Control of grain boundary segregation in ferrous alloys using interaction between solute elements

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多結晶金属材料の粒界に溶質元素が偏析すると、粒界強度や腐食挙動など材料の諸性質が大きく変化するため、粒界偏析の制御は材質の向上に極めて重要である。これまでの粒界偏析に関する研究では、溶質の偏析量が他の元素に影響されることがと広く知られているが、その現象の本質の理解は不十分であり、見かけ上の合金元素添加の影響を考慮した経験的な偏析制御に留まっている現状がある。本研究では、最も重要な構造材料である鉄合金における異種元素の共偏析挙動に着目し、粒界性格の影響を考慮した上で溶質元素の粒界偏析量を系統的に調査する。得られた結果を元素間の熱力学的な相互作用の観点で検討を行うことで、金属材料の特性改善を目指した粒界偏析の制御技術を確立する。今年度には純鉄材の浸炭および窒化実験を行い、40massppmまでのCおよび0.1mass%までのNを含有したFe-CおよびFe-N二元合金を作製した。各合金の平衡偏析を調査するため、フェライト単相域である600℃で6hまたは24hの焼鈍処理後、水冷で組織を凍結した。得られたフェライト組織を電子線後方散乱法（EBSD）測定および集束イオンビーム（FIB）加工による断面観察を行うことで、合金間の粒界性格を方位差45°付近のランダム粒界に揃えたうえで三次元アトムプローブ(3DAP)による定量解析で偏析挙動の比較を行った。結果によると、低濃度側において粒界偏析量がCまたはNの添加量とともに増加し、高濃度側においてその増加が緩やかになり、粒界偏析量が徐々に飽和する傾向が見られた。これは、粒界におけるC-C間またはN-N間の反発的な相互作用によるものであることが熱力学計算の結果から明らかとなった。