| 研究課題/領域番号 |
23K23030
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01762 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分26010:金属材料物性関連
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| 研究機関 | 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 |
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研究代表者 |
都留 智仁 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究所 原子力基礎工学研究センター, 研究主席 (80455295)
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| 研究分担者 |
森 英喜 産業技術短期大学, その他部局等, 准教授 (00456998)
田中 將己 九州大学, 工学研究院, 教授 (40452809)
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| 研究期間 (年度) |
2024-04-01 – 2026-03-31
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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 |
17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2024年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
2023年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円)
2022年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円)
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| キーワード | 転位 / 電子構造 / 異方性 / BCC合金 / 塑性変形 / ハイエントロピー合金 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
体心立方（BCC）構造を持つ金属は、他の結晶構造にはない特異な変形挙動を示す。本研究では、電子構造と力学特性を繋ぐ新しい手法を開発し、BCC合金系の未知の変形挙動の起源を解明することを目的とする。BCC合金のらせん転位は、電子構造の変化に敏感で、力学特性に強く影響するという予測を立て、転位構造を電子構造に基づく特性として記述する。そして、有限温度の転位の熱活性化過程を捉える方法を開発する。BCC合金の元素設計の鍵を握る第IV族元素について、βチタンを対象とした実験と連携し、BCC合金系の未知の変形挙動の起源を包括的に解明するとともに、優れた力学機能設計に発展させる。
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| 研究実績の概要 |
BCC構造を有するTi-22V-4Alを対象として、衝撃吸収エネルギー、降伏応力、有効せん断応力、活性化体積、および活性化エンタルピーの温度依存性を明らかにするため、77Kから450Kの間で衝撃試験と引張試験を行った。衝撃吸収エネルギーは試験温度の低下とともに減少したが，当該合金ではBCC構造であるにもかかわらず低温脆化は確認されないことがわかった。引張試験では、約120Kで加工硬化率と降伏応力の温度依存性の両方が変化した。これは、この温度での塑性変形の背後にあるメカニズムの変化を示唆している。転位滑動の活性化エンタルピーの温度依存性から、150Kから200Kまではらせん転位のダブルキンク核生成が転位滑動の支配的なメカニズムであり、200K以上では転位と溶質原子との相互作用が転位滑動の支配的なメカニズムであることが示唆された。また、120K以下で試験した応力ひずみ曲線には超弾性が現れ、降伏は120K以下の変態誘起塑性に支配されていることが示唆される。
これらの実験から得られた知見を転位運動から解明するため、第IV族から第VI族までの構成元素とする合金モデルを構築し、それぞれランダム固溶体合金を仮定した場合の第一原理計算を行った。弾性特性や平均二乗格子変位などの基礎特性に加えて、Tiを含む第IV族元素の転位芯構造への影響を評価した。その結果、弾性特性は価電子濃度（VEC）と強く相関し、第IV族元素の濃度に依存して変化することが明らかになった。また、Ti-V-Al系の機械学習ポテンシャルのためのデータセットを取得した。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
1: 当初の計画以上に進展している
理由
BCC合金に対して、第V族以降の元素を主要元素とする合金と、第IV族元素を主要元素とするβチタンなどの合金の変形挙動が大きく異なることを実験によって示すことに成功した。これらの実験と連携し、これまでのハイエントロピー合金だけでなく第IV族元素を含む多様な合金系に対して、第一原理計算に基づく転位芯構造とエネルギー分布を統計的に得る一連の枠組みが完成したため、当初の計画以上に進展していると評価した。
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| 今後の研究の推進方策 |
ニューラルネットワークポテンシャルのパフォーマンス評価のためのコードを整備し、第IV族元素を含む合金系に対して、変形の基礎となる多様な物性を正確に再現するポテンシャルを完成させる。
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