2017 Fiscal Year Annual Research Report
Systematization of academic background in grain refinement strengthening of steel
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15H05768
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
高木 節雄 九州大学, 工学研究院, 教授 (90150490)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宗藤 伸治 九州大学, 工学研究院, 准教授 (20380587)
土山 聡宏 九州大学, 工学研究院, 准教授 (40315106)
中田 伸生 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (50380580)
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| Project Period (FY) |
2015-05-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 結晶粒微細化強化 / 粒界偏析 / 降伏応力 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
降伏点機構の一つであるパイプアップ理論に基づけば、実験的に得られたホールペッチ係数kyから、粒界から転位が放出される臨界の強度（臨界粒界剪断応力：τ*）を間接的に推定することができる。一方、粒界上でのナノインデンテーション試験により得られるPop-in荷重から、Hertzの接触弾性理論を適用することで、臨界粒界剪断応力を直接実測する手法を確立した。50ppmC を含むフェライト鋼において、ky値から間接的に得られたτ*とナノインデンテーション試験により直接的に実測したτ*を粒界炭素偏析量で整理した結果、全く異なるアプローチで求めたτ*が同じオーダーで一致していることは、パイルアップ理論が妥当であることを示唆している。ここでτ*の値に着目すると、4GPa～7GPaという値となっている。これは実際の降伏強度よりも著しく高い値であるが、鉄の理想強度（10.4GPa）より小さな値である。この結果は、転位のパイルアップにより粒界では極めて大きな応力集中が起こっていること、また粒界での転位生成は無欠陥の粒内からの転位生成に比べると小さな値であるということを意味している。さらにこの現象をMDによって原子レベルで再現するため現在計算モデルを検討中である。
また、Mn、Si、Cr、Ni、Cu、Alがkyに及ぼす影響を調査した。この結果より、Crはky値にほとんど影響を及ぼさないこと、その他の元素はky値を大きくすることが明らかとなった。とくにMn, Ni, Siの影響が顕著である。これらの元素添加によるky値の変化には、置換型元素の粒界偏析挙動が関連していると考えられるため、McLeanの平衡粒界偏析理論に基づいて偏析量を計算し、偏析量から粒内濃度を差し引いた値、すなわち相対偏析量とkyの関係を整理した結果、元素の種類にかかわらず、相対偏析量によりky値の上昇を説明できるという知見が得られた。
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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
申請書に記載した平成29年度の研究計画では、１）ホールペッチ係数におよぼす各種合金元素の影響の調査、2)降伏点現象に及ぼす炭素・窒素の影響、3)ナノインデンテーションによる粒界強度の評価を研究課題として挙げている。
1)については本研究費で雇い入れたポスドク研究員により非常に密度の高い実験がなされ、Cr, Ni, Si, Mn, Cuについてそれぞれ濃度と結晶粒径を幅広く変化させた引張試験が行われた。そして当初の予定通り、それぞれの鋼種におけるHall-Petch係数の系統的なデータが蓄積されつつある。平成31年度の研究終了時には、鉄鋼材料に使用される主な合金元素の結晶粒微細化強化に関する議論が完了し、当初の目的を達成できる見込みである。
２）については、降伏点現象のうち特に上降伏点においては、焼鈍材であっても試験前から存在する転位の量（転位密度）が重要な役割を果たすことが明らかになりつつある。そのため、転位密度を正確に評価することが重要であるので、X線回折法により正しく転位密度評価を行うための検討を行い、既にDirect Fitting法という新しい転位密度の解析手法を見出した。一方、リラクゼーション試験による可動転位密度の分離方法についても検討を始めており、次年度では炭素・窒素の影響の調査に着手できる見込みである。
3)については、研究実績の概要で記述した通り、粒界に偏析した炭素が粒界からの転位放出を困難にしていることを実験的に示し、多結晶フェライト鋼のホールペッチ係数の増大が粒界偏析によるものであるという粒界偏析説の妥当性を立証することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
Fe-C系やFe-N系の合金では、結晶粒微細化強化に起因したStep yieldingという降伏機構以外に、Spike yieldingという特異な降伏現象が発現することが分かった。この降伏現象は、CやNによる基地中転位の固着が原因と考えているので、今後は、固溶した炭素や窒素が存在しないFe-Si合金を用いて、降伏時の転位導入挙動を調査することにしている。実験手法として、リラクゼーション試験による可動転位の評価、X線解析法による転位密度のラインプロファイル解析の確立を行っていく。また、降伏現象を分子動力学(MD)シミュレーションによって原子レベルで再現するため現在計算モデルを検討中であるが、既に運動転位と炭素・窒素の相互作用の計算について、また純鉄の粒界での転位のパイルアップと転位放出についてはシミュレーションに成功している。今後は炭素および窒素が偏析した粒界モデルの作成、ならびに臨界粒界剪断応力の実測を行っていく予定である。
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