点欠陥を骨組みとする新しい同素変態―鉄鋼材料の新たな高強度化法の開拓

• 研究課題/領域番号: 20H00309
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分26:材料工学およびその関連分野
• 研究機関: 島根大学
• 研究代表者: 荒河 一渡 島根大学, 学術研究院理工学系, 教授 (30294367)
• 研究分担者: 武藤 哲也 島根大学, 学術研究院理工学系, 准教授 (50312244) ; 大島 義文 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (80272699)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 44,980千円 (直接経費: 34,600千円、間接経費: 10,380千円); 2023年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2022年度: 13,130千円 (直接経費: 10,100千円、間接経費: 3,030千円); 2021年度: 14,040千円 (直接経費: 10,800千円、間接経費: 3,240千円); 2020年度: 12,610千円 (直接経費: 9,700千円、間接経費: 2,910千円)
• キーワード: 点欠陥 / 転位 / 鉄 / 透過電子顕微鏡 / 欠陥 / 透過電子顕微鏡法 / 相転移

研究開始時の研究の概要

本申請者らは最近、アルファ鉄中において、点欠陥によって、第四の同素体の安定なナノ・クラスター（欠陥同素体）を創り得ることを、透過電子顕微鏡法を駆使して、世界に先駆けて明らかにした。本研究では、透過電子顕微鏡法を駆使して、鉄における欠陥同素体の形成機構および材料の機械的性質へもたらす効果を明らかにする。これらの知見は、点欠陥が導入される幅広い過程における微細組織発達を理解する上での新たな基盤となる。

研究成果の概要

本研究では、透過電子顕微鏡法その場観察法を駆使して、「欠陥同素体」を中心とする微小点欠陥集合体に関する基礎的問題を解明することを目的とした。主な成果は次のとおりである。(1)高純度鉄および複数の鉄合金において、欠陥同素体の形成過程の直接観察に世界に先駆けて成功した。欠陥同素体の形成は、溶質原子や不純物原子由来のものではなく鉄本来の性質であることが明確となった。(2) 鉄における転位ループとすべり移動する転位間相互作用を、室温および高温において直接観察することに、世界に先駆けて成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究成果は、点欠陥が導入される多くの過程（原子炉・核融合炉材料における高エネルギー粒子照射、幅広い種類の構造材料における塑性変形 等）における鉄および鉄鋼材料の微細組織変化を理解する上で極めて重要である。「欠陥同素体」を新たな強化因子として生かした新たな鉄鋼材料設計に繋がり得るものと期待される。

