2021 Fiscal Year Annual Research Report
変形・破壊素過程ナノ観察に基づく微小金属材料の破壊強度発現機構の解明
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21H01211
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
近藤 俊之 大阪大学, 工学研究科, 講師 (70735042)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 材料強度学 / ナノ材料 / 薄膜 / 塑性変形 / 破壊 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
寸法が数μmからサブμmオーダーとなる微小金属材料の強度は寸法に依存するが，その強度発現機構は未解明である．これを解明するためには，巨視的な変形・破壊の機構・強度と，材料内部の損傷の初生・発達過程を含めた微視的なスケールにおける変形・破壊過程との対応関係を解明する必要がある．本研究では金属薄膜を対象として，材料表面と材料内部のその場ナノ観察力学試験技術を確立して変形・破壊の巨視的・微視的過程の解明を実現して，破壊機構と強度の寸法効果・微視組織効果の発現機構を検討する．本年度は以下の課題に取り組んだ．
(1) 微小試験片用その場ナノ観察力学試験装置の設計・開発と試験技術検証: 厚さが100 nm～500 nmの自立金属薄膜における変形・破壊過程を詳細に観察しながら精密な引張試験を実現するために，電界放射走査型電子顕微鏡（FESEM）による材料表面（二次電子像）と材料内部（透過電子像）観察下で，面内寸法がμmオーダーの微小試験片に対するその場観察力学試験が可能な装置の設計・開発を完了した．本装置はピエゾステージによるnmオーダーの並進・回転移動が可能なステージ，単調および繰返し負荷が可能な積層型ピエゾアクチュエータ，μN～nNオーダーの荷重測定が可能な荷重センサーから構成されている．その後，本装置を用いた力学試験のための微小試験片の作製，ハンドリングおよびチャッキングに関する技術的検証を行った．
(2) 大面積薄膜試験片の破壊じん性評価: 厚さが100 nmで面内寸法がmmオーダーの自立金属薄膜試験片に対するその場FESEM観察破壊じん性試験を実施した．現有の力学試験装置を用いて切欠き先端におけるき裂発生・進展特性を評価するとともに，変形・破壊過程のその場二次電子像および透過電子像観察を行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本年度の研究計画では，微小試験片用その場ナノ観察力学試験装置の設計・開発および力学試験技術の確立，引張試験による弾塑性特性評価，大面積自立薄膜に対する破壊じん性試験の実施を予定していた．このうち，力学試験装置の設計・開発について，本課題開始前に想定していた部品の手配が不可能となったため，代替となる部品の選定とこれに対応する力学試験装置として再設計を実施したことで装置の開発完了が当初計画に比べて遅延した．このため，微小試験片引張試験技術の確立と引張試験による弾塑性特性評価は当初計画に比べて遅延しており，さらなる検討を要する状況である．
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) 微小試験片を対象とするその場FESEM観察力学試験技術の確立に向けて，微小試験片の作製，ハンドリング，アライメント，試験装置への固定プロセスの追加検討を行う．その後，膜厚が異なる銅薄膜を対象とする引張試験を実施し，薄膜の弾塑性特性と微視的な変形過程を検討する．
(2) 引き続き，大面積薄膜試験片の破壊じん性試験を遂行する．厚さが100 nm～500 nmの銅薄膜におけるき裂発生・進展機構と強度特性に及ぼす膜厚・微視組織依存性を明らかにする．加えて，疲労き裂進展試験を実施し，疲労損傷の形成・発達過程に及ぼす膜厚・微視組織依存性の検討を行う．
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