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INSS JOURNAL,Vol.17(2010),pp172-177

粒界強度測定のための FIB 装置内引張試験法の開発
Development of micro tensile testing method in an FIB system for evaluating grainboundary strength
藤井克彦（Katsuhiko Fujii)＊ 1

福谷耕司（Koji Fukuya)＊ 1

要約 粒界強度を測定するための集束イオンビーム（focused ion beam, FIB）装置内引張試験法を開発した．結晶粒界を含む大きさ 2 × 2 ×10μm の微小引張試験片を FIB 加工により作製し，FIB装置内でその場観察しながら引張試験を行った．荷重は，単結晶シリコンから作製したカンチレバーのたわみを測定し，それから算出した．熱時効により粒界リン濃度を変化させた Fe-Mn-P 合金に開発した方法を適用して，粒界破壊時の応力を測定した結果，粒界リン濃度の増加に伴い粒界強度は低下することが確認できた．
キーワード

微小引張試験，粒界強度，粒界リン濃度，粒界破壊，集束イオンビーム加工

Abstract
A micro tensile testing method for evaluating grain boundary strength wasdeveloped. Specimens of 2 × 2 ×10μm having one grain boundary were made by focused ion beam(FIB) micro-processing and tensioned in an FIB system in situ. The load was measured from thedeflection of the silicon cantilever. The method was applied to aged and unaged Fe-Mn-P alloy
specimens with different level of grain boundary phosphorus segregation. The load at intergranularfracture decreased with increasing phosphorus segregation.
Keywords

Micro tensile test, grain boundary strength, grain boundary phosphorus concentration,intergranular fracture, focus ion beam micro-processing

1.

はじめにクな材料試験技術では非常に難しかったためである．
同じ実験的な理由から，結晶粒界に沿って酸化や酸金属材料が高温水腐食や中性子等の照射を受ける化物形成が生じれば結晶粒界の強度が低下すると一と，水素や酸素，リン等の不純物の結晶粒界への集般的に想定されるが，これに対する定量的な関係も積や，溶質元素の粒界偏析や酸化等による結晶粒界必ずしも明らかになっていない．のミクロ組成の変化，空孔集合体や酸化物等の形成

最近，集束イオンビーム（focus ion beam, FIB）による結晶粒界のミクロ組織の変化が生じる．この加工技術の進歩とマイクロメートル・サイズやサブような結晶粒界でのミクロ組成とミクロ組織の変化

マイクロメートル・サイズの試験片に対する試験技

は結晶粒界の強度を低下させ，粒界割れを発生させ術の進歩があいまって，微小な材料の機械的特性のる．例えば，原子炉容器鋼における不純物リンの結測定が可能になってきている(7)〜(10)．しかし，微小晶粒界への偏析は粒界強度を低下させ脆化に影響すな荷重や応力の測定に用いられるナノインデンテーることが報告されており (1)〜(5)，粒界破壊とリン濃ションや走査プローブ顕微鏡のカンチレバーによる度の関係が実験的に調べられている (2)(4)〜(6)．しか方法では，荷重や応力を測定しつつ試験片の変形をしながら，個々の結晶粒界でのリンの偏析量と粒界直接観察することが困難であった．そこで本研究で強度の低下量の定量的な関係は必ずしも明らかになは，FIB 加工によるマイクロ・ナノスケールの試験っていない．これは，ミクロ組織，ミクロ組成，粒片加工技術を活用し，FIB 装置内でその場観察しな界性格等のデータを評価した特定の結晶粒界に対しがら荷重測定が可能な FIB 装置内引張試験法を開発てその強度を測定することが従来のマクロスコピッ

して，個別の粒界の破壊強度を測定する方法を考案＊1(株)原子力安全システム研究所

技術システム研究所

173

した．また，この方法を結晶粒界にリンを偏析させ晶粒界から新たな微小な試験片を FIB 加工により採た Fe-Mn-P 合金（粒界リン偏析材）に適用し，粒取 す る こ と で，透 過 型 電 子 顕 微 鏡（transmission

界リン濃度と粒界強度の定量的な関係を求めた．

electron microscope, TEM）観察とエネルギー分散分光法（energy dispersive spectroscopy, EDS）分2.

