Vol. 60

MTERE2 60（8）459 〜 534（2021）

No.8
2021

・ 金属なんでもランキング！ 〜融解熱〜
・ 時効硬化型アルミニウム合金における Guinier­Preston
ゾーンの核生成の原子論的モデリング・ 共有結合・イオン結合の発達した合金系まで包括した
ヒューム・ロザリー則の電子論
講義
ノート

金属製錬の熱力学（第２回）

実学講座

金属材料実験の手引き 1．組織観察
1 3 走査型電子顕微鏡を用いた分析手法（EDS）

・ ファラデーの研究態度と金属研究
https: //jim.or.jp/

https://www.jim.or.jp/journal/m/ ［ オンラインジャーナル ］

日本金属学会会報 2021年8月1日発行（毎月1回1日発行）Vol.60 No.8 ISSN 1340-2625

https://www.jim.or.jp/journal/m/

2021
Vol.60No.8

金属なんでもランキング

No. 15

融解熱………………………………………………………………………459

プロムナードイノベーションを導くカタリストとプロデュース理論について

最近の研究

時効硬化型アルミニウム合金における Guinier
Preston ゾーンの核生成の原子論的モデリング 君塚 肇 三好 宙 石井明男 尾方成信 ………………………………………467

桜庭大輔 ………461

原子論に基づいた AlCu 合金の時効過程に対するモデリングにより，温度・組成に依存して変化する GP ゾー
ンの核生成・成長のクライテリアを定量的に解明．

共有結合・イオン結合の発達した合金系まで包括したヒューム・ロザリー則の電子論 水谷宇一郎 佐藤洋一 ……………………………………………………………………………475
干渉効果と軌道混成効果の同時評価で遷移金属等を含み共有・イオン結合性が発達した系まで含めヒューム・ロ
ザリー電子濃度則の統一的な解釈に成功した．

新進気鋭

炭素鋼中における複合析出物の析出挙動

講義ノート

金属製錬の熱力学(第 2 回)

齊藤元貴…………………………………………486

月橋文孝 ……………………………………………………………492

高温での化学反応によって目的金属を得る金属製錬反応の解析のために必要な化学熱力学の使い方について述べる．第 2 回は活量，溶液，相平衡について説明する．

実学講座

材料科学のパイオニアたち

金属材料実験の手引き
1. 組織観察 13 走査型電子顕微鏡を用いた分析手法
131 エネルギー分散形 X 線分光法(EDS)による元素分析
ファラデーの研究態度と金属研究

横江大作 ……………498

金児紘征 …………………………………………………507

偉大な業績の鍵は自己研鑽による研究態度にあり．研究をいかに進めたかを合金鋼開発と不働態研究の経過を追いながら紹介．学びたいファラデーの研究者魂．

科学館めぐり大阪市立科学館(大阪市)

スポットライト

教科書のイオン化傾向から考えられる起電力の逆転現象

本会記事

池尾直子 ………………………………………………………………515
山本史佳

杣谷篤紀 ……517

会告 ………………………………………………519

次号予告 …………………………………………530

掲示板 ……………………………………………527

新入会員 …………………………………………531

書評 ………………………………………………528

行事カレンダー …………………………………532

会誌・欧文誌 8 号目次 …………………………529
今月の表紙写真

抽出レプリカ法による鋼中析出物の HAADF
STEM 観察結果(1250°
C鍛造模擬加熱後の試料)．
(齊藤元貴 著 487頁 図 3(a)より掲載)

表紙デザインビーコン コミュニケーションズ株式会社 グラフィックスタジオ
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）
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6
41 乃木坂ビル 3F FAX 03
3475
5619 E
mailinfo＠jaacc.jp http://www.jaacc.jp/
複写以外の許諾（著作物の引用，転載，翻訳等）に関しては，直接本会へご連絡下さい．

前1参考文献( 1 ) 改定 4 版金属データブック日本金属学会編，丸善，(2004).
( 2 ) 元素大百科事典監訳( 3 ) 竹内渡辺正，朝倉書店，(2007).

栄日本金属学会誌，52(1998), 10391042.

