破面のミクロ観察は通常走査型電子顕微鏡によって行われています。破壊には結晶粒界に沿って亀裂が進行する粒界破壊と結晶粒内を進行する粒内破壊があります。

粒界破壊によって生じる破面形態には種々の破面が存在しますが、その多くはぜい性破面です。最も一般的な破面は図１に示すように、結晶粒界に沿った比較的単純な形態をしており、他の破面に比べて見分けがつきやすいのが特徴です。結晶粒の粗大化、水素ぜい化や応力腐食、低温ぜい性や焼戻ぜい性による割れなどは、この形態のことが多いようです。また、延性破面の場合は粒界破面上にディンプルが、疲労破面の場合は粒界破面上にストライエーションが観察されます。

図１　一般的な粒界破面

粒内破壊の破面は、その種類によって特徴的な模様を呈しています。その特徴としては、延性破面であればディンプル、ぜい性破面であればリバーパターン、疲労破面であればストライエーションなどが観察されます。

(1) 延性破面

延性破面が生じる場合には、破面の周辺には伸びや絞りなどの塑性変形をともなうことが多く、破壊機構としては図２に示すような微小空洞の合体の様相を呈します。空洞の合体はディンプルとよばれ、その空洞の核になるものは析出物や非金属介在物です。したがってディンプルの大きさは、これらの大きさや間隔によって決まるものであり、ディンプルの深さは基材の延性が高いものほど深くなります。

図２　粒内破壊(ディンプル)

(2) ぜい性破面

ぜい性破面が生じる場合は、破面の周辺には塑性変形は観察されません。ぜい性材料の破壊の場合は当然生じるものであり、たとえ延性材料であっても衝撃的な応力負荷、低温領域での破壊、切欠き部からの破壊などの場合にもよく生じる破面です。このときの破面形態は図３に示すように、結晶粒のへき開面であるへき開ファセットとリバーパターンから形成されています。しかし、実製品の破面は図４に示すように、不鮮明なリバーパターン模様の場合が多く、これは擬へき開破面と呼ばれています。

図３　粒内破壊(へき開破面)

図４　粒内破壊(擬へき開破面)

(3) 疲労破面

ミクロ的な疲労破面の特徴は、図５に示すように連続的に平行したしま模様が観察されることです。このしま模様はストライエーションとよばれ、負荷される応力の1サイクル単位で形成されたものです。したがって、このストライエーションの間隔や本数を測定することによって負荷された応力の大きさやき裂の進展速度を推定することもできます。

図５　粒内破壊(ストライエーション)

また、破壊によって生じたものではありませんが、疲労破面のなかにタイヤトラックとよばれる模様が形成されることもあります。タイヤトラックとは、破面の相対する側の硬質の介在物や突起などが連続して押し付けられて形成された模様のことです。この模様は図６に示すように、タイヤの跡に似通っていることからタイヤトラックまたはキャタピラの跡にも似通っていることからキャタピラパターンともよばれています。

図６　粒内破壊(タイヤトラック)

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