2019 Fiscal Year Annual Research Report
ハイエントロピー合金の特異な力学特性の支配因子解明
| Project Area | High Entropy Alloys - Science of New Class of Materials Based on Elemental Multiplicity and Heterogeneity |
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| Project/Area Number |
18H05451
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
乾 晴行 京都大学, 工学研究科, 教授 (30213135)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 裕之 弘前大学, 理工学研究科, 教授 (10225998)
田中 將己 九州大学, 工学研究院, 教授 (40452809)
土谷 浩一 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 若手国際研究センター, センター長 (50236907)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | ハイエントロピー合金 / 降伏強度 / 引張伸び / 破壊靱性 / クリープ強度 / 積層欠陥エネルギー / 短範囲規則 / 転位 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ハイエントロピー合金には，従来合金には見られない特異で優れた力学特性を示すものが多く見られる．本計画研究では，ナノ・マイクロ力学特性評価法，走査透過電子顕微鏡法，シンクロトロンX線回折法，3次元アトムプローブ法などの先端実験手法を有機的に駆使し，合金の相構成，原子構造，原子移動，変形の主体的担い手としての転位，双晶(転位)，積層欠陥，結晶粒界などを徹底的に解析し，その静的特性のみならず，応力，温度，ひずみ速度，などが異なる種々の環境下での動的応答特性を原子スケールにまで遡って評価し，合金の原子構造，組成，組織と力学特性の相関を予測的に記述する力学特性マップ（構成則）を構築しつつ，金属・合金のみならず金属ガラス，セラミックスなど広範な材料において発現するハイエントロピー効果に基づいた新規で特異な力学特性およびその支配因子を探索・解明し，ハイエントロピー効果の本質を根源的に解明する．特に(1)ハイエントロピー合金の異常に高い低温降伏強度，(2)異常に高い低温引張延性・靭性と低温域における強度と延性の正の相関，(3)高温における異常に高い降伏強度，(4)強度の特異な結晶粒径依存性，(5)原子拡散に関連した高温クリープ強度について重点的に実験研究を行い，2元系や3元系の通常の合金には現れない特異な力学特性の発現メカニズム・ハイエントロピー効果の本質を根源的に解明し，「強くてねばい」夢の革新的構造材料を幅広い材料系で実現するための指針提案に繋げる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
FCC型CrCoNi等原子量合金単結晶の塑性変形機構の解明では、10 Kから1273 Kの広範な温度範囲で(111)][1(－)01]すべりが活動し、それぞれの温度において臨界分解せん断応力（CRSS）を決定した。室温における(111)][1(－)01]すべりのCRSSは55 MPaと通常の合金比べると非常に高く、温度低下とともにCRSSは大きく増大する。この温度低下に伴うCRSSの急激な減少は熱活性化過程であり、固溶強化が合金の主たる強化機構であることが明らかとなった。
FCC型CrMnFeCoNi非等原子量ハイエントロピー合金のHCP相へのマルテンサイト変態および形状記憶効果の解明では、Cr20Mn20Fe20Co40-xNixのようにNi/Co比を変えて合金を作製し、マルテンサイト変態温度及び熱力学的平衡温度を測定すると、Ni量増加とともにマルテンサイト変態温度は低下し、0Ni合金のMs点は5サイクルの変態でもわずかに上昇するのみで、マルテンサイト変態の可逆性は極めて良好であり、高温形状記憶合金としても有望であることが明らかとなった。
BCC型TaNbHfZrTiハイエントロピー合金の脆性－延性遷移挙動の解明では、破壊における衝撃吸収エネルギーは、100 Kで28 kJ/m2から473 Kで104k J/m2と増大するが、473 Kでも大部分が粒界破壊でありBDT温度は更に高温である事が明らかとなった。
FCC型CrMnFeCoNi等原子量ハイエントロピー合金のクリープ定常変形特性解析では、擬定常クリープ速度の応力・温度依存性を評価し、応力指数は3、見掛けのクリープの活性化エネルギーは265kJ/molと評価できる。クリープの活性化エネルギーは，Cantor合金の拡散の活性化エネルギーの報告値とほぼ一致し、二元系固溶体と同様に転位の粘性すべりが変形の支配機構であることが分かった。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は、最近しばしば力学特性へ大きな影響を及ぼすと報告されている短範囲規則化（SRO）などハイエントロピー合金中の特徴的な欠陥構造の定量的解明およびその力学特性との相関の調査をTEM、STEMのみならず、第一原理計算（A02ウ、エ班との連携）、EXAFS, 3D-AP（A03オ班との連携）を用いて行った結果を、班横断的に持ち寄り系統的かつ総合的に解明したい。極低温での降伏強度及びその温度依存性から解明を進め、単範囲規則化が強度に及ぼす影響について転位と溶質原子の相互作用の本質からの解明を目指したい。固溶体合金のクリープ定常変形特性には原子拡散は重要であり、A02、A03班との連携から原子拡散のメカニズムを解明しつつ、クリープ定常変形特性と原子拡散の相関関係確立に向けて研究を開始する。クリープ変形に関する先行研究からは、ハイエントロピー合金の特徴の一つと言われるSluggish拡散は生じないとの結論を得ている。A02ウ、エ班との連携との連携から第一原理計算の結果と比較しつつ、最終的な結論を導きたい。また、変形双晶、マルテンサイト変態（HCP構造形成）の形成メカニズムを合金のFCC-HCP構造間のエネルギー差に着目して解明し（A02ウ，エ班との連携）、変形能（引張特性）に富んだ合金および形状記憶特性に富んだ新合金の開発指針の解明を目指したい。また，A03班との連携からBCC型ハイエントロピー合金についても等軸極微細粒の形成過程、脆性－延性遷移機構の解明も行いたい。BCC型ハイエントロピー合金については多くの合金で、粒界破壊が起こりやすいことが明らかとなりつつあり、粒界破壊のメカニズム、これを回避する方策の探索についても研究を開始したい。A03班との連携によりこれを行いたい。
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