• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2017 年度 実績報告書

鉄鋼材料の結晶粒微細化強化に関する学術基盤の体系化

研究課題

研究課題/領域番号 15H05768
研究機関九州大学

研究代表者

高木 節雄  九州大学, 工学研究院, 教授 (90150490)

研究分担者 宗藤 伸治  九州大学, 工学研究院, 准教授 (20380587)
土山 聡宏  九州大学, 工学研究院, 准教授 (40315106)
中田 伸生  東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (50380580)
研究期間 (年度) 2015-05-29 – 2020-03-31
キーワード結晶粒微細化強化 / 粒界偏析 / 降伏応力
研究実績の概要

降伏点機構の一つであるパイプアップ理論に基づけば、実験的に得られたホールペッチ係数kyから、粒界から転位が放出される臨界の強度(臨界粒界剪断応力:τ*)を間接的に推定することができる。一方、粒界上でのナノインデンテーション試験により得られるPop-in荷重から、Hertzの接触弾性理論を適用することで、臨界粒界剪断応力を直接実測する手法を確立した。50ppmC を含むフェライト鋼において、ky値から間接的に得られたτ*とナノインデンテーション試験により直接的に実測したτ*を粒界炭素偏析量で整理した結果、全く異なるアプローチで求めたτ*が同じオーダーで一致していることは、パイルアップ理論が妥当であることを示唆している。ここでτ*の値に着目すると、4GPa~7GPaという値となっている。これは実際の降伏強度よりも著しく高い値であるが、鉄の理想強度(10.4GPa)より小さな値である。この結果は、転位のパイルアップにより粒界では極めて大きな応力集中が起こっていること、また粒界での転位生成は無欠陥の粒内からの転位生成に比べると小さな値であるということを意味している。さらにこの現象をMDによって原子レベルで再現するため現在計算モデルを検討中である。
また、Mn、Si、Cr、Ni、Cu、Alがkyに及ぼす影響を調査した。この結果より、Crはky値にほとんど影響を及ぼさないこと、その他の元素はky値を大きくすることが明らかとなった。とくにMn, Ni, Siの影響が顕著である。これらの元素添加によるky値の変化には、置換型元素の粒界偏析挙動が関連していると考えられるため、McLeanの平衡粒界偏析理論に基づいて偏析量を計算し、偏析量から粒内濃度を差し引いた値、すなわち相対偏析量とkyの関係を整理した結果、元素の種類にかかわらず、相対偏析量によりky値の上昇を説明できるという知見が得られた。

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

申請書に記載した平成29年度の研究計画では、1)ホールペッチ係数におよぼす各種合金元素の影響の調査、2)降伏点現象に及ぼす炭素・窒素の影響、3)ナノインデンテーションによる粒界強度の評価を研究課題として挙げている。
1)については本研究費で雇い入れたポスドク研究員により非常に密度の高い実験がなされ、Cr, Ni, Si, Mn, Cuについてそれぞれ濃度と結晶粒径を幅広く変化させた引張試験が行われた。そして当初の予定通り、それぞれの鋼種におけるHall-Petch係数の系統的なデータが蓄積されつつある。平成31年度の研究終了時には、鉄鋼材料に使用される主な合金元素の結晶粒微細化強化に関する議論が完了し、当初の目的を達成できる見込みである。
2)については、降伏点現象のうち特に上降伏点においては、焼鈍材であっても試験前から存在する転位の量(転位密度)が重要な役割を果たすことが明らかになりつつある。そのため、転位密度を正確に評価することが重要であるので、X線回折法により正しく転位密度評価を行うための検討を行い、既にDirect Fitting法という新しい転位密度の解析手法を見出した。一方、リラクゼーション試験による可動転位密度の分離方法についても検討を始めており、次年度では炭素・窒素の影響の調査に着手できる見込みである。
3)については、研究実績の概要で記述した通り、粒界に偏析した炭素が粒界からの転位放出を困難にしていることを実験的に示し、多結晶フェライト鋼のホールペッチ係数の増大が粒界偏析によるものであるという粒界偏析説の妥当性を立証することができた。

