| Item type |
学位論文 / Thesis or Dissertation(1) |
| 公開日 |
2011-01-17 |
| タイトル |
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タイトル |
室温における六方晶金属特有の新たなクリープ機構の解明 |
| 言語 |
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言語 |
jpn |
| 資源タイプ |
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資源タイプ識別子 |
http://purl.org/coar/resource_type/c_46ec |
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資源タイプ |
thesis |
| 著者名 |
松永, 哲也
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| フリガナ |
マツナガ, テツヤ
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| 著者 |
MATSUNAGA, Tetsuya
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| 学位授与機関 |
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学位授与機関名 |
総合研究大学院大学 |
| 学位名 |
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学位名 |
博士（工学） |
| 学位記番号 |
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内容記述タイプ |
Other |
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内容記述 |
総研大甲第1324号 |
| 研究科 |
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値 |
物理科学研究科 |
| 専攻 |
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値 |
11 宇宙科学専攻 |
| 学位授与年月日 |
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学位授与年月日 |
2010-03-24 |
| 学位授与年度 |
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値 |
2009 |
| 要旨 |
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内容記述タイプ |
Other |
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内容記述 |
チタン(Ti)合金(Ti-6Al-4V)は、機械的及び化学的特性に優れることから、ISAS/JAXAで<br />は科学衛星用の燃料タンク材として使用している。しかし、このタンクの耐圧試験中、室<br />温、耐力以下という状況ながら、顕著なクリープ挙動を観察した。観察された変形量は、<br />タンクとして使用する際、安全性に問題はない程度だった。しかし、Ti-6Al-4Vは、ボル<br />トやナットとしても使用しており、この場合、クリープによるひずみが、締結力の低下を<br />招くため、衛星などの破壊の原因になりかねない。通常クリープ変形は、0.4 <i>T</i>m(<i>T</i>m:融点)<br />以上の高温で顕著となり、室温が0.15 <i>T</i>mとなるTi合金では、設計上クリープ変形は考慮<br />されない。つまり、クリープ変形が考慮されない温度域且つ降伏応力以下の低応力域でク<br />リープ（室温クリープ）が発生した場合、予想外の事故に見舞われる危険性があるため、<br />本論文では室温クリープ機構を解明することを目的とした。<br /> 初めに、様々な結晶構造を有する金属及び合金を用いて、室温クリープが発生する材料<br />の判別を行った。これより、六方晶構造を有する全ての材料で室温クリープが発生し、概<br />ね10<sup>-9</sup> s<sup>-1</sup>程度の定常クリープ速度を示すことが分かった。この時、六方晶純金属の応力指<br />数（<i>n</i>）は約3であり、見かけの活性化エネルギー（Q）は、20 kJ/molとなった。<br /> 次に、なぜ室温クリープが六方晶材料のみで観察されるのか、透過型電子顕微鏡(TEM)<br />及び光学顕微鏡(OM)を用いて変形組織を観察した。TEM観察より、六方晶金属（工業用<br />純チタン(CP-Ti)、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)）において観察された転位は、直線的で、<br />転位同士の切り合いが無く、一つのすべり系しか活動していないことが分かった。また、<br />軸比の差異による転位構造の変化は観察されなかった。正方形を基本とした立方晶構造で<br />は、すべりを起こしやすいすべり系が粒内に12個存在する。一方、六角形を基にした六方<br />晶構造では、2個と少ない。つまり、活動しやすいすべり系が多い立方晶構造では、多く<br />のすべり系で転位が運動するため、転位同士が絡まり加工硬化して、クリープが発生しな<br />いが、六方晶構造では転位同士の絡まりが発生しにくい（加工硬化の速度が遅い）ため、<br />転位は自由に結晶粒内を運動でき、室温クリープが発生したと考えている。<br /> OM観察はCP-TiとMgを使用し、室温クリープに対する変形双晶の影響を調査した。<br />CP-Tiでは、純度が高くなるにつれ変形双晶の発生が顕著になるため、2つの純度の異な<br />る試料を準備し、変形挙動の違いを観察した。またMgでは、引張及び圧縮クリープ試験<br />を実施した。これは、圧縮と引張では変形双晶の発生頻度に違いがあるためである。CP-Ti<br />による試験の結果は、より高純度な試料において、変形双晶の発生を観察したが、クリー<br />プひずみは小さかった。Mgにおいては、圧縮クリープ試験後の試料から、顕著な双晶の<br />発生を確認したが、クリープひずみは生まれなかった。つまり、室温クリープに対する、<br />変形双晶の影響は低いといえる。よって、六方晶金属の室温クリープは、転位の運動が主<br />たる変形機構であることが明らかとなった。<br /> しかし、粒内で転位運動に障害がない場合、転位は粒界に堆積して、クリープ変形を停<br />止させることが考えられるが、長期のクリープ試験から、変形は停止しないことが明らか<br />となった。つまり、転位は粒界において緩和されている可能性がある。そこで、粒径を変<br />化させた試料を用いて、後方散乱電子回折（EBSD）法及び原子間力顕微鏡（AFM）より、<br />室温クリープにおける粒界の影響を調査した。<br /> 従来の高温側の転位クリープでは、粒径依存性は観察されないが、室温クリープでの粒<br />系指数（<i>p</i>）は約1が得られた。これは、転位運動が粒界の影響を受けている証拠である。<br />またAFMより、クリープ変形中の粒界すべりの発生、EBSD法より、転位が粒界近傍に堆<br />積していることが分かった。室温クリープではQ値が低いことから、拡散による粒界すべ<br />りは観察されない。そこで、Q=15 kJ/mol程度と見積もられ、室温クリープのそれと近い、<br />すべり誘起の粒界すべり機構の適用が考えられる。この場合、律速過程は粒界での転位の<br />吸収で、その後、吸収された転位が粒界内を運動することで粒界すべりを生み出す。<br /> 以上から、室温クリープとは、結晶粒内の転位運動と粒界でのすべり誘起の粒界すべり<br />の連続的な発現によって発生する現象であることが明らかとなり、従来から報告のある転<br />位クリープとは異なる機構で変形することが分かった。この結果を受け、Ashbyの変形機<br />構領域図に新たに、室温クリープ領域を加筆した。また、室温クリープの構成方程式を以<br />下のように、定義することが可能となった。<br /><sub>.</sub> Q μb σ <i>b</i><br /> <big>ε</big>s = <i>AD</i><small>0</small> exp<font size="4">(</font>−----- <font size="4">)</font><font size="4">(</font>-----<font size="4">)</font><font size="4">(</font>----- <font size="4">)</font><sup><i>n</i></sup><font size="4">(</font>----- <font size="4">)</font><sup><i>p</i></sup><br /> <i>RT</i> <i>kT</i> <i>E</i> <i>d</i><br /> .<br />ここで、<big>ε</big>s は定常クリープ速度、<i>A</i>は定数、<i>D</i><small>0</small>は頻度因子, <i>R</i>はガス定数、<i>T</i>は温度[K]、<br /><i>k</i>はボルツマン定数、μは剛性率、σは応力、<i>E</i>はヤング率、<i>b</i>はバーガースベクトル、<i>d</i> は<br />粒径である。また、Q=20 kJ/mol、<i>n</i>=3、<i>p</i>=1となった。 |
| 所蔵 |
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値 |
有 |
要旨・審査要旨 (343.1 kB)
