特許 6904890 破壊原因の推定方法および推定システム、並びに応力レベルの推定方法および推定システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6904890

(24)【登録日】2021年6月28日

(45)【発行日】2021年7月21日

(54)【発明の名称】破壊原因の推定方法および推定システム、並びに応力レベルの推定方法および推定システム

(51)【国際特許分類】

   G01N 23/20058 20180101AFI20210708BHJP

   G01N 23/207 20180101ALI20210708BHJP

【ＦＩ】

   G01N23/20058

   G01N23/207

【請求項の数】9

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2017-225594(P2017-225594)

(22)【出願日】2017年11月24日

(65)【公開番号】特開2019-95324(P2019-95324A)

(43)【公開日】2019年6月20日

【審査請求日】2020年8月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000785

【氏名又は名称】誠真ＩＰ特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】松本 俊作

(72)【発明者】

【氏名】中馬 康晴

(72)【発明者】

【氏名】馬場 義貴

(72)【発明者】

【氏名】池村 大成

【審査官】 小野寺 麻美子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０６４６２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１０６４８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−００２６１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０５７２４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０７３１２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０２５３６９１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２３／００ − Ｇ０１Ｎ ２３／２２７６

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０／ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

Ｓｃｏｐｕｓ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属材料の破壊原因の推定方法であって、
前記金属材料の少なくとも破面の一部を含む一計測視野範囲を計測し、前記一計測視野範囲に含まれる複数の計測点における結晶方位を取得するステップと、
取得した前記結晶方位に基づいて前記複数の計測点における結晶方位差を取得する結晶方位差取得ステップと、
前記破面からの深さが所定以下である破面近傍位置における前記結晶方位差である第１結晶方位差と、前記破面近傍位置よりも前記破面からの深さが大きい破面遠方位置における前記結晶方位差である第２結晶方位差と、の差分である第１差分を取得する第１差分取得ステップと、
前記第１差分に基づいて前記金属材料の破壊原因が疲労破壊であるか否かを推定する第１推定ステップと、を備える
金属材料の破壊原因の推定方法。

【請求項2】

前記第１推定ステップでは、前記第１差分が所定値以上の場合には前記金属材料の破壊原因が疲労破壊であると推定し、前記第１差分が所定値に満たない場合には前記金属材料の破壊原因が疲労破壊ではないと推定する
請求項１に記載の金属材料の破壊原因の推定方法。

【請求項3】

前記金属材料の破壊原因の推定方法は、
前記結晶方位を取得するステップの後、且つ、前記結晶方位差取得ステップの前に、前記破面の線形回帰直線の傾きが所定角度以上の場合には、前記線形回帰直線を第１座標軸とし、且つ、前記線形回帰直線に直交する前記破面の深さ方向に沿うような直線を第２座標軸とする直交座標系に座標変換を行う傾き調整ステップをさらに備える
請求項１又は２に記載の金属材料の破壊原因の推定方法。

【請求項4】

前記第１結晶方位差は、前記破面近傍位置における前記破面の深さ方向に直交する方向に沿って配列される前記複数の計測点の前記結晶方位差の統計値を含み、
前記第２結晶方位差は、前記破面遠方位置における前記破面の深さ方向に直交する方向に沿って配列される前記複数の計測点の前記結晶方位差の統計値を含む
請求項１乃至３の何れか１項に記載の金属材料の破壊原因の推定方法。

【請求項5】

金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定方法であって、
前記金属材料の少なくとも破面の一部を含む一計測視野範囲を計測し、前記一計測視野範囲に含まれる複数の計測点における結晶方位を取得するステップと、
取得した前記結晶方位に基づいて前記複数の計測点における結晶方位差を取得する結晶方位差取得ステップと、
前記破面からの深さが所定以下である破面近傍位置における前記結晶方位差である第１結晶方位差と、前記破面近傍位置よりも前記破面からの深さが大きい破面遠方位置における前記結晶方位差である第２結晶方位差と、の差分である第１差分を取得する第１差分取得ステップと、
前記金属材料と同じ材料から形成された試料についての、応力拡大係数パラメータと、前記第１差分に対応する深さ位置における結晶方位差の差分である第２差分との相関関係を取得するステップと、
取得された前記相関関係に基づいて、前記第１差分から前記金属材料の応力拡大係数パラメータを推定し、推定した前記応力拡大係数パラメータから前記金属材料の疲労破壊時における応力レベルを推定する第２推定ステップと、を備える
金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定方法。

【請求項6】

前記応力拡大係数パラメータは、前記試料に対して疲労き裂進展試験を実施することにより取得され、
前記第２差分は、前記疲労き裂進展試験が実施された前記試料の複数の計測点における結晶方位を取得し、取得した前記結晶方位に基づいて前記複数の計測点における結晶方位差を取得するとともに、前記疲労き裂進展試験において生成された破面からの深さが所定以下である破面近傍位置における前記結晶方位差である第３結晶方位差と、前記破面近傍位置よりも前記破面からの深さが大きい破面遠方位置であって、前記破面からの深さが１００μｍ以下である破面遠方位置における前記結晶方位差である第４結晶方位差と、の差分である
請求項５に記載の金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定方法。

【請求項7】

前記応力拡大係数パラメータは、応力拡大係数、応力拡大係数範囲、および有効応力拡大係数範囲の少なくとも一つを含む
請求項５又は６に記載の金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定方法。

【請求項8】

金属材料の破壊原因の推定システムであって、
前記金属材料の少なくとも破面の一部を含む一計測視野範囲を計測可能な計測装置であって、前記一計測視野範囲に含まれる複数の計測点における結晶方位を取得可能な計測装置と、
前記計測装置が取得した前記結晶方位に基づいて前記複数の計測点における結晶方位差を取得可能な解析装置と、
前記解析装置が取得した前記破面からの深さが所定以下である破面近傍位置における前記結晶方位差である第１結晶方位差と、前記解析装置が取得した前記破面近傍位置よりも前記破面からの深さが大きい破面遠方位置における前記結晶方位差である第２結晶方位差と、の差分である第１差分を取得可能な演算装置と、を備える
金属材料の破壊原因の推定システム。

【請求項9】

金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定システムであって、
前記金属材料の少なくとも破面の一部を含む一計測視野範囲を計測可能な計測装置であって、前記一計測視野範囲に含まれる複数の計測点における結晶方位を取得可能な計測装置と、
前記計測装置が取得した前記結晶方位に基づいて前記複数の計測点における結晶方位差を取得可能な解析装置と、
前記解析装置が取得した前記破面からの深さが所定以下である破面近傍位置における前記結晶方位差である第１結晶方位差と、前記解析装置が取得した前記破面近傍位置よりも前記破面からの深さが大きい破面遠方位置における前記結晶方位差である第２結晶方位差と、の差分である第１差分を取得可能な演算装置と、
前記金属材料と同じ材料から形成された試料についての、応力拡大係数パラメータと、前記第１差分に対応する深さ位置における結晶方位差の差分である第２差分との相関関係を記憶する記憶装置と、
前記記憶装置に記憶された前記相関関係に基づいて、前記第１差分から前記金属材料の前記応力拡大係数パラメータを推定する推定装置と、を備える
金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、金属材料の破壊原因の推定方法および推定システム、並びに金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定方法および推定システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、金属材料が破損した場合に破壊原因を推定するために、目視又は光学顕微鏡などにより破面状態を観察することが行われていた。しかし、実際に破損した金属材料は、破面の表面が酸化していたりつぶれていたりするので、破面状態を観察することが困難な場合が多い。また、ストライエーションのような疲労破壊特有の破面状態を観察できない金属材料は、破面状態を観察しても破壊原因の推定が困難である。

【0003】

近年、例えば、電子後方散乱回折像法（ＥＢＳＤ法）を用いて破面の深さ方向における金属材料中の結晶方位を計測し、該結晶方位に基づいて結晶の方位差分布を分析することで、金属材料の破壊原因を推定することが行われている（例えば、特許文献１）。なお、結晶方位はＥＢＳＤ法の他にもＸ線回折法などを用いることでも取得することができる。

