プレスリリース

概要

  日本原子力研究開発機構（理事長 小口正範、以下、原子力機構）J-PARCセンターのハルヨ・ステファヌス研究主幹、ゴン・ウー研究副主幹、相澤一也研究員、川崎卓郎研究副主幹、熊本大学（学長 小川 久雄、以下、熊本大学）の山崎倫昭教授の研究グループは、高強度マグネシウム合金（Mg₉₇Zn₁Y₂合金。以下、LPSO-Mg合金）が高温押出加工により強度が大きく増加するメカニズムを解明しました。なお測定には、J-PARCの物質・生命科学実験施設（MLF）に設置している高性能工学材料回折装置TAKUMI（以下、TAKUMI）を用い、LPSO-Mg合金の試験片を引張変形させながら測定する「その場中性子回折実験」で解析しました。

  熊本大学が開発した高強度なLPSO-Mg合金は、マグネシウムの母相（以下、Mg相）の中にLPSO相と呼ばれる相を含んでいます（図1 (a) ）。高温で圧力をかける高温押出加工を行うと、LPSO-Mg合金の強度が大幅に増大します。そのため、航空機や自動車等の構造材料として期待されています。強度の向上は、高温押出加工によってキンク帯^注1という構造がLPSO相へ導入されたことが理由の一つと推測されています。しかし、高温押出加工を行うことでLPSO-Mg合金のそれぞれの構成相がどうふるまうのかはこれまで不明でした。そこで、高温押出加工で強度が増大するメカニズムの解明のため、押出比を変えて高温押出加工したLPSO-Mg合金を用意し、それぞれ引張変形させながら「その場中性子回折実験」を実施し、それぞれの構成相が負担する応力を観測しました。中性子回折は、構成相別の原子配列を試料全体平均として観察するのに優れています。さらに、J−PARCの大強度中性子と実験装置を用いれば通常の変形試験と同じ条件下でのその場中性子回折実験を行うことができます。

  解析の結果、以下のことが分かりました。

  この様に、高強度LPSO-Mg合金の高温押出加工による大きな強度増大のメカニズムを、定量的かつ詳細に解析できました。その理由は、中性子が高い透過能力を持ち、原子レベルでの解析が可能なため、中性子回折実験によりLPSO-Mg合金中のそれぞれの構成相のふるまいを詳細に測定することに成功したからです。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す。さらにTAKUMIにおいて、試験片の変形試験の「その場中性子回折実験」を連続して実施できる手法や詳細なデータ解析手法を開発したことで、初めて実現できました。

  今までの一般的な合金設計では、マクロな視点での機械的特性と合金の構成相の平均的なふるまいに重点が置かれていました。今回、高強度LPSO-Mg合金で解明した現象は、今までのやり方に加えて、合金中のMg相内の異なる組織形態の存在に対して組織形態別の応力にも着目すべきことを示唆しています。マグネシウム合金の開発においては、Mg相の組織形態を制御することで強度と延性を同時に向上させることが可能となり、今後の開発に大きな指針を与えるものと考えられます。

  本成果は、2023年8月15日発行の英科学誌『Acta Materialia』に掲載予定です。

これまでの背景・経緯

  マグネシウムは実用金属の中で最も軽い金属で、多方面で活用されています。しかし、マグネシウム合金は一般的に鋳造時に多くの欠陥を抱えており、変形させると早期に破断してしまう傾向があります。そのため、押出比の高い高温押出加工などの方法を使って、欠陥を減らして延性を向上させる取り組みが行われています。しかし、この方法では強度の増加は大きくは得られませんでした。

  そこで、熊本大学は化学成分を調整することで、LPSO相を含むLPSO-Mg合金を開発しました。そのLPSO-Mg合金を高温押出加工することで、延性だけでなく強度も大幅に向上させることを発見しました。高温押出加工後のLPSO相内には、キンク帯が観察され、キンク帯の増加とともに強度が上がることが分かりました。一方、Mg相は軟質相でありながら、高い押出比の高温押出加工では再結晶が生じ、強度の向上が小さいと言われています。このため、高温押出条件とLPSO相内でのキンク帯の導入について詳しく研究が進められています。

