その場中性子回折実験により鋳鉄の組織挙動を原子レベルで観測
2020-08-25 日本原子力研究開発機 J-PARCセンター,京都大学
【発表のポイント】
- 建設機械の油圧機器のケーシングや自動車の様々な部品などに広く使われる鋳鉄（球状黒鉛鋳鉄）は、大きな外力に耐えながら過酷な環境下で長い寿命での使用が求められています。球状黒鉛鋳鉄を、過酷な環境を模擬し繰り返し引張圧縮変形させると強度が増加することが知られていますが、そのメカニズムは謎のままでした。
- 原子力機構、J-PARC、日立建機及び京都大学の研究グループは、このメカニズムの解明に向け、球状黒鉛鋳鉄を繰り返し引張圧縮変形させながら「その場中性子回折実験」を行い、球状黒鉛鋳鉄の構成相それぞれの外力に対する応答を観測しました。その結果、引張圧縮のサイクル数の増加に伴い、球状黒鉛鋳鉄の構成相の一つである「フェライト」に結晶欠陥（転位）が蓄積されることで、分担する応力が大きくなり、それが球状黒鉛鋳鉄全体の強度の増加に大きく寄与していることを明らかにしました。
- 過大な外力に対する鋳鉄の特性に対する基本的理解が進んだことで、安全性能や寿命の向上につながる鋳鉄の材料設計にフィードバックが可能となり、使用環境に適した鋳鉄の材料開発への貢献が期待できます。
繰り返し引張圧縮変形中のその場中性子回折実験の模式図（左）と変形試験片(右)
【概要】
国立研究開発法人日本原子力研究開発機構（理事長 児玉敏雄、以下「原子力機構」という。）J-PARCセンターのハルヨ・ステファヌス研究主幹、川崎卓郎研究副主幹、ゴン・ウー特別推進研究員（現：京都大学）、日立建機株式会社（現：新東北メタル株式会社）の窪田哲博士、国立大学法人京都大学のガオ・シ博士の研究グループは、J-PARC注１の物質・生命科学実験施設（以下、「MLF」という。）に設置している高性能工学材料回折装置TAKUMI注2（以下「TAKUMI」という。）を用いて、全長5cm程度の鋳鉄試験片を繰り返し引張圧縮変形させながら、その場中性子回折実験を実施し、鋳鉄が「繰り返し引張圧縮」によって強度が増加するメカニズムを解明しました。
球状黒鉛鋳鉄（図1(a)）は、「フェライト」、「パーライト」及び「球状黒鉛」注3の3つの構成相（組織）を持つ鉄系の材料であり、高い外力に耐えることができ複雑な形状を作りやすいことから建設機械の油圧機器のケーシングや自動車の様々な部品、使用済み核燃料のキャスクなどに広く使われています。球状黒鉛鋳鉄を繰り返し引張圧縮変形させると強度が増加することが知られています。しかし、なぜ強度が増すのか、そのメカニズムは謎のままでした。そこで、そのメカニズムを解明するために、材料の構成相それぞれの負担する力及び組織の変化をその場中性子回折実験により観測しました。
解析の結果、以下のことが分かりました。
・繰り返し引張圧縮変形中に、「フェライト」の組織中に転位注4という結晶欠陥の蓄積が起こることで、「フェライト」の強度が高まっていきます。「パーライト」の組織中に含まれている「セメンタイト」注3は、割合が2.2％しかないため、鋳鉄全体の強度への寄与は限られています。
・「球状黒鉛」は驚くことに応力を負担せず、鋳鉄全体の強度へはほとんど寄与していません。
球状黒鉛鋳鉄の繰り返し引張圧縮変形中の強度が増加する挙動を定量的に詳しく解析できたのは、中性子の透過能力の大きさと、原子配列を見ることができる中性子回折実験で、鋳鉄材料中のそれぞれの構成相の振る舞いの測定に成功したことによります。
そしてこれは、J-PARCの大強度中性子ビームだからこそ得られた成果であり、またTAKUMIにおいて、試験片の変形試験を連続したその場中性子回折実験ができる手法を開発したことにより実現できました。
球状黒鉛鋳鉄で起きている現象の理解が深まれば、それを基に数値計算と熱処理手法の高度化も可能になり、使用環境に適した鋳鉄の材料設計に貢献できると考えています。
本成果は、2020年07月09日発行の英科学誌『Acta Materialia』にオンライン掲載されました。
【背景】
鋳鉄は、炭素含有量が高いため、鋼よりも溶融温度が低く、容易に鋳造ができます。鋳鉄中に含まれる炭素は、組織内で黒鉛を形成し、固化すると膨張して、鋳鉄の固化プロセスにおける全体の体積の収縮を補います。鋳鉄は、鋼とみなせる基地組織と黒鉛からなる一種の複合材料であり、基地組織と黒鉛の形態と分布を変化させることで、強度、延性など、広範な材料特性をカバーすることが可能です。
