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.

通过ECAP方法制造了平均晶粒尺寸为300 nm的超细谷物材料，并验证了其疲劳性能。通过整合了同一纳米级区域的EBSD，AFM和SEM方法等多方面测量方法来阐明反复疲劳下的表面损伤机制。首先，通过将受损区域与SEM和三维测量与AFM相结合的损伤形态进行了定量揭示。此外，集成了同一区域中的EBSD晶体取向测量。阐明了损伤机制的机制。结果，发现疲劳受损的区域是一个粗糙的区域，具有匹配的晶体方向。由于在同一区域的损伤之前测量了超细晶晶体，因此发现该材料涉及在疲劳过程中晶粒变得更粗糙的过程。纳米级分析表明，反复的疲劳会导致滑动损伤，并且由于压力浓度在滑动尖端处损坏附近的晶体方向。这导致了匹配的晶体方向。据揭示了该地区的滑动量，谷物的变形进展。这种行为与晶粒相对更粗的普通材料的行为有显着不同。在ECAP材料中，机械强度由于超细晶粒而提高，但是在疲劳过程中，由于晶粒的浓缩而降低了疲劳强度的降低，而不是Hall-Petch规则所预测的，这意味着材料的特性转移到了机械结构设计中的危险方面。这项研究表明，谷物已经变得更粗化。阐明疲劳强度相关的降低对于制定实际应用指南有意义。此外，对裂纹传播行为的详细观察表明，谷物的粗糙行为取决于应力强度因子。在疲劳裂纹繁殖的下限附近，尤其值得注意，另一方面，在高速繁殖区域没有观察到它。换句话说，在实际应用中，疲劳特征在低压力方面和长寿方面经常恶化，因此需要考虑。