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2022 年度 実施状況報告書

溶質元素間相互作用を駆使した鉄合金の粒界偏析制御

研究課題

研究課題/領域番号 21K14433
研究機関東北大学

研究代表者

張 咏ジエ  東北大学, 金属材料研究所, 助教 (40793740)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
キーワード粒界偏析 / 鉄鋼材料 / 合金元素 / 溶質元素間相互作用 / アトムプローブ
研究実績の概要

多結晶金属材料の粒界に溶質元素が偏析すると、粒界強度や腐食挙動など材料の諸性質が大きく変化するため、粒界偏析の制御は材質の向上に極めて重要である。これまでの粒界偏析に関する研究では、溶質の偏析量が他の元素に影響されることがと広く知られているが、その現象の本質の理解は不十分であり、見かけ上の合金元素添加の影響を考慮した経験的な偏析制御に留まっている現状がある。本研究では、最も重要な構造材料である鉄合金における異種元素の共偏析挙動に着目し、粒界性格の影響を考慮した上で溶質元素の粒界偏析量を系統的に調査する。得られた結果を元素間の熱力学的な相互作用の観点で検討を行うことで、金属材料の特性改善を目指した粒界偏析の制御技術を確立する。
今年度には純鉄材の浸炭および窒化実験を行い、40massppmまでのCおよび0.1mass%までのNを含有したFe-CおよびFe-N二元合金を作製した。各合金の平衡偏析を調査するため、フェライト単相域である600℃で6hまたは24hの焼鈍処理後、水冷で組織を凍結した。得られたフェライト組織を電子線後方散乱法(EBSD)測定および集束イオンビーム(FIB)加工による断面観察を行うことで、合金間の粒界性格を方位差45°付近のランダム粒界に揃えたうえで三次元アトムプローブ(3DAP)による定量解析で偏析挙動の比較を行った。結果によると、低濃度側において粒界偏析量がCまたはNの添加量とともに増加し、高濃度側においてその増加が緩やかになり、粒界偏析量が徐々に飽和する傾向が見られた。これは、粒界におけるC-C間またはN-N間の反発的な相互作用によるものであることが熱力学計算の結果から明らかとなった。

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

当初に計画したFe-C二元合金のフェライト粒界におけるC偏析の検討に加え、Fe-N二元合金の粒界偏析についても調査を行い、粒界偏析におよぼすC-C間またはN-N間相互作用の影響について考察を行った。一方、Fe-C-M三元合金の粒界偏析については、浸炭処理による試料作製の準備段階であり、次年度に実施する予定である。全体的な進捗として、おおむね順調に進展していると考えられる。

今後の研究の推進方策

溶質元素の粒界偏析におよぼす合金元素の影響について、最終年度ではFe-C二元合金にMnやSiなどの置換型合金元素を添加したFe-C-M三元合金のフェライト粒界偏析について三次元アトムプローブを用いて調査する。また、熱力学モデルを用いることで三元合金における粒界偏析挙動を元素間相互作用の観点から考察を行う予定である。

次年度使用額が生じた理由

コロナ禍の影響で、当初計画した学会の現地参加による旅費の支出がなくなった。次年度には、新たな合金作製や分析の費用、さらに国際学会への現地参加が可能になった後の旅費として、繰り越した予算を使用する予定である。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 2件、 査読あり 3件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Heterogeneous segregation behavior of Nb at the stepped migrating interface during phase transformation2023

    • 著者名/発表者名
      Dong Haokai、Zhang Yongjie、Miyamoto Goro、Inomoto Masahiro、Zhang Weiwen、Liu Lehua、Chen Hao、Furuhara Tadashi
    • 雑誌名

      Scripta Materialia

      巻: 222 ページ: 115038~115038

    • DOI

      10.1016/j.scriptamat.2022.115038

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Enhanced hardening by multiple microalloying in low carbon ferritic steels with interphase precipitation2022

    • 著者名/発表者名
      Zhang Yongjie、Miyamoto Goro、Furuhara Tadashi
    • 雑誌名

      Scripta Materialia

      巻: 212 ページ: 114558~114558

    • DOI

      10.1016/j.scriptamat.2022.114558

    • 査読あり
  • [雑誌論文] On the role of Nb interface segregation in ferrite transformation of low carbon steels2022

    • 著者名/発表者名
      Dong Haokai、Zhang Yongjie、Miyamoto Goro、Chen Hao、Furuhara Tadashi
    • 雑誌名

      Proceedings of the International Conference on Solid-Solid Phase Transformations in Inorganic Materials 2022

      巻: - ページ: 75~77

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Fe-C-Mn共析鋼におけるパーライト成長の速度論2023

    • 著者名/発表者名
      張咏杰, 梅田岳昌, 諸岡聡, 宮本吾郎, 古原忠
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会 第185回春季講演大会
  • [学会発表] Interphase Precipitation of Nano-Sized Alloy Carbide in V-Nb and V-Ti Multiple Microalloyed Low-Carbon Steels2022

    • 著者名/発表者名
      Yongjie Zhang, Goro Miyamoto, Tadashi Furuhara
    • 学会等名
      The 8th International Conference on Solid-Solid Phase Transformations in Inorganic Materials
    • 国際学会
  • [学会発表] Interphase Precipitation and Resultant Strengthening in V-Ti and V-Nb Multiple Microalloyed Low-Carbon Steels2022

    • 著者名/発表者名
      Yongjie Zhang, Goro Miyamoto, Tadashi Furuhara
    • 学会等名
      The 6th International Conference on ThermoMechanical Processing
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Fe-P-Cフェライト合金の粒界偏析における元素間相互作用2022

    • 著者名/発表者名
      張咏杰, 山﨑康一朗, 宮本吾郎, 古原忠
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会 第184回秋季講演大会

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公開日: 2023-12-25  

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