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図3-4 粒界エネルギーの相対値(ねb/YS)分布を示したヒストグラム . 例として(130) �5対応粒界の結果を示す .
3 - 1 -
4 4点曲げ試験
粒界破壊強度の測定は、 4点曲げ試験によって行った。 以下に曲 げ試験片の作製手)11夏、 試験法および破壊強度の評価法について説明 する。
曲げ試験片は、 得られた円柱状双結晶(直径約10mm戸、 長さ約 3 .2m m)を3軸ゴニオメーターにセットし、 X線背面反射ラウ工法を 用いて方位制御を行った後、 共通回転軸と粒界面に垂直になるよう にSi C切断砥石を用いて切断した。 その後、 図3・5 (b )に示すような 試験片形状となるよう、 つば付き研磨冶具(53)に取り付け、 試験片の
(a)
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図3・5 (a) 4点曲げ冶具と(b)曲げ試験片の模式図.
長軸方向に平行な4面をSiC耐水ペーパー(#240--2000)による機械 研磨を行った後、 ダイヤモンドペ ーストによるパフ研磨を行い、 鏡 面に仕上げた。 試験片の寸 法は、 1.2mmX 1.7mm X 32mm(+ 30μ m)である。
純化材は、 純化処理後試料表面には粒界溝が形成される。 この粒 界溝は、 4点曲げ 試験の際に応力集中源となるため、 つばイ寸き研磨
冶具に取り付けSiC耐水ペーパーによる機械研磨で 取り除い た後、
同様の手順で目的寸法(図3づ(b) )に仕上げた。
粒界破壊強度の測定は、 図3-5(a) に示すような曲げ冶具(40)を用 い、 4点曲げ試験により行った。 また、 測定には一種類の粒界に対
してそれぞれ3--4本の試験片を用い、 荷重の 負荷方向が常に図3-5 (b) に示したような方位関係となるよう統ーした。 曲げ試験には島 津オートグラフAG-I0TAを用いた。 なお、 測定は試料の塑性変 形 の効果をできるだけ抑えるため、 液体窒素中(77 K) で一定時間 (0.9ks )保持した後、 クロスヘッドスピード約4. 2μm /sの条件の下 で行った。
4点曲げ試験は、 冶具上部の2つの支点聞に均ーな曲げモーメント を負荷する ことができる。 したが って、 この支点聞に粒界が位置す
れば均一な外力を負荷することができる。 そこで、 粒界破壊強度は 次式のような最大繊維応力σとひずみ εを用い て評価した(40)。
σ-4dw
x2y (3-3)
ε= 27生
68d2 (3-4)
ここで、 dは内部 支点間距離、 wは荷重、 xは試験片の厚さ、 yは試 験片の幅、 hは試験片中央部の変位であり、 クロスヘッドの変位を
用いた。
また、 破面形態を観察するため、 破壊強度試験後、 破面の光学顕 微鏡観察を行った。 このとき、 破 壊が粒界を起点として起こってい ること、 および純化材についてはその破面に 炭化物等の析出物がな いことを確認した。
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透過電子顕微鏡観察
透過電子 顕微鏡観察 用薄膜試料の作製法は以下の通りである。 ま ず、 双結晶試料(直径約10mm戸、 長さ約1.5mm)を3軸ゴニオメーター にセットし、 X線背面反射ラウ工法を用いて方位制御を行った。 そ の後、 低速ダイヤモンドカッターを用いて共通回転軸<001>方向に
垂直、 すなわち粒界面に垂 直に厚さ約500μmの薄板を切り出した。
さらに、 つば付き研磨冶具(53)を用いて非240---#800のSiC耐水ペー パーで 厚さ 約100μm になるまで機械 研磨を行った後、 放電加工機 を用いて 3mm併の円盤状に打ち抜いた。 その後、 twin-jet電解研磨 法を用いて薄膜化した。 電解研磨液には、 メタノール、 硫酸、 塩酸 が容積比で7 3:20:7の混合液を用い、 電圧20V、 電流40mA、 温度約 250Kの条件下 で電解研磨した。 なお、 電解研磨液の冷却は、 研磨
液中に液体窒素を直接投入して行った。
また、 一部の試料に対しては不純物元素(炭素と酸素)の有無によ る粒界構造の変化を調べるため、 純化処理を行った。 試料は双結晶 より切 り出し、 厚さ約200μmまで機械研磨を行った。 その後、 前
透過電子顕微鏡 観察には、 九州大学総合理工学研究科のトップエ ントリー型のJEOL-JEM2000EX/T(加速電圧200kV)を用いた。 高 分解能観察は、 共通回転軸<001>方向に平行、 すなわち電子線を粒 界面と平行となる方向から入射し、 粒界を挟む両結晶が同時にプラツ グ条件を満足する条件で行った。 また、 粒界面上の転位列の観察は、
試料を可能な限り傾斜させ、 結晶粒のいずれか一方のみが二波励起 状態になるような条件 下で行った。
また、 微少領域電子線回折法によって粒界面上の原子配列の周期 性の検討を行った。 用いた電子顕微鏡は、 九州大学超高圧電子顕微 鏡室の電界放出型電子銃を装着した JEOL-JEM201 OF(加速電圧 200kV)である。 電子線回折図形は、 高分解能観察同様、 電子線を 共通回転軸である<001>方向に平行となる方向から入射し、 粒界面 上でビームを約3nm程度まで絞ることによって得た。 なお、 回折図
