配分額：3770000円 （ 直接経費：2900000円 、 間接経費：870000円 ）

結晶性の微細な粒子の形状は,丸い角と多面体状のファセットをあわせ持つ場合が多い.粒子がこのような形状になる理由を議論する場合,その形状を簡単な式で記述することができると便利である.擬多面体は多面体と球のあいだの形状を表現できる立体図形である.角が丸く,低指数結晶面のファセットを持つ粒子形状を擬多面体近似によって解析し,形状変数を含む簡単な数式でその形状を表現するための方法を述べる.本研究では立方晶構造の粒子を考察の対象にしている.粒子の形態を評価するうえで,擬多面体近似が極めて有用な幾何学的ツールであることが示されている.

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配分額：4550000円 （ 直接経費：3500000円 、 間接経費：1050000円 ）

本研究は,電子・電気機器の配線材料として用いられてきた銅合金のさらなる高強度化,並びに高導電化の要求が高まることを背景として,既存の銅合金の特性を超える新たな合金開発を行う上で必須となる組織制御に関する基礎的知見を得ることを目的として実施した.本研究の成果の1つとして,未普及のCu-Co-Si合金が導電率特性において既存のコルソン(Cu-Ni-Si)合金を上回ることを明らかにし,実用化の可能性を見いだした.

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配分額：4550000円 （ 直接経費：3500000円 、 間接経費：1050000円 ）

微量なAgを含むCu合金など,適当な組成の合金を高温域で保持すると,固体内拡散で合金を構成する原子が移動し,析出物と呼ばれる粒子が形成される.この析出物の形状や大きさは材料における種々の性質を支配するため,どういった機構により析出物の形状や大きさが決定されているかを解明することは,工業的にも学術的にも極めて重要である.本研究は,合金中に析出する擬多面体形状(多面体に近いものの丸い角を持つ形状)の析出物を観察し,その形状が何によって決まっているかを明らかにした研究である.

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配分額：1600000円 （ 直接経費：1600000円 ）

磁気駆動型超磁歪材料などの新規形状記憶合金、非磁性材料も含めた金属材料の再結晶集合組織制御、結晶配向制御、異方性組織制御、凝固組織の微細化など、磁場による材料組織制御の可能性が見出されている。その一方で、材料組織を形成する拡散変態、無拡散変態における磁気効果について、その理解は非常に限られている。そこで、以下のような項目について、研究内容の把握、研究動向調査、研究連携の可能性について調査を行った。
(1-1)核生成における磁気効果
(1-2)成長における磁気効果
(2-1)結晶配向における磁気効果
(2-2)磁化を利用した定量測定手法の開発と磁気効果解明への応用
研究内容、動向の調査は、日本金属学会、応用物理学会、日本磁気科学会、日本鉄鋼協会などの年次講演大会ならびに、日本鉄鋼協会の交流強磁場・環境プロセス研究会、低温工学協会新規磁場応用に関する調査研究会などの研究会、5th International symposium on electromagnetic processing of materials 2006(H18.10、仙台)に参加し、議論を重ねた。
さらに、企画調査のとりまとめとして、平成19年1月27日に大阪大学大学院工学研究科において、磁気効果を利用した機能性組織制御の原理と応用に関する研究会を開催し、磁気効果を利用した材料プロセス分野の発展、材料組織制御プロセスへの応用に必要となる磁場下での相変態・組織形成の学術基盤について議論した。これらの成果の一部は、ISIJ International誌のレビューとして受理され、2007.4に出版される予定である。

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配分額：3700000円 （ 直接経費：3700000円 ）

