可 F炉 一
~
3. Cu‑W 人 工 積 層 複 合 材 の 高 温 圧 縮 試 験 に よ り 、 異 相 界 面 に か か る せ ん 断 応 力 と タ ン グ ス テ ン の 圧 延 方 向 と が 垂直の場合と、平 行 の 場合と で 、 複 合 材 料 の 強 度 に 大 き な 差 の あ る こ と が 知 ら れ た 。 平 行 な場 合に は 、 変 形 と と も に 変 形 応 力 は い っ た ん 上 昇 す る が 、 そ の後 急 激 に 低 下 す る の に 対 し 、 垂 直 な 場 合 に は そ の よ う な 低 下 は 生 じ な
し¥0
4. 同 積 層 材 の 変 形 中 の そ の 場 観 察 に よ り 、 強 度 の 低 下 は 異 相 界 面 す べ り に よ る こ と が わ か っ た 。 ま た 、 3の 結 果 と 界 面 近 傍 の 構 造 の 観 察 か ら 、 異 相 界 面 す べ り は 界 面 構 造 の 制 御 に よ り 阻 止 で き る 可 能 性 の あ る こ と が 示 唆 さ れ た 。
5.界 面 す べ り が 抑 制 さ れ て い る と き 、 本 複 合 材 の 高 温 変 形 挙 動 は 、 界 面 で 拘 束 を 受 け た 銅 相 の 変 形 と し て 理 解 で き 、 そ の 場 合 の 強 度 は 銅 単 相 の と き よ り か な り 大 き く 、 複 合 効 果 の あ る こ と が わ か っ た 。
6 . F e ‑ 3 . 5 a t % M o
合 金 を1 0 5 0 r v 1 1 5 . 0 K
に お い て 種 々 の ひ ず み 速 度 で 定 速 度 引 張 試 験 に 供 し 、 定 常 変 形 応 力 と ひ ず み 速 度 の 関 係 を 求 め た 。1100Kと 1150Kで は 両 対 数 プ ロ ッ ト で 両 者 の 聞 に 直 線 関 係 が あ り 、 そ の 勾 配 よ り 求 め ら れ る ひ ず み 速 度 の 応 力 指 数 は 約
3 . 5
で 、 典 型 的 な 固 溶 硬 化 合 金 で 得 ら れ る 値 と 同 様 で あ っ た 。 し か し 105 .
0Kでは ひ ず み 速 度 が 約 5X 10‑55‑1以 上 で 直 線 関 係 か ら ず れ 始 め 、 変 形 機 構 の 変 化 し て い る こ と が 示 さ れ た 。定 常 変 形 応 力 と ひ ず み 速 度 に 直 線 関 係 が あ る と き は 、 変 形 の 活 性 化 エ ネ ル ギ ー は
2 9 4 k J. m o l ‑
1で・、F e
中のMo
原 子 の 固 有 拡 散 の 活 性 化 エ ネ ル ギ ‑( 2 8 5 k J . m o l ‑
1)に 近 い こ と が わ か っ た 。 こ れ よ り 、 こ の 合 金 の 変 形 に はMo
原 子 の 拡 散 に 律 速 さ れ る 溶 質 雰 囲 気 引 き ず り可~
抵 抗 の 寄 与 が 大 き い が 、 低 温 、 高 ひ ず み 速 度 で は 変 形 機 構 が 変 化 す ると考えられる。
7. Fe‑Mo合 金 に つ い て 、 転 位 と 溶 質 原 子 の 弾 性 的 な 相 互 作 用 エ ネ ル
ギ ー に 基 づ い た 溶 質 原 子 の 格 子 点 間 ジ ャ ン プ を 計 算 す る こ と に よ っ て 、 転 位 の 運 動 速 度 uと 転 位 に か か る 分 解 せ ん 断 応 力7dとの関係を 算出した結果、 7dは Uと と も に 増 加 し 、 極 大 値 を 示 し た 後 減 少 す る
こ と が わ か っ た 。 こ れ は 従 来
A I ‑ M g
合 金 で 得 ら れ て い た も の と 定 性的に一致する。8 .