次号金属素描
ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan

No.18

ニオブ



イノベーションを導くカタリストとプロデュース理論について†
桜

庭

大

輔

私は，平素は公務員として霞ヶ関で働くかたわら，「資源」を注ぎ込むこと」です．資源とは，お金だけではな

ZESDA という NPO 法人を約 10 年前に設立して活動していく，モノや経験・知見・情報・スキルや人脈・人材・信用等

ま す ． ZESDA は ， Zipangu

Design々様々です．しかし，私たちが展開するプロデュース理論でAssociation (日本経済システムデザイン研究会)の略で，文は，こうした資源の種類はほとんど問いません．それより，

字通り，日本の経済システムをデザインするために活動して資源がイノベーターに注ぎ込まれていく「経路」に着眼しま

います．東京一極集中型，内需主導型の経済システムではもす．

Economic

Systemう日本はもちません．なので，ずばり，日本の地方が海外か

例えば，ZESDA は，春蘭の里も「プロデュース」していら直接おカネを稼げるような経済システムをデザインするべます．春蘭の里には，豊かな自然，海山の美味しい食材，そく，様々なプロジェクトを行っています．

して里の永久の繁栄を願う地元のリーダーがいます．しかなかなか大きなテーマを掲げている団体ではあるのです

し，それだけでは，仕事は生まれません．おカネを稼ぎ続けが，活動は地道なことを行っています．例えば石川県奥能登られません．若い人が子育てできません．補助金が配られた「春蘭の里」の地方創生に取り組むプロジェクトでは，外国としても，それだけでは，一時的に消費されてしまうだけで人観光客がますます来てくれるよう，英語のホームページやす．他方で少し目線を上げると，人口が 1 億人を切ってい動画を作ったり，英語のメールのやり取りを手伝ったり，サ

く国内に対して世界には中流階級が 30 億人いると言われてイクリング好きの外国人向けに自転車を整備したり，古民家

います．マーケティングの原則からすれば，市場を海外に求改修のクラウドファンディングを成功させたり，社会課題をめるのが自然です．しかし，海外進出には，英語や IT や海考える実習のフィールドとして大企業に紹介したり，といっ

外マーケティングや経営ノウハウといったスキルや情報，地た地に足の着いた活動を積み上げてきています．

域を海外と繋げる都会や海外の人材などを組み合わせていくことが必要となります．しかし，地域の人々にはそれがなか.

プロデュースとは何かなか困難です．そこで，ZESDA が地域のイノベーターに資源を注ぐ「プロデュース」を行っているわけです．

さて，こうした活動を行うなかで，私たち ZESDA が中心

さて，ここまで，なぜ金属学会で地方創生の話を聞かされにしている方法論があります．それは「プロデュース」です．

なくちゃいけないのだろうとお感じの方も多いと思います．

「有名パティシエがプロデュースしたケーキ」「アイドルをプ

一方で，少しピンと来られた方もいらっしゃるのではない

ロデュースするゲーム」などなど，巷ではプロデュースといか，とも想像します．

う言葉がよく用いられ，なんとなく意味がわかったような気そう，異分野融合研究においても，研究者に対して，人材がしていますが，そもそも，プロデュースとは何でしょうや情報などの様々な研究資源が注ぎ込まれていく経路のマネか．調べた限りでは，どうやら決まった定義はなさそうです．

ジメントがきっと重要なのです．

私たちの定義する「プロデュース」とは何か．それは，一イノベーターである研究者個人が，独力で必要な研究資源言でいうと，「何かをやりたいと思っている人に，必要なをかき集めるには限界があります．異分野融合ともなればパ

NPO 法人 ZESDA・代表(〒1040061 東京都中央区銀座 12211)
The Catalysts of Innovation and Their Production Theory; Daisuke Sakuraba(NPO ZESDA, Tokyo)
Keywords: catalyst, innovation, inspire, introduce, produce, multiliteracy, management, entrepreneurship† 本記事は，2020年12月に開催された「第 3 回 日本金属学会第 7 分野講演会」にて基調講演をされた内容を基に執筆されている．
2021年 3 月11日受理[doi:10.2320/materia.60.461]

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan

ートナー選びからして大変です．では，誰がどうやって，イノベーターをプロデュースすればいいのか…．
そこで，じゃあ日頃プロデュースがどうたらとか言っている桜庭さんの話を聞いて，いっちょイメージを持ってみよう
じゃないか，いうのがこの度私に講演・寄稿を依頼した当学会事務局関係者の思惑なわけです．

.

