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Microstructure Control and Property Enhancement Mechanism of Core-Shell Structure Reinforced Alloys with Combined Strength and Workability

Research Project

Project/Area Number 23H00237
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

土山 聡宏  九州大学, 工学研究院, 教授 (40315106)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 増村 拓朗  九州大学, 工学研究院, 准教授 (40804688)
奥山 彫夢  木更津工業高等専門学校, 電子制御工学科, 准教授 (50804655)
諸岡 聡  国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究副主幹 (10534422)
Project Period (FY) 2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥47,320,000 (Direct Cost: ¥36,400,000、Indirect Cost: ¥10,920,000)
Fiscal Year 2025: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2024: ¥24,700,000 (Direct Cost: ¥19,000,000、Indirect Cost: ¥5,700,000)
Fiscal Year 2023: ¥18,590,000 (Direct Cost: ¥14,300,000、Indirect Cost: ¥4,290,000)
Keywords結晶粒微細化 / 高強度 / 組織制御 / マルテンサイト / 元素分配 / コア-シェル組織 / 複相鋼 / TRIP効果 / 残留オーステナイト
Outline of Research at the Start

金属材料を強化するために「コア-シェル構造組織」の利用を試みる。このような第二相組織の制御によって、それを起点とする延性破壊が抑制されれば、均一伸びと局部伸びのトレード・オフ関係を打破し、高強度と高加工性を兼ね備えた新しい構造材料の創成が可能となる。本申請ではとくに、「部分マルテンサイト変態と二相域焼鈍からなる二段熱処理法」を発展させると共に、特性発現の機構を実験的・理論的に解明することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

1.コア-シェル組織を微細化・等軸化するには、IQ処理前のオーステナイト粒径を微細化することが有効であると考えられたため、まず対象材料であるFe-5%Mn-0.1%C合金を焼入後、種々の加工率で冷間圧延し、その後のオーステナイト化処理で生成する結晶粒径の変化を調査した。その結果、加工率が上昇するに伴い、マルテンサイト鋼の逆変態時に生じるオーステナイトメモリーが徐々に抑制され、30%以上の加工で結晶方位がランダム化し、得られる結晶粒径が50μmから5μmまで微細化することを確認した。それを初期組織として、続くIQ処理ならびにIA処理を行なった後に焼入れを行なった結果、ねらい通りの等軸で微細なコア-シェル組織が形成されることを明らかにした。
2.ナノDIC解析については、まずは従来のコア-シェル組織鋼に本手法を適用し、(コアシェル組織/母相フェライト)界面近傍の母相側の極微小な領域で優先的に塑性変形が生じていることを確認した。ただし、厚さ数十ナノメートルのシェル部での優先的塑性変形を観察するには、本手法ではFE-SEMの解像度的に難しいことが判明した。
3.まずは従来のコア-シェル組織鋼を用いて中性子線その場応力測定法を適用し、マルテンサイトとオーステナイト間の応力分配挙動を捉えることに成功した。その結果より、外力が約600 MPaに達したときにオーステナイト(シェル部)が塑性変形を開始することを明らかにした。
4.CP-FEMでは等軸コア-シェル組織近傍での塑性変形挙動や転位組織発達についてシミュレーションを行なった結果、オーステナイト部が塑性変形することで母相界面に生じる極大応力が緩和される傾向を再現することに成功した。同時に、母相部における塑性ひずみの不均一性もコア-シェル組織によって改善されることが確認された。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の予定通り、変態前の結晶粒径を微細化することによりコア-シェル組織を微細化および等軸化させることに成功している。とくに結晶粒の微細化の機構に関しては、結晶学的な考察を行なうことで論文として発表することもできた。優れた機械的性質を引き出すには、今後熱処理条件によって相比の最適化や草案訂正の制御が必要になるが、すでにDP鋼を上回る強度-伸びバランスは得られてており材料創製に関しては順調に進捗していると言える。解析の手法として利用する(1)ナノDIC解析、(2)中性子線その場応力測定、(3)CP-FEMについても手法は既に確立されており、目標とするデータも出始めている。とくに計算手法である(3)については順調に成果が得られており、等軸状コア-シェル組織の有用性を明確に証明することができている。

