2014 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 Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
安田 秀幸 京都大学, 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)
森下 浩平 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (00511875)
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| Project Period (FY) |
2012-05-31 – 2017-03-31
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| Keywords | 凝固工学 / 結晶成長 / 鋳造工学 / 組織制御 / その場観察 / マイクロアロイング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
A.その場観察による素過程の実証とモデル化とC. ミクロ/マクロ統合モデルの構築と検証
固液のコントラストが小さいため報告例のないAl-Si合金においても，等軸晶の形成など核生成と成長を観察する手法を確立した．超音波印加では１次効果（振動）はデンドライトの微細化，２次効果（流動）はデンドライトの溶断に寄与することを明らかした．さらに，その場観察と蛍光X線分析を組み合わせた手法開発では，固液界面での溶質分配の定量的測定も可能になった．これらの観察は凝固ダイナミクスの定量的把握を可能にし、本課題の遂行において重要な基盤が確立した．観察を基礎に過冷したデルタ相が固相状態でガンマ相に変態するマッシブ的変態の機構を検討した．マッシブ的変態での界面の移動速度と過冷度の相関をあきらかにした。また，応力・ひずみ誘起のマッシブ的変態が開始する可能性があることも明らかにした．これまでに蓄積した成果により，「0.5mass%C以下のFe-C系合金では包晶凝固が起こる」という概念を刷新できると考えられる．固液共存体の変形では，固相粒子スケールで固液共存体の変形機構を継続して検討し，せん断帯の形成には固相粒子の回転運動が大きな役割を果たしていることなどをあきらかにした．
B.ミクロモデルによる補完的検証
マッシブ的変態モードの選択を界面エネルギーの観点から検討した．液相とデルタ相の界面は、ガンマ相の核生成サイトになるとは限らず、ガンマ相の核生成が困難な原因が、ミクロスケールの解析により明らかになりつつある。
D.マイクロアロイングの科学
Al-Si合金に加えて、Sn系におけるマイクロアロイングについて研究を進め、Sn-Cu系へのNi添加は凝固パスを変化させて化合物が微細化することや蛍光X線分析により化合物Cu6Sn5中にNiの均一に存在することを明らかにした．
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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
本課題の特徴は，金属合金の凝固現象を，時間分解・その場観察により明らかにし，材料組織ベースで凝固ダイナミクスの体系化とモデル化を目指している点であり，これまで推定・想像の域を出なかった高温現象を，その場観察により実証的に明らかにする手法の開発を行った．その上で，下記の成果を得ている．
A.その場観察による素過程の実証とモデル化： Sn，Al，Mg，Zn，Cu，Ni，Fe系合金で観察可能になり，時間分解能も500 fps程度まで向上した．固液共存体の変形でのロードの測定，静磁場や超音波の外場の印加，EDSによる元素分析も可能になった．Fe-C系のマッシブ的変態では，機構解明やモデルの構築に移行している．固液共存体の変形では，固相粒子スケールでマクロな変形を担う固相粒子の再配列を動的に明らかにした上で，モデル構築に必要となる重要な知見が獲得できた．超音波印加した観察では，1次，2次効果をそれぞれ観察できている．
B.ミクロモデルによる補完的検証：マッシブ的変態におけるガンマ相の核生成の機構を格子静力学計算により検討し，マクロなその場観察と連携しつつある．
C. ミクロ/マクロ統合モデルの構築と検証：固液共存体における変形の素過程の定式化からマクロモデルを構築し，固液共存体の不均一変形，せん断帯の局在化を再現している．さらにその場観察によるモデル実験と比較しその妥当性を確認した．
D.マイクロアロイングの科学：放射光を用いた蛍光X線分析により，Al合金，Sn合金の微量元素の存在位置を同定し，共晶Siの微細化機構の解明を進めている．また，Sn合金でも化合物を微細化するNi，Znの役割を明らかにした．
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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とC. ミクロ/マクロ統合モデルの構築と検証：その場観察による実証データの獲得とミクロ/マクロ統合モデルの構築と検証は、これまでの成果を基礎に連携して実施する．Fe-C系におけるマッシブ的変態について，選択される条件と特徴，一般的な鋳造プロセスにおけるマッシブ的変態の有無などを明らかにする．さらに，応力・ひずみ誘起のマッシブ的変態を明らかにする．これらの成果により，マクロモデルの構築を目指す．固液共存体の変形では，固相粒子の再配列に及ぼす物性の影響、脆性の発現機構をその場観察の成果をもとに検討する．さらに，固相率，ひずみ速度，界面エネルギーと粒界エネルギーの関係をパラメータとして，ミクロスケールにおいて変形挙動を系統的に明らかにする．
B.ミクロモデルによる補完的検証：Aで観察された現象における「界面」の影響をミクロスケール（ナノスケール）から補完する目的で，格子静力学計算など計算手法を用いて界面エネルギーとマッシブ的変態の関係を検討し，マッシブ的変態の機構解明にミクロスケールから貢献する．また，マイクロアロイングについてもミクロスケールから提案している機構を検証する．
D.マイクロアロイングの科学：Al-Si合金などの微量元素の添加による組織制御では，提案モデルの検証と修正を行い、普遍性のあるマイクロアロイングの原理の確立を目指す．Sn合金、Fe-C系（鋳鉄）においても、マイクロアロイングによる組織制御の機構を解明する．
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[Journal Article] In-situ observation of deformation in semi-solid Fe-C alloys at high shear rate2014
Author(s)
T. Nagira, S. Morita, H. Yokota, H. Yasuda, C. M. Gourlay, M. Yoshiya,, A. Sugiyama, K, Uesugi, Y. Takeuchi, Y. Suzuki
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Journal Title
Metallurgical and Materials Transactions A
Volume: 45A
Pages: 1415-1424
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Driving force at δ/γ interface in the massive-like transformation following the δ solidification in Fe-C alloys”, K. Sugimura, T. Nishimura, K. Morishita, H. Yasuda, T. Nagira, M. Yoshiya2014
Author(s)
K. Sugimura*, T. Nishimura, K. Morishita, H. Yasuda, T. Nagira, M. Yoshiya
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Journal Title
Proc. Modeling of Casting and Solidification Processes
Volume: -
Pages: 154-157
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] In-Situ and Time-Resolved Imaging for Knowing Influence of Mg Content on Solidification in Hypereutectic Cast Iron2015
Author(s)
H. Yasuda, K. Yamane, A. Sugiyama, T. Nagira, M. Yoshiya, K. Morishita, A. Sato, K. Uesugi, A. Takeuchi, Y. Suzuki
Organizer
TMS2015 144th Annual Meeting
Place of Presentation
Orland, Florida, USA
Year and Date
2015-03-15 – 2015-03-19
Invited
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[Presentation] Influence of the Static Magnetic Field on Dendritic / Columnar Solidification, Observed by X-ray Imaging2015
Author(s)
H. Yasuda, K.,Inoue, Y. Minami, T. Nagira, M. Yoshiya, K. Morishita, K. Uesugi
Organizer
TMS2015 144th Annual Meeting
Place of Presentation
Orland, Florida, USA
Year and Date
2015-03-15 – 2015-03-19
Invited
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