透過電子顕微鏡中その場変形三次元観察法による金属組織塑性変形挙動定量評価の確立

• 研究課題/領域番号: 19H02029
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分18010:材料力学および機械材料関連
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 村山 光宏 九州大学, 先導物質化学研究所, 教授 (90354282)
• 研究分担者: 波多 聡 九州大学, 総合理工学研究院, 教授 (60264107) ; 朴 明験 京都大学, 構造材料元素戦略研究拠点ユニット, 特定助教 (90803479)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円); 2021年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2020年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2019年度: 12,480千円 (直接経費: 9,600千円、間接経費: 2,880千円)
• キーワード: ナノスケール計測・解析 / 構造用金属材料 / 透過型電子顕微鏡法 / その場観察 / 実用金属材料の塑性変形 / TEM中その場観察 / 三次元観察 / 転位 / 積層欠陥 / 電子顕微鏡中その場観察 / 微細組織解析 / 塑性変形挙動 / 透過電子顕微鏡 / 塑性変形ダイナミクス / 破断ダイナミクス

研究開始時の研究の概要

金属材料の弾塑性変形・破断のダイナミクスを、電子顕微鏡中その場観察を主とする多次元・多手法で解析し、塑性変形の開始から局部変形・破断に至るまでの各過程で微細組織の外部応力に対する応答がどのように変化していくか、素過程の類似性と相違性を実験的に明らかにできるかを直接観察によって明らかにする。さらに、こうした理解が金属以外の無機・有機材料にも適用可能かどうかについて検討を行う。

研究成果の概要

本研究において当初掲げた研究目標３つは、全てを期間内に達成することができた。その成果として査読あり論文７報(全て英文誌)が掲載され、２報が査読中である。この内１報はthe top 100 downloaded materials science papers for Scientific Reports in 2021としてSpringer Natureより表彰された。さらに、本研究と内容が密接に関係する原著論文・解説が計５報、Nature Materialsなどに掲載された。内１報はBCSJ論文賞を受賞した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では、材料に力を加えた時に生じる変形を司るメカニズムがナノスケールではどのような現象として捉えられるのか、さらに、全く異なる現象として認識されている柔らかい(延性)材料と硬い(脆性)材料における変形のメカニズムには類似点がないのか、を最先端の電子顕微鏡法を用いてリアルタイムで直視観察する手法を開発し、実験的に検証することを行った。ここで得られた知見は、省エネルギー社会を目指すための先端機能や安心・安全な社会基盤を目指す構造材料の開発指導原理発見に有用な解析技術として、他の長期大型プロジェクトですでに活用されているなど、学問的な有用性がある。

研究成果

• [国際共同研究] Pacific Northwest National Laboratory(米国)
• [国際共同研究] University of Virginia(米国)
• [国際共同研究] Pacific Northwest National Laboratory/Lawrence Berkeley National Laboratory(米国)
• [国際共同研究] Stanford University(米国)
• [雑誌論文] Three-dimensional Quantitative Evaluation of the Lamellar Curvature in Pearlitic Steel Based on an Orientation Analysis of Cementite (2022)
  • 著者名/発表者名: Kosaka Makoto、Ushioda Kohsaku、Teshima Toshihiko、Nishida Minoru、Hata Satoshi
  • 雑誌名: ＩＳＩＪ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ 巻: 62 号: 2 ページ: 299-306
  • DOI: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2021-194
  • NAID: 130008160452
  • ISSN: 0915-1559, 1347-5460
  • 年月日: 2022-02-15
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] TEM/STEMトモグラフィーによる最近の研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 波多聰、趙一方、井原史朗、斉藤光、光原昌寿、村山光宏
  • 雑誌名: まてりあ 巻: 61 号: 2 ページ: 84-88
  • DOI: 10.2320/materia.61.84
  • NAID: 130008149701
  • ISSN: 1340-2625, 1884-5843
  • 年月日: 2022-02-01
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Evaluation of relaxation process in FeMo14C15B6Erx (x= 0-2) bulk metallic glass by valence electron energy loss spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: S Kobayashi, JM Howe, M Murayama
  • 雑誌名: Journal of Non-Crystalline Solids 巻: 576 ページ: 121227-121227
  • DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2021.121227
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A boundary-based approach to the multiscale microstructural characterization of a W-Ni-Fe tungsten heavy alloy (2022)
  • 著者名/発表者名: J.V.Haag IV, J.Wang D.J.Edwards, W.Setyawan, M.Murayama
  • 雑誌名: Scripta Materialia 巻: 213 ページ: 114587-114587
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2022.114587
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Microstructural and spectroscopic analysis in non-uniform Y₂O₃ ceramics fabricated by spark plasma sintering (2021)