Strategy for Future Research Activity

令和6年度は、コア-シェル組織材の創製において適正な熱処理条件を見出すことが最も重要な課題となる。現状では、最終の焼入時に生成するマルテンサイト量が多すぎるため、強度は高いが延性が低く、コア-シェル組織の利点が十分に引き出せていない。IQ処理時点での未変態オーステナイト量を減じ、フレッシュマルテンサイトコア量の低減と残留オーステナイトシェル部の安定化を目指す。上記にも示した(1)~(3)の組織解析については、最適な対象材がなければ先に進めることができないので、上記の材料創製に最も力を入れて進める予定である。

Report

(2 results)
  • 2023 Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (25 results)

All 2024 2023

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 5 results) Presentation (19 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Characteristics of Non-uniform Deformation Behavior in Fe-10%Mn-0.1%C Alloy with Ultrafine-grained Multi-phase Martensitic Structure2024

    • Author(s)
      前田拓也、松田恭輔、高梨美咲、増村拓朗、土山聡宏、白幡浩幸、植森龍治
    • Journal Title

      Tetsu-to-Hagane

      Volume: 110 Issue: 3 Pages: 268-278

    • DOI

      10.2355/tetsutohagane.TETSU-2023-069

    • ISSN
      0021-1575, 1883-2954
    • Year and Date
      2024-02-15
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Reverse Transformation Behavior in Multi-phased Medium Mn martensitic Steel Analyzed by <i>In-situ</i> Neutron Diffraction2024

    • Author(s)
      Matsuda Kyosuke、Masumura Takuro、Tsuchiyama Toshihiro、Onuki Yusuke、Takanashi Misa、Maeda Takuya、Kawamoto Yuzo、Shirahata Hiroyuki、Uemori Ryuji
    • Journal Title

      Tetsu-to-Hagane

      Volume: 110 Issue: 2 Pages: 83-88

    • DOI

      10.2355/tetsutohagane.TETSU-2023-070

    • ISSN
      0021-1575, 1883-2954
    • Year and Date
      2024-02-01
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Effects of Retained Austenite upon Softening during Low-temperature Tempering in Martensitic Carbon Steels2024

    • Author(s)
      Uranaka Shohei、Takanashi Misa、Maeda Takuya、Masumura Takuro、Tsuchiyama Toshihiro、Kawamoto Yuzo、Shirahata Hiroyuki、Kobayashi Yukiko、Uemori Ryuji
    • Journal Title

      ISIJ International

      Volume: 64 Issue: 2 Pages: 449-458

    • DOI

      10.2355/isijinternational.ISIJINT-2023-100

    • ISSN
      0915-1559, 1347-5460
    • Year and Date
      2024-01-30
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Reverse Transformation Behavior in Multi-phased Medium Mn Martensitic Steel Analyzed by <i>in-situ</i> Neutron Diffraction2024

    • Author(s)
      Matsuda Kyosuke、Masumura Takuro、Tsuchiyama Toshihiro、Onuki Yusuke、Takanashi Misa、Maeda Takuya、Kawamoto Yuzo、Shirahata Hiroyuki、Uemori Ryuji
    • Journal Title

      ISIJ International

      Volume: 64 Issue: 2 Pages: 486-490

    • DOI

      10.2355/isijinternational.ISIJINT-2023-053

    • ISSN
      0915-1559, 1347-5460
    • Year and Date
      2024-01-30
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      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Effect of Initial Austenite Grain Size on Microstructure Development and Mechanical Properties in a Medium-carbon Steel Treated with One-step Quenching and Partitioning2023