【0004】

特許文献１には、破面からの深さおよび結晶方位差の平均値から取得した方位差曲線と、破壊原因が分かっている標準試料を用いて求めた標準方位差曲線と、を比較することにより金属材料の破壊原因を推定する方法が記載されている。特許文献１における結晶方位差の平均値は、複数の計測視野範囲を計測した後、計測面を破面からの深さ方向において所定間隔毎に複数に区分した際の、区分毎の結晶方位差を平均することで算出される値である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第５８５５８８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に記載の金属材料の破壊原因推定方法では、破損した金属材料の方位差曲線や標準試料の標準方位差曲線を取得するために、複数の計測視野範囲を計測する必要があり、複数の計測視野範囲の計測には時間がかかるので、破損した金属材料の破壊原因の特定に時間がかかるという問題がある。また、破面からの深さ１ｍｍ以下の破面近傍で発現する方位差特性が取得できておらず、金属材料の破壊原因の推定を誤る可能性がある。

【0007】

本発明者らは、鋭意検討の結果、金属材料の破面の表層における異なる２つの深さ位置の結晶方位差の差分により、金属材料の破壊原因が疲労破壊であるか否かを推定できることを見出した。また、本発明者らは、鋭意検討の結果、金属材料と同じ材料から形成された試料についての、応力拡大係数パラメータと、試料の破面の表層における異なる２つの深さ位置の結晶方位差の差分と、の間に相関関係があること、および該相関関係に基づいて金属材料の破面の表層における異なる２つの深さ位置の結晶方位差の差分により、金属材料の応力拡大係数パラメータを推定できることを見出した。ここで、応力拡大係数パラメータとは応力拡大係数や応力拡大係数範囲などを含むものである。

【0008】

上述した事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態の目的は、短期間で高精度な推定が可能な金属材料の破壊原因の推定方法および推定システム、並びに金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定方法および推定システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

（１）本発明の少なくとも一実施形態にかかる金属材料の破壊原因の推定方法は、
金属材料の破壊原因の推定方法であって、
前記金属材料の少なくとも破面の一部を含む一計測視野範囲を計測し、前記一計測視野範囲に含まれる複数の計測点における結晶方位を取得するステップと、
取得した前記結晶方位に基づいて前記複数の計測点における結晶方位差を取得する結晶方位差取得ステップと、
前記破面からの深さが所定以下である破面近傍位置における前記結晶方位差である第１結晶方位差と、前記破面近傍位置よりも前記破面からの深さが大きい破面遠方位置における前記結晶方位差である第２結晶方位差と、の差分である第１差分を取得する第１差分取得ステップと、
前記第１差分に基づいて前記金属材料の破壊原因が疲労破壊であるか否かを推定する第１推定ステップと、を備える。

【0010】

上述したように、本発明者らは、鋭意検討の結果、金属材料の破面の表層における異なる２つの深さ位置の結晶方位差の差分により、金属材料の破壊原因が疲労破壊であるか否かを推定できることを見出した。より具体的には、金属材料の少なくとも破面の一部を含む一計測視野範囲に含まれる破面近傍位置と破面遠方位置とにおける結晶方位差の差分である第１差分により、金属材料の破壊原因が疲労破壊であるか否かを推定することができる。

【0011】

上記（１）の方法によれば、上述した結晶方位を取得するステップ、結晶方位差取得ステップおよび第１差分取得ステップを経ることで第１差分を取得することができ、第１推定ステップで第１差分により金属材料の破壊原因が疲労破壊であるか否かを高精度で推定することができる。また、上記の方法によれば、金属材料の少なくとも破面の一部を含む一計測視野範囲を計測すればよいので、計測や計測結果の処理にかかる時間が少なく、短期間で金属材料の破壊原因の推定を行うことができる。

【0012】

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の方法において、
前記第１推定ステップでは、前記第１差分が所定値以上の場合には前記金属材料の破壊原因が疲労破壊であると推定し、前記第１差分が所定値に満たない場合には前記金属材料の破壊原因が疲労破壊ではないと推定する。

【0013】

上記（２）の方法によれば、第１差分により金属材料の破壊原因が疲労破壊であるか否かを定量的に推定できるので、第１推定ステップにおける推定にかかる時間を少なくできる。

【0014】

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の方法において、
前記金属材料の破壊原因の推定方法は、
前記結晶方位を取得するステップの後、且つ、前記結晶方位差取得ステップの前に、前記破面の線形回帰直線の傾きが所定角度以上の場合には、前記線形回帰直線を第１座標軸とし、且つ、前記線形回帰直線に直交する前記破面の深さ方向に沿うような直線を第２座標軸とする直交座標系に座標変換を行う傾き調整ステップをさらに備える。

【0015】

上記（３）の方法によれば、破面の線形回帰直線の傾きが所定角度以上の場合には、一計測視野範囲を計測した際の計測座標系を用いると破面の深さ方向の誤差が大きくなる。このため、上述した線形回帰直線の傾きが所定角度以上の場合には、直交座標系に座標変換をすることで、破面の深さ方向における誤差を少なくすることができる。

【0016】

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（３）の方法において、
前記第１結晶方位差は、前記破面近傍位置における前記破面の深さ方向に直交する方向に沿って配列される前記複数の計測点の前記結晶方位差の統計値を含み、
前記第２結晶方位差は、前記破面遠方位置における前記破面の深さ方向に直交する方向に沿って配列される前記複数の計測点の前記結晶方位差の統計値を含む。

【0017】

金属材料には破面から深い位置に局所的に結晶方位差の大きい部分が存在することがある。上記（４）の方法によれば、第１結晶方位差や第２結晶方位差は、各々所定位置における破面の深さ方向に直交する方向に沿って配列される複数の計測点の結晶方位差の統計値を含んでいるので、上述した局所的に結晶方位差が大きい部分が及ぼす影響を少なくできるため、金属材料の破壊原因が疲労破壊であるか否かを高精度で推定することができる。

【0018】

（５）本発明の少なくとも一実施形態にかかる金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定方法は、
金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定方法であって、
前記金属材料の少なくとも破面の一部を含む一計測視野範囲を計測し、前記一計測視野範囲に含まれる複数の計測点における結晶方位を取得するステップと、
取得した前記結晶方位に基づいて前記複数の計測点における結晶方位差を取得する結晶方位差取得ステップと、
前記破面からの深さが所定以下である破面近傍位置における前記結晶方位差である第１結晶方位差と、前記破面近傍位置よりも前記破面からの深さが大きい破面遠方位置における前記結晶方位差である第２結晶方位差と、の差分である第１差分を取得する第１差分取得ステップと、
前記金属材料と同じ材料から形成された試料についての、応力拡大係数パラメータと、前記第１差分に対応する深さ位置における結晶方位差の差分である第２差分との相関関係を取得するステップと、
取得された前記相関関係に基づいて、前記第１差分から前記金属材料の応力拡大係数パラメータを推定し、推定した前記応力拡大係数パラメータから前記金属材料の疲労破壊時における応力レベルを推定する第２推定ステップと、を備える。

【0019】

上述したように、本発明者らは、鋭意検討の結果、金属材料と同じ材料から形成された試料についての、応力拡大係数パラメータと、試料の破面の表層における異なる２つの深さ位置の結晶方位差の差分と、の間に相関関係があること、および該相関関係に基づいて金属材料の破面の表層における異なる２つの深さ位置の結晶方位差の差分により、金属材料の応力拡大係数パラメータを推定できることを見出した。

【0020】

上記（５）の方法によれば、第１差分に対応する深さ位置における結晶方位差の差分である第２差分と応力拡大係数パラメータとの相関関係に基づいて、上述した結晶方位を取得するステップ、結晶方位差取得ステップおよび第１差分取得ステップを経ることで取得される第１差分により、金属材料の応力拡大係数パラメータを高精度で推定することができる。そして、金属材料の応力拡大係数パラメータから金属材料の疲労破壊時における応力レベルを推定することができる。また、上記の方法によれば、上述した相関関係を取得するとともに、金属材料の少なくとも破面の一部を含む一計測視野範囲を計測すればよいので、計測や計測結果の処理にかかる時間が少なく、短期間で金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定を行うことができる。

