鉄系バルクナノメタルの加工硬化機構の解明：超高強度と大延性の両立を目指して

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23H00234
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 辻 伸泰 京都大学, 工学研究科, 教授 (30263213)
• 研究期間 (年度): 2023-04-01 – 2026-03-31
• キーワード: 加工硬化 / 超微細粒金属 / セレーション / 複相組織 / 力学的相互作用 / 転位 / 溶質原子 / マルテンサイト変態

研究実績の概要

本研究の目的は、組織を超微細化したバルク金属材料であるバルクナノメタル(Bulk Nanostructured Metals)が示すユニークな変形挙動のメカニズムを、加工硬化現象に特に注目して解明し、その学理を確立することである。
Al-Mg合金やFe-Mn-C合金などでは、引張試験により得られる応力ひずみ曲線上に小刻みな応力変動(セレーション)が現れ、加工硬化が大きく向上することが知られている。こうしたセレーションは、すべり運動する転位と溶質固溶原子との相互作用により生じると考えられてきた。一方最近研究代表者らは、平均粒径数μmのFCC単相組織を有するFe-22Mn-0.6C合金のセレーションを、引張変形中のDIC局所ひずみ解析とその場放射光X線回折法を用いて解析し、同試料では局所変形帯が発生・伝播・消滅を繰り返し、それが応力ひずみ曲線上のセレー ションと完全に同期していることを見出した。すなわち、セレーションはメゾスケールの動的な不均一変形によるものであることが明らかになったが、転位と溶質原子との相互作用というナノスケールの現象と上記のメゾスケールの不均一変形との関係は未だ不明である。本年度は、様々な平均粒径を有するFe-22Mn-0.6Cのセレーション挙動をDICおよびその場回折法(放射光X線および中性子回折)を駆使してマクロ・メゾスケールで定量的に明らかにし 、同時にTEM観察等によるナノスケール解析を行って格子欠陥レベルでも調査を行った。これらの実験研究により、セレーションは転位の運動に溶質原子の拡散が追随して生じるのではなく、むしろ転位がその運動時に結晶中に存在する近隣の溶質原子に引っかかり、徐々に運動が起こりにくくなる過程と、そうした固着からの離脱過程の繰り返しとして、不均一変形を伴いながら発生することが示された。

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

マクロ・メゾスコピックレベルでセレーション挙動を多角的に評価し、セレーションが必ず不均一変形（deformation banding）を伴うこと、また転位運動に溶質原子の拡散が追随するという従来のモデルでは説明できないことを明らかにできた。さらに、セレーションに伴う局所的な転位密度の増加を放射光その場X線解説実験により定量評価した。

今後の研究の推進方策

順調に研究を開始できているので、当初計画に沿って研究を推進していく。前年度に引き続き、セレーションを通じたバルクナノメタルの加工硬化向上のメカニズムを解明する。未だ不明な、転位と溶質原子との相互作用というナノスケールの現象と上記のメゾスケールの不均一変形との関係を、Fe-Mn-C合金やAl-Mg合金を用いて明確にする。また粒径がセレーションおよび加工硬化に与える影響も不明であるため、超微細粒から粗大粒まで種々の平均粒径の試料を作製してその変形挙動を明らかにする。また2024年度は、軟質ドメインと硬質ドメインから成る複相バルクナノメタルの加工硬化機構解明のための研究を、前年度に作製した複相バル クナノメタルを用いた実験研究を実施する。バルクナノメタル化したDual Phase (DP)鋼に対してDIC法、その場中性子・放射光X線回折や、TEM内その場変形観察・解析、原子シミュレーションを併せて実施して、加工硬化促進のメカニズムを 明らかにする。

