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4次元的損傷分散概念に基づく多機能ヘテロ金属創製原理の創発

研究課題

研究課題/領域番号 23K22630
補助金の研究課題番号 22H01359 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
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
研究機関静岡大学

研究代表者

菊池 将一  静岡大学, 工学部, 准教授 (80581579)

研究分担者 關根 惟敏  静岡大学, 工学部, 准教授 (00765993)
藤井 朋之  静岡大学, 工学部, 准教授 (30377840)
蓮沼 将太  青山学院大学, 理工学部, 准教授 (50709764)
塩澤 大輝  神戸大学, 工学研究科, 准教授 (60379336)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)
2024年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
2023年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2022年度: 10,790千円 (直接経費: 8,300千円、間接経費: 2,490千円)
キーワード金属疲労 / 粉末冶金 / 力学特性 / 高輝度放射光 / 破壊力学
研究開始時の研究の概要

本研究の概要は,ミクロ強度の異なる組織をマクロに周期配置させた3次元周期ヘテロ金属を対象に,多機能化発現の根幹となる損傷分散概念を確立することである.とくに「強さ」と「しなやかさ」の両立という特異な力学特性を発現させるため,ヘテロ金属のミクロ・マクロ損傷の双方を捉えるための実験や解析を行い,3次元構造における損傷分散の時間的変化(4次元的損傷分散)を評価しモデル化する研究である.

研究実績の概要

本研究では,機械構造物の動的な破壊・破損を抑制するため,構造用金属材料のミクロ組織を周期的に制御して,損傷をマクロに分散させる概念の確立を目的とする.チェーン状に連なる高強度相が低強度相を包み込む構造(3次元周期ヘテロ構造)を創製し,3次元構造における損傷分散の時間的変化を司ることにより,「強さ」と「しなやかさ」を兼ね備えた多機能金属を創製することは重要である.
本年度は,昨年度に確立した方法を用いて結晶粒径を周期的に制御したヘテロ構造ステンレス鋼を創製し,研究対象とした.このヘテロ構造ステンレス鋼を高輝度放射光施設(SPring-8)に持ち込み,昨年度構築した回折コントラストトモグラフィ(Diffraction contrast tomography: DCT)システムによってミスオリエンテーションの連続測定を実施した.その際,検出限界を考慮し,結晶粒径を相似的に大きくした「粗大」ヘテロ構造ステンレス鋼のモデル材も作製することにより,準静的な引張下で粗大粒部のみならず微細粒部におけるミスオリエンテーションの直接計測を達成した.その結果,微細粒部のミスオリエンテーションは粗大粒部に比べて高いことが明らかとなった.これは,ヘテロ構造内のネットワーク状の微細結晶粒組織が優先的に損傷したことを裏付ける結果である.さらにヘテロ構造ステンレス鋼の疲労特性についても検討を行い,各相のミスオリエンテーション変化における応力繰返し数依存性についても明らかにした.
ミスオリエンテーション測定は疲労き裂の発生と関連がある.疲労過程では,発生したき裂の進展挙動の評価も重要である.そこで,ステンレス鋼と疲労き裂が閉じやすいハイエントロピー合金の粉末を混合して焼結し,エントロピーが周期的に変化するヘテロ構造金属を作製した.その結果,所定の応力比条件において疲労き裂の進展抵抗が増大することが明らかとなった.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