FIB 装置内引張試験法の開発

析により対象の結晶粒界のミクロ組織，ミクロ組成，粒界性格等のデータの取得が可能である．

FIB 加工技術を用いて，結晶粒界を含むマイクロ

図 2 に FIB 加工で作製した微小引張試験片の一例

メートル・サイズの微小引張試験片を作製した．図を示す．EBSD 測定により特定の結晶粒界，ここで1 に微小引張試験片の採取の模式図を示す．電子後は粒界エネルギーが低く粒界偏析等を生じやすい大方 散 乱 回 折（electron backscatter diffraction,傾角粒界を選択して，微小引張試験片に加工した．

EBSD）測定により各結晶粒界の粒界性格を調べ，本方法では，特定の結晶粒界を試験片内で任意に配試験する結晶粒界を選択する．次に，FIB 加工によ置できる．今回は引張方向に対して粒界面を 45 度傾りその結晶粒界を含む微小なブロック（大きさ 20 ×けて作製した．これは，せん断荷重が粒界面の垂直20 × 5μm 程度）を切り出し，その一部から微小引方向に最大に作用するようにするためである．また，張試験片を加工する．なお，微小引張試験片に使用結晶粒界に沿ってスリットを FIB 加工して試験片断しなかった残部を用いることで，もしくは同一の結面に対する粒界面の割合を減少し，破壊が結晶粒界で起こるようにした．

ᚤᑠᘬᙇヨ㦂∦⏝FIB 装 置 内 引 張 試 験 は FIB 装 置（HitachiFB-2000A）内でその場観察しながら行った．微小引張試験片に対する変形は，FIB 加工装置に付随するマイクロサンプリング機構のうち，X-Y-Z の 3 軸駆動可能なマイクロプローブ（タングステン製）を利用して付与した．すなわち，マイクロプローブ先(3) 微小引張試験片の採取

䟺䠃䟻
ム㥺∞
䝚䝱䝇䜳

20µm
㐽ᢝ䛝䛥⢇⏲

20µm5µm

ᘤᘿム㥺∞2µm

䟺䠄䟻(2) FIB マイクロサンプリングによるブロック(20 × 20 × 5μm)の切り出し

ᘤᘿム㥺∞

ム㥺∞
䝚䝱䝇䜳䜽䝮䝇䝌

⤎ᬏ⢇⏲⤎ᬏ⢇䛴ኬ䛓䛛
10 ~ 100µm2µm(1) EBSD 測定による結晶粒界の決定
図1

微小引張試験片採取の模式図

図2

微小引張試験片の一例

174

䐟䐠䐡

䐢

W䝕䝫
ヨ㦂∦

ヨ㦂∦

2µm
図 3 微小引張試験片の引張破壊試験端を微小引張試験片の一端にタングステン・デポジ

ここで，Eはカンチレバーのヤング率，lは長さ，wッション（W デポ）により固定した後，マイクロプは幅，tは厚さであり，バネ定数の正確さはヤング率

ローブを微小引張試験片の軸方向に動かすことで微とカンチレバーの形状の影響を受けることが分かる．

小引張試験片に引張変形を与えた．図 3 に微小引張

図 4 に作製したカンチレバーの例を示す．この例で試験片の引張破壊試験の一例を示す．微小引張試験

は，たわみ方向のシリコンの結晶方位は〈110〉であ片の下端は固定されており，引張により試験片のみり，文 献 に よ れ ば シ リ コ ン 単 結 晶 の ヤ ン グ 率 はが変形する．①→②→③→④の順に，マイクロプロ

170GPa である (11)．また，バネ定数はその寸法よりーブは上方に移動するとともに，微小引張試験片中80N/m と算出される．しかし，シリコンウエハのヤの粒界に沿って入れられたスリットが開口しており，ング率等の物性値は，添加元素により幅があるので，試験片に対して荷重および変形が付与されているこ測定により正確な値を決定する必要がある．そこで，とが確認される．図 3 に示した像は FIB 加工装置で使用したシリコンウエハのヤング率をナノインデン観察される 2 次イオン顕微鏡（secondary ion micro-

