2018 Fiscal Year Research-status Report
高Crフェライト系耐熱鋼の粒界上炭化物制御に基づく高強度化合金設計原理の構築
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17K06839
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
光原 昌寿 九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (10514218)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 高Crフェライト系耐熱鋼 / クリープ変形 / 強化機構 / ラスマルテンサイト / M23C6炭化物 / 結晶粒界 / 電子顕微鏡 / 結晶方位解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、高Crフェライト系耐熱鋼の更なる耐熱性向上のため、粒界上炭化物の成長挙動に対する粒界性格依存性と応力応答性を多角的組織解析手法により解明し、従来の耐熱鋼に対し新たな組織設計・制御方法を提案することを目的とする。
ASME Grade 91相当鋼の焼きならし後を出発組織と定め、2017年度では、出発組織に対し600℃で最長1000時間の静的時効を行い、炭化物の生成挙動に明らかな結晶粒界性格依存性があることを確かめた。その一方で、焼きならし材を出発材とした単純時効では、過去の報告例と比べて炭化物の成長速度が非常に遅く、その成長には前処理としての「焼戻し」または変形中の「応力負荷」が強く作用していることが示された。
そこで2018年度は、静的時効を700℃ないしは800℃と高温にし、炭化物の成長挙動を調査した。その結果、700℃では600℃の場合と同様に炭化物の成長が極めて遅く、一方で800℃では時効時間が10時間を超えるあたりから急速に成長する様子を捉えることができた。すなわち、炭化物の成長は一般的なオストワルド成長のような拡散に律速されるものではなく、何らかの成長抑制力が作用していることは明白である。次に、成長に対する「応力負荷」の効果を調査するため、出発材に60~300 MPaの引張応力を与えつつ600℃での熱処理を行った。それら試料での炭化物の成長挙動は静的時効と場合と大差なく、炭化物成長への応力負荷による直接的な寄与はほとんどないとわかった。そこでさらに「予ひずみ」の効果に着目した。600℃、300MPaの条件で約10%の塑性ひずみを試料に加え、その後に700℃での静的時効を施したところ、予ひずみ無しの場合に比べて炭化物が粗大化することを突き止めた。このことはすなわち、炭化物の成長抑制は炭化物/母相間の整合性に関連することを意味している。
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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
当初計画において、2018年度には、[1]粒界炭化物の生成・成長に対する粒界性格依存性の起源と[2]粒界炭化物の成長挙動に対する応力応答性の2つの課題について取り組むこととした。
[1]について、研究実績の概要で述べたとおり、広い温度範囲、短～長時間での静的時効、応力負荷や予ひずみの導入の効果も加味しての炭化物の成長挙動を調査済みである。その結果として、炭化物成長に抑制機構が存在することを明確にし、800℃といった高温での時効、またはひずみの付与によって炭化物の成長は著しく促進されることを見出した。また、本研究の中心的な検討項目である炭化物成長の粒界性格依存性の起源について「炭化物/母相界面における整合性」を重要視する必要性が示された。一方で現在、結晶粒界での拡散速度を実験的に簡易に測定する方法を開発中であり、その結果を用いて炭化物の成長挙動と粒界拡散速度、あるいは粒界に偏析する固溶元素・不純物元素との関連性も引き続き考察を行う予定である。
[2]について、平成30年度は著しい成果が得られた。研究実績の概要で述べたとおり、炭化物の成長に「応力負荷」は直接的に寄与せず、その応力によって発生した「ひずみ」が炭化物成長に関与する因子であるとの考察に至った。そこで現在は、抑制の要因となる「炭化物/母相界面の整合性」の評価と、ひずみの付与によりそれらが変化する様子を各種電子顕微鏡法により観察、解析中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
2018年度の研究成果から、粒界上炭化物の成長には、高温（800℃程度）での熱処理またはひずみの付与によって炭化物/母相界面の整合性を崩す必要があることが示唆された。そこで、2019年度は、炭化物/母相間の界面関係を、各種電子顕微鏡法を用いた結晶方位解析から明確にしつつ、その関係が崩れることが炭化物成長のきっかけとなることを実験的に証明する。また、そのときの成長挙動における結晶粒界性格依存性について考察を行う。それらの成果から炭化物成長の抑制機構を解明することで、炭化物成長の結晶粒界依存性についても結論を導く。それらに加えて、結晶粒界での拡散速度、固溶元素・不純物元素の拡散速度への寄与についての実験データを新たに獲得し、成長に対する炭化物の構成元素や格子定数について考察を行う。以上の研究成果をまとめて、本研究の最終目標である「炭化物の生成・成長を制御する新たな合金設計と組織デザイン」についての指針を提示する。
以上の研究遂行内容は、本研究開始時の実施計画におおむね沿ったものであり、本研究の進捗状況は極めて順調である。
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