研究成果

• [国際共同研究] 清華大学/重慶大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 清華大学/重慶大学
• [国際共同研究] Chalmers University(スウェーデン)
  • 国名: スウェーデン
  • 外国機関名: Chalmers University
• [国際共同研究] IIT Hyderabad(インド)
  • 国名: インド
  • 外国機関名: IIT Hyderabad
• [国際共同研究] UC Berkeley/Virginia Tech(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: UC Berkeley/Virginia Tech
• [国際共同研究] McGill University(カナダ)
  • 国名: カナダ
  • 外国機関名: McGill University
• [雑誌論文] In situ neutron diffraction revealing the achievement of excellent combination of strength and ductility in metastable austenitic steel by grain refinement (2024)
  • 著者名/発表者名: Mao Wenqi、Gong Wu、Harjo Stefanus、Morooka Satoshi、Gao Si、Kawasaki Takuro、Tsuji Nobuhiro
  • 雑誌名: Journal of Materials Science & Technology 巻: 176 ページ: 69～82
  • DOI: 10.1016/j.jmst.2023.07.036
  • 査読あり
• [雑誌論文] Highly deformable Laves phase in a high entropy alloy (2024)
  • 著者名/発表者名: Ojha P.K.、Yoshida S.、Sunkari U.、Tripathy B.、Tsuji N.、Bhattacharjee P.P.
  • 雑誌名: Scripta Materialia 巻: 240 ページ: 115828～115828
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2023.115828
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Superior strength-ductility combination resulted from hetero-zone boundary affected region in Cu-Fe layered material (2024)
  • 著者名/発表者名: Ran Hao、Ye Peihao、Guo Fengjiao、Wang Mingsai、Su Wuli、Chen Xue、Gao Si、Tsuji Nobuhiro、Zhu Yuntian、Lu Xiaochong、Huang Chongxiang
  • 雑誌名: Journal of Materials Science & Technology 巻: 181 ページ: 209～219
  • DOI: 10.1016/j.jmst.2023.09.027
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Phase decomposition behavior and its impact on mechanical properties in bulk nanostructured Cu-20 at.%Fe supersaturated solid solution (2024)
  • 著者名/発表者名: Liu Maowen、Zheng Ruixiao、Li Hongxing、Wei Qiuming、Ma Chaoli、Tsuji Nobuhiro
  • 雑誌名: Journal of Materials Science & Technology 巻: 185 ページ: 207～220
  • DOI: 10.1016/j.jmst.2023.10.047
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Grain-level mechanism of plastic deformation in harmonic structure materials revealed by high resolution X-ray diffraction (2024)
  • 著者名/発表者名: Sj?gren-Levin Elis、Pantleon Wolfgang、Ahadi Aylin、Heged?s Zoltan、Lienert Ulrich、Tsuji Nobuhiro、Ameyama Kei、Orlov Dmytro
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 265 ページ: 119623～119623
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2023.119623
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Mechanism of simultaneous increase of strength and ductility with grain refinement in Si-added high-Mn austenitic steel (2024)
  • 著者名/発表者名: Hwang Sukyoung、Bai Yu、Gao Si、Park Myeong-Heom、Shibata Akinobu、Tsuji Nobuhiro
  • 雑誌名: Materials Science and Engineering: A 巻: 894 ページ: 146193～146193
  • DOI: 10.1016/j.msea.2024.146193
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Direct observations of dynamic and reverse transformation of Ti-6Al-4V alloy and pure titanium (2024)
  • 著者名/発表者名: Guo Baoqi、Chen Huicong、Chong Yan、Mao Wenqi、Harjo Stefanus、Gong Wu、Zhang Zhongwu、Jonas John J.、Tsuji Nobuhiro
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 268 ページ: 119780～119780
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2024.119780
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Role of surrounding phases on deformation-induced martensitic transformation of retained austenite in multi-phase TRIP steel (2023)
  • 著者名/発表者名: Lavakumar Avala、Park Myeong-heom、Hwang Sukyoung、Adachi Hiroki、Sato Masugu、Ray Ranjit Kumar、Murayama Mitsuhiro、Tsuji Nobuhiro
  • 雑誌名: Materials Science and Engineering: A 巻: 874 ページ: 145089～145089
  • DOI: 10.1016/j.msea.2023.145089
