超塑性変形中のキャビティの核形成・成長過程の原子レベル観測

超塑性材料をマクロな破壊に導くキャビティも、その発生は原子スケールの極微小なボイドから始まっていると考えられる。本研究では、ナノレベル以下のボイドに極めて敏感な陽電子消滅寿命スペクトロスコピーを用いて、超塑性変形中のキャビティの核形成および初期成長過程を直接観測し、キャビテーション機構を原子論的見地から検討した。研究試料としては、市販の5083アルミニウム合金を用いた。超塑性が発現する条件で変形し、変形初期から破断に至るまでの適当な変形量で試験を中断した試験片を作成した。各試験片について現有の高分解能陽電子寿命スペクトロメータを用いて陽電子寿命測定を行い、キャビティの核形成・成長過程を原子レベルで観測した。その結果、超塑性変形量の増加と共に、陽電子の平均寿命は単調に増加する事が見い出され、陽電子寿命スペクトルの多成分解析の結果、陽電子寿命の上昇は、空孔集合体の生成によることが明かとなった。しかし驚くべきことに、個々の欠陥に含まれる自由体積は高々単一空孔2-3個分程度であり、従来から顕微鏡観察で観測されてきたような大きなキャビティに対応する成分は観測されなかった。この結果は、超塑性材料の大部分の粒界は超塑性変形後も健全であり、材料を破断に導く巨視的なキャビテーションは、材料の極く一部の特殊な部分で形成されることを明瞭に示している。すなわち、今後この核形成サイトを抑制すれば、超塑性限界と製品の信頼性を飛躍的に高める事が可能であることを示した。

超塑性材料をマクロな破壊に導くキャビティも、その発生は原子スケールの極微小なボイドから始まっていると考えられる。本研究では、ナノレベル以下のボイドに極めて敏感な陽電子消滅寿命スペクトロスコピーを用いて、超塑性変形中のキャビティの核形成および初期成長過程を直接観測し、キャビテーション機構を原子論的見地から検討した。研究試料としては、市販の5083アルミニウム合金を用いた。超塑性が発現する条件で変形し、変形初期から破断に至るまでの適当な変形量で試験を中断した試験片を作成した。各試験片について現有の高分解能陽電子寿命スペクトロメータを用いて陽電子寿命測定を行い、キャビティの核形成・成長過程を原子レベルで観測した。その結果、超塑性変形量の増加と共に、陽電子の平均寿命は単調に増加する事が見い出され、陽電子寿命スペクトルの多成分解析の結果、陽電子寿命の上昇は、空孔集合体の生成によることが明かとなった。しかし驚くべきことに、個々の欠陥に含まれる自由体積は高々単一空孔2-3個分程度であり、従来から顕微鏡観察で観測されてきたような大きなキャビティに対応する成分は観測されなかった。この結果は、超塑性材料の大部分の粒界は超塑性変形後も健全であり、材料を破断に導く巨視的なキャビテーションは、材料の極く一部の特殊な部分で形成されることを明瞭に示している。すなわち、今後この核形成サイトを抑制すれば、超塑性限界と製品の信頼性を飛躍的に高める事が可能であることを示した。