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2014 Fiscal Year Research-status Report

フェライト系耐熱鋼における転位強化と析出強化の相乗効果メカニズムの解明

Research Project

Project/Area Number 26820317
Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

光原 昌寿  九州大学, 総合理工学研究科(研究院), 助教 (10514218)

Project Period (FY) 2014-04-01 – 2016-03-31
Keywords高Crフェライト系耐熱鋼 / クリープ変形 / 強化機構 / ラスマルテンサイト / M23C6炭化物 / 結晶粒界 / 電子顕微鏡 / 結晶方位解析
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、高Crフェライト鋼における転位強化と析出強化の相乗効果のメカニズムを解明することを第一の目的とする。そのために、マルテンサイト組織中のどの部分に位置するどの種類の析出物がどのような機構でラス組織を安定化するのか、また、その析出物のクリープ変形中の成長とそれによる鋼の弱化挙動について系統的な調査を行う。それらの結果から、高Crフェライト鋼の新規的なクリープ強化理論を構築することが本研究の最終目標である。。平成26年度では、「1.高Crフェライト鋼におけるM23C6析出状態の定量評価」と「2.クリープ変形に伴うM23C6の析出状態変化」について検討を行った。具体的には、9Cr系耐熱鋼と12Cr系耐熱鋼の初期材およびクリープ中断材に対して、粒界上のM23C6炭化物のサイズ・化学成分・粒界被覆率を走査電子顕微鏡、透過電子顕微鏡および結晶方位解析を組み合わせた微細構造解析により定量評価した。その結果から、変形前の初期材において、粒界性格の違いによりM23C6炭化物の分散状態に明確な違いがあること、大角粒界上では小角粒界上に比べて被覆率が高く、粒子サイズが大きく、Crに富んだ組成になっていることがわかった。また、クリープ変形のM23C6炭化物の粗大化が、大角粒界上において顕著であることもわかった。さらに、平成27年度計画の一部である「3.M23C6によるラス組織の熱的安定性向上メカニズムの解明と高強度化への指針提示」についても実験を進めており、その中で、各粒界上のM23C6炭化物によって生じる粒界移動に対するピンニング力をZenerの式に基づき算出したところ、大角粒界におけるピンニング力は小角粒界のそれに比べて2倍以上大きいものの、クリープ変形中に起こる粗大化によって徐々に減少する傾向にあることを確認した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究実績の概要に記載のとおり、高Crフェライト鋼の各粒界において、その粒界性格とM23C6炭化物分散状態の関係性を明らかにすることができており、当該年度の計画は概ね達成されている。現在実施しているクリープ破断試験はいずれも6000時間を越えて加速域に到達しており、来年度中には当初計画で観察予定の全ての試料が用意できる見込みである。また、当初、平成27年度の計画としたM23C6によるラス組織の熱的安定性向上メカニズムの解明についても、すでに一部に着手しており成果を得ている。したがって、自己評価としては、「(2)おおむね順調に進展している」が妥当であると考える。

Strategy for Future Research Activity

平成26年度成果から、ラスマルテンサイト中の各種粒界とM23C6炭化物の分散状態には明らかな相間があること、さらにクリープ変形中の炭化物の成長挙動が粒界性格に強く依存することが明確に示された。H27年度では、更にクリープ変形が進行した場合の組織変化について、H26年度に確立した組織観察手法を用いてデータの拡充を行うとともに、当初の計画通り「3.M23C6によるラス組織の熱的安定性向上メカニズムの解明と高強度化への指針提示」について研究を進める。具体的には、M23C6炭化物による各粒界・境界移動の抑制力やそれに起因した強化を具体的数値とともに評価し、各粒界上M23C6炭化物のそれぞれの役割とその重要度について明確にする。また、クリープ試験材についてマイクロビッカース試験やナノインデンテーション試験による硬度試験、走査電子顕微鏡内での結晶方位解析、透過電子顕微鏡を用いた転位密度測定などからラスの優先的回復サイトを特定し、先のM23C6炭化物分散状態・成長挙動評価の妥当性について検証する。硬度試験では組織の軟化、結晶方位解析では小角粒界長さの減少、透過電子顕微鏡観察では転位密度の低下によりラスの回復を検知できる。以上の結果から、ラス組織による転位強化と粒界上M23C6による析出強化の相乗効果の原理原則を解明する。また、その様式をモデル化することで本研究を総括し、それを基に高Crフェライト鋼の新たなクリープ強化理論について提案する。

Causes of Carryover

12Crフェライト系耐熱鋼のクリープ試験材作製のため、現在、5000時間のクリープ中断試験と想定破断時間1万時間程度のクリープ破断試験を試験請負企業に依頼して実施中である。当初これらの試験は平成26年度中に一部終了する予定であり、そのため直接経費「その他」に試験外注費を計上していたが、試験条件の選定、試験材の準備・加工等に時間を要したため、平成27年度まで試験を継続して行う必要が生じた。そのため、外注費を次年度使用額として繰り越して使用することとした。

Expenditure Plan for Carryover Budget

次年度使用額のほとんどは、実施中のクリープ試験の外注費として利用する。その他の経費に関しては当初計画から大きな変更はない。

  • Research Products

    (6 results)

All 2014

All Presentation (4 results) (of which Invited: 3 results) Book (2 results)

  • [Presentation] フェライト系耐熱鋼の強化・弱化機構解明に向けた金相学的アプローチ2014

    • Author(s)
      光原昌寿、岡野倫明、伊藤孝矩、山崎重人、中島英治、西田稔
    • Organizer
      日本鉄鋼協会 材料の組織と特性部会 若手フォーラム 平成26年度研究会
    • Place of Presentation
      種子島大和温泉ホテル
    • Year and Date
      2014-12-16 – 2014-12-17
    • Invited
  • [Presentation] High temperature deformation dynamics in crystalline materials2014

    • Author(s)
      H. Nakashima, M. Mitsuhara
    • Organizer
      The 4th International Symposium on Steel Science (ISSS 2014)
    • Place of Presentation
      Kansai Seminar House, Kyoto
    • Year and Date
      2014-11-03 – 2014-11-06
    • Invited
  • [Presentation] トモグラフィーによる耐熱用合金の3次元構造解析2014

    • Author(s)
      光原昌寿、波田慎太郎、伊藤孝矩、山崎重人、西田稔
    • Organizer
      日本金属学会 2014年秋期講演(第155回)大会
    • Place of Presentation
      名古屋大学 東山キャンパス
    • Year and Date
      2014-09-24 – 2014-09-26
    • Invited
  • [Presentation] 高Crフェライト系耐熱鋼のクリープ強度とサブグレイン組織2014

    • Author(s)
      光原昌寿、三明正樹、山崎重人、西田稔
    • Organizer
      日本金属学会 高温強度と組織形成の材料科学研究会「平成 26 年度夏の学校」および超塑性研究会第 155 回研究会
    • Place of Presentation
      北見工業大学 屈斜路湖研究所
    • Year and Date
      2014-08-21 – 2014-08-23
  • [Book] 第5版鉄鋼便覧 第3巻 21章1-2節2014

    • Author(s)
      光原昌寿、中島英治
    • Total Pages
      8
    • Publisher
      日本鉄鋼協会
  • [Book] 第5版鉄鋼便覧 第3巻 35章5節2014

    • Author(s)
      光原昌寿
    • Total Pages
      2
    • Publisher
      日本鉄鋼協会

URL: 

Published: 2016-06-01  

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