【0021】

（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の方法において、
前記応力拡大係数パラメータは、前記試料に対して疲労き裂進展試験を実施することにより取得され、
前記第２差分は、前記疲労き裂進展試験が実施された前記試料の複数の計測点における結晶方位を取得し、取得した前記結晶方位に基づいて前記複数の計測点における結晶方位差を取得するとともに、前記疲労き裂進展試験において生成された破面からの深さが所定以下である破面近傍位置における前記結晶方位差である第３結晶方位差と、前記破面近傍位置よりも前記破面からの深さが大きい破面遠方位置であって、前記破面からの深さが１００μｍ以下である破面遠方位置における前記結晶方位差である第４結晶方位差と、の差分である。

【0022】

上記（６）の方法によれば、応力拡大係数パラメータを取得するために疲労き裂進展試験が実施された試料について第２差分が取得されるので、応力拡大係数パラメータと第２差分との間の相関関係の精度を向上させることができる。また、試料の第３結晶方位差や第４結晶方位差は、金属材料の第１結晶方位差や第２結晶方位差に対応しているので、試料の第２差分を金属材料の第１差分に精度よく対応させることができる。また、上記の方法によれば、破面近傍位置、および破面近傍位置よりも破面からの深さが大きく、且つ、破面からの深さが１００μｍ以下である破面遠方位置、における結晶方位差に基づいて第２差分が取得されるので、破面近傍位置および破面遠方位置を含む一計測視野範囲の大きさを小さくすることができる。そして、一計測視野範囲を小さくすることで、計測や計測結果の処理にかかる時間を少なくすることができる。

【0023】

（７）幾つかの実施形態では、上記（５）又は（６）の方法において、
前記応力拡大係数パラメータは、応力拡大係数、応力拡大係数範囲、および有効応力拡大係数範囲の少なくとも一つを含む。
上記（７）の方法によれば、第１差分により、応力拡大係数、応力拡大係数範囲、又は有効応力拡大係数範囲を推定することができるので、応力拡大係数などを用いて金属材料の疲労破壊時における応力レベルを推定することができる。

【0024】

（８）本発明の少なくとも一実施形態にかかる金属材料の破壊原因の推定システムは、
金属材料の破壊原因の推定システムであって、
前記金属材料の少なくとも破面の一部を含む一計測視野範囲を計測可能な計測装置であって、前記一計測視野範囲に含まれる複数の計測点における結晶方位を取得可能な計測装置と、
前記計測装置が取得した前記結晶方位に基づいて前記複数の計測点における結晶方位差を取得可能な解析装置と、
前記解析装置が取得した前記破面からの深さが所定以下である破面近傍位置における前記結晶方位差である第１結晶方位差と、前記解析装置が取得した前記破面近傍位置よりも前記破面からの深さが大きい破面遠方位置における前記結晶方位差である第２結晶方位差と、の差分である第１差分を取得可能な演算装置と、を備える。

【0025】

上述したように、本発明者らは、鋭意検討の結果、金属材料の破面の表層における異なる２つの深さ位置の結晶方位差の差分により、金属材料の破壊原因が疲労破壊であるか否かを推定できることを見出した。より具体的には、金属材料の少なくとも破面の一部を含む一計測視野範囲に含まれる破面近傍位置と破面遠方位置とにおける結晶方位差の差分である第１差分により、金属材料の破壊原因が疲労破壊であるか否かを推定することができる。

【0026】

上記（８）の構成によれば、金属材料の破壊原因の推定システムは、上述した結晶方位を取得可能な計測装置、上述した結晶方位差を取得可能な解析装置、および上述した第１差分を取得可能な演算装置を備えるので、上述した第１差分を取得することができる。このため、取得した第１差分により金属材料の破壊原因が疲労破壊であるか否かを高精度で推定することができる。また、上記の構成によれば、計測装置は金属材料の少なくとも破面の一部を含む一計測視野範囲を計測すればよいので、計測や計測結果の処理にかかる時間が少なく、金属材料の破壊原因の推定システムは、短期間で金属材料の破壊原因の推定を行うことができる。

【0027】

（９）本発明の少なくとも一実施形態にかかる金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定システムは、
金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定システムであって、
前記金属材料の少なくとも破面の一部を含む一計測視野範囲を計測可能な計測装置であって、前記一計測視野範囲に含まれる複数の計測点における結晶方位を取得可能な計測装置と、
前記計測装置が取得した前記結晶方位に基づいて前記複数の計測点における結晶方位差を取得可能な解析装置と、
前記解析装置が取得した前記破面からの深さが所定以下である破面近傍位置における前記結晶方位差である第１結晶方位差と、前記解析装置が取得した前記破面近傍位置よりも前記破面からの深さが大きい破面遠方位置における前記結晶方位差である第２結晶方位差と、の差分である第１差分を取得可能な演算装置と、
前記金属材料と同じ材料から形成された試料についての、応力拡大係数パラメータと、前記第１差分に対応する深さ位置における結晶方位差の差分である第２差分との相関関係を記憶する記憶装置と、
前記記憶装置に記憶された前記相関関係に基づいて、前記第１差分から前記金属材料の前記応力拡大係数パラメータを推定する推定装置と、を備える。

【0028】

上述したように、本発明者らは、鋭意検討の結果、金属材料と同じ材料から形成された試料についての、応力拡大係数パラメータと、試料の破面の表層における異なる２つの深さ位置の結晶方位差の差分と、の間に相関関係があること、および該相関関係に基づいて金属材料の破面の表層における異なる２つの深さ位置の結晶方位差の差分により、金属材料の応力拡大係数パラメータを推定できることを見出した。

【0029】

上記（９）の構成によれば、金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定システムは、上述した金属材料の結晶方位を取得可能な計測装置、上述した金属材料の結晶方位差を取得可能な解析装置、および上述した第１差分を取得可能な演算装置を備えるので、上述した金属材料の第１差分を取得することができる。また、金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定システムは、上述した相関関係を記憶する記憶装置、および記憶装置に記憶された相関関係に基づいて第１差分から金属材料の応力拡大係数パラメータを推定する推定装置をさらに備えるので、上述した第１差分の値から、金属材料の応力拡大係数パラメータを高精度で推定することができる。そして、金属材料の応力拡大係数パラメータから金属材料の疲労破壊時における応力レベルを推定することができる。また、上記の構成によれば、上述した相関関係を記憶装置に記憶しておくとともに、計測装置が金属材料の少なくとも破面の一部を含む一計測視野範囲を計測すればよいので、計測や計測結果の処理にかかる時間が少なく、金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定システムは、短期間で金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定を行うことができる。

【発明の効果】

【0030】

本発明の少なくとも一実施形態によれば、短期間で高精度な推定が可能な金属材料の破壊原因の推定方法および推定システム、並びに金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定方法および推定システムが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】本発明の一実施形態にかかる金属材料の破壊原因の推定方法の一例を示すフロー図である。

【図2】本発明の一実施形態にかかる金属材料の破壊原因の推定方法を実施するための推定システムの構成の一例を概略的に示す概略構成図である。

【図3】本発明の一実施形態における計測に用いられる試料を示す図である。

【図4A】本発明の一実施形態における複数の計測点の配置を説明するための配置図である。

【図4B】本発明の他の一実施形態における複数の計測点の配置を説明するための配置図である。

【図5】本発明の一実施形態における試料であって、疲労破壊した金属材料から形成された試料の一計測視野範囲における結晶方位の分布を説明するための図である。

【図6】本発明の一実施形態における試料であって、疲労破壊した金属材料から形成された試料の一計測視野範囲における結晶方位差の分布を説明するための図である。

【図7】本発明の一実施形態における試料であって、引張破壊した金属材料から形成された試料の結晶方位差と破面からの距離との関係を説明するためのグラフである。

【図8】本発明の一実施形態における試料であって、疲労破壊した金属材料から形成された試料の結晶方位差と破面からの距離との関係を説明するためのグラフである。

【図9】本発明の他の一実施形態にかかる金属材料の破壊原因の推定方法の一例を示すフロー図であって、図１に示すフロー図の一部を拡大して示すフロー図である。

【図10】本発明の他の一実施形態における試料であって、疲労破壊した金属材料から形成された試料の一計測視野範囲における破面と、破面の線形回帰直線とを併せて示す図である。

