| Project/Area Number |
18H05256
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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Broad Section D
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| Research Institution | Ritsumeikan University |
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Principal Investigator |
飴山 惠 立命館大学, 理工学部, 教授 (10184243)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上野 明 立命館大学, 理工学部, 教授 (30160188)
川畑 美絵 (太田美絵) 立命館大学, 総合科学技術研究機構, 准教授 (30710587)
伊藤 隆基 立命館大学, 理工学部, 教授 (40242581)
下川 智嗣 金沢大学, 機械工学系, 教授 (40361977)
塩澤 大輝 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (60379336)
菊池 将一 静岡大学, 工学部, 准教授 (80581579)
中井 善一 神戸大学, 工学研究科, 教授 (90155656)
山末 英嗣 立命館大学, 理工学部, 教授 (90324673)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥201,500,000 (Direct Cost: ¥155,000,000、Indirect Cost: ¥46,500,000)
Fiscal Year 2020: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000)
Fiscal Year 2019: ¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000)
Fiscal Year 2018: ¥136,630,000 (Direct Cost: ¥105,100,000、Indirect Cost: ¥31,530,000)
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| Keywords | 調和組織 / 特異力学特性 / 高強度・高延性 / ヘテロ構造 / シナジー効果 / ヘテロ構造制御 / 転位発生機構 / 粒径勾配 / 特異変形 / 結晶構造 / 積層欠陥エネルギー / 変形速度 / 変形温度 / 加工硬化 / 強度 / 靭性 / 結晶粒径勾配 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
H30は、高強度と高延性・高靭性などの複数の優れた力学特性を具備し軽量化も達成できる、安心・安全な次世代構造材料としての調和組織材料創製の第一段階と捉えた。
調和組織材料の特異現象の発現は、主に転位のすべり運動により担われるナノ・ミクロ領域の現象と、周期構造を持った数十～数百ミクロンのマクロ領域の現象が重畳していると推測される。ナノ・ミクロ領域のサブミクロン結晶の粒界は、転位の障害物としてだけでなく、転位の発生源かつ消滅場所として働いている可能性が高い。同時に、結晶粒径に広い分布（粒径勾配）が存在する調和組織では、粒径勾配に起因した特異な変形も起こりえる。H30では、以下の4項目について詳細な検討を行った。
(1) 結晶系の違い（Ni、Ti）、積層欠陥エネルギーの大小（Cu、Cu-9Ge）、応力誘起変態の有無（SUS304L、SUS316L、Co-28Cr-6Mo）、β型Ti合金の双晶変形の有無（Ti-25Nb-25Zr（wt%））に着目した調和組織材料を作製した。(2)調和組織材料の変形・破壊特性に及ぼす負荷状態の影響を詳細に検討した。微小領域の結晶回転や転位運動について、現有設備と連携させて解析できる「SEM内その場観察・高精度解析システム」、また、精密な力学特性試験のための「恒温槽付き精密引張・圧縮試験機」を導入し実験を開始した。(3)高輝度放射光施設（Spring-8）を用いた変形その場観察と変形挙動解析を行う。Spring-8ビームライン内に「その場試験システム」（現有装置）を持ち込み、4次元力学特性評価を行った。(4) ＜シミュレーションによる力学特性解析＞ 粒界と格子欠陥の相互作用について分子動力学(MD)法で、また、多結晶体の変形挙動をMulti-scale有限要素(FEM)法でシミュレーションし、調和組織材料のミクロ・マクロ変形挙動の解析を行った。
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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
Ni、Ti、SUS304L、316L、Cu-Ge合金、Ti-Nb-Zr合金等について調和組織制御材料を創製した。特異加工硬化現象については、いわゆるextra-hardeningとは異なる著しく大きな降伏強度のShell率依存性が新たに発見された。Ti-Nb-Zr合金については、調和組織制御の際にβ安定化元素であるFeを添加することで双晶変形を抑制し、その結果、生体材料として有用な低ヤング率かつ高強度な材料とすることが可能であることがわかった。
高輝度放射光施設SPring-8にて、非破壊かつ連続的に観察可能な X 線回折コントラスト断層撮影法 （DCT: Diffraction contrast tomography）による材料損傷評価を行った。その結果、引張試験過程において、調和組織材料の全ミスオリエンテーションの増加量は，均一粗大粒材料と比較して低いことが明らかとなった。さらに、調和組織材料の疲労メカニズムの解明へ向け、疲労き裂の発生場所についての検討が必要であるが，H30年度は純チタンの調和組織材を用いて疲労試験を行うとともに、コアサイズと同程度の人工欠陥を直径40μmの極細ドリルを用いて導入した試験片を用いた疲労試験を施工した、疲労き裂を人工欠陥から発生させることに成功した。
シミュレーションによる変形機構の解明については、試験片の変形の進展に伴い、微細粒ネットワーク領域にせん断帯が形成されるが、粗大粒領域がせん断帯の進展の障害となることがわかった。また、せん断帯の進展が難しいモデルは、せん断帯の進展が容易であるモデルよりも流動応力が高い傾向にあった。このとき、微細粒と粗大粒の各単相の流動応力の複合則の値と同等以上の流動応力を示すものが確認できた。
TiNbZr合金、Fe-0.3C鋼について、調和組織制御による力学特性向上の特許出願を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
H31は共通試験片の十分な量の作製と提供を行う。調和組織材料の結晶系、積層欠陥エネルギー、これらが組織形成に及ぼす影響、さらに、新たな調和組織制御方法について検討を行う。具体的には、粗大粉末と微細粉末を出発材料とするバイモーダル粉末リング法（BiM)を確立させ、より効率的に調和組織材料を手法を探索する。
力学特性試験においては、準静的試験によるひずみ速度依存性、変形温度依存性、選択的再結晶挙動、選択的相変態挙動等について詳細を明らかにする。動的試験では、疲労特性評価、高速変形による組織変化、変形挙動、について検討する。
SPring-8を用いた実験用に、より高精度で試験が行える最適組織を有する調和組織材料を作製し、実験を進める。調和組織材におけるひずみの局在化が疲労特性に及ぼす影響を調べる上で、鋭い切欠きを導入し、切欠き先端に応力集中によって発生する塑性変形場にひずみ局在化領域を形成させた上で疲労特性を調べることができるようにするための疲労試験片を有限要素法ソフトANSYSを用いて設計した。
H30の研究で見いだされた顕著な結果として、純Ni調和組織材料における特異なHall-Petch関係が挙げられる。すなわち、均一組織材料の0.2％耐力－1/√粒径の関係（Hall-Petch関係）の直線の傾きが、調和組織材料では大きく高強度側へシフトし、大きな傾きを持つことが明らかとなった。これは、いわゆる"extra hardening"と異なる現象と推測された。H31では、この特異現象についても解明を進める。
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