多結晶材料の高温変形時には,しばしば,クラックやボイドの発生による粒界破壊が起こる.高温強度を高めるための知見を獲得することを目的として,多結晶材料の粒界破壊を理解することを目指す.そこで,二重円筒型双結晶系試験片を用いた実験を行い,材料中に含まれる結晶粒界がそこでの破壊に及ぼす影響を考察する.
現有のブリッジマン炉によって銅の二重円筒型双結晶を育成した.二重円筒型双結晶は内側の円筒型結晶粒とそれを取り囲む外側の結晶粒で構成されており,その育成には特別に設計した炭素坩堝を用いた.内側の結晶粒の直径が約15mm程度の二重円筒型双結晶を得ることができた.
育成した二重円筒型双結晶から試験片を切り出し,ひずみ速度10^<-5>/sから10^<-3>/sの範囲,温度800Kでの高温引張試験を行った.引張変形によって加えるひずみを20%にした場合,ひずみ速度10^<-4>/sおよびそれ以下のひずみ速度では円形の粒界に沿って粒界クラックが発生した.また,ひずみ速度を10^<-4>/sに固定した場合,5%程度のひずみを加えたときに粒界クラックが発生した.二重円筒型双結晶試験片は円形の粒界を持つので,引張軸と粒界面法線方向のなす角度が45度の位置は四カ所存在する.それらの四カ所を対角方向の二カ所ずつを一組とすれば,45度の角度をなす二組の粒界上の位置のうち,粒界クラックは特定の一組にのみ発生した.これらの粒界クラック優先発生箇所は,1)外部応力のせん断成分の寄与で生じる粒界すべり,そして2)結晶粒の塑性変形によって起こる変位と粒界面の相対関係,という二つの因子を考えることによって合理的に説明することができた.

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配分額：2900000円 （ 直接経費：2900000円 ）

Cu-Fe-Co合金、Cu-Co-Cr合金、Cu-Ni-Si合金単結晶を用いて、時効析出するナノ粒子の結晶学および形態を調べた。Cu-Fe-Co合金においては、析出するfcc Fe-Co粒子が外部磁場によってbccへとマルテンサイト変態することを見出した。マルテンサイト変態率には、粒子の組成、冷却速度、粒子サイズ依存があることから、本合金の組織制御の自由度が大きいことがわかった。さらに、外部磁場印加が組織制御の一手法として有効な手段であることも結論できた。
Cu-Co-Cr合金においては、強磁性を示すfcc Co-Cr粒子を含む合金の飽和磁化と磁気異方性定数が、Co-Cr粒子中のCr濃度に強く依存することがわかった。Cr濃度が高くなるほど飽和磁化と磁気異方性定数の絶対値はともに減少する。粒子中のCr濃度に注目し、時効温度をより高くすることが、本合金の磁気異方性定数を増加させる方法の一つとなることを見いだした。
Cu-Ni-Si合金においては、析出するNi_2Si粒子と母相との結晶方位関係を明らかにするとともに、粒子がいわゆる不変線方向に成長すること、また、粒子形状はこれまで報告されていた円盤状ではなく不変線方向に伸びたものとなることを実験的に示すとともに、理論的にも説明づけた。Ni_2Si粒子を含むCu単結晶を用いた引張試験によって時効硬化曲線を得た。450℃の時効による降伏強度が、24時間時効で得られることを明らかにした。組織観察結果に基づき、析出粒子の転位によるせん断を考慮して、時効硬化曲線に粒子形状が強く影響することを説明した。Cu-Ni-Si合金の高強度化の指針として、粒子形状をより等方的に保ち、すべり面上での有効粒子直径を減少させないことが、析出強化能を維持することにつながるという結論を得た。

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配分額：3400000円 （ 直接経費：3400000円 ）

