水素環境下での金属変形挙動の3D/4D解析

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我々は、最近、材料中のミクロ組織のサブミクロンレベル3D/4Dイメージングにシンクロトロン放射光X線CTを用いて取り組んでいる。特に、これまで透明な材料や表面でしか測定できなかった内部の局所力学量(例えば歪み、応力、き裂進展駆動力など)の4D高密度マッピングに世界で初めて成功している。本研究では、構造材料のミクロ構造の3D分布をシンクロトロン放射光X線CTで撮像し、材料の局所特性を加味した力学モデルを構築し、ミクロ組織の影響を忠実に考慮したイメージベースの評価解析を行う。これにより、構造用材料の評価が飛躍的に高度化し、高度で効率的な材料組織設計、プロセス設計が可能となる。これまでに、極低ひずみ速度条件、かつ熱処理条件が亜時効状態の時に顕著な水素脆化の挙動が生じた。これを大型放射光施設SPring-8の3Dイメージングビームラインにてその場観察した画像セットを解析し、材料中の数万点規模の粒子を追跡して材料内部のひずみを高密度に算出・マッピングできる4D画像解析、およびそのデータの解析を行った。総じて、金属材料の水素吸収による力学的挙動の変化を3D画像セットそして獲得し、時効析出状態など、アルミニウム合金にとって非常に重要な組織因子を変化させたときのひずみ局在化、脆性破壊挙動、ミクロ亀裂の発生と伝播挙動などを明らかにした。特に、亜時効状態では顕著なひずみ局在化が生じ、脆性ミクロき裂が徐々に進展し、一方過時効状態ではひずみの局在化が穏やかで、そのため損傷の発生も抑制的であることが分かった。これら一連の成果は、材料内部のミクロ組織と脆化発生・発展挙動を初めて3D/4Dで明らかにしたものといえる。