Investigation of the dominant mechanics of fatigue crack propagation in freestanding metallic nano-films considering cyclic plasticity

• Project/Area Number: 16H06061
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Materials/Mechanics of materials
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: Kondo Toshiyuki 大阪大学, 工学研究科, 助教 (70735042)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥26,390,000 (Direct Cost: ¥20,300,000、Indirect Cost: ¥6,090,000); Fiscal Year 2018: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2017: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2016: ¥23,530,000 (Direct Cost: ¥18,100,000、Indirect Cost: ¥5,430,000)
• Keywords: 材料強度学 / ナノ材料 / 薄膜 / 疲労 / 破壊 / 塑性/繰返し塑性 / 塑性・繰返し塑性 / 繰返し塑性

Outline of Final Research Achievements

To investigate the dominant mechanics of fatigue crack propagation in submicrometer-thick freestanding metallic nano-films, a tensile/cyclic tensile testing system for small nano-film specimen and a method for evaluating cyclic deformation field around a fatigue crack on the basis of in situ field emission scanning electron microscope observations were developed. The quantitative evaluations of the elasto-plastic properties of the nano-films in a large stress-strain range and the strain field around a fatigue crack were achieved in submicrometer-thick copper films. These methods are able to clarify the dominant mechanics of fatigue crack propagation.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

マイクロ・ナノ材料の変形・破壊の支配力学は未解明であり，これはき裂先端などの破壊進行領域近傍の力学状態の詳細な解明が困難なことに因る。本研究で得た知見や確立した技術は，マイクロ・ナノ材料の機械的特性の高精度な評価や破壊箇所近傍の力学状態の解明を実現し，マイクロ・ナノ材料における破壊の支配力学を解明するための基盤となるものである。特に，マイクロ・ナノデバイスの長期信頼性を確保するうえで重要である疲労破壊の解明に大きく貢献するものであり，学術的・社会的意義が大きいものである。