ドーナツ型第二相が材料の強化に及ぼす影響を考察し,以下に記す実験的および理論的な研究を行った.
Cu-Si固溶体合金多結晶の内部酸化処理を種々の酸素分圧と温度のもとで行い,酸化珪素SiO_2を粒界上に生成させる実験を行った.Cu母相中の第二相となる内部酸化によって得られる酸化珪素は,Cuに比較して塑性変形が起こり難く,材料全体の強度を高める効果を持つことが知られている.内部酸化条件の変化により粒界上の酸化珪素の形態は様々に変化し,一部の試験片で意図するドーナツ型第二相を得ることができた.しかし,ドーナツ型第二相の生成条件の詳細にはまだ不明の点が多く,安定してドーナツ型第二相を生成することができる条件を得るための実験を継続して行っている.
ドーナツ型第二相が材料中の応力状態をどのように変化させるかを明らかにするための,マイクロメカニックスによる理論的な計算を行った.第二相と母相の弾性的塑性的変形挙動の違いを一般化する議論として,第二相内にのみ発生する固有ひずみとそれによる応力場の変化のあいだの関係を弾性論におけるグリーン関数を使って調べた.ドーナツ型第二相内部の固有ひずみとそれによるドーナツ型第二相内部の平均全ひずみを結びつける平均的Eshelbyテンソルを求めた.また,固有ひずみによって,ドーナツ型第二相が母相中にどのような応力場をもたらすかを計算した.さらに,単純膨張型の固有ひずみを持つドーナツ型第二相の場合,第二相近傍に無ひずみ-無応力点が生じる現象を初めて見いだした.これらの得られた結果から,ドーナツ型第二相が材料にもたらす応力状態を解明し,材料強化への寄与の程度を定量化する考察を行った.

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配分額：14800000円 （ 直接経費：14800000円 ）

本研究の前半では純CuおよびCu合金の,後半では純Alのそれぞれ単結晶を用いた疲労試験を行い,転位組織形成過程を調査した.CuもAlも同じfcc結晶であるが,これらの疲労挙動には顕著な相違が見られた.すなわち,塑性ひずみ振幅一定での繰り返し変形試験において,前者では加工硬化の後飽和に至るのに対し,後者では,加工硬化の後軟化する.純Cuでは特徴的な転位組織としてPSB ladder組織やセル組織が形成されるが,純AlではPSB ladder組織の形成は起こらずに,いわゆるlabyrinth組織やセル組織の形成が見られた.詳細な実験により,Cu合金とAlでの疲労挙動と転位組織の相違は,積層欠陥エネルギーの相違に由来する交差すべりの難易によるものであることが明らかとなった.さらに,Cu中に微小なFe粒子を析出させた合金での実験結果から,微小Fe粒子は疲労転位組織の発達を遅滞させる効果を持つことを見出し,粒子の大きさと分布状態に依存して異なる転位組織が形成されることを明示する転位組織図を構築・提唱することができた.
疲労によって生成した転位組織は,たとえば一方向圧延で生じた転位組織より熱的にも機械的にも安定で,転位の繰り返し往復運動の結果,蓄積エネルギーが小さな組織となっていること,また,Alに微量のMgを添加して積層欠陥エネルギーを小さくした試料では,純Alとは異なり,疲労挙動も転位組織も純Cu型に近くなること,などの興味ある事実も発見できた.
以上のように,本研究によって,fcc金属の疲労挙動と転位組織発達過程との関係が非常に見通しよく明らかとなったと共に,転位組織形成に及ぼす第2相の効果や転位組織の安定性について,材料のライフアセスメント評価にとって重要な今までにない数多くの新しい知見を得ることができた.

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配分額：2200000円 （ 直接経費：2200000円 ）