「研究実績の概要」で述べた通り,結晶粒径やエントロピーを周期的に制御する手法を確立しただけでなく,周期へテロ構造ステンレスの損傷分散挙動を明らかにしている.さらに,周期へテロ構造ステンレスの各相の損傷を個別に捉えるためのモデル材作製やその場損傷計測の実施にも着手できたことから,本課題は「おおむね順調に進展している」といえる.
高輝度放射光を利用したその場損傷計測システムについては,検出限界が存在する.本研究のヘテロ構造ステンレス鋼の微細粒部は2ミクロン程度であり,検出限界を下回っていた.そこで粉末冶金技術を駆使し,結晶粒径を相似的に大きくした「粗大」ヘテロ構造ステンレス鋼のモデル材を作製することにより,検出限界よりも大きい微細粒部の創製に成功した.このモデル材作製のアイディアによって,粗大粒のみならず微細粒部のミスオリエンテーションを直接計測することができ,ヘテロ構造内のネットワーク状の微細結晶粒組織に優先的に損傷が分散する事実を実証した.このような特異な損傷挙動は,周期へテロ構造ステンレスのマクロな降伏応力より高い応力域において生じたことから,並行して切欠きを有する周期へテロ構造金属の塑性疲労挙動評価にも着手している.
さらに,疲労き裂の発生だけでなく,進展挙動についても検討を加えることができた.ステンレス鋼をベースに,同じfcc構造を有するハイエントロピー合金粉末と混合して焼結することにより,局所エントロピーを周期的に制御したヘテロ構造を創製した.このエントロピー周期ヘテロ構造に対して疲労き裂試験試験を行い,き裂進展下限界値やき裂開閉口挙動についても検討を加えることができた.

今後の研究の推進方策

本年度と同様,ミクロ組織を周期ヘテロ構造制御した金属材料を研究対象とする.ヘテロ構造内の微細粒部への損傷分散は,周期へテロ構造金属のマクロな降伏応力より高い応力域において生じる.そのため,鋭い切欠きを設けることにより応力集中を引き起こし,切欠き底近傍のみを塑性変形させる条件で疲労試験を実施する.なお,本研究課題では,稜間角の異なる複数の圧子を用いたインデンテーション法(二圧子法)によって,周期ヘテロ構造金属内の各相の局所的な応力-ひずみ関係を実験的に同定し,各相の降伏強度を定量化している.これらの値をFEMモデルに組み込み,実験と解析の両面から応力・ひずみ分配挙動と疲労き裂発生位置を関連付けることを目指す.
また,粗大粒部と微細粒部の形成割合がヘテロ構造金属の力学特性に及ぼす影響についても検討を加える.具体的には直径の異なるステンレス鋼とハイエントロピー合金の粉末を用いて,各投入量を変化させて焼結させる.微細粒部の形成割合が変化した際の応力・ひずみ分配挙動を明らかにすることを通して,ヘテロ構造金属の力学特性を明らかにする.また,ステンレス鋼とハイエントロピー合金の粉末の直径を入れかえれば,「逆ヘテロ構造金属」を作製することもできる.逆構造の場合,当初の材料創製コンセプトとは異なるため,応力・ひずみ分配の程度が下がり,良好な力学特性を発現しないと予想している.両構造の力学特性を比較することにより,周期ヘテロ構造金属の損傷集中メカニズム解明を通して,学術的観点からヘテロ構造制御による材料多機能化指針の明確化を目指す.また,準静的な引張試験のみならず,疲労き裂進展試験を行い,ヘテロ構造化による疲労き裂進展抵抗増大の指針の明確化にも取り組む.

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (38件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (9件) (うち査読あり 9件、 オープンアクセス 6件) 学会発表 (24件) (うち国際学会 14件、 招待講演 2件) 図書 (1件) 備考 (4件)

  • [雑誌論文] Misorientation of Grains in Fatigue of Harmonic Structured Steel2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Nakai, D. Shiozawa, S. Kikuchi, I. Mishima, M.O. Kawabata, K. Ameyama
    • 雑誌名

      Materials Science Forum

      巻: 1107 ページ: 61-66

    • DOI

      10.4028/p-e0mc23

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Near‐Threshold Fatigue Crack Propagation in Sintered 304L Stainless Steel Compact with Network Structure Composed of High‐Entropy CrMnFeCoNi Alloy2023

    • 著者名/発表者名
      Ito Arisa, Fujita Keisuke, Fujiwara Hiroshi, Kikuchi Shoichi
    • 雑誌名

      Advanced Engineering Materials

      巻: - 号: 15 ページ: 2201936-2201936

    • DOI

      10.1002/adem.202201936

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Grain size effect on near-threshold fatigue crack propagation in CrMnFeCoNi high-entropy alloy fabricated by spark plasma sintering2023

    • 著者名/発表者名
      Fujita Keisuke, Tsuboi Hayato, Kikuchi Shoichi
    • 雑誌名

      Engineering Fracture Mechanics

      巻: 286 ページ: 109317-109317

    • DOI

      10.1016/j.engfracmech.2023.109317

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Misorientation Measurement in Tensile Test of Bimodal Harmonic Structured Stainless Steel by Diffraction Contrast Tomography Using Ultrabright Synchrotron Radiation X-ray2023

    • 著者名/発表者名
      Nakai Yoshikazu、Kikuchi Shoichi、Shiozawa Daiki、Nakazawa Issei、Fujita Keisuke、Kawabata Mie O.、Ameyama Kei
    • 雑誌名

      Procedia Structural Integrity

      巻: 43 ページ: 221-227

    • DOI

      10.1016/j.prostr.2022.12.262

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Analysis of fatigue performance of austenitic stainless steels with bimodal harmonic structures based on multiscale model simulations2023

    • 著者名/発表者名
      H. Zhou, Z. Liu, S. Kikuchi, K. Shibanuma
    • 雑誌名

      Materials & Design

      巻: 226 ページ: 111657-111657

    • DOI

      10.1016/j.matdes.2023.111657

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] バイモーダル構造を有するハイエントロピー合金CrMnFeCoNiの創製とその疲労き裂伝ぱ特性2022

    • 著者名/発表者名
      伊藤 有沙, 藤田 佳佑, 川口 昂彦, 菊池 将一
    • 雑誌名

      材料

      巻: 71 号: 12 ページ: 961-968

    • DOI

      10.2472/jsms.71.961

    • ISSN
      0514-5163, 1880-7488
    • 年月日
      2022-12-15
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 粉末冶金を用いた周期TiB析出制御チタンの創製とその下限界近傍における疲労き裂伝ぱ特性2022

    • 著者名/発表者名
      菊池将一,渡會恵美,小山毅士,栗田大樹
    • 雑誌名

      材料

      巻: 71 号: 12 ページ: 953-960

    • DOI

      10.2472/jsms.71.953

    • ISSN
      0514-5163, 1880-7488
    • 年月日
      2022-12-15
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Effect of a Heterogeneous Nitrogen Diffusion Phase on Four-Point Bending Fatigue Properties in Commercially Pure Titanium2022

    • 著者名/発表者名
      S. Kikuchi, S. Suzuki, H. Ito, K. Fujita, K. Nakazawa
    • 雑誌名

      MATERIALS TRANSACTIONS

      巻: 63 号: 7 ページ: 1046-1054

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-Z2022004

    • ISSN
      1345-9678, 1347-5320
    • 年月日
      2022-07-01
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Inclusion orientation dependent flaking process in rolling contact fatigue observed by laminography using ultra-bright synchrotron radiation X-ray2022

    • 著者名/発表者名
      Yoshikazu Naka, Daiki Shiozawa, Shoichi Kikuchi, Hitoshi Saito, Takashi Nishina, and Hiroshi Kobayashi, Taizo Makino, and Yutaka Neishi
    • 雑誌名

      Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures

      巻: 45 号: 15 ページ: 2200-2214

    • DOI

      10.1002/adem.202201836

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 不均質結晶粒径制御による意図的な応力分配を利用したステンレス鋼の切欠効果消失2024

    • 著者名/発表者名
      菊池将一
    • 学会等名
      日本材料学会東海支部2023年度東海地区合同テクノフェア
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Effect of a heterogeneous nitrogen diffusion phase on fatigue characteristics of cp-titanium for biomedical applications2023

    • 著者名/発表者名
      S. Kikuchi
    • 学会等名
      9th International Conference on Mechanics of Biomaterials and Tissues
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of volume fraction of network structure composed of high-entropy CrMnFeCoNi alloy on fatigue crack propagation in 304L stainless steel compact2023

