2020 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CrCoNi等原子量合金単結晶の塑性変形機構の解明では、変形双晶の開始応力の結晶方位及び変形温度依存性を調査した。CrMnFeCoNi等原子量合金単結晶とは異なり、77Kだけではなく、室温でも変形双晶が起こることが明らかとなった。結晶方位により変形双晶が活動を開始するまでの歪量，変形双晶系が異なるため、変形双晶の開始応力は結晶方位に依存する。[-123]方位では、変形双晶の開始応力は77Kで470MPa、室温で402MPaと比較的強い温度依存性を示す。
FCC型CrMnFeCoNi非等原子量ハイエントロピー合金のFCC-HCP相安定性と結晶粒微細化能の相関を解明する研究では、Cr20Mn20Fe20Co40-xNixのようにNi/Co比を変えて合金を作製し、HPT加工により結晶粒微細化能を調査した。FCC相の相安定性が高い合金ほど、転位密度の急激な増加を伴った硬度の増加が顕著に起こり、動的連続再結晶により結晶粒微細化が顕著に起こることが明らかとなった。
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、すべりの固執性を調査した。曲げ試験により導入されるすべり面を評価したところ、広い結晶方位範囲ですべり面は最大せん断応力面とほぼ一致しすることが明らかとなった。これは、原子尺度では巨視的なすべり面が最大せん断応力面とほぼ一致する程度にまで交差すべりが頻繁に発生することを示唆する。
FCC型CrMnFeCoNi等原子量ハイエントロピー合金のクリープ定常変形特性解析では、擬定常クリープ速度の応力・温度依存性を評価し、応力指数は3、見掛けのクリープの活性化エネルギーは265kJ/molと評価できる。応力指数は、この合金のクリープ変形が2元系希薄固溶体と極めて類似し、二元系固溶体と同様に転位の粘性すべりが変形の支配機構であることを示唆する。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、短範囲規則化（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との相関の調査を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）などの最先端技術を用いて行いたい。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、単範囲規則化が強度に及ぼす影響について転位と溶質原子の相互作用の本質からの解明を目指している。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の研究を更に深化させる。クリープ変形に関する研究から、ハイエントロピー合金の特徴の一つと言われるSluggish拡散は生じないとの結論を得た。この結果をA02ウ、エ班との連携との連携から第一原理計算の結果と比較しつつ、最終的な結論を導きたい。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）、変形能（引張特性）に富んだ合金および形状記憶特性に富んだ新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更に深化させる。BCC型ハイエントロピー合金についてはA03班との連携により変形機構の解明に挑戦する。
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