| 研究課題/領域番号 |
21H04529
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分18:材料力学、生産工学、設計工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
中村 孝 北海道大学, 工学研究院, 特任教授 (30237408)
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| 研究分担者 |
藤村 奈央 北海道大学, 工学研究院, 助教 (40732988)
竹内 晃久 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 分光推進室, 主幹研究員 (70426526)
上椙 真之 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 分光推進室, 主幹研究員 (20426521)
上杉 健太朗 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 分光推進室, 主席研究員 (80344399)
戸田 裕之 九州大学, 工学研究院, 教授 (70293751)
小熊 博幸 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, 主幹研究員 (80515122)
古谷 佳之 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, グループリーダー (60354255)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
43,290千円 (直接経費: 33,300千円、間接経費: 9,990千円)
2024年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2023年度: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)
2022年度: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)
2021年度: 25,870千円 (直接経費: 19,900千円、間接経費: 5,970千円)
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| キーワード | ギガサイクル疲労 / 内部起点型破壊 / 放射光 / き裂伝播 / 真空 / き裂進展 / き裂伝搬 / き裂発生 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
高強度金属材料において，10＾7回程度以上の繰返し数で疲労強度が大幅に低下する特異現象（超高サイクル疲労）が近年広く知られている．これは材料内部を起点とするき裂の発生・進展により生じるが，内部き裂の検出が困難なことから疲労強度評価法は確立していない．本研究では，大型放射光施設SPring-8におけるX線ナノ/マイクロCT技術を高度化し，内部き裂をリアルタイムで観察するin-situ疲労試験システムを開発する．数～数十μmの内部微小疲労き裂の発生寿命，進展速度，進展経路，開閉口挙動などを調べ，内部起点型疲労破壊のメカニズムを明らかにすることにより，超高サイクル疲労特性を予測する手法を構築する．
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は，高強度金属材料に生じる超高サイクル疲労破壊のメカニズムを明らかにし，その評価法を構築することにある．析出硬化系ステンレス鋼（SUS630）と2種類のチタン合金（（α+β)型Ti-6Al-4Vおよびβ型Ti-22V-4Al）を対象として，材料内部に発生する微小き裂の挙動をSPring-8の放射光X線マイクロ/ナノCT（ビームライン：BL20XU）を用いて明らかにする．主な研究目標は，① 放射光X線マイクロ/ナノCT技術の高度化とin-situ疲労試験システムの開発，② 高強度鋼とチタン合金の２系統の材料における内部き裂発生・進展・停留挙動の解明，③ 超高サイクル疲労評価コードの開発，の３つである．2022年度までに①は全て終了したため．2023年度は，②の一部と③に取組む計画とし，以下の3項目を行った．
(1) (α+β)型合金Ti-6Al-4Vおよびβ型合金Ti-22V-4Alに関する検討 (α+β)型合金Ti-6Al-4Vとβ型合金Ti-22V-4Alのda/dN-ΔK関係を比較した結果，前者の進展速度が後者に比べて大きく低下することが明らかとなった．この理由は前者のき裂がその前縁に多数のファセットを形成しつつ進展するという特異な挙動にあることを示した．
(2) 析出硬化系ステンレス鋼SUS630に関する検討 昨年までに最適化した撮像条件に基づきCT観察を行った結果，内部を起点とする疲労き裂の検出に成功し，その進展速度を明らかにすることができた．
(3) 超高サイクル疲労評価コードの開発 昨年度で改良した超高サイクル疲労破壊過程を記述するモデルをSUS630に適用するために，SUS630に含まれる介在物の寸法や空間分布を明らかにした．さらに内部き裂の発生を誘起する介在物が原分布のうちどの程度の寸法に相当するかを特定した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
「研究実績の概要」に述べたように，2023年度は，３つの研究項目のうち②の一部および③を行う予定とした．特に②については，密度が高く，き裂検出の難易度が高い析出硬化ステンレス鋼SUS630に対してマイクロCTを適用し，50μｍ程度に成長した内部き裂を検出した．さらに，その後の進展速度を計測することにも成功した．特に，超高サイクル疲労分野で重要なODA, FGAなどと呼ばれる微小き裂進展領域の速度を実測した例は，世界的にも報告されていない．これらの成果は国際会議13th International Fatigue Congress, Fatigue 2022+1においてプレナリ講演として公表され，当該分野の進展に貢献している．
以上を踏まえ，現在までの進捗状況は当初の計画以上に進展していると判断した．
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| 今後の研究の推進方策 |
「研究実績の概要」に述べた①～③のうち，①は当初の予定を十分に達成した．②に関しては，(α+β)型Ti-6Al-4V，β型Ti-22V-4Al，SUS630の全ての供試材について内部き裂の進展速度を計測することができた．また，③については，超高サイクル疲労破壊過程を記述する統計モデルを開発し，(α+β)型Ti-6Al-4Vに適用できることを確認した．
これらの成果を踏まえ，最終年度である2024年度では，介在物起点型（析出硬化系ステンレス鋼）と結晶粒起点型（チタン合金）の二つの代表的な材料の内部起点型破壊を総合的に評価する手法の構築を目指す．具体的には，②について，すでに取得した膨大なCTデータを精査し，各材料における発生直後の極めて微小なき裂の挙動の検出と解析を行う．さらに，き裂先端近傍における組織構造変化や凝着現象に注目した評価とこれらがき裂の停留挙動に及ぼす影響を考察する．③に関しては，開発したモデルをβ型Ti-22V-4Al，SUS630の結果に適用し，異なる材料の超高サイクル疲労特性を解析できるような機能強化を行う．
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