緒 言

に 関 す る 研 究 は ほ と ん ど 見 ら れな い[17]，[18]．そのた め ， 摩 擦 攪 拌 によ り 組 織 改 質 し た 材 料 の 疲 労 挙 動 を 把 握 する こと が重 要 となる ．

3.1.2 摩 擦 攪 拌 改 質 の特 徴

FSP の工 程 の 模 式 図 を Fig.3-1 に示 す ．本 プ ロ セスでは，回 転 ツ ールと 呼 ば れる 棒 状 の 工 具 を 高 速 で 回 転 させながら 材 料 と 接 触 させ る． 材 料 との 間 で 発 生 す る 摩 擦 熱 に よ り 材 料 の 温 度 が 上 昇 し ， そ の 部 分 で 降 伏 応 力 が 低 下 す る ． こ の 時 に 材 料 内 部 に 挿 入 さ れ 高 速 回 転 し て い る 攪 拌 ピ ン に よ り 材 料 が 機 械 的 に 攪 拌 さ れ ， 材 料 に 強 ひ ず み が 加 え ら れ る ． こ の 状 態 で 工 具 を 水 平 方 向 に 移 動 さ せ る こ と で ， 工 具 が 通 過 し た 部 分 の 組 織 改 質 を 行 う ． こ の 方 法 で は 最 高 到 達 温 度 が 融 点 に 達 し な い た め 固 相 状 態 を 維 持 し な が ら 回 転 ツ ー ル に よ る 塑 性 流 動 に よ っ て 改 質 が 行 な わ れ る ．FSP で は ツ ー ル が 回 転 し つ つ 進 行 す る た め ， ツ ー ル の 左 右 の 組 織 は 対 称 で は な い ． 回 転 ツ ー ル の 回 転 方 向 と 進 行 方 向 が 一 致 す る 側 を“A-side：Advancing side”と 呼 び ， 反 対 側 は“R-side：Retreating side”と呼 ぶ ．

攪 拌 部(Stir Zone: S Z)の 模 式 図 を Fig.3-2 に 示 す． 図 中 グレ ーの部 分 が 攪 拌 に よ り塑 性 流 動 を 起 こす S Z である ．回 転 ツ ールはプロ ーブ とショ ルダーから な る ． プ ロ ー ブ に は 通 常 逆 ネ ジ が 切 ら れ て お り ， 回 転 方 向 だ け で は な く 上 下 方 向 に も 材 料 の 塑 性 流 動 が 行 われ る．

摩 擦 攪 拌 改 質 の パ ラ メ ー タ ー は ， ピ ン の 挿 入 深 さ ， ツ ー ル の 回 転 数 ， 送 り 速 度 などで ある ． 平 板 を 改 質 す る 場 合 ，ピ ン の挿 入 深 さは 板 厚 に よ り決 定 され るた め，ツ ールの回 転 数 と送 り 速 度 が 条 件 と なる．

摩 擦 攪 拌 プ ロ セスの 長 所 とし て 下 記 の点 が 挙 げら れる．

(1) ツ ールの 摩 擦 熱 以 外 に 熱 源 を 必 要 とし な い．

(2) 高 速 で 広 範 囲 の 加 工 が 可 能 ．

(3) 攪 拌 部 は 高 速 か つ 強 い 塑 性 加 工 を 受 け る た め ， 結 晶 粒 が 微 細 化 さ れ る．

(4) 局 部 的 な 材 料 改 質 が 可 能

(5) ツ ールが 非 消 耗 性 な の で経 済 的

Fig . 3 -1 S c he ma tic illu stra tio n s o f fric tio n stir p roc e ssin g .

3.1.3 攪 拌 条 件

Fig.3-3 に 摩 擦 攪 拌 改 質 を A-side か ら 見 た 模 式 図 を 示 す ． 摩 擦 攪 拌 改 質

（FSP） に は 主 に ツ ー ル 形 状 ， ま た は ツ ー ル の 回 転 速 度 お よ び 送 り 速 度 ， 傾 き 角 ， 押 込 み 量 などが 攪 拌 条 件 に 挙 げら れる． 特 に FSP に よっ て形 成 さ れる 組 織 は ， 入 熱 （ 摩 擦 熱 ） の 影 響 に よ る と こ ろ が 大 き い こ と か ら ， 回 転 速 度 お よ び 送 り 速 度 が 一 般 的 に 非 常 に 重 要 な 因 子 と な る こ と が 知 ら れ て い る ． 過 去 の 研 究 で は ， FSP によ っ て Fi g.3-4 に 示 すよ う な塑 性 流 動 組 織 （オニオンリ ング）が生 成[7]さ れ る ． 発 生 し た き 裂 が 湾 曲 し た 組 織 に 沿 っ て 進 展 し ， き 裂 進 展 速 度 を 速 め る な ど疲 労 強 度 に 悪 影 響 を 与 え る ． 一 方 ， 低 ひずみ 速 度 下 に おける FSP を 施 すこ とに よ り高 ひずみ速 度 条 件 下 での FSP に比 較 し てオニオンリ ングの生 成 領 域 を 抑 制 す る[7]と 報 告 し て い る ． 攪 拌 条 件 に よ っ て オ ニ オ ン リ ン グ 生 成 量 や 粒 径 を 制 御 す る こ と は ， 材 料 強 度 向 上 な ど の 目 的 に お い て は 必 要 で あ る が ， 攪 拌 条 件 の 影 響 に関 する 研 究 は 少 ないのが 現 状 である．

FSP 中 の 流 動 組 織 は回 転 し た ピンによっ て攪 拌 さ れている ．ピ ンの 回 転 速 度 と の ず れ が あ る こ と か ら ， その 流 動 速 度 は 遅 く な り う る ．FSP 中 の 平 均 材 料 流 動 速 度 Rmを ピンの 回 転 速 度 の 約 半 分 Rpとし ，流 動 中 の 平 均 的 な ひずみ 速 度𝜀̇を 直 線 近 似 することに よっ て 式 3-（1）のよ う に算 出 され る[19].

𝜀̇ =^𝑅𝑚・_𝐿^{2𝜋𝑟𝑒}

𝑒 ・ ・ ・式 3-（1）

式 中 の re や Le は Fig.3-5 に 示 すそれぞ れ動 的 再 結 晶 領 域 の平 均 半 径 およ び 深 さ で あ る ． こ の こ と か ら 送 り 速 度 を 一 定 と す る と 回 転 速 度 が 増 加 す る と ひ ず み速 度 が比 例 し て 増 加 する． また FSP 中 のひずみ速 度 は 回 転 速 度 に 依 存 し て いる．

Fig . 3 -3 C ro ss se c tio n o f ma te ria l d u rin g FSP p ro c e ss．