今後の研究の推進方策

Fe-C系やFe-N系の合金では、結晶粒微細化強化に起因したStep yieldingという降伏機構以外に、Spike yieldingという特異な降伏現象が発現することが分かった。この降伏現象は、CやNによる基地中転位の固着が原因と考えているので、今後は、固溶した炭素や窒素が存在しないFe-Si合金を用いて、降伏時の転位導入挙動を調査することにしている。実験手法として、リラクゼーション試験による可動転位の評価、X線解析法による転位密度のラインプロファイル解析の確立を行っていく。また、降伏現象を分子動力学(MD)シミュレーションによって原子レベルで再現するため現在計算モデルを検討中であるが、既に運動転位と炭素・窒素の相互作用の計算について、また純鉄の粒界での転位のパイルアップと転位放出についてはシミュレーションに成功している。今後は炭素および窒素が偏析した粒界モデルの作成、ならびに臨界粒界剪断応力の実測を行っていく予定である。

  • 研究成果

    (24件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (9件) (うち査読あり 9件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 4件、 招待講演 1件) 学会・シンポジウム開催 (1件)

  • [雑誌論文] 冷間加工した鉄の転位強化に関する理論的検討2018

    • 著者名/発表者名
      高木節雄, 土山聡宏
    • 雑誌名

      鉄と鋼

      巻: 104 ページ: 53-56

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.2355/tetsutohagane.TETSU-2017-053

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effect of the surface layer strained by mechanical griding on X-ray diffraction analysis2018

    • 著者名/発表者名
      F.Jiang, K.Hirata, T.Masumura, T.Tsuchiyama and S.Takaki
    • 雑誌名

      ISIJ International

      巻: 58 ページ: 376-378

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2017-578

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 回折ヤング率によるWilliamson-Hallプロットの補正2018

    • 著者名/発表者名
      高木節雄, 赤間大地, Jiang Fulin, 土山聡宏
    • 雑誌名

      材料

      巻: 67 ページ: 383-388

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Correction of elastic anisotropy in Williamson-Hall plots by diffraction Young's modulus and direct fitting method2018

    • 著者名/発表者名
      S.Takaki, F.Jiang, T.Masumura and T.Tsuchiyama
    • 雑誌名

      ISIJ International

      巻: 58 ページ: 769-775

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2017-642

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 冷間加工した鉄の降伏応力に及ぼす結晶粒径の影響2018

    • 著者名/発表者名
      田中友基, 高木節雄, 土山聡宏, 植森龍治
    • 雑誌名

      鉄と鋼

      巻: 104 ページ: 284-291

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.2355/tetsutohagane.TETSU-2017-091

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effectt of instrumental correction on X-ray line profile analysis in cold rolled ferritic steel2018

    • 著者名/発表者名
      S.Takaki, T.Masumura, F.Jiang and T.Tsuchiyama
    • 雑誌名

      ISIJ International

      巻: 58 ページ: 未定

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 金属の弾性異方性と回折ヤング率比の関係2018

    • 著者名/発表者名
      高木節雄, 増村拓朗, Fulin Jiang, 土山聡宏
    • 雑誌名

      材料

      巻: 未定 ページ: 未定

    • 査読あり
  • [雑誌論文] X線回折法を用いた純鉄加工材の転位密度評価2017

    • 著者名/発表者名
      赤間大地, 土山聡宏, 高木節雄
    • 雑誌名

      材料

      巻: 66 ページ: 522-527

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 微量炭素・窒素を添加したフェライト鋼のHall-Petch係数に及ぼす低温時効処理の影響2017

    • 著者名/発表者名
      荒木理, 藤井浩平, 赤間大地, 土山聡宏, 高木節雄, 大村孝仁, 高橋淳
    • 雑誌名

      鉄と鋼

      巻: 103 ページ: 491-497

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.2355/tetsutohagane.TETSU-2017-008

