2019 Fiscal Year Annual Research Report

結晶金属における転位運動に及ぼす活性化体積制御に基づく力学的高機能化

Research Project

Project/Area Number	18H01750
Research Institution	Toyohashi University of Technology
Principal Investigator	戸高義一豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50345956)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	足立望豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (00758724)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2021-03-31
Keywords	活性化体積 / 構造材料 / 格子欠陥 / 組織制御 / 巨大ひずみ加工 / 熱処理
Outline of Annual Research Achievements	これまで結晶金属における力学的性質は、金属組織によって制御されてきた。本研究では、金属組織における空間的サイズの階層を下げて、転位の熱活性化運動の素因子（活性化体積）の大きさ・分布を制御することで、金属組織に基づいた強化機構の階層を深化させる。本研究の目的は、以下の【問い①】, 【問い②】に対する答えを明らかにし、金属の力学的性質（強さと変形）を担う根源的因子としての活性化体積制御の指針を示すことである。また、最終目標は、活性化体積制御に基づく新たな力学的高機能化のための指導原理の構築である。本研究の成果は、金属の力学的性質（強さと変形）における学術的深化とともに、我が国の構造材料分野の発展に大きく寄与する。【問い①】　転位運動に及ぼす活性化体積の制御（分布, 大きさ）を意図的に行なえるのか？【問い②】　活性化体積によりマクロな力学的性質（強度, 伸び）を制御できるのか？ 2018年度は現象の単純化を目的に純Fe（純金属）を、2019年度はCを添加（固溶）したFeも供試材とした。【問い①】への取組みとして、高密度格子欠陥の導入（組織微細化）のためにHPT加工（高圧縮応力下で円板試料をねじる巨大ひずみ加工の一つ）と、回復・再結晶を利用した格子欠陥密度制御のために熱処理を行なった。活性化体積の大きさは、引張変形における応力緩和試験やひずみ速度急変試験によって定量的に求めた。また、【問い②】への取組みとして、活性化体積制御した試料を引張試験し、力学応答と活性化体積との関係を調査した。力学応答のみならず、破面形態（ディンプルの形状・大きさ）, 破断部近傍におけるボイド分布や表面の変形形態（変形帯の形状・大きさ・分布）にも注目して、破壊単位と活性化体積との関係を調査した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 2018年度は現象の単純化を目的に純Fe（純金属）を、2019年度はCを添加（固溶）したFeも供試材とした。【問い①】への取組みとして、高密度格子欠陥の導入（組織微細化）のためにHPT加工と、回復・再結晶を利用した格子欠陥（粒界, 転位等）密度制御のために熱処理を行なった。活性化体積の大きさは、引張変形における応力緩和試験やひずみ速度急変試験により調査した。弾性域では応力緩和試験にて、塑性域ではひずみ速度急変試験にて、定量的に活性化体積の大きさを求めることができた。塑性域でのひずみ速度急変試験においては、高密度格子欠陥の導入に伴って特異な力学応答（緩和挙動）が観察された。同程度の強度を示す純FeとC添加（固溶）したFeの活性化体積を比較すると、後者の方が大きかった。また、【問い②】への取組みとして、異なる大きさの活性化体積を持つ試料について引張試験を行なった。弾性変形, 降伏現象, 塑性変形について、また、ひずみ速度急変試験における特異な力学応答について、それらの現象の起源を活性化体積の観点から調査を進めている。活性化体積は不均一変形の開始とともに著しく低下する傾向が見られた。破面形態（ディンプルの形状・大きさ）, 破断部近傍におけるボイド分布や表面の変形形態（変形帯の形状・大きさ・分布）についても、破壊単位と活性化体積との観点から調査している。以上の通り、HPT加工とその後の熱処理により系統的に活性化体積の大きさを変化でき、また、それに伴う力学応答と活性化体積との関係を明らかにしつつあることから、当初の計画の通りおおむね順調に進展していると言える。
Strategy for Future Research Activity	本研究の目的は、【問い①】, 【問い②】に対する答えを明らかにし、金属の力学的性質（強さと変形）を担う根源的因子としての活性化体積制御の指針を示すことである。そのために、以下の事項について、今後取り組む。 2018年度, 2019年度に引き続いて、現象の単純化を目的に純Fe（純金属）と、Cを添加（固溶）したFeを供試材とする。（C添加の他、P, S, Hの影響についても検討する。）系統的に活性化体積を制御するため、HPT加工における加工経路, ひずみ量, ひずみ速度と、その後の熱処理の熱処理温度を変化させる。弾性域では応力緩和試験にて、塑性域ではひずみ速度急変試験にて、定量的に活性化体積の大きさを求める。活性化体積制御した試料について、主に引張試験を行ない、破面形態, 破断部近傍におけるボイド分布や表面の変形形態を引き続き調査し、マクロな力学応答と活性化体積との関係を明らかにする。また、ナノインデンテーション法におけるPop-inの挙動と活性化体積とを関係づけることで、転位の熱活性化運動の素過程を理解すると共に、マクロな力学応答の理解へと展開する。