2026/03/05 更新

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ナカダ　ノブオ
中田　伸生
NAKADA NOBUO
所属
物質理工学院 教授
職名
教授
外部リンク

学位

  • 博士(工学) （ 九州大学 ）

研究キーワード

  • 混粒

  • 構造・機能材料

  • 組織制御

  • ナノ

  • マルテンサイト変態

  • 引張特性

  • 超微細粒鋼

  • 銅

  • 混粒化

  • 強化機構

  • ひずみ測定

  • 高強度・高延性

  • 結晶粒微細化強化

  • Bailey-Hirchの関係

  • ひずみ分配

  • 応力分配

  • 鉄鋼

  • 機械的性質

  • ナノ構造

  • 加工硬化

  • 超細粒

  • 熱間押出

  • 転位密度

  • 二相組織

  • 結晶学

  • 電子線

  • Wilkinson法

  • 中性子線

  • スケールブリッジング

  • マルテンサイト

  • 鉄鋼材料

  • 相変態

  • 超微細粒

研究分野

  • ナノテク・材料 / 構造材料、機能材料

  • ナノテク・材料 / 金属材料物性

  • ナノテク・材料 / 複合材料、界面

  • ナノテク・材料 / 材料加工、組織制御

学歴

  • 九州大学   材料物性工学専攻

    2002年4月 - 2004年3月

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    国名： 日本国

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  • 九州大学   物質科学工学科

    1998年4月 - 2002年3月

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    国名： 日本国

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経歴

  • 東京工業大学／東京科学大学   物質理工学院   教授

    2022年4月 - 現在

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    国名：日本国

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  • 東京工業大学   准教授

    2015年4月 - 2022年3月

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    国名：日本国

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  • Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH   Visiting researcher

    2011年9月 - 2012年9月

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    国名：ドイツ連邦共和国

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  • 九州大学   大学院工学研究院   助教

    2004年4月 - 2015年3月

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    国名：日本国

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所属学協会

論文

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共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 鉄鋼のマルテンサイトにおける選択的局所ひずみ解析と変態内部応力形成モデルの構築

    研究課題/領域番号：24K01193  2024年4月 - 2028年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    中田 伸生

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    配分額：18330000円 （ 直接経費：14100000円 、 間接経費：4230000円 ）

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  • 鉄基層状組織合金のキンク変形とミルフィーユ条件の一般化

    研究課題/領域番号：19H05121  2019年4月 - 2021年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  新学術領域研究(研究領域提案型)

    中田 伸生

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    配分額：6890000円 （ 直接経費：5300000円 、 間接経費：1590000円 ）

    昨年度までの研究により，種々の鉄基層状組織のうち，Fe-Cr-C系で形成するδ-パーライトがラメラ配向を容易に制御できるモデル材料であると結論し，Fe-18%Cr合金（フェライト系ステンレス鋼）をδ域である1273Kで固体浸炭処理に供した場合に生じるδ→γ+合金炭化物の共析反応（δ-パーライト変態）について，その温度依存性や形成するラメラ間隔など調査した．
    本年度は，これを踏まえて，浸炭反応によって生じるδ-パーライト変態について，走査電子顕微鏡（SEM），エネルギー分散型X線分析（EDS），電子線後方散乱回折（EBSD）を用い，その変態メカニズムの詳細を調査した．その結果，δ-パーライト変態によってδがγとM23C6炭化物に共析分解することを直接確認し，浸炭処理後の冷却中にγがマルテンサイト変態することでδ-パーライトがHv1000に近い高硬度を示すことがわかった．さらに，詳細な結晶方位解析により，冷却前のγとM23C6はcube-on-cube結晶方位関係を満足していることが明らかとなった．さらに，δ-パーライト変態界面におけるδ/γ/M23C6間に対して局所平衡理論に基づいた解析を行い，本実験におけるδ-パーライト変態がCrの長距離拡散を必要とするPartitionig Local Equilibriumモデルで整理できることを証明した．これにより，浸炭処理によって誘起されるδ-パーライト変態における炭素の浸炭層内拡散ならびにδ-パーライト変態の速度論を連立して記述することができ，δ-パーライト組織の相比ならびに相間隔を制御する技術を確立した．

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  • フェライトを初期組織とした新規マルテンサイト逆変態の探索

    研究課題/領域番号：18H01729  2018年4月 - 2021年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    中田 伸生

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    配分額：17680000円 （ 直接経費：13600000円 、 間接経費：4080000円 ）