  • 著者名/発表者名: LEE Ji-Hwoan、KIM Byung-Nam、HATA Satoshi、JANG Byung-Koog
  • 雑誌名: Journal of the Ceramic Society of Japan 巻: 129 号: 1 ページ: 66-72
  • DOI: 10.2109/jcersj2.20173
  • NAID: 130007965535
  • ISSN: 1348-6535, 1882-0743
  • 年月日: 2021-01-01
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 異種変形モードの核生成制御による高強度・高延性金属の実現 (2021)
  • 著者名/発表者名: 辻伸泰、下川智嗣、志澤一之、村山光宏
  • 雑誌名: まてりあ 巻: 60 号: 1 ページ: 8-12
  • DOI: 10.2320/materia.60.8
  • NAID: 130007964811
  • ISSN: 1340-2625, 1884-5843
  • 年月日: 2021-01-01
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enabling High-Performance Surfaces of Biodegradable Magnesium Alloys via Femtosecond Laser Shock Peening with Ultralow Pulse Energy (2021)
  • 著者名/発表者名: Wenbo Wang, Chang-Yu Hung, Leslie Howe, Jia Chen, Kaiwen Wang, Vinh X. Ho, Shannon Lenahan, Mitsuhiro Murayama, Nguyen Q. Vinh,* and Wenjun Cai*
  • 雑誌名: American Chemical Society 巻: 4 号: 11 ページ: 7903-7912
  • DOI: 10.1021/acsabm.1c00826
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nanoscale Texture and Microstructure in a NdFeAs(O,F)/IBAD-MgO Superconducting Thin Film with Superior Critical Current Properties (2021)
  • 著者名/発表者名: Guo Zimeng、Gao Hongye、Kondo Keisuke、Hatano Takafumi、Iida Kazumasa、H?nisch Jens、Ikuta Hiroshi、Hata Satoshi
  • 雑誌名: ACS Applied Electronic Materials 巻: 3 号: 7 ページ: 3158-3166
  • DOI: 10.1021/acsaelm.1c00364
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Thermal Conductivity of Nano-Crystallized Indium-Gallium-Zinc Oxide Thin Films Determined by Differential Three-Omega Method (2021)
  • 著者名/発表者名: Khan Rauf、Ohtaki Michitaka、Hata Satoshi、Miyazaki Koji、Hattori Reiji
  • 雑誌名: Nanomaterials 巻: 11 号: 6 ページ: 1547-1547
  • DOI: 10.3390/nano11061547
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Approaching the ultimate superconducting properties of (Ba,K)Fe2As2 by naturally formed low-angle grain boundary networks (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Iida, D. Qin, C. Tarantini, T. Hatano, C. Wang, Z. Guo, H. Gao, H. Saito, S. Hata, M. Naito, A. Yamamoto
  • 雑誌名: NPG Asia Materials 巻: 13
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Characterization of ductile phase toughening mechanisms in a hot-rolled tungsten heavy alloy (2021)
  • 著者名/発表者名: J.V. Haag, D.J. Edwards, C.H. Henager, W. Setyawan, J. Wang, M. Murayama
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: - ページ: 116523-116523
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2020.116523
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Grain size altering yielding mechanisms in ultrafine grained high-Mn austenitic steel: Advanced TEM investigations (2021)
  • 著者名/発表者名: Hung Chang-Yu、Bai Yu、Tsuji Nobuhiro、Murayama Mitsuhiro
  • 雑誌名: Journal of Materials Science & Technology 巻: 86 ページ: 192-203
  • DOI: 10.1016/j.jmst.2021.01.031
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A Correlation Between Grain Boundary Character and Deformation Twin Nucleation Mechanism in Coarse-grained High-Mn Austenitic Steel (2021)
  • 著者名/発表者名: Chang-Yu Hung, Yu Bai, Tomotsugu Shimokawa, Nobuhiro Tsuji, and Mitsuhiro Murayama
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: - 号: 1 ページ: 8468-8468
  • DOI: 10.1038/s41598-021-87811-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Unique transition of yielding mechanism and unexpected activation of deformation twinning in ultrafine grained high-Mn austenitic steel (2021)
