【研究分野】構造・機能材料

【研究領域課題番号】22246088 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強度 / 靭性 / 破壊 / 疲労 / クリープ / 応力腐食割れ / 超塑性 / 摩耗 / その場観察 / TEM / ドメイン / 電子顕微鏡法 / セラミックス / 破壊・変形 / 粒界・界面 / 転位 / 原子配列

【研究成果の概要】

実際に材料を使用する外的な刺激の下における構造および特性の相関性を明らかにすることが実用材料の本当の構造-特性の相関性を理解することにつながる.本研究プロジェクトでは,外的な刺激を加えながら観察を行うその場電子顕微鏡法の開発およびその材料への応用を目的 として研究を行った.応力を加えた際のセラミックス中の転位の運動・双晶界面の形成などを 直接観察した他,圧電材料でのドメイン移動を直接観察することに成功したなどの成果が得ら れた.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】46,800千円 (直接経費: 36,000千円、間接経費: 10,800千円)

【研究分野】構造・機能材料

【研究領域課題番号】20760461 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強度 / 靭性 / 破壊 / 疲労 / クリープ / 応力腐食割れ / 超塑性 / 磨耗 / 耐熱材料 / 軽量化 / ユビキタス元素 / 金属組織学 / 金属間化合物 / 加工熱処理

【研究成果の概要】

本研究ではTi合金や耐熱鋼に替わる高比強度Fe_3Al基耐熱合金の開発を目指し、結晶粒微細化による高靭性化、600℃までの高温強度と高温安定性について調べた。その結果、600℃程度までの用途を想定したFe_3Al基耐熱合金の設計指針として、温間加工中に微細なκ-Fe_3AlC炭化物を導入すると母相の結晶粒が細分化され、低温側での強化に有効なこと、及び、本合金への少量のMoの添加は600℃までの降伏強度と温間加工組織の安定性を向上するのに有効であることを見出した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2008 - 2009

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】金属物性

【研究領域課題番号】13450262 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

水素脆性 / 疲労 / 遅れ破壊 / 環境脆化 / 電子顕微鏡観察 / 電子線回折 / 高強度綱 / 生体材料 / 力学物性 / 格子欠陥 / 強度 / 破壊 / 応力腐食割れ / 生体・福祉材料 / 高強度鋼 / 点欠陥 / 原子空孔 / 表面反応

【研究成果の概要】

鋼の疲労特性が環境の影響を受け、それに水素が関与していることはよく知られているが、その機構解明と対策が課題である。本研究の目的はわれわれが提案している新しい鋼の水素脆性機構、水素による塑性変形における原子空孔生成の助長とその凝集による破壊抵抗の低下、に基づき、とくに環境変動による水素脆性の増大を調べることである。本研究ではまず疲労のいろいろな段階にある高強度鋼について、生成した欠陥を水素をプローブとして検出し、疲労損傷に原子空孔の生成があること、欠陥と水素との相互作用によって疲労特性の劣化と、逆に水素脆化感受性が増大することを実証した。そして、遅れ破壊試験において負荷荷重及び水素ポテンシャルの変動によって早期に破断するとともに、荷重と水素ポテンシャル変動の相乗効果があること、また、200℃程度の低い温度で焼きなます回復処理によって疲労寿命が改善されることを実証した。また、最近注目されている口腔内での歯科矯正材料についても同様な観点から水素脆性が起きることを明らかにした。さらに、提案している水素脆性機構モデルの中核となっている原子空孔密度の増加とその凝集を実証するために、今までの水素昇温分析とともに、集束イオンビーム加工法によって電子顕微鏡観察試料を作製し、破面近傍の変形組織の観察から局所的な非晶質化を伴ってき裂が進展すること、さらに水素マイクロプリント法によって水素をトラップする欠陥の局所分布を観察した。また、試料表面の原子配列状態をナノスケールで観察するために、動的な電子線回折法が有用であることを確認した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】14,300千円 (直接経費: 14,300千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】09650088 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

界面 / 水素拡散 / 破壊 / 変形 / 分子動力学 / Fe-H ポテンシャル / Fe-Hポテンシャル / α鉄 / 水素侵入 / ひずみ / 強度

【研究成果の概要】

アモルファスシリコン(α-Si)太陽電池のフレキシブルモジュールなど数10nm〜数100nmの多層薄膜電極の界面は,高温・高湿状態で界面剥離を生じる可能性があり,薄膜電極の剥離・断線による電気的特性劣化が懸念されるので,耐環境性や強度特性試験が実施されている.界面剥離を生じる力学的環境としては,製膜時の残留応力,環境温度変化に伴う熱応力,応力集中が挙げられる.加えて,屋外環境で使用されるモジュールの場合には,防湿被膜表面から侵入する水素原子の金属界面強度に及ぼす影響が注目されている.そこで本研究では,結晶界面を有するα鉄の自由表面からの水素の侵入を2種類のFe-Hポテンシャル(Markworth型,Olander型)を用いて分子動力学(MD)解析し,負荷に伴う界面の変形・破壊特性に及ぼす水素の影響を検討するとともに,その結果を実際の水素侵入メカニズムと比較・検討し,より現実的なモデルを提案し,その有効性を示した.得られた結果をまとめれば以下の通りである.
(1)仮定するFe-Hポテンシャルによりα鉄の自由表面からの水素の侵入挙動や界面の変形・破壊挙動は異なる.(2)水素は界面破壊・はく離を助長するが,その主因子は,負荷ひずみと水素濃度である.(3)実際の水素侵入のメカニズムに立脚し,仮定するポテンシャルと実際の水素の挙動との対応を明らかにした.(4)水素化物の挙動にはMarkworthポテンシャルが対応し,これは界面の脆性的な破壊を助長する.一方,水素イオンの挙動にはOlanderポテンシャルが対応し,これは界面の延性的な破壊を助長する.(5)両ポテンシャルの水素が混在した現実的なモデルを考案し,このモデルでは水素の侵入がより助長され,界面破壊がより内部でも生じることを明らかにした.
以上から,界面はく離強度向上には,製膜時の残留応力緩和と防湿皮膜を通して侵入する水蒸気の阻止が重要と考えられる.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1997 - 1998

