ナノ・ミクロ組織ハイエントロピー合金の優れた高温特性を制御するメカニズム解明

2020 年度 実績報告書

• 研究領域: ハイエントロピー合金：元素の多様性と不均一性に基づく新しい材料の学理
• 研究課題/領域番号: 19H05180
• 研究機関: 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
• 研究代表者: Stefanus Harjo 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J－PARCセンター, 研究主幹 (40391263)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 中性子回折 / ハイエントロピー合金 / 高温

研究実績の概要

本研究の目的は、ナノ・ミクロ組織ハイエントロピー合金（HEA）の高温・応力負荷外場環境下においてその場中性子回折による結晶構造測定を行い、高温特性を制御する根本的なメカニズムを明らかにすることである。HEAは、1つの主要な元素に基づいている従来の合金と違って、複数の主成分状態図の中央付近の化学組成を持ち、高温での高いエントロピーと構成原子の遅い拡散の結果、高温で優れた機械的性能を示すと期待されていた。しかし、高温特性を制御する根本的なメカニズムは、合金組成上の複雑さ及び元素間の相互作用のために依然として未知であるため本研究を行った。
加工と熱処理で創製した異なる結晶粒サイズのHEAを対象として、加熱・高温保持中のその場中性子回折実験を行い、結晶学的ミクロ組織情報（結晶構造安定性・変化、元素分配、結晶粒間及び相間の応力、集合組織、転位及び結晶子サイズ等）を獲得し、試験片バルクの熱膨張の変化と比較して、高温での相安定性を調べた。２種類のHEA: CoCrFeNi合金とHfMoNbTaTi合金を研究に用いた。CoCrFeNi合金は、加熱中または高温保持中にFCC構造で非常に安定していたが、加熱中のバルク熱膨張との差が大きかった。回折データには本合金系で知られている結晶構造で同定されない単結晶のような第2相が存在し、熱膨張の違いで加熱中のFCCのメイン相の格子定数に影響を及ぼした。この第2相は、短範囲規則もしくは中距離規則性である可能性があり、CoCrFeNi合金の室温変形の強度にはほとんど寄与しなかった。一方、HfMoNbTaTi合金はBCC構造をしていたが、1373K以下での高温保持中に相分解が起こり、保持温度が低くなればなるほど分解速度が大きくなった。上記の研究と並行して、CoCrFeNiとCoCrNiの合金の低温での優れた機械特性の発現機構の解明も行った。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] 香港城市大学/北京科技大学/南京理工大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 香港城市大学/北京科技大学/南京理工大学
  • 他の機関数: 2
• [国際共同研究] 忠南大学校/浦項工科大学校(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: 忠南大学校/浦項工科大学校
• [雑誌論文] Stacking Fault Driven Phase Transformation in CrCoNi Medium Entropy Alloy (2021)
  • 著者名/発表者名: He Haiyan、Naeem Muhammad、Zhang Fan、Zhao Yilu、Harjo Stefanus、Kawasaki Takuro、Wang Bing、Wu Xuelian、Lan Si、Wu Zhenduo、Yin Wen、Wu Yuan、Lu Zhaoping、Kai Ji-Jung、Liu Chain-Tsuan、Wang Xun-Li
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 21 ページ: 1419～1426
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c04244
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Relation between Intergranular Stress of Austenite and Martensitic Transformation in TRIP Steels Revealed by Neutron Diffraction (2021)
  • 著者名/発表者名: Harjo Stefanus、Kawasaki Takuro、Tsuchida Noriyuki、Morooka Satoshi、Gong Wu
  • 雑誌名: ISIJ International 巻: 61 ページ: 648～656
  • DOI: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2020-503
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] On the phase transformation and dynamic stress-strain partitioning of ferrous medium-entropy alloy using experimentation and finite element method (2020)
  • 著者名/発表者名: Bae Jae Wung、Jung Jaimyun、Kim Jung Gi、Park Jeong Min、Harjo Stefanus、Kawasaki Takuro、Woo Wanchuck、Kim Hyoung Seop
  • 雑誌名: Materialia 巻: 9 ページ: 100619～100619
  • DOI: 10.1016/j.mtla.2020.100619
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Microstructural Features and Ductile-Brittle Transition Behavior in Hot-Rolled Lean Duplex Stainless Steels (2020)
  • 著者名/発表者名: Takahashi O.、Shibui Y.、Xu P.G.、Harjo S.、Suzuki T.、Tomota Y.
  • 雑誌名: Quantum Beam Science 巻: 4 ページ: 16～-
  • DOI: 10.3390/qubs4010016
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Comparison of dislocation density, twin fault probability, and stacking fault energy between CrCoNi and CrCoNiFe medium entropy alloys deformed at 293 and 140K (2020)
