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

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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

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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

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

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。