    • Author(s)
      土山聡宏, 天野良則, 浦中祥平, 増村拓朗
    • Journal Title

      Tetsu-to-Hagane

      Volume: 109 Issue: 4 Pages: 344-353

    • DOI

      10.2355/tetsutohagane.TETSU-2022-111

    • ISSN
      0021-1575, 1883-2954
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      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 中Mn鋼の冷間圧延による結晶粒微細化メカニズム2023

    • Author(s)
      川原弘太郎、松田恭輔、増村拓朗、土山聡宏
    • Journal Title

      熱処理

      Volume: 63 Pages: 49-50

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      柴田歩武 奥山彫夢 土山聡宏
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      久保田一 高梨美咲 増村拓朗 土山聡宏 植森龍治 前田拓也 中村修一
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      日本鉄鋼協会第187回春季講演大会
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      高梨美咲 松田恭輔 増村拓朗 土山聡宏 植森龍治 前田拓也 中村修一
    • Organizer
      日本鉄鋼協会第187回春季講演大会
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    • Author(s)
      増村拓朗 土山聡宏
    • Organizer
      日本金属学会2024年春期第174回講演大会
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  • [Presentation] 中Mn鋼の逆変態挙動に及ぼす冷間圧延の影響2023

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      川原弘太郎 増村拓朗 土山聡宏
    • Organizer
      日本熱処理技術協会第95回春季講演大会
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  • [Presentation] Fe-5%Mn-0.1%Cの結晶粒微細化に及ぼす前加工の影響2023

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      川原弘太郎 増村拓朗 土山聡宏
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      諸岡聡
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      日本材 料学会第72期通常総会・学術講演会
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  • [Presentation] In-situ neutron diffraction study on reverse transformation behavior in multi-phased medium Mn martensitic steel2023

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      Kyosuke Matsuda, Misa Takanashi, Takuya Maeda, Takuro Masumura, Toshihiro Tsuchiyama, Yuzo Kawamoto, Hiroyuki Shirahata, Ryuji Uemori
    • Organizer
      Thermec'2023
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    • Author(s)
      Takuro Masumura, Keisuke Inami, Toshihiro Tsuchiyama, Shigenobu Nanba, Amane Kitahara
    • Organizer
      Thermec'2023
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      Misa Takanashi, Ryota Hidaka, Takuya Maeda, Takuro Masumura, Toshihiro Tsuchiyama, Hiroyuki Shirahata, Ryuji Uemori
    • Organizer
      Thermec'2023
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      高梨美咲 増村拓朗 土山聡宏 前田拓也 中村修一
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      石原一樹 松田恭輔 高梨美咲 増村拓朗 土山聡宏 植森龍治 前田拓也 中村修一
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      日本鉄鋼協会第186回秋季講演大会
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  • [Presentation] 10%Mn-0.1%C鋼の低温での破壊挙動に及ぼすMo添加の影響2023

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      久保田一 高梨美咲 増村拓朗 土山聡宏 植森龍治 前田拓也 中村修一
    • Organizer
      日本熱処理技術協会第96回秋季講演大会
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    • Author(s)
      Toshihiro Tsuchiyama
    • Organizer
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      Takuro Masumura, Keisuke Inami, Toshihiro Tsuchiyama, Shigenobu Nanba
    • Organizer
      IFHTSE2023
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      Kotaro Kawahara, Takuro Masumura, Toshihiro Tsuchiyama
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      IFHTSE2023
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      Toshihiro Tsuchiyama, Kotaro Kawahara, Takuro Masumura
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  • [Presentation] コアシェル構造組織の不均一変形結晶塑性解析による特性評価2023

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      柴田歩武 奥山彫夢 土山聡宏
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      日本金属学会関東支部 第20回ヤングメタラジスト研究交流会
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      2023 Annual Research Report

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Published: 2023-04-13   Modified: 2025-04-17  

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