2021 Fiscal Year Annual Research Report

Acceleration of diffusional transformation by applied stress and its application to microstructural control

Research Project

Project/Area Number	20H02488
Research Institution	National Institute for Materials Science
Principal Investigator	上路林太郎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 (80380145)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	田中克志神戸大学, 工学研究科, 教授 (30236575)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	加工熱処理 / 相変態 / 応力 / 鉄鋼材料 / 構造材料 / パーライト / オーステナイト / 高温変形
Outline of Annual Research Achievements	鉄鋼材料の機械的性質向上に有効な加工熱処理プロセスにおいて、そのプロセス条件の最適化に必要な応力と変態の相関について、降伏応力以下の外力による拡散変態促進のメカニズムを解明し、不均一応力場を利用した新しい組織制御法を確立することを目的としている。本年度は、実用鋼の一種であるばね鋼（Fe-0.53C-1.5Si-0.8Cr-0.7Mn）に対して、変態後の組織観察を電子線背面散乱回折（ＥＢＳＤ）測定を行い、応力負荷によりパーライトノジュール（ブロック）が微細化することが明らかとなった。ノジュールサイズの微細化は、初期粒径が大きいほど促進される。このことは、応力による拡散変態の促進が核形成サイト密度の増殖によることを示唆している。温度-弾性変形関係に関しては、前年度整備した弾性定数測定系を用い、鋼の準安定γにおける弾性定数の共振法による高温域のオーステナイトの弾性定数の測定結果が得られた。上記に加えて温度勾配下の圧縮・相変態挙動を実験により調査した。上記データ収集で対象としたものと同じ組成を有する炭素鋼（ばね鋼等）を用いた。やや大きなアスペクト比を有する試験片（長さ40ｍｍ程度×直径8ｍｍ程度）に対して、新調した局所加熱コイルを用いて温度勾配を付与した上で圧縮・相変態挙動を明らかにした。降伏応力以下の応力負荷（あるいは無負荷）状態における温度勾配下変態挙動に焦点を絞り、最大3K/mm程度（試験片長手方向におおよそ100K）の応力勾配を付与することに成功したが、温度勾配を伴うパーライト変態挙動に大きな変化は見られなかった。そこで、円周切り欠きを伴う円柱試験片を用い応力勾配化の変態挙動を測定できる実験条件の検討を行った。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 応力とパーライト変態挙動の相関に関するデータ収集については、ほぼ完了した。測定結果を適切にモデル化する方法を共同研究者等とともに議論している。また、応力付与に伴い、パーライトノジュール微細化の可能性を見出すことができた点は当初想定されていない結果であった。温度勾配を利用した変態制御は困難であることが判明したので、試験片形状を変更することにより応力勾配を得る方法を考案し、当初の予定どおり実験を進めることができた。
Strategy for Future Research Activity	応力付与に伴う拡散変態の促進メカニズムについて、これまで得られたデータをもとに検討する。これまでの結果より、応力付与に伴う局所領域の塑性変形による核形成サイトの増大が示唆されていること踏まえ、核生成サイトに着目した変態挙動解析を、主として膨張曲線を利用して行い、応力効果の定量的表現の確立を目指す。弾性定数については、変態前後の弾性定数測定により、変態に伴う弾性変形による相安定性の変化の明確にする。また、円周切欠き試験片等、試験片形状を変化させた試験を引き続き行い、応力を利用した拡散変態組織制御の原理の確立を目指す。