2018 Fiscal Year Annual Research Report
ハイエントロピー合金の特異な力学特性の支配因子解明
| Project Area | High Entropy Alloys - Science of New Class of Materials Based on Elemental Multiplicity and Heterogeneity |
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| Project/Area Number |
18H05451
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
乾 晴行 京都大学, 工学研究科, 教授 (30213135)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 裕之 弘前大学, 理工学研究科, 教授 (10225998)
田中 將己 九州大学, 工学研究院, 教授 (40452809)
土谷 浩一 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 若手国際研究センター, センター長 (50236907)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | ハイエントロピー合金 / 降伏強度 / 引張伸び / 破壊靱性 / クリープ強度 / 積層欠陥エネルギー / 短範囲規則 / 転位 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ハイエントロピー合金には，従来合金には見られない特異で優れた力学特性を示すものが多く見られる．本計画研究では，ナノ・マイクロ力学特性評価法，走査透過電子顕微鏡法，シンクロトロンX線回折法，3次元アトムプローブ法などの先端実験手法を有機的に駆使し，合金の相構成，原子構造，原子移動，変形の主体的担い手としての転位，双晶(転位)，積層欠陥，結晶粒界などを徹底的に解析し，その静的特性のみならず，応力，温度，ひずみ速度，などが異なる種々の環境下での動的応答特性を原子スケールにまで遡って評価し，合金の原子構造，組成，組織と力学特性の相関を予測的に記述する力学特性マップ（構成則）を構築しつつ，金属・合金のみならず金属ガラス，セラミックスなど広範な材料において発現するハイエントロピー効果に基づいた新規で特異な力学特性およびその支配因子を探索・解明し，ハイエントロピー効果の本質を根源的に解明する．特に(1)ハイエントロピー合金の異常に高い低温降伏強度，(2)異常に高い低温引張延性・靭性と低温域における強度と延性の正の相関，(3)高温における異常に高い降伏強度，(4)強度の特異な結晶粒径依存性，(5)原子拡散に関連した高温クリープ強度について重点的に実験研究を行い，2元系や3元系の通常の合金には現れない特異な力学特性の発現メカニズム・ハイエントロピー効果の本質を根源的に解明し，「強くてねばい」夢の革新的構造材料を幅広い材料系で実現するための指針提案に繋げる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
FCC型CrMnFeCoNiハイエントロピー合金単結晶は，10 Kから1273 Kの広範な温度範囲で(111)][-101]すべりが活動し，臨界分解せん断応力（CRSS）の温度依存性を決定した．室温における(111)][-101]すべりのCRSSは42~47MPaと通常の合金比べると非常に高く，温度低下とともにCRSSは大きく増大する．この温度低下に伴うCRSSの急激な減少は熱活性化過程であり，固溶強化が合金の主たる強化機構であることを解明した．
FCC型CrMnFeCoNiおよびAl0.3CrFeCoNiハイエントロピー合金のいずれの合金でも，高圧ねじり加工により粒径50~60nmの非常に微細な等軸粒が形成されることが明らかとなった．組織微細化は，1回転の加工ですでに中心部と周辺部の硬さが同程度となるほどAl0.3CrFeCoNiハイエントロピー合金でより急速に進行する．組織微細化は，剪断帯や変形双晶による粗大な結晶粒のラメラ組織への分断，ラメラ組織内での2次的な剪断帯や変形双晶，それらの交差部での連続動的再結晶という過程で生じる事が明らかになった．
BCC型TaNbHfZrTiハイエントロピー合金の脆性－延性遷移挙動の解明では，破壊における衝撃吸収エネルギーは，100Kで28kJ/m2から473Kで104kJ/m2と増大するが，473Kでも大部分が粒界破壊であることからBDT温度は更に高温である事が明らかとなった．
固溶体合金のクリープ定常変形特性解析では，いくつかの単純系固溶体についてクリープ試験および定速引張試験での定常変形におけるひずみ速度の応力依存性を規格化して比較すると，規格化したひずみ速度や応力を通して異なる合金系の高温クリープ特性を予測できることが明らかとなった．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は，積層欠陥，単範囲規則化（SRO）などハイエントロピー合金中の特徴的な欠陥構造の定量的解明およびその力学特性への影響の調査をTEM, STEMのみならず，第一原理計算（A02ウ，エ班との連携），EXAFS, 3D-AP（A03オ班との連携）を用いて行う予定である．特に，単範囲規則化が強度に及ぼす影響について，極低温での降伏強度及びその温度依存性から解明を進め，転位と溶質原子の相互作用の本質の解明を目指す．また，変形双晶，マルテンサイト変態（HCP構造形成）の形成メカニズムを合金のFCC-HCP構造間のエネルギー差に着目して解明し（A02ウ，エ班との連携），より変形能（引張特性）に富んだ合金の開発指針の解明を目指す．また，A03班との連携からBCC型ハイエントロピー合金についても等軸極微細粒の形成過程，脆性－延性遷移機構の解明も行いたい．BCC型ハイエントロピー合金については多くの合金で，粒界破壊が起こりやすいことが明らかとなりつつあり，粒界破壊のメカニズム，これを回避する方策の探索についても研究を開始したい．固溶体合金のクリープ定常変形特性には原子拡散は重要であり，A02，A03班との連携から原子拡散のメカニズムを解明しつつ，クリープ定常変形特性と原子拡散の相関関係確立に向けて研究を開始する．
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