研究成果

• [国際共同研究] UKAEA(英国)
• [国際共同研究] CEA-Saclay(フランス)
• [国際共同研究] CEA-Saclay(フランス)
• [国際共同研究] UKAEA(英国)
• [国際共同研究] CEA-Saclay(フランス)
• [雑誌論文] X-ray free electron laser observation of ultrafast lattice behaviour under femtosecond laser-driven shock compression in iron (2023)
  • 著者名/発表者名: T.Sano, T. Matsuda, T. Sato, K.Miyanishi, M. Yabashi, T. Togashi, K. Tono, O. Sakata, Y.Tange, K. Arakawa, Y.Ito, T.Okuchi, T. Sato, T.Sekine, T.Mashimo, N. Nakanii, Y. Seto, M.Shigeta, T.Shobu, Y.Sano, T. Hosokai, T.Matsuoka, T.Yabuuchi, K. A. Tanaka, N.Ozaki , R,Kodama
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13 号: 1 ページ: 13789-13796
  • DOI: 10.1038/s41598-023-40283-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 水素脆化における潜伏期から破壊までの実態解明における新展開 (2023)
  • 著者名/発表者名: 高井健一, 松本龍介, 松永久生, 小山元道, 小川祐平, 柴田暁伸, 荒河一渡, 武富紳也, 藤浪眞紀
  • 雑誌名: ふぇらむ 巻: 28 ページ: 28-36
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Influence of pulse duration on mechanical properties and dislocation density of dry laser peened aluminum alloy using ultrashort pulsed laser-driven shock wave (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Yoshida, I. Nishibata, T. Matsuda, Y. Ito, N. Sugita, A. Shiro, T. Shobu, K. Arakawa, A. Hirose, T. Sano
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 132 号: 7 ページ: 075101-075101
  • DOI: 10.1063/5.0083511
  • 査読あり
• [雑誌論文] 金属中欠陥の量子拡散のTEMその場観測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 荒河一渡
  • 雑誌名: 顕微鏡 巻: 56 号: 3 ページ: 143-146
  • DOI: 10.11410/kenbikyo.56.3_143
  • NAID: 130008137909
  • ISSN: 1349-0958, 2434-2386
  • 年月日: 2021-12-30
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hydrogen Effects on the Migration of Nanoscale Cavities in Iron (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Arakawa, A. Kageyama, H. Hiroshima, H. Yasuda, S. Ogata
  • 雑誌名: ＩＳＩＪ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ 巻: 61 号: 8 ページ: 2305-2307
  • DOI: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2021-140
  • NAID: 130008075168
  • ISSN: 0915-1559, 1347-5460
  • 年月日: 2021-08-15
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Perspectives on multiscale modelling and experiments to accelerate materials development for fusion (2021)
  • 著者名/発表者名: Gilbert M.R.、Arakawa K.、Suzudo T.、Trelewicz J.R.、Tsuru T.、et al.
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: 554 ページ: 153113-153113
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2021.153113
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Hydrogen-Enhanced Vacancy Diffusion in Metals (2020)
  • 著者名/発表者名: Du Jun-Ping、Geng W. T.、Arakawa Kazuto、Li Ju、Ogata Shigenobu
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 11 号: 17 ページ: 7015-7020
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c01798
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] In-situ WB-STEM observation of dislocation loop behavior in reactor pressure vessel steel during post-irradiation annealing (2020)
  • 著者名/発表者名: Du Yufeng、Yoshida Kenta、Shimada Yusuke、Toyama Takeshi、Inoue Koji、Arakawa Kazuto、Suzudo Tomoaki、Milan Konstantinovic J.、Gerard Robert、Ohnuki Somei、Nagai Yasuyoshi
  • 雑誌名: Materialia 巻: 12 ページ: 100778-100778
  • DOI: 10.1016/j.mtla.2020.100778
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 鉄におけるらせん転位とプリズマティック転位ループ間相互作用のTEMその場観察 (2024)
  • 著者名/発表者名: 井上喬仁, 杉本有隆, 荒河一渡
  • 学会等名: 日本鉄鋼協会第187回春季講演大会
• [学会発表] 鉄の引張変形下でのキャビティ形成に対する水素効果のTEM観察 (2024)
  • 著者名/発表者名: 水谷琢朗, 井上喬仁, 西村飛翔, 福田英, 植田靖子, 荒河一渡
  • 学会等名: 日本鉄鋼協会第187回春季講演大会
• [学会発表] In-situ TEM of Dynamics of Lattice Defects in Metals (2023)
