圧力制御による超高強度アルミニウム合金の開発

• Project/Area Number: 19J01767
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 26050:Material processing and microstructure control-related
• Research Institution: Yokohama National University
• Principal Investigator: 増田 高大 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: アルミニウム合金 / 固溶強化 / 時効析出 / 高圧力 / 巨大ひずみ加工 / 析出強化 / 圧力制御 / 固溶限拡大 / 結晶粒微細化

Outline of Research at the Start

本研究では、アルミニウム合金の材料強化手段に圧力パラメーターを新たに取り入れ、固溶量と析出量を同時に増大した高強度時効硬化型アルミニウム合金の開発を目指す。まず、高圧下での状態図を計算科学により予測し、これをもとに圧力付与の状態で溶体化処理を行い溶質原子の固溶量を増大させる。次に、巨大ひずみの導入を利用した組織制御技術を用い、結晶粒を超微細化する。その後の時効処理にも圧力因子を取り入れ、原子拡散速度を制御することで析出粒子を微細分散させる。また、SPring-8の高輝度X線を利用したその場観察法により、高圧下で生じる原子挙動を明確化し、圧力因子を取り入れた強化原理を構築することも目標とする。

Outline of Annual Research Achievements

前年度までに、Al-Cu系合金にて固溶量を11.5%に増大でき、固溶強化と析出強化により最大で206 HVに高強度化できることを示した。今年度は、高圧ねじり（HPT）加工を用いた結晶粒微細化により、さらなる高強度化を試みた。
HPT加工は、直径2 mmの試料においてもひずみを効果的に導入するため、リング状の真鍮材料に試料を埋め込んだ状態で実施した。これにより、10回転の加工で最大30の相当ひずみを導入可能となった。その結果、硬さは試料外周部で227 HVとなり、結晶粒微細化により大幅な強度向上が達成できた。かつ相当ひずみ10以上の導入で、定常状態となることが明らかとなった。その後80℃で時効を行うことで、硬さはさらに向上し最大で235 HVとなった。これらはいずれもAl-4%Cu材にHPT加工を施した際の強度を上回っており、固溶量増大で一層の高強度化に繋がることが明らかとなった。しかし、時効硬化量に着目すると、固溶量を増大した効果はみられず8 HV程度であった。これは時効中に析出物形成ではなく粒界偏析が促進されたためと考えられる。すなわち、Al-Cu系では偏析元素はAlよりも原子半径の小さなCuのみであるため、小角粒界の応力場を効果的に緩和出来ず、高強度化にあまり寄与しなかったことが示唆された。また引張試験は、微小電子機械システム(MEMS)を用いたマイクロ引張試験により行った。これにより、高圧下における固溶量増大とHPT加工の併用で、引張強度も710 MPaに高強度化できることが明らかとなった。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Electrical conductivity characterized at varying strains in spiral cut high-pressure torsion discs (2022)
  • Author(s): Ramos Evander、Masuda Takahiro、Horita Zenji、Mathaudhu Suveen
  • Journal Title: Materials Letters Volume: 313 Pages: 131770-131770
  • DOI: 10.1016/j.matlet.2022.131770
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] <i>In Situ</i> Synchrotron X-ray Analysis: Application of High-Pressure Sliding Process to Ti Allotropic Transformation (2021)
  • Author(s): Horita Zenji、Maruno Daisuke、Ikeda Yukimasa、Masuda Takahiro、Tang Yongpeng、Arita Makoto、Higo Yuji、Tange Yoshinori、Ohishi Yasuo
  • Journal Title: MATERIALS TRANSACTIONS Volume: 62 Issue: 2 Pages: 167-176
  • DOI: 10.2320/matertrans.MT-M2020314
  • NAID: 130007974693
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • Year and Date: 2021-02-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Homogeneous Strain Introduction Using Reciprocation Technique in High-Pressure Sliding (2021)
  • Author(s): Masuda Takahiro、Fujimitsu Kazushige、Sumikawa Kosei、Kajita Takahiro、Tang Yongpeng、Hirosawa Shoichi、Takizawa Yoichi、Yumoto Manabu、Otagiri Yoshiharu、Horita Zenji
  • Journal Title: Metallurgical and Materials Transactions A Volume: 52 Issue: 9 Pages: 3860-3870
  • DOI: 10.1007/s11661-021-06347-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phase transformations in Al-Ti-Mg powders consolidated by high-pressure torsion: Experiments and first-principles calculations (2021)
