巨大ひずみ加工を用いて作製された超微細粒金属中の格子欠陥の定量
宮嶋陽司

( Accumulative roll bonding: ARB )法(9)(10) を適用して UFG.

は じめに材を作製し，その転位密度などの格子欠陥の定量を行った報告(11)(12)の一部を紹介する．

近年，通常与えることができない大きさの塑性ひずみを材
料 に 与 え る 巨 大 ひ ず み 加 工 ( Severe plastic deformation:

. UFG 材 の 作 製SPD(1) )を用いることによって，結晶粒径が 1 mm 未満の超微 細粒( Ultra fine grains: UFG )組織を持 つバルク 金属材

ARB 法は，板状試料の切断，表面処理，積層，圧下率(UFG 材)を作製することが可能となっている．UFG 材は結50の接合圧延を 1 サイクルとする SPD 法で，サイクル数晶粒径が数 mm 以上の粗大粒( Coarse grains: CG )材と比較

N を重ねていくことによって材料に圧延変形を理論的にはして高強度であることから次世代の構造材料候補として注目無限に与えることが可能である． ARB 法では，試料に圧下を集めている． CG 材と同じく UFG 材の塑性変形も転位を率 50 の接合圧延を行うため， 1 サイクルあたり 0.8 の相当介して起こる(2)とされるものの，CG 材では見られない種々ひずみを与えることができる．今回は ARB 法を最大で12サの特異な力学特性を示すことも知られている．具体例としてイクル(相当ひずみ10)まで施し UFG 材を作製した．今後，は，純銅の UFG 材が示す活性化体積の逆温度依存性(3)，焼ARB を施す前の試料を ARB 0 サイクル材と表記し，試料座鈍硬化や加工軟化(4)，純アルミニウムの UFG 材が示す降伏標 系 と し て 圧 延 方 向 ( Rolling direction: RD ) ， 板 幅 方 向点降下現象(5)を挙げることができる．これらの特異な力学特( Transverse direction: TD ) ， 圧 延 面 法 線 方 向 ( Normal性は，大量に導入されている結晶粒界の影響だけではなく，direction: ND)を用いる．

加工材でもあるために高密度に導入されている転位の影響も大きいと考えられてきた．
一 般 的 に ， よ く 焼 き 鈍 さ れ た CG 材 中 の 転 位 密 度 LV

TD に垂直な面の結晶粒界マップを示す．ここでは，粒界方109～1011 m－2 程度であり，与えられる相当ひずみ位差 15°未満の小角粒界を赤線で，方位差 15°以上の大角粒に従い LV は上昇していくとされる．そのため， UFG 材中未満の方位差を持つ粒界を緑線で表示している．ただし，2°(m－2 )は図に，電子線後方回折(Electron backscattering diffraction: EBSD)法を用いて作成した，ARB 0～12サイクル材のの LV も強加工材中の LV と同等以上であると考えられてき界は，解析時の制限から切り捨てている．図 1 より， ARBた．転位密度の定量が可能な手法としては，透過型電子顕微

低サイクルにおいて赤で示される小角粒界が大量に導入さ鏡法( Transmission electron microscopy: TEM )， X 線回折れ，その後大角粒界の割合が徐々に増加していくことが見て法，比抵抗測定が知られている．しかし，筆者がポスドクを取れる．また， ARB 法では圧延を利用しているため， RD開始した2008年頃は，UFG 中の転位密度の定量を行った報に伸長した UFG を得ることができる．

告は TEM(4)(6)と X 線回折(7)(8)を用いた報告がわずかにある

この組織形成過程は，材料中に導入された転位が転位セルばかりであった．本稿では，純度 99 の工業用純アルミニや小角粒界を形成し，更に転位が導入され続けることで粒界ウム(JIS1100)に SPD の一種である繰り返し重ね接合圧延

方位差が増加し続け，最終的に方位差が 15°以上の大角粒界東京工業大学助教大学院総合理工学研究科 材料物理科学専攻(〒2268502 横浜市緑区長津田町4259
J263)
Quantification of Lattice Defects in Ultrafine Grained Metals Fabricated by Severe Plastic Deformation; Yoji Miyajima(Department ofMaterials Science and Engineering, Interdisciplinary Graduate School of Science and Engineering, Tokyo Institute of Technology,
Yokohama)
Keywords: lattice defects, ultrafine grains, severe plastic deformation, dislocation density, density of grain boundary, scanning transmission
electron microscopy (STEM), Transmission electron microscopy (TEM), electrical resistivity.
2012年 3 月12日受理