【図11】本発明の一実施形態にかかる金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定方法の一例を示すフロー図である。

【図12】疲労き裂進展試験を説明するための図であって、疲労き裂進展試験の構成と疲労き裂進展試験に用いられる試験片とを概略的に示す図である。

【図13】本発明の一実施形態における試料であって、疲労破壊した金属材料と同じ材料から形成された試料の一計測視野範囲における結晶方位差の分布を説明するための図である。

【図14】試料についての、試料の破面の表層における異なる２つの深さ位置の結晶方位差の差分と、応力拡大係数と、の相関関係を説明するためのグラフである。

【図15】試料についての、試料の破面の表層における異なる２つの深さ位置の結晶方位差の差分と、応力拡大係数範囲と、の相関関係を説明するためのグラフである。

【図16】試料についての、試料の破面の表層における異なる２つの深さ位置の結晶方位差の差分と、有効応力拡大係数範囲と、の相関関係を説明するためのグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0032】

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」および「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
なお、同様の構成については同様の符号を付し説明を省略することがある。

【0033】

図１は、本発明の一実施形態にかかる金属材料の破壊原因の推定方法の一例を示すフロー図である。図２は、本発明の一実施形態にかかる金属材料の破壊原因の推定方法を実施するための推定システムの構成の一例を概略的に示す概略構成図である。以下、金属材料の破壊原因の推定方法１０を実施するための、金属材料の破壊原因の推定システム１の構成を先に説明する。

【0034】

図２に示されるように、金属材料の破壊原因の推定システム１は、ＥＢＳＤ検出装置２と、情報処理装置３と、ＳＥＭ制御ユニット１２と、ステージ制御ユニット１３と、カメラ制御ユニット１４と、を備えている。情報処理装置３は、ＥＢＳＤ検出装置２、ＳＥＭ制御ユニット１２、ステージ制御ユニット１３、およびカメラ制御ユニット１４に電気的に接続されており、装置間における信号の送受信が可能に構成されている。

【0035】

情報処理装置３は、金属材料の破壊原因の推定システム１を構成する構成要素を制御可能に構成されている。具体的には、情報処理装置３は、入出力装置３１（入出力インターフェース）、記憶装置３２（ＲＯＭ、ＲＡＭ）、表示装置３３（ディスプレイ）および演算装置３４（ＣＰＵ）を含むマイクロコンピュータから構成されているが、一般的な構成および制御については適宜割愛することとする。

【0036】

情報処理装置３の入出力装置３１は、金属材料の破壊原因の推定システム１において用いられる各構成要素（ＥＢＳＤ検出装置２など）からの各種情報が入力され、且つ、演算結果などに基づく各種情報を上述した各構成要素に出力する。また、入出力装置３１は、キーボードやマウスなどを含んでいる。記憶装置３２は、入力された各種情報や制御実施のために必要な各種プログラムや演算結果などを記憶可能に構成されている。演算装置３４は、上述した各種情報に基づいて演算処理を行う。表示装置３３は、入力された各種情報や上述した演算装置３４による演算結果などの情報を表示する。

【0037】

ＥＢＳＤ検出装置２（結晶方位検出装置）は、破損した金属材料から形成された第１試料５における複数の計測点Ｐの結晶方位を電子後方散乱回折像法により計測可能に構成されている。具体的には、ＥＢＳＤ検出装置２は、図２に示されるように、走査電子顕微鏡４（ＳＥＭ）を少なくとも含んでいる。走査電子顕微鏡４は、第１試料５の組織観察が可能に構成されているとともに、任意の視野について所定のステップ間隔で計測可能に構成されている。また、走査電子顕微鏡４は、図２に示されるように、金属材料から形成された第１試料５を固定可能な試料ステージ４１と、試料ステージ４１を収納する試料室４２と、第１試料５に電子線を照射可能な電子銃４３と、を備えている。なお、ＥＢＳＤ検出装置２や走査電子顕微鏡４が備える一般的な構成および制御については適宜割愛することとする。

【0038】

ＳＥＭ制御ユニット１２は、演算装置３４の制御下において、電子銃４３による電子線の照射量、照射タイミングや走査方向などを含む電子線の照射動作を制御可能に構成されている。ステージ制御ユニット１３は、演算装置３４の制御下において、試料ステージ４１に設けられた不図示の多軸モータと該多軸モータにより駆動される不図示の駆動装置を制御することで、試料ステージ４１の位置や傾きを調整可能に構成されている。

【0039】

ＥＢＳＤ検出装置２は、図２に示されるように、試料室４２の内部に設けられるとともに電子銃４３が第１試料５に電子線を照射することで生じる電子後方散乱回折像（菊池パターン）を投影するスクリーン２１と、スクリーン２１に投影された電子後方散乱回折像を撮像するためのカメラ２２と、をさらに含んでいる。カメラ２２は、高感度カメラを含み、試料室４２の内部において電子線の照射方向に対して直交する方向に沿って設けられる。カメラ制御ユニット１４は、演算装置３４の制御下において、カメラ２２の撮影タイミングなどの制御を行うように構成されている。

【0040】

以下、金属材料の破壊原因の推定方法１０について詳細に説明する。図１に示されるように、幾つかの実施形態にかかる金属材料の破壊原因の推定方法１０は、金属材料の少なくとも破面５１の一部を含む一計測視野範囲６を計測して結晶方位を取得する計測ステップＳ１０１と、取得した結晶方位に基づいて結晶方位差を取得する結晶方位差取得ステップＳ１０２と、破面近傍位置５５における結晶方位差である第１結晶方位差ＯＤ１と、破面近傍位置５５よりも破面５１からの深さが大きい破面遠方位置５６における結晶方位差である第２結晶方位差ＯＤ２と、の差分である第１差分Ｄ１を取得する第１差分取得ステップＳ１０３と、第１差分Ｄ１に基づいて金属材料の破壊原因が疲労破壊であるか否かを推定する第１推定ステップＳ１０４と、を備えている。

【0041】

図３は、本発明の一実施形態における計測に用いられる試料を示す図である。計測ステップＳ１０１では、破損した金属材料から形成された第１試料５の計測が行われる。第１試料５は、図３に示されるように、破損した金属材料から破面５１を含むように切り出された金属構成部５３と、破面５１を保護するために例えばエポキシ樹脂などを固めた樹脂構成部５４であって、金属構成部５３とは破面５１に対して反対側に設けられる樹脂構成部５４と、を含んでいる。第１試料５は、計測前に破面５１に対して垂直な面である計測面５２が研磨装置などにより研磨される。

【0042】

具体的には、計測ステップＳ１０１では、図２に示されるように、第１試料５を試料ステージ４１に固定する。ステージ制御ユニット１３は、第１試料５が試料ステージ４１に固定された後に、不図示の多軸モータや不図示の駆動装置を制御して、試料ステージ４１を水平に対して７０°程度に傾斜させる。

【0043】

情報処理装置３の演算装置３４は、記憶装置３２に記録された結晶方位を計測するためのプログラム（ソフトウェア）を動作させる。演算装置３４は、上述した結晶方位を計測するためのプログラムに基づいて、ＳＥＭ制御ユニット１２を制御し、電子銃４３から照射される電子線を計測面５２上に走査させ、電子線を所定ピッチ毎に離れた複数の計測点Ｐ（図４Ａ参照）に照射させる。図４Ａは結晶方位計測座標（データ抽出座標）として六角格子の場合を示したが、図４Ｂは正方格子の場合を示している。

【0044】

ここで、ＥＢＳＤ検出装置２は、図３に示されるように、一回の計測において、第１試料５の少なくとも破面５１の一部を含む一計測視野範囲６を計測する。一計測視野範囲６は、第１試料５の計測面５２を互いに直交するＸ軸とＹ軸とを有する基準面と規定した際に、Ｘ軸寸法が１０００μｍ以下およびＹ軸寸法が６００μｍ以下である。一計測視野範囲６は、好ましくはＸ軸寸法が５００μｍ以下およびＹ軸寸法が５００μｍ以下であり、さらに好ましくはＸ軸寸法が３００μｍ以下およびＹ軸寸法が１００μｍ以下である。ここで、Ｙ軸は、破面５１の線形回帰直線ＬＲ（図１０参照）との間の傾きがＸ軸よりも大きくなるような、破面５１の深さ方向に向かう軸である。なお、一計測視野範囲６のＸ軸寸法およびＹ軸寸法は、演算装置３４が上述した結晶方位を計測するためのプログラムを実行することにより変更可能に構成されている。