平成14年度では,平成13年度中の研究によって開発したCu-Co-Cr合金において,強度と導電性に加え磁気的性質にも注目し,磁化のCo/Cr組成比依存,熱処理温度依存,熱処理時間依存を調べた.Coに対するCrの相対濃度が増すにつれ,合金の飽和磁化は急激に減少することがわかった.Co-Cr粒子中のCr濃度が20%をこえると,合金は磁化を示さなくなる.また,飽和磁化を最大にする最適の時効温度が約600℃であることを見いだした.500℃の時効では,磁化の時効時間依存性が現れ,ナノサイズのCo-Cr粒子の超常磁性的振る舞いによるものと理解できた.Cu-1.94vol%Co-0.24vol%Cr合金単結晶から得た結晶磁気異方性定数は,約-15000J/m^3であり,fcc Coの1/5程度の大きさであることがわかった.さらに,時効後の合金を組成変形させると,Co-Cr粒子の一部が相変態し,同時に形状変化を伴うことにより,形状磁気異方性発現することがわかった.
Cu-Cr合金を用いて行った転位上優先析出に関する研究では,転位が析出粒子の優先核生成サイトとなり得ることに加えて,優先析出するCr粒子バリアントが転位の性質に大きく依存することを明らかにした.転位の周りの応力場と析出粒子が持つミスフィットひずみの弾性相互作用エネルギーを求めることにより,優先析出しやすいバリアントを予測することが可能であることを示した.

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配分額：3400000円 （ 直接経費：3400000円 ）

超楕円体は,楕円体を主軸と平行な直交座標系によって示す式の指数2を2以上の実数に拡張して定義される空間図形である.2以上の実数に拡張した指数の値に応じて,超楕円体の形状は,球や立方体,そして楕円体や直方体およびそれらのあいだの中間的な形状になる.本研究では,介在物形状が超楕円体である場合のマイクロメカニックスにおける介在物問題を考察した.さらに,この介在物問題の解を用いて,合金中の整合析出物の安定形状をエネルギー論によって考察した.主要な結果は以下の通りである.
1.超楕円体介在物の平均的Eshelbyテンソルの導出
立方晶構造を持つ弾性体に含まれる超楕円体介在物の平均的Eshelbyテンソルの成分の値を,弾性係数の異方性を示すパラメーターと超楕円体の形状指数の関数として算出した.この平均的Eshelbyテンソルの成分の値より,楕円体介在物と直方体介在物がもたらす弾性ひずみエネルギー,そして楕円体と直方体のあいだでの介在物の形状変化による弾性ひずみエネルギーの変化を知ることができる.
2.整合析出物の安定形状
Ni-Al合金中のNi3Al整合析出物とCu-Cr-Co合金中のCr-Co整合析出物の安定形状が,析出物寸法の増加に伴い球から立方体へと徐々に変化する実験結果を得た.この球と立方体のあいだの整合析出物形状が,適当な指数の場合の超楕円体形状で極めて良く近似できることがわかった.Ni-Al冶金中のNi3Al断出物とCu-Cr-Co合金中のCr-Co析出物は,母相に対してミスフィットひずみを持つ介在物と言える.超楕円体についての介在物問題の解によって,これらの合金中の整合析出物の安定形状が,弾性ひずみエネルギーと界面エネルギーの和を最小にする平衡形状として明解に説明できることを示した.

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配分額：1100000円 （ 直接経費：1100000円 ）

1.Siの(100),(110)および(111)単結晶基板上にAlとCuをそれぞれ真空蒸着し、形成されたエピタキシャル方位関係を調べた。なお、今回の設備備品費で購入した試料固定治具は、真空蒸着の際Si基板を固定するために用いた。
2.AlもCuもともにSi基板上でエピタキシャル成長するものの、CuとSiの間で形成されるエピタキシャル方位関係は、AlとSiの間で形成されるものと異なっていた。AlとSiの間のエピタキシャル方位関係は、ZurとMcCillが提唱した超格子対応を用いた幾何学的考え方でうまく実験結果を説明できる。しかし、CuとSiの間で形成されるエピタキシャル方位関係の優先性やCuとAlの違いを説明することはできない。そこで、本研究では、格子対応の選択として、O格子理論を基に、基本格子対応を用い、これまでの幾何学的クライテリアを修正した。この新たな幾何学的クライテリアを用いれば、Al、Cuのそれぞれの実験結果を合理的に説明することができ、2つの金属で形成されるエピタキシャル方位関係が異なる理由も理解できた。
本研究で考案した幾何学的クライテリアは、Al、Cuに限らず、格子定数が大きく異なる物質同士のエピタキシャル方位関係にも適用できる汎用性を持つものである。
本研究で得られた研究成果はすでに国際会議で発表を終え、会議録が平成9年中に出版されることになっている。

