赤外線光弾性法を用いたシリコン結晶中のクラック先端局部応力場の可視化

材料の脆性破壊の防止に役立つ知見を得るため,材料中の破壊の起点となる微小亀裂(クラック)の伝搬による破壊機構を明らかにする目的で,クラックと他の構造欠陥(転位,他のクラックおよび結晶粒界)との応力場相互作用の検討を行った.現在,欠陥構造の解析の容易さからモデル材料に酸化マグネシウムと塩化ナトリウムを使用しているが,鉄系合金や半導体材料など他の実用材料への拡張を検討しており,シリコン材料の弾性応力場の可視化に必要な赤外線光弾性装置を構築中である.以下これまでに得られた研究成果をを列記する.クラックと転位の相互作用については,まず,透過電子顕微鏡によるクラック先端近傍の転位の直接観察によって転位の種類および符号の判定を行い,それらの転位の生成過程がクラックの破壊モードの種類に関係していることを示すことができた.また,計算機シミュレーションによる応力場の3次元解析によって,その破壊モードでのクラック進展の原因となる応力集中が転位によって緩和されていることを明らかにした.次に,クラック間の相互作用については,可視光線による光弾性実験と体積力法による応力場の数値解析から,クラック先端の応力場が他方のクラックの応力拡大係数に影響を与えるという現象を見いだし,その程度はクラックの大きさおよび二つのクラックの位置関係に依存することを示すことができた.現在,その明確な定式化に向けて詳細を検討中である.さらに,クラックの伝搬に対する結晶粒界の効果を,光弾性法を用いて可視化したクラックの周りの弾性応力場と腐食法による転位密度の評価によって検討し,クラックから生成される転位結晶粒界に堆積してback stressを生じることによりクラックの進展を妨げる効果が生じることを見いだした.

材料の脆性破壊の防止に役立つ知見を得るため,材料中の破壊の起点となる微小亀裂(クラック)の伝搬による破壊機構を明らかにする目的で,クラックと他の構造欠陥(転位,他のクラックおよび結晶粒界)との応力場相互作用の検討を行った.現在,欠陥構造の解析の容易さからモデル材料に酸化マグネシウムと塩化ナトリウムを使用しているが,鉄系合金や半導体材料など他の実用材料への拡張を検討しており,シリコン材料の弾性応力場の可視化に必要な赤外線光弾性装置を構築中である.以下これまでに得られた研究成果をを列記する.クラックと転位の相互作用については,まず,透過電子顕微鏡によるクラック先端近傍の転位の直接観察によって転位の種類および符号の判定を行い,それらの転位の生成過程がクラックの破壊モードの種類に関係していることを示すことができた.また,計算機シミュレーションによる応力場の3次元解析によって,その破壊モードでのクラック進展の原因となる応力集中が転位によって緩和されていることを明らかにした.次に,クラック間の相互作用については,可視光線による光弾性実験と体積力法による応力場の数値解析から,クラック先端の応力場が他方のクラックの応力拡大係数に影響を与えるという現象を見いだし,その程度はクラックの大きさおよび二つのクラックの位置関係に依存することを示すことができた.現在,その明確な定式化に向けて詳細を検討中である.さらに,クラックの伝搬に対する結晶粒界の効果を,光弾性法を用いて可視化したクラックの周りの弾性応力場と腐食法による転位密度の評価によって検討し,クラックから生成される転位結晶粒界に堆積してback stressを生じることによりクラックの進展を妨げる効果が生じることを見いだした.