【0045】

図４Ａは、本発明の一実施形態における複数の計測点の配置を説明するための配置図である。図４Ａに示されるように、複数の計測点Ｐは、計測格子である六角格子の中心に設けられるとともに、第１試料５の計測面５２を互いに直交するＸ軸とＹ軸とを有する基準面と規定した際に、他の計測点Ｐに対してＸ軸方向に０．５ＸＳ、Ｙ軸方向に０．５ＸＳ×ｔａｎ（π／３）だけ離れた位置に設けられている。ＸＳは互いにＸ軸方向に沿って並んだ２つの計測点Ｐの間隔であり、一例としては１．６μｍである。なお、ＸＳは、演算装置３４が上述した結晶方位を計測するためのプログラムを実行することにより変更可能に構成されている。また、計測格子の形状も四角格子などに変更可能である。

【0046】

図４Ｂは、本発明の他の一実施形態における複数の計測点の配置を説明するための配置図である。図４Ｂに示される実施形態では、複数の計測点Ｐは、計測格子である正方格子の中心に設けられるとともに、第１試料５の計測面５２を互いに直交するＸ軸とＹ軸とを有する基準面と規定した際に、他の計測点Ｐに対してＸ軸方向およびＹ軸方向に上述したＸＳだけ離れた位置に設けられている。

【0047】

電子線は、一計測視野範囲６の範囲内に設けられる複数の計測点Ｐに照射され、該電子線の照射により生じる電子後方散乱回折像（菊池パターン）がスクリーン２１上に投影される。スクリーン２１上に投影された電子後方散乱回折像は、計測点Ｐ毎にカメラ２２により撮像される。カメラ２２は、計測点Ｐ毎に撮像した電子後方散乱回折像の画像データ（画像信号）を、カメラ制御ユニット１４および入出力装置３１を介して、記憶装置３２に送信する。

【0048】

図２に示されるように、情報処理装置３の演算装置３４は、画像処理装置３５を含んでいる。画像処理装置３５は、計測点Ｐ毎に撮像された電子後方散乱回折像の画像データを画像処理することで、計測点Ｐ毎に結晶方位を取得する。ここで、上述した画像処理は、記憶装置３２に記憶されている例えばＴＬＳ社製の「ＯＩＭ」などの解析用プログラムにより行われる。計測点Ｐ毎に取得された結晶方位の情報は、計測点Ｐの位置情報（位置座標）とともに、記憶装置３２に記憶される。

【0049】

また、画像処理装置３５は、記憶装置３２に記憶された計測点Ｐ毎の結晶方位の情報および計測点Ｐの位置情報に基づいて、結晶方位の分布マップが形成される。図５は、本発明の一実施形態における試料であって、疲労破壊した金属材料から形成された試料の一計測視野範囲における結晶方位の分布を説明するための図である。図５においては、同様の結晶方位を有する結晶粒には同じハッチングが施されている。

【0050】

次に、結晶方位差取得ステップＳ１０２では、上述した計測ステップＳ１０１で取得した結晶方位に基づいて計測点Ｐ毎の結晶方位差を取得する。結晶方位差としては局所方位差（ＫＡＭ）などが用いられる。ここで、局所方位差は、図４Ａ、４Ｂに示されるような、対象となる計測点Ｐの結晶方位と、該対象となる計測点Ｐに隣接して配置される複数の計測点Ｐと、の差を平均した平均値を対象となる計測点Ｐの結晶方位差とする。具体的には、情報処理装置３の演算装置３４は、図２に示されるように、解析装置３６を含んでいる。解析装置３６は、例えば上述したＴＬＳ社製の「ＯＩＭ」などの解析用プログラムを実行することで、結晶方位に基づいて計測点Ｐ毎の結晶方位差を取得する。なお、結晶方位差として、局所方位差（ＫＡＭ）以外を用いてもよい。例えば、結晶粒における隣接計測点間の方位差の平均値で定義される局所方位差粒平均（ＧＡＭ）、局所方位差の領域平均である局所方位差領域平均、同一結晶粒内で計測点Ｐと結晶の平均方位との方位差で定義される粒内方位差（ＧＲＯＤ）、同一結晶粒内における計測点Ｐの他の計測点Ｐに対する方位差を平均化した値で定義される粒内方位差粒平均（ＧＯＳ）、局所方位差粒平均や粒内方位差粒平均の領域平均である粒内方位差領域平均などを用いてもよい。

【0051】

図６は、本発明の一実施形態における試料であって、疲労破壊した金属材料から形成された試料の一計測視野範囲における結晶方位差の分布を説明するための図である。図６においては、結晶方位差が大きい部分にドットが打たれている。図６に示されるように、疲労破壊した金属材料から形成された第１試料５は、破面５１の近傍が、破面５１から離れた部分に比べて、広範囲にわたりドットが打たれている。

【0052】

図６に示されるように、破面５１からの深さが所定以下である破面近傍位置５５と、破面近傍位置５５よりも破面５１からの深さが大きい破面遠方位置５６と、を規定している。図６中点線は破面近傍位置５５と破面５１からの深さが同じ位置を繋ぐ線であり、図６中二点鎖線は破面遠方位置５６と破面５１からの深さが同じ位置を繋ぐ線である。ここで、破面近傍位置５５は、破面５１からの深さが５０μｍ以下である。破面近傍位置５５は、好ましくは破面５１からの深さが４０μｍ以下であり、さらに好ましくは破面５１からの深さが２０μｍ以下である。また、破面遠方位置５６は、破面５１からの深さが４００μｍ以下である。また、破面遠方位置５６は、好ましくは破面５１からの深さが２００μｍ以下であり、さらに好ましくは破面５１からの深さが１００μｍ以下である。

【0053】

第１差分取得ステップＳ１０３では、図２に示されるように、破面近傍位置５５における結晶方位差である第１結晶方位差ＯＤ１と、破面遠方位置５６における結晶方位差である第２結晶方位差ＯＤ２と、の差分である第１差分Ｄ１が取得される。具体的には、情報処理装置３の演算装置３４は、図２に示されるように、差分演算装置３７を含んでいる。差分演算装置３７は、記憶装置３２に記憶された第１結晶方位差ＯＤ１および第２結晶方位差ＯＤ２を取得し、第１結晶方位差ＯＤ１および第２結晶方位差ＯＤ２から第１差分Ｄ１を算出する。

【0054】

図７は、本発明の一実施形態における試料であって、引張破壊した金属材料から形成された試料の結晶方位差と破面からの距離との関係を説明するためのグラフである。図８は、本発明の一実施形態における試料であって、疲労破壊した金属材料から形成された試料の結晶方位差と破面からの距離との関係を説明するためのグラフである。図７に示されるように、引張破壊した金属材料から形成された試料は、結晶方位差が破面からの距離に関わらず一様であるという傾向がある。これに対して、図８に示されるように、疲労破壊した金属材料から形成された試料は、破面から離れた部分は結晶方位差が一様であるが、破面に近づくにつれて結晶方位差が指数関数的に増加するという傾向がある。

【0055】

第１推定ステップＳ１０４では、図２に示されるように、第１差分Ｄ１に基づいて金属材料の破壊原因が疲労破壊であるか否かを推定する。

【0056】

上述したように、幾つかの実施形態にかかる金属材料の破壊原因の推定方法は、図１に示されるように、上述した計測ステップＳ１０１と、上述した結晶方位差取得ステップＳ１０２と、上述した第１差分取得ステップＳ１０３と、上述した第１推定ステップＳ１０４と、を備えている。

【0057】

上述したように、本発明者らは、鋭意検討の結果、金属材料の破面の表層における異なる２つの深さ位置の結晶方位差の差分により、金属材料の破壊原因が疲労破壊であるか否かを推定できることを見出した。より具体的には、金属材料の少なくとも破面５１の一部を含む一計測視野範囲６に含まれる破面近傍位置５５と破面遠方位置５６とにおける結晶方位差（第１結晶方位差ＯＤ１、第２結晶方位差ＯＤ２）の差分である第１差分Ｄ１により、金属材料の破壊原因が疲労破壊であるか否かを推定することができる。

