+ In-situ observation

+ Dynamics of
         solidification

+ Modeling of
   semisolid deformation

+ Micro-alloying

+ Crystal orientation


科学研究費補助金 基盤研究(S)

マイクロアロイングの科学と材料組織ベースの凝固ダイナミックスの構築
Development of microalloying science and solidification dynamics on the basis of microstructure evolution
ここで紹介する研究は、上記の研究プロジェクトの成果を含んでいます。

+ 時間分解・その場観察

金属材料の凝固・結晶成長は、組織制御や欠陥の抑制、さらに材料特性の発現のため、 理解が必要不可欠の過程です。しかし、高温、可視光に対して不透明であるため、 凝固している状態をありのまま観察するその場観察(in-situ)は困難でした。
SPring-8などの放射光施設で利用可能な10keV以上の硬X線の単色光を利用し、 密度や濃度の違いによる吸収差により組織形成過程を時間分解でその場観察できる 手法を開発しています。
金属材料中でデンドライトがどのように形成するか、変態の形態などを実際に知ることが できれば、これまで想像の域を超えなかった凝固現象を理解でき、物理モデルの構築、 シミュレーション結果の妥当性の検証などに応用でき、凝固・結晶プロセスの発展に 寄与すると期待されます。
ビデオの説明:Sn-Bi合金の凝固過程でデンドライト(樹枝状晶)が形成される過程をX線により観察 した例であり、色の違いはBi濃度の違いに対応しています。この手法により、Sn合金だけでなく、 Al合金、Mg合金、Cu合金、Ni超合金、鉄鋼材料など社会に欠かせない金属材医療の凝固現象の観察が可能です。 例えば、1500℃以上で鉄鋼材料が凝固する様子も「ありのまま」リアルタイムで観察することができます。

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+ 凝固組織形成のダイナミクス

材料の特性は、構成する元素の割合(組成)だけでなく、結晶の配列などの材料の組織にも依存し、 材料を製造するプロセスでは材料の組織を制御することは重要です。
融液からの凝固過程では、新しい固相の形成(核生成)、デンドライト(樹枝状結晶)の発達、デンドライトアーム(樹枝状晶の枝)の 溶断など多様な現象が起こります。また、融液から結晶が成長するときには、潜熱と呼ばれる熱を発生して温度分布も変化します。 融液と結晶の組成の違いにより成長している界面では元素のやりとりも起こり、濃度も不均一になります。さらに、温度・濃度が不均一に なると自然対流(融液の流れ)も生じます。結晶の成長、熱の移動、物質の移動、流体の流れといった物理現象は独立ではなく、 互いに影響を及ぼしながら材料組織が形成されます。このような動的な現象をX線イメージングなどで実証的に明らかにし、 物理モデルの構築やシミュレーションなども駆使して、新しい凝固現象の制御手法、 さらには革新的な凝固・結晶成長プロセスの開発を目指しています。
ビデオの説明:Al-Cu合金の凝固過程の観察例です。上部から下部に向かって温度が低下していますので、下部に結晶(固相)、上部に液相があります。 試料を引き下げることで凝固が開始しますが、下部の結晶が成長するだけでなく、新しい結晶が生成(核生成)したり、樹枝状晶の枝が溶断して新たな結晶になったり、 切れた結晶が浮力により浮く過程で溶解したり、様々な現象が起こった結果として、凝固組織が形成される様子です。

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+ 固液共存体のダイナミクス

準備中

+ マイクロアロイングの科学

準備中

+ 磁場による高次配向

鉄やニッケルなど強磁性体と呼ばれる物質は磁石に吸い寄せられることがよく知られていますが、1円玉に使われているアルミニウムや水はどうでしょうか? 実は、常磁性体と呼ばれるアルミニウムは磁石との間に引力、反磁性体と呼ばれる水には斥力が働いています。ただし、一般的な磁石では、その力は非常に小さく、 実生活で感じることはできません。
超電導磁石では、数T以上の強磁場を研究室でも容易に発生させることができ、このような環境では常磁性体や反磁性体に作用する力も顕在化し、材料を製造するプロセスにおいて 応用できる可能性があります。
例えば、ミクロンスケールの微小な結晶粒子を磁場により配向させて、異方的な材料を製造できる可能性があります。このような結晶の配列による異方性は、 材料の特性の向上や新たな機能の発現につながります。このような磁場を使った材料プロセスの原理からプロセスの開発を目指しています。
ビデオの説明:回転しながら磁場の強さが変化する磁場中に、x、y、z方向の磁化率が違う結晶粒子が浮遊していると、磁場の変化に応じて、x、y、x方向がそろった 結晶粒子の集合体を作製することができます。ビデオでは、磁石が磁場の向きと大きさ、結晶の軸は色によって区別しています。磁場が回転するにしたがい、結晶粒子が配列していきます。

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