| 研究課題/領域番号 |
15J05417
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
川田 樹 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| キーワード | 有効表面エネルギー / 鉄鋼材料 / 脆性破壊 / 靭性 / ミクロ組織 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は，鉄鋼材料中の微細な脆性亀裂が結晶粒を跨いで伝播する際に吸収されるエネルギー，すなわち有効表面エネルギーを同定することを目的としている．今年度は，有効表面エネルギーを実験的に計測するために都合のよい材料を作製すること，金属の塑性変形を主たる要因である転位運動に着目することで有効表面エネルギーを推定する数値モデルを構築することを目標に，研究を遂行した．まず，材料の準備においては，数通りの化学成分を有する鋼材に対し様々な熱処理を加えることにより，有効表面エネルギーの計測に最も有効な金属組織を形成するための条件を探索した．一方，数値モデルの構築に関しては，転位動力学をベースとした脆性亀裂伝播モデルの構築および検討を行った．検討の結果，研究の対象としている現象のスケール，計算コストの面から結晶塑性有限要素法の導入が効果的であると考え，オープンソースの結晶塑性有限要素法コードを導入し，有効表面エネルギーの推定法を検討中である．
本研究で同定を目指している有効表面エネルギーは，脆性亀裂の発生靭性を金属組織から推定するための確率モデルにおいて必要不可欠なパラメーターであるが，いくつかの値が提案されており，これらの値は過去の先行研究における実験結果に基づいている．しかし先行研究で行われた実験は有効表面エネルギーを計測するために十分な条件を有する鉄鋼材料を用いたものではない．本研究は有効表面エネルギーの計測を目的とした材料を作製し，これまで曖昧であった有効表面エネルギーに対し，十分に信憑性のある値を提案することを目的としている．また，一方で数値シミュレーションからも有効表面エネルギーの実体に迫ろうとしている．本研究によって有効表面エネルギーとして明確な値を提案できれば，今後の脆性破壊靭性の研究に大いに役立つと考えられる．
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| 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
今年度は，転位動力学ベースの脆性亀裂伝播モデルの検討，破壊試験を通した微視亀裂伝播の有効表面エネルギーの計測手法の検討・準備を行った．転位動力学ベースの脆性亀裂伝播モデルの検討については，亀裂を想定した楕円孔先端における転位密度の変化を，離散化した移流方程式で解くことで再現するモデルを構築中である．現在のところは単結晶中の亀裂のみが対象であり，粒界を跨いだ転位の移動は再現されていない．また，亀裂先端における転位の増殖の再現や，転位運動の結果生じる塑性変形による亀裂の開口の再現は未だ組み込めておらず，次年度以降さらに詳細な検討を行い，亀裂が粒界を突破する現象をモデル上で再現することを目標とする．また，同時にオープンソースの結晶塑性FEMコード"DAMASK"を用いた有効表面エネルギーの推定手法についても検討中であり，転位動力学ベースのモデルを用いる場合と比較しながら，今後の研究ではより適切と判断される数値モデルを用いていく予定である．また，数値モデルの構築と並行して，実験から有効表面エネルギーを取得する手法についても検討した．本研究が対象としているのは脆性亀裂の発生において重要となる微視亀裂の伝播抵抗である有効表面エネルギーであり，これは破壊試験片の破面起点観察と有限要素法等を用いた応力場の推定を合わせることで，ある程度の推定が可能であると考えられる．本研究では同様の手法を用いた先行研究よりも精緻に有効表面エネルギーを推定することのできるような実験手法を考案し，今年度はそのための準備を行った．現在，脆性破壊発生のマルチバリヤーモデルの考え方から材料に必要な条件を推定し，多数の熱処理試験を行うことで材料の作製を進めている．今年度は熱処理試験のみを行ったが，既に候補となるサンプルを作製しており，来年度はこのサンプルから試験片を加工し，有効表面エネルギーの計測を行う予定である．
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は，数値計算・実験の両者について，今年度に行った研究をさらに進めていく予定である．数値計算においては，今年度に導入したオープンソースの結晶塑性FEMコード"DAMASK"を用いて，脆性亀裂が結晶粒界を突破する際に必要な応力条件を満たすまでに塑性変形によって吸収されるひずみエネルギーを算出する多結晶有限要素モデルを構築する．この際，特に結晶中の各すべり系における変形抵抗等の構成則が計算に大きな影響を与えると考えられるため，実際の変形挙動を精度よく再現し，かつ計算コストの低い構成則の検討を行う．同時に転位動力学ベースの脆性亀裂伝播モデルに結晶粒界の影響を導入し，結晶塑性有限要素法とどちらが有効表面エネルギーの推定に有用かを検討していく．
また，実験においては，今年度に絞り込んだ熱処理条件を用いて試験用サンプルを作製し，破壊試験と破壊起点観察を進めていく．特に，本研究においては破壊起点の3次元形状を精緻に計測する必要不可欠である．脆性破面の単一ファセットの3次元形状を精度よく計測する手法は確立していないため，いくつかの手法を試し，シリアルセクショニングによって得られた形状と比較・検討していく予定である．
また，得られた実験結果と数値モデルによって推定された有効表面エネルギーを比較し，数値モデルの妥当性検証を行う．さらに，実験結果を既に構築している脆性破壊の確率モデルに導入し，破壊靭性試験の再現を目指す．
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