球状黒鉛鋳鉄は、組織中に球形の黒鉛を含む鋳鉄のことです。建設機械の油圧機器のケースや車のディスクブレーキなどに使われるため、過酷な環境において大きな圧力もしくは外力に対する耐久性が求められます。したがって、過酷な環境での鋳鉄及びその構成相の変形に対する挙動を理解することが非常に重要で、これを調べるため過酷な環境を模擬した繰り返し引張圧縮変形中のその場中性子回折実験を行いました。
【研究の成果】
鋳鉄のような複合材料の変形中の相ひずみ・応力、構成相の割合、結晶の配向状態、転位などのミクロ情報は、材料の特性の理解に欠かせません。鋳鉄の試験片内のこれらの平均的なミクロ情報を測定するには、顕微鏡より中性子回折が適しています。中性子は物質への透過能力が大きく、回折で原子配列を見るため、それぞれ構成相の振る舞いの測定に応用できるからです。
しかし、本研究に中性子回折を適用するに当たっては、変形量がたった±1％と小さい（図1b、引張試験の破断伸びは20％）ので、それぞれの構成相の振る舞いを得るには、その回折ピークの位置と形状の変化を高い分解能で測定する必要があり、困難であると予想されました。さらに、従来の変形中の中性子回折実験では、統計の良いデータを得るために、変形量を段階的に与えてから変形試験を止めており、その間に応力緩和が起こって、外力に対する応答を正しく捉えることが困難でした。この問題を解決するには、大強度の中性子ビームと高い分解能の中性子実験装置が必要です。
そこで研究グループは、J-PARC MLFの大強度中性子ビームと高い分解能のTAKUMIを利用し、試験片の変形試験を止めることなく、連続して中性子回折測定ができる手法を開発し、球状黒鉛鋳鉄の試験片（全長5㎝）を繰り返し引張圧縮変形させながら、その場での中性子回折を行いました。
図1 （a）研究で用いた球状黒鉛鋳鉄の組織写真
（b）繰り返し引張圧縮変形試験中のその場中性子回折実験から得られた各構成相の格子ひずみと負荷のマクロひずみの関係。格子ひずみは弾性ひずみなので応力を表しています。マクロひずみは試験片に貼り付けたひずみゲージから計測したもので、弾性ひずみと塑性ひずみを含んだ試験片全体のひずみです。
（c）繰り返し引張圧縮変形の最大マクロひずみ又は最小マクロひずみでの強度への寄与。(b)の各構成相の弾性ひずみ及びそれぞれの割合から各構成相の応力の全体強度への寄与を計算しました。カラー棒グラフは中性子回折から解析した「フェライト」、「セメンタイト」及び「黒鉛」からの強度への寄与。点線は最大マクロひずみ又は最小マクロひずみでの外力で比較のためにプロットしています。構成相の強度への寄与の総和が外力と一致します。
図1(b)は、試験片を±1％のマクロひずみ量で繰り返し引張圧縮変形させたときに得られた、各構成相の弾性ひずみと負荷のマクロひずみの関係です。中性子回折実験を行うと、材料中の「フェライト」、「パーライト」及び「球状黒鉛」のそれぞれの構成相が、外力に対してどれだけの応力を担っているのかの“内訳”を調べることができます。中性子回折実験ではそれぞれの構成相の格子面間距離に相当する位置に回折ピーク注5が得られます。応力が増えて結晶がひずむと、各構成相の格子面間距離が変化するので、回折ピークの位置がずれます。このずれから、各構成相が担う格子ひずみ（弾性ひずみ）を求めることができるのです。そして、各構成相の格子ひずみとそれぞれの割合から各構成相の応力の全体強度への寄与を評価することができます。
求めた、繰り返し引張圧縮変形時の各構成相の全体強度への寄与を、図1(c)に示します。「フェライト」は、それぞれのサイクルで最大マクロひずみ（引張時のひずみ）および最小マクロひずみ（圧縮時のひずみ）における全体強度への寄与が一番大きく、サイクルが増えるとその寄与もさらに大きくなり外力の増加と同様な傾向を表しています。「パーライト」に含まれている「セメンタイト」は、割合が2.2％しかないため、応力の寄与は限られていて、サイクル数に関係なくほとんど変化していません。一方、「球状黒鉛」は、鋳鉄全体の強度へはほとんど寄与していないことがわかりました。
さらに研究グループは、回折ピークの幅の解析などから、「フェライト」に転位の蓄積が起こること、サイクル数が増えるとその蓄積量が増えることを見出し、この転位の蓄積が、「フェライト」の強度を高めていく要因であることを明らかにしました。以上のことから、繰り返し引張圧縮変形の球状黒鉛鋳鉄の強度増加は、「フェライト」に転位の蓄積が起こることに起因することを解明しました。