    • 査読あり
  • [学会発表] Direct fitting/Modified Williamson-Hall法によるフェライト鋼の転位密度評価2018

    • 著者名/発表者名
      高木節雄 増村拓朗 Fulin Jiang 土山聡宏
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会第175回春季講演大会
    • 招待講演
  • [学会発表] フェライト鋼における転位運動に及ぼす炭素と窒素の影響の相異2017

    • 著者名/発表者名
      兵頭克敏 荒木理 宗藤伸治 土山聡宏 高木節雄
    • 学会等名
      第83回熱処理技術協会講演大会
  • [学会発表] 分子動力学法を用いた鉄中での炭素・窒素-刃状転位間相互作用の解析2017

    • 著者名/発表者名
      兵頭克敏 荒木理 宗藤伸治 土山聡宏 高木節雄
    • 学会等名
      平成29年度 合同学術講演大会
  • [学会発表] IF 鋼の転位組織および降伏強度に及ぼす前加工温度の影響2017

    • 著者名/発表者名
      田中友基 土山聡宏 高木節雄
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会第174回秋季講演大会
  • [学会発表] 分子動力学法を用いたBCC鉄中での炭素・窒素-刃状転位間相互作用の解析2017

    • 著者名/発表者名
      兵頭克敏 荒木理 宗藤伸治 土山聡宏 高木節雄
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会第174回秋季講演大会
  • [学会発表] 焼鈍したフェライト鋼の可動転位密度と時効処理によるその変化2017

    • 著者名/発表者名
      荒木理 土山聡宏 高木節雄 大村孝仁
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会第174回秋季講演大会
  • [学会発表] Correlation between grain boundary segregation and Hall-Petch coefficient in Fe-Si steels2017

    • 著者名/発表者名
      F. L. Jiang, K. Hirata, T. Tsuchiyama and S. Takaki
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会第174回秋季講演大会
  • [学会発表] 回折ヤング率によるWilliamson-Hallプロットの補正方法の検討2017

    • 著者名/発表者名
      高木節雄, 増村拓朗, 土山聡宏
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会第174回秋季講演大会
  • [学会発表] 微量炭素を含有するフェライト鋼の時効処理に伴う粒界強度の変化2017

    • 著者名/発表者名
      真島克弥、荒木理、 土山聡宏, 高木節雄、大村孝仁
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会第174回秋季講演大会
  • [学会発表] Fe-3mass%Siフェライト鋼の降伏強度に及ぼす焼鈍時間の影響2017

    • 著者名/発表者名
      平田健太郎 F.l.Jiang 土山聡宏 高木節雄
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会第174回秋季講演大会
  • [学会発表] Direct correction of the elastic anisotropy in Williamson-Hall plots for cold worked metals2017

    • 著者名/発表者名
      Fulin Jiang, Setsuo Takaki, Daichi Akama, Toshihiro Tsuchiyama
    • 学会等名
      EUROMAT2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Application of direct fitting method to the modified Williamson-Hall method2017

    • 著者名/発表者名
      Setsuo Takaki, Fu-lin Jang, Daichi Akama, Toshihiro Tsuchiyama
    • 学会等名
      EUROMAT2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of silicon on the Hall-Petch relation in ferritic iron2017

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Hirata, Fu-lin Jang, Setsuo Takaki, Daichi Akama, Toshihiro Tsuchiyama
    • 学会等名
      EUROMAT2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Interaction between C/N atom and edge dislocation in bcc iron analyzed by molecular dynamics simulation2017

    • 著者名/発表者名
      Katsutoshi Hyodo, Satoshi Araki, Shinji Munetoh, Toshihiro Tsuchiyama, Setsuo Takaki
    • 学会等名
      ISSS2017
    • 国際学会
  • [学会・シンポジウム開催] International symposium on grain size matters in steel2018

URL: 

公開日: 2018-12-17  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi