延性破壊は一般に滑り面分離と空孔合体型破壊を伴う。いずれも大規模な塑性変形を伴う破壊現象であるが、滑り面分離は巨視的には点状、あるいはのみの刃先状の破壊形態を示し、高純度金属に典型的に見られる。これに対して空孔合体型破壊は、多数の微小なdimpleが破面に見られ、第2相粒子が母相に含包されている材料に顕著である等、性質の異なる破壊現象である。空孔合体型破壊は材料の降伏、塑性変形の開始に引き続く過程、すなわち1)微視空孔(void)発生、2)空孔の成長、3)各々の空孔の合体による破面形成、なる3段階により説明されている。dimpleは3)の段階における破面形成の結果、空孔が切断されて生ずる窪みである。微視空孔の発生核は結晶3重点や第2相粒子であると考えられており、変形の過程でそれらの割れや剥離の結果空孔が生ずる。通常、材料内部には性質の異なる様々な種類の第2相粒子が含有されている。そのため発生時点の異なる空孔が混在することになり、破壊が複雑なものになる一因となっている。また空孔の成長に引き続く破面形成の過程は、個々の空孔が成長して接するだけでは無く空孔端部での微視的なくびれの発生、あるいは空孔の成長に伴う応力集中や塑性変形の結果2次空孔の出現を伴う等、様々な要素が複雑に作用するため理解が困難である。

　この様に延性破壊は複雑な現象であるため、線形破壊力学の適用による予測が困難であり理論実験手法両面で長年研究されている。しかし、これまで理論的に導かれた破壊基準の多くは線形破壊力学の拡張、あるいは塑性変形場を線形流体の場合と同様に扱う等、材料の特性を大幅に近似しており、必ずしも実際の破壊と一致する結果が得られていない。また延性材料の場合、微視的観点では結晶サイズや第2相粒子の間隔など材料固有の寸法があることから、破面に観察されるdimpleの寸法が材料の大きさに左右されずほぼ一定である等の寸法効果が現われる。しかしこれまでのところその様な材料固有の長さの次元を表現した破壊基準は導かれておらず、寸法効果を説明出来ないのが現状である。これは巨視的な破壊現象のみを考慮し、空孔の挙動に代表される微視的な視点に欠ける解析を行っているためである。そこで延性破壊における微視空孔の成長の過程に注目し、材料の応力-歪速度の構成関係に非線形性がある場合における、多軸応力下の空孔形状変化および体積増加を明らかにすることを目的に研究を行う。研究の内容は、

　1)微視空孔の体積増加率と形状変化に及ぼす、

　・負荷応力の静水圧成分ならびにせん断成分の影響

　・材料の構成関係式の非線形性による影響

　なる2点を調べるため、力学モデルを使った解析を行う。

　2)微視空孔の成長速度に及ぼす負荷応力の静水圧成分およびせん断成分の影響を調べるため、延性材料の引き張り試験に超音波法を応用した実験を行う。

　なる2つの部分、および両者の比較検討から成り立っている。

　負荷応力の静水圧成分およびせん断成分が微視空孔の体積増加率に及ぼす影響を調べるため、ノッチの半径で応力3軸度を設定した延性材料に対する引き張り試験に超音波法を応用し、散乱減衰の程度から微視空孔の体積含有率の変化を調べる。

　超音波の減衰をもたらす原因には様々なものがあるが、微視空孔による散乱減衰の周波数特性は他の原因とは異なっている。そこで、周波数を様々に変化させながら実験を行い、微視空孔の体積含有率を求める。実験試料には、代表的な延性材料である純アルミニウム(純度99.999%wt.)を選択し、ノッチ付試験片に加工した後真空焼鈍して使用する。実験装置は図4に示す様に構成されており、インストロン社製万能試験機で引き張りを行う。

図4 実験装置の構成

　試験片の引き張りに伴い、散乱断面積が増加する様子を解析した実験結果の例を図5に示す。

図5 散乱断面積

　この様な実験の結果、散乱断面積はある時点で急に増加を開始することが明らかになった。これは材料内部で発生した何らかの現象を検出したためであり、試験片内部における微視空孔の大量発生を検出していることが予想される。その様に散乱断面積が急に増加を開始する点での増加率を解析した結果、散乱断面積の増加率(微視空孔の体積増加率)には、引き張り荷重の大小による影響が顕著に現われるが、荷重の3軸度による影響はあまり顕著に現われないことが明らかになった。すなわち微視空孔の体積増加率に及ぼす荷重の影響は、静水圧成分によるものが支配的であり、せん断成分による影響はそれほど顕著ではないことが明らかになった。

　以上の研究活動の結果、次の様な点が明らかになった。

　1)材料の歪速度が負荷の相当応力の指数乗に比例する非線形性を示す場合、微視空孔が単独で成長している際には指数が大きくなり非線形性が増すにつれて、空孔の形状変化に及ぼすせん断荷重の影響が顕著ではなくなる。

　これに対して微視空孔が近接しており相互干渉する際には非線形性が増すにつれて、空孔の形状変化に及ぼすせん断荷重の影響が大きくなる傾向が予想される。

　2)微視空孔相互の干渉が十分に小さい場合、空孔の体積増加率は負荷応力の静水圧成分に大きく依存するが、せん断成分にはあまり影響されない。これは1)と同様に、材料の非線形性が大きな場合について特に顕著である。

　ところが、微視空孔が近接している等相互干渉が問題になる場合にはせん断成分の影響が現れる様になることが示唆される。これは材料の非線形性が大きな場合特に顕著である。

　材料の歪速度が、負荷の相当応力の指数乗に比例する非線形性を示す、なる近似を一般の多結晶金属材料に適用すると、多くの場合非線形性が大きいため、本研究の結論には重要な意味がある。例えば、材料の応力-歪速度に関する構成関係を線形であると仮定して算出された破断歪は、実際の金属材料のものよりも過大に見積もられていることが知られているが、その原因が構成関係の及ぼす微視空孔の成長挙動への影響にあることが本研究の結論より予想出来る。これらの成果は今後延性破壊の過程を明らかにし、延性材料と類似した破壊形態を示す高靭性材料の破壊基準を導く際等の、重要な手掛かりになるものと考えられる。