2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of strong and formable magnesium sheet alloy based on the clarification of the origin of bake-hardenability
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18H01756
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
佐々木 泰祐 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, 主幹研究員 (30615993)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
塚田 祐貴 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (00620733)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | マグネシウム合金 / 時効硬化 / ベークハード性 / 成形性 / フェーズフィールドシミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成31年度は、前年度までに開発した合金に対して合金元素添加が諸特性に及ぼす影響を詳細に検討して、高いベークハード性と優れた室温成形性を発現させるための指針について検討した。
Znの添加量を系統的に変化させたMg-1.2Al-0.5Ca-0.4Mn合金の圧延材を作製し、ベークハード性の評価や室温における強度と成形性の評価を行った。その結果、Mg-1.2Al-0.5Ca-0.4Mn (AXM100) 合金に1.6 wt.%のZnを添加したMg-1.2Al-0.5Ca-0.4Mn-1.6Zn (AXM1002)合金は、AXM100合金に比べて大きなベークハード性を示すことが分かった。AXMZ1002合金は、溶体化処理(T4)後、2%の引張ひずみの導入と170℃で20分の時効処理よりなるBH処理を施すことで、0.2％耐力が170MPaから235MPaまで増加する。同様のBH処理を行ったAXM100合金の0.2％耐力が202MPaであることを考えると、Zn添加にはベークハード性を向上させるうえで有効な添加元素であることが示された。また、室温成形性の指標の一つであるエリクセン値はZnを添加することで6.3 mmから8.2 mmまで向上し、Zn添加がベークハード性のみならず、室温成形性の向上にも効果的であることが示された。
開発合金が示す優れた室温成形性（エリクセン値：8.2mm）と、BH処理後の237 MPaの0.2％耐力は、本プロジェクトにおいて到達目標とした特性 (エリクセン値8.5 mm、0.2％耐力250MPa) をほぼ満足する。
一方、母相がMg-Ca-Zn系またはMg-Ca-Al系の場合について、母相組成および時効処理条件を系統的に変化させたフェーズフィールドシミュレーションを実施し、溶質元素の転位偏析によるパイエルス応力の増分と母相組成や時効処理条件の関係を明らかにした。
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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
本研究の目標は、1) 種々の組成を有する合金のBH性の評価を行うことで析出強化や溶質元素のふるまいがBH性に及ぼす影響を明らかにすること、2) TEMや3DAPを用いた精緻な微細組織組織解析とフェーズフィールドシミュレーションからBH性発現メカニズムを明らかにすること、3) 優れた室温成形性と大きなBH性を発現する新合金の3点である。
2018年度に、時効硬化を示すMg-Zn-Ca系合金において強化相としてGuinier Preston (G.P.)ゾーンが析出する希薄合金がMgZn2相の析出する高濃度合金に比べてより大きなBH性を示すことを明らかにし、2019年度はG.P.ゾーンが析出するMg-1.2Al-0.5Ca-0.4Mn合金にZnを添加すると極めて大きなBH性が発現することを見出した。
微細組織解析の結果、溶質クラスタの形成と転位芯への合金元素の偏析の両者によりBH性が最大化されることを明らかにした。また、フェーズフィールドシミュレーションにより、転位芯に偏析する原子種やその量がパイエルス応力の増分に影響を及ぼすことを明らかにするとともに、得られたシミュレーション結果を用いて、母相組成や時効処理条件とパイエルス応力の関係を回帰するモデルを構築することに成功した。
さらに、2020年度に予定していた合金開発にも先行して着手し、提案時に目標として掲げた特性をほぼ満足する合金の開発に成功していることから、上記に掲げた3つの目標の達成に近づきつつあると考えることができる。しかし、変形挙動のその場観察や固溶体合金のBH性評価など、2019年度に計画していた一部の研究は実施できていないことから、予定よりも進捗しているとはいいがたい。したがって、研究は順調に進んでいると考えることができる。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度となる2020年度に予定していた合金開発の目標は2019年度中にほぼ達成できる見込みが立っていることから、2020年度は、これまでに実施できていなかった固溶体合金のBH性評価と、変形挙動のTEM内その場観察、溶質元素の偏析した転位組織における転位動力学シミュレーションを実施することでBH性発現のメカニズムを明らかにするための基礎研究を行って研究を完了させる。
固溶体合金のBH性評価の際は、Zn、Caの添加量を最小限に抑えた固溶体合金、もしくはMgにGd, Znを添加した固溶体合金を作製して特性評価を進める。BH処理による溶質元素の転位芯への偏析の有無、および量に注目しながら、BH性の評価を進める。一方、変形挙動のその場観察は連携研究者の大村と共同で進める。TEM内ナノピラー圧縮試験を用いて析出物や溶質元素の偏析した転位と、変形中に導入される転位や双晶との相互作用の様子をその場観察する。FIB/SEMを用いて圧縮変形中に単一の変形モードが活動するよう結晶方位を配向させたナノピラー試料を作製する。ナノピラー試料は、平成30年度中に予備調査として作製方法の検討を進め、すでに試験可能なサイズのピラー上試料を作製することができるようになっていることから、試験を行う試料を選定すればすぐに試験を開始することができる。
また、フェーズフィールドシミュレーションにより、溶質元素の偏析した転位組織が変形中に新たに導入される転位の運動に及ぼす影響を解析する。転位動力学計算、転位と内部応力場の弾性相互作用の計算を行い、溶質元素の偏析による内部応力場の変化と転位運動の関係を明らかにする。
以上のとおり、析出物や溶質元素が偏析した転位の強化への寄与の大小を明らかにして、Mg合金におけるBH性発現のメカニズムを確立する。
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