発泡材料の破壊と損傷

 鋳造法で作られるポーラス金属は、セル壁と呼ばれる金属薄膜で囲まれたクローズドセル構造をしている。これまで、ポーラス金属の力学的性質の評価は、数mmオーダーのセル構造を対象としていた(解説論文1)。しかし、生産技術開発が進んだ今、セル構造はかなり微細均一化している。そのため、慣用金属材料でそうであるように、セル壁を構成する薄膜の金属組織、特にその不均一な空間的分布が鍵となるというのが我々の視点である(解説論文2,3)。図1に、セル壁破壊のその場観察の様子を示す(論文1)。純アルミニウム基のポーラス金属では、セル壁が内部のミクロ構造に鈍感な延性的座屈・曲げを呈するのに対し、合金基のものは、き裂が粗大なポアなどの欠陥を縫う様にして走る脆性的な破壊となる。  

図1 ポーラスアルミニウムセル壁の変形・破壊挙動。純アルミニウム材は延性的な座屈が見られるのに対し,合金化したものは比較的大きなミクロポアから微小き裂が発生し,これが合体・伝播する

 

図2 セル壁中の歪み3D計測結果。内部ミクロポアをひずみ計測マーカーとして用い追跡することで計測したもの。セル壁の透過像と重ね,内部の粗大なポア(白線)との位置関係を示している

 
 図2は、セル壁中のミクロポアを歪み計測用のマーカーとして用い、ポーラス金属の圧壊中にマーカー点を追跡することでセル壁内部の歪みを3Dマッピングした例である(論文1)。粗大なミクロポアの周囲に歪みが局在化しており、これらが破壊の起点になることを明示している。実際、圧縮試験を繰り返し20万個のミクロポア(平均直径3.6μm)の挙動を3D観察した結果、微小き裂を発生するのはその内わずか81個のミクロポアに過ぎず、その平均直径は70.6μmにもなることが確かめられている。

   また、図3に示すイメージベース数値解析結果が示す様に、比較的小さなミクロポアでも配列している場合には大きな効果を有する(論文2)。図3では、配列したミクロポアに歪みが局在化するだけではなく、少し離れた粗大なポアの周囲の歪み集中を促進する効果も認められる。また、動的変形下ではより広い領域が高い応力にさらされるため、損傷・破壊挙動も静的負荷下とは大きく異なることも報告している。

  

図3 イメージベース数値解析によるポーラスアルミニウム中の相当塑性歪み分布の計算結果。A部のミクロポアの配列により,A部だけでなく少し離れたB〜Dでもひずみ分布の変化が見られる

  
 このように、組成的、形態的に複雑な実用ポーラス金属のミクロ組織とその力学的挙動との関係を、時にはその局所的な化学組成などをも検討しながら3Dで調べることで(論文3)、有害なものは少量であっても除去し、無害なものは多く存在していても許容するといった効率的なプロセス制御が可能となる。

関連解説論文

  1. 共著,多孔質金属の力学的特性と破壊挙動,多孔体の精密制御と機能・物性評価,第2章36節,2008,284-291
  2. 戸田裕之,小林正和,鈴木芳生,竹内晃久,上杉健太朗, 3D・4Dマテリアルサイエンス:その現状と展望,非破壊検査,Vol.58,No.10,2009,433-438
  3. 戸田裕之、小林正和,X 線マイクロトモグラフィーによるポーラス金属の破壊挙動解析,まてりあ,Vol.47,No.4,2008,191-195

投稿論文

  1. H. Toda, T. Ohgaki, K. Uesugi, M. Kobayashi, N. Kuroda, T. Kobayashi, M. Niinomi, T. Akahori, K. Makii and Y. Aruga, Quantitative assessment of microstructure and its effects on compression behaviour of aluminium foams via high-resolution synchrotron X-ray tomography, Metallurgical and Materials Transactions. A, Vol. 37A, No.4, 2006, 1211-1220
  2. H. Toda, M. Takata, T. Ohgaki, M. Kobayashi, T. Kobayashi, K. Uesugi, K. Makii and Y. Arug, 3-D image-based mechanical simulation of aluminium foams: effects of internal microstructure, Advanced Engineering Materials, Vol.8, No.6, 2006, 459-467
  3. Q. Zhang, H. Toda, Y. Takami, Y. Suzuki, K. Uesugi, M. Kobayashi Assessment of 3D inhomogeneous microstructure of highly alloyed aluminium foam via dual energy K-edge subtraction imaging, Philosophical Magazine, Vol.90, No.14, 2010, 1853-1871