  • 著者名/発表者名: Woo Wanchuck、Naeem Muhammad、Jeong Jae-Suk、Lee Cheol-Min、Harjo Stefanus、Kawasaki Takuro、He Haiyan、Wang Xun-Li
  • 雑誌名: Materials Science and Engineering: A 巻: 781 ページ: 139224～139224
  • DOI: 10.1016/j.msea.2020.139224
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Neutron diffraction monitoring of ductile cast iron under cyclic tension-compression (2020)
  • 著者名/発表者名: Harjo Stefanus、Kubota Satoru、Gong Wu、Kawasaki Takuro、Gao Si
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 196 ページ: 584～594
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2020.07.016
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Element Effects of Mn and Ge on the Tuning of Mechanical Properties of High-Entropy Alloys (2020)
  • 著者名/発表者名: Lam Tu-Ngoc、Tsai Che-Wei、Chen Bo-Kai、Lai Bo-Hong、Liu Hung-Chih、Kawasaki Takuro、Harjo Stefanus、Lin Bi-Hsuan、Huang E-Wen
  • 雑誌名: Metallurgical and Materials Transactions A 巻: 51 ページ: 5023～5028
  • DOI: 10.1007/s11661-020-05932-9
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Extremely high dislocation density and deformation pathway of CrMnFeCoNi high entropy alloy at ultralow temperature (2020)
  • 著者名/発表者名: Naeem Muhammad、He Haiyan、Harjo Stefanus、Kawasaki Takuro、Zhang Fan、Wang Bing、Lan Si、Wu Zhenduo、Wu Yuan、Lu Zhaoping、Liu Chain T.、Wang Xun-Li
  • 雑誌名: Scripta Materialia 巻: 188 ページ: 21～25
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2020.07.004
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Enhancement of fatigue resistance by overload-induced deformation twinning in a CoCrFeMnNi high-entropy alloy (2020)
  • 著者名/発表者名: Lam Tu-Ngoc、Lee Soo Yeol、Tsou Nien-Ti、Chou Hung-Sheng、Lai Bo-Hong、Chang Yao-Jen、Feng Rui、Kawasaki Takuro、Harjo Stefanus、Liaw Peter K.、Yeh An-Chou、Li Ming-Jun、Cai Ren-Fong、Lo Sheng-Chuan、Huang E-Wen
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 201 ページ: 412～424
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2020.10.016
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Anisotropic Thermal Lattice Expansion and Crystallographic Structure of Strontium Aluminide within Al-10Sr Alloy as Measured by In-situ Neutron Diffraction (2021)
  • 著者名/発表者名: Klaus-Dieter Liss, Stefanus Harjo, Takuro Kawasaki, Kazuya Aizawa, Pingguang Xu
  • 学会等名: 2021 TMS Annual Meeting & Exhibition, オンライン開催
  • 国際学会
• [学会発表] Element Effects of CoCrFeNi-based High-entropy Alloys on Low-cycle Fatigue (2020)
  • 著者名/発表者名: E-W. Huang, C-W. Tsai, A-C. Yeh, S.Y. Lee, S. Harjo, P. Liaw, T-N. Lam, Y-S. Chou
  • 学会等名: TMS 149th Annual Meeting & Exhibition, San Diego, USA
  • 国際学会
• [学会発表] 中性子回折でみたハイエントロピー合金の低温での変形機構 (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Naeem，H. He，B. Wang，ハルヨ ステファヌス，川崎 卓郎，Z. Lu，X-L. Wang
  • 学会等名: 日本金属学会2020年春期大会, 東京工業大学
• [学会発表] J-PARCの工学材料回折装置TAKUMIでの研究動向 (2020)
  • 著者名/発表者名: ハルヨ ステファヌス, 川崎 卓郎, ゴン ウー, 山下 享介, 諸岡 聡, 原田 剛, 岩橋 孝明, 相澤 一也
  • 学会等名: 日本中性子科学会 第20回年会, オンライン開催
• [備考] 極低温で現れる先進的合金の特異な変形メカニズムを解明
  • URL: https://www.jaea.go.jp/02/press2019/p20032801/