【0058】

上記の方法によれば、上述した計測ステップＳ１０１、結晶方位差取得ステップＳ１０２および第１差分取得ステップＳ１０３を経ることで第１差分Ｄ１を取得することができ、第１推定ステップＳ１０４で第１差分Ｄ１により金属材料の破壊原因が疲労破壊であるか否かを高精度で推定することができる。また、上記の方法によれば、金属材料の少なくとも破面５１の一部を含む一計測視野範囲６を計測すればよいので、計測にかかる時間が少なく、短期間で金属材料の破壊原因の推定を行うことができる。

【0059】

幾つかの実施形態では、図１に示されるように、上述した第１推定ステップＳ１０４において、第１差分Ｄ１が閾値Ｄ０（所定値）以上の場合には（Ｓ１４１で「ＹＥＳ」の場合）、金属材料の破壊原因が疲労破壊であると推定し（Ｓ１４２）、第１差分Ｄ１が閾値Ｄ０（所定値）に満たない場合には（Ｓ１４１で「ＮＯ」の場合）、金属材料の破壊原因が疲労破壊ではないと推定する（Ｓ１４３）。閾値Ｄ０は、記憶装置３２に記憶されており、金属材料毎に異なる値を用いてもよい。上記の方法によれば、第１差分Ｄ１により金属材料の破壊原因が疲労破壊であるか否かを定量的に推定できるので、第１推定ステップＳ１０４における推定にかかる時間を少なくできる。

【0060】

図９は、本発明の他の一実施形態にかかる金属材料の破壊原因の推定方法の一例を示すフロー図であって、図１に示すフロー図の一部を拡大して示すフロー図である。図９に示されるように、幾つかの実施形態では、上述した金属材料の破壊原因の推定方法１０は、上述した計測ステップＳ１０１の後、且つ、上述した結晶方位差取得ステップＳ１０２の前に、線形回帰直線ＬＲの傾きを調整する傾き調整ステップＳ１２３をさらに備えている。

【0061】

具体的には、図９に示されるように、計測ステップＳ１０１の後、且つ、結晶方位差取得ステップＳ１０２の前に、破面座標を取得する破面座標取得ステップＳ１２１と、破面５１の線形回帰直線ＬＲを作成する線形回帰直線作成ステップＳ１２２と、上述した傾き調整ステップＳ１２３と、を備えている。なお、破面座標取得ステップＳ１２１は、上述した計測ステップＳ１０１よりも前に行われてもよく、また、計測ステップＳ１０１と同時に行われてもよい。

【0062】

破面座標取得ステップＳ１２１では、第１試料５の一計測視野範囲６の範囲内における破面５１の位置座標を取得する。具体的には、上述した金属材料の破壊原因の推定システム１の情報処理装置３は、上述した計測ステップＳ１０１において、結晶方位だけでなく計測点Ｐにおける信頼性指数（方位同定確度、ＣＩ値）を取得するようになっている。第１試料５の樹脂構成部５４は、ＣＩ値が正となる金属構成部５３とは異なりＣＩ値が零や負となるので、情報処理装置３は、演算装置３４により、金属構成部５３と樹脂構成部５４との境界である破面５１の計測面５２における位置座標を推定し、推定された位置座標は記憶装置３２に記憶される。

【0063】

図１０は、本発明の他の一実施形態における試料であって、疲労破壊した金属材料から形成された試料の一計測視野範囲における破面と、破面の線形回帰直線とを併せて示す図である。線形回帰直線作成ステップＳ１２２では、上述した破面座標取得ステップＳ１２１で取得した破面座標から、図１０に示されるような破面５１の線形回帰直線ＬＲを作成する。

【0064】

図１０に示されるように、複数の計測点Ｐの位置情報として、一計測視野範囲６を計測した際の計測座標系（Ｘ軸、Ｙ軸）における位置座標を用いる場合において、例えば第１試料５の設置時における位置ずれなどにより、破面５１の線形回帰することで取得した線形回帰直線ＬＲが、Ｘ軸に対して傾きθ１を有することがある。傾きθ１は、一例として５°である所定角度θ０（閾値）以上の場合には、実際の破面の深さとＹ軸の値との間の誤差が大きくなる。

【0065】

上述した傾き調整ステップＳ１２３では、図９に示されるように、破面５１の線形回帰直線ＬＲの傾きθ１が所定角度θ０以上の場合には（Ｓ１２４で「ＹＥＳ」の場合）、線形回帰直線ＬＲを第１座標軸（Ｘ１軸）とし、且つ、線形回帰直線ＬＲに直交する破面５１の深さ方向に沿った直線を第２座標軸（Ｙ１軸）とする直交座標系に座標変換を行う（座標変換ステップＳ１２５）。なお、他の幾つかの実施形態では、傾きθ１の大きさに関わらず、Ｘ１軸とＹ１軸を有する直交座標系に座標変換を行ってもよい。

【0066】

上記の方法によれば、破面５１の線形回帰直線ＬＲの傾きθ１が所定角度θ０以上の場合には、一計測視野範囲６を計測した際の計測座標系（Ｘ軸、Ｙ軸）を用いると破面５１の深さ方向の誤差が大きくなる。このため、上述した線形回帰直線ＬＲの傾きθ１が所定角度θ０以上の場合には、上述した直交座標系（Ｘ１軸、Ｙ１軸）に座標変換をすることで、破面の深さ方向における誤差を少なくすることができる。

【0067】

幾つかの実施形態では、上述した第１結晶方位差ＯＤ１は、破面近傍位置５５における破面５１の深さ方向に直交する方向に沿って配列される複数の計測点Ｐの結晶方位差の統計値を含み、上述した第２結晶方位差ＯＤ２は、破面遠方位置５６における破面５１の深さ方向に直交する方向に沿って配列される複数の計測点Ｐの結晶方位差の統計値を含む。

【0068】

第１結晶方位差ＯＤ１の統計値は、図６中点線で示される線上に位置するような、破面近傍位置５５と破面５１からの深さが同じである複数の計測点Ｐの統計値である。また、第２結晶方位差ＯＤ２の統計値は、図６中二点鎖線で示される線上に位置するような、破面遠方位置５６と破面５１からの深さが同じである複数の計測点Ｐの統計値である。ここで、統計値には、平均値や標準偏差、パーセンタイル値などが含まれる。なお、第１結晶方位差ＯＤ１や第２結晶方位差ＯＤ２の統計値を、上述したＸ軸やＸ１軸に沿った直線上の複数の計測点Ｐの統計値とすると、破面５１の凹凸形状が顕著な場合に深さが同じである複数の計測点Ｐの統計値に比べて、誤差が大きくなる。

【0069】

図６に示されるように、金属材料には破面５１から深い位置に局所的に結晶方位差の大きい部分（極値部分５７）が存在することがある。上記の方法によれば、第１結晶方位差ＯＤ１や第２結晶方位差ＯＤ２は、各々所定位置における破面の深さ方向に直交する方向に沿って配列される複数の計測点Ｐの結晶方位差の統計値を含んでいるので、上述した局所的に結晶方位差が大きい部分（極値部分５７）が及ぼす影響を少なくできるため、金属材料の破壊原因が疲労破壊であるか否かを高精度で推定することができる。

【0070】

幾つかの実施形態にかかる金属材料の破壊原因の推定システム１は、図２に示されるように、金属材料の少なくとも破面５１の一部を含む一計測視野範囲６を計測可能な計測装置１１であって、一計測視野範囲６に含まれる複数の計測点Ｐにおける結晶方位を取得可能な計測装置１１と、計測装置１１が取得した結晶方位に基づいて複数の計測点Ｐにおける結晶方位差を取得可能な上述した解析装置３６と、解析装置３６が取得した上述した破面近傍位置５５の第１結晶方位差ＯＤ１と、解析装置３６が取得した上述した破面遠方位置５６の第２結晶方位差ＯＤ２と、の差分である第１差分Ｄ１を取得可能な上述した差分演算装置３７（演算装置）と、を備えている。

