2018 Fiscal Year Annual Research Report
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18H03753
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
澄川 貴志 京都大学, 工学研究科, 准教授 (80403989)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中村 篤智 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (20419675)
嶋田 隆広 京都大学, 工学研究科, 准教授 (20534259)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ナノ疲労 / 引張圧縮疲労試験 / その場観察 / 電視顕微鏡 / 転位構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
H30年度の研究実績は、以下のように纏めることができる。1. 現有の電界放出型透過型電視顕微鏡（FE-TEM）用のその場観察負荷試験装置を開発した。当該装置については、ナノサイズのサンプルに対する引張－圧縮繰り返し負荷を可能とする設計を行った。2.直径100 nm未満の棒状銅（Cu）単結晶を搭載したオン－チップ型試験片を作製し、現有のFE-TEM用押し込み試験装置を用いて、予備検討として擬似的な両振り繰り返し変形試験を実施した。本試験片は、菱形形状を有するシリコン（Si）フレーム上に棒状Cu単結晶が取り付けられた構造を有しており、フレームの頂点を押すことで、Cu単結晶に引張変形を与えることができる。さらに、Siフレームは弾性変形のみを行うことから、除荷の際、引張変形時に塑性伸びを示したCu単結晶に圧縮負荷を与えることができる。実験の結果、繰り返し変形を受ける試験片内部の透過観察に成功し、その挙動を追従できることを確認した。一方、棒状Cu単結晶の作製およびフレームへの取り付けには集束イオンビーム（FIB）を用いたため、単結晶表面にはナノレベルの加工層およびデポ層が残存し、変形挙動および観察像に影響を及ぼすことがわかった。このため、極力FIBを使わず、試験片の準備および試験機への把持を可能とする手法について検討を行った。3. 走査型電視顕微鏡内において引張圧縮試験を別途実施し、対象の試験片の疲労挙動（荷重－変位関係、表面の損傷等）を明らかにした。さらに多重すべりを有するCu単結晶に対してもその場観察繰り返し負荷試験を実施し、単一すべり方位を有する試験片とは大きく異なる挙動を示すことを明らかにした。4. Cu単結晶試験片を対象とした分子動力学解析および転位動力学解析のプログラムの構築を行った。大規模解析に伴い、必要な計算システムを導入した。
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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
H30年度の研究計画は、1. ナノ～マイクロ材料に対する引張圧縮繰り返し負荷を実現する透過型電子顕微鏡用負荷試験装置の開発、2. 走査電子顕微鏡内における引張圧縮疲労試験の予備的検討、3. 解析用プログラムの構築、である。申請時の予定に沿って、ナノ～マイクロ材料を対象とした微小負荷試験装置の開発を行った。透過型電視顕微鏡において引張・圧縮繰り返し負荷が可能な負荷試験装置は存在しなかったが、負荷方法と試験片把持方法に関する独自のアイデアと設計により、目的とする試験装置の実現に成功した。また、予備的な引張圧縮試験によって、微小材料は、マクロ材とは大きく異なる疲労挙動を示し、特に単一すべり方位を有する単結晶試験片では、マクロ材で形成されるはずの特有の転位構造を生じずに疲労損傷に至ることを明らかにした。また、試験片作製に関する問題点（ナノレベルの加工層の残存）も特定し、それを解決するための手法も考案した。疲労変形を対象として分子動力学解析および転位動力学解析プログラムの整備を行い、実際に解析モデルを作成して解析を実施し、その問題点の抽出および対処方法を決定した。研究過程において、当初の想定とは異なる幾つかの問題が発生したが、対策を実施し、研究計画を達成した。研究は順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
①前年度考案した試験片の作製手法および把持手法について、現有の走査型電視顕微鏡および微小作動ステージを用いて検証を行う。実現に必要な諸条件を特定する。
②開発した微小負荷試験装置に対して、①で特定した諸条件を用いてナノ試験片を設置し、その場観察引張圧縮繰り返し負荷試験を実施する。対象材料は、銅および金単結晶とする。高い時間分解能および像分解能を有するカメラを用いてその場観察で動画を取得し、繰り返し変形を受けるナノ試験片内部の挙動を特定する。とくに、転位の増殖および消滅機構に着目して観察を行う。内部の挙動に連動した試験片形状の変化についても特定する。
③前年度に引き続き、転位動力学解析および分子動力学解析の計算手法およびプログラム構築を行う。必要に応じて、他の解析手法についても検討を行う。
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