分析:主要元素、不純物、非金属介在物の含有量を含む破壊材料の化学組成を分析します。

機械的特性試験:破壊材料に対して引張、衝撃、硬度などの機械的特性試験を実施し、その強度、靭性、硬度を評価します。

骨折形態分析:走査型電子顕微鏡 (SEM) などの機器を使用して、亀裂の長さ、幅、深さなどの破壊形態を定量的に分析します。

破壊メカニズムの評価:定量的な試験結果に基づいて、延性破壊、脆性破壊などの破壊メカニズムを評価します。

総合評価:マクロ観察、ミクロ観察、定量分析の結果を組み合わせて、材料の性能を総合的に評価します。

金属破面分析の 3 段階法を通じて、金属材料の破面の原因、メカニズム、特性を包括的かつ詳細に理解することができ、材料の設計、製造、使用に重要な参考資料となります。