2021 Fiscal Year Annual Research Report
構造材料の結晶粒界・転位偏析計算システムの構築と偏析デザインによる組織制御
| Project/Area Number |
21H01676
|
|---|
| Research Institution | National Institute for Materials Science |
|---|
Principal Investigator |
大沼 郁雄 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, 上席研究員 (20250714)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
|
| Keywords | CALPHAD / 熱力学・拡散データベース / 結晶粒界偏析 / 格子欠陥 / 組織制御 / 鉄鋼材料 / アルミニウム合金 / 銅合金 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
鉄鋼材料をはじめ各種構造材料において，溶質元素や不純物元素の粒界偏析が材料の組織と特性に多大な影響を及ぼすことが知られている．粒界偏析に起因する構造材料の組織と特性を制御するためには，ランダム粒界に加え小角粒界や対応粒界等の低エネルギー粒界における多種元素の偏析挙動を定量的に予測する必要があるが，現時点で実現されていない．本研究では鉄鋼材料，Al基およびCu基各合金の多種類の偏析元素を対象に，(1)複合偏析の相互作用効果，(2)結晶粒径，(3)粒界エネルギー，(4)転位密度および，(5)粒界・転位偏析の温度依存性を考慮して，CALPHAD法を援用した偏析濃度計算システムを構築し，実験結果と比較してその精度を検証する．
R3年度は鉄鋼材料の熱力学データベースと拡散データベースを用いて熱力学計算ソフトウェアのThermo-Calcにより計算されるフェライト（αFe）およびオーステナイト（γFe）母相と粒界相の自由エネルキーとFe母相中の偏析元素の拡散係数を，アプリケーション・プログラミング・インターフェースのTQ-Interfaceを介して，本研究で開発を進めている粒界偏析計算プログラムに取り込み，多種類の微量偏析元素を含有するαFeとγFe中における熱処理温度と熱処理時間を考慮した多成分系複合偏析計算システムを構築した．
FeにB, CおよびMoを微量添加して，950℃のオーステナイト温度域で熱処理された鉄鋼材料における粒界偏析計算の結果は，独・マックスプランク鉄鋼研究所のRaabe博士らのグループが報告した旧γ粒界上への偏析濃度の実験データを半定量的に再現することを確認し，粒界偏析計算システムに適用した母相と粒界相間の自由エネルギーと偏析元素の拡散係数に基づく熱力学・動力学計算モデルの妥当性を概ね検証した．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題では，(1)鉄鋼材料，(2)Al基合金，および(3)Cu基合金の三種類の構造材料における微量添加元素・微量不純物元素の結晶粒界への偏析濃度を，熱力学計算・拡散計算を援用して数値計算する独自の粒界偏析計算システムを構築することを目的としている。初年度（R3年度）は，鉄鋼材料における粒界偏析濃度の計算プログラムの開発に取り組み，多成分系の母相（αFeあるいはγFe）と粒界相の自由エネルギーを鉄鋼材料の熱力学データベースから計算プログラムに導入する手法に加えて，拡散データベースを利用して各偏析元素の母相（αFeあるいはγFe）中の拡散係数を計算し，熱処理温度と熱処理時間を考慮した粒界偏析計算を実現した．特に，αFeが母相の場合には温度の低下に伴い常磁性から強磁性への磁気変態が生じて拡散係数がアレニウスプロットにおいて非線形に変化するが，多くの文献では拡散係数への磁気変態の影響が十分に考慮されておらず，粒界偏析濃度計算の高精度化の障害となっていた．熱力学・拡散データベースを計算プログラムに導入することによりその効果を粒界偏析計算に効果的に反映させることができるため，低温の強磁性領域での計算精度の向上を達成した．
上述した計算プログラムの開発に並行して，鉄鋼材料における重要な添加元素の一つであるSiを含むFe-Si二元系の状態図，特に粒界偏析計算において重要となる液相線と固相線の相平衡を決定し，その研究成果を論文に投稿した（現在，初回査読結果に基づく原稿の修正中）．以上のように，計算システムの開発と計算モデルを支援する実験がおおむね順調に進展している．
|
| Strategy for Future Research Activity |
R3年度に研究対象とした鉄鋼材料に加えて，R4年度は銅合金における粒界偏析計算システムを構築する．銅合金の熱力学データベースを援用して計算できる母相（fcc-Cu）と粒界相の自由エネルギーと，拡散データベースを用いて計算できる偏析元素の拡散係数を，粒界偏析計算プログラムに取り込んで，銅合金の粒界偏析濃度を計算する．鉄鋼材料では多元系の粒界偏析濃度を最新の3Dアトムプローブを用いて測定した実験データが多数報告されており，計算結果を検証するための資料として利用できたが，銅合金ではそのような実験データがほとんど報告されていないため，自ら銅合金試料を作成し，熱処理を施した後に粒界偏析濃度を測定する予定である．
本研究の粒界偏析システム構築の目的の一つに，溶体化および時効熱処理における格子欠陥への添加元素の偏析から，銅合金の強度を発現する析出への進展を予測して，最適な熱処理条件を設計することを掲げているが，粒界偏析計算モデルを銅合金中の積層欠陥や転位への偏析モデルに拡張し，格子欠陥偏析システムを構築する．
銅合金では主要な実用合金系を構成する二元系合金の実験状態図と熱力学解析は進展しているが，三元系以上の多元系についての実験と解析の報告は限られている．溶体化および時効熱処理条件の最適化には多元系状態図に関する実験データが不可欠であり，格子欠陥偏析の結果から重要と予測される銅基三元系合金系についてのfcc-Cu中の添加元素の溶解度の実験も検討する．
|
