材料微細組織形成に関わる金属学的現象に対する磁場効果の発現機構

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近年,液体ヘリウムフリーの超電導マグネットの開発により,強磁場作用を利用した材料の微細組織制御が精力的に行われている.材料の微細組織形成は,多くの場合拡散を素過程としており,さらに磁場作用下における組織形成を議論する上では粒界に関わる物理パラメータを理解することが重要である.本研究では,現代社会の基盤材料である鉄系材料を用い,拡散および粒界エネルギーに及ぼす強磁場の影響,さらに粒界近傍における局所磁性の変化を明らかにすることを目的として実験を行った.まず,純鉄および共析鋼の拡散対を用い,磁場作用下におけるα鉄中の炭素の拡散を調査した.その結果,6Tの外部磁場により炭素の拡散は70%程度抑制され,208T^2/mの勾配磁場作用下においては115%程度促進されることが明らかとなった.続いて,磁場作用下における純鉄の粒界エネルギーをThermal grooving法により測定を行った.その結果,無磁場下においては,純鉄の粒界エネルギーは温度の上昇と共に高くなるのに対し,6Tの磁場作用下では,逆に温度の上昇と共に小さくなり,キュリー温度近傍においては非直線的に変化することが見出された.見出された磁場効果について純鉄中に存在する侵入型不純物元素の粒界偏析と関連付けて議論を行った.また,磁場作用下では粒界エネルギーの相対方位差依存性が顕著になることも見出された.最後に,最近提案された局所磁性の評価方法であるTEM-EELS法を応用して粒界近傍の磁性の変化を調査した.その結果,純鉄のランダム粒界近傍で磁気モーメントが増加することが分かり,Snのような不純物元素が偏析するとモーメントの上昇効果が失われることが明らかとなった.以上の結果は,強磁場を利用した材料の微細組織制御を考える上で不可欠な磁気物理科学の重要な基礎データとなり,今後電磁場プロセスを実用化していくための礎となると考えられる.