室 温 変 形 で 転 位 を 導 入 し たA l ‑ 3 . 1 a t % M g
合金を、 473Kで 保 持 す る こ と に よ っ て 、 転 位 の ま わ り にMg
原 子 の 雰 囲 気 が 形 成 さ れ る 熱 処 理 を 行 う と 、 比 抵 抗 の 低 下 が 見 ら れ 、 そ の 低 下 量 は 保 持 時 間 約 60sで ほ ぼ 一 定 に な っ た 。 こ の と き の 比 抵 抗 を 転 位 密 度 に 換 算 す る と 回 復 が 完 了 し た と は 考 え に く い 比 較 的 大 き な 値 (6.5x1014m‑2)が 得 ら れ た 。 こ れ よ り 、 比 抵 抗 の 減 少 は 、 回 復 に よ る 転 位 密 度 の 減 少 の 効 果 の 他 に 転 位 の 周 り にMg
原 子 の 雰 囲 気 が 形 成 さ れ た 効 果 に よ るものと思われる。9. 高 温 に お い て
A l ‑ 5 . 7 a t % M g
合 金 を 種 々 の ひ ず み 速 度 で 十 分 定 常 状 態 に は い る ま で 変 形 し て 、 ひ ず み 速 度 と 定 常 変 形 応 力 と の 関 係を求め、 3乗 則 か ら の ず れ か ら 変 形 機 構 が 変 化 す る 変 形 応 力 ( 約9 0 M P a )
を 求 め た 。 こ の 応 力 以 下 で は 、 変 形 前 後 の 合 金 の 比 抵 抗 の 変 化 率 は 定 常 変 形 応 力 が 大 き く な る と と も に 減 少 し 、 こ れ を 越 え ると 逆 に 比 抵 抗 は 増 加 し た 。 こ の 結 果 は 、 前 者 は 変 形 速 度 が 遅 い た め 溶 質 雰 囲 気 を 形 成 し た 刃 状 転 位 が 増 加 し 、 母 相 の 溶 質 原 子 濃 度 が 減 少 す る 効 果 に よ っ て 、 後 者 は 変 形 速 度 が 速 い た め 雰 囲 気 を 作 ら な い
ら せ ん 転 位 の 割 合 が 増 加 す る 効 果 に よ っ て 説 明 で き る 。
10. Fe‑3.5at%Mo合 金 に つ い て 変 形 経 路 を 変 化 さ せ る 実 験 を 行 い 、 得 ら れ た 応 力 ー ひ ず み 曲 線 が 経 路 に 大 き く 依 存 す る こ と を 明 ら か に し た 。 し か し 、 定 常 変 形 状 態 に 入 っ た と き の 変 形 応 力 は 変 形 の 前 歴 に よ ら ず 一 定 で あ っ た 。 こ の 結 果 は こ れ ま で に 報 告 さ れ て い る AI‑Mg 合 金 の 結 果 と 定 性 的 に は 同 じ で あ る 。
11 . 溶 質 雰 囲 気 引 き ず り 機 構 を 前 提 と し て 変 形 応 力 を 予 測 し 、 3つ の 変 形 経 路 に 沿 う 変 形 応 力 は 、 溶 質 雰 囲 気 引 き ず り 機 構 が 働 く と 考 え ら れ る 変 形 条 件 で は 、 よ く 実 験 値 を 再 現 で き る こ と を 示 し た 。 12. 実 験 値 と 計 算 値 で 変 形 応 力 に 不 一 致 が 見 ら れ た 場 合 も 見 出 さ れ た が 、 そ の と き の 変 形 条 件 は 、 ひ ず み 速 度 が 大 き く 、 上 記 の 予 測 法 で 求 め た 転 位 速 度 と 溶 質 雰 囲 気 引 き ず り 抵 抗 の 比 例 関 係 が 崩 れ る 変 形 条 件 に 対 応 し て い る こ と を 明 ら か と し た 。 こ れ よ り 、 変 形 応 力 の 不 一 致 は 転 位 の 溶 質 雰 囲 気 離 脱 に 起 因 す る も の と 思 わ れ る 。 11