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Unique microstructure formations during low-temperature partitioning after intercritical annealing in low alloy multi-phase TRIP steel and their mechanical behavior clarified by in-situ synchrotron X-Ray diffraction (2023)
  • 著者名/発表者名: Lavakumar Avala、Park Myeong-heom、Gholizadeh Reza、Ray Ranjit Kumar、Murayama Mitsuhiro、Tsuji Nobuhiro
  • 雑誌名: Materials Science and Engineering: A 巻: 878 ページ: 145214～145214
  • DOI: 10.1016/j.msea.2023.145214
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Quantitatively evaluating the huge L?ders band deformation in an ultrafine grain stainless steel by combining in situ neutron diffraction and digital image correlation analysis (2023)
  • 著者名/発表者名: Mao Wenqi、Gao Si、Gong Wu、Harjo Stefanus、Kawasaki Takuro、Tsuji Nobuhiro
  • 雑誌名: Scripta Materialia 巻: 235 ページ: 115642～115642
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2023.115642
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantitatively evaluating respective contribution of austenite and deformation-induced martensite to flow stress, plastic strain, and strain hardening rate in tensile deformed TRIP steel (2023)
  • 著者名/発表者名: Mao Wenqi、Gao Si、Gong Wu、Bai Yu、Harjo Stefanus、Park Myeong-Heom、Shibata Akinobu、Tsuji Nobuhiro
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 256 ページ: 119139～119139
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2023.119139
• [雑誌論文] Oxygen interstitials make metastable β titanium alloys strong and ductile (2023)
  • 著者名/発表者名: Yan Chong, Reza Gholizadeh, Baoqi Guo, Tomohito Tsuru, Guohua Zhao, Shuhei Yoshida, Masatoshi Mitsuhara, Andrew Godfrey, Nobuhiro Tsuji
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 257 ページ: 119165
  • DOI: 10.1016/j.acttamat.2023.119165
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of Zr micro-alloying on microstructure refinement and mechanical property of CoCrNi medium-entropy alloy processed by high-pressure torsion and subsequent annealing (2023)
  • 著者名/発表者名: Rathod Bhukya Devendar Singh、Gholizadeh Reza、Park Myeong-heom、Yoshida Shuhei、Tsuji Nobuhiro
  • 雑誌名: Journal of Materials Science 巻: 59 ページ: 5736～5753
  • DOI: 10.1007/s10853-023-09244-2
  • 査読あり
• [学会発表] Quantitatively evaluating the role of deformation induced martensitic transformation in tensile deformation of an Fe24Ni-0.3C TRIP steel (2024)
  • 著者名/発表者名: 高 斯、毛 文奇,白 玉、HARJO Stafanus、朴 明験、柴田 暁伸、辻 伸泰
  • 学会等名: 日本金属学会 2024 年春期 (第 174 回)講演大会
  • 招待講演
• [学会発表] Unique dynamic recrystallization behavior in HfNbTaTiZr equi-atomic BCC high entropy alloy (2023)
  • 著者名/発表者名: Tsuji N., Eleti R.R., Chokshi A.H., Shibata A.
  • 学会等名: The 8th International Conference on Recrystallization and Grain Growth
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The impact of trace Y addition on the recrystallization and mechanical properties of Mg-Y dilute alloy (2023)
  • 著者名/発表者名: Zheng R., Tsuji N., Ma C.
  • 学会等名: The 8th International Conference on Recrystallization and Grain Growth
  • 国際学会
• [学会発表] Grain refinement in titanium prevents low temperature oxygen embrittlement (2023)
  • 著者名/発表者名: Yan Chong, Reza Gholizadeh, Tomohito Tsuru, Andrew M. Minor, Nobuhiro Tsuji
  • 学会等名: The 15th World Titanium Conference (Ti-2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Characterization of local deformation and fracture behavior in ferrite + martensite dual phase steels with different grain sizes (2023)
  • 著者名/発表者名: Myeong-heom Park, Yuichi Tagusari, Nobuhiro Tsuji
  • 学会等名: International Symposium on New Developments in Advanced High-Strength Sheet Steels
  • 国際学会
