2017 Fiscal Year Annual Research Report
Establishment of Scientific Basis of the Strength and Reliability of Materials Based on the Order of Atom Arrangement and Its Application to the Explication of the Degradation Process of Materials
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16H06357
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
三浦 英生 東北大学, 工学研究科, 教授 (90361112)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 研 東北大学, 工学研究科, 准教授 (40396461)
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| Project Period (FY) |
2016-05-31 – 2021-03-31
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| Keywords | 機械材料・材料力学 / ナノマイクロ材料力学 / 材料損傷 / 原子拡散 / 結晶粒界品質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は前年度開発した微細組織変化観察システムを用いた高温強度試験システムを完成させた．大気中あるいは様々なガス環境中で微小試験片を用いた高温疲労・クリープ試験を実施できる実験システムを開発した．微小試験片は電子顕微鏡観察室内に導入可能なサイズとした．試験片サイズを小さくすることで様々な負荷状態を容易に制御できることが期待される．試験片の温度は赤外線集中加熱炉を応用することで室温から1100℃まで制御可能である．治工具をセラミック化することで更なる高温環境下での実験も可能になるものと考えている．
本強度試験システムを開発する最大の利点は，高温高負荷環境における組織変化をIn-situで観察でき，試験中の応力ひずみ状態もモニタできるので，任意の損傷状態で試験を停止することが可能であり，電子顕微鏡観察と合わせ体系的，系統的な試験評価が可能になることである．特に今後の耐熱合金使用環境の過酷化（高温，高負荷）を考えると，これまでの安定亀裂成長域における亀裂進展速度評価に基づく寿命評価は困難になることが容易に想定され，亀裂の発生から急速破断に至る破壊現象が多発することが懸念される．亀裂の発生，言い換えると材料の初期損傷過程において，これまで述べてきたような強化組織の崩壊（消失）を伴う微細組織変化が関与する場合には，材料の初期強度評価に基づく寿命設計，評価は極論すると意味がなくなる．したがって，主要合金の500℃以上の高温高負荷環境における強化機構（主として分散析出強化組織）の変化の有無を定量的に解明することは，各種機器の安全安心運転，長期信頼性維持による機器ライフコストの削減には必要不可欠である．本微細組織変化，主要構成元素拡散可視化機能を有する高温材料強度評価システムの開発は，今後の材料強度研究における新たな基盤技術になるものと確信している．
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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
当初予定通り微細組織変化観察システムを用いた高温強度試験システムを完成させた．大気中あるいは様々なガス環境中で微小試験片を用いた高温疲労・クリープ試験を実施できる実験システムを開発した．微小試験片は電子顕微鏡観察室内に導入可能なサイズである．試験片サイズを小さくすることで様々な負荷状態を容易に制御できることが期待される．試験片の温度は赤外線集中加熱炉を応用することで室温から1100℃まで制御可能である．本強度試験システムを開発する最大の利点は，高温高負荷環境における組織変化をIn-situで観察でき，試験中の応力ひずみ状態もモニタできるので，任意の損傷状態で試験を停止することが可能であり，電子顕微鏡観察と合わせ体系的，系統的な試験評価が可能になることである．
本開発設備を応用し，各種耐熱合金の劣化損傷支配メカニズムが機械的応力と温度の重畳作用による異方的原子増速拡散現象に基づく微視組織変化であることを実証し，国内外の学会等で公表し高い評価を受けている．代表的な受賞は，科学技術分野の文部科学大臣賞，米国電気電子学会(IEEE)のBest Student Paper Award，日本機械学会大学院学生独創研究賞などである．
以上の研究進捗状況から，概ね順調に進展していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は開発した試験システムを活用して，今後応用が期待される各種耐熱合金の高温高負荷環境における材料初期損傷評価に取り組む．代表的な材料としてはNi基超合金，Cr-Mo鋼等を候補材料として考えている．これらの材料は分散析出強化組織からなるもので，その強化組織の崩壊過程の解明は，各種エネルギー機器，化学プラント，航空宇宙機器等の安全安心確保には必須課題である．高温域における疲労限の消失は，機器の長期信頼性設計においては深刻な課題であり，現象の定量的な解明と使用環境の制御指針の構築は最重要課題と言ってよい．これまで材料の寿命評価は前述したように亀裂進展速度に注目した研究が集中的になされており，初期損傷に関しては体系的な研究はほとんどなされていない． 特に使用環境における強化組織の消失は想定されていない．高温高負荷環境では，亀裂の発生が急速破断に到る危険性が極めて高く，安定亀裂成長域が全寿命に占める割合は非常に小さくなるものと考えている．したがって，亀裂の発生までの初期損傷過程が全寿命を支配することになり，この初期損傷過程の支配メカニズムの解明は早急に実現する必要がある．原子の拡散経路として結晶粒界の存在は知られているが，この粒界拡散は粒界の品質によって局所的に著しい分布が存在していることを明らかにした．結晶粒界において表面粗さが著しく変化している状況が明らかであり，かつその変動幅には局所的に大きな相違がある．この相違は結晶粒界の品質に起因しているものと申請者等は考えており，その仮説を本実験システムで実証していきたいと考えている．
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