Research Products

• [Journal Article] Vacuum effects on fatigue crack growth in submicrometre-thick freestanding copper films (2019)
  • Author(s): Toshiyuki Kondo, Akihiro Shin, Masaya Akasaka, Hiroyuki Hirakata and Kohji Minoshima
  • Journal Title: Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures Volume: 42 Issue: 5 Pages: 1118-1129
  • DOI: 10.1111/ffe.12976
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fracture toughness of freestanding copper films with a thickness of 39 nm (2018)
  • Author(s): Toshiyuki Kondo, Kazuki Hiramine, Hiroyuki Hirakata and Kohji Minoshima
  • Journal Title: Engineering Fracture Mechanics Volume: 200 Pages: 521-531
  • DOI: 10.1016/j.engfracmech.2018.08.019
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of <i>In Situ</i> FESEM Fatigue/Creep Experimental Technique for Freestanding Metallic Nano-Films (2016)
  • Author(s): 近藤俊之, 秦彰宏, 平方寛之, 﨑原雅之, 箕島弘二
  • Journal Title: Journal of the Society of Materials Science, Japan Volume: 65 Issue: 12 Pages: 869-876
  • DOI: 10.2472/jsms.65.869
  • NAID: 130005251201
  • ISSN: 0514-5163, 1880-7488
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Fatigue crack propagation properties of submicron-thick freestanding copper films in vacuum environment (2016)
  • Author(s): Toshiyuki KONDO, Akihiro SHIN, Hiroyuki HIRAKATA, Kohji MINOSHIMA
  • Journal Title: Procedia Structural Integrity Volume: 2 Pages: 1359-1366
  • DOI: 10.1016/j.prostr.2016.06.173
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 単結晶銅薄膜微小試験片を用いた引張・疲労特性評価 (2019)
  • Author(s): 森國友章, 近藤俊之, 箕島弘二
  • Organizer: 日本機械学会関西支部 第94期定時総会講演会
• [Presentation] サブミクロン銅薄膜の破壊じん性に及ぼす表面酸化被膜の影響 (2019)
  • Author(s): 三木大輝, 近藤俊之, 平方寛之, 箕島弘二
  • Organizer: 日本機械学会関西支部 第94期定時総会講演会
• [Presentation] サブミクロン単結晶金薄膜のクリープ特性 (2019)
  • Author(s): 高山篤史, 近藤俊之, 平方寛之, 箕島弘二
  • Organizer: 日本機械学会関西支部 第94期定時総会講演会
• [Presentation] サブミクロン銅薄膜の疲労き裂開閉口挙動に及ぼす真空環境効果 (2018)
  • Author(s): 近藤俊之, 赤坂昌哉, 平方寛之, 箕島弘二
  • Organizer: 日本材料学会 第67期学術講演会
• [Presentation] 表面酸化層を制御したサブミクロン銅薄膜の破壊じん性 (2018)
  • Author(s): 三木大輝, 近藤俊之, 平方寛之，箕島弘二
  • Organizer: 日本材料学会 第67期学術講演会
• [Presentation] マイクロ引張試験片を用いたサブミクロン銅薄膜の機械的特性評価 (2018)
  • Author(s): 森國友章, 近藤俊之, 箕島弘二
  • Organizer: 日本機械学会 2018年度年次大会
• [Presentation] Fracture Toughness of 39-nm-Thick Freestanding Copper Films (2018)
  • Author(s): Toshiyuki Kondo, Kazuki Hiramine, Hiroyuki Hirakata and Kohji Minoshima
  • Organizer: Asia-Pacific Conference on Fracture and Strength (APCFS2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] サブミクロン単結晶金薄膜のクリープ特性評価法の開発 (2018)
  • Author(s): 高山篤史, 近藤俊之, 平方寛之, 箕島弘二
  • Organizer: 日本材料学会関西支部 第13回若手シンポジウム
• [Presentation] サブミクロン単結晶銅薄膜の引張・疲労特性評価法の開発 (2018)
  • Author(s): 森國友章, 近藤俊之, 箕島弘二
  • Organizer: 日本材料学会関西支部 第13回若手シンポジウム
• [Presentation] 金属ナノ薄膜の疲労 (2018)
  • Author(s): 近藤 俊之
  • Organizer: 日本機械学会 M&M2018材料力学カンファレンス
  • Invited
• [Presentation] 表面酸化層制御銅ナノ薄膜のその場FESEM観察破壊じん性試験 (2018)
  • Author(s): 近藤 俊之, 三木 大輝, 平方 寛之, 箕島 弘二
  • Organizer: 日本機械学会 M&M2018材料力学カンファレンス
• [Presentation] 切欠きを有するナノワイヤの強度試験法の開発 (2018)
  • Author(s): 原田 雄斗, 近藤 俊之, 箕島 弘二
  • Organizer: 日本機械学会 M&M2018材料力学カンファレンス
• [Presentation] 表面酸化層制御銅ナノ薄膜の疲労き裂進展特性 (2018)
  • Author(s): 伊達 虹貴, 近藤 俊之, 平方 寛之, 箕島 弘二
  • Organizer: 日本機械学会 M&M2018材料力学カンファレンス
• [Presentation] サブミクロン銅薄膜の疲労き裂進展特性に及ぼす新生面酸化/表面酸化層の影響 (2018)
  • Author(s): 赤坂昌哉, 近藤俊之, 平方寛之, 箕島弘二
  • Organizer: 日本機械学会 関西支部 第93期定時総会講演会
• [Presentation] サブミクロン銅薄膜の疲労き裂進展の下限界特性に及ぼす酸化の影響 (2017)
  • Author(s): 赤坂昌哉, 近藤俊之, 平方寛之, 箕島弘二
  • Organizer: 日本材料学会 第66期学術講演会
• [Presentation] Effects of vacuum on fatigue crack propagation in freestanding copper submicron films (2017)
  • Author(s): Toshiyuki Kondo, Masaya Akasaka, Hiroyuki Hirakata, and Kohji Minoshima
  • Organizer: 14th International Conference on Fracture (ICF14)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] サブミクロン銅薄膜の疲労き裂進展に及ぼす表面酸化層の影響 (2017)
  • Author(s): 近藤俊之, 秦彰宏, 平方寛之, 箕島弘二
  • Organizer: 日本機械学会 M&M2017 材料力学カンファレンス
• [Presentation] 10 nmオーダー厚自立銅薄膜のその場FESEM観察破壊じん性試験 (2017)
  • Author(s): 近藤俊之, 平峰一樹, 平方寛之, 箕島弘二
  • Organizer: 日本材料学会 高温強度・破壊力学合同シンポジウム
• [Presentation] 銅ナノ薄膜の疲労き裂進展特性に及ぼす表面酸化層の影響 (2016)
  • Author(s): 近藤俊之, 秦彰宏, 赤坂昌哉, 平方寛之, 箕島弘二
  • Organizer: 日本機械学会 M&M2016 材料力学カンファレンス
  • Place of Presentation: 神戸大学，神戸市
  • Year and Date: 2016-10-08
• [Presentation] Fatigue crack propagation properties of submicron-thick freestanding copper films in vacuum environment (2016)
  • Author(s): Toshiyuki Kondo, Akihiro Shin, Hiroyuki Hirakata and Kohji Minoshima
  • Organizer: 21st European Conference on Fracture (ECF21)
  • Place of Presentation: The Sheraton Catania Hotel & Conference Center, Catania, Italy
  • Year and Date: 2016-06-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 銅ナノ薄膜の疲労き裂進展の下限界特性に及ぼす真空環境効果 (2016)
  • Author(s): 近藤俊之, 秦彰宏, 平方寛之, 箕島弘二
  • Organizer: 日本材料学会 第65期学術講演会
  • Place of Presentation: 富山大学，富山市
  • Year and Date: 2016-05-27
• [Remarks] 大阪大学大学院工学研究科
  • URL: http://www-micro.mech.eng.osaka-u.ac.jp/home.html