2016 Fiscal Year Annual Research Report
ナノ金属材料の特異な疲労損傷機構の解明とその力学基盤の構築
| Project/Area Number |
15H02210
|
|---|
| Research Institution | Kyoto University |
|---|
Principal Investigator |
澄川 貴志 京都大学, 工学研究科, 准教授 (80403989)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中村 篤智 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (20419675)
嶋田 隆広 京都大学, 工学研究科, 助教 (20534259)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
|
| Keywords | 疲労 / ナノ / マイクロ / 金属 / 引張圧縮 / 両振り / 単結晶 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
H28年度の研究実績は、以下のように纏めることができる。1. 対象材料である銅（Cu）多結晶板に対して超高真空下で熱処理を行い電子線後方散乱回折法（EBSD）解析を実施し、結晶粒形状および結晶方位の同定を行った後、集束イオンビーム（FIB）加工により所望の結晶方位（単一すべり方位）を有する単結晶試験片を切り出した。実験は、変位振幅一定条件で実施した。走査型電子顕微鏡（SEM）によるその場観察及び試験片への荷重－変位関係のモニタリングを実施し、疲労損傷及び破断の生じたサイクルの特定を行い、バルク単結晶よりも高い疲労強度を有することを明らかにした。また、繰り返し変形後の試験片には、ナノサイズの突き出し/入り込みが形成され、入り込み底部からき裂が発生していた。TEMを用いた内部観察の結果、試験片は、降伏した時点でストレインバーストを生じ、内部では転位の急激な増殖が生じていた。一方で、表面からの転位の射出により、すべり量が大きい部位では転位密度を低下することがわかった。その後繰り返し負荷が加わると、試験片内部では転位の自己組織化が起こり、10 nm程度の転位のwallを有する特徴的な疲労転位構造が形成されることを明らかにした。2. 大規模計算装置を用いて、前年度に整備した解析プログラム（分子動力学解析）を用いてナノサイズのCuに対する繰り返し負荷解析を実施した。さらに、転位動力学解析に関しても整備を行った。3. 得られた結果と透過型電子顕微鏡（TEM）による内部観察結果をもとに、力学的・結晶学的な考察を実施して疲労メカニズムについて検討を行った。また、H29年度に実施予定の追加実験のための諸条件を明らかにした。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Ｈ28年度の計画は、1. “単結晶試験片の作製、疲労試験の実施、表面観察・透過観察の実施”、 2. “マルチスケール力学解析の実施”および3. “疲労メカニズムの解明”である。申請時の予定に沿って、目的とする単結晶試験片を作製し、疲労試験を実施した。正確な軸方向引張・圧縮繰り返し負荷に成功し、試験片表面および内部には特徴的な構造が形成されること、および、繰り返し数の増加に伴う試験片表面の変化の様子をその場観察により明らかにした。同一形状を有する解析モデルに対し、分子動力学解析を試みた。また、メゾスケールでの支配力学を明らかにするため転位動力学解析手法の整備も実施した。得られた結果から、微小材料の疲労メカニズムの概要を検討し、その基礎を構築した。疲労メカニズムの解明については、より正確な確証を得るため、H29年度に追加の実験及び解析を行う予定であるが、研究はおおむね順調に進呈している。
|
| Strategy for Future Research Activity |
当初の計画に沿って研究を実施する予定である。H29年度の計画は、"条件の異なる疲労試験の実施"および"疲労強度に関する力学基盤の構築"である。研究を遂行する上で問題点が生じた場合には、適宜対策および代替案を提案し、当初の研究目的の達成を目指す。具体的には以下の内容を実施する。1. 結晶方位及び寸法が異なる試験片を作製し、疲労強度評価を実施する。結晶方位に関しては、二次すべり系（主すべり系の次に活動するすべり系）のシュミット因子が異なる結晶方位を選択して実験することで、その影響について検討する。また、内部に結晶粒界を含む試験体を作製して実験を行い、結晶粒界が微小金属材料の疲労損傷に及ぼす影響について検討する。試験体表面・内部の詳細観察を行い、前年度までに構築したマルチスケール力学解析プログラムに対して結晶方位、寸法および結晶粒界に関するパラメータを入力し、その影響を明らかにする。その他、適宜必要な追加実験および追加解析を実施し、微小金属材料の疲労メカニズムについての総合検討を行い、疲労メカニズムの詳細な解明とともに力学基盤を構築する。さらに、電子デバイスやMEMS/NEMSの信頼性を高める産業貢献を目的として、本プロジェクトの成果を設計・保守へ適用することについても検討を行う。
|
