2017 Fiscal Year Annual Research Report
Suppression of environmental embrittlement in cold worked aluminum alloys with deformation-induced nano clusters
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17H03406
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
倉本 繁 茨城大学, 工学部, 教授 (10292773)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小林 純也 茨城大学, 工学部, 助教 (20735104)
伊藤 吾朗 茨城大学, 工学部, 教授 (80158758)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 構造・機能材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、加工誘起ナノクラスターにより強化したアルミニウム合金を対象として、従来法で強化した際に問題となる環境脆化を抑制するための研究を行う。本年度は、従来の市販合金であるAl-Zn-Mg-Cu系の7075合金、7075合金よりもZn添加量を増加させたAl-8%Zn-2%Mg-2%Cu-0.15%Zr合金、また7075合金とは合金系が異なるAl-Cu-Mg系の2024合金を用いて、強度特性を調査した。
7075合金に関しては、すでに90％冷間圧延材が環境脆化を示さないことが分かっているため、機械的特性に及ぼす冷間加工率の影響と異方性について検討を行った。冷間加工率を20, 60, 80, 90％と４水準に変化させて、環境脆化挙動を調べたところ、いずれの加工率においても環境税化が生じないことを明らかにした。また、従来は、圧延方向と平行方向の機械的特性を検討していたが、圧延方向と垂直方向の機械的特性も検討したところ、従来の結果と同様、圧延材が環境脆化を生じないことを確認した。
Al-8%Zn-2%Mg-2%Cu-0.15%Zr合金に関しては、冷間圧延材の機械的特性が不明であったため、圧延率を65%および90%とした冷間圧延材を作製し、機械的特性の評価を実施した。90％圧延材は高強度であるものの、乾燥窒素中でもほとんど延性を示さなかった。これに対し、65%圧延材は700MPa程度の高い引張強さを有するとともに、7％以上の破断伸びを有していた。また、このような機械的特性は、試験環境によらず認められ、環境脆化が生じないことを明らかにした。
2024合金に関しても、冷間圧延材の機械的特性が不明であったため、圧延率を60%および90%とした冷間圧延材を作製し、機械的特性の評価を実施した。この合金も90％圧延材はほとんど延性を示さなかったため、現在60%圧延材を対象として検討を継続している。
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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
平成２９年度は、高強度化に及ほす試料組成およひプロセス条件の影響について広い範囲で検討することが当初の目的であり、これはほぼ予定通りに推進することができた。 加工前の合金元素の固溶量の影響を検討するため、焼入れ温度を変化させた溶体化処理も実施する予定であったが、Al-Zn-Mg系合金に関しては、Zn添加量の異なる試料を用いることにより、固溶量が大きいほど高強度となることを確認した。
また、加工による組織形成に関しては、加工による結晶粒組織の変化しか検討しておらず、転位密度の変化、動的回復・再結晶等の挙動については、評価を平成３０年度以降に実施予定である。微視組織変化の解析については、若干遅れ気味ではあるが、Al-8%Zn-2%Mg-2%Cu-0.15%Zr合金65%圧延材に関しては、700MPa程度の高い引張強さを有するとともに、7％以上の破断伸びを有していること、また環境脆化が生じないことを明らかにすることができた。今後、この高強度化挙動と圧延により形成される組織の解析を重点的に実施することにより、本研究の目的を達成できるものと考えている。
また、本年度は、Al-Zn-Mg-Cu系の7075合金、Al-8%Zn-2%Mg-2%Cu-0.15%Zr合金、Al-Cu-Mg系の2024合金を用いた調査結果を、国内学会の講演大会において発表した（口頭発表３件、ポスター発表２件）。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度の結果に基づき、圧延加工により環境脆化を生じることなく高強度化が認められる条件を絞り込み、その挙動を詳細検討する上で必要な比較材の選定を行う。具体的には、加工により顕著な強度上昇が認められたり、圧延加工中に割れの発生しにくい試料およびプロセス条件を選択する。合金元素や加工条件の影響を明瞭にするために、Zn, Mg, Cu 添加量の異なる比較材を新たに外注により作製し、前年度と同様の手順で試料を準備する。合金元素の添加量を増加させると圧延加工中に割れが発生し、試料作製が困難となることも予想されるため、段階的に少しづつ組成を変化させるなどの工夫を行う。
高強度化が認められた試料を用いて、ナノ組織解析を実施する。具体的には、高強度化への寄与が示唆されているナノクラスターの生成の有無、生成していればそのサイズ、構成元素、濃度等の情報を得るための解析を、X 線小角散乱や中性子線小角散乱により検討する。
微視組織と、強化機構、環境脆化機構との関係についても検討する。まず、加工による結晶組織の変化、転位密度の変化、動的回復、動的再結晶等の構造変化に加え、加工中に同時進行する合金元素の拡散も加味した組織形成過程を検証する。ここでの拡散には、通常の体拡散、高速拡散（転位芯拡散、粒界拡散）の他、塑性変形起因の拡散についても考慮して検討を実施する。これには、圧延過程において１パスの圧延率を10％に固定せず、様々に変化させた実験を行うことで検証可能である。
次に、そのように形成された微視組織と機械的特性との関係について包括的な検討を行い、高強度化および環境脆化の抑制に必要な金属組織の条件を明らかにする。
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