アプリケーションノート | 破面解析

3D表面形状測定による鋼の破面のフラクトグラフィー解析

光学顕微鏡・SEM に代わる、破断した鋼表面のナノからマクロまでの 3D 測定

刃の部分が破断した金属製の鍵

研究・試験

Craig Leising

デザイン・編集

Andrew Shore

はじめに

フラクトグラフィーは破面に現れる特徴を調べる手法で、これまで光学顕微鏡や SEM で観察されてきました。特徴の大きさに応じて、光学顕微鏡(マクロな特徴)または SEM(ナノ・ミクロな特徴)が表面解析に用いられ、いずれも最終的に破壊機構の種類の特定を可能にします。有効ではあるものの、光学顕微鏡には明確な限界があり、SEM は原子レベルの解析を除けば多くの場合、破面の測定には実用的でなく、幅広い用途にも向きません。光学測定技術の進歩により、ナノからマクロまでの 2D・3D 表面測定が可能な NANOVEA の 非接触3D表面形状測定機 が、現在では最適な装置とされています。

破面検査に非接触3D表面形状測定機を使う理由

SEM と異なり、非接触3D表面形状測定機はほぼあらゆる表面とサンプルサイズを最小限の前処理で測定でき、しかも SEM を上回る縦方向・横方向の寸法範囲を備えています。ナノからマクロまでの特徴を、サンプルの反射率の影響をまったく受けずに 1 回の測定で取得できます。透明、不透明、鏡面、拡散面、研磨面、粗面など、あらゆる材料を容易に測定できます。非接触3D表面形状測定機は、SEM のわずかなコストで、破面の研究を最大限に活かす幅広く使いやすい機能を提供します。

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測定の目的

このアプリケーションでは、NANOVEA ST400 を用いて鋼サンプルの破面を測定します。本研究では、表面の 3D エリア、2D プロファイルの抽出、表面の方向性マップを紹介します。

NANOVEA ST400 Standard

光学式3D表面形状測定機

非接触3D表面測定用の NANOVEA ST400 モジュラー光学式表面形状測定機

結果:上面

上面:3D 表面

破断した鋼サンプル上面の擬似カラー 3D 高さマップ(サンプル写真を挿入)
Fig. 1: 破断した鋼サンプルの 3D 表示(上面)。

上面:3D 表面テクスチャの方向

破面上面の表面テクスチャ方向の極座標プロット
Fig. 2: 上面の表面テクスチャ方向マップ。
テクスチャパラメータ値
等方性51.26%
第1方向123.2°
第2方向116.3°
第3方向0.1725°

上面のテクスチャ等方性と方向。

上面:2D プロファイルの抽出

2D プロファイルを抽出した位置を破線で示した上面の高さマップ
破面上面を横切って抽出した 2D 断面プロファイル

Fig. 3: 上面から抽出した 2D プロファイルとその位置。この抽出から、表面積、体積、粗さなど多くのパラメータを自動的に計算できます。

結果:側面

側面:3D 表面

破断した鋼サンプル側面の擬似カラー 3D 高さマップ(サンプル写真を挿入)
Fig. 4: 破断した鋼サンプルの 3D 表示(側面)。

側面:3D 表面テクスチャの方向

破面側面の表面テクスチャ方向の極座標プロット
Fig. 5: 側面の表面テクスチャ方向マップ。
テクスチャパラメータ値
等方性15.55%
第1方向0.1617°
第2方向110.5°
第3方向171.5°

側面のテクスチャ等方性と方向。

側面:2D プロファイルの抽出

2D プロファイルを抽出した位置を破線で示した側面の高さマップ
破面側面を横切って抽出した 2D 断面プロファイル

Fig. 6: 側面から抽出した 2D プロファイルとその位置。この抽出から、表面積、体積、粗さなど多くのパラメータを自動的に計算できます。

結論

このアプリケーションでは、NANOVEA ST400 非接触3D表面形状測定機が、破面の全形状(ナノ、ミクロ、マクロの特徴)をいかに正確に評価できるかを示しました。3D エリアから表面を明確に把握でき、部分領域やプロファイル・断面をすばやく抽出して、数多くの表面計算で解析できます。サブナノメートルの表面特徴は、統合された AFM モジュールでさらに解析できます。

さらに NANOVEA は表面形状測定機のラインアップにポータブル型を加えており、破面を移動できない現場調査では特に重要です。このように幅広い表面測定機能により、破面解析は 1 台の装置でこれまでになく簡単で便利になりました。

フラクトグラフィーと破面測定に関するよくある質問

フラクトグラフィーとは何ですか?

フラクトグラフィーは破面に現れる特徴を調べ、破壊機構を特定する手法です。これまで、マクロな特徴には光学顕微鏡、ナノ・ミクロな特徴には SEM が用いられてきました。

破面解析に SEM ではなく3D表面形状測定機を使うのはなぜですか?

非接触3D表面形状測定機は、ほぼあらゆる表面とサンプルサイズを最小限の前処理で測定し、ナノからマクロまでの特徴を反射率の影響を受けずに 1 回の測定で取得します。SEM を上回る縦方向・横方向の寸法範囲を、わずかなコストで実現します。

破面の表面テクスチャ方向から何がわかりますか?

テクスチャ方向マップは、表面の特徴の支配的な方向と表面の等方性を示します。この鋼の破面では、上面の等方性が 51.26%、第1方向が 123.2°、側面の等方性が 15.55%、第1方向が 0.1617° でした。

破面の 3D スキャンから何を抽出できますか?

部分領域、2D プロファイル、断面を抽出して解析でき、抽出結果から表面積、体積、粗さなど多くのパラメータが自動的に計算されます。

破面を現場で測定できますか?

はい。NANOVEA はポータブル型の表面形状測定機を提供しており、破面を移動できない現場調査で特に役立ちます。

このフラクトグラフィー研究にはどの NANOVEA 装置が使われましたか?

NANOVEA ST400 非接触3D表面形状測定機です。サブナノメートルの特徴は、統合された AFM モジュールでさらに解析できます。

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