2019 Fiscal Year Annual Research Report
導電性と強度が飛躍的に高いナノファイバー過時効組織を持つ耐疲労性銅合金の創生
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18H01340
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| Research Institution | Oita University |
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Principal Investigator |
後藤 真宏 大分大学, 理工学部, 教授 (30170468)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
薬師寺 輝敏 大分工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (90210228)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 銅合金 / 不連続析出 / 疲労 / 組織 / 強変形加工 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，銅合金の「強度と導電性」の二律相反関係を打ち破るため，利用されていない不連続析出相（過時効組織）を強変形加工により一方向ナノファイバー組織に改変し，二律相反関係を打破ること，強変形加工により生じる微細粒組織に注目して耐疲労特性の向上を図ることを目的とする．そのため，① 通常時効組織，② 過時効組織（不連続析出相），③ ナノファイバー過時効組織および各種銅材の超微細粒組織，それぞれの創生手法，組織構造，強度特性に関する研究を行った．令和１年度得た成果を項目ごとに示す．
①銅合金の熱加工処理条件（溶体化処理前の圧延条件）の違いにより組織構造と引張強さに差が生じるが疲労強度にはそれほど差が生じないこと，またいずれの場合も疲労き裂発生起点は粒界付近のPFZにあり，これが熱加工処理条件を変えても疲労強度がそれほど向上しない原因であることを明らかにした．このことは，耐疲労性銅合金を作製する際の圧延方法選択に関する知見を与える．
②過時効により組織全体が不連続析出相にした銅合金の組織と引張特性および疲労強度特性を調べ，通常時効材より引張強さが低下するにも関わらず，疲労強度（S-N特性）に差が生じないことを明らかにした．この成果は，導電性に優れるが引張特性が劣るため使用されない過時効組織が組織改善により使用できる可能性を示唆する．以上は①の成果と共に耐疲労特性材料を開発する際に有益である．
③Cu-6Ni-1.5Si合金不連続析出材を溝ロール圧延加工し（圧延率80%）不連続析出物の一方向ナノファイバー化を達成した．さらに，疲労強度が大きく向上することを示した．また，強変改加工により結晶粒を微細化した銅材の典型的き裂発生個所を4つに分類した。さらに，切削摩擦加工法を開発し加工層の微細組織と圧縮残留応力により疲労強度が向上することを示した．これは実用面から有用な結果である
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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
研究目的達成のため，① 通常時効組織（連続析出相），② 過時効組織（不連続析出相）および③ ナノファイバー過時効組織と強変形微細粒組織，それぞれについて創生手法，組織構造，強度特性に関する研究を行った．現在までの進捗状況を下記の通り項目ごとに示す．
①異なる溶体化処理前の圧延（すなわち，圧延なし，冷間圧延，熱間圧延）を施して作製したCu-6Ni-1.5Si合金の組織，機械的性質，疲労強度を明らかにした。組織と疲労特性の検討から，熱加工処理条件を変えても疲労強度がそれほど向上しない原因を特定した．項目①に関しては概ね計画通り進んでいると言える．
②不連続析出相が疲労強度特性に及ぼす影響を調べ，通常時効材より引張強さが低下するにも関わらず，疲労強度（S-N特性）に差が生じない結果を得た．その原因を特定するためには，き裂発生に関係する組織を明らかにする必要がある．これについて，研究を行ったが，組織構造（特に，時効前の結晶粒界）を明確に表す腐食方法の開発に手間取り，開始が遅れた（2ヶ月程）．しかし，腐食条件が決定できたため，この遅れは次年度に取り戻せるものである．したがって，項目②に関して概ね計画通り進んでいると判断した．
③昨年度の多少の遅れを取り戻し，一方向ナノファイバー化した-6Ni-1.5Si合金を作成し，特定の応力下ではあるが疲労寿命が大きく向上することを示した．また，超微細結晶粒銅材を対象に耐疲労強度向上のため必要なき裂発生形態の分類，切削摩擦加工法の開発による疲労強度が向上法の確立など，研究は概ね計画通り進んでいると言える
以上を総合した結果「おおむね順調に進展している」と結論した．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究目的達成のため，① 通常時効組織（連続析出相），② 過時効組織（不連続析出相）および③ ナノファイバー過時効組織と強変形微細粒組織，それぞれについて創生手法，組織構造，強度特性に関する研究を進める．今後の推進方策を下記の通り項目ごとに示す．
①令和1年度の研究から，溶体化処理前の圧延条件の違いにより引張強さに差が生じるが疲労強度に差は生じないこと，いずれの疲労き裂発生起点はPFZであることを明らかにした．すなわち，疲労強度を向上するにはき裂発生起点となるPFZの発生を抑制する必要がある．本年度は，PFZが生じない組織を作製するため溶体化処理を工夫して，疲労強度の向上を図る．また，材料の組成（Ni, Siの添加量）の僅かの違いが疲労強度に及ぼす影響を明らかにする．
②昨年度は，過時効材が通常時効材より引張強さが低下するにも関わらず，疲労強度（S-N特性）に差が生じないことを明らかにした．また，疲労組織のき裂発生個所の特定のための腐食法を開発した．本年度は，き裂発生が旧結晶粒界か，粒内の不連続組織境界か，不連続組織内かを特定し静的強度が低下するにも関わらず疲労強度が低下しない原因を明らかにする．また，熱加工処理条件（溶体化処理前の圧延温度の差）が異なる場合の過時効組織および疲労強度特性を検討する．
③昨年度は，不連続析出材を溝ロール圧延加工することで（圧延率80%）不連続析出物の一方向ナノファイバー化を達成した．また，超微細粒銅材のき裂発生の分類，および開発した切削摩擦加工法が疲労強度向上に有効なことを示した．今年度は，ナノファイバー材の引張特性，疲労強度特性，疲労過程を明らかにする．また，き裂発生形態を分類した強変形超微細粒銅材についてき裂発生機構とき裂進展機構に及ぼす組織構造の影響を明らかにする．さらに，切削摩耗加工を応力集中部へ適用し，疲労強度向上への効果を検証する．
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