【成果の意義】
鉄は資源が豊富な元素であり、鉄をベースにした鉄鋼材料や鉄系合金は古くから構造材料として我々の生活基盤を支えており、現在も建設機械、自動車、電車などの様々なインフラ発展のために特性の高度化や安全利用などの研究は継続的に行われています。
鋳鉄は、その内の重要な一つの鉄系材料であり、熱処理等のプロセスによって基地組織や黒鉛の形態と分布を比較的に容易に変化させることで、広範な材料特性及び応用先をカバーすることが可能な材料です。
したがって、球状黒鉛鋳鉄で起きている現象の理解が深まれば、それを基に数値計算と熱処理手法の高度化に繋がり、建設機械や自動車などの応用を考慮した材料設計へのフィードバックとなることを期待します。
【発表論文の情報】
Stefanus HARJO, Satoru KUBOTA, Wu GONG, Takuro KAWASAKI, Si ＧＡＯ, “Cyclic tension-compression of a ductile cast iron monitored by neutron diffraction”, Acta Materialia, doi: /10.1016/j.actamat.2020.07.016
この研究の一部は科研費18H05479の助成を受けたものである。
本研究において、ハルヨ氏と窪田氏は研究を立案し、ハルヨ氏、ゴン氏と川崎氏は中性子回折実験を行い、ガオ氏が組織観察を行ないました。データ解析及び論文執筆はハルヨ氏が行い、全員で内容に関する議論を行い、論文投稿を行いました。
【用語解説】
注１ J-PARC
J-PARCは大強度陽子加速器施設（Japan Proton Accelerator Research Complex）の略。高エネルギー加速器研究機構と日本原子力研究開発機構が茨城県東海村で共同運営している大型研究施設で、素粒子物理学、原子核物理学、物性物理学、化学、材料科学、生物学などの学術的な研究から産業分野への応用研究まで、広範囲の分野での世界最先端の研究が行われている。J-PARCの物質・生命科学実験施設（MLF）では、世界最高強度のミュオン及び中性子ビームを用いた研究が行われており、国内のみならず世界中から研究者が集まっている。
注２ 高性能工学材料回折装置「匠」
J-PARCの MLFに設置された飛行時間型中性子回折装置。世界最高水準の分解能を誇る。材料の環境を変化させながら、その場で試料内部のひずみや微細構造変化を詳細に測定できるため、工学材料研究の強力な手段になっている。
図2 J-PARCの高分解能の中性子回折装置TAKUMIと、材料を繰り返し引張圧縮変形しながらその場測定を行う中性子回折実験の様子
注3 「フェライト」、「パーライト」及び「球状黒鉛」
フェライト：体心立方格子構造をとる鉄系の組織である。
黒鉛：炭素から成り、 六方晶をとる組織である。
パーライト：鋼の組織の一種であり、薄い板状のフェライトとセメンタイトが交互に並んだ状態の層状の組織である。パーライト中のセメンタイトの体積率は11.5%である。球状黒鉛鋳鉄中のパーライトの堆積率が19.6%なので、セメンタイトの体積率は約2.2%である。
セメンタイト：Fe3Cで表される鉄の炭化物である。（Fe：鉄、C：炭素）
注4 転位
金属やセラミックスなどの材料は、原子がある一定の周期性を持って規則正しく並んだ結晶の状態で存在している。材料に強い力が加えられて変形が起こった際に、結晶内部に原子配列が乱れ周期性が失われた部分 (欠陥) が現れる場合がある。この欠陥のうち、原子配列の乱れが線状に連なったものを転位と呼ぶ。一般に、転位が蓄積すると、結晶すべりが起きにくくなり、材料の強度は高くなる。
注5 回折ピーク
原子レベルの現象を記述する量子力学の世界では中性子は波の性質を持つので、多数の原子で構成される結晶に中性子を照射すると原子が“障害物”として働き、中性子は回折現象を起こし、図3のように結晶の格子面間距離の位置に中性子回折のピークが現れる。本研究で、外力を加えて結晶がひずむと、各構成相の回折ピークは受けた応力に応じて位置がずれる。この“ずれ”から、各構成相が担う応力を求めることができる。また、回折ピークの幅から、結晶中の転位の情報を引き出すことができる。
図3 TAKUMIにより得られた球状黒鉛鋳鉄の中性子回折パターン