ま て り あ 第51巻 第 8 号(2012)Materia Japan




図1

板幅方向( TD )に垂直な面の粒界マップ ARB( a ) 0 サイクル，( b ) 2 サイクル，( c ) 4 サイクル，(d) 6 サイクル，(e) 8 サイクル，(f)10サイクル，(g)12サイクル．

が形成されるという Grain subdivision(13) として知られてい
図2る．
図が，図 1 より求めた ND と RD の大角粒界間隔(粒厚板厚方向( ND )と圧延方向( RD )の大角粒界間隔の相当ひずみ依存性(11)．

さと粒長さ)の相当ひずみ依存性である(11)．ND の粒界間隔は相当ひずみの増加に従い約 5 mm から徐々に減少し，相当ひずみ 6 以降で 200 nm 程度の一定値に収束する． RD の粒界間隔も約 20 mm から徐々に減少し続け，相当ひずみ 6 程度以降で 2 mm 程度の一定値に収束する．ここで， RD の大角粒界間隔は ND の大角粒界間隔より約 1 桁大きく，TD の大角粒界間隔は最小でも RD の大角粒界間隔程度であると考えられる．
その為，この大角粒界間隔の値から TD に粒界が無限に続いていると仮定して大角粒界密度 SV ( m－1 )を見積もり，その相当ひずみ依存性を示したものが図となる(12)．相当ひずみが増加するに従い SV も 0.2 × 106 m－1 程度から増加し，相当ひずみが 6 程度以降では約 4.5 × 106 m－1 で飽和している．

図3

.

大角粒界密度の相当ひずみ依存性(12)．

TEM/STEM観察示す．矢印で示される結晶粒は薄膜試料を適切に傾斜させる

一般に，組織観察には TEM が用いられるが，走査透過電ことで 2 波条件もしくは系統反射条件を満たすようにして子顕微鏡法(Scanning transmission electron microscopy:いる．この後，STEM 像から Ham ら(15)の方法を用いて LVSTEM )を用いることで UFG 中の転位観察をより詳細に行への換算を行った(11)．この手法は，転位と交差するようにうことが可能となる．図に ARB 材の TEM 像と STEMメッシュを書き，メッシュの交点の数 N とメッシュの総延像を示す(11) ． TEM 像中の矢印で示した結晶粒を見ると分長 l(m)から式( 1 )に従って LV を算出する方法である．

かるように，ARB 材は粒内転位の詳細な観察が難しい．これは， UFG 材中には高密度の結晶粒界が存在するのに加LV＝2N/lt(1)

ここで，t(m)は試料の膜厚である．

え，粒内に局所的な微小方位差が存在し，TEM ではこれら試料の膜厚は，TEM 観察で大角粒界に現れる等厚干渉縞の回折コントラストの影響が顕著であるためである．これにを利用して算出した(11) ．これは， 2 波条件では回折波の強対して， STEM 像では転位線以外の回折コントラストが平度は深さ方向に消衰距離 jg の周期で振動するため，大角粒均化されることによって UFG 材でも転位の観察が容易に行界に現れる等厚干渉縞の本数と jg から求める方法である．

える(11)(14)．

このようにして図 5 の結晶粒の LV を求めると，( a ) ARB 4

図に ARB 4 サイクル材と 11 サイクル材の STEM 像を

サ イ ク ル 材 は 5.4 × 1013 m－2 で ( b ) ARB 11 サ イ ク ル 材 は新 進 気 鋭.

精密比抵抗測定

金属中の自由電子の平均自由行程が変化すると，それは比抵抗(電気抵抗率)r(Qm)にも反映される．電子の平均自由行
程に影響を与える要因としては，格子振動と組織が挙げられ，前者は強い温度依存性があるのに対して後者の温度依存
図4

ARB 材の(a)TEM 像と(b)STEM 像(11)．

性はほぼ無いとされる．そのため，格子欠陥の定量を行うための精密比抵抗測定は S/N 比を良くするために低温で行う方が望ましく，今回は液体窒素中で，接触抵抗を無視出来る4 端子法を用いて行った(12) ．しかし，格子欠陥由来の比抵抗変化 dr ( Qm )は極めて小さいため，断面積が 1 mm2 程度で長さが 100 mm 程度の棒状試験片に約 10 A の電流を流すことで，初めて十分な精度で測定可能な電圧降下が発生し，比抵抗を測定することが可能となる．
図に 77 K における比抵抗 r77 の相当ひずみ依存性を示す(12)．まずは，比抵抗の値が nQm オーダーと極めて小さいことに注意していただきたい． r77 は相当ひずみが 6 付近ま
図5STEM 像 ARB ( a ) 4 サイクル(11) ，( b ) 11 サイ

