衝撃破壊の瞬間、材料に何が起こるのか――パルスX線の応用でナノ秒間に起こる現象の目撃に成功 KEKら

高エネルギ－加速器研究機構（KEK）は2019年5月23日、熊本大学や東京工業大学らと共同で、KEKの放射光実験施設「フォトンファクトリー・アドバンストリング（PF-AR）」を用いて、金属内に伝搬する衝撃波によってナノ秒（1ナノ秒＝10億分の1秒）の間に進行する金属組織の微細化を直接観測することに成功したと発表した。

物質の破壊において最も短時間で起こる破壊が衝撃波による「衝撃破壊」であり、衝撃波は高速衝突や爆発、火山噴火、雷などによって発生することが知られている。特に高圧の衝撃波は1km毎秒以上の高速で物質に伝搬し、材料内部を不均一に後戻りできない状態に破壊する。現代社会で安全な生活を送るためには衝撃破壊の正確な計測が必要だが、衝撃波は音速で伝搬するため破壊は一瞬のうちに起き、不均一かつ非常に複雑だ。そのため、衝撃波内の破壊現象についての評価は難しく、衝撃破壊前と後の物質を見比べて想像するしかなかった。

今回、共同研究グループは衝撃破壊の瞬間を実際に見るため、純アルミニウム箔内の金属組織の衝撃破壊による微細化に注目。KEKの放射光実験施設PF-ARに建設された「ビームラインNW14A」の時間分解X線回折とナノ秒のパルス幅を持つ高強度レーザーを組み合わせた実験を考案し、衝撃波進展にともなう金属組織のマイクロメートルサイズからナノメートルサイズへの変化を定量的に解析。衝撃破壊にともなう金属組織の微細化をパルス状の硬X線により直接捉えることに成功した。

衝撃波が引き起こす高速破壊現象による金属組織の微細化過程を理解することは、これまで極めて困難だった衝撃破壊の評価を可能にするだけでなく、レーザーピーニングなどに代表される、衝撃波を利用した組織微細化加工への応用が期待できるとしている。

衝撃破壊の瞬間、材料に何が起こるのか――パルスX線の応用でナノ秒間に起こる現象の目撃に成功　KEKら