2014 Fiscal Year Research-status Report
金属材料の粒界連結性のフラクタル解析による定量化と粒界劣化現象の制御
| Project/Area Number |
26420709
|
|---|
| Research Institution | Ashikaga Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
小林 重昭 足利工業大学, 工学部, 准教授 (00323931)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
|
| Keywords | 粒界工学 / 粒界腐食 / 粒界応力腐食割れ / フラクタル |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
多結晶金属材料において生じる粒界腐食のような粒界劣化現象は、高い粒界エネルギーをもつランダム粒界を優先経路として伝播する浸透現象といえる。そこで、粒界の形成・発達過程が異なる数種類の実用金属材料に対し、ランダム粒界が互いに連結することにより作られるネットワークの幾何学的形状と大きさを、フラクタル解析に基づいて定量化する新しい微細組織評価方法を検討した。ランダム粒界連結性のフラクタル次元が種々の粒界劣化現象に及ぼす影響を明らかにし、実用金属材料の粒界劣化現象を抑制するための新しい粒界工学の手法を確立することを目的とした。
低積層欠陥エネルギーのSUS304ステンレス鋼とインコネル600ニッケル基超合金の加工熱処理による粒界制御プロセスについて検討した。両材料ともに、低圧下率の冷間圧延と1000℃での溶体化熱処理により、耐粒界腐食性と粒界強度の高い対応粒界、特に∑3対応粒界を高頻度に導入することができた。ステンレス鋼については、平均結晶粒径を16μmから41μm、対応粒界の存在頻度を44％から64％の範囲で変化させた試験片を得ることができた。インコネル600については、平均結晶粒径を16μmから51μm、対応粒界の存在頻度を45％から54％の範囲で変化させた試験片を得ることができた。すべての試験片に対し、最大の連結性をもつランダム粒界のネットワーク（最大ランダム粒界連結性）を抽出し、ボックスカウント法によるフラクタル解析を行った結果、これらの材料の最大ランダム粒界連結性はフラクタルにより定量化可能であることを明らかにした。フラクタル次元は、両材料ともに約1.1から1.6の範囲であり、対応粒界の存在頻度の増加に伴って低下する傾向にあることを示した。さらに、両材料の耐粒界腐食性は、最大ランダム粒界連結性のフラクタル次元を低くするような粒界制御によって向上できることを明らかにした。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
低積層欠陥エネルギーのSUS304オーステナイト系ステンレス鋼およびインコネル600ニッケル基超合金について、それぞれランダム粒界連結性がフラクタル解析により定量化可能であることを明らかにした。さらに組織の解析範囲内の最大ランダム粒界連結性と従来の組織因子である平均結晶粒径および粒界性格分布との相互関係を明らかにすることができた。対応粒界の存在頻度が増加することにより、最大ランダム粒界連結性のフラクタル次元が低下する傾向にあること、さらに対応粒界の存在頻度がほぼ同じ場合でも、結晶粒径分布の広がりを小さくすることにより、ランダム粒界連結性のフラクタル次元を低下させうることを明らかにした。これらの結果から、低積層欠陥エネルギー材料の最大ランダム粒界連結性を制御するための加工熱処理プロセスの基本指針を得ることができた。両試験片に対する最大ランダム粒界連結性の制御プロセスについては、今後も継続して検討したい。
オーステナイト系ステンレス鋼およびニッケル基超合金において、最大ランダム粒界連結性の低い試験片ほど、粒界腐食試験による質量減少率が低くなる、すなわち耐粒界腐食性が向上することを実験的に初めて明らかにすることができた。一方、両試験片の粒界応力腐食割れ試験については現在試験を継続中である。
さらに、申請書の「研究計画・方法」欄において平成27年度からの実施を計画していた高積層欠陥エネルギーをもつA2017アルミニウム合金の粒界微細組織制御プロセスについても実験を開始した。現在までに、アルミニウム合金のランダム粒界連結性もフラクタルで評価可能であることを示している。
以上のことから、本研究は、交付申請書の「研究の目的」および「研究計画・方法」欄に記載した内容からわずかに遅れている部分もあるが、計画よりも進められた部分もあることから概ね順調に進んでいるものと考える。
|
| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究についても、申請書の「研究の目的」および「研究計画・方法」欄に記載した内容に沿って推進する。今後の研究の推進方策は以下の通りである。
平成26年度に引続き、低積層欠陥エネルギーのSUS304ステンレス鋼とインコネル600ニッケル基超合金に対して、最大ランダム粒界連結性のフラクタル次元をさらに低下させるための加工熱処理条件を明らかにする。得られた試験片に対して粒界応力腐食割れ試験の追加実験を行う。
高積層欠陥エネルギー材料の面心立方金属材料であるA2017アルミニウム合金と体心立方金属材料のSUS430ステンレス鋼に対して加工熱処理による粒界制御プロセスを探索する。高積層欠陥エネルギー材料に対する粒界制御プロセスは、これまでにほとんど明らかにされていないことから、はじめに集合組織の形成を利用した粒界制御方法を検討する。集合組織の種類と配向度に依存した高頻度の小角粒界と特定の性格をもつ対応粒界の導入が期待できる。平成26年度の研究において、A2017合金の最大ランダム粒界連結性もフラクタルであることが確認されたことから、今年度は、対応粒界の存在頻度を変化させた試験片を作製し、最大ランダム粒界連結性のフラクタル次元が対応粒界の存在頻度によってどのように変化するのかを明らかにしたい。低積層欠陥エネルギー材料に対して得られた結果と比較し、フラクタルを用いた粒界連結性の定量化方法の一般性を示すとともに、粒界の形成・発達過程が粒界連結性に及ぼす影響を明らかにする。
前年度の低積層欠陥エネルギー材料に対する実験と同様に、粒界応力腐食割れおよび粒界腐食に及ぼすランダム粒界連結性のフラクタル次元の影響を調べる。高積層欠陥エネルギー材料の粒界劣化現象抑制に対するランダム粒界連結性制御の有効性を検証する。なお、SUS430は、応力腐食割れに対する抵抗が高いため、粒界腐食試験のみを行う。
|
