2011 Fiscal Year Research-status Report
マイクロクラック法による微細結晶粒マグネシウム合金の粒界強化・脆化機構の解明
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23760675
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
染川 英俊 独立行政法人物質・材料研究機構, その他部局等, 主任研究員 (50391222)
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| Project Period (FY) |
2011-04-28 – 2013-03-31
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| Keywords | 破壊 / マグネシウム / 結晶粒界 / 分子動力学 / 溶質元素 |
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| Research Abstract |
本研究課題では、実験科学と計算科学から、マグネシウムの粒界強化・脆化機構について解明することを最終目的としている。本年度は、下記の点が主な成果として挙げられる。 4種類のマグネシウム合金（Mg-Zn/Al/Li/Y）を溶製し、温間押出加工により供試材を作製した。透過型電子顕微鏡：TEMを用いた微細組織観察では、添加元素に関係なく、4種類の押出材の平均結晶粒径は約5μmであった。電子線後方散乱回折法：EBSDを用いた観察では、全ての試料は等軸粒組織からなり、底面が押出方向に対して平行に並んでいることを確認し、次年度以降に使用する試料を準備できた。また、同供試材の機械的特性評価から、添加元素が強度や硬度に影響を及ぼし、その機構は固溶強化に起因することを明らかにした。 分子動力学を用いた研究では、マグネシウムの[1-100]対称傾角粒界を作成し、各結晶方位における粒界エネルギーを算出した。FCCやBCC金属と同様にHCP金属もカイト構造を形成することを明らかにした。また、添加元素の影響についても調査し、アルミニウム添加は粒界エネルギーを低下させる効果があることを明らかにした。更に、対称傾角粒界を含むユニットセルにせん断応力を付与し、粒界近傍の塑性変形応答を計算予測した。明瞭な粒界移動が観察され、粒界移動量と粒界エネルギーは密接な関係があることを明確にした。ナノインデンテーションクリープ試験でも同様の傾向が確認され、実験と計算の双方から一致する良い実証例が得られた。
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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
申請時計画では、試料調整の困難さを想定し、初年度に二種類：Mg-Zn, -Y合金、次年度に残りのMg-Al, Li合金について検討する予定であった。しかし、マグネシウム合金展伸材創製に関する過去の知見を活かし、結晶粒径や集合組織などの微細組織に差異のない供試材を予定より早く準備することができたこと。さらに、非鉄軽量金属に対するFIB加工は難操作と言われていたが、比較的容易に加工最適条件見つけることができたこと、などから、研究計画を見直し、分子動力学を用いた計算科学に時間を費やした。その結果、六方晶構造の様々な結晶粒界をモデル化し、代替元素化できる素地を構築した。実験および計算の双方とも、次年度に向けての研究体制が十分に整備されていることから、「おおむね順調に進展している」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題を遂行するためには、下記2点に取り組む必要がある。マイクロクラック進展量の評価：FIB加工を用いて結晶粒界近傍にマイクロクラックを導入した試料に、ひずみを付与し、変形にともなうクラック進展量を測定する。添加元素の異なる4種類の試料について調査し、クラック進展量を促進または抑制、すなわち、粒界強化または脆化する元素について明確にする。分子動力学計算による粒界エネルギーの定量化：本年度に構築したマグネシウムの粒界モデルを用い、実験では直接求めることが困難な溶質元素添加による粒界エネルギーへの影響について議論する。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
本年度に、供試材の創製や、分子動力学に使用する結晶粒界モデルが準備できたため、次年度の新規物品購入の必要はない。一方で、マグネシウムの粒界強化・脆化に有効な添加元素を明示するためには、当初計画どおり所属機関既設のFIBならびにSEM/EBSD装置の使用が不可欠である。使用時間に応じて課金が適応されるため、使用費を当研究費により充当する予定である。また、次年度が当該研究最終年度であり、得られた研究成果を論文や対外発表として積極的に発信する予定である。具体的には、国内：2件（日本金属学会、機械学会）と国外：1件（Materials Research Society：アメリカ）、学術誌：1報を計画し、成果発信として必要な費用を使用予定である。
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