2020 Fiscal Year Annual Research Report
内部起点型疲労破面に見られる粒状領域形成に関する『繰返し接触モデル』の実験的立証
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19H02034
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
小熊 博幸 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, 主幹研究員 (80515122)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉中 奎貴 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, 研究員 (00825341)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 超高サイクル疲労 / 内部起点型破壊 / 放射光X線nano-CT / 粒状領域 / 高強度金属材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高強度金属材料において「超高サイクル疲労」の重要性が指摘されている．超高サイクル疲労の特徴として内部起点型破壊が挙げられる．内部起点型破壊は一般的な表面起点型破壊よりも低い応力，長い寿命（繰返し数1000万回以上）で生じる．そして，内部起点型破壊の破面上においてのみ凹凸の大きさが1マイクロメートル以下で粒状の様相を呈した特異な領域（粒状領域）が形成される．粒状領域の形成は内部起点型破壊の特性と強い相関があると考えられる．本研究では「疲労き裂が曝される環境（真空／大気）」と「力学的条件（圧縮負荷）」に着目し，粒状領域の形成機構を実験的に明らかにする．
チタン合金を対象とした球面同士の繰返し接触試験を大気中と真空中で行った結果，両方の環境で組織の微細化が生じていた．真空中で微細化はより顕著に生じており，さらに凝着が起きることで表面に粒状の凹凸が形成された．TEMによる観察と分析から微細化状態の詳細ならびに合金元素の拡散が明らかになった．
また，組織の狙ったところに負荷を加えることを目的としてピコインデンターを利用したSEM内での押込み試験を実施した．1～100回の押込みをしたが，EBSDによる分析では圧痕周囲の表面に変化は見られなかった．理由としてピコインデンターの最大負荷力が500mNと小さいことや，負荷回数が超高サイクル（1000万回以上）と比較して十分ではなかったことなどが考えられる．そこでSEM内で十分な大きさの繰返し負荷を高速で加えるための装置のプロトタイプを製作した．
一方，2021年度以降での実験に使用する予定であるチタン合金について組織観察，引張試験ならびに硬さ試験を実施して基礎データを取得した．
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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
2020年度に計画をしていたミクロスケールの実験については，TEMによる観察と分析により微細化状態の詳細が明らかになり，凝着界面における元素拡散が示唆された．得られた知見は2021年度から予定されている大型放射光施設での粒状領域の形成過程の観察において指標になると考えられる．
ピコインデンターを用いてSEM内で繰返し押込み試験と切り欠き試験片を用いた接触試験を実施した．しかし，負荷力と繰返し数の不足により微細化と粒状化を再現できなかった．そこでSEM内での実験を想定して小型ピエゾ疲労試験装置のプロトタイプを作製した．
外部機関で実施する予定であった試験ならびに国際会議での発表が延期されたため，それらに関連する実施項目は若干予定より遅れている．
2021年度以降での実験に使用する予定であるチタン合金（二相型とベータ型）について組織観察，引張試験ならびに硬さ試験を実施して基礎データを取得した．
以上から，全体として「おおむね順調に進展している」と判断する．
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| Strategy for Future Research Activity |
内部起点型疲労破壊における粒状領域の形成過程を大型放射光施設で観察するための予備実験を実施する．2020年度に用意をしたチタン合金（二相型とベータ型）の疲労試験を行い，超高サイクル域までの疲労寿命ならびに破面データを取得する．
これまでに観察ならびに分析の対象としてきた試料から粒状領域の部分を切り出し，放射光X線nano-CTでの観察を試みる．その中で粒状領域の形成過程の観察方法の詳細について検討を行う．
小型ピエゾ疲労試験装置を用いて微小欠陥を付与した平板試験片を対象としたき裂進展とき裂面接触試験を行う．試験前後での観察および分析から接触面状態の変化と微視組織との相関を明らかにすることを試みる．
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