なぜ「カタリスト」が大事か

さて，話を戻します．資源をアントレプレナーに注ぐ経路
をマネジメントする存在．それを私たちは，総称して「カタリスト(catalyst)」と呼んでいます．「媒介者」という意味です．

図1

起業家中心主義的イノベーション・エコシステム観．

図2

カタリスト主導型イノベーション・エコシステム観．

私たちが勉強した範囲では， 2000 年代に入ってから，英語圏では，カタリストの機能を分析する学術論文が増えています(1)．
それまでは，イノベーションを興すのは起業家やイノベーターが興すものだ，というものの見方が当たり前であったよ
うに思われます．イノベーターという「主役」が頑張って，色々な人にアプローチし，たくさん学んで，必要な資源を獲得して事業を成し遂げてきたというストーリーとしてイノベーションを捉えるわけです．当然と言えば当然でしょう．多くの成功者もそういう英雄譚を語ります．これを「起業家中
心主義的イノベーション・エコシステム観」と呼びたいと思います(図)．
しかし，近年は，そのような起業家を主語とした物語は，
イノベーションのプロセスの事実実体を正しく描写しているのだろうか，という問いが立てられているわけなのです．ス
ティーブ・ジョブズもマーク・ザッカーバーグも，最初から凄いイノベーターで，徹頭徹尾彼らの主導で事業が成功したかもしれません．

のでしょうか．おそらく違います．色々な人々の世話になりいずれにせよ，今，このカタリスト主導型イノベーショながら大きくなったはずです．そして，彼らを世話したのン・エコシステム観から日本社会を眺めなおした時，異分野

は，投資家だったりコンサルタントだったり，と，イノベー

研究等のイノベーションを促進するには，イノベーター育成

ターが成功することに強いインセンティブや主体性を伴ってもさることながら，カタリストたちの自覚促進や活性化にコミットしてきた人や，乞われて力を貸したというより見返も，もっと力を入れるべきであろうと私たちは考えます．

りを求めて進んで世話した人も多かったはずです．ならば，

.

イノベーションのプロセスの主語は，イノベーターのみなら価値の流通経路をマネジメントする

ず，エコシステム上の様々なアクターも含まれてくるのでは冒頭にも少し述べたように，真にイノベーティブなカタリないのでしょうか．
イノベーションとは，カタリストたちが，イノベーターにストたちが行っているのは，価値の流通経路のマネジメント

様々な価値を注ぎ込んできた群像劇としてこそ語られるべきです．資金や人材やアイディアなど，研究者が必要としていなのではないでしょうか．私たちはこうしたものの見方をる価値は多種多様です．普通の研究者は独力ではそれらを容「カタリスト主導型イノベーション・エコシステム観」と名易に手に入れられません．そこで，適切なタイミングとクオづけました(図)．

リティの資源がイノベーターに注がれていくように，流通経

ちなみに，こうしたものの見方の変化が訪れているのは，路を整えるのがカタリストです．そして，価値の流通経路のおそらく，情報氾濫と専門分化が行き過ぎるなかで，イノベ 直接型と◯
 間接型と両者のマネジメント方法は，理論上，◯ーターにとってコミュニケーションコストが高過ぎる周期に

 組み合わせ型の 3 種類に整理できます．
◯

入って来たからではないか，という仮説を私は個人的に持っています．カタリストの介在コストが相対的に高まれば，またイノベーターのリーダーシップへの依存度が高まってくる




◯

直接提供型Inspire(＝「チエ」を使う)
1 つ目は「直接型」の価値提供です(図)．イノベーター

プロムナード図3

直接提供型(Inspire 型)．

図4

間接提供型(introduce 型)．

に必要な価値を，カタリストが直接提供する類型です．イノ
ベーターが必要としている価値を，カタリストは，どこかから調達して提供します．

ことで，資源の受け渡しを導くパターンです．

例えば，研究者 B 氏が行き詰った時に，「医療工学の A 准

例えば，B 氏のプロジェクトが大きくなるにつれて，追加

教授の最新理論を，B 博士の研究に導入すると良さそうだ．

資金が必要になったり，煩雑な事務手続が必要になったりしだが全体は難解長大で関係ないところが多い．そこで B 博

ます．その際に，出資企業やアシスタントなど適切な人材や士の友人 C 氏が， A 准教授の理論の必要箇所だけ B 博士に組織を紹介するわけです．これらのケースで B 氏に注がれ伝えたりすることが，この典型です．また，世界中を飛び歩る資源は，情報に限らず，資金や人材など，多岐にわたりま

