| Project/Area Number |
23K04447
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 26050:Material processing and microstructure control-related
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| Research Institution | University of Toyama |
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Principal Investigator |
柴柳 敏哉 富山大学, 学術研究部都市デザイン学系, 教授 (10187411)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山根 岳志 富山大学, 学術研究部都市デザイン学系, 助教 (60272895)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
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| Keywords | アルミニウム合金 / 摩擦攪拌接合 / 塑性流動 / 流動可視化 / 透明作動流体 / 物理的相似性 / 変形場 / 可視化 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、A6061-T6アルミニウム合金板とAZ31マグネシウム合金板の突き合せ摩擦攪拌接合（FSW）における継手組織形成過程を、接合ツール近傍の変形場（複数の変形モードが重畳した状態）との因果関係にて定量的に明らかにし、無欠陥かつ高温組織安定性を有する健全な継手組織を得るための理想的な接合ツール形状ならびに最適接合条件を明らかにすることを目的とする。このために、透明作動流体を用いた流動可視化実験、FSW実験、熱処理、各種組織解析・評価実験、ならびに力学特性評価試験を実施する。得られた成果を材料技術情報データベースに登録し、社会実装へ橋渡しする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、摩擦攪拌接合における塑性流動（高温変形を基調とした物質輸送）において複数の変形モード（せん断、圧縮、引張）が接合ツール近傍でいかなる状態で作用しているのかを解明することを主題とする。
この目的のためには、可視光に対して不透明な金属材料内部で進行する高温塑性流動を動的に観測する技術が不可欠であり、我々のグループでは透明作動流体（擬塑性流体あるいはビンガム流体）を開発し、流体観察に適した大きさの「模擬ツール」を３次元プリンタで製作し、自ら開発した可視化実験システムにて流動観察データを積み上げていくことに従事してきた。また、流体観察結果を実際の金属材料（アルミニウム合金、ならびにアルミニウム合金と接合する対象となるマグネシウム等の他の金属材料）の高温変形挙動との「物理的相似性」を検証し、合金ごとに最適な流体選定の原理と具体的指針ならびにそれに基づく開発「流体」を世の中に出すべく理論構築と傍証を得るための実験を積み重ねてきている。
具体的には、１）擬塑性流体を複数種類開発したこと、２）シングルスパイラルとダブルスパイラルの接合模擬ツールにより流動挙動の動的観察に成功していること、３）動的観察において粒子速度場法（PIV）という画像解析技術を適用して流動場にせん断領域が存在することを明確にとらえたこと、４）アルミニウム合金の高温変形データ（他の研究者の論文から引用）における応力のひずみ速度依存性の関数形と我々の測定した流体粘性データ（ずり応力とずり速度の関係式）に一定の相関・類似性があることを見出し、この類似性を突破口として両者の物理的相関の検討が可能であることを提案するに至った。本研究成果は２０２４年に開催された日本金属学会北陸信越支部連合講演会にて口頭発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、摩擦攪拌接合における塑性流動（高温変形を基調とした物質輸送）において複数の変形モード（せん断、圧縮、引張）が接合ツール近傍でいかなる状態で作用しているのかを解明することを主題とするが、そのためには流動の可視化技術と実際の金属材料での実験の二つの観点での検討を必要とする。
これまでに、可視化技術の要である「作動流体の開発指針」「作動流体の開発」「可視化装置の機能向上」「金属材料の高温変形データと流体挙動の比較検討」をクリアした。
残るは１）異種材料の接合時を想定した粘性の異なる流体の組み合わせ、２）接合ツール形状と流動挙動の観察、３）アルミニウム合金の高温変形データの取得、そして４）複雑変形場の流体観測データを金属高温変形に焼き直す手法の確立、である。高温変形実験の準備に手間取っていたが最終年度で精度の高いデータが出せる実験環境が整った。以上のことから、概ね順調に進展していると自己評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度が最終年度となる。これまでに蓄積した実験技術向上ならびに実験データを踏まえて、今後は「複雑変形場」が材料物性ならびに接合ツール形状・接合条件によりどのように変化するのかを観察し、その制御指針を導き出すことに集中する。
具体的には、１）異種材料の接合時を想定した粘性の異なる流体の組み合わせ、２）接合ツール形状と流動挙動の観察、３）アルミニウム合金の高温変形データの取得、そして４）複雑変形場の流体観測データを金属高温変形に焼き直す手法の確立、である。
１）については、増粘剤と基材の配合比の最適化、ならびに全く異なる粘性挙動（閾値が高ずり速度側に極端にシフトしている特性）を示す透明流体の開発を主として行い、異材接合に適した流体の組み合わせを確定する。２）については三角形断面ツールを作製し、それによる流体可視化実験ならびに実際のアルミ合金による接合実験を計画している。３）については高温変形実験に必要な付加設備の導入を早期に済ませ、第２四半期からデータを出す計画である。４）については流体工学で用いられる無次元パラメータと金属高温塑性変形での基礎式との相関をひずみ速度の立場で数学的に接続することで達成できる見込みがある。
これらの要素研究課題を総合して、摩擦攪拌接合のツール形状最適化指針、接合条件最適化指針の策定に貢献できる考え方を提案する。
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