ターで測定した結果，荷重 1mN で得られたヤングscope, SIM）像と呼ばれるものであり，結晶方位の率は 280GPa であり，文献値に比べ大きな値である違いが明暗の違いとなって表れるという特徴がある．

ことが確認された．また，バネ定数はカンチレバー

図 3 の微小引張試験片においても上方の結晶粒が黒の形状の影響も受けるため，カンチレバーに対してく下方の結晶粒が白くコントラストの違いが明瞭にナノインデンターでバネ定数の測定を行った．図 5

見られ，結晶粒界が明瞭に識別される．④においてに，カンチレバーの先端から 5，10，15，20μm の位微小引張試験片は破断しているが，破断部は直線で置を最大 5μm 押込み，荷重‐変位曲線の傾きから求ありほとんど変形しておらず，破断部を境に明確なめたバネ定数を示した．バネ定数は押込み量が増加

コントラストの違いがあることから，最終的には粒するほど小さくなる傾向があるが，3〜5μm の範囲界破断したことが分かる．また，破断した試験片を
走 査 電 子 顕 微 鏡（scanning electron microscope,SEM）や TEM 等で観察して，破断形態等を確認す

Si䜹䞁䝏䝺䝞䞊䠄120×6×15µm䠅ることが可能である．
FIB 装置内引張試験の荷重測定方法としては，単結晶のシリコンウエハから作製した片持ちのカンチSiレバーのたわみ（d）を測定し，dから線形弾性論に<110><001>基づき荷重（F=K∙d）を算出した．ここで，Kはバネ定数である．微小引張試験片をカンチレバーの先端に固定すると仮定すると，Kはカンチレバーの大20µm

きさから次式で与えられる．
K=Ewt 4l (1)

図4

シリコンウェハから作製したカンチレバー

175300䝔䝑ᏽᩐ(N/m)

䝢䜨䜳䝱
䝛䝱䞀䝚
200

ᢪ㎰䜅న⨠䟺඙❻䛑䜏䛴㊝㞫䟻
5 µm
10µm
15µm
20µm

10001234ᢪ㎰䜅῕䛛(µm)

520µm
図6図5ム㥺∞Si䜯䝷䝅䝰䝔䞀

FIB 装置内引張試験のセットアップ

ナノインデンターで測定したバネ定数の押込み位置と押込み深さによる変化校正が必要である．
ではその変化は小さい．また，押込み位置がカンチFIB 装置内引張試験のセットアップを図 6 に示す．

レバーの先端に近づくほどバネ定数は小さくなってマイクロプローブの先端に微小引張試験片の一端がおり，この傾向は線形弾性論に基づく（1）式に整合取り付けられており，もう一端はシリコン・カンチしたものであった．ここでは，微小引張試験片のカレバーの先端にタングステン・デポジッションによンチレバーへの取り付け位置が先端から 5μm の範囲り固定される．図 7 に，FIB 装置内引張試験をそのであることから，カンチレバーの先端から 5μm の位場観察した一例を示す．SIM 像により，微小引張試置でのバネ定数の下限値 160N/m を荷重の算出に用験片の変形の観察とカンチレバーのたわみから荷重い る こ と に し た．ま た，こ の と き の ヤ ン グ 率 はの算出が可能である．粒界が塑性変形することなし

340GPa と評価される．ただし，カンチレバーの形に粒界で破断すれば，粒界強度を測定することが可

状が大きく異なる場合にはナノインデンターによる能である．ただし，本方法では，カンチレバーのた(1)
ヨ㦂∦

(5)

(2)

(3)

(4)

(6)

(7)

(8)

⢏⏺

10µm
図 7 FIB 装置内引張試験のその場観察の一例

176

わみが大きくなるほど大きな曲げモーメントが試験

表1

マイクロ引張試験の結果片に作用する．大きな荷重での試験が必要な場合に

熱時効材

受入材粒界 P 濃度（wt％）
P monolayer coverage

0.98
0.31

0.26
0.08

破断時の荷重（μN）

690

1320

公称応力（MPa）

180

340

粒界への垂直応力（MPa）

270510は，カンチレバーのサイズを大きくしてたわみを小さくすることで曲げモーメントの応力への影響を減少させる必要があるとともに，より正確な応力の評
価には曲げモーメントを考慮した有限要素解析等の解析が必要である．

3.

