2012 Fiscal Year Annual Research Report
マイクロアロイングの科学と材料組織ベースの凝固ダイナミックスの構築
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24226018
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
安田 秀幸 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60239762)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
柳楽 知也 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (00379124)
吉矢 真人 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00399601)
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| Project Period (FY) |
2012-05-31 – 2017-03-31
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| Keywords | 凝固 / 組織制御 / その場観察 / X線イメージング / マイクロアロイング |
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| Research Abstract |
放射光を用いた観察計測手法である，凝固その場観察手法は金属材料の凝固を観察でき，蛍光X線分析はマイクロアロイングによる微量元素の分布を測定できる．これらの手法を発展させ，マイクロアロイングの科学的基盤の確立，金属合金のデンドライト組織の発展や固液共存体の力学といった凝固ダイナミクス素過程の定量化，さらにミクロダイナミクス（組織形成）とマクロダイナミクス（変形・偏析）を実証的に統合したモデルの構築が目的である．特に，ミクロ/マクロ相互作用による固液共存体の脆化，凝固過程・直後の固相変態を含めた変形，マイクロアロイングの組織制御に注目している．
（A）その場観察による素過程の実証とモデル化：その場観察では，種々の条件でAl合金の核生成頻度を定量的に評価でき，Fe系合金では核生成サイトとなるTiNをin-situで生成させる手法を準備できた．Fe-C系におけるδ相からγ相へのマッシブ的変態では，高時間分解能で変態界面の形状を観察することができ，界面移動速度の定量測定が可能になり，界面移動は過冷度以外の因子も無視できないことが分かった．固液共存体の変形では，脆化が発現する高いひずみ速度での観察により，結晶粒の移動と脆化の関係を直接把握できた．
(B)ミクロモデルによる補完的検証：格子静力学法など計算手法による界面エネルギーの異方性などを評価し，その場観察された溶断現象について検討し，従来のマクロモデルの課題を明らかにした．
(C)ミクロ/マクロ統合モデルの構築と検証：数値計算のための物理モデル化を行い，ミクロな現象をマクロに取り入れる手法について検証を終えた．
(D)マイクロアロイングの科学：初晶Si，粗大な針状Si，微細な共晶Siが形成される過共晶Al-Si合金において微量Srの分析を放射光により測定し，本課題で提案している組織制御機構の仮説により矛盾なく説明できることが分かった．
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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
A.その場観察による素過程の実証とモデル化：Al合金、Fe合金に核生成サイトを分散させる手法を試行し、核生成サイト添加による核生成頻度の増加を確認できた。また、高時間分解能観察(最大500fps)も可能となり、マッシブ変態の界面移動も定量的に観察できた。固液共存体の変形においても脆化発現の条件の観察が可能となり、固液の移動・変形挙動と脆化の発現の関係を明らかになりつつある。
B.ミクロモデルによる補完的検証：Fe-C系で結晶方位関係（例えば，K-Sの関係）とδ/γ界面エネルギーの関係を格子静力学により計算し、従来のマクロモデルを用いたδ/γ界面の溶断の理解における妥当性と課題を明らかにできた。
C. ミクロ/マクロ統合モデルの構築と検証：凝固組織形態を考慮し，運動量拡散をマクロな応力に反映される定式化を行い、凝固組織とマクロな物性を反映する妥当性を検証した。今後、観察・測定データを利用した定量化も進める予定である。
D.マイクロアロイングの科学：過共晶Al-Si中の微量Srの分布を測定し、微量元素による組織制御のおける原理（本課題で提案している原理）との整合性を確認できた。提案している原理により矛盾なく実験結果を説明することができ、今後の研究の方向性を確定することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
A.その場観察による素過程の実証とモデル化：核生成に及ぼす溶質元素などの影響の定量化，デンドライトアームの溶断条件の定量化など新たな観察を開始し，素過程のモデル化を進める．さらに，高時間分解能観察によりマッシブ変態の界面形態・移動や固液共存体の変形・脆化の発現をより詳細を調べる．素過程の理解とモデル化は，下記のCのミクロ/マクロモデルの構築に利用し，研究項目間の連携を進める．
B.ミクロモデルによる補完的検証：格子静力学によりその場観察のみでは得られない界面エネルギーの異方性に関するデータを獲得できた．整合性の高い面における界面溶解現象など，従来のマクロのみでは理解できない現象について，その場観察の結果も利用して検証を進める．項目Aの相補的な理解を進め，項目Cの展開に利用する．
C. ミクロ/マクロ統合モデルの構築と検証：構築した固液共存体の運動（変形）の基礎式を用いて，数値計算による変形モデル，偏析モデルの定性的妥当性を評価する．加えて，ミクロとマクロの統合に不可欠な物性値やパラメータを明確にし，その測定手法などを検討する．さらに，Aの定量データを利用した定量性の評価にも着手する．
D.マイクロアロイングの科学：微量Srの分布を明らかにできたので，各相の結晶構造，整合性の観点からSrの存在状態，さらに微細化機構の妥当性を検証する．提案している原理の妥当性を明らかにしたい．
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[Presentation] Massive transformation from δ phase to γ phase in Fe-C alloys and strain induced in solidifying shell2012
Author(s)
H. Yasuda, T. Nagira, M. Yoshiya, A Sugiyama, N. Nakatsuka, M. Kiire, M. Uesugi, K. Uesugi, K. Umetani, K. Kajiwara
Organizer
13th Modeling of Casting, Welding and Advanced Solidification Processes (MCWASP XIII), Schladming
Place of Presentation
オーストリア
Year and Date
20120617-20120622