  • Author(s): Tang Yongpeng、Murayama Mitsuhiro、Edalati Kaveh、Wang Qing、Iikubo Satoshi、Masuda Takahiro、Higo Yuji、Tange Yoshinori、Ohishi Yasuo、Mito Masaki、Horita Zenji
  • Journal Title: Journal of Alloys and Compounds Volume: 889 Pages: 161815-161815
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.161815
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Grain refinement and superplasticity of Inconel 718 processed by Multi-Pass High-Pressure sliding (2021)
  • Author(s): Tang Yongpeng、Edalati Kaveh、Masuda Takahiro、Takizawa Yoichi、Yumoto Manabu、Horita Zenji
  • Journal Title: Materials Letters Volume: 300 Pages: 130144-130144
  • DOI: 10.1016/j.matlet.2021.130144
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Continuous high-pressure torsion of pure Al and Al-2?wt% Fe alloy using multi-wires (2021)
  • Author(s): Masuda Takahiro、Hirosawa Shoichi、Horita Zenji
  • Journal Title: Journal of Materials Science Volume: 56 Issue: 14 Pages: 8679-8688
  • DOI: 10.1007/s10853-020-05484-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synchrotron X-ray diffraction observation of phase transformation during annealing of Si processed by high-pressure torsion (2021)
  • Author(s): Ikoma Yoshifumi、Yamasaki Terumasa、Masuda Takahiro、Tange Yoshinori、Higo Yuji、Ohishi Yasuo、McCartney Martha R.、Smith David J.、Horita Zenji
  • Journal Title: Philosophical Magazine Letters Volume: - Issue: 6 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1080/09500839.2021.1905192
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Achieving highly strengthened Al?Cu?Mg alloy by grain refinement and grain boundary segregation (2020)
  • Author(s): Masuda Takahiro、Sauvage Xavier、Hirosawa Shoichi、Horita Zenji
  • Journal Title: Materials Science and Engineering: A Volume: 793 Pages: 139668-139668
  • DOI: 10.1016/j.msea.2020.139668
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mechanical properties and electrical conductivity of ultrafine-grained aluminum consolidated by high-pressure sliding (2020)
  • Author(s): Tang Yongpeng、Komatsu Takuya、Masuda Takahiro、Arita Makoto、Takizawa Yoichi、Yumoto Manabu、Otagiri Yoshiharu、Horita Zenji
  • Journal Title: Materialia Volume: 14 Pages: 100916-100916
  • DOI: 10.1016/j.mtla.2020.100916
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Grain Refinement of AZ31 and AZ61 Mg Alloys through Room Temperature Processing by UP-Scaled High-Pressure Torsion (2019)
  • Author(s): Masuda Takahiro、Horita Zenji
  • Journal Title: MATERIALS TRANSACTIONS Volume: 60 Issue: 7 Pages: 1104-1110
  • DOI: 10.2320/matertrans.M2018308
  • NAID: 130007666636
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • Year and Date: 2019-07-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Production of Superplastic Ti–6Al–7Nb Alloy Using High-Pressure Sliding Process (2019)
  • Author(s): Watanabe Kyohei、Ashida Maki、Masuda Takahiro、Kral Petr、Takizawa Yoichi、Yumoto Manabu、Otagiri Yoshiharu、Sklenicka Vaclav、Hanawa Takao、Horita Zenji
