超強加工によるナノ結晶化のメカニズムの解明とナノ結晶構造の原子レベル解析

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14205103
• 研究機関: 豊橋技術科学大学
• 研究代表者: 梅本 実 豊橋技術科学大学, 工学部, 教授 (90111921)
• 研究分担者: 戸高 義一 豊橋技術科学大学, 工作センター, 助手 (50345956) ; 土谷 浩一 豊橋技術科学大学, 工学部, 助教授 (50236907)
• キーワード: ナノ結晶 / 強加工 / ボールミル / 落錘加工 / 粒子衝撃加工 / ショットピーニング / 鉄鋼材料

研究概要

金属材料はナノ結晶(結晶粒径100nm以下)化することにより機械的・物理的特性が飛躍的に向上することが知られており、新しい構造・機能材料の開発が期待されている。ナノ結晶化の方法としては、アモルファスの結晶化,超微粒子の焼結,電着,強加工法など種々あるが、強加工法は適用できる材料が多く、プロセスが簡便であるなどの点で工業化の可能性が最も高い。本研究では、材料が強加工法によってナノ結晶化するメカニズムを調査し、それを実現するための加工条件を明らかにすることを目的としている。研究の結果、これまで報告されているポールミル法以外に、ナノ結晶を生成できる新たな加工方法として落錘加工法(錘の先端にボールをつけて落下させる方法)、および直径数mmの粒子を100m/s以上の高速で試料に衝突させる粒子衝撃加工法を独自に開発した。これらの結果から、ナノ結晶化のための条件の1つとして、高速変形で大きな歪を与えることが必要であることが明らかとなった。そこで、強加工によってナノ結晶化を実現する工業的な方法としてショットピーニングを試みた。その結果、高エネルギー密度でショットピーニングした場合、鉄鋼材料の表面がナノ結晶化することを見出した。これまでショットピーニングによってナノ結晶化が認められなかった理由は、投射速度が遅いこと,投射時間が短かったことが主な原因であり、また、ナノ結晶が生成した場合でもマルテンサイト組織と誤解されていたためと考えられる。種々の鉄鋼材料において、これら4つの強加工法(ボールミル,落錘加工,粒子衝撃加工,ショットピーニング)により生成したナノ結晶の特徴は、加工硬化領域と明瞭な境界を有すること,硬さが8〜14GPaと非常に高いこと,転位密度が加工硬化領域に比べて低いこと,加熱しても再結晶は起こらずに粒成長のみが起こることなどが挙げられる。

研究成果

• [文献書誌] M.Umemoto, Z.GLiu, Y.Xu, K.Tsuchiya: "Formation of nanocrystalline ferrite in Fe-0.89C spheroidite by ball milling"Mater. Sci. Form. 386-388. 323-328 (2002)
• [文献書誌] M.Umemoto, B.Haung, K.Tsuchiya, N.Suzuki: "Formation of nanocrystalline structure in steels by ball drop test"Scripta Mater.. 46. 383-388 (2002)
• [文献書誌] Y.X,, Z.G.Liu, M.Umemoto, K.Tsuchiya: "FormatIon and annealing behavior of nanocrystalline ferrite in Fe-0.89C spheroidite steel produced by ball milling"Metall. Mater. Trans. A. 33A. 2195-2203 (2002)
• [文献書誌] Y.Xu, M.Umcmoto, K.Tsuchiya: "Comparison of the characteristics of nanocrystalline ferrite in Fc-0.89C steels with pearlite and spheroidite structure produced by ball milling"Mater. Trans.. 43(9). 2205-2212 (2002)
• [文献書誌] 梅本実: "鉄鋼材料の強加工によるナノ結晶化"素材形. 43(9). 1-7 (2002)
• [文献書誌] M.Umemoto, X.J.Hao, T.Yasuda, K.Tsuchiya: "Formation and annealing behavior of nanocrystalline in steels produced by ball drop test"Mater. Trans.. 43(10). 2536-2542 (2002)
• [文献書誌] Y.Todaka, M.Umemoto, K.Tsuchiya: "Nanocrystallization in Fe-C alloys by ball milling and ball drop test"ISIJ International. 42(12). 1430-1437 (2002)
• [文献書誌] M.Umemoto, Y.Todaka, T.Yasuda, K.Tsuchiya: "Comparison of nanocrystallization in steels by ball milling and ball drop test"Journal of Metastable and Nanocrystalline Materials. 15-16. 193-198 (2003)
• [文献書誌] 梅本実, 土谷浩一, Z.G.Liu: "鉄鋼材料のポールミルによるナノ結晶化機構の解明とそのバルク材表面ナノ結晶化への応用"粉体および粉末冶金. 50(3). 189-197 (2003)