形の撮影には、 イメージングプレートを用い、 撮影時間約0.3 sの条 件下で行った。
3 - 2
炭化チタンく110>対称、傾角粒界
3 - 2 -
1 単結晶の作製
炭化チタンの単結晶試料 の作製はFZ法(54)により行った。 以下に 作製手)11買を簡単に説明する。
日本新金属株式会社より供与された平均粒度1 .2μmのTiC 1.0粉末 (純度97.3%)を静水圧プレスにより圧縮成形し、 直径約12mm、 長 さ約170mmの丸棒圧粉体を作製した。 得られた圧粉体は、 水分およ
ぴガス除去を兼ねて真空中、 温度約1 500 Kの条件 下で7.2 ksの予備 焼結を行った。 その後、 高周波誘導 加熱凝固装置(国際電気(株)梨、
最高出力40kW)を用いて、 約0.3MPaの高純度ヘリウムガス(純度 99.99 99%)雰囲気中、 温度約3000K(0.8T m : T mはTiCの融点)の条 件下で本焼結を行った。
TiCの単結晶の育成(54)は、 高周波誘導加 熱凝固装置を用い、 上述 の高純度Heガス約0.3MPaの雰囲気中 でFZ法により行った。 このと きの単結品の育成は、 最初の10.8ksは種結晶を育成さ せるために 約
5mm/hの速度で移動させ、 その後約10mm/hの速度で行った。
また、 TiC-1Omol %Mo固溶体単結晶試料は、 上述の日本新金属株 式会社より供与されたTiC 1.0粉末に、 高純度Mo粉末(純度99.9%)を 目的組成となるよう添加し、 乳鉢で十分撹祥混合し 後、 上述した TiCと同じ手順で圧縮成形、 予備焼結、 本焼結を行い、 FZ法により 単結晶を育成した。
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双結晶試料の作製
< 11 0>対称、傾角粒界を有する炭化チタン双結晶 試料は、 固相加圧
接合法により作製した。 以下に、 その作製手順を説明する。
まず、 FZ法により得られた単結品試料をゴニオメーター上にセッ トし、 低速ダイヤモンドカッターを用いてl組の面が(110)となる ように直 方体を切り出した。 その後、 この(1 10)面 に垂直な(1 10)面 が、 接合面と戸j2(戸は目的傾角)となるように接合面を切り出した。
た。
以上のようにして方位制御した単結晶試料は、 圧縮面と接合面の 平行性、 平滑性を良くするため、 つば付き研磨冶具(53)に固定し、
Si C耐水ペーパーで機械研磨した。 その後、 粒径1 .0μmのダイアモ ンドペース トを用いてバフ研磨を行い、 鏡面仕上げした。 得られた 接合用試料は、 接合直前に10%程度のフッ酸水溶液中で、 接合面の 酸化物や不純物の除去を行った後、 アセトンで洗浄し、 温風で乾燥 させた。 その後、 直ちに界面を重ね合わせ、 メンデイングテープで 固定し接合に供した。
接合には、 電気油圧式圧縮 試験機(島津製作所製サーボパルサ
EHF2型) を用いた。 図3- 6に示すような接合用の 試験片をTiC製 (TiC-8.5mol%Mo ・3.5mol%WC焼結体)の圧縮冶具にセットした。
加熱 は、 タング ステン裂のサ スセプター を用い、 高周波誘
導加熱により間接的に行った。
試料 温度は、 サスセプターの 表面温度を2色式光高温計(千 野製作所製)を用いて測定した。
接合は、 約3.0mP aの真空中、
温度約2270Kで25--30M Pa (降伏応力(55)の約1/2 ) の負荷
状態で1.8 K s間保持した。 そ の後、 加 圧によるひずみを除 去するとともに粒界 を熱平衡
状態にするために、 温度約
粒界 ( 110)
合p
図3・6 炭化チタンく110>双結晶試験片.
2270 K で除荷後、 さらに約 7.2 ksの焼なましを行い 、 双結晶試料を 作製した。
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透過電子顕微鏡観察
透過電子顕微鏡観察用薄膜試料作 製のため、 得られた双結晶試料 から両結晶の膜面が(110) 面となるように[1 10]回転軸に垂直に低速 ダイヤモンドカッターで約100μmの厚さの薄板を切断した。 その 後、 粒界が直径を通るように放電加工機で3mm併の円盤状に打ち抜 き、 これをつば付き研磨冶具(53)に固定し、 #240のSi C耐水ペーパー
で約50μmの厚さになるまで機械研磨し、 さらにTwin-jet電解研磨 法で薄膜化した。 電解研磨液には、 過塩素酸、 ブタノール、 メタノー
ル、 を容積比で1: 4: 1 0の割合で混合したものを用い、 電流30mA、
電圧30...40V、 温度230Kの条件で電解研磨した。
透過 電子顕 微鏡 観察に は、 JE 0 L - J E M 2 00 0 E X /T (加速電圧 200kV )を用いた。 高分解能観察および低倍に おける粒界転位列の観 察は、 上述のモリブデンと同様の方法 で 行った。