Development of In situ characterization methods for dislocation motion at a crack tip: overcoming metal fatigue

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H02457
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26040:Structural materials and functional materials-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Koyama Motomichi 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (20722705)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 佐々木 大輔 久留米工業高等専門学校, 材料システム工学科, 助教 (50772498) ; 奥山 彫夢 木更津工業高等専門学校, 電子制御工学科, 准教授 (50804655)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 金属疲労 / 水素脆化 / そのば観察 / 電子チャネリングコントラスト / き裂

Outline of Final Research Achievements

In this study, we have worked for technical developments of in situ microscopic observations and finite element analysis (FEA) with target materials of steels, Ni alloy, and Ti alloy. Specifically, the following four achievements were obtained: (1) technical developments of in situ electron channeling contrast imaging (ECCI), (2) Methodological establishment of vacancy concentration distribution at a sharp notch tip using crystal plasticity FEA, (3) simulation of plasticity localization based on a hardening model using FEA coupled with an element diffusion analysis, (4)Clarification of microstructure dependence of small fatigue crack growth in a lath martensitic steel using ECCI coupled with in situ secondary electron imaging.

Free Research Field

金属組織学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究の大きな成果は金属疲労に繋がる現象の観察および計算解析の技術構築である。金属疲労は試験片形状依存性が大きく、特にき裂進展についてはバルク試料での解析が要求される。この観点から、その場ECCI法の構築はバルク試料での観察を実現しており、疲労現象にとらわれないバルク試料に対する広範な応用が期待される。また、金属疲労では応力、水素、空孔といったそれらの分布を可視化することが極めて困難である因子が試料内部で発達し、疲労損傷発達に影響する。実験的には得ることが非常に困難なこれら因子に関連するパラメーターを有限要素法の応用で実現したことも、金属疲労研究全般で利用が検討される成果であると考える。