Design of high fatigue strength ferrite-martensite steel based on microstructural control and strengthening mechanisms

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昨年度に引き続いて、極低炭素マルテンサイト鋼を用いて、金属材料中の結晶欠陥の一種である転位の存在によって材料強度が増す「強化機構」に関する検討を続けてきた。昨年度までの研究により、転位強化を議論する上では、単純引張変形中に発達する転位組織の持つ特徴、たとえば転位の密度のみならず配列や性格などの因子も重要であることが強調された。この解析には、変形中のその場解析を可能とする中性子回折を用いた。今年度は、この結果を踏まえて明らかとなった「転位の単位長さあたりの強度向上への寄与度」の変形中の変化に関するモデルを立案した。また、繰り返し変形に伴う転位組織の発達挙動についても調査した。まず、転位による強化機構を説明する上でよく用いられるTaylorの式における係数αが、変形中に変化すること、ならびに、その変化挙動は変形前のマルテンサイトが焼戻しされているか否かによって異なることを明らかにした。係数αが転位組織に依存して変化することはこれまでも定性的に理解されてきたが、本研究で定量的に明らかにしてきた転位組織を表現するパラメータを用いることで、αの変化挙動を説明することに成功した。その変化挙動は、焼入れ材あるいは300°C焼戻し材と500°C焼戻し材とで大きく異なり、そこで重要なのは転位セルの体積分率、転位配列のランダム性、そして転位のらせんおよび刃状成分の分率であった。さらに、金属材料の疲労挙動を議論する上で、特に転位組織の発達過程で重要とされる初期の数千サイクルにおける繰り返し変形に伴う転位組織発達について調査を進めた。サイクル数の増加に伴う転位組織の発達挙動を、転位組織パラメータの変化により明らかにした。また疲労変形中に測定できたひずみ変化より、単純引張変形時との差について調査した。