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配分額：7500000円 （ 直接経費：7500000円 ）

高温での拡散緩和の基礎的な知見を得ることは粒子分散強化合金の高温変形の本質を理解するために必須のことと考え,モデル合金を用いた高温変形の研究と拡散緩和現象の解析を本研究の主題とした.
実験的には方位制御されたCu-SlO_2,Cu-GeO_2及びCu-Fe合金単結晶・双結晶の高温変形試験を行い,室温から高温までの粒子分散強化合金の応力-ひずみ曲線についての基礎的知見を得ると共に,粒界の方位差角に依存して粒界脆性破壊の起こり易さに相違があることを見出した.さらに,電子顕微鏡によるステレオ観察によって高温変形中の分散粒子の形状変形を正確に追究するめに必要な解析法を提案し、[001]対称傾角粒界の粒界エネルギーを方位差角の関数として求め,高温変形及び破壊挙動の粒界方位差依存性を抽出することに成功した。
理論的には力学,熱力学,速度論などの手法を駆使して分散粒子まわりでの拡散緩和現象を解析し,緩和の速度式を解析的に導出することに成功した.さらに,弾性論(マイクロメカニックス)を用いた解析法によって,与えられた条件下での分散粒子や析出粒子の安定形状を明確に議論することができた.
高温変形との比較試験として,分散粒子を含むCu-Fe合金単結晶のひずみ制御疲労試験を行い,転位組織の発達過程を追った.その結果,高温変形中の組織の発達過程との類似点(安定転位組織の形成に及ぼす分散粒子の影響)と相違点(疲労試験を特徴づける転位組織の発達)を明らかにすることができた.
以上のように,本研究は粒子分散強化合金の高温変形機構の解明に大きな貢献をしたのみならず,拡散緩和の理解のためには関連する多方面からの研究を同時進行させることが望ましいことを明らかにし,当初の計画より多くの研究テーマを開発に繋がるものとなった.

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配分額：900000円 （ 直接経費：900000円 ）

本研究では、Cu単結晶母相中に析出したfcc構造をもつ強磁性Co粒子の形状に及ぼす外部磁場効果を明らかにする目的で、磁気異方性測定と透過電子顕微鏡観察の2つの方法により、磁場中時効によるCo粒子の形状変化を調べた。
(110)を板面とするCu-2.7mass%Co合金単結晶板を作製し、1273Kで4h溶体化処理の後、直径10mmの円板試料を切り出した。この試料を、973Kで種々の時間、1.25MA/mの強磁場中で時効した。磁場印加方向は、[001]方向とした。また、比較のために無磁場での時効も行った。時効を終えた各々の試料の室温における磁気トルクを測定した。磁気異方性測定に用いた試料と同一の熱処理を施した試料を用いて、透過電子顕微鏡観察した。
得られた磁気トルク曲線を、Co粒子の結晶磁気異方性と形状磁気異方性の観点から、理論的に解析し、透過電子顕微鏡観察結果と比較検討した結果、以下の結論を得た。(1)無磁場時効により析出するCo粒子の形状は、球状であるが、[001]方向の磁場中で時効すると、Co粒子は磁場印加方向に伸びた楕円体状になる。(2)これより、強い外部磁場は、強磁性体粒子に対し、磁場印加方向への成長促進効果を持つといえる。(3)磁場中時効においても、無磁場時効と同様に、fccCo粒子は非整合化し、{111}面からなる八面体形状へと変化する。
本研究成果は、すでに本年度の第115回日本金属学会秋期大会において口頭発表されている。今後、研究成果をまとめた論文を日本金属学会誌に投稿する予定である。

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