【配分額】3,400千円 (直接経費: 3,400千円)

【研究分野】複合材料・物性

【研究領域課題番号】05302049 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

セラミックス / 強度 / 破壊靭性 / ハイブリッド型複合材料 / ナノ粒子分散複合材料 / 微細構造制御 / フェイルセーフ / ナノコンポジット / ハイブリッド複合材料 / 破壊 / 破壊靱性 / 力学的特性

【研究成果の概要】

セラミックスの強度、破壊靭性を目指した微細構造の制御には粒子分散による複合化が有効な方法であり、最近セラミックスの力学的特性の向上を目指したナノ粒子分散によるナノ複合材料に関する研究が進められている。今年度は、3種類のアルミナセラミックス基ハイブリッド型のナノ粒子分散によるナノ複合材料について、分散相のナノ化のメカニズムやナノ粒子の粒内分散による微細構造の制御効果を検討した。
(1)Al_2O_3/5vol%SiCナノ粒子分散複合材料:
微粒子のSiCはアルミナの粒内に存在するのに対し、より大きいSiCはアルミナの粒界に存在した。また、ナノ分散化過程はマトリックスの緻密化の程度と密接な関係があり、焼結が進むにつれてアルミナ粒界の移動によってアルミナの粒径が安定な大きさになり、分散SiCは粒内気孔のようにマトリックス内部に取り込まれていることがわかった。ナノ粒子分散により、強度、破壊靭性ともに向上した。
(2)Al_2O_3/SiC/YAGハイブリッド複合材料:
ミクロンサイズのYAG粒子とナノサイズのSiC粒子からなる等軸構造のAl_2O_3/SiC/YAGハイブリッド複合材料を製造することに成功した。アルミナの粒成長は抑制され、均質な微細構造が達成され、これにより力学的特性の向上が達成された。
(3)Al_2O_3/LaAl_<11>O_<18>複合材料:
繊維状に細長い強化相をもつ複合材料を製造した。強度、破壊靭性ともに強化相の体積含有率の増加とともに増加した。とくに破壊靭性は強化相のアスペクト比の増加とともに増加した。強化相による架橋およびクラックの偏向が高靭性化に寄与している。

【研究種目】総合研究(A)

【研究期間】1993 - 1995

【配分額】21,900千円 (直接経費: 21,900千円)

【研究分野】材料力学

【研究領域課題番号】61460087 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

接着 / 接合 / 界面 / 機能性 / 変形 / 強度 / 静特性 / 動特性 / クラック / 応力 / 重合 / 積層 / 降伏 / 破壊 / 収縮 / 金属 / ポリマー / セラミック / 接着接合 / 応力解析 / 破壊靭性 / 界面特性 / 積層材料 / 振動減衰

【研究成果の概要】

接着接合は, 構造軽量化, 高減衰特性など, 機械的接合法にくらべて, すぐれた機能性を持っている. しかし, 接着接合とその機能性の基本的な関係が明らかにされていないため, 接着技術の構造接合法としての信頼性はあまりたかくない. 接着接合部の機能性は, 接合部の構成材料の力学的性質や, 接合部の幾何学的形状だけでなく, 接合界面の物理化学的性質, さらに接着剤の硬化過程など, ひろい範囲の因子の影響を受けている. したがって, 接着接合部の機能性の十分な把握には, これらのおおくの因子を考慮した総合的な検討が必要である. 本研究では, 接着接合部の機能性を, 接合材料の物性値だけでなく, 接合界面の力学的性質と物理化学的性質をも考慮して, 総合的に解明することを試みた.
1.接着接合部の変形と強度を系統的に解析する方法を確立し, 実験との比較によりその妥当性を確かめた.
2.接着接合部の静剛性と動剛性に及ぼす接着条件の影響を, 実験的に調べ接着状態を認識する方法を確立した.
3.接着界面のクラック先端とその近傍の応力分布を弾塑性解析し, その分布状態を明らかにした.
4.ポリマーの接着性を, 樹脂の重合過程, 内部構造と関連ずけて明らかにした.
5.フィルム積層材料の降伏と破壊のメカニズムと積層条件の関係を明らかにした.
6.セラミックの結合過程の収縮量を焼成条件に関連ずけて明らかにした.

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1986 - 1987

【配分額】6,000千円 (直接経費: 6,000千円)