2016 Fiscal Year Research-status Report
変形双晶界面塑性に基づくマグネシウム合金の力学特性高度化
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16K06783
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
染川 英俊 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, グループリーダー (50391222)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 材料工学 / マグネシウム / 双晶 / 粒界 / 力学特性 / インデンテーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題で使用する二元系マグネシウム合金バルク材を、重力鋳造および温間押出加工によって創製した。X線回折およびEBSD観察から、各バルク材は、添加元素の種類に関係なく、底面集合組織を形成することを確認した。同バルク材に対して、室温圧縮ひずみを導入し、その後、熱処理した試料では、添加元素が変形双晶界面（以下、双晶界面）に偏析していることも電子顕微鏡観察によって確認した。
これらバルク材の巨視的な双晶界面塑性応答を評価するため、①内部摩擦試験と②破壊靱性試験を実施した。内部摩擦試験では、双晶界面の有無および熱処理の効果について検討した。マグネシウム合金の内部摩擦特性は、双晶界面の導入によって向上したが、その後の熱処理は特性を低下させることが分かった。微小ひずみ付与変形では、双晶界面が成長・収縮の可逆移動をおこし、内部摩擦エネルギーを放出・蓄積させる作用がある。しかし、熱処理によって（溶質元素の界面偏析により）、双晶界面は安定化するため、双晶界面の可逆移動が抑制されたと考えられる。
破壊靱性試験では、破壊靱性とき裂進展挙動に及ぼす双晶界面の影響について検討した。これらは密接な関係を示し、破壊靱性とき裂進展挙動は、添加元素によって大きく変化することが分かった。例えばMg-Ag合金では、破壊靱性は比較的優れた値を示したが、母相/双晶界面がき裂進展経路となる割合は極めて少なかった。一方、Mg-Pb合金の破壊靱性は低く、母相/双晶界面がき裂進展経路になる割合は大きかった。第一原理計算より、これらの違いは、双晶界面上のマグネシウムと溶質元素の電子結合に起因することを確認した。双晶界面上で共有結合を起こす溶質元素（AgやMnなど）は、き裂進展挙動を抑制する効果が大きいが、金属結合を起こす溶質原子（PbやLiなど）は、その効果が乏しいことを明確にした。
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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
申請時の本年度研究計画では、①研究課題で使用する純マグネシウムとマグネシウム二元系合金バルク材の創製、②ナノインデンテーション法により純マグネシウムのデータ取得を予定していた。予備実験として、本年度創製したバルク材の巨視的な界面塑性応答（破壊靱性、き裂進展挙動や内部摩擦特性に及ぼす双晶界面の影響）の評価を行い、計算科学によって得られた各添加元素の双晶界面上における電子結合状態との比較検討を行った。そのため、ナノインデンテーション試験を十分に実施するまでには至らなかった。しかし、本年度得られたこれら知見は、次年度以降、各二元系合金のナノレベルにおける双晶界面塑性応答を議論する際に、極めて有用かつ重要であることは明白である。そのため、「おおむね順調」とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度創製した純マグネシウムおよびマグネシウム合金に対して、巨視的な塑性界面塑性応答の評価を継続的に実施するとともに、ナノインデンテーション試験による微視的界面応答に関するデータ蓄積を図る。特に、硬度や内部摩擦等の特性と、添加元素、双晶界面の分散率や母相結晶方位などの相関性について検討を行う予定である。
また一方で、力学特性の改質や高度化に効果的な添加元素選択の指針を明示するためには、変形双晶界面に関する物性値の取得が必要である。これらを実験から直接取得することが困難であるため、次年度からは計算科学を用いて検証する予定であり、モデル化の検討を開始する。
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| Causes of Carryover |
マグネシウム合金の塑性加工に関する経験やノウハウを活かし、内部欠陥等が含有しない健全なバルク材を創製することができた。また、六方晶金属の塑性変形機構に関する今までの知見から、想定している内部微細組織からなる試料を予想以上に容易に準備、作製できた。更に、予備実験として、バルク材の巨視的応答に関する評価に注力したため、ナノインデンテーション試験を十分に実施するまでに至らなかった。そのため、試料創製とナノインデンテーション試験関連に計上していた費用が差額として生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
今年度実施していたバルク材の巨視的な界面塑性変形応答の評価を継続するとともに、次年度からは、ナノインデンテーション試験を用いた局所（ナノレベル）応答に関するデータ取得に注力する予定である。寸法精度が要求される内部摩擦試験片加工費や、SEM/FIB装置使用費および関連消耗品費に充当する予定である。また、ナノインデンテーション使用頻度の増加にともない、圧子先端が劣化することも考えられるため、新規圧子購入も想定している。
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