  研究の過程で、LPSO相の含有量が少ないLPSO-Mg合金において、押出比が低い高温押出加工を行うと試料の強度が大幅に増加することが分かりました。一方、押出比を高くすると試料の強度が低下し、Mg相で再結晶が生じることが分かりました。しかし、その詳細についてはあまり注目されていませんでした。

今回の結果

  これまでのLPSO-Mg合金の研究では、マクロな機械的特性や顕微鏡観察による研究が主流であり、それぞれの構成相の変形に関する詳細なふるまいは予測の域を出ていませんでした。しかし、押出比が低い高温押出加工によってLPSO-Mg合金の強度がどのように増加するのかを解明するためには、それぞれの構成相のふるまいを明らかにすることが重要だと気づきました。そこで、押出比が異なる高温押出加工されたLPSO-Mg合金を用意し、それぞれを引張変形させながら「その場中性子回折実験」を実施しました。

  今回の研究では、高温押出加工によってLPSO-Mg合金中のMg相とLPSO相の強度向上のメカニズムを詳しく調査しました。押出比が低い条件下では、Mg相の組織が「マルチモーダル」と呼ばれる、変形組織と再結晶組織の組み合わせとなることで、試料全体の強度を効率的に向上させる重要な要素であることが初めて定量的に観察されました。

  変形組織のMg相では、強力な集合組織と高い欠陥密度が強度の向上に寄与しています。これは、結晶内の格子ひずみや欠陥の存在により、材料の強度が増加することを意味します。一方、再結晶組織のMg相では、細かい結晶粒の存在が強度の増加にも寄与しています。細かい結晶粒は境界面を増やすことにより、変形時の結晶欠陥のすべりや境界面の移動を制限することで強度を高めます。

  つまり、Mg相の組織形態を制御することによって、LPSO相による強度増加だけでなく、さらなる強度向上が可能であることが分かりました。具体的には、押出加工条件や熱処理などを適切に調整することで、変形組織と再結晶組織の割合や結晶粒のサイズを調節し、材料の強度を最大限に引き出すことができます。この研究結果は、マグネシウム合金の設計や高温加工プロセスの最適化において、重要なガイドラインとなります。

今後の展望

  高強度LPSO-Mg合金で起きている上記の現象は、今までの合金設計に新たな指針を与えると考えられます。今までは、マクロな機械的特性や構成相の平均相応力だけについて注目してきましたが、今回の成果により、それらに加えて特定の構成相内の組織形態の個別応力にも着目すべきことが分かりました。マグネシウム合金においては、マルチモーダル組織を形成する変形組織のMg相と再結晶組織のMg相の割合・形態を調整することで、強度と延性をさらに向上させることにつながります。これによって、LPSO相のような第二相に依存しない単相合金の今後の開発に大きな指針を与えるものと考えられます。

	Stefanus HARJO, Wu GONG, Kazuya AIZAWA, Takuro KAWASAKI, Michiaki YAMASAKI, "Strengthening of αMg and long-period stacking ordered phases in a Mg-Zn-Y alloy by hot-extrusion with low extrusion ratio", Acta Materialia, Vol. 255 (2023), 119029.
	DOI : 10.1016/j.actamat.2023.119029

各機関の役割

  本研究において、ハルヨ氏¹と相澤氏¹は研究を立案し、ハルヨ氏、ゴン氏¹と川崎氏¹は中性子回折実験を行い、山崎氏²が試料作成及び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。
  1：原子力機構、2：熊本大学

助成金の情報

  この研究は下記の助成を受けて実施したものです。
  科研費：JP18H05479、JP18H05476
  JST-CREST：JPMJCR2094
  MEXT Program：JPMXP1122684766

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