【0071】

計測装置１１は、図２に示されるように、ＥＢＳＤ検出装置２、ＳＥＭ制御ユニット１２、ステージ制御ユニット１３、カメラ制御ユニット１４、および情報処理装置３の画像処理装置３５を少なくとも含んでいる。

【0072】

上記の構成によれば、金属材料の破壊原因の推定システム１は、上述した結晶方位を取得可能な計測装置１１、上述した結晶方位差を取得可能な解析装置３６、および上述した第１差分Ｄ１を取得可能な差分演算装置３７を備えるので、上述した第１差分Ｄ１を取得することができる。このため、取得した第１差分Ｄ１により金属材料の破壊原因が疲労破壊であるか否かを高精度で推定することができる。また、上記の構成によれば、計測装置１１は金属材料の少なくとも破面５１の一部を含む一計測視野範囲６を計測すればよいので、計測や計測結果の処理にかかる時間が少なく、金属材料の破壊原因の推定システム１は、短期間で金属材料の破壊原因の推定を行うことができる。

【0073】

図１１は、本発明の一実施形態にかかる金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定方法の一例を示すフロー図である。図１１に示されるように、幾つかの実施形態にかかる金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定方法７０は、上述した計測ステップＳ１０１と、上述した結晶方位差取得ステップＳ１０２と、上述した第１差分取得ステップＳ１０３と、金属材料と同じ材料から形成された第２試料８（試料）についての、応力拡大係数パラメータと、第１差分Ｄ１に対応する深さ位置における結晶方位差の差分である第２差分Ｄ２との相関関係を取得する相関関係取得ステップＳ２０４と、取得された相関関係に基づいて、第１差分Ｄ１から金属材料の応力拡大係数パラメータを推定し、推定した応力拡大係数パラメータから金属材料の疲労破壊時における応力レベルを推定する第２推定ステップＳ２０５と、を備えている。ここで、図２に示されるように、金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定方法７０を実施するための、金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定システム７は、上述した金属材料の破壊原因の推定システム１と同様の構成を備えている。

【0074】

相関関係取得ステップＳ２０４よりも前に、金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定方法７０の推定対象である金属材料と同じ材料から試験片９が作成される。図１２は、疲労き裂進展試験を説明するための図であって、疲労き裂進展試験の構成と疲労き裂進展試験に用いられる試験片とを概略的に示す図である。試験片９は、図１２に示されるように、図１２中紙面垂直方向に厚さを有する板状に切欠９１が形成されたＣＴ試験片と呼称されるものであり、一対の貫通孔９２の各々に挿入される不図示のピンを介して、不図示の試験治具に連結されることにより、不図示の材料試験機における試験位置に配置される。そして、材料試験機により繰り返し荷重が負荷される。ここで、図１２に示されるように、コンプライアンス法によりき裂長さａを算出する際の試験片幅Ｗは、貫通孔９２の中心から切欠９１が形成された側とは反対側の端部までの距離である。

【0075】

試験片９は、図１２に示されるように、切欠９１が形成された側とは反対側の端部には背面ひずみゲージ９３が設けられている。背面ひずみゲージ９３は計測機９４に接続されており、計測したひずみの値を計測機９４に伝達する。また、図１２に示されるように、試験片９の上端および下端の２点には電流源９５が接続されており、直流の電流が付与される。電流の値は計測機９４に伝達される。また、図１２に示されるように、試験片９の切欠９１を挟んだ２点には、計測機９４が接続されており、２点間における電位差が計測される。計測機９４は、疲労き裂進展試験時に、背面ひずみゲージ９３が計測したひずみ、上述した電流の値、および上述した電位差の変化挙動を記憶するようになっている。上述した計測機９４に記憶されたデータから第２試料８の応力拡大係数パラメータが推定される。

【0076】

第２試料８は、図３に示されるように、疲労き裂進展試験により疲労して破断した試験片９から、破面８１を含むように切り出された金属構成部８３と、破面８１を保護するために例えばエポキシ樹脂などを固めた樹脂構成部８４であって、金属構成部８３とは破面８１に対して反対側に設けられる樹脂構成部８４と、を含んでいる。第２試料８は、破面８１に対して垂直な面である計測面８２が計測前に研磨装置などにより研磨されている。

【0077】

第２試料８は、上述した第１試料５と同様に、上述した計測ステップＳ１０１および上述した結晶方位差取得ステップＳ１０２と同様のステップを経て、一計測視野範囲６に含まれる複数の計測点Ｐの、計測点Ｐ毎の結晶方位の情報、計測点Ｐの位置座標および計測点Ｐ毎の結晶方位差などが記憶装置３２に記憶される。

【0078】

図１３は、本発明の一実施形態における試料であって、疲労破壊した金属材料と同じ材料から形成された試料の一計測視野範囲における結晶方位差の分布を説明するための図である。図１３に示されるように、破面８１からの深さが所定以下である破面近傍位置８５と、破面近傍位置８５よりも破面８１からの深さが大きい破面遠方位置８６と、を規定している。図１３中点線は破面近傍位置８５と破面８１からの深さが同じ位置を繋ぐ線であり、図１３中二点鎖線は破面遠方位置８６と破面８１からの深さが同じ位置を繋ぐ線である。ここで、破面近傍位置８５は、破面８１からの深さが８０μｍ以下である。破面近傍位置８５は、好ましくは破面８１からの深さが４０μｍ以下であり、さらに好ましくは破面８１からの深さが２０μｍ以下である。また、破面遠方位置８６は、破面８１からの深さが４００μｍ以下である。破面遠方位置８６は、好ましくは破面８１からの深さが２００μｍ以下であり、さらに好ましくは破面８１からの深さが１００μｍ以下である。

【0079】

そして、破面近傍位置８５における結晶方位差である第３結晶方位差ＯＤ３と、破面遠方位置８６における結晶方位差である第４結晶方位差ＯＤ４と、の差分である第２差分Ｄ２を算出する。ここで、第３結晶方位差ＯＤ３や第４結晶方位差ＯＤ４は、第１結晶方位差ＯＤ１や第２結晶方位差ＯＤ２と同様に統計値であってもよい。

【0080】

図１４は、試料についての、試料の破面の表層における異なる２つの深さ位置の結晶方位差の差分と、応力拡大係数と、の相関関係を説明するためのグラフである。図１５は、試料についての、試料の破面の表層における異なる２つの深さ位置の結晶方位差の差分と、応力拡大係数範囲と、の相関関係を説明するためのグラフである。図１６は、試料についての、試料の破面の表層における異なる２つの深さ位置の結晶方位差の差分と、有効応力拡大係数範囲と、の相関関係を説明するためのグラフである。

【0081】

図１４〜１６に示されるように、金属材料と同じ材料から形成された第２試料８についての、応力拡大係数Ｋ、応力拡大係数範囲ΔＫおよび有効応力拡大係数範囲ΔＫｅｆｆを含む応力拡大係数パラメータと、第２差分Ｄ２と、の間には相関関係がある。なお、記憶装置３２は、第２試料８についての上述した相関関係を表す数値データ、グラフや式、表などを前もって記憶していてもよい。

【0082】

上述した相関関係取得ステップＳ２０４では、記憶装置３２から、第２試料８についての、応力拡大係数パラメータと、第１差分Ｄ１に対応する深さ位置における結晶方位差の差分である第２差分Ｄ２との相関関係を取得する。

【0083】

上述した第２推定ステップＳ２０５は、図１１に示されるように、相関関係取得ステップＳ２０４において取得された相関関係に基づいて、第１差分Ｄ１から金属材料の応力拡大係数パラメータを推定するステップＳ２０６と、上述したステップＳ２０６において取得された金属材料の応力拡大係数パラメータから金属材料の疲労破壊時における応力レベルを推定するステップＳ２０７と、を含んでいる。

【0084】

上述したように、幾つかの実施形態にかかる金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定方法７０は、図１１に示されるように、上述した計測ステップＳ１０１と、上述した結晶方位差取得ステップＳ１０２と、上述した第１差分取得ステップＳ１０３と、上述した相関関係取得ステップＳ２０４と、上述した第２推定ステップＳ２０５と、を備えている。

