2021 Fiscal Year Research-status Report
配列析出相を含むアルミニウム合金マイクロピラーの力学特性と転位動力学
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20K05164
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
村石 信二 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (70345156)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | アルミニウム合金 / マイクロメカニクス / 時効析出 / インデンテーション / マイクロピラー / 応力時効 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
析出強化型Al-Mg-Si合金押出材を用いた外力下の配列組織制御を検討した結果、特に負の圧縮応力で応力軸方向に平行な＜001＞β“の針状析出の数密度が増加した。相互作用エネルギ―の観点から、針状析出物の短手方向に正のミスフィットを有する＜001＞β“の析出に外力が作用したことで配列効果が生じたと説明される。このような配列析出組織に硬さ試験を行うと、応力軸と垂直となる面で硬さが減少する硬さの異方性が明らかとなった。またAl-Cu-Mg合金のＧＰＢやＳ”相の針状析出物でも同様な配列効果と硬さの異方性が現れており、針状析出物の配列組織が力学挙動の異方性をもたらしたと考えられる。
マイクロメカニクス理論に基づき、アルミニウムに代表的な<001>針状析出物、｛111｝板状析出物の内側と外側の内部応力場をEshelby介在物法により計算した結果、析出バリアントの幾何学配置によって、すべり面上の転位と正・負の相互作用力を生じるバリアント（Type-B）、ならびに相互作用力が平均してゼロとなるバリアント(Type-A)が存在することを明らかとし、また析出物が容易にはせん断されにくく母相のみが塑性変形する場合でも（不均一介在物問題）、バリアントの幾何学的配置によってType-AとType-Bでは内部応力場の傾向に明らかな違いがあることが明らかとなった。更に、内部応力場中の転位運動を離散化転位動力学法により解析した結果、せん断の外部応力下で転位が張り出す過程で、析出物の内部応力場の符号によって転位運動が大きく影響され、転位の幾何学形状や長さにバリアントの影響が現れること、また転位の移動量から換算した塑性ひずみと外力の関係にも差が生じること、等を明らかとした。
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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
応力時効によるAl-Mg-Si合金中の＜001＞β“相の配列効果、また配列効果による硬さの変形異方性を明らかとした。Ｘ線極点図で顕著な｛001｝集合組織の発達が認められることから、微小力学試験により単結晶的な挙動が検出されたと考えられる。
ここで、本研究の転位動力学の解析によれば、転位のバーガースベクトルが＜001＞バリアントの長手方向と内積がゼロとなるType-A, 内積が非ゼロとなるType-Bの2種類の幾何学関係において、転位が析出バリアントを乗越える際の外力（析出強化量）に違いがあることが明らかとなっている。特にType-Bでは、転位の移動方向によって相互作用力が正負入れ替わり析出強化量に強弱の差が生じること、またＴｙｐｅ－Ａでは局所で正負の相互作用力が分布することで、その析出強化量は2つのType-Bの析出強化量の中間的な値となることが明らかとなっている。これら知見は、バリアントの内部応力場が転位運動に大きく影響を与え、バリアントの析出強化量が転位のすべり系に大きく依存することを意味しており、オロワン機構の有効なピン止め点の間隔も析出バリアントの幾何学的配置によって異なることを示唆している。
これら数値解析の結果からシュミット因子の観点で転位のすべり系を考慮すると、応力時効と硬さ試験の荷重方向が平行な場合には、針状析出物も荷重軸と平行に配列することで、Type-Aの幾何学関係となるバーガースベクトルは働かず、従ってType-Bのバーガースベクトルが働くと考えられる。これに対して、応力時効と硬さ試験の荷重方向が垂直となる場合には、Type-A，Type-B双方のバーガースベクトルが働くこととなる。Type-Bでは、転位の移動方向によって析出バリアントの強化量が逆転する為、弱い相互作用力となる方向に転位が動くと仮定すれば、実験結果を矛盾がなく説明できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
Al-Mg-Si合金中の＜001＞β“相についての応力時効の実験、および転位動力学のシミュレーションの結果から、①外力下で＜001＞β“相が配列析出すること、②配列組織制御により硬さの変形異方性が生じること、③転位と析出バリアントの相互作用の幾何学的効果、等を述べた。
①について、過去のAl-Cu系合金で行った応力時効の実験と比べ、＜001＞β“相の配列効果は顕著でなかった。核生成期の外力が配列効果を大きく左右することから、迅速に応力時効を行い、塑性変形を可能な限り低減する工夫が必要である。現状のイメージ炉・小型インストロン型試験機よりは、過去に実績のあるオイルバス・一定荷重試験機の応力時効が望ましく、現在機器をセットアップ中である。
②について、硬さに変形異方性が現れた事実は、外力下の配列析出を間接的に証明している。しかし、ＦＩＢ加工したマイクロピラー試験では変形異方性の検出には至っておらずＮ数が必要である。これはβ“相の配列度がそれほど高くないこと、ＦＩＢによる試験片加工の精度にも関係していると思われる。この点、圧痕の測定による硬さでは、平均的な情報として変形異方性が検出できたと考えられる。従って配列度の高い試験片を作成して力学試験に供することが先決であり、①で述べた応力時効による配列析出の最適化が必要と考えている。
③について、実際の材料中では、析出物のすべり系や臨界せん断応力は、母相アルミニウムとは異なり、これら要素を加味したシミュレーションを検討している。また、析出バリアントによる転位のピン止め効果の違いを明らかとすることを目的に、複数の析出物と転位の多体間相互作用を検証する。平均場の理論によれば、平均場への足し合わせで転位周辺の局所の応力場を再現される。現在10個単位の析出バリアントを配置した多体間相互作用のシミュレーションで検討を進めている。
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