金属疲労はせん断力が支配的―寿命予測の高度化も：物質･材料研究機構
(2022年10月28日発表)
（国）物質・材料研究機構は10月28日、金属疲労によって亀裂が広がっていく仕組みを解明したと発表した。初期の亀裂発生と後期の成長メカニズムについては50年以上前に解明されていたが、今回初めて中間過程で滑らせる「せん断力」が初期にできた亀裂を成長させていることを突き止めた。航空機エンジンなどの機械の重大な破損事故につながる金属疲労の状態管理や正確な寿命予測に役立つ。
金属疲労による破断の中間過程は、材料寿命に最も大きな影響を与えるものながらその仕組みは未解明だった。そこで研究チームは金属疲労による破断の中間過程に注目、初期にできたミクロな亀裂がどのように成長するかを詳しく調べた。
研究ではまず、電子顕微鏡をベースにした三次元組織解析手法を高度化、従来より100倍も大きな体積の金属組織を高解像度で解析できるようにした。この方法を航空機エンジン用耐熱合金の疲労亀裂に適用することにより、世界で初めて大きさ0.2㎜（200㎛）程度の疲労亀裂を高解像度で三次元解析できるようにした。
実験では、金属疲労の初期にできた亀裂がどのように成長していくのか、金属の結晶構造との関係を詳しく解析した。その結果、金属疲労の中間段階では初期にできた亀裂を横ずれさせるせん断力が主に働いて亀裂を成長させていることがわかった。
従来、せん断力による亀裂の成長は金属疲労の初期にのみ起きると考えられ、金属疲労の中間過程では引っ張り力が亀裂成長の駆動力とされていたが、今回初めてせん断力がその役割を担っており、疲労過程の大部分で支配的であることが初めてわかった。
今回の成果について、無機材研は「機械の信頼性を保証する寿命予測のコンセプトの高度化につながる」として、今後は高精度の疲労寿命予測手法を構築し、国産合金の信頼性向上と実用化促進に役立てたいと話している。
