2019 Fiscal Year Annual Research Report
Clarification of innovative deformation mechanism in harmonic structure materials and creation of design principle for structure materials for next generation
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18H05256
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| Research Institution | Ritsumeikan University |
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Principal Investigator |
飴山 惠 立命館大学, 理工学部, 教授 (10184243)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上野 明 立命館大学, 理工学部, 教授 (30160188)
川畑 美絵 (太田美絵) 立命館大学, 理工学部, 助教 (30710587)
伊藤 隆基 立命館大学, 理工学部, 教授 (40242581)
下川 智嗣 金沢大学, 機械工学系, 教授 (40361977)
塩澤 大輝 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (60379336)
菊池 将一 静岡大学, 工学部, 准教授 (80581579)
中井 善一 神戸大学, 工学研究科, 教授 (90155656)
山末 英嗣 立命館大学, 理工学部, 教授 (90324673)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | 調和組織 / ヘテロ構造 / 特異力学特性 / シナジー効果 / ミクロマクロ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
調和組織材料の特異現象の発現は、主に転位のすべり運動により担われるナノ・ミクロ領域の現象と、周期構造を持った数十～数百ミクロンのマクロ領域の現象が重畳していると推測される。ナノ・ミクロ領域のサブミクロン結晶の粒界は、転位の障害物としてだけでなく、転位の発生源かつ消滅場所として働いている可能性が高い。同時に、結晶粒径に広い分布（粒径勾配）が存在する調和組織では、粒径勾配に起因した特異な変形も起こりえる。そうした観点の下、本研究では、(1)：調和組織材料作製、(2)：力学特性評価、(3)シミュレーションによる力学特性解析、を実施した。その結果、以下のような成果が得られた。【1】これまで報告されていない「シナジー硬化現象」を見出した。調和組織材料では、全体平均結晶粒径で示すと「シナジー硬化現象」という、全く新しい硬化現象を生じた。このシナジー硬化現象は純Ni調和組織材料でも確認され、普遍的な現象である可能性が高い。【2】調和組織材料の特異な力学特性の根源は大きな加工硬化にあると考えてきたが、複相系の材料である炭素鋼を用いた検討で、加工硬化以外のメカニズムも重要であることが見出された。調和組織材料における延性は、加工硬化増大だけでなく局部伸びの増大も重要であることを示しており、マクロの強固なShellネットワーク構造が力学特性向上に有効であることを示唆している。【3】粗大粒子と微細粒子を混合後、ミリング加工することで従来の半分のプロセス時間で調和組織を創製できる「バイモーダルミリング法」を開発した。任意の微細粒割合をデザインできるため、強度・延性バランスの制御も容易となった。より短時間で大型サンプルを作製でき、実用化への道筋ができた。
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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
次の1～5のような予想以上の成果が得られたため。
1．シナジー硬化現象の発見。シナジー硬化現象はすべり変形する材料に普遍的に見られる現象と考えられる。降伏直前からの加工硬化の発現に起源があるのではないかと推測しており、今後の追求でこれまでの常識を覆すパラダイムシフトが期待される。「降伏とは何か?」という新たな学術的課題を提起している。
2．新たな延性発現機構発見。延性を支配している要因として、これまでに明らかとなった加工硬化の増大以外の、マクロなネットワーク構造が重要であることが新たに判明した。「延性とは何か?」という新たな学術的課題を提起している。
3．実用化に向けたブレークスルーとなる「BiMプロセス」を開発した。処理時間が少なくとも半分になり、高効率プロセスへの道が拓け、実用化に向けて課題となっていた調和組織サンプルの量産化、大型化が解決できる。
4．国際展開が進んだ。調和組織に関する国際会議での招待講演・基調講演依頼が増加していることからも明らかであるが、海外の多くの研究者が「調和組織材料」に関心を示している。当初想定していた以上に、国際共同研究を行う態勢が構築された。例えば、本研究課題の範囲外の耐摩耗性や耐食性を評価するインドの研究グループ等との連携は、本研究課題の推進をさらに加速するものである。また、この2年間で「調和組織材料」を共通テーマとしたJSPS2国間共同研究事業に結びついた。（中国2件：代表／分担）、スエーデン1件：分担）
5．産業財産権の出願ができた。2018年度に続いて、2019年度も1件の産業財産権を出願できた。これらの産業財産権の内容は、調和組織材料の実用化に極めて有用である。（「双晶変形が抑制されたチタン合金の製造方法及びチタン合金」、特願2019-038687、 2019年)
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| Strategy for Future Research Activity |
(A)＜調和組織材料の作製＞ 単相材料（Ni、Cu、Cu-9Ge 、SUS316L）、複相材料（炭素鋼、Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn合金）について、ミリング法以外に、新規開発したBiMプロセスを用いて作製する。同時に、共通試料を他研究機関に提供し、耐食性や耐摩耗性などについて研究を推進する。また、これまでの研究で、調和組織材料が示す大きな加工硬化等の特異現象の起源が、変形のごく初期の転位活動と密接な関係があることが明らかになりつつあることから、特に、低ひずみ域で高い転位集積を生じ、その後の加熱で「選択的再結晶」を生じる微細粒ネットワーク部での特異現象について、再結晶の速度論の観点から詳細な検討を行う。
(B)＜力学特性評価：１＞ 大型試験片を作製し、調和組織材料の変形・破壊特性に及ぼす負荷状態の影響を詳細に検討する。特に、き裂の3次元形状（アスペクト比）を観察することにより破壊力学パラメータを高精度に取得し、局所的なき裂進展挙動と周期ミクロ組織の関係を明らかにする。
(C)＜力学特性評価：２＞ 高輝度放射光施設（SPring-8）を用いた変形その場観察と変形挙動解析を引き続き行う。SPring-8ビームライン内に「その場試験システム」（現有装置）を持ち込み、4次元力学特性評価を行う。放射光の吸収現象に基づいて内部構造を観察するマイクロCTイメージングと、金属結晶における回折現象を利用した回折コントラストトモグラフィーを併用した撮影を行う。
(D)＜シミュレーションによる力学特性解析＞ 粒界と格子欠陥の相互作用について分子動力学(MD)法で、また、多結晶体の変形挙動をMulti-scale有限要素(FEM)法でシミュレーションし、調和組織材料のミクロ・マクロ変形挙動の解析を行う。
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