  • 著者名/発表者名: Yu Bai, Hiroki Kitamura, Si Gao, Yanzhong Tian, Nokeun Park, Myeong-heom Park, Hiroki Adachi, Akinobu Shibata, Masugu Sato, Mitsuhiro Murayama, Nobuhiro Tsuji
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: - 号: 1 ページ: 15870-15870
  • DOI: 10.1038/s41598-021-94800-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Phase transformations in Al-Ti-Mg powders consolidated by high-pressure torsion: Experiments and first-principles calculations (2021)
  • 著者名/発表者名: Tang Yongpeng、Murayama Mitsuhiro、Edalati Kaveh、Wang Qing、Iikubo Satoshi、Masuda Takahiro、Higo Yuji、Tange Yoshinori、Ohishi Yasuo、Mito Masaki、Horita Zenji
  • 雑誌名: Journal of Alloys and Compounds 巻: 889 ページ: 161815-161815
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.161815
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Realization of epitaxial thin films of the superconductor K-doped BaFe2As2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Qin Dongyi、Iida Kazumasa、Hatano Takafumi、Saito Hikaru、Ma Yiming、Wang Chao、Hata Satoshi、Naito Michio、Yamamoto Akiyasu
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 5 号: 1 ページ: 14801-14801
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.5.014801
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Five-second STEM dislocation tomography for 300?nm thick specimen assisted by deep-learning-based noise filtering (2021)
  • 著者名/発表者名: Zhao Yifang、Koike Suguru、Nakama Rikuto、Ihara Shiro、Mitsuhara Masatoshi、Murayama Mitsuhiro、Hata Satoshi、Saito Hikaru
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 号: 1 ページ: 20720-20720
  • DOI: 10.1038/s41598-021-99914-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 透過電子顕微鏡法による結晶欠陥の３次元再構築 (2021)
  • 著者名/発表者名: 波多聰
  • 雑誌名: ふぇらむ（日本鉄鋼協会会報） 巻: 26 ページ: 427-433
• [雑誌論文] Geopolymer/Zeolite composite materials with adsorptive and photocatalytic properties for dye removal (2020)
  • 著者名/発表者名: Kedsarin Pimraksa, Naruemon Setthaya, Maneerat Thala, Prinya Chindaprasirt, Mitsuhiro Murayama
  • 雑誌名: PloS One 巻: - 号: 10 ページ: 0241603-0241603
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0241603
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Towards Data-Driven Next-Generation Transmission Electron Microscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Steven R S, Colin O, Lewys J, Amanda P, Sergei V., K, Matthew J. O, Rafal E. D, Norman S, Khalid H, Wei-Chang D. Y, Renu S, Yingge D, Ann C, Haimei Z, Edgar C. B, Libor K, R. L P, Dongsheng L, Xin Z, Mitsuhiro M, and Mitra L. T
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 20 号: 3 ページ: 274-279
  • DOI: 10.1038/s41563-020-00833-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Electron tomography: An imaging method for materials deformation dynamics (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Hata, T. Honda, H. Saito, M. Mitsuhara, M. Murayama
  • 雑誌名: Current Opinion in Solid State & Materials Science 巻: 24 号: 4 ページ: 100850-100850
  • DOI: 10.1016/j.cossms.2020.100850
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ultra-fast Electron Microscopic Imaging of Single Molecules with Direct Electron Detection Camera and Noise Reduction (2020)
  • 著者名/発表者名: J. Stuckner, T. Shimizu, K. Harano, E. Nakamura, M. Murayama
  • 雑誌名: Microscopy and Microanalysis 巻: 26 号: 4 ページ: 667-675
  • DOI: 10.1017/s1431927620001750
