表面改質技術Scanning Cyclic Pressによる金属の改質機構の解明

利用表面改性技术阐明金属改性机理 Scanning Cyclic Press

• 批准号: 22K03820
• 负责人: 藤村 奈央
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K03820/
• 关键词: 表面改質; 組織の微細化; 振動圧縮負荷; 接触; マグネシウム合金; 振動; 金属材料

本研究では、振動するインデンタで低荷重の圧縮負荷を材料表面に走査しながら与えることで表層を改質する技術：Scanning Cyclic Press（SCP）の加工パラメータが金属の表層組織や構造、機械的性質の変化に及ぼす影響を表面改質実験と数値解析に基づいて検討し、本技術による改質機構を明らかにすることを目指している。SCPでは、負荷の大きさやその繰返し数、付与する速さなどを加工パラメータとして設定することができる。これらパラメータのうち、2022年度は負荷の大きさに着目し、以下の検討を行った。表面改質実験では、マグネシウム合金の丸棒試験片に対して、2種類の負荷の大きさでSCPを施し、各試験片の断面組織をSEM/EBSD法で観察した。その結果、試験片表層に微細粒や双晶を含む改質層が形成されたことが確認された。負荷の大きさの違いに着目すると、負荷が大きい方がより表層組織が微細化され、より深くまで改質層が形成されていた。各試験片の断面において、表面から材料内部への硬さ分布をナノインデンテーションで測定した結果、表面の硬さは内部に比べて高かったが、そこから数百μmほど内部に行くに従って徐々に下がる傾向が得られた。硬さ分布についても、負荷の大きさが大きい方が表面の硬さが高く、より内部まで硬くなっていた。改質組織と負荷との関係を検討するため、SCPの負荷過程を「丸棒試験片にインデンタ（球）を1回だけ押し込んで圧縮荷重を負荷し、これを除荷する」と単純化したモデルを作成して有限要素法による弾塑性接触解析を行い、試験片表層に生じる応力分布やひずみを推定した。その結果、圧縮負荷を加えたときにインデンタとの接触部直下が降伏し、除荷後の表層には塑性ひずみが残留することが示された。また、降伏した領域や塑性ひずみが残留する深さは、各試験片断面で観察された改質組織と概ね対応することが示された。

本研究采用扫描循环压力机（SCP）的加工参数，该技术通过在用振动压头扫描材料表面的同时对材料表面施加低压缩载荷来改性表面层，从而改善材料的表面结构、结构、我们的目的是通过表面改性实验和数值分析来研究其对表面性能变化的影响，并阐明该技术的改性机理。使用 SCP，可以将负载大小、重复次数以及施加负载的速度设置为处理参数。在这些参数中，2022年度，我们重点关注负荷的大小，并进行了以下研究。在表面改性实验中，将SCP应用于两种不同载荷水平的镁合金圆棒试件上，并使用SEM/EBSD方法观察每个试件的截面结构。结果，证实在试验片的表面层上形成了包含细晶粒和孪晶的改质层。着眼于载荷大小的差异，发现载荷越高，表面结构越精细，形成的改性层越深。利用纳米压痕测量每个试件横截面从材料表面到内部的硬度分布，表面硬度高于内部，但当深入材料数百μm时，硬度观察到逐渐增加的趋势。从硬度分布来看，载荷越大，表面硬度越高，内部越硬。为了检查修改后的结构和载荷之间的关系，我们简化了 SCP 加载过程，“仅将压头（球）推入圆棒样品一次以施加压缩载荷，然后卸载。”创建并使用有限元方法进行弹塑性接触分析，以估计样本表面上发生的应力分布和应变。结果表明，当施加压缩载荷时，与压头接触的正下方区域发生屈服，卸载后表层仍残留有塑性应变。还表明，塑性应变保持的屈服区域和深度通常与在每个样本的横截面中观察到的修改结构相对应。