では約 4.6 nQm から約 5.7 nQm 単調に増加しているが，そクル．

れ以降は飽和している．この r77 の増分 dr77 である約 1.1nQm が格子欠陥の増加分に対応していることとなる．

一般に希薄合金では，ある温度 T における比抵抗 rT は全固溶原子と全格子欠陥の寄与の加算則で表されるというマティーセン則が成立しており，式( 2 )で表される(12)．
ndisl
GBrT＝rpure
T ･NV＋DrT ･LV＋DrT ･SV∑DriT･C iV＋Drvac
T ＋i

(2)
は純金属単結晶の比抵抗， DriT と C iV は i 番目
ここで， rpureTの固溶元素の比抵抗への寄与率(Qm/at)と濃度(at)であdisl
GBる． Drvac
T と NV ， DrT と LV ， DrT と SV はそれぞれ，空孔の比抵抗への寄与率(Qm/at)と空孔濃度(at)，転位の比抵抗への寄与率(Qm3)と転位密度(m－2)，粒界の比抵抗へ
図6

転位密度の相当ひずみ依存性(11)．の寄与率(Qm2)と粒界密度(m－1)を表す．
ARB 加工前後で固溶元素の濃度は変わっていないと考えられるため， dr77 は，格子欠陥の増加に対応している．また，小松らによって， 95 程度までの圧延時の比抵抗変化
4.6×1013 m－2 となる(11)．

から，圧延時に導入される過剰空孔は室温時効 1 日以上でこの方法を ARB 各サイクル材の 4 個の結晶粒に対して適用し， LV の平均値の相当ひずみ依存性を示したものが図である(11) ．なお，エラーバーは転位密度の最大値と最小値を表し， ARB 1 サイクル材と 2 サイクル材の TEM / STEM
観察視野中には膜厚を測定できる大角粒界がほとんど含まれていなかったため，残りの試料の膜厚の平均値( 225 nm )を膜厚と仮定して LV を求めた．
図 6 から分かるように，相当ひずみを増加させても LV は1013 m－2 台後半でほぼ一定となり，最大でも約 1.5 × 1014
m－2 であった．これらの値は，考えられる最大の LV である

約 1016 m－2 よりも 2 桁小さく，純アルミニウムの融点が低いことを考慮しても予想外に小さい値であった．このように，UFG 材では実際に転位密度の定量を行うことが重要であることが分かる．
図7

ま て り あ 第51巻 第 8 号(2012)Materia Japan

77 K における比抵抗の相当ひずみ依存性(12)．

大将助教に助言を受けつつ行った研究の一部である．また，
STEM 観察は九州大学の中島英治教授のご厚意で，波多聰准教授の指導の元に行い，比抵抗測定は関西大学の小松伸也教授の研究室で測定して頂いた．電子工学で学位を取得し，ポスドクとして初めて金属の研究を始めた私に，金属，電子顕微鏡，比抵抗に関して「いろは」から御教授して頂いたこれらの先生方に，深い感謝を表したい．
著者は現在，東京工業大学において尾中晋教授の研究室の助教として， UFG 材の力学特性に関する研究を加藤雅治教授と藤居俊之准教授にも指導して頂きながら遂行している．
今後，本稿で紹介した格子欠陥の定量結果を元に，構造材用金属材料の力学特性に関しての知見を更に深めるべく努力し
図8

77 K における比抵抗の実測値と推定値の相当ひずみ依存性(12)．ていく次第である．

文
消滅することが分かっている(16)(17) ．そのため， ARB 各サ
イクル材の比抵抗測定は加工後 1 日以上を経て行われ，過剰空孔は比抵抗測定時には消滅していると仮定した．つまり，ARB 前後の比抵抗変化 drT は転位密度の変化分 dLV と粒界密度の変化分 dSV の寄与のみで説明が可能であり，式( 3 )で示される(12)．
GBdrT＝Drdisl
T ･dLV＋DrT ･dSV

(3)

GB－16 nQm3 と 2.6 × 10－7Drdisl
T と DrT の値はそれぞれ 2.7 × 10nQm2 が理論値として報告されており(18)(19)，dSV の値は図 3より得ることができる．そこで，まず dSV を考慮に入れずに，dSV の値のみを考慮して求めた drT の値を，図 7 で示した比抵抗の実測値 r77 と共にプロットしたものが図である(12)．図 8 から分かるように，比抵抗の相当ひずみ依存性は dSV のみでほぼ説明可能なことが分かる． dr77 に対する転位の寄与分は， dr77 に対する粒界の寄与分に影響を与えない範囲だと考え，約 0.5 nQm 以内だと仮定すると， dLVは 1014 m－2 台前半となる．この値は，STEM 観察から求めた LV と矛盾せず， 2 つの別々の測定法によって得られた結果が一致した．

.