と 12の 結 果 は こ れ ま で に 報 告 さ れ て い る AI‑Mg合 金 の 結 果 と 符 号 し 、 用 い た 予 測 法 が 、 固 溶 硬 化 合 金 の 高 温 変 形 が 転 位 の 溶 質 雰 囲 気 引 きずり運動で律速されている場合に、広く使用できることを示した。
上 に 列 挙 し た よ う に 、 積 層 複 合 材 料 で は 、 構 成 相 の 熱 膨 張 係 数 の 相 違 が 熱 サ イ ク ル に よ る 材 質 劣 化 の 主 因 で あ り 、 そ の 劣 化 は 主 に 構 成 相 聞 の 界 面 す べ り に よ る も の で あ る 。 し か し い 高 温 変 形 の 際 に 生 じ る 界 面 す べ り に は 、 そ の 発 生 の 仕 方 に 顕 著 な 異 方 性 が あ り 、 そ れ は 界 面 構 造 の 異 方 性 に よ る も の と 推 定 す る こ と が で き た 。 し た が っ て も し 、 界 面 の 整 合 性 を 高 め る こ と が で き れ ば 、 す べ て の 方 向 へ の
界 面 す べ り を 抑 制 す る こ と が で き る で あ ろ う 。 そ の と き 、 本 研 究 の よ う に 熱 サ イ ク ル の 周 期 が 短 け れ ば 、 軟 相 は 繰 返 し 引 張 ー 圧 縮 の 応 力 変 動 を 受 け て 劣 化 す る が 、 軟 相 だ け が 伸 び て し ま う と い う よ う な こ と は 起 こ ら な い と 思 わ れ る 。 ま た 、 複 合 材 料 の 受 け る 熱 サ イ ク ル が 緩 慢 で あ れ ば 、 応 力 変 動 に よ っ て 生 じ る 欠 陥 は 高 温 下 で 消 滅 し 、 蓄 積 し な い と い う こ と も 考 え ら れ る 。 以 上 の こ と は 、 熱 膨 張 係 数 の 差 が あ る 程 度 大 き い 場 合 で も 、 界 面 構 造 の 制 御 に よ っ て 熱 疲 労 を 低 減 で き る 可 能 性 が あ る こ と を 示 し て い る 。 今 後 の 高 温 用 複 合 材 料 ( 特 に 積 層 複 合 材 料 ) の 開 発 に は 界 面 構 造 の 制 御 が 重 要 な 研 究 テ ー マ と
し て 取 り 上 げ ら れ る べ き で あ る 。
ま た 、 界 面 で の ボ イ ド の 発 生 は 、 軟 相 内 の 転 位 が 界 面 に 堆 積 し て 生 じ る 応 力 集 中 に よ る も の と 考 え ら れ る の で 、 負 荷 重 が 積 層 方 向 に か か る よ う な 条 件 で 複 合 材 料 を 使 う よ う に す れ ば 、 応 力 集 中 は 緩 和 さ れ ボ イ ド の 発 生 が 抑 制 さ れ る で あ ろ う 。 こ の と き も 、 熱 サ イ ク ル に よ る 塑 性 変 形 は 避 け ら れ な い が 、 サ イ ク ル の 周 期 が 長 け れ ば 高 温 下 で 転 位 は 回 復 消 滅 し 、 材 質 の 劣 化 は 起 こ ら な い と 考 え ら れ る 。
以 上 の よ う に 、 熱 膨 張 係 数 の 差 が 問 題 と な る 複 合 材 料 で も 、 そ の 材 質 の 劣 化 を 防 止 す る 対 策 が 残 さ れ て い る こ と を 本 研 究 結 果 は 示 唆
している。
固 溶 硬 化 材 料 に 対 す る 問 題 は 、 複 合 強 化 材 料 の 場 合 と 全 く 異 な る 。 熱 膨 張 の 問 題 は な い が 、 変 形 に よ る 転 位 の 増 殖 、 回 復 に よ る 転 位 の 消 滅 、 溶 質 雰 囲 気 の 形 成 と そ の 転 位 運 動 に 対 す る 抵 抗 が 問 題 と
