2015 Fiscal Year Research-status Report
強変形加工による超微細粒銅の微視組織構造に着目した高サイクル疲労特性の改善
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26420021
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| Research Institution | Oita University |
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Principal Investigator |
後藤 真宏 大分大学, 工学部, 教授 (30170468)
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2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 疲労 / 結晶粒微細化 / 銅 / 疲労き裂 / すべり帯 / 動的再結晶 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、高サイクル疲労強度特性の向上を目指し強変形加工材の微視組織構造とき裂に関わる損傷の物理的背景、き裂進展に及ぼす組織の影響と力学的背景を明らかにすることを目的とする。計画している研究項目は、① き裂発生挙動と微視組織構造の関連、②高サイクル領域の耐疲労特性の改善、③実用銅合金材料の疲労強度に及ぼす組織の影響である。それぞれの項目について、本年度得られた成果を以下に示す。
①：昨年度開発した「ECAP最終プレス方向を組織的に特定し、浅い部分切欠の加工と表面の連続観察を組合わせて行う手法」を疲労試験に用いて、ECAP特有の異方性がある中、任意に指定した平滑部から優先的にき裂を発生させ、破断に繋がる主き裂の挙動に及ぼすECAP組織の影響をzx面について明らかにした。
②：昨年度に引き続き、非平衡組織と動的再結晶が関与した結晶粒の粗大化が疲労強度に及ぼす影響を明らかにするため、応力繰返しによる結晶粒の成長過程を検討した。特に、本年度は、粗大結晶粒内のすべり帯の発生挙動を追跡することができた。
③：実用上の観点から、コネクターなどの電子材料として広く使用され，現在も尤も盛んに開発が行われているCu-Ni-Si系合金の疲労強度と組織構造の関係を明らかにすることは重要である。昨年度開発したき裂発生と組織の関係を調べる実験手法を用いて、昨年度未達成の低応力域のS-N特性を明らかにすると共に、高応力下のき裂発生と組織の関係を明らかにした。
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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
研究実績の概要に述べた①～③の観点の異なる３つの研究を行った。それぞれの研究の達成状況は以下の通りである。
①については、昨年度開発した「異方性を考慮した連続観察法」を用いて，低サイクル領域に近い高応力下における疲労き裂の発生と組織の関係を調べ，組織がzx面のき裂の挙動に及ぼす役割を明らかにするなど，本年度の研究計画をほぼ達成できた。
②については、昨年度に引続き応力繰返しの下で動的再結晶による結晶粒粗大化をOMレベル観察すると共に、本年度はき裂発生と結晶粒粗大化の関係を集中的に調べ、粗大化の進行がある程度進むとすべり損傷が粒内に発生するメカニズムを解明し、研究計画をほぼ達成できた。
③については、観察手法開発の遅れのため昨年度中に計画しながらも達成できなかった1000万回耐久限付近の応力下のS-N特性を求めた。さらに本年度は、開発した手法を用いて，低サイクル疲労域のき裂発生箇所を特定する研究を行った。その結果、これまで明確に実証されていなかった本合金のき裂発生箇所が粒界であること、さらに粒界のSEM解析、HR-TEM解析を実施し、粒界近傍に無析出バンドが形成されていることがその原因であることを解明できた。ただ、HR-TEM解析の表面切出しとその処理方法の確立に時間を奪われ，低サイクル疲労域と共に予定していた高サイクル疲労域の発生箇所の特定までには至らなかった（③については70%の達成率）。
以上を総合して、実験項目①，②は予定通り完了し、③が当初研究計画からの遅れがあるが、全体の研究計画に大きな停滞を与えないと判断できることから「おおむね順調に進展している」と判定した。なお、最終年度は新たな観察・解析手法等の開発の計画は無く、ルーチンワークとしての実験・解析および考察が中心となるため、これまでの遅れは回復できる見通しである。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は、今年度に引き続き3つの研究計画を並行して行う。すなわち、
① 「き裂発生挙動と微視組織構造の関連」については、これまでに初年度確立した「き裂をECAPによる組織異方性の影響を受けず任意の位置に発生させる手法」を用いて、ECAPせん断面と試験片表面が45°をなす位置（zx面）のき裂の発生と進展挙動に及ぼすECAPせん断方向の影響を明らかにした。最終年度は、ECAPせん断面と試験片表面が90°をなす位置（xy面）についてき裂の挙動と組織の影響の物理的背景を検討する。さらに、これまで高応力を中心に行った実験を低応力下でも行うと共に、き裂先端の混合モード下の変形解析を行い，これまで得ている実験結果と解析結果を総合して、ECAP組織がき裂の挙動に及ぼす影響の物理的意味を解明する。
② 「高サイクル領域の耐疲労特性の改善」については、OMレベルの連続観察により明らかにした結晶粒粗大化とすべり損傷の形成挙動の関係に加えて、最終年度は粗大結晶粒とすべり帯のSEM観察を行い、疲労強度を低下させるき裂の発生に至るメカニズムを検討し耐疲労特性の向上に必要な組織的要件を明らかにする。
③ 「実用銅合金材料の疲労強度に及ぼす組織の影響」については、今年度積み残した低応力下のき裂発生箇所を特定すると共に，発生後のき裂進展経路解析，き裂発生箇所付近のSEMによる破面解析を行い疲労損傷に及ぼす組織の役割を明らかにする。さらに、これまでの結果を総合してCu-Ni-Si系合金の耐疲労特性の改善のための組織学的知見を得る。
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| Causes of Carryover |
研究項目③に関して、初年度の「電解研磨とバフ研磨および疲労試験中の連続観察を組み合わせた観察手法」の確立などに時間が奪われ、予定した疲労試験が研究計画通り進まず，成果発表（国際学会）に予定した旅費が執行できなかった。本年度にその遅れは回復し成果発表も行ったが、本年度に予定していたHR-TEM解析において、丸棒試験片の曲率を持った表面から、き裂発生の原因を解明するためHR-TEM解析に必要な平面を作成するための観察手法の確立が4ヶ月ほど遅れた。そのため、予定してた実験・解析の一部が実施できず消耗品を購入しなかったこと、また成果発表を予定していた国際学会までに研究成果が得られず、このための渡航旅費・登録料などが執行できなかったことなどにより次年度使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度は、設備物品の購入は無く、研究遂行に要する消耗品類、国内外で開催予定の学会における研究成果発表のための旅費、調査研究のための旅費、およびその他経費（論文掲載料・学会登録費など）を使用する計画である。
なお、本年度の使用予定研究費から288,239円の残額が生じた。これらついては、次年度に消耗品を購入すると共に、研究計画の遅れのため本年度中に発表できなかった研究成果を国際会議THERMEC2016（2016年5月19日～6月3日，グラーツ（オーストリア）での口頭発表が受理されている）において発表するための海外渡航旅費の一部として執行する予定である。
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