金属疲労が自己修復――微小疲労亀裂が消失する現象を発見

Image by Dan Thompson

米サンディア国立研究所とテキサスA&M大学の共同研究チームが、繰返し負荷を受ける金属において発生する微小疲労亀裂が、自然に再閉合して消失する現象の観察に初めて成功した。応力や変形の繰返しによって微小疲労亀裂が形成され、亀裂は時間とともに成長拡大して最終的に破断に至るというのが、従来の金属科学における定説であり、亀裂進展が反転して消失する自己修復現象の発見はこれを覆すものだ。メカニズムが解明され、エンジンや橋梁、航空機における疲労亀裂制御が可能になれば、安全性や耐久性、寿命の向上に繋がると期待している。研究成果が、2023年7月19日に『Nature』誌に公開されている。

電子機器のはんだ接合からエンジンや橋梁、航空機に至るまで、さまざまな機器における金属構造では、応力や変形の繰返しによって微小疲労亀裂が形成され、時間とともに進展し、やがては破断に至るまで拡大する。

その結果、機器全体の損傷や破壊が発生する。研究チームによると「機器の交換費用や時間損失、場合によっては怪我や人命損失が避けられない。その経済的影響は、毎年アメリカにおいて数千億ドルにも上る」という。

これまでに、疲労亀裂を自己修復する材料も提案されてきたが、その大半はプラスチック材料に関するものであった。「金属中の疲労亀裂は大きくなることはあっても、小さくなることはないと考えられてきた。亀裂成長を記述する基本理論式においても、自己修復プロセスの可能性は排除されてきた」と説明する。

一方で2013年に、コンピュータシミュレーションにおける知見を基に、金属においても特定条件下で微小亀裂が再閉合する可能性があるとする新しい理論が、現在テキサスA&M大学の教授であるMichael Demkowicz氏により発表されたが、実験的には検証されていなかった。

サンディア国立研究所の材料科学者Brad Boyce氏が指導する共同研究チームは、Demkowicz教授の理論を裏付ける実験結果を偶然に発見した。研究チームは、白金における微小疲労亀裂の形成拡大過程を、電子顕微鏡の中で試験片を毎秒200回繰返し引っ張ることができる独自の開発技術を用いて研究していたが、実験開始の約40分後に亀裂先端の1つが成長進展プロセスを反転するように自発的に再閉合し、亀裂の痕跡が消失するのを発見、これが以前に理論化したものと同じであることを実証した。研究チームは、疲労亀裂の再閉合は、ナノスケールの応力状態と結晶粒界移動の組合せによって誘起されると考えている。

「微小疲労亀裂の自己修復現象が、ナノ結晶において真空中で発生することが明らかになったが、通常の金属で大気中において発生するかどうか判らない」など、未だ不明な点は多い。だが、「この発見は材料科学の最前線における大きな前進だ。どの程度現実的な条件下で一般化できるかが、今後の研究課題になる」と、研究チームは期待する。

金属疲労が自己修復――微小疲労亀裂が消失する現象を発見