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結晶方位解析および原子間力顕微鏡によるナノ結晶材料の疲労損傷の微視機構の解明

利用晶体取向分析和原子力显微镜阐明纳米晶材料疲劳损伤的微观机制

基本信息

批准号：
17760076
负责人：
木村英彦
金额：
$ 2.3万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17760076/
关键词：
ナノ結晶疲労損傷微視機構結晶方位解析 EBSD 原子間力顕微鏡

项目摘要

ECAP法により,平均結晶粒径が300nmの超細粒材料を作製し,その疲労特性を検証した.繰返し疲労下における表面損傷機構を,ナノスケールの同一領域においてEBSD法,AFM法やSEM法などの多角的計測法を統合することにより解明した.まず,SEMによる損傷領域の観察と,AFMによる同一領域の3次元計測を組合せることにより損傷形態を定量的に明らかにした.更に,この同一領域におけるEBSD結晶方位計測を統合することにより,損傷機構のメカニクスを解明した.その結果,疲労損傷部は結晶方位が一致した粗大領域となっていることが明らかとなった.同一領域の損傷前の観察では超細粒結晶が計測されていたため,本材は疲労過程において結晶粒が粗大化するプロセスを伴うことが明らかとなった.ナノスケール解析の結果,繰返し疲労によりすべり損傷が発生し,すべり先端の応力集中により損傷付近の結晶方位が回転することが解った.これにより結晶方位の一致した領域ですべりが成長し,結晶粒の粗大化が進展することを解明した.これは通常の比較的粗大な結晶粒を有する材料とは大幅に異なる挙動である.ECAP材では超細粒化により機械的強度の上昇が得られるが,疲労過程においては結晶粒の粗大化により疲労強度がHall-Petch則で予測されるよりも低下することを示しており,機械構造物の設計においては危険側に材料特性がシフトすることを意味している.本研究により結晶粒の粗大化およびそれに伴う疲労強度の低下を解明したことは,実用化への指針を構築する上で意義深いと言える.また,き裂伝ぱ挙動を詳細に観察した結果,この結晶粒粗大化挙動は応力拡大係数に依存することが明らかとなった.粗大化は特に疲労き裂伝ぱの下限界付近で顕著になっており,逆に高速伝ぱ領域では観察されなかった.つまり,実用化においては低応力側・長寿命側において疲労特性が劣化することが多いため配慮が必要となることを本研究で明らかにした.

ECAP method, the average crystal particle size of 300nm ultra-fine materials prepared, and its fatigue characteristics were demonstrated. The surface damage mechanism is analyzed by EBSD method,AFM method, SEM method and multi-angle measurement method in the same field. SEM,AFM, 3D measurement of the same field, combination of SEM, AFM, quantitative measurement of damage morphology, and other methods. In addition, EBSD crystal orientation measurement in the same field is integrated, and the damage mechanism is explained. As a result, the crystal orientation of the damaged part is consistent with that of the coarse field. Before the damage in the same field, the ultra-fine grain crystals were measured, and the material was subjected to the fatigue process. As a result of the analysis, the damage occurred due to the stress concentration at the tip of the crystal. The crystal orientation is consistent with the growth of the crystal grain, and the coarsening of the crystal grain is progressive. ECAP materials have a large variation in mechanical strength due to ultrafine grain size, and the mechanical strength is expected to decrease due to fatigue due to coarsening of grain size. This indicates that material characteristics are important in the design of mechanical structures. This study is aimed at explaining the coarsening of crystalline particles and the decrease of fatigue strength. The results show that the grain coarsening and the force coefficient are dependent on each other. Coarsening is the most difficult task in the world. This study shows that the fatigue characteristics are deteriorated on the low strength side and the long life side.