| 研究課題/領域番号 |
21K14418
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
山下 享介 大阪大学, 接合科学研究所, 助教 (20829080)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | 摩擦攪拌接合 / 中性子回折 / 加工誘起変態 / 不均一変形 / 複合組織鋼 / TRIP効果 |
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| 研究実績の概要 |
マンガンを5~10 mass%含む中Mn鋼は、準安定なオーステナイト(γ)が変形中にマルテンサイト(α’)となる加工誘起変態により優れた強度と延性を発現できるため、次世代鋼として期待されている。中Mn鋼の機械的特性は、熱処理温度により大きく変化することが知られており、その違いは変形に対するγの安定性の差異に起因する。そのため、加工誘起変態を活用した機械的特性の向上には、γの安定性の適切な制御が要求される。しかし、実際の構造部材で使用する上では接合性も重要となる。しかし、既存の溶融溶接法ではγの安定性を制御することは困難であるため、接合部で優れた機械的特性の発現が期待できなくなることが問題である。摩擦攪拌接合(FSW)は摩擦や加工発熱による入熱と攪拌による塑性流動を用いて固相状態で接合させる技術である。このFSWでは接合中の入熱量を接合条件(ツールの回転速度や接合速度)により制御できるため、任意の温度域での接合が可能となる。加えて、高温で著しい塑性変形が導入されると動的再結晶による微細化やγの加工安定化などが生じることが予想される。したがって、適切な条件でFSWを行えば、γの安定性を制御した接合部を実現できると考えられる。そこで本研究では、同一組成で二相域焼鈍の温度を変えることによりγの安定性を変化させた中Mn鋼を対象とし、任意の接合条件でFSWを行い、接合部の微細組織と機械的特性およびγの変態挙動の統一的な理解を目指す。本年度では、供試鋼の作製、安定性の異なるγを有する中Mn鋼を作製するための二相域熱処理条件の選定とその熱処理条件において得られる微細組織と機械的特性の評価ならびに供試鋼に対するFSWの条件の模索と検討を実施した。
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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
当初の計画の通り、以下のような結果が得られている。まず、供試鋼として0.15C-5Mn-0.5Si鋼(in mass%)を真空溶解にて作製した。冷間圧延後に任意の二相域温度で30 min間保持した後に空冷した。650℃で熱処理した試料(650℃材)では、5%程度のリューダース伸びを示した後に徐々に加工硬化する挙動を示した。一方、680℃で熱処理した試料(680℃材)では、降伏応力は650℃材より低下したものの、非常に大きな加工硬化を示すとともに引張強度は大幅に増大した。この機械的特性の差異はγの安定性が大きく異なっていることを示唆するものであり、本研究の目的を達成する上で適切な母材組織であると予想されたため、二相域焼鈍温度は650℃と680℃を選定した。650℃材と680℃材に対して、その初期組織を電子線後方散乱回折(EBSD)法により評価した。いずれの試料もフェライト(α)とγは等軸状であり、特にγは粒径が約0.5 μmと非常に微細であった。また、γの体積率は650℃材で17.0％、680℃材で15.4％であった。しかし、680℃材ではα’と示唆される領域が多数見受けられた。これは研磨中や試料表面にγが露出した段階で変態した可能性があり、その安定性は低いと示唆された。大強度陽子加速器施設（J-PARC）にて、母材のγ量測定を実施した。その結果、650℃材と680℃材でγ量はそれぞれ17.2％と41.8％であった。この結果から、当初の研究計画の通りに650℃材と680℃材で安定性が大きく異なるγを有する母材が得られていることを確認できた。接合速度を150 mm/minで一定とし、回転数を100 rpmから300 rpmまで変化させたFSWを実施した。100 rpmでは接合欠陥の存在が確認された。120 rpm以上の回転数であれば無欠陥で接合が可能であった。
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| 今後の研究の推進方策 |
2021年度に作製した中Mn鋼板材を用いて、任意の回転数と接合速度でFSWを行う。得られた接合部の断面に対してEBSD法による微細組織観察を行い、断面内の任意の位置における各構成相の形態、平均結晶粒径、体積率および結晶方位を調査する。得られた結果を基に、接合条件と微細組織の関係の明確化を行うとともにその微細組織の形成機構の解明に取り組む。次に、各接合条件で得られた接合部から引張試験片を採取し、デジタル画像相関法を活用した引張試験を行うことで、接合部の応力―ひずみ応答に加えて、引張変形中の巨視的な変形挙動の不均一性についても調査を行う。引張試験前後の微細組織から、個々のγ粒の変態挙動について検討する。接合部の微細組織および機械的特性の調査・検討と並行して、J-PARCの一般課題へ申請を行い、ビームタイムの確保を目指す。母材およびγの残存が確認された任意の回転数のFSWを施した継手接合部から引張試験片を採取し、引張変形中その場中性子回折試験に供する。Rietveld解析ソフトウェアを用いた解析によって、各相の相分率、担う応力、結晶方位および半値全幅の変化を評価することで、接合部に残存したγの安定性と変態挙動および各相の役割の明確化を試みる。
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