な る 。 し か し 、 本 研 究 に よ り 、 上 述 の 諸 問 題 に 対 す る 理 論 と 実 験 に 基 づ い て 、 任 意 の 変 形 経 路 に 対 す る 変 形 応 力 が か な り よ い 精 度 で 予
測 で き る こ と が 明 ら か に な っ た こ と は 、 こ れ ら の 問 題 の 主 要 部 分 は 解 決 さ れ た こ と を 示 す も の と 思 わ れ る 。 た だ し 、 上 述 の 予 測 に な お 実 験 的 に 定 め な け れ ば な ら な い 幾 つ か の パ ラ メ ー タ を 必 要 と し て い
る と こ ろ に 問 題 が 残 さ れ て い る 。 そ れ ら の パ ラ メ ー タ も す べ て 理 論 的 に 求 め ら れ な け れ ば 、 予 測 法 は 完 成 し た と 言 え ず 、 今 後 の 研 究 に 待 た な け れ ば な ら な い 。
実 用 上 も っ と 重 要 な 問 題 は 、 実 際 の 塑 性 加 工 が 、 多 く の 場 合 、 転 位 が 溶 質 雰 囲 気 か ら 離 脱 す る 変 形 速 度 の 速 い 条 件 で 行 わ れ る こ と で あ る 。 こ の 条 件 下 で の 変 形 応 力 の 予 測 に は 未 だ 成 功 し て お ら ず 、 こ れ は 今 後 の 重 要 な 課 題 で あ る 。 し か し 、 限 ら れ た 条 件 下 と は い え 、 従 来 、 材 料 毎 、 変 形 条 件 毎 に 求 め ら れ て い た 変 形 応 力 を 、 変 形 機 構 に 基 づ い た 基 礎 理 論 か ら 推 定 で き る 汎 用 性 の 高 い 方 法 に よ っ て 予 測 す る こ と が で き た こ と は 、 大 き な 一 歩 で あ ろ う 。
謝 辞
本 研 究 を 遂 行 す る に あ た り 、 吉 永 日 出 男 教 授 に は 終 始 懇 切 丁 寧 に 御 指 導 い た だ い た 。 さ ら に 、 論 文 の 執 筆 の 際 に は 有 意 義 な 御 意 見 を 数多くいだだいた。
中 島 英 治 助 教 授 に は 研 究 の 指 針 、 ま た 研 究 生 活 全 般 に つ い て 多 く の 助 言 、 叱 陀 激 励 を い た だ い た 。
後 藤 正 治 教 授 ( 現 在 、 秋 田 大 学 鉱 山 学 部 教 授 ) 、 栗 下 裕 明 助 教 授 (現在、東北大学金属材料研究所助教授)には、研究生活に入りたて の 時 期 に 、 適 切 な 助 言 を 数 多 く い た だ い た 。
有 明 高 等 工 業 専 門 学 校 宮 川 英 明 教 授 に は 特 に 本 研 究 の 後 半 に つ い て 貴 重 な 御 意 見 を い た だ い た 。
連 川 貞 弘 助 手 、 吉 田 冬 樹 助 手 に は 、 事 あ る ご と に 多 く の 助 言 と 手 助けをいただいた。
九 州 大 学 大 学 院 総 合 理 工 学 研 究 科 沖 憲 典 教 授 、 九 州 大 学 工 学 部 小 野 寺 龍 太 教 授 に は 、 本 研 究 に 対 し 貴 重 な 御 意 見 を い た だ い た 。 ま た 、 こ の 研 究 は 、 共 同 実 験 者 の 村 上 浩 章 氏 、 大 津 山 隆 氏 、 岡 崎 俊 宏 氏 、 竹 盛 英 昭 氏 の 大 い な る 努 力 の た ま も の で あ る 。
こ こ に 御 名 を 挙 げ 、 こ の 研 究 に 御 協 力 頂 い た 方 々 に 甚 大 な る 感 謝 の念を表す次第である。