鉄鋼材料は構造用部材に多く用いられており、高強度かつ高靭性の材料が求められている。一般的に強度と靭性はトレードオフな関係であるものの、結晶粒微細化のように破壊応力を増加させることで、靭性を向上させながら、強度を上昇させることも可能である。また、軟鋼のようにµmオーダーの粒界セメンタイトが存在する場合は、粒界セメンタイトサイズが重要になるなど、様々な現象が靭性に関与しているため、フェライトやマルテンサイトといった個別の組織を超えてミクロな理解を深めることが重要である。 近年、粒界セメンタイトを有するフェライト鋼の脆化現象の素過程を仮定・定式化した靭性予測モデルが柴沼らによって開発され、粒界セメンタイト-フェライト鋼のCTOD値の実験値を精度よく推定できることが報告されている。その後、フェライト-パーライト鋼やラス間マルテンサイト-ベイナイト鋼などの鋼材にも適用されており、今後より広い範囲で適用されることが期待される。上記モデルで採用されている破壊の素過程は以下の通りである。
 Stage 1: 粒界セメンタイトのような脆化相の割れが発生、Stage 2: 脆化相の割れが隣接する母相に伝播、Stage 3: 母相に伝播した亀裂が結晶粒界を突破、以上の3段階である。Stage 3の母相粒界突破まで発生すると、十分な亀裂長さとみなし、マクロな脆性破壊が発生すると仮定する。各段階で脆化相の割れ率、亀裂の母相伝播に必要な応力、亀裂が粒界を突破するために必要な応力が発生の閾値として必要である。柴沼らの靭性予測モデルでは、Stage 2の粒界セメンタイトから母相への亀裂伝播に必要な応力はPetchの式から算出される。この式は、Stage 1とStage 2のセメンタイト割れから母相への亀裂伝播を想定した破壊応力式であり、亀裂伝播のし難さを表すパラメーターとして有効表面エネルギーγeffを含む。有効表面エネルギーγeffは亀裂伸展時に生成される表面エネルギーγsとその時に生じる塑性変形に消費されるエネルギーγpの2つの項で構成されており、表面エネルギーは実験や第一原理計算から約2.4J/m2と報告されている。一方、塑性変形に消費されるエネルギーγpは、有効表面エネルギーが約12J/m2と報告されているように、表面エネルギーγsより大きく、重要な因子であることは明らかである。しかしながら、γpは塑性変形を考慮したパラメーターであるにも関わらず、Petchモデルにおいて10J/m2という一定の値が採用されており、材料強度や温度、歪速度の依存性が考慮されていない。 本研究では、塑性変形に消費されるエネルギーγpを理論的に解釈したモデルの1つであるBrechet-Louchetモデルに着目した。この式の γpは降伏応力に依存しているため、材料強度や温度、歪速度を考慮することができる。しかしながら、Brechet-Louchetモデルは亀裂伸展中を想定した式であり、のPetchモデルのように亀裂伸展の駆動力としての堆積転位の影響（粒径依存性）は考慮していない。そこで、Stage 2での現象についてBrechet-Louchetモデルに基づき、転位堆積を亀裂伸展の駆動力の1つとするモデルを提案し、このモデルを矛盾なく説明できるStage 1の仮説を提案した。これによって、有効表面エネルギーを用いずに脆化相から母相への亀裂伝播に必要な応力（本研究での劈開破壊応力）を算出可能な式を開発した。さらに、表面エネルギーの代わりにRiceやWangが提案した粒界分離理想仕事、所謂、粒界凝集エネルギーを用いることで、本モデルが粒界破壊現象も扱えるか評価した。

カテゴリ: 物理
質問: 塑性変形に消費される有効表面エネルギーは、亀裂伸展時に生成される表面エネルギーの何倍ですか。
回答: 亀裂伸展時に生成される表面エネルギーは約2.4J/m2、塑性変形に消費される有効表面エネルギーは約12J/m2なので、12÷2.4=5より、塑性変形に消費される有効表面エネルギーは、亀裂伸展時に生成される表面エネルギーの5倍です。