鉄鋼材料における炭素クラスターと転位の相互作用の解明

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22KJ2381
• 配分区分: 基金
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 河原 康仁 九州大学, 工学府, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2023-03-08 – 2024-03-31
• キーワード: 鉄鋼材料 / 炭素クラスター / 炭化物 / 透過型電子顕微鏡

研究実績の概要

低炭素鋼はフェライトの高温域から焼き入れし、50℃といった低温で時効処理を行うと、炭素クラスターが発現するなどして、200 MPaも強度上昇する。
2021年度に実施したその場引張TEM観察において、転位が炭素クラスターに対して大きく張り出す様子を直接観察することに成功し、炭素クラスターが高強度化に直接寄与することを実証するに至った。また、ピーク強度以降において、炭素クラスターの中心部にε炭化物が析出する様子が観察され、炭素クラスターが鉄鋼材料の強度上昇に寄与するだけでなく、ε炭化物の分散状態を左右することが判明した。
この結果を受けて、2022年度では、200℃で時効処理を行った低炭素鋼中の生成相の微細構造を、原子分解能STEM法によって解析することに取り組んだ。原子分解能STEM観察を行うことにより、炭素クラスターが体心正方晶構造を有して形成し、更にはε炭化物の前駆体として寄与することが判明した。
2023年度では、鉄鋼材料におけるクラスタの有効活用手法の更なる拡張へ向けて、オーステナイト系ステンレス鋼におけるN-Crクラスタと転位の相互作用の解析に取り組んだ。原子分解能STEMとEDSを組み合わせて用いることで、転位周りの引張ひずみ場に、NとCrが共偏析する傾向を見出した。ここから、N-Crクラスタが転位の抵抗として寄与することで、オーステナイト系ステンレス鋼の高強度化が生じていることが判明した。この成果は、Scientific Reports誌 14巻 4360に公開済みである。

研究成果

• [国際共同研究] NTNU/Hydro Aluminium(ノルウェー)
  • 国名: ノルウェー
  • 外国機関名: NTNU/Hydro Aluminium
• [雑誌論文] Combined effect of interstitial-substitutional elements on dislocation dynamics in nitrogen-added austenitic stainless steels (2024)
  • 著者名/発表者名: Kawahara Yasuhito、Kobatake Shunya、Kaneko Kenji、Sasaki Taisuke、Ohkubo Tadakatsu、Takushima Chikako、Hamada Jun-ichi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 14 ページ: 4360~4360
  • DOI: 10.1038/s41598-024-54852-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Transition from carbon clusters to ε, θ-carbides in a quenched and aged low-carbon ferritic steel (2023)
  • 著者名/発表者名: Kawahara Yasuhito、Kaneko Kenji、Sawada Hideaki、Takahashi Jun
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 252 ページ: 118919～118919
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2023.118919
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nucleation and Phase Development of Precipitates in Age-hardenable Aluminium Alloys Studied by 4D-STEM (2023)
  • 著者名/発表者名: Holmestad Randi、Thronsen Elisabeth、Kawahara Yasuhito、Bergh Tina、Sorhaug Jorgen A、Hell Christoph M、Bjorge Ruben、Christiansen Emil F、Kaneko Kenji、Marioara Calin D
  • 雑誌名: Microscopy and Microanalysis 巻: 29 ページ: 305～306
  • DOI: 10.1093/micmic/ozad067.141
• [学会発表] V及びNb複合添加鋼におけるコアシェル型合金炭化物の相界面析出現象 (2024)
  • 著者名/発表者名: 河原 康仁, 徳久 朝佳, 鈴木 良河, 金子 賢治, 植森 龍治, 前田 拓也, 中村 修一
  • 学会等名: 日本鉄鋼協会第187回春季講演大会
• [学会発表] Influence of Cu addition on the atomic structure of early-stage precipitates in 6XXX alloys (2023)
  • 著者名/発表者名: Yasuhito Kawahara, Christoph Martin Hell, Calin Daniel Marioara, Elisabeth Savitri Thrane, Eva Anne Mortsell, Jostein Royset, Randi Holmestad, Kenji Kaneko
  • 学会等名: INTPART Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Al-Mg-Si合金におけるクラスターの原子構造に及ぼすCu添加の影響 (2023)
  • 著者名/発表者名: 河原康仁, Christoph Martin Hell, Calin Daniel Marioara, Elisabeth Savitri Thrane, Eva Anne Mortsell, Jostein Royset, Randi Holmestad, 金子賢治
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第79回学術講演会
• [学会発表] Nucleation and Phase Development of Precipitates in age-hardenable Aluminium Alloys studied by 4DSTEM (2023)
  • 著者名/発表者名: Randi Holmestad, Elisabeth Thronsen, Yasuhito Kawahara, Tina Bergh, Jorgen A, Sorhaug, Christoph M. Hell, Ruben Bjorge, Kenji Kaneko, Calin Marioara
  • 学会等名: M&M 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Atomic-scale study of GP-zones in Al-Mg-Si-Cu alloys by four-dimensional scanning transmission electron microscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: Yasuhito Kawahara, Christoph Martin Hell, Calin Daniel Marioara, Elisabeth Savitri Thrane, Eva Anne Mortsell, Jostein Royset, Randi Holmestad, Kenji Kaneko
  • 学会等名: IMC20 Satellite Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Dislocation analyses in Nitrogen-added Austenitic Stainless Steels (2023)
  • 著者名/発表者名: Soh Yabuki, Yasuhito Kawahara, Chikako Takushima, Junichi Hamada, Kenji Kaneko
  • 学会等名: IMC20 Satellite Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Atomically resolved STEM and 3DAP analysis of the dislocation dragging mechanisms in nitrogen-added Fe-Cr-Ni austenitic stainless steels (2023)
  • 著者名/発表者名: Yasuhito Kawahara, Shunya Kobatake, Chikako Takushima, Jun-ichi Hamada, Taisuke Sasaki, Tadakatsu Ohkubo, Kenji Kaneko
  • 学会等名: IMC20
• [備考] 九州大学大学院 工学研究院材料工学部門 ナノ材料組織解析学・金子研究室
  • URL: http://zaiko13.zaiko.kyushu-u.ac.jp/