    • 著者名/発表者名
      A. Ito, K. Fujita, H. Fujiwara and S. Kikuchi
    • 学会等名
      13th International Fatigue Congress (FATIGUE2022+1)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Fatigue damage evaluation of coarse and fine grains in notched austenitic stainless steel with harmonic structure2023

    • 著者名/発表者名
      K. Fujita, Y. Ishimura, Y. Nakai, M. O. Kawabata, H. Fujiwara, K. Ameyama, S. Kikuchi
    • 学会等名
      13th International Fatigue Congress (FATIGUE2022+1)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Observation of misorientation behavior in austenitic stainless steel with harmonic structure by synchrotron DCT under tensile and cyclic loading2023

    • 著者名/発表者名
      D. Shiozawa, I. Nakazawa, S. Kikuchi, Y. Nakai, M. O. Kawabata, K. Ameyama
    • 学会等名
      The Advanced Technology in Experimental Mechanics and International DIC Society Joint Conference 2023 (ATEM-iDICs '23)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 調和組織材料中の粗粒および微細粒における過剰転位密度の高輝度放射光を用いた回折コントラストトモグラフィーによる測定2023

    • 著者名/発表者名
      中井善一,菊池将一,塩澤大輝,長谷卓海,中澤一成,藤田佳佑,川畑美絵,飴山惠
    • 学会等名
      日本材料学会第57回X線材料強度に関するシンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Misorientation of Grains in Fatigue of Harmonic Structured Steel Observed by Diffraction Contrast Tomography Using Ultrabright Synchrotron Radiation2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Nakai, D. Shiozawa, S. Kikuchi, I. Mishima, M. O. Kawabata, K. Ameyama
    • 学会等名
      International Conference on Processing & Manufacturing of Advanced Materials Processing, Fabrication, Properties, Applications (Thermec'2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 調和組織制御による切欠き材の疲労特性向上2023

    • 著者名/発表者名
      菊池将一
    • 学会等名
      粉体粉末冶金協会2023年度春季大会(第131回講演大会)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 調和組織制御による切欠き材の疲労限度上昇メカニズムの解明2023

    • 著者名/発表者名
      藤田佳佑,石村芳暉,中井善一,川畑美絵,藤原弘,飴山惠,菊池将一
    • 学会等名
      日本材料学会 第72期学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ハイエントロピー合金CrMnFeCoNiとオーステナイト系ステンレス鋼SUS304の複合周期構造材料の創製とその疲労き裂伝ぱ特性2023

    • 著者名/発表者名
      伊藤有沙,藤田佳佑,藤原弘,菊池将一
    • 学会等名
      日本材料学会東海支部第17回学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Fatigue properties of notched austenitic stainless steel with harmonic structure2023

    • 著者名/発表者名
      S. Kikuchi, Y. Ishimura, K. Fujita, Y. Nakai, M.O. Kawabata, H. Fujiwara, K. Ameyama
    • 学会等名
      5th International Symposium on Hetero Structure and Advanced Materials
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Clarification of innovative deformation mechanism in harmonic structure materials and creation of design principle for structure materials for next generation2023

    • 著者名/発表者名
      K. Ameyama, H. Fujiwara, T. Itoh, M. O. Kawabata, S. Kikuchi, Y. Nakai, T. Shimokawa, D. Shiozawa, E. Yamasue
    • 学会等名
      5th International Symposium on Hetero Structure and Advanced Materials
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of grain size and force ratio on fatigue crack propagation of commercially pure titanium with harmonic structure2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Nakai, S. Kikuchi, K. Osaki, M. O. Kawabata, K. Ameyama
    • 学会等名
      5th International Symposium on Hetero Structure and Advanced Materials
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Observation of misoriantation behavior in SUS304 and SUS316L with harmonic structure by synchrotron DCT under tensile and cyclic loading2023

