2020 Fiscal Year Annual Research Report
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19H00824
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
乾 晴行 京都大学, 工学研究科, 教授 (30213135)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岸田 恭輔 京都大学, 工学研究科, 准教授 (20354178)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 低温変形能 / マイクロピラー / 降伏応力 / サイズ依存性 / 転位核生成 / 臨界体積 / 脆性材料 / 転位 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Fe2Nbラーベス相単結晶は、バルクでは変形開始温度が1000℃を超えるものの、ミクロンサイズの試験片では室温でも変形が可能で、数GPaオーダーと非常に高い応力で活動する複数のすべり系があり、FCC鉄と共存する場合、Fe2Nb相厚さが薄ければ10%もの大きな歪量まで変形が可能であることを見出した。このような脆性材料における低温変形能および界面誘起塑性変形能はバルクでは観察できない新規な力学物性であり、本研究では「転位の核生成にはある臨界体積が必要で、その大きさはバルクでの変形開始温度および低温変形能が出現する臨界試料サイズと相関がある」との仮説のもと、CRSSおよびその歪速度依存性の試料サイズ依存性の実測から、転位生成の臨界核サイズ、界面誘起塑性変形能発現の脆性相臨界厚さおよびその相関関係の解明を試みている。この転位核生成の臨界体積はバルク試料では評価し得ない新規な力学物性パラメーターで、耐熱鉄鋼材料の脆化抑制やパーライト鋼の更なる高強度化など応用開発に有用な情報も抽出を目指している。脆性金属間化合物相としてはFe2Nbラーベス相、FeCrシグマ相、Fe3Cセメンタイト相化合物を、2相材料としてはFe2Nbラーベス相/オーステナイト相、パーライト鋼について低温変形能および界面誘起塑性変形能の研究を進めている。FeCrシグマ相、Fe3Cセメンタイト相化合物そのものの低温変形能についての研究が先行・進展しており、パーライト鋼についての変形能改善に関する知見も蓄積されつつある。特に、FeCrシグマ相の低温変形能についての研究では、6角網目原子構造の回転を伴う協調運動を伴うZonal転位の実証に世界で初めて成功している。以下にはこのFeCrシグマ相の低温変形能の原子機構について得られた知見を中心に記述する。
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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
FeCrシグマ相金属間化合物は、複雑な結晶構造に起因した脆さを示し、オーステナイト系ステンレス鋼やCrを含む耐熱鋼の力学特性を劣化させる脆性相として知られている。事実この金属間化合物は室温はおろか融点直下の高温でも全く変形能を示すことなく脆性破壊する。しかし、ミクロンオーダーのマイクロピラー試験片では、低温変形能を示し広範囲の結晶方位範囲で1.5~2 GPa程度の臨界分解せん断応力（CRSS）を伴って室温でも塑性変形が可能である。活動するすべり系は4種類確認されたが、これら4 つのすべり系のCRSSの試験片サイズ依存性はいずれも非常に小さい。このことは、これら4 つのすべり系の活動応力は転位の核生成応力によって大部分が決定されていることを示唆する。{110}[001]すべりは4つのすべり系の中で最もCRSSが低く、広い結晶方位範囲で活動する。このすべりを担う[001]転位は分解することなく完全転位として活動するが、いわゆるZonal転位と呼ばれる形態で運動していることを原子分解能電子顕微鏡法により明らかにした。シグマ相化合物では、六角原子配列を伴うカゴメ層が(001)面を形成し、互いに[001]軸周りに90°回転した2種のカゴメ層が[001]軸方向に積層した結晶構造であるため、転位のバーガースベクトルがこの(001)カゴメ層と直交する場合、すべり面上下で2種のカゴメ層がすれ違い大きな抵抗となるため、カゴメ層の6角網目構造を単位としてそのZone内で回転を起こし、このような原子の協調運動のもと転位の運動が起こる。Zonal転位の活動により生じると考えられるこのすべり系でCRSSが他に比べて低いことは、このようなカゴメ層の6角網目構造の回転を伴う原子の協調運動のもとでの転位運動が有利であることを示唆し、シグマ相化合物の変形能改善に向けて重要なポイントが得られたと言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
{110}[001]すべりを担う[001]転位がZonal転位として運動することを世界で初めて実証したが、転位のバーガースベクトルが(001)カゴメ層と直交する場合、すべり面上下で2種のカゴメ層がすれ違い大きな抵抗となるためにカゴメ層の6角網目構造を単位としてそのZone内で回転を起こすのならば、当然，活動が確認されたすべり系の内，{100}[001]すべりでも同様のZonal転位が活動しているはずである。{100}[001]すべりにおけるZonal転位の活動の実証は、すべり面上下で2種のカゴメ層のすれ違いが大きな抵抗となるという仮説を更に裏付けるものとなるばかりでなく、カゴメ層の6角網目構造の回転を伴う原子の協調運動がシグマ相化合物の変形能改善に向けて重要なポイントとなるという変形能改善策を更に強化するものであり、さらに研究を深化させたい。
また、パーライト鋼（Fe3Cセメンタイト相化合物とフェライト鉄相のラメラー構造体）についても研究が進展しており、Fe3Cセメンタイト相化合物そのものの低温変形能についての研究（活動すべり系の同定およびそのCRSS評価）はほぼ完了し、ラメラー界面を変形（引張/圧縮）軸に平行にした試験片でのマイクロピラー変形実験を開始している。いずれの試料でもラメラー間隔が小さくなるほど変形応力は上昇するが、変形応力に最大値は存在するのか、最大値が存在するとすればその値は界面の変形抵抗とどのような関係にあるのかという観点から実験を進めている。セメンタイト相化合物の活動すべり系により変形応力の最大値も延性（破断までの変形量）も大きく変化し、これらの値はセメンタイト相化合物の活動すべり系の相違に起因した界面での歪の適合性が決定するとの仮説をもって実験によりこれを検証している。パーライト鋼についても変形能改善に関する知見が得られると期待している。
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