放射光顕微CT解析に基づく超高サイクル疲労破壊の機構解明と評価法構築

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H03748
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 中村 孝 北海道大学, 工学研究院, 教授 (30237408)
• 研究分担者: 戸田 裕之 九州大学, 工学研究院, 教授 (70293751) ; 藤村 奈央 北海道大学, 工学研究院, 助教 (40732988) ; 竹内 晃久 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 分光・イメージング推進室, 主幹研究員 (70426526) ; 上杉 健太朗 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 分光・イメージング推進室, 主席研究員 (80344399) ; 古谷 佳之 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, グループリーダー (60354255) ; 小熊 博幸 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, 主幹研究員 (80515122)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: ギガサイクル疲労 / 内部起点型破壊 / 真空 / 放射光 / き裂伝搬

研究実績の概要

本研究では，4年間の研究期間の中で，①放射光X線顕微CT解析の高度化，②放射光X線顕微CT解析による内部き裂発生・進展プロセスの解明，③異なる真空環境における表面き裂発生・進展プロセスの解明，④Kitagawa diagramに基づく超高サイクル疲労強度評価法の構築，の４項目を実施する．本年度は初年度に着手した①，②，および二年度に着手した③を継続して行った． 具体的な実施内容を以下に示す．

【項目①】　　SPring-8における既存のX線顕微CTを本研究用に最適化・高性能化することを目指して，これまでに照明用コンデンサと位相コントラスト位相板を最適化し，短時間でSEMレベルの3D/4Dイメージングが可能なシステムを構築してきた．本年度は，これを高張力鋼（SUS630）の観察に適用し，微小き裂の検出に必要な撮像条件（X線エネルギ，露光時間，投影数等）を明らかにした．
【項目②】　　昨年度までは，チタン合金における内部き裂の発生・進展挙動に注目してきたが，本年度は観察対象を高張力鋼（SUS630）に広げ，微小疲労き裂の検出実験を行った．その結果，①で検討した条件を用いることにより，SUS630試験片の表面に接する介在物から発生した数十マイクロメートルの疲労き裂を捉えることができた．
【項目③】　　高張力鋼（SNCM439）を対象に大気および真空中（10^(-7)Pa）で表面き裂の進展試験を行った結果，真空中のき裂進展速度は大気中のそれに比べ1/10～1/100程度に低下することがわかった．さらに，真空中においては，大気中のΔKth以下でもき裂は進展を続けることが明らかとなった．これらの結果は内部破壊が表面破壊に比べて低応力かつ長寿命域でも生じることに対応している．
以上のように，本年度の取組みにより，今後の研究遂行に寄与する重要な成果を得ることができた．

現在までの達成度 (段落)

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

今後の研究の推進方策

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Initiation and Propagation Processes of Internal Fatigue Cracks in β Titanium Alloy Based on Fractographic Analysis (2021)
  • 著者名/発表者名: Xue Gaoge、Nakamura Takashi、Fujimura Nao、Takahashi Kosuke、Oguma Hiroyuki
  • 雑誌名: Applied Sciences 巻: 11 ページ: －
  • DOI: 10.3390/app11010131
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effect of vacuum pressure on small crack propagation in Ti-6Al-4V (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshinaka Fumiyoshi, Xue Gaoge, Fujimura Nao, Nakamura Takashi
  • 雑誌名: International Journal of Fatigue 巻: 142 ページ: 105961-1-10
  • DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2020.105961
  • 査読あり
• [雑誌論文] Detection of small internal fatigue cracks of TI-6Al-4V in the very high cycle regime via synchrotron radiation nanocomputed tomography (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Takashi, Fujimura Nao, Tomoda Yuta, Xue Gaoge, Yoshinaka Fumiyoshi, Takeuchi Akihisa, Uesugi Masayuki, Uesugi Kentaro
  • 雑誌名: Proceedings of the 8th Engineering Integrity Society International Conference on Durability & Fatigue, 2021 巻: － ページ: 349-357
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-energy x-ray nanotomography introducing an apodization Fresnel zone plate objective lens (2021)
  • 著者名/発表者名: Takeuchi Akihisa, Uesugi Kentaro, Uesugi Masayuki, Toda Hiroyuki , Hirayama Kyosuke, Shimizu Kazuyuki, Matsuo Koichi , Nakamura Takashi
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 92 ページ: 023701-1 - 11
  • DOI: 10.1063/5.0020293
  • 査読あり
• [雑誌論文] Recent progress in synchrotron radiation 3D-4D nano-imaging based on X-ray full-field microscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Takeuchi Akihisa, Suzuki Yoshio
  • 雑誌名: Microscopy 巻: 69 ページ: 259-279
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfaa022
  • 査読あり
• [雑誌論文] SCM440鋼のギガサイクル疲労特性に及ぼすMnSの影響 (2020)
  • 著者名/発表者名: 古谷佳之
  • 雑誌名: 鉄と鋼 巻: 106 ページ: 799-806
  • DOI: 10.2355/tetsutohagane.TETSU-2020-051
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Detection of small internal fatigue cracks of Ti-6Al-4V in the very high cycle regime via synchrotron radiation nanocomputed tomography (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Nakamura, N. Fujimura, Y. Tomoda, G. Xue, F. Yoshinaka, A. Takeuchi, M. Uesugi, K. Uesugi
  • 学会等名: Fatigue 2021
  • 国際学会
• [学会発表] A fractographic study of the initiation and propagation progress of internal fatigue cracks in Ti-22V-4Al with different alpha-phase precipitation (2021)
  • 著者名/発表者名: G. Xue, T. Nakamura, N. Fujimura, K. Takahashi, H. Oguma
  • 学会等名: Fatigue 2021
  • 国際学会
• [学会発表] A Study of Vacuum Pressure Effect on Small Surface Crack Propagation in Ti-6Al-4V (2020)
  • 著者名/発表者名: G. Xue, F. Yoshinaka, N. Fujimura, K. Takahashi and T. Nakamura
  • 学会等名: Asia-Pacific Conference on Fracture and Strength 2020
  • 国際学会
• [学会発表] 微小内部き裂の発生・進展挙動に基づくα+β型チタン合金の疲労寿命分布解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 森下弘法, 中村孝, 藤村奈央, 髙橋航圭
  • 学会等名: 日本材料学会 第69期学術講演会
• [学会発表] 放射光を用いるX線マイクロCTの基礎と最前線 (2020)
  • 著者名/発表者名: 竹内晃久
  • 学会等名: 日本化学会第101春季年会
  • 招待講演