2021 Fiscal Year Annual Research Report
Quantitative Evaluation of residual life of heat-resistant alloy under random creep-fatigue loadings at elevated temperature
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21H01205
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
三浦 英生 東北大学, 工学研究科, 教授 (90361112)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 高温強度 / クリープ疲労損傷 / 原子配列の秩序性 / 電子線後方散乱回折 / 粒界割れ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では各種高効率エネルギープラントで応用される最先端耐熱合金の高温クリープ疲労損傷の支配因子の定量的な解明を目的としている．この劣化損傷の進行過程を，構造材料の高温高負荷環境における劣化損傷が材料を構成する構成原子の応力依存の異方的増速原子拡散現象（D = D0exp{-(Q-sV)/kT}）に基づき発生することを明らかにした．ここでDは拡散定数，D0は定数，Qは熱力学的に定義される平衡状態での活性化エネルギー，sは作用する応力，Vは等価体積，kはボルツマン定数，Tは絶対温度である．本式を転位や原子空孔の発生や拡散，各種析出物の発生等に適用し，温度と機械的な応力の連成現象として材料組織の劣化機構を解明した．さらに，結晶粒界近傍や母相と析出物間の格子不整合に起因した局所歪み場の存在も局所応力場評価に取り込み，外力と内部歪み場による内力を統合した機械的応力場の解析も加え，クリープ疲労損傷を機械的な損傷に留まらず，化学的な組織変化に起因した応力歪み場との連成損傷と位置づけ，上式の応力を時間の関数とし，時間積分することで使用条件に依存した劣化進行の定量的な評価を可能にした．また，分子動力学解析手法を応用し，電子線後方散乱解析から得られるIQ値の物理化学的意味づけの解明も推進した．転位や空孔分布に依存した原子配列の秩序性の劣化と粒界強度の低下の相関関係を定量的に解明することでIQ値の定量的な物理化学的意味付けも明らかにした．
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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
NI基耐熱合金，あるいはステンレス鋼の高音クリープ疲労負荷環境における結晶品質の劣化が応力依存の異方的異常原子拡散挙動で発生，進行することを定量的に可視化し定式化することに成功した．特に結晶粒界近傍で拡散の活性化エネルギーが30%以上も低下することを確認実証できた．また，この局所的な劣化損傷過程は，結晶粒界を構成する隣接結晶間の格子不整合に伴い局所的に発生するひずみ場と，外力として作用する公称ひずみ場の和が材料固有の臨界値を超えることで発現することも定量的に解明した．これらの成果は査読付きの学術論文として公表するとともに，代表研究者が複数の国際学会から基調講演を依頼されたり，国際共同研究成果として発表した内容が国際学会からBest Poster Paper Awardを受賞している．また，担当した学生達が日本機械学会の学生独創研究賞やフェロー賞（若手優秀講演賞）などを受賞し，研究の独創性や工学的な有用性も国内外から高く評価されている．
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| Strategy for Future Research Activity |
高温クリープ疲労負荷kl案強における劣化損傷の進行過程は，次式で示す応力依存の異方的増速原子拡散現象に基づき発生することを明らかにした．
D = D0exp{-(Q-sV)/kT}
ここでDは拡散定数，D0は定数，Qは熱力学的に定義される平衡状態での活性化エネルギー，sは作用する応力，Vは等価体積，kはボルツマン定数，Tは絶対温度である．応力は引張応力が正の値，圧縮応力が負の値を示す．本式が適用される化学反応（核の発生や拡散）現象は引張応力の作用で加速され，圧縮応力の作用で抑制されることになる．実際，引張応力誘起異常増速拡散現象としてNi基合金では拡散の活性化エネルギーが約30%も減少することを実証した．本式を転位や原子空孔の発生や拡散，各種析出物の発生等に適用し，温度と機械的な応力の連成現象として材料組織の劣化機構を解明する．特に，結晶粒界近傍や母相と析出物間の格子不整合に起因した局所歪み場の存在も局所応力場評価に取り込み，外力と内部歪み場による内力を統合した機械的応力場の解析も加え，クリープ疲労損傷を機械的な損傷に留まらず，化学的な組織変化に起因した応力歪み場との連成損傷と位置づけ，上式の応力を時間の関数とし，時間積分することで使用条件に依存した劣化進行の定量的な評価を可能にする．さらに分子動力学解析手法を応用し，電子線後方散乱解析から得られるIQ値の物理化学的意味づけの解明も推進する．転位や空孔分布に依存した原子配列の秩序性の劣化と粒界強度の低下の相関関係を定量的に解明することでIQ値の定量的な物理化学的意味付けも明らかにする．
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