Realization of reversible plasticity in metals by mechanical control of self-organized dislocation structure

通过自组织位错结构的机械控制实现金属的可逆塑性

基本信息

批准号：
22K18754
负责人：
澄川貴志
金额：
$ 4.08万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K18754/
关键词：
自己組織化転位構造金属可逆塑性繰り返し負荷

项目摘要

R4年度の研究実績は、以下のように纏めることができる。繰り返し変形中のマイクロサイズの材料中に形成される疲労転位構造を数値計算することを目的として、疲労現象の代表的な反応拡散系であるWalgreaf-Aifantis（WA）モデルに着目することとしたが、そのモデルに実現象との矛盾点があることを指摘し、改良を行った。一次元解析モデルを用いて検証を行った後、二次元解析モデルに拡張して、物理的解釈を考慮に入れながら拡散定数の異方性を調整することで、マクロ材の特徴的な疲労転位構造であるvein、channelおよびladder-like structure等の再現に成功した。さらに、材料の自由表面における境界条件を検討し、マイクロ材料中の疲労転位構造のシミュレーションに成功した。実験では、ニッケル単結晶を用意し、単一すべり方位を有するマイクロサイズの試験片を作製した。試験片は、寸法を異なるものを用意し、更にその内部の転位が繰り返し数の増加によってどのような変化を起こすかを特定するために、複数の試験片を用意した。この複数の試験片に対して繰り返し数の異なる疲労試験を実施し、薄片化を行って内部観察することで、転位構造の発展の様子を明らかにした。試験片表面から約１μｍの領域では、表面からの影響を強く受け、マクロ材で形成されるveinが形成されないことを明らかにした。さらに、転位密度が低い領域では、すべり方向と平行な転位線とバーガースベクトルを有するらせん転位が多数存在することを確認した。このらせん転位は、「可逆的な塑性変形」を実現するために重要な要素であり、申請当初に予測していたものと同じ結果となった。寸法の異なるマイクロ試験片においては、同じ応力振幅であっても寸法の小さい試験片の方がより巨大な塑性ひずみ振幅を生じていることを明らかにした。

R4年的研究成果可总结如下。为了对微尺寸材料在重复变形过程中形成的疲劳位错结构进行数值计算，我们决定重点研究Walgreaf-Aifantis（WA）模型，该模型是疲劳现象的典型反应扩散系统。模型与实际现象存在一些不符之处，并进行了改进。在使用一维解析模型进行验证后，我们将其扩展到二维解析模型，并在考虑物理解释的同时调整扩散常数的各向异性，从而减少了宏观材料的特征疲劳位错，我们成功地再现了。静脉、通道和梯状结构等结构。此外，我们研究了材料自由表面的边界条件，并成功模拟了微材料中的疲劳位错结构。实验中制备了镍单晶并制作了单滑移取向的微米尺寸样品。准备不同尺寸的试验片，为了确认随着重复次数的增加内部位错如何变化，准备多个试验片。对这些多个试件进行不同次数的疲劳试验，将其制成薄片并观察内部，从而明确位错结构的发展情况。结果表明，在距试验片表面约1μm的区域中，来自表面的影响较强，并且不形成由宏观材料形成的纹理。此外，我们还证实，在位错密度较低的区域，存在许多螺型位错，其位错线平行于滑移方向和伯格斯矢量。该螺旋位错是实现“可逆塑性变形”的重要要素，其结果与应用时的预测相同。在不同尺寸的显微样品中，研究表明，即使应力幅值相同，尺寸较小的试件也会产生较大的塑性应变幅值。