Establishing a creep life prediction methodology for heat-resistant structures at high temperatures

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20KK0084
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 柴沼 一樹 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30611826)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 横堀 壽光 帝京大学, 公私立大学の部局等, 教授 (00124636) ; 尾関 郷 帝京大学, 公私立大学の部局等, 講師 (10781528) ; 田淵 正明 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, グループリーダー (60354239)
• Project Period (FY): 2020-10-27 – 2023-03-31
• Keywords: クリープ / マルチスケールモデル / 破壊力学 / 損傷力学

Outline of Annual Research Achievements

「マルチスケール・マルチフィジックスモデル」では、まず単相組織を仮定し、結晶粒の寸法分布を基に多結晶体の3次元空間分布モデルの開発を行った。さらに、多結晶体空間分布の粒界網を経路として各粒界でのマトリックスとの原子空孔の拡散流束を解析することで、それを基に粒界相対速度（原子の吸い込み/吐き出し速度）を評価し、各粒界の相対的な移動や結晶粒の変形を定量的に求める「粒界相対速度理論」に基づくクリープ変形モデルの開発を行った。さらに、上記のクリープ変形モデルによって得られた各粒界における原子空孔の拡散流束にを用いて、「粒界上の直応力平衡理論」に基づき粒界上におけるボイド生成・成長モデルの開発を行った。開発したモデルに対して、対象とする材料の粒径や負荷応力、温度などの条件を変更した系統的な解析を実行した結果、経験的に知られる巨視的な関係則を再現できるだけでなく、結晶粒のアスペクト比や粒径分布における分散の影響など、従来の経験式では評価できない因子についてもそれらが巨視的なクリープ特性に与える影響を底力的に予測可能であることが示された。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初予定していた粒界空孔拡散に起因したクリープ変形だけでなく、粒界上のボイドの生成および成長をも同時に解析可能なモデルの開発に成功した。

Strategy for Future Research Activity

先行しているモデル開発に対し、その妥当性を実証するための実験的な検討を開始する。具体的には、まず単相の多結晶材料として、純銅、純アルミニウム、純ニッケルより温度や負荷応力および粒径の観点からクリープ変形において粒界空孔拡散が支配的となるような最適な材料の選定を行う。さらに、選定した材料に対して、高温引張試験および短時間のクリープ試験を開始する。
モデル開発では、粒界の界面エネルギーと表面エネルギーの比に基づき、粒界とのボイド界面の成す角を一定とした2個の球帽を重ねた形状を仮定している現行モデルに対して、より実際の形状に整合するよう、ボイドの幾何形状の描写に関する自由度を増加した修正行う。
さらに、巨視的な有限要素法との連成を可能とするアルゴリズムの開発も進める。

Causes of Carryover

当初研究計画では、国際共同研究の枠組みで3週間程度の英国の滞在を予定していたが、新型コロナウイルスの感染拡大の影響により、このような短期滞在は不可能となったため、次年度への繰越しをする必要が生じた。