試験・調査報告

試験・調査報告●解説コーナーEBSD法による結晶解析技術の活用例1.はじめに金属の性質を特長づける結晶構造や結晶方位は、これまでさまざまな手法で調査されてきました。その中に、EBSD法(ElectronBackScatteredDiffractionpattern)と呼ばれる技術があり、ここ20年ほどの間に広く活用されるようになりました。今回は、まず金属における結晶構造や結晶方位について概説し、その後、EBSD法による結晶解析技術およびその活用事例について紹介します。2.金属材料の構成2-1.結晶および結晶構造とは原子、イオンあるいは分子が規則的に並び、積み重なった固体を結晶と呼びます。我々が普段手にしている金属のほとんどは、金属原子の結晶が複数集まってできた多結晶体です。この多結晶体を構成する1つ1つの結晶を結晶粒と呼び、その結晶の構造を、結晶構造といいます。2-2.相とは純鉄の場合、固体の状態であっても温度や圧力によって図1に示す体心立方晶または面心立方晶の2種類の結晶構造をとることができます。鉄において、図1左の体心立方晶を取るものをフェライト相と呼び、図1右の面心立方晶を取るものをオーステナイト相と呼びます。水を例にあげると、同じ物質でも水蒸気、水、氷のように異なる相(気相、液相、固相)として扱うのと同様に、結晶構造の異なる2種類の固体の鉄も、それぞれを異なった相として扱います。このオーステナイト相およびフェライト相は、鋼にも存在し、鋼の特長に大きく影響します。例えば、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接の際に発生する高温割れは、凝固過程において、P、Sなどの低融点化合物がオーステナイト粒界や柱状晶粒界に偏析するために生じやすいのですが、オーステナイト相中にフェライト相が数%存在するように溶接材料や溶接条件を調整すると、高温割れを抑制できます。この理由の1つは、フェライト相はオーステナイト相に比べ、PやSなどの有害元素を結晶内に多く取り込み、偏析を軽減させるためといわれています。なお、鋼のような合金の場合、温度や圧力のみならず、成分の変化で相が変化することがあります。2-3.結晶方位とは結晶の向きを結晶方位といい、結晶粒と結晶粒の境界のことを結晶粒界といいます。図2に結晶方位と結晶粒界の模式図を示します。ここでは、結晶粒それぞれの結晶方位を格子の図形で示しています。一般的には、結晶粒間の方位の差が15以上となるような粒界を大傾角粒界、それ以下を小傾角粒界といいます。結晶構造、結晶粒のサイズ、結晶方位、相は、いずれも金属の性質に大きく影響します。そのため、材料を調査するうえで、結晶解析技術はとても重要です。結晶粒結晶粒界体心立方晶面心立方晶図1結晶構造の模式図図2結晶方位・結晶粒界の模式図192022Winter