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Electron tomography imaging methods with diffraction contrast for materials research (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Hata, H. Furukawa, T. Gondo, D. Hirakami, N. Horii, K. Ikeda, K. Kawamoto, K. Kimura, S. Matsumura, M. Mitsuhara, H. Miyazaki, S. Miyazaki, M. Murayama, H. Nakashima, H. Saito, M. Sakamoto, S. Yamasaki
  • 雑誌名: Microscopy 巻: In press 号: 3 ページ: 141-155
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfaa002
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Real-time Video Imaging of Mechanical Motions of a Single Molecular Shuttle with Sub-millisecond Sub-angstrom Precision (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Shimizu, D. Lungerich, J. Stuckner, M. Murayama, K. Harano, E. Nakamura,
  • 雑誌名: Bull. Chem. Soc. Jpn. 巻: 93 号: 9 ページ: 1079-1085
  • DOI: 10.1246/bcsj.20200134
  • NAID: 130007905718
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Deformation of a nanocube with a single incoherent precipitate: role of precipitate size and dislocation looping (2020)
  • 著者名/発表者名: Kiani Mehrdad T.、Murayama Mitsuhiro、Gu X. Wendy
  • 雑誌名: Philosophical Magazine 巻: 100 号: 13 ページ: 1749-1770
  • DOI: 10.1080/14786435.2020.1741044
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Fracture in nanoporous gold: An integrated computational and experimental study (2020)
  • 著者名/発表者名: Beets Nathan、Stuckner Joshua、Murayama Mitsuhiro、Farkas Diana
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 185 ページ: 257-270
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2019.12.008
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Assessing the influence of processing parameters and external loading on the nanoporous structure and morphology of nanoporous gold toward catalytic applications (2020)
  • 著者名/発表者名: Stuckner Joshua、Frei Katherine、Corcoran Sean G.、Reynolds William T.、Murayama Mitsuhiro
  • 雑誌名: Journal of Physics and Chemistry of Solids 巻: 136 ページ: 109139-109139
  • DOI: 10.1016/j.jpcs.2019.109139
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Assessing Experimental Parameter Space for Achieving Quantitative Electron Tomography for Nanometer-Scale Plastic Deformation (2020)
  • 著者名/発表者名: Yu Ya-Peng、Furukawa Hiromitsu、Horii Noritaka、Murayama Mitsuhiro
  • 雑誌名: Metallurgical and Materials Transactions A 巻: 51 号: 1 ページ: 20-27
  • DOI: 10.1007/s11661-019-05345-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Challenging Ultra Grain Refinement of Ferrite in Low-C Steel Only by Heat Treatment (2020)
  • 著者名/発表者名: Park Myeong-heom、Shibata Akinobu、Tsuji Nobuhiro
  • 雑誌名: Frontiers in Materials 巻: 7 ページ: 604792-604792
  • DOI: 10.3389/fmats.2020.604792
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 透過型電子顕微鏡によるナノスケールの三次元観察と多結晶組織解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 波多聰
  • 学会等名: 九州大学電子顕微鏡民間解放セミナー 材料開発を前進させる「顕微解析拠点の活用」九州大学の最先端電子顕微鏡設備と技術の利用
  • 招待講演
• [学会発表] Toward 3D visualization of dislocation dynamics under deformation using transmission electron microscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Hata
  • 学会等名: Time Man Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] in situ TEM to investigate correlations between microstructure characteristics and deformation twin nucleation mechanisms in high (2021)
  • 著者名/発表者名: Murayama M, Shimokawa T, Hung C-Y, Bai Y, Tsuji N
  • 学会等名: Materials Research Meeting (MRM) 2021
  • 国際学会
• [学会発表] in situ TEM to investigate correlations between microstructure characteristics and deformation twin nucleation (2021)
  • 著者名/発表者名: Shimokawa T, Sawada K, Hung C-Y, Murayama M, Bai Y, Tsuji N.
