| 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年度は，このうち②の一部（チタン合金に注力）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を対象とする実験 き裂の停留挙動に注目した観察を行い，表面き裂と内部き裂の停留限界を測定した．また，内部き裂の初期進展に関連すると考えられているき裂先端周囲の微細組織形成過程を観察した．その結果，き裂上下面の繰返し接触によりき裂面の一部に凝着が生じ，微細組織形成が助長される可能性を示した．
(2) β型合金Ti-22V-4Alを対象とする実験 結晶粒を起点とする内部き裂の非破壊検出に成功し，き裂発生寿命およびき裂進展速度を明らかにした．この結果と破面観察を組合わせることで，内部き裂進展がどのように進むのかを定量化した．
(3) 超高サイクル疲労評価コードの開発 昨年度に開発した超高サイクル疲労破壊過程を記述するプロトタイプモデルに対し，二つの応力におけるCT情報を組込む改良を行い，幅広い応力範囲に適用できるようにした．このモデルに基づきモンテカルロ解析を行った結果，表面破壊と内部破壊からなる二重S-N特性を定量的に再現することができた．
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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，2022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，特に②については2種類のチタン合金（（α+β)型Ti-6Al-4Vおよびβ型Ti-22V-4Al）に注力する計画を立案した．一方，研究が順調に進捗したため，当初は2023年度に扱う予定であった析出硬化系ステンレス鋼（SUS630）についても前倒しで実験を進めた．試験片寸法やX線エネルギを含む種々の撮像条件を最適化した結果，チタン合金に比べて密度が高く，き裂検出の難易度が高いSUS630に対しても微小な表面き裂を検出することができた．特にき裂発生後，十数μmに進展するまでにほとんどの寿命が費やされることを明らかにし，2023年度以降に内部き裂の検出に挑戦する上で重要な知見を得ることができた．この結果は1編の国際会議Proceedings（Nakamura Takashi, In situ Observation of Small Fatigue Cracks in High-strength Metals using Synchrotron Radiation Micro and Nano Computed Tomography, Proceedings of the 7th International Conference on Advanced Steels, ICAS 2022）に掲載されている．
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，2023年度以降は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，に取組む．このうち②については，2022年度までの研究において(α+β)型Ti-6Al-4Vおよびβ型Ti-22V-4Alのいずれの内部き裂に関しても，発生寿命，進展寿命，進展速度，き裂開閉口挙動を明らかにすることができた．今後は，残された課題である析出硬化系ステンレス鋼（SUS630）に注目し，内部き裂の挙動を明らかにする．また，同材料で得られた結果を2種類のチタン合金の結果と比較することで，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）の二つの代表的な内部き裂進展挙動における類似点，相違点を定量化する．さらに，これらの結果を別途開発してきた超高サイクル疲労評価コードに組込むことにより，内部起点型破壊を総合的に評価する手法を構築していく．
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