2019 Fiscal Year Research-status Report
Improvement of fatigue properties of metallic material by using surface modification technique Scanning Cyclic Press
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19K14835
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
藤村 奈央 北海道大学, 工学研究院, 助教 (40732988)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 表面改質 / 疲労特性改善 / 組織の微細化 / マグネシウム合金 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、低荷重の振動圧縮負荷を繰り返し金属表面に走査しながら付与することで表層組織を改質する新しい表面改質技術Scanning Cyclic Press：SCPを適用し疲労特性を改善するとともに、その改善効果に及ぼす加工パラメータの影響を検討し、材料の疲労特性改善のメカニズムを明らかにすることを目的としている。SCPでは、負荷の大きさやその負荷繰返し数、付与する速さなどを加工パラメータとして設定することで表面改質の程度を制御できる。2019年度は、これらパラメータのうち、負荷繰返し数に着目してSCP後の組織の変化や疲労特性への影響を検討した。具体的には以下のとおりである。
マグネシウム合金AZ31を対象とし2種類の負荷繰返し数の下でSCPを実施した。なお、今回採用した負荷繰返し数は、負荷を与えるインデンターが改質範囲をそれぞれ1往復および25往復するのに相当する。未処理材とSCP処理材に対して疲労試験を行い、疲労特性の改善効果と負荷繰返し数の違いによる改善効果への影響を検討した。また、SEM/EBSD法で断面組織を観察し、組織の変化を調査した。疲労試験の結果、SCPを施すことでAZ31の破壊形態は表面起点型から内部起点型へと変化し、疲労寿命および疲労強度が未処理材と比較して大幅に向上することが明らかとなった。また、改善効果に及ぼす負荷繰返し数の影響については、今回用いた条件の限りでは、疲労寿命に違いは認められなかった。断面組織観察の結果、改質後の断面では表面から200μmの深さまで組織の変化が認められ、特に表層50μm程度には非常に細かな結晶粒が形成されていることが明らかとなった。この改質層の深さに繰返し数の違いによる差は認められなかったが、繰返し数が多いほどより微細な組織が形成されていた。このことから、負荷繰返し数は、組織の微細化の程度に影響を及ぼすと考えられる。
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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
本研究において2019年度の目標は、SCP表面改質における負荷繰返し数の影響に着目し、これが金属材料の疲労特性および組織の変化に及ぼす影響を検討することであった。この目標に対して、疲労特性に関する検討については、当該年度中にSCP改質装置の大掛かりな調整を行ったため、疲労試験を行うための試験片が十分に準備できず、取得できたデータは予定よりも少なかった。しかし、組織の変化に関する検討については、おおむね予定通り実験・検討を進めることができた。その結果、改質後の断面組織において、未処理材とは異なる微細組織が表層に形成されていること、その組織の形成された深さには繰返し数の違いによる差は認められないこと、微細組織内の結晶粒の大きさには違いがあることから微細化の程度に影響を及ぼす可能性があることなどが明らかになった。また、以上の成果を学会において発表できる見通しが立っていることから、順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度に引き続き、2020年度も金属材料、特にマグネシウム合金を対象として種々の加工パラメータでSCPを適用し、SCPが金属の表面性状や組織等に及ぼす影響を検討する。また比較のために鋼も用いる予定である。加工パラメータについては、負荷の繰返し数に加えて負荷の大きさにも着目し、実験を進める予定である。改質装置には、申請者が所属する研究室で開発したSCP表面改質装置を用いる。そして、SCPを施した材料に対して、表面粗さ測定、硬さ測定、断面組織観察などを行い、SCPによる材料の外観・表面性状、機械的性質および組織の変化を調査する。断面組織の観察・分析には、所属する北海道大学の共同利用施設に設置されている機器・設備を利用し、主に走査型電子顕微鏡によるEBSD解析や透過型電子顕微鏡による観察を行う。また、SCPを施した材料に対して軸荷重疲労試験を実施し、疲労特性の変化を調べる。具体的には疲労試験によってSCPを施した材料のS-Nデータを取得し、SCPによる疲労寿命や疲労強度の変化を明らかにする。さらに、破面観察からSCPによる破壊形態の変化も調べる。そして、上述の測定・分析で得られたSCP後の材料の表面粗さ・硬さ・組織の変化と疲労試験で得られた疲労特性・破壊形態を比較し、SCPを施したことによる材料の疲労特性改善効果を検討する。このとき加工パラメータと組織の変化、疲労特性の改善具合を総合し、組織を改質して疲労特性を効果的に改善する加工パラメータの設定方法について検討する。これらの検討を通して、疲労特性を改善する新たな表面改質技術としてのSCPの有効性を評価する。
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| Causes of Carryover |
マグネシウム合金の組織観察用試料を準備する際、平滑かつひずみのない観察面を創製するための精密研磨機を計上していたが、所属機関が同装置を所持していたためこれを使用した。また、年度末に、当該年度に得られた成果の一部を発表するため国内学会の講演会に参加する予定であったが、新型コロナウイルスの影響で中止になった。そのため、当初の予定よりも2019年度の使用額が少なくなった。一方、2019年度に得られた成果の一部を論文としてまとめる目途が立ったことと、マグネシウム合金や比較用の鋼などの試料を保管するための真空デシケータが追加で必要となったため、これらに使用することとした。以上の理由から、次年度使用額は設備備品の整備や、投稿論文の費用として用いる予定である。
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Research Products
(4 results)