お わりに

本稿では，TEM/STEM 観察と精密比抵抗測定を用いて，ARB 法を用いて作製した UFG 材の格子欠陥の定量を行った結果を紹介した．異なる手法を用いて定量した LV と dLV
は共に 1014 m－2 台前半未満で，与えられる相当ひずみによらずほぼ一定であった．格子欠陥は金属の塑性変形を考える( 1 ) A. Azushima, R. Kopp, A. Korhonen, D. Y. Yang, F. Micari, G.
D. Lahoti, P. Groche, J. Yanagimoto, N. Tsuji, A. Rosochowski
and A. Yanagida: CIRP Ann.Manuf. Technol., 57(2008),
716735.
( 2 ) H. Conrad: Mater. Sci. Eng. A, 341(2003), 216228.
( 3 ) T. Kunimine, T. Aragaki, T. Fujii, S. Onaka and M. Kato: J.
Mater. Sci., 46(2011), 43024307.
( 4 ) X. Huang, N. Hansen and N. Tsuji: Science, 312(2006), 249251.
( 5 ) N. Tsuji, Y. Ito, Y. Saito and Y. Minamino: Scr. Mater., 47(2002), 893899.
( 6 ) X. Huang, N. Kamikawa and N. Hansen: Mater. Sci. Eng. A,483(2008), 102104.
( 7 ) J. Gubicza, L. Balogh, R. J. Hellmig, Y. Estrin and T. Ungar:
Mater. Sci. Eng. A, 400(2005), 334338.
( 8 ) J. Gubicza, N. Q. Chinh, T. Csan áadi, T. G. Langdon and T.
Ungar: Mater. Sci. Eng. A, 462(2007), 8690.
( 9 ) Y. Saito, H. Utsunomiya, N. Tsuji and T. Sakai: Acta Mater.,
47(1999), 579583.
(10) Y. Saito, N. Tsuji, H. Utsunomiya, T. Sakai and R. G. Hong:
Scr. Mater., 39(1998), 12211227.
(11) Y. Miyajima, M. Mitsuhara, S. Hata, H. Nakashima and N.
Tsuji: Mater. Sci. Eng. A, 528(2010), 776779.
(12) Y. Miyajima, S. Komatsu, M. Mitsuhara, S. Hata, H.
Nakashima and N. Tsuji: Phil. Mag., 90(2010), 44754488.
(13) D. A. Hughes and N. Hansen: Acta Metal., 45(1997), 3871
3886.
( 14 ) 波多 聰，光原昌寿，田中將己，宮崎裕也，池田賢一，金子賢治，中島英治，東田賢二，村松 晶まてりあ，49(2010),
274279.
(15) R. K. Ham: Phil. Mag., 6(1961), 1183
1184.
(16) S. Komatsu, M. Ikeda, T. Miyashita, H. Yukimachi and T.
Ikeda: ICAA6, Japan Institute of Light Metals, Tokyo,(1998), 991996.
(17) 小松伸也塑性と加工，46(2005), 813817.
(18) 小松伸也塑性と加工，46(2005), 1028
1033.
(19) A. S. Karolik and A. A. Luhvich: J. Phys., 6(1994), 873886.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

上で重要であり，今回紹介した TEM / STEM 観察や比抵抗

2008年

測定によって， UFG 材の力学特性を考える上での転位密度という基礎データを得ることができる．今後は，別の手法も用いて格子欠陥の定量を引き続き行うことに加えて，変形中の格子欠陥の定量も行い，UFG 材の力学特性に関する理解を深めていければと考えている．
宮嶋陽司

本稿で紹介させて頂いた内容は，筆者がポスドクとして大阪大学および京都大学において，辻伸泰教授の研究室で寺田




献

Faculty of Engineering and PhysicalScience, University of Surrey, UK, PhD
取得
大阪大学 大学院工学研究科 特任研究
2008年
員(PD)
京都大学 大学院工学研究科 特定研究2009年
員(PD)現職
2010年 6 月専門分野金属組織学，材料強度学，固体物理学◎金属材料の組織と力学特性および電気的性質との関連性に関する研究に従事． UFG 材中の格子欠陥の定量を種々の手法を用いて行なっている．

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新 進 気 鋭