2022 Fiscal Year Annual Research Report
4次元的損傷分散概念に基づく多機能ヘテロ金属創製原理の創発
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22H01359
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
菊池 将一 静岡大学, 工学部, 准教授 (80581579)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
塩澤 大輝 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (60379336)
藤井 朋之 静岡大学, 工学部, 准教授 (30377840)
蓮沼 将太 青山学院大学, 理工学部, 准教授 (50709764)
關根 惟敏 静岡大学, 工学部, 助教 (00765993)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 金属疲労 / 粉末冶金 / 力学特性 / 破壊力学 / 高輝度放射光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，機械構造物の動的な破壊・破損を抑制するため，構造用金属材料のミクロ組織を周期制御してマクロに損傷を分散させる概念の確立を目的とする．チェーン状に連なる高強度相が低強度相を包み込む構造（3次元周期ヘテロ構造）に制御し，3次元構造における損傷分散の時間的変化を司ることにより，「強さ」と「しなやかさ」を兼ね備えた多機能金属を創製することは重要である．
まず粉末冶金技術を駆使し，結晶粒径や元素拡散量の異なる周期ヘテロ構造金属（オーステナイト系ステンレス鋼，チタン合金，工業用純チタン）の創製に成功した．また，「高強度相が低強度相を包み込む」周期ヘテロ構造金属の特異な力学特性の解明には，各相の局所的な力学特性を把握することが必要である．そこで，稜間角の異なる複数の圧子を用いたインデンテーション法（二圧子法）によって，周期ヘテロ構造金属内の各相の局所的な応力-ひずみ関係を実験的に同定し，各相の降伏強度を定量化した．
また，周期ヘテロ構造金属の損傷メカニズムに関する知見も得た．具体的には，放射光回折コントラストトモグラフィ(Diffraction contrast tomography: DCT)を用いて，まずは準静的な応力を負荷した際のヘテロ構造金属におけるミスオリエンテーション変化挙動を評価した．高輝度放射光を用いてヘテロ構造金属のミスオリエンテーション変化の負荷応力依存性を調べた結果，マクロな降伏応力より高い応力域においてネットワーク状の周期高強度相への損傷集中という特異な現象が生じ，粗大結晶粒組織の損傷が抑制されることを明らかにした．さらに，疲労き裂進展シミュレーションも行い，高強度相の形成割合が周期ヘテロ構造金属の疲労特性に及ぼす影響についても明らかにした．
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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
「研究実績の概要」で述べた通り，種々の材料に対してヘテロ構造制御を達成しているのみならず，周期へテロ構造制御による金属の損傷挙動の変化を明らかにしている．さらに，周期へテロ構造金属の損傷を捉えるためのその場損傷計測システムの構築にも着手できたことから，本課題は「おおむね順調に進展している」といえる．
具体的なその場損傷計測システムについては，顕微鏡を具備したその場疲労き裂進展観察システムのみならず，高輝度放射光施設（SPring-8）内に回折コントラストトモグラフィ(Diffraction contrast tomography: DCT)を用いたミスオリエンテーション連続測定システムを構築することができた．DCT測定の回転ステージ上にピエゾアクチュエータを具備した「その場引張/疲労試験機」を設置し，試料を360度回転させながら常に検出器で露光して0.04度回転するごとに画像を取得する条件のもと，ミスオリエンテーション変化における負荷応力依存性や応力繰返し数依存性を調べる仕様である．まずは準静的な引張条件において，ヘテロ構造金属内のネットワーク状の微細結晶粒組織が優先的に損傷したことに起因して，粗大結晶粒組織の損傷が抑制されることを明らかにした．
このような特異な優先損傷は，周期へテロ構造金属のマクロな降伏応力より高い応力域において生じたことから，並行して切欠きを有する周期へテロ構造金属の塑性疲労挙動評価にも着手している．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度と同様，ミクロ組織を周期ヘテロ構造制御した金属材料を作製する．そして，高輝度放射光施設（SPring-8）内に構築した「その場疲労試験システム」を用いて，ヘテロ構造金属におけるミスオリエンテーション変化挙動の応力繰返し数依存性について検討を加える．具体的には，同一応力振幅・同一応力比条件のもと，所定の応力繰返し数において周期へテロ構造制御ステンレス鋼に対してDCT測定およびCTイメージングを行う．その際，疲労き裂発生前後のミスオリエンテーションの変化（ミクロ損傷）をDCTによって捉えるとともに，疲労き裂の発生位置（マクロ損傷）をCTや各種顕微鏡によって観察し，ミクロ損傷値とマクロ損傷発生組織の関係を調べる．
さらに，損傷集中メカニズム解明のためには，ネットワーク状の高強度相のミスオリエンテーションの直接測定が必須である．しかし，現在のDCT撮影精度では数ミクロンの微細結晶粒内のミスオリエンテーションを測定することは不可能である．そのため，へテロ構造を相似的に大きくした「粗大」周期へテロ構造制御金属の創製に着手する．具体的には，粗大なステンレス鋼粉末と微細ステンレス鋼粉末をボールミルによって混合することにより，ネットワーク状の高強度相の結晶粒径を数十ミクロン程度まで大きくする．このような粉末冶金的な工夫により，ネットワーク状の周期高強度相におけるミスオリエンテーションの測定を達成する．周期ヘテロ構造金属に応力を負荷した際に生じる損傷集中挙動を直接観察する予定である．
周期ヘテロ構造金属の損傷集中メカニズム解明を通して，学術的観点からヘテロ構造制御による材料多機能化指針の明確化を目指す．
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