    「もし，初期bcc組織が下部組織を持たないとき，bcc－fccマルテンサイト逆変態で形成するオーステナイトは，どのような組織を持つのか？」という学術的疑問から，再結晶フェライトを初期組織として生じるマルテンサイト逆変態について調査を行った．熱力学・速度論に基づいた変態挙動の調査により，200 ℃/s程度の昇温速度によって，フェライトを初期組織とするFe-16mass%Ni合金でマルテンサイト逆変態が生じることを示した．そして，電子顕微鏡を用いた組織解析により，bcc－fccマルテンサイト逆変態においても変態下部組織と高密度の転位が導入されることが明らかとなった．

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  • 鉄鋼材料の結晶粒微細化強化に関する学術基盤の体系化

    研究課題/領域番号：15H05768  2015年5月 - 2020年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(S)

    高木 節雄, 宗藤 伸治, 土山 聡宏, 中田 伸生, 赤間 大地

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    配分額：158080000円 （ 直接経費：121600000円 、 間接経費：36480000円 ）

    十分に焼鈍した多結晶鉄の降伏は粒界から転位が放出されることによって起こり、粒界転位の放出に必要なせん断応力τ*が高いほど結晶粒微細化強化係数は大きくなる。τ*は、純鉄では大変小さな値であるが、粒界に偏析した元素の種類と量によって大きく変化する。程度の差はあれ、C、N、Ni、Si、Mn、Alについてはτ*を大きくするが、Crはτ*にほとんど影響を及ぼさないことが本研究により明らかとなった。

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  • パーコレーション制御による複相鋼板の高機能化

    研究課題/領域番号：15K06488  2015年4月 - 2018年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    中田 伸生

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    配分額：4940000円 （ 直接経費：3800000円 、 間接経費：1140000円 ）

    複相鋼の力学特性を支配するメゾスケールな基本因子を明らかにすることを目的に，軟質＋硬質オーステナイト複合組織を有するFe-Ni合金を用いて，その0.2%耐力に及ぼす硬質オーステナイト分率の影響を調査した．0.2%耐力は硬質オーステナイト分率の増加に従って連続的に上昇したが，その増加挙動はある分率を境に非線形的なものであった．この非線形的な強度の増加挙動は，硬質オーステナイトのパーコレーション挙動と一致した．これらの結果から，個々の硬質オーステナイト粒がしっかりと連結し，複合組織の母相となることで，塑性ひずみが軟質，硬質オーステナイトともに均一に分散し，顕著な強化をもたらすことが明らかとなった．

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  • 軟質粒子分散強化材の塑性加工に伴う粒子変形・分解挙動の評価と応用

    研究課題/領域番号：26289262  2014年4月 - 2017年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    土山 聡宏, 赤間 大地, 中田 伸生, 波多 聰, 諸岡 聡, 宗藤 伸治, 村山 光宏

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    配分額：14300000円 （ 直接経費：11000000円 、 間接経費：3300000円 ）

    鉄鋼材料の高強度化に利用される分散粒子のうち、本研究では鉄基地に対して軟質であるCu粒子の変形と破壊における役割について調査を行った。炭化物や窒化物などの一般的な硬質分散粒子は、それを基点として破壊を誘発するため、高強度化には有効であるが、延性は著しく損なう傾向にある。しかし、軟質Cu粒子は、鋼の延性をあまり損なうことなく強度を上昇させることを可能にすることを明らかにした。その理由として、材料の冷間加工に伴い粒子自身が塑性変形、高ひずみでは分解を生じて、粒子界面近傍での応力・ひずみ集中を軽減する機構を明らかにした。得られた知見は、鋼のさらなる高強度化に重要な指針を与えることを示唆している。

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  • 化学的安定度制御による相変態を利用した超微細粒高強度オーステナイト鋼の創製

    研究課題/領域番号：24560852  2012年4月 - 2015年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    中田 伸生, 田中 將紀

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    配分額：5330000円 （ 直接経費：4100000円 、 間接経費：1230000円 ）

    次世代の自動車用高張力鋼板として期待されているTWIP鋼の更なる高強度化を目指して、Fe-Mn-C合金で得られるオーステナイト相の科学的安定度を炭化物の析出・溶解を利用して意図的に制御することで、相変態による結晶粒の微細化を図った。オーステナイト母相中に炭化物を析出させる部分溶体化処理により母相の安定度が低下することを確認し、冷間加工を必要とせず、熱処理のみでマルテンサイト変態を促進する手法を確立した。さらに、Mn量の少ない鋼種においては、昇温速度の増加に伴って逆変態の機構が拡散型からマルテンサイト型へと遷移することを確認した。

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  • 鉄鋼材料の結晶粒微細化強化に関する合金設計の見直し

    研究課題/領域番号：23360310  2011年11月 - 2014年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    高木 節雄, 土山 聡宏, 中田 伸生, 中田 伸生

