2015 Fiscal Year Research-status Report
ヘテロ構造制御による高機能チタンの創製とその損傷メカニズムの解明
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15K05677
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
菊池 将一 神戸大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (80581579)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中井 善一 神戸大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90155656)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | チタン / 粉末冶金 / 疲労 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
金属材料の強度は、結晶粒のサイズを小さくすることにより上昇するため、これまでは「いかに均一かつ微細な結晶粒を作るか」という点に注目して研究が進められてきた。しかし、結晶粒を微細化すると金属の延性は低下し、金属の高強度化と高延性化を両立することは困難である。したがって、従来の「均一・微細」アプローチでは、強度と延性はトレードオフの関係となるため、真の高機能化は達成されない。
そこで当該年度は、高強度・高延性の両立を達成できる「ヘテロ構造チタン」の作製法について検討を加えた。具体的には、メカニカルミリングを施したチタン粉末（表面の結晶粒のみ微細化）を焼結することにより、粗大粒組織の周りにネットワーク状の微細粒組織を有する「ヘテロ構造チタン」を作製した。このヘテロ構造制御により、従来チタンと同等の延性を維持しながら高い強度を有するチタン合金を作製することが可能となった。
次に、「ヘテロ構造チタン」の疲労き裂伝ぱ特性について検討を加えるため、応力拡大係数K漸減試験を実施した。その結果、「ヘテロ構造チタン」の場合、従来材と比較して低い下限界値を示すこと、また、疲労き裂伝ぱ速度が高いことを明らかにした。さらに、その要因について表面分析結果やき裂経路観察を基に考察を行い、微細粒組織の存在によってチタン合金の疲労き裂伝ぱ抵抗が低下することを明らかにした。とくに、下限界値近傍では微細粒組織を優先的にき裂が伝ぱする様子が観察された。
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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
当該年度は、「ヘテロ構造チタン」を作製し、その微視構造を詳細に分析した。さらに、基礎的な力学特性のみならず疲労き裂伝ぱ特性について検討を加えた。
チタンの微視組織制御については、「ヘテロ構造チタン」を作製するために必要なメカニカルミリングの施工条件を明確にするとともに、微細粒組織の形成割合が処理時間に依存して変化することを明らかにした。なお、メカニカルミリングを100時間施したチタン合金粉末焼結体の場合には、微細粒組織の形成割合が高いために延性が低下したが、処理時間を25時間とした場合には延性を維持したまま高強度化が可能となった。このことから、適切なメカニカルミリング条件を選定することにより、チタン合金の高強度化・高延性化を達成した。
また、DC(T)試験片（ASTM準拠）を用いて、除荷弾性コンプライアンス法によりき裂長さをモニタリングすることにより、「ヘテロ構造チタン」の疲労き裂伝ぱ特性についても検討を加えた。その結果、種々の 応力比条件 において「ヘテロ構造チタン」の下限界値や疲労き裂伝ぱ速度を算出することにより、ヘテロ構造化によるチタン合金のき裂伝ぱ特性の変化を明らかにすることができた。さらに、「ヘテロ構造チタン」の微視組織分析結果やき裂経路観察結果と関連付けて疲労き裂伝ぱ抵抗の低下要因についても考察を行っており、本研究課題はおおむね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き「ヘテロ構造チタン」の損傷を時系列に評価するため、疲労特性について検討を加える予定である。今後は、「ヘテロ構造チタン」の疲労き裂伝ぱ特性のみならず、疲労き裂発生挙動についても検討を加える予定である。そのため、現在は4点曲げ疲労試験を予備的に進めており、「ヘテロ構造チタン」の応力振幅と疲労寿命の関係を明らかにしつつある。
その際、ヘテロ構造内の微細粒と粗大粒の形成割合を変化させた複数のサンプルを作製し、疲労寿命に及ぼす微細粒組織の形成割合について検討を加える。微細粒組織の形成割合が高い場合にはき裂発生抵抗は増加するものの、その一方で疲労き裂伝ぱ抵抗は低下すると予想される。微視組織分析結果と関連付けて、「ヘテロ構造チタン」の損傷過程におけるき裂発生・進展の割合を明らかにする。
また、ヘテロ構造に与えるひずみ量を変化させ、広範囲の寿命域にわたり材料損傷を時系列に評価することによりヘテロ構造が高機能を発現する力学条件を明らかにする。最終的には、ミクロ構造分析やミクロ変形挙動の評価に関する実験結果と合わせ、ヘテロ構造チタンの「ミクロ・マクロ変形⇒き裂発生⇒き裂進展⇒破断」の一連の現象をモデル化する。得られた結果を統括し、チタンの高機能化を目的としたヘテロ構造制御の最適化に関する学術的指針を示す。
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