2018 Fiscal Year Annual Research Report
鋳造欠陥制御の技術構築に向けたダイラタンシーを発現する固液共存体の変形挙動の解明
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16H04546
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
柳楽 知也 大阪大学, 接合科学研究所, 准教授 (00379124)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 凝固割れ / その場観察 / ダイラタンシー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、外場(せん断、引張、圧縮)の印加による固液共存体(固体と液体が共存した状態)の変形よって発生する割れや偏析などの鋳造欠陥の形成機構やその制御技術を確立するために、放射光X線イメージングを利用して固液共存状態においてその場観察を行い、ダイラタンシー(見かけの体積膨張)が発現する特異な固液共存体の変形挙動の解明を行う。本年度では、放射光X線イメージングを利用して、Al-Cu合金を対象として固液共存状態において歯車型スピンドルを回転させて、変形挙動をその場観察できる装置の開発に成功した。回転歯車とかみ合う直線歯形の歯車を用いて、固液共存状態中で歯車を回転させる機構を開発し、固液共存体に対して、連続的にせん断応力を印加した時の組織変化をその場観察することが出来た。固相率50％、スピンドル回転速度が0.03 rpmの条件の場合、スピンドル先端の近傍では、固相粒子の衝突・再配列により、固相間隙が拡大し、低固相率の領域が局所的に形成されることが明らかとなった。一方、歯車の内部の領域では、圧縮変形により、固相粒子が凝集し、固相率が増加した。
X線透過像からせん断ひずみ速度や固相率の変化などの定量評価も行った。ひずみがわずか0.1を超えると固相同士の相互作用により力が伝播し、歯車間にせん断帯が発達することが分かった。この時、せん断帯においてせん断ひずみ速度が局在化しており、他の領域より10倍高い値を示した。また局在化している領域において、周囲より固相率が低下していることが実証された。以上の結果から、バルク金属材料において従来可視化が困難であった歯車型スピンドル回転中の組織変化をX線イメージングを利用して、ミクロンスケールで明らかにすることが出来た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当所計画していた放射光X線イメージングを利用して、固液共存状態において歯車型スピンドルを回転させた時の変形挙動をその場観察できる装置の開発に成功した。これまで固液共存状態の試料を単純に棒で押す機構しかなく、十分なせん断力を印加することが出来なかった。本課題において厚さ500ミクロンにおいても、直線歯形の歯車を用いて回転歯車を回転させる技術を開発することで、歯車型スピンドル中での組織変化を初めて明らかにすることが出来た。連続的にせん断力を印加しなくても僅かなひずみで固相間相互作用により、力は固液共存体の全体に伝播し、固相粒子の衝突・再配列によりせん断帯が歯車の周囲全体に形成されることが分かった。ただし固液共存体に対する固相率や固相形態などの影響を系統的に十分に検証することが出来ず、今後の課題である。以上の点からおおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、最終的な鋳造プロセスへの応用を目指して、X線イメージングを利用したミクロンスケールでの薄膜試料のその場観察で明らかとなった知見をバルク金属を利用して検証する。結晶は等軸晶と呼ばれる樹枝状の複雑な形態で成長するが、固液共存中で温度保持を行うと球状に近い結晶に変化するため、形態制御が可能である。また、固液共存温度範囲で保持温度を変化させて固相率を50-80％まで制御する。せん断帯の形態や力学特性の変化について評価し、固相粒子の形態と固相率の影響を明らかにする。また、凝固後の試料においてシリアルセクショニング(連続的な断面観察)を行い、固液共存体の変形時に生じるせん断帯の三次元空間での形態を評価し、X線イメージングを利用して観察した薄膜試料との違いについて調べる。
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Research Products
(5 results)
