顆粒内破壊

破壊力学において、粒内破壊は材料の結晶粒を貫通して発生する破壊の一種です。粒界に沿って破壊が発生する粒間破壊とは対照的に、このタイプの破壊は材料の微細構造を個々の結晶粒を通して直接貫通します。このタイプの破壊は通常、高応力と、空隙や介在物などの材料欠陥の組み合わせによって発生し、結晶粒を通して亀裂が伝播する経路を作り出します。金属、セラミックス、ポリマーなど、幅広い延性または脆性材料で粒内破壊が発生する可能性があります。走査型電子顕微鏡で観察すると、このタイプの破壊は劈開ステップ、リバーパターン、フェザーマーキング、ディンプル、舌状部を示します。^{[ 1 ]}破壊は、新しい結晶粒に入るときにその結晶粒の新しい格子方向を追うために方向を多少変えることがありますが、これは粒界を追うために必要な方向の変化よりも小さいものです。その結果、粒界に沿ったものよりも鋭利なエッジが少なく、かなり滑らかな外観の破断面となる。^{[ 2 ]}これは、木目が見える一枚の木材から切り出されたジグソーパズルとして視覚化できる。粒内破断は、パズルのピースのジグソーの縁ではなく、木材の粒に沿って進む。これは、この例えでは、木目ではなくジグソーの縁に沿って進む粒間破断とは対照的である。

粒内破壊のメカニズムは、破壊が発生する材料や周囲の条件によって異なる場合がある。^{[ 3 ]}しかし、粒内破壊プロセスには通常、いくつかの一般的なステップが含まれる。

• 亀裂発生：粒内破壊の最初のステップは、材料内部での亀裂の発生です。これは、製造上の欠陥、表面欠陥、高応力状態への曝露など、さまざまな要因によって引き起こされる可能性があります。
• 亀裂の伝播：亀裂が発生すると、応力集中やその他の要因により、材料全体に広がる可能性があります。
• 塑性変形：亀裂が進展するにつれて、亀裂近傍の材料は局所的な応力集中により著しい塑性変形を起こします。この変形によって材料内部に小さな空隙や欠陥が生じ、亀裂の進展をさらに促進する可能性があります。
• 空隙の合体：亀裂が進展するにつれて、これらの小さな空隙が成長して合体し、材料内部に大きな空隙や空洞を形成することがあります。これらの空隙は材料をさらに弱体化させ、亀裂の進展を促進する可能性があります。
• 最終破断：最終的には、亀裂の伝播、塑性変形、および空隙の合体といった複合的な影響により、材料が最終的に破断し、粒内破壊が生じる。

延性のある金属では、材料の塑性変形が粒内破壊過程における重要な要素となる一方、セラミックスなどの脆性材料では、亀裂の形成と成長は、結晶粒径、多孔性、不純物やその他の欠陥の存在といった要因によって影響を受ける可能性がある。

• 温度：材料に負荷がかかる温度も、粒内破壊の発生と特性に影響を与える可能性があります。一部の材料では、脆化の増加または延性の低下により、低温で粒内破壊の発生が増加する場合があります。^{[ 4 ]}
• 欠陥または介在物の存在：前述のように、材料内部に空隙や介在物が存在すると、局所的な応力集中領域が発生し、材料が弱くなり、粒内破壊を起こしやすくなります。これらの欠陥の大きさ、形状、および方向はすべて、破壊の可能性と深刻度に影響を与える可能性があります。^{[ 5 ]}
• 環境要因：特定のガス、液体、またはその他の環境要因の存在も、粒内破壊の可能性に影響を与える可能性があります。たとえば、水素脆化は、材料を微視的なレベルで弱めることで、一部の材料で粒内破壊を引き起こす可能性があります。^{[ 6 ]}
• 表面状態：傷、亀裂、その他の欠陥の存在を含む材料の表面状態も、粒内破壊の発生と経路に影響を与える可能性があります。^{[ 7 ]}
• 荷重条件：高応力集中、急速な荷重速度、および繰り返し荷重はすべて、粒内破壊の可能性を高める可能性があります。印加応力の方向も、亀裂伝播の方向と経路に影響を与える可能性があります。^{[ 8 ]}

析出物を利用した粒界設計を用いることで、材料の破壊挙動を大きく変化させることができる。例えば、Meindlhumerら^{[ 9 ]}は、析出物を利用した粒界設計により、粒界内に特定の析出物が分布したAlCrN薄膜を作製した。析出物は亀裂伝播の障壁として働き、粒界割れに対する材料の耐性を高めた。さらに、析出物は材料内部の応力分布を変化させ、粒内割れ伝播を促進した。また、より均一に分布した小さな析出物の方が、粒内破壊を促進する効果が高いことが示されている。