FIB 装置内引張試験法の粒界リン偏析材への適用
鉄鋼材料において結晶粒界にリンが偏析すると粒壊時の粒界への垂直応力が低くなっており，粒界リン濃度の増加に伴う粒界強度の低下が確認された．

4.

まとめ界破壊しやすくなることが広く知られており，鉄ではリン含有量 0.09 at％以上でリン偏析による粒界脆

粒界強度を測定するための FIB 装置内引張試験法

化 が 生 じ る こ と が 報 告 さ れ て い る (12)．

を開発した．開発した方法をリンが偏析した結晶粒Fe-1.27Mn-0.042P 鋼を熱時効（475℃× 1000hr）界に適用して，粒界リン濃度の異なる結晶粒界の粒して結晶粒界にリンを偏析させた試料を用いて FIB界破壊時の応力を測定して粒界強度を比較し，粒界装置内引張試験法により粒界強度の測定を試みた．

リン濃度の増加に伴い粒界強度は低下することを確

なお，測定は大傾角粒界を対象に行った．図 8 に引認した．今後，酸化した結晶粒界や照射誘起偏析し張試験前後の SIM 像を示す．微小引張試験片はわずた結晶粒界等に対して本方法を適用し，結晶粒界のかに塑性変形した後，結晶粒界で脆性的に破断した．

ミクロ組織とミクロ組成等の変化とその強度の変化

破断時の荷重は 690μN であった．また，EDS 分析に関する定量的なデータを取得する予定である．の結果，この結晶粒界のリン濃度は 0.26 wt％であり，リンの粒界被覆率を表す Monolayer coverage

文献は 0.31 であった．比較のため，熱時効前の試料中の結晶粒界に対しても同じ微小引張試験を実施した．

(１) C. A. English, S. R. Ortner, G. Gage, W. L.

これらの試験結果を測定したリン濃度とともにまとServer, S. T. Rosinski, Effects of Radiation on

めて表 1 に示す．公称応力は破断時の荷重を試験前

Materials, ASTM STP 1405, p. 151 (2001).の試験片断面積で除したものであり，粒界への垂直(２) R. B. Jones, C. J. Bolton, Proc. 24th Water

応力は破断時の荷重を試験前の粒界断面積で除したReactor Meeting, organized by USNRC, Oct.

ものである．粒界リン濃度が高い熱時効材で粒界破1996, (1996).
(３) R. J. McElroy, C. A. English, A. J.
Foreman, G. Gage, J. M. Hyde, P. H. N.
Ray, I. A. Vatter, Effects of Radiation
Materials, ASTM STP 1325, p. 296 (1999).
(４) B. A. Gurovich, E. A. Kuleshovs, Ya. I
Shtrombakh, O. O. Zabusov, E. A. Krasi-ヨ㦂∦⢏⏺

kov, J. Nucl. Mater., 279, p. 259 (2000).
(５) H. Nakata, K. Fujii, K. Fukuya, R. Kasada,
A. Kimura, J. Nucl. Sci. Technol., 43, p. 785(2006).

10µm(６) C. Naudin, J. M. Frund, A. Pineau, Scr.
Mater., 40, p. 1013 (1999).
(７) K. J. Hemker, W. N. Sharpe Jr., Ann. Rev.

図8

熱時効材の FIB 装置内引張試験前後の SIM 像

Mater. Res., 37, p. 93 (2007).

177(８) D. Kiener, C. Motz, G. Dehm, Mat. Sci. andEng. A, 505, p. 79 (2009).
(９) D. S. Gianola, C. Eberi, JOM, 61 (3), p. 24(2009).
(10) S. Orso, U.G. Wegst, C. Eberl, E. Arzt,
Advanced Materials, 18, p. 874 (2006).
(11) J. J. Wortman, R. A. Evans, J. Applied
Phys., 36, p. 153 (1965).
(12) K. Abiko, S. Suzuki, H. Kimura, Trans.
Jpn. Inst. Met., 23, p. 43 (1982).