• [学会発表] The Effect of Serration Behavior on Strain Hardening and Deformation in 22Mn-0.6 Steel (2023)
  • 著者名/発表者名: Sukyoung Hwang, Myeong-heom Park, Yu Bai, Hiroki Adachi, Nobuhiro Tsuji
  • 学会等名: International Symposium on New Developments in Advanced High-Strength Sheet Steels
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of crystal orientation and stacking fault energy on tensile deformation behaviour and deformation microstructure evolution in Cu-Al alloys (2023)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto, K., Yoshida, S., Tsuji, N.
  • 学会等名: EUROMAT 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of crystal orientation and stacking fault energy on tensile deformation behaviour and deformation microstructure evolution in Cu-Al alloys (2023)
  • 著者名/発表者名: Lau, W.S., Gao, S., Park, M.-h., Tsuji, N., Yoshida, S.
  • 学会等名: EUROMAT 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Microstructural origin of high work-hardening ability in ultrafine-grained CoCrNi medium entropy alloy (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshida, S., Yamashita, G., Ikeuchi, T., Bai, Y., Shibata, A., Tsuji, N.
  • 学会等名: EUROMAT 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Possibilities of advanced metals managing both ultra-high strength and large ductility (2023)
  • 著者名/発表者名: Tsuji, N.
  • 学会等名: The 7th International Symposium on Advanced Structural Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Characterization of serration behavior in transformation-induced plasticity (TRIP) steels by digital image correlation (DIC) technique (2023)
  • 著者名/発表者名: Myeong-heom Park, Shigetaka Hakamata, Sukyoung Hwang, Si Gao, Nobuhiro Tsuji
  • 学会等名: PRICM 11
  • 国際学会
• [学会発表] Crystallographical characteristics of deformation-induced martensite transformation in ultrafine grained metastable austenitic steel (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuanhong LIU, Si GAO, Myeongheom PARK, Nobuhiro TSUJI
  • 学会等名: PRICM 11
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of nitrogen content on microstructural stability and mechanical properties of fine-grained Ti-N alloy (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Katayama, Yan Chong, Nobuhiro Tsuji
  • 学会等名: PRICM 11
  • 国際学会
• [学会発表] Nature of Serration and Its Impact on Strength and Ductility in High-Mn Austenitic Steel (2023)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiro Tsuji, Sukyoung Hwang, Myeoung-Heom Park, Yu Bai
  • 学会等名: MRM 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Microstructural factors dictating plastic deformation mechanisms of a TWIP steel - I: real-time, sub-microscopic level observation (2023)
  • 著者名/発表者名: Jesada Punyafu, Shiro Ihara, Tomotsugu Shimokawa, Sukyoung Hwang, Avala Lavakumar, Hikaru Saito, Nobuhiro Tsuji, Mitsuhiro Murayama
  • 学会等名: MRM 2023
  • 国際学会
• [学会発表] フェライト+マルテンサイト二相鋼におけるミクロスケールの変形不均一性の評価とその力学特性との関係 (2023)
  • 著者名/発表者名: 朴 明験、松林 領汰、藤村 雄斗、辻 伸泰
  • 学会等名: 日本金属学会 2023年秋期（第173回）講演大会
  • 招待講演
• [学会発表] 構造用金属材料の特徴と重要課題および先端的研究動向について (2023)
  • 著者名/発表者名: 辻 伸泰
  • 学会等名: 第89回SPring-8先端利用技術ワークショップ/第4回放射光・中性子連携利用研究会/第2回量子ビームを用いた構造材料研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Possibilities of Advanced Steels Managing Both Ultra-High Strength and Large Ductility (2023)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiro Tsuji
  • 学会等名: NIMS Award Symposium 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 京都大学 辻研究室
  • URL: https://www.tsujilab.mtl.kyoto-u.ac.jp
• [産業財産権] ひずみ量測定装置、ひずみ量測定方法およびプログラム (2024)
  • 発明者名: 朴明験、八子早保
  • 権利者名: JST
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願 2024-034130