  • 著者名/発表者名: Kazuto Arakawa
  • 学会等名: The 11th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM11)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] In-situ TEM of Dynamics of Lattice Defects in Metals (2023)
  • 著者名/発表者名: Kazuto Arakawa
  • 学会等名: International Workshop on Advanced and In-situ Microscopies of Functional Nanomaterials and Devices (IAMNano) 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 材料の先端電子顕微鏡による原子～ナノ分析技術 (2023)
  • 著者名/発表者名: 荒河一渡
  • 学会等名: プラズマ材料工学研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 金属の変形をナノレベルで観る (2023)
  • 著者名/発表者名: 荒河一渡
  • 学会等名: 応用物理・物理系学会 中国四国支部 学術合同講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 鉄におけるらせん転位の高温挙動の透過電子顕微鏡その場観察 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上喬仁, 植田大地, 木村崇, 小宅雄真, 荒河一渡
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第79回学術講演会
• [学会発表] 原子分解能磁場フリー電子顕微鏡のTEM光学系の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 前川達洋, 河野祐二, 森下茂幸, 荒河一渡
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第79回学術講演会
• [学会発表] 金属における格子欠陥の動的挙動のその場観察 (2023)
  • 著者名/発表者名: 荒河一渡
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会 超高分解能顕微鏡法分科会 研究討論会 「様々な環境下での超高分解能」
  • 招待講演
• [学会発表] 金属における欠陥挙動のTEMその場観察 (2023)
  • 著者名/発表者名: 荒河一渡
  • 学会等名: 日本電子第15回TEMユーザーズミーティング
  • 招待講演
• [学会発表] タングステンにおける照射欠陥挙動のTEMその場観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 荒河一渡
  • 学会等名: 日本金属学会シンポジウム「タングステン材料科学」
  • 招待講演
• [学会発表] 原子分解能磁場フリー電子顕微鏡 MARS の汎用化へ向けた展開 (2022)
  • 著者名/発表者名: 荒河一渡
  • 学会等名: 日本表面真空学会 関東支部 実用顕微鏡評価技術セミナー 2022
  • 招待講演
• [学会発表] 金属における格子欠陥挙動の透過電子顕微鏡その場観察法による研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 荒河一渡
  • 学会等名: 2022 年度 日本顕微鏡学会 学術講演会 瀬藤賞授賞講演
  • 招待講演
• [学会発表] In-situ TEM of Quantum De-trapping and Transport of Heavy Defects in Tungsten (2022)
  • 著者名/発表者名: Kazuto Arakawa, Mihai-Cosmin Marinica, Steven Fitzgerald, Laurent Proville, Duc Nguyen-Manh, Sergei L. Dudarev, Pui-Wai Ma, Thomas D. Swinburne, Alexandra M. Goryaeva, Tetsuya Yamada, Shigeo Arai, Tetsuya Yasuda, Hirotaro Mori
  • 学会等名: TMS 2022 Annual Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] In-situ TEM of the Interaction between Screw Dislocations and Dislocation Loops in Iron (2021)
  • 著者名/発表者名: Kazuto Arakawa, Takahito Inoue, Yutaka Sugimoto
  • 学会等名: International Conference on Fusion Reactor Materials (ICFRM-20)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 金属の変形素過程の透過電子顕微鏡その場観察 (2021)
  • 著者名/発表者名: 荒河一渡
  • 学会等名: 日本熱処理技術協会第 92 回 (2021 年秋季) 講演大会 田村・川嵜記念講演
  • 招待講演
• [学会発表] TEMその場観察による金属における格子欠陥挙動の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 荒河一渡
  • 学会等名: 日本セラミックス協会 第34回秋季シンポジウム 先進的な構造科学と分析技術
  • 招待講演
• [学会発表] 透過電子顕微鏡による金属における格子欠陥のダイナミクスの研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 荒河一渡
  • 学会等名: 日本セラミックス協会 第3回資源・環境関連材料部会討論会
  • 招待講演
• [学会発表] TEM その場観察による金属における格子欠陥挙動の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 荒河一渡
  • 学会等名: 日本材料学会 マルチスケール材料力学部門 第69期第 5 回部門委員会
  • 招待講演
• [学会発表] 金属における格子欠陥の動的挙動のTEMその場観察 (2020)
  • 著者名/発表者名: 1.荒河一渡
  • 学会等名: 東京大学 次世代電子顕微鏡法 社会連携講座 第1回「次世代電子顕微鏡法」講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 超高圧電子顕微鏡による金属における重い欠陥の量子移動の観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 2.荒河一渡, M. C. Marinica, S. Fitzgerald, L. Proville, D. Nguyen-Manh, S.L. Dudarev, P.W. Ma, T.D. Swinburne, A.M. Goryaeva, 山田哲也, 網野岳文, 荒井重勇, 山本悠太, 樋口公孝, 田中信夫, 保田英洋, 安田哲也, 森博太郎
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会 第63回シンポジウム 顕微鏡オンラインフォーラム
  • 招待講演
• [備考] 透過型電子顕微鏡法による固体内局所構造の研究
  • URL: http://tem-defect.jp/index.html