Improvement of Strength and Ductility of Steels Using Nano-precipitation

Abstract

図 1 析出強化量と析出粒子半径との関係を示す模式図．  ま て り あ Materia Japan 第54巻 第 1 号(2015) ナノ析出を利用した鉄鋼材料の 高強度化と高延性化 紙 川 尚 也 1) 宮 本 吾 郎 2) 古 原 忠 3) . は じ め に 金属材料の高強度化と高延性化の両立は，構造用金属材料 の材料開発において常に求められる命題の一つである．金属 材料の塑性変形は，原子の拡散が顕著に生じる高温域での変 形でない限り，主として転位のすべり運動により支配される ため，転位運動の障害物を微細組織中に導入することにより 金属材料の力学特性を変化させることができる．転位運動の 障害となる格子欠陥としては，すべり面上に存在する林立転 位，固溶原子，析出物，分散粒子，結晶粒界，異相界面など がある．実用金属材料では，これらの格子欠陥の存在状態を 精密に制御することにより，材料の力学特性の制御が図られ ている．特に，鉄鋼材料は他の金属種とは異なり，フェライ ト変態，パーライト変態，ベイナイト変態，マルテンサイト 変態という種々の相変態現象を加工熱処理により発現させる ことができるという特長を有している．実用鉄鋼材料では， この利点を最大限に活かして，合金設計と塑性加工，相変 態・析出，回復・再結晶を組み合わせることによって，多種 多様な材料組織の精緻な制御が行われている． その中でも，鉄鋼材料の組織中に直径数ナノメートルの微 細な合金炭化物を析出させて材料特性を改善する手法，いわ ゆる，ナノ析出の利用が近年特に注目を浴びている．著者ら の研究グループでは，ナノ析出による鉄鋼材料の高強度化お よび高延性化とその機構解明を目的として現在研究を行って いる．本稿では，鉄鋼材料におけるナノ析出の利用の利点に ついて簡単に説明した後に，ナノ析出組織を有する鋼の力学 特性に関する研究成果を紹介していく． . 鉄鋼材料におけるナノ析出の利用 金属組織中に分散した析出粒子により達成される析出強化 量は，析出物内部の摩擦応力，整合ひずみ場，剛性率効果， 粒子切断によって形成される界面エネルギー，規則構造を持 つ粒子による規則硬化，積層欠陥エネルギーなどの種々の因 子の影響を受ける (1)(2) ．例えば，析出物内部の摩擦応力によ る変形抵抗を考えた場合，運動転位が析出粒子を通過するた めに必要な臨界分解せん断応力は，析出粒子の体積率の 1/2 乗に比例して増加し，また，析出粒子の体積率を一定とした 場合，析出物の半径の関数として図に示すような特徴的な 傾向を示す (2)(3) ．析出物の半径が小さい場合，運動転位は析 出粒子を切断しながら通過することができる(図(a))．こ のとき，析出物の半径の 1/2 乗に比例して強度は増加す る．析出物の半径が大きくなると，臨界分解せん断応力が最 大値を示した後に，析出物の半径に反比例して低下していく