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    配分額：3380000円 （ 直接経費：2600000円 、 間接経費：780000円 ）

    鉄鋼材料の結晶粒微細化強化に関する真のデータベース構築を目的に、以下の2つの研究を実施した。(1)結晶粒微細化強化に及ぼす炭素と窒素の効果を調査し、粒界偏析の観点から、両者の違いを検討する。(2)炭素や窒素をTi(C,N)として完全に固定したIF 鋼を用いて各種合金元素が鉄の結晶粒微細化強化係数に及ぼす影響を系統的に調査する。その結果、(1)粒界偏析量に依存して、窒素よりも炭素の方が、結晶粒微細化強化係数を増加させるが、熱処理によって窒素でも十分な結晶粒微細化強化を発現できることを明らかにし、(2)結晶粒微細化強化に及ぼすCr、P、Niの単独効果を評価することができた。

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  • 同一視野ハイブリッド組織観察法の確立

    研究課題/領域番号：23656437  2011年 - 2012年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  挑戦的萌芽研究

    足立 吉隆, 中田 伸生, 友田 陽

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    配分額：3510000円 （ 直接経費：2700000円 、 間接経費：810000円 ）

    金属材料中の弾性ひずみ、塑性ひずみの分布を、ミクロンスケール及び平均値として測定する手法に挑戦し、局所的弾性ひずみを EBSD-Wilkinson 法で測定する手法、局所的塑性ひずみをデジタル画像相関法で解析する手法、そしてバルク材料の中の平均的な弾性ひずみを中性子線回折法で測定する手法を、それぞれを連携させながら、構築した。これにより、多結晶金属材料中のひずみ分布が定量解析できるようになり、変形・破壊挙動の理解により迫ることを可能とした。

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  • 超微細ラスオーステナイトを初期組織とする鉄鋼材料の次世代組織制御技術の提案

    研究課題/領域番号：22686065  2010年 - 2011年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  若手研究(A)

    中田 伸生

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    配分額：19240000円 （ 直接経費：14800000円 、 間接経費：4440000円 ）

    微細粒構造用鋼の創製を目的に、マルテンサイト逆変態により形成されるラスオーステナイト組織の特徴ならびにそこから得られる変態組織を調査した。その結果、モデル合金を用いることでラスオーステナイト組織が高密度の転位を有した微細ラス組織を有することがわかり、適切な合金設計と熱処理条件を施すことで低合金鋼においてもマルテンサイト逆変態が生じることが示唆された。

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  • 炭化物とナノCu粒子を複合利用したハイブリッド鋼の提案

    研究課題/領域番号：18360332  2006年 - 2008年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    高木 節雄, 土山 聡宏, 中田 伸生, 中島 孝一

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    配分額：16370000円 （ 直接経費：16100000円 、 間接経費：270000円 ）

    粒子分散強化は金属材料の基本的な強化機構の一つであり、鉄鋼材料の場合、セメンタイトを代表とする炭化物が一般的に強化分散粒子として使用されている。一方、近年ではナノテクノロジーによる鉄鋼材料の高機能化研究が盛んに行われており、数nm~数十nm の非常に微細な分散粒子(ナノ分散粒子)を利用して鉄鋼材料の高強度化を図ろうとする試みがなされ、その一つとしてナノCu 粒子が注目されている。ただし、ナノCu 粒子分散鋼の優れた機械的性質は、単に分散粒子のサイズが微細であることだけでなく、「分散Cu 粒子自体が鉄基地に比べて十分軟質である」というCu 粒子の特徴によってもたらされている事実も示唆されている。今後、大きな降伏強度と加工硬化率を有し高強度・高延性を兼ね備えた材料を得るためには、炭化物とCu 粒子を同時に最適な状態で分散させ、それぞれの特長を融合させてやること(ハイブリッド化)が有効であると考えられる。そのような鉄鋼材料、「ハイブリッド鋼」の有効性を証明することを本研究の最大の目的とし研究を遂行した。その結果、様々なハイブリッド鋼(フェライト型ハイブリッド鋼、マルテンサイト型ハイブリッド鋼、パーライト型ハイブリッド鋼など)の創製に成功し、炭化物とCu 粒子の複合析出により鋼の強度-延性バランスが大幅に改善することが明らかとなった。さらに、炭化物とCu 粒子それぞれの分散状態を制御することにより鋼の降伏強度と加工硬化率を独立して任意にコントロールできる可能性が示唆された。

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  • パーライト鋼の組織制御および組織と機械的特性の関係解明