【0085】

上述したように、本発明者らは、鋭意検討の結果、金属材料と同じ材料から形成された試料についての、応力拡大係数パラメータと、試料の破面の表層における異なる２つの深さ位置の結晶方位差の差分と、の間に相関関係があること、および該相関関係に基づいて金属材料の破面の表層における異なる２つの深さ位置の結晶方位差の差分により、金属材料の応力拡大係数パラメータを推定できることを見出した。

【0086】

上記の方法によれば、第１差分Ｄ１に対応する深さ位置における結晶方位差の差分である第２差分Ｄ２と応力拡大係数パラメータとの相関関係に基づいて、上述した計測ステップＳ１０１、結晶方位差取得ステップＳ１０２および第１差分取得ステップＳ１０３を経ることで取得される第１差分Ｄ１により、金属材料の応力拡大係数パラメータを高精度で推定することができる。そして、金属材料の応力拡大係数パラメータから金属材料の疲労破壊時における応力レベルを推定することができる。また、上記の方法によれば、上述した相関関係を取得するとともに、金属材料の少なくとも破面５１の一部を含む一計測視野範囲６を計測すればよいので、計測や計測結果の処理にかかる時間が少なく、短期間で金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定を行うことができる。

【0087】

幾つかの実施形態では、上述したように、応力拡大係数パラメータは、第２試料８（試料）に対して疲労き裂進展試験を実施することにより取得され、第２差分Ｄ２は、疲労き裂進展試験が実施された第２試料８の複数の計測点Ｐにおける結晶方位を取得し、取得した結晶方位に基づいて複数の計測点Ｐにおける結晶方位差を取得するとともに、疲労き裂進展試験において生成された破面８１からの深さが所定以下である破面近傍位置８５における結晶方位差である第３結晶方位差ＯＤ３と、破面近傍位置８５よりも破面８１からの深さが大きい破面遠方位置８６であって、破面８１からの深さが１００μｍ以下である破面遠方位置８６における結晶方位差である第４結晶方位差ＯＤ４と、の差分である。

【0088】

上記の方法によれば、応力拡大係数パラメータを取得するために疲労き裂進展試験が実施された第２試料８（試料）について第２差分Ｄ２が取得されるので、応力拡大係数パラメータと第２差分Ｄ２との間の相関関係の精度を向上させることができる。また、第２試料８の第３結晶方位差ＯＤ３や第４結晶方位差ＯＤ４は、金属材料の第１結晶方位差ＯＤ１や第２結晶方位差ＯＤ２に対応しているので、第２試料８の第２差分Ｄ２を金属材料の第１差分Ｄ１に精度よく対応させることができる。また、上記の方法によれば、破面近傍位置８５、および破面近傍位置８５よりも破面８１からの深さが大きく、且つ、破面８１からの深さが１００μｍ以下である破面遠方位置８６、における結晶方位差に基づいて第２差分Ｄ２が取得されるので、破面近傍位置８５および破面遠方位置８６を含む一計測視野範囲６の大きさを小さくすることができる。そして、一計測視野範囲６を小さくすることで、計測や計測結果の処理にかかる時間を少なくすることができる。

【0089】

幾つかの実施形態では、上述した応力拡大係数パラメータは、応力拡大係数Ｋ、応力拡大係数範囲ΔＫ、および有効応力拡大係数範囲ΔＫｅｆｆの少なくとも一つを含んでいる。上記の方法によれば、第１差分Ｄ１により、応力拡大係数Ｋ、応力拡大係数範囲ΔＫ、または有効応力拡大係数範囲ΔＫｅｆｆを推定することができるので、応力拡大係数Ｋなどを用いて金属材料の疲労破壊時における応力レベルを推定することができる。

【0090】

幾つかの実施形態にかかる金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定システム７は、図２に示されるように、金属材料の少なくとも破面５１の一部を含む一計測視野範囲６を計測可能な計測装置１１であって、一計測視野範囲６に含まれる複数の計測点Ｐにおける結晶方位を取得可能な上述した計測装置１１と、計測装置１１が取得した結晶方位に基づいて複数の計測点Ｐにおける結晶方位差を取得可能な上述した解析装置３６と、解析装置３６が取得した上述した破面近傍位置５５の第１結晶方位差ＯＤ１と、解析装置３６が取得した上述した破面遠方位置５６の第２結晶方位差ＯＤ２と、の差分である第１差分Ｄ１を取得可能な上述した差分演算装置３７（演算装置）と、金属材料と同じ材料から形成された第２試料８（試料）についての、応力拡大係数パラメータと第１差分Ｄ１に対応する深さ位置における結晶方位差の差分である第２差分Ｄ２との相関関係を記憶する上述した記憶装置３２と、記憶装置３２に記憶された相関関係に基づいて、第１差分Ｄ１から金属材料の応力拡大係数パラメータを推定する推定装置３８と、を備えている。図２に示されるように、演算装置３４は推定装置３８を含んでいる。

【0091】

上記の構成によれば、金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定システム７は、上述した金属材料の結晶方位を取得可能な計測装置１１、上述した金属材料の結晶方位差を取得可能な解析装置３６、および上述した第１差分Ｄ１を取得可能な差分演算装置３７を備えるので、上述した金属材料の第１差分Ｄ１を取得することができる。また、金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定システム７は、上述した相関関係を記憶する記憶装置３２、および記憶装置３２に記憶された相関関係に基づいて第１差分Ｄ１から金属材料の応力拡大係数パラメータを推定する推定装置３８をさらに備えるので、上述した第１差分Ｄ１の値から、金属材料の応力拡大係数パラメータを高精度で推定することができる。そして、金属材料の応力拡大係数パラメータから金属材料の疲労破壊時における応力レベルを推定することができる。また、上記の構成によれば、上述した相関関係を記憶装置３２に記憶しておくとともに、計測装置１１が金属材料の少なくとも破面５１の一部を含む一計測視野範囲６を計測すればよいので、計測や計測結果の処理にかかる時間が少なく、金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定システムは、短期間で金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定を行うことができる。

【0092】

なお、上述した幾つかの実施形態では、画像処理装置３５、解析装置３６、差分演算装置３７および推定装置３８は、情報処理装置３の演算装置３４に含まれていたが、これらの装置は、演算装置３４や情報処理装置３とは別に設けられる例えばマイクロコンピュータなどであってもよい。

【0093】

また、上述した幾つかの実施形態では、ＥＢＳＤ検出装置２（結晶方位検出装置）は、電子後方散乱回折像法により複数の計測点Ｐの結晶方位を計測するようになっていたが、Ｘ線回折法などの電子後方散乱回折像法以外の方法で結晶方位を取得するようにしてもよい。

【0094】

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

【符号の説明】

【0095】

１ 金属材料の破壊原因の推定システム
１０ 金属材料の破壊原因の推定方法
１２ ＳＥＭ制御ユニット
１３ ステージ制御ユニット
１４ カメラ制御ユニット
２ ＥＢＳＤ検出装置
２１ スクリーン
２２ カメラ
３ 情報処理装置
３１ 入出力装置
３２ 記憶装置
３３ 表示装置
３４ 演算装置
３５ 画像処理装置
３６ 解析装置
３７ 差分演算装置
３８ 推定装置
４ 走査電子顕微鏡
４１ 試料ステージ
４２ 試料室
４３ 電子銃
５ 第１試料
５１ 破面
５２ 計測面
５３ 金属構成部
５４ 樹脂構成部
５５ 破面近傍位置
５６ 破面遠方位置
５７ 極値部分
６ 一計測視野範囲
７ 金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定システム
７０ 金属材料の疲労破壊時における応力レベルの推定方法
８ 第２試料
８１ 破面
８２ 計測面
８３ 金属構成部
８４ 樹脂構成部
８５ 破面近傍位置
８６ 破面遠方位置
９ 試験片
１１ 計測装置
Ｄ０ 結晶方位差の差分の閾値
Ｄ１ 第１差分
Ｄ２ 第２差分
ＬＲ 線形回帰直線
ＯＤ１ 第１結晶方位差
ＯＤ２ 第２結晶方位差
ＯＤ３ 第３結晶方位差
ＯＤ４ 第４結晶方位差

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】