    • 著者名/発表者名
      D. Shiozawa, I. Nakazawa, S. Kikuchi, Y. Nakai, M. O. Kawabata, K. Ameyama
    • 学会等名
      5th International Symposium on Hetero Structure and Advanced Materials
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Evaluation of dislocation density in bimodal harmonic structured stainless steel observed by diffraction contrast tomography using ultrabright synchrotron radiation X-ray2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Nakai, S. Kikuchi, D Shiozawa, K. Nonaka, I. Nakazawa, K. Fujita, M.O. Kawabata, K. Ameyama
    • 学会等名
      27th International Conference on Fracture and Structural Integrity
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 高輝度放射光を用いた周期構造制御金属のマルチスケール損傷計測2022

    • 著者名/発表者名
      菊池将一
    • 学会等名
      静岡大学ナノマテリアル応用研究会(Nano-MAP) 第20回委員会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 調和組織制御による切欠き効果フリーステンレス鋼の創製2022

    • 著者名/発表者名
      藤田佳佑,石村芳暉,中井善一,川畑美絵,藤原弘,飴山惠,菊池将一
    • 学会等名
      日本材料学会疲労部門委員会 第35回疲労シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] バイモーダル構造を有するハイエントロピー合金CrMnFeCoNiの創製とその疲労き裂伝ぱ特性2022

    • 著者名/発表者名
      伊藤有沙,藤田佳佑,川口昂彦,菊池将一
    • 学会等名
      日本材料学会疲労部門委員会 第35回疲労シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Misorientation of Grains in Deformation Process of Bimodal Harmonic Structured Steel Observed by Diffraction Contrast Tomography Using Ultrabright Synchrotron Radiation2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Nakai, K. Ameyama, K. Fujita, M. Kawabata, S. Kikuchi, I. Nakazawa, D. Shiozawa
    • 学会等名
      Materials Science and Engineering Congress 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] High cycle fatigue properties of notched austenitic stainless steel with harmonic structure under axial loading2022

    • 著者名/発表者名
      K. Fujita, K. Ameyama, H. Fujiwara, Y. Ishimura, M. O. Kawabata, S. Kikuchi, Y. Nakai
    • 学会等名
      Materials Science and Engineering Congress 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Evaluation of fatigue crack propagation in high-entropy alloy CrMnFeCoNi with bimodal structure2022

    • 著者名/発表者名
      A. Ito, K. Fujita, H. Fujiwara, S. Kikuchi
    • 学会等名
      Materials Science and Engineering Congress 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Misorientation measurement in tensile test of bimodal harmonic structured stainless steel by diffraction contrast tomography using ultrabright synchrotron radiation X-ray2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Nakai, S. Kikuchi, D Shiozawa, I. Nakazawa, K. Fujita, M.O. Kawabata, K. Ameyama
    • 学会等名
      Tenth International Conference on Materials Structures & Micromechanics of Fracture (MSMF10)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 周期構造を有するハイエントロピー合金CrMnFeCoNiの創製とその疲労き裂伝ぱ特性2022

    • 著者名/発表者名
      伊藤有沙,藤田佳佑,菊池将一
    • 学会等名
      日本材料学会 第71期学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 不均一窒素拡散制御した工業用純チタンの疲労き裂伝ぱ特性2022

    • 著者名/発表者名
      菊池将一,伊藤秀明
    • 学会等名
      日本材料学会 第71期学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [図書] セラミックス・金属の焼成、焼結技術とプロセス開発-電子部品、構造部品、放熱部品、モータ、工具、電池-2024

    • 著者名/発表者名
      菊池将一,他52名
    • 総ページ数
      525
    • 出版者
      株式会社 技術情報協会
    • ISBN
      9784867980095
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 静岡大学教員データベース

    • URL

      https://tdb.shizuoka.ac.jp/RDB/public/Default2.aspx?id=11250&l=0

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
  • [備考] Google Scholar

    • URL

      https://scholar.google.co.jp/citations?user=JDyyTcYAAAAJ&hl=ja

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
  • [備考] ORCID

    • URL

      https://orcid.org/0000-0003-1127-8748

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
  • [備考] Scopus

    • URL

      https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=15071312000

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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