    2006年

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    資金種別：競争的資金

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  • 鉄鋼材料における共析組織の変態機構解明

    2006年

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    資金種別：競争的資金

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  • 混粒化によるナノ鉄鋼材料の延性改善

    研究課題/領域番号：17760572  2005年 - 2006年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  若手研究(B)

    中田 伸生

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    配分額：1400000円 （ 直接経費：1400000円 ）

    鉄鋼材料の機械的性質(強度-延性バランス)向上を目的に、公称粒径10〜100μmのIF鋼の引張り特性に及ぼす混粒組織の影響を調査した。その結果、組織中の粗大な結晶粒が降伏強度よりも低い応力で降伏(ミクロ降伏)しているにもかかわらず、その降伏強度は公称粒径と降伏強度の関係を表すHall-Petchの関係に従うことが明らかとなった。このことは、ミクロ降伏した結晶粒の割合がある一定値に達した時に、材料(試験片)が降伏(マクロ降伏)することを示しており、組織中に存在する粗大な結晶粒は、降伏強度の大きな低下因子と成らないことを意味している。そして、幾何学的な計算の結果、組織中の70〜80vol.%の結晶粒がミクロ降伏した時、マクロ降伏が生じることも予想された。一方、明瞭な挙動を把握することは出来なかったものの、組織の混粒化はマクロ降伏後の加工硬化や延性(伸び)に影響を及ぼすことが確認され、混粒化による機械的性質の向上が十分に期待できると考えられる。実際に、粒径0.3Fm以下の超微細粒組織を有するCuでは、混粒組織になることで強度が若干低下するものの延性が増大し、強度-延性バランスが大幅に改善されるとの報告がなされている(Yinmin Wang, Mingwei Chen, Fenghua Zhou and En Ma ; NATURE VOL419,(2002),p912)。通常の粒径レベルでは生じ得ないこのような顕著な特性変化が生じたことは、混粒化の影響は結晶粒が微細になるほど顕著になることを示唆している。したがって、微細粒領域における組織の混粒化の有効性については、今後さらに広範囲での詳細な再調査を実施し、明らかにされるべき事項であろう。

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  • Cu含有鋼の物性・特性評価に関する研究

    2005年

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    資金種別：競争的資金

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  • マルテンサイトからオーステナイトへの逆変態

    2005年

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  • 結晶粒微細化強化の効率に及ぼす微量元素の影響

    2005年

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    資金種別：競争的資金

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  • 高窒素鋼の組織制御

    2004年

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  • 高合金マルテンサイト鋼の組織制御

    2004年

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  • サブミクロン超細粒鋼の特性評価とその利用展開

    研究課題/領域番号：15206077  2003年 - 2005年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(A)

    高木 節雄, 東田 賢二, 土山 聡宏, 森川 龍哉, 中島 孝一, 中田 伸生

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    配分額：50830000円 （ 直接経費：39100000円 、 間接経費：11730000円 ）

    サブミクロンレベルの結晶粒径を有する鉄鋼材料の特性評価と利用展開の可能性を探ることを目的として3年間にわたって本研究を実施した。8つの小テーマを掲げて研究を実施したが、大別すると、(1)サブミクロン超細粒鋼の創製および加工技術に関する研究、(2)組織解析技術に関する研究、(3)力学特性評価に関する研究、(4)強化機構解明に関する研究となる。
    創製・加工技術については、鋼材に強歪み加工を施すことが可能な粉末冶金法(メカニカルミリングプロセス)を採用し、サブミクロン超細粒組織を作り込む技術を確立した。同時に、自動車用材料をターゲットとした熱間押出しプロセスも開発し、直径がセンチオーダーの超高強度棒鋼の製造にも成功した。得られた材料の組織解析は微小部X線回折装置による局所構造解析および転位密度測定、透過電子顕微鏡によるサブミクロン結晶粒および転位組織の観察、FE-SEM-EBSP法による結晶方位分布・集合組織測定により実施した。力学特性に関しては、高温から液体窒素温度までの様々な温度における引張変形挙動を広範囲に調査し、サブミクロン超細粒は低温でも脆性破壊することなく延性を示すこと、高温では超塑性現象を発現するため極めて低応力で容易に塑性加工が可能であることが判明した。また、今後さらなる鉄鋼材料の高強度化を図っていくためには、結晶粒微細化強化と他の強化機構を複合させることの重要性を指摘した上で、結晶粒微細化強化とナノCu粒子分散の複合効果の検討も行った。そして、強度レベルによっては、降伏強度が両者の加算によりほぼ説明される場合もあることを見出した。ただし、超細粒材では全く時効硬化を示さないことや転位強化が無効になる等の新しい事実も明らかになり、次のステップとして、サブミクロンからナノへ移行させる価値もあるように感じられる。

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