  • 学会等名: Materials Research Meeting (MRM) 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Managing both high strength and large ductility by controlling deformation modes in nanostructured metals. (2021)
  • 著者名/発表者名: Tsuji N, Murayama M, Shimokawa T, Shizawa K, Kishida K.
  • 学会等名: Materials Research Meeting (MRM) 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Toward 3D visualization of dislocation dynamics by electron tomography (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Hata
  • 学会等名: Graduate Institute of Ferrous & Energy Materials Technology (GIFT) seminar
  • 招待講演
• [学会発表] 電子顕微鏡 様々な研究分野にまたがる先端機器 (2021)
  • 著者名/発表者名: 波多聰
  • 学会等名: 九州大学工学部・九州沖縄９高専 連携教育プログラム関連事業 九州大学 特別講義
• [学会発表] Fast 3D imaging of crystal defects using scanning transmission electron microscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Hata, H. Saito, I. Cho (Y. Zhao), S. Koike, R. Nakama, N. Konishi, M. Mitsuhara, M. Murayama
  • 学会等名: 2021 MIRAI2.0 Workshop in Materials Science
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 機械学習ノイズフィルタリングを援用した走査透過電子顕微鏡（STEM）観察の応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 井原史朗、斉藤光、趙一方、鯉池卓、仲間陸人、義永瑞雲、光原昌寿、波多聰、村山光宏
  • 学会等名: 日本機械学会34回計算力学講演会（CMD2021）
• [学会発表] Toward dynamic 3D visualization of dislocations by electron tomography (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Hata, H. Saito, M. Murayama
  • 学会等名: The 5th International Congress on 3D Materials Science 2021 (3DMS 2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] STEM連続傾斜像の高速撮影に向けた要素技術開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 波多聰、斉藤光、趙一方、鯉池卓、仲間陸人、小西夏樹、光原昌寿、村山光宏
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会 第77回学術講演会
• [学会発表] 結晶欠陥の電子顕微鏡３次元再構築 (2021)
  • 著者名/発表者名: 波多聰
  • 学会等名: 日本鉄鋼協会第181回春季講演大会
  • 招待講演
• [学会発表] その場観察用のTEMホルダー技術と活用事例-試料引張を中心に- (2021)
  • 著者名/発表者名: 波多聰
  • 学会等名: 日本学術振興会 R026先端計測技術の将来設計委員会 第3回
  • 招待講演
• [学会発表] In-situ 3D imaging in transmission electron microscopy: recent developments and applications to material deformation (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Hata, H. Saito, M. Murayama
  • 学会等名: Structural Materials for Nuclear and Space Applications (SNSA20)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] STEMトモグラフィーによる転位の高速三次元観察 (2020)
  • 著者名/発表者名: 趙一方、鯉池卓、仲間陸人、光原昌寿、斉藤光、村山光宏、波多聰
  • 学会等名: 第62回日本顕微鏡学会九州支部集会・学術講演会
• [学会発表] 3D and 4D reconstruction of dislocations in electron microscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Hata, H. Saito, M. Murayama
  • 学会等名: The 4th Forum of Materials Genome Engineering (4th ForMGE)
  • 招待講演
• [学会発表] 透過型電子顕微鏡法による結晶材料３次元組織の再構築に関する研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 波多聰
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第76回学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 高速STEMトモグラフィーの実現に向けた深層学習を用いたノイズ除去 (2020)
  • 著者名/発表者名: 鯉池卓、斉藤光、趙一方、光原昌寿、村山光宏、波多聰
  • 学会等名: 第62回日本顕微鏡学会九州支部集会・学術講演会