日本理化學(xué)研究所成功開(kāi)發(fā)出了使數(shù)μm級(jí)顯微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可視化的連續(xù)截面切削觀察系統(tǒng)“Riken Micro Slicer System-003”。利用該系統(tǒng)，可觀察到鋼材內(nèi)部數(shù)十μm的夾雜物等利用X射線難以觀察到的物體。這是以理研知識(shí)財(cái)產(chǎn)戰(zhàn)略中心生物基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)小組 客座研究員、北海道大學(xué)助教藤崎和弘以及小組組長(zhǎng)橫田秀夫?yàn)橹行牡难芯啃〗M研發(fā)出的成果。
　　

　　
　　圖1-1：新開(kāi)發(fā)的顯微鏡系統(tǒng)“Riken Micro Slicer System-003”。
　　
　　圖1-2：系統(tǒng)中擴(kuò)大切削裝置和光學(xué)顯微鏡的地方。
　　
　　圖1-3：系統(tǒng)的構(gòu)成。
　　
　　圖2：觀察軸承內(nèi)部夾雜物的實(shí)例。右側(cè)三維模型還可再現(xiàn)數(shù)μm的突起。
　　

　　工業(yè)材料的破壞和疲勞性能取決于因材料內(nèi)部構(gòu)造而產(chǎn)生的應(yīng)力集中和局部變形。已經(jīng)得知尤其是在負(fù)荷反復(fù)作用的環(huán)境下，材料內(nèi)部的夾雜物、間隙 以及晶界和缺陷等顯微結(jié)構(gòu)會(huì)成為產(chǎn)生裂紋的起點(diǎn)。但是，材料內(nèi)部存在什么樣的夾雜物、夾雜物與裂紋的產(chǎn)生有何關(guān)系卻尚不清楚。如果能觀察到夾雜物的形狀、 分布以及裂紋的擴(kuò)展形態(tài)，便可探明和預(yù)測(cè)材料破壞現(xiàn)象。
　　
　　觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法有X射線顯微CT拍攝。X射線顯微CT拍攝根據(jù)穿透材料內(nèi)部的X射線的衰減來(lái)推定內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這樣一來(lái)，如果是X射線難以穿 透的材料，在能夠測(cè)量的厚度方面便有限制。因此，在觀察這類(lèi)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，要采用切斷試樣、對(duì)截面進(jìn)行鏡面加工然后通過(guò)顯微鏡進(jìn)行觀察的截面觀察法。 這種觀察法通過(guò)邊一點(diǎn)點(diǎn)地切削表面邊進(jìn)行觀察的方式，獲得內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù)（連續(xù)切片法）。
　　
　　不過(guò)，這種方法需要花費(fèi)人力和時(shí)間來(lái)研磨各個(gè)截面，涉及到多個(gè)截面的調(diào)查就難以進(jìn)行。另外，要重疊截面圖像并使之實(shí)現(xiàn)三維化，就需要糾正拍攝 圖像間的位置偏差、準(zhǔn)確掌握深度方向的信息——研磨厚度。因此，通常需要將各個(gè)截面的定位記號(hào)、以及作為研磨深度指針的記號(hào)標(biāo)明在試樣截面上。盡管如此， 也還是難以在μm級(jí)的精度方面獲得三維信息。
　　
　　此次的研究采用了生物力學(xué)仿真研究小組開(kāi)發(fā)的三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯微鏡“Riken Micro Slicer System-001/002”。該顯微鏡專(zhuān)門(mén)用于觀察生物組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，反復(fù)觀察樣本的切斷和截面，以調(diào)查樣本內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)。可將其用于觀察最硬的 生物組織牙齒和骨頭以及用作工業(yè)材料的塑料和金屬，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出了Riken Micro Slicer System-003（圖1）。
　　
　　新系統(tǒng)擁有不到±1μm的定位精度，因此無(wú)需糾正拍攝圖像間的位置。因而可自動(dòng)在多個(gè)截面間實(shí)施金屬材料的鏡面加工和顯微鏡觀察。新系統(tǒng)導(dǎo)入了基于高速旋轉(zhuǎn)主軸的精密切削技術(shù)，能夠以每個(gè)截面一分鐘的速度觀察鋁合金和銅等金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
　　
　　一般情況下，基于精密切削的鏡面加工多采用單結(jié)晶金剛石工具。但是，金剛石工具和鐵類(lèi)材料難以兼容，一切割就會(huì)立即磨損工具，很難生成顯微鏡 觀察所需要的鏡面。因此，新系統(tǒng)在鋼鐵材料的鏡面生成中采用了超聲波橢圓振動(dòng)切削法（通過(guò)超聲波振動(dòng)讓工具刀頭沿著橢圓軌道運(yùn)動(dòng)并切削，從而減輕刀頭磨損 的方法）。這樣一來(lái)，便可觀察到軸承等高強(qiáng)度鋼材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
　　
　　研究小組采用新系統(tǒng)觀察了位于軸承內(nèi)部的數(shù)十μm夾雜物。試樣將軸承切割成了3×3×20mm的棱形。事先通過(guò)超聲波探傷法確認(rèn)了內(nèi)部（離表 層 0.1～0.2mm左右）的夾雜物。新系統(tǒng)的分辨率在觀察面上為每像素0.8×0.8μm，在取決于切削厚度的深度方向?yàn)?μm（已經(jīng)證實(shí)最大分辨率達(dá)到 0.1×0.1×0.5μm）。觀察截面的數(shù)量為200個(gè)時(shí)，切削過(guò)程中不需要因刀頭磨耗或破損而更換工具。利用該系統(tǒng)的鏡面加工采用工具反復(fù)進(jìn)行相對(duì)往 復(fù)運(yùn)動(dòng)的刨削法，通過(guò)導(dǎo)入每個(gè)往復(fù)切削面積較大的刀頭形狀的工具，可在3×3mm的觀察面加工中實(shí)現(xiàn)每個(gè)截面兩分鐘的高速化。在該觀察中，通過(guò)將夾雜物的 截面圖像和輪廓形狀三維化，便可看到大小為數(shù)μm的突起以及表面帶有較小凹凸的夾雜物（圖2）。
　　
　　由此新系統(tǒng)便可根據(jù)數(shù)字化的形狀數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算體積和表面積。另外，精密切削從試樣表面以準(zhǔn)確的厚度進(jìn)行切削，因此根據(jù)圖像數(shù)量便可知道夾雜物的深度。通過(guò)重組圖像，還可準(zhǔn)確再現(xiàn)夾雜物的三維位置以及多個(gè)夾雜物間的距離等。
　　
　　截面觀察法是讓內(nèi)部結(jié)構(gòu)露出表面，因此不僅可用于顯微鏡觀察，還可用于結(jié)構(gòu)性能調(diào)查等。如果將夾雜物的元素分析和晶粒的取向調(diào)查與截面觀察同 時(shí)使用，便可準(zhǔn)確獲得材料內(nèi)部的非均勻性分布，并在計(jì)算機(jī)中再現(xiàn)。另外，還可推廣應(yīng)用到根據(jù)三維模型而進(jìn)行的體積、表面積和縱橫比等形狀參數(shù)計(jì)算、以及利 用了理研正在開(kāi)發(fā)的VCAD系統(tǒng)等的力學(xué)仿真中，因此有望通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部的應(yīng)力解析。今后，除了夾雜物的形態(tài)外，還將詳細(xì)調(diào)查裂紋的擴(kuò)展形態(tài) 和內(nèi)部性能的分布，有望開(kāi)發(fā)出可解析此前尚未弄清的材料破壞現(xiàn)象的新技術(shù)。