  • Journal Title: MATERIALS TRANSACTIONS Volume: 60 Issue: 9 Pages: 1785-1791
  • DOI: 10.2320/matertrans.ME201924
  • NAID: 130007695408
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • Year and Date: 2019-07-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of Grain Refinement and Predeformation Impact by Severe Plastic Deformation on Creep in P92 Martensitic Steel (2019)
  • Author(s): Sklenicka Vaclav、Kral Petr、Dvorak Jiri、Takizawa Yoichi、Masuda Takahiro、Horita Zenji、Kucharova Kveta、Kvapilova Marie、Svobodova Marie
  • Journal Title: Advanced Engineering Materials Volume: 22 Issue: 1 Pages: 1900448-1900448
  • DOI: 10.1002/adem.201900448
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 高圧下における溶体化処理を利用した時効硬化型アルミニウム合金の高強度化 (2022)
  • Author(s): 増田高大, 廣澤渉一, 堀田善治, 新名亨, 入舩徹男, 肥後祐司, 丹下慶範, 大石泰生
  • Organizer: 第8回愛媛大学先進超高圧科学研究拠点（PRIUS）シンポジウム
• [Presentation] 高圧下における固溶過程を活用した高強度化 (2021)
  • Author(s): 増田高大, 廣澤渉一, 堀田善治, 新名亨, 入舩徹男, 肥後祐司, 丹下慶範, 大石泰生
  • Organizer: 高強度アルミニウム合金研究部会・第14回研究会
  • Invited
• [Presentation] Al-Cu合金の高圧下における固溶過程のその場観察と固溶限拡大を活用した高強度化 (2021)
  • Author(s): 増田高大, 廣澤渉一, 堀田善治, 新名亨, 入舩徹男, 肥後祐司, 丹下慶範, 大石泰生
  • Organizer: 第141回軽金属学会
• [Presentation] Ultra-high strengthening of A2024 alloy by grain refinement and grain boundary segregation (2021)
  • Author(s): T. Masuda, X. Sauvage, S. Hirosawa, Z. Horita
  • Organizer: 32nd Canadian Materials Science Conference 2021 (CMSC2021)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 時効硬化型アルミニウム合金の固溶量と析出挙動に及ぼす高圧力の影響とその場解析 (2020)
  • Author(s): 増田高大, 廣澤渉一, 美藤正樹, 堀田善治, 新名亨, 入舩徹男, 肥後祐司, 丹下慶範, 大石泰生
  • Organizer: 第138回軽金属学会
• [Presentation] Al-Cu合金における固溶量と析出現象に及ぼす高圧力の効果 (2020)
  • Author(s): 増田高大, 廣澤渉一, 堀田善治, 新名亨, 入舩徹男, 肥後祐司, 丹下慶範, 大石泰生
  • Organizer: 軽金属学会関東支部第7 回若手研究者ポスター発表会
• [Presentation] Impact of high-pressure thermal process on solid solubility and precipitation in age-hardenable aluminium alloys (2020)
  • Author(s): T. Masuda, S. Hirosawa, Z. Horita, T. Shinmei, T. Irifune, Y. Higo, Y. Tange, Y. Ohishi
  • Organizer: The 17th International Conference on Aluminum Alloys (ICAA17)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 時効硬化型アルミニウム合金の高圧下での固溶限拡大を利用した高強度化 (2020)
  • Author(s): 増田高大、廣澤渉一、堀田善治、新名亨、入舩徹男、肥後祐司、丹下慶範、大石泰生
  • Organizer: 第166回日本金属学会
• [Presentation] 巨大ひずみ加工と時効処理の併用で作製した 1GPa 級高力A2024合金の機械的特性とナノ組織観察 (2019)
  • Author(s): 増田高大
  • Organizer: 材料の微細組織と機能性第133委員会第244回研究会
• [Presentation] 超高強度アルミニウム合金の開発を目指して (2019)
  • Author(s): 増田 高大、Xavier Sauvage, 堀田 善治
  • Organizer: 電子顕微鏡による先端材料の組織・構造解析に関するシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 時効硬化型アルミニウム合金における固溶量と析出現象に及ぼす高圧力の影響 (2019)
  • Author(s): 増田高大、廣澤渉一、堀田善治、有田誠、新名亨、入舩徹男、肥後祐司、丹下慶範、大石泰生
  • Organizer: 第60回高圧討論会
• [Patent(Industrial Property Rights)] 金属組織変化計測方法及び金属組織変化計測装置 (2020)
  • Inventor(s): 増田高大、堀田善治、美藤正樹
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人九州工業大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2020