いている C 氏が，各業界・企業の( A ， A ′， A ″…)のニーズ

す．この時，カタリスト C 氏は， A 氏を通じて「間接的」や認識について，とりまとめて B 博士に報告するというよに B 氏に資源を流し込んでいると言えます．換言すると，うな場合も含まれます．

カタリスト C 氏自身は， A 氏との繋がり， A 氏からの信頼これらの例のように，カタリスト C 氏が資源を B 氏に直(「コネ」)という価値を用いて，B 氏に資源を提供していると接提供する行為を，私たちは Inspire と呼んでいます． In-

言えます．これを私たちは，文字通り， Introduce (紹介)とspire 型カタリストは，研究者にとって適切な形に資源を加呼んでいます．

工(翻訳，解説，編集，総合等)します．メンター的に自分自Introduce 型カタリストが付加価値を発揮するポイント

身の経験や情熱や愛情をチエに乗せて注ぐこともあるでしょは，自分の信用力(コネ)の付与にあります．「C さんの紹介う．これらも Inspire 機能に含まれてきます． Inspire 型カ

であればきっと，適切な人なんだろう」「 C さんはいつも私

タリストの腕の見せ所は資源の形質を B 氏にとって最適化のメリットを考えてピンポイントで人を紹介してくれる．だ

するべく「価値変換」を行うところにあります．ここにチエから，忙しいけれども時間をつくって会おう」と，B 氏からを凝らして付加価値を出すわけです．

も，A 氏からも，思われていることが重要になります．

先行研究を見ると，例えば 10か国 276人の R&D 関連の研Thomas らは，このような競争力を生む協働パートナーを究者を調査したところ， Inspire 型カタリストの知り合いを紹介する存在をインターミディアリィ( intermediary )と呼持つ研究者は，持たない研究者よりも，特許申請数が多いこび，政府主導の紹介システムが，委託契約結んだ専門コンサとが定量的に示されています(2)．

ルタントらの知見を用いて，自らのネットワークのなかから

また，電気機器業界における Inspire 型カタリストの働き企業を紹介してイノベーションを促進する事例を紹介していを定量的に分析した研究では，複数の業界や組織をまたがっます．公的機関が有する公益性・中立性・信頼性が，パートて活動する彼等がイノベーションをもたらすアイディアを豊ナー探しの判断や検索コストを補っているのです(4)．また，

富に有していることを指摘すると同時に， Inspire 型カタリ

Gianiodis は， 2003年以降のオープン・イノベーション関連

ストとの繋がりや存在それ自体が「財産(social capital)であの論文を分析し，企業の経営戦略を，問題解決法を提案するる」と述べつつ， Inspire 型カタリストの知り合いが多い人

企業，問題解決法を買う企業，その両方を行う企業，問題解材の方が組織内でもより昇進していることも立証されたりし決を提案する企業と買う企業を繋ぐ企業の 4 つに分類整理ています(3)．
ちなみに， Inspire 型の資源提供においては， A 氏と B 氏

し，紹介( Introduce )を行うカタリスト機能を経営戦略のひとつとしても位置付けています(5)．

は直接会うことは想定されていません． Inspire 型カタリス

そして， A 氏と B 氏の新結合が成功するためには，カタ

トは，敢えて二者を引き合わせず，間に入ることで，自分のリスト C 氏の人格的な信用力や実績，また人と人の相性を存在価値を演出することすらあります．

見繕う能力，紹介する現場で上手に A 氏と B 氏の関係がう
まくいくように取り計らうファシリテーション能力などが，◯

間接提供型Introduce(＝「コネ」を使う)資源が流通する経路をマネジメントするカギになってきます．

2 つ目の価値流通の類型は「間接型」です(図)．A 氏が持っている資金やスキルなどの資源を，研究者 B 氏が必要

 組み合わせ型 Produce (＝資源がイノベーターに注がれ◯としている時，カタリスト C 氏は， A 氏を B 氏に紹介するる仕組みをつくる)

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan




図5

カタリストの基本動作は 2 種類に尽きる．

資源の流通経路は，原理的には，上記の直接型と間接型の

図6

三次元の Produceエコシステムを組み立てる．

図7

四次元の Produce成功までの段取りをつける．

2 種類に尽きます(図)．これらはカタリストが付加価値を生む上での基本動作とも言えます．しかし，実際のカタリス
トが行う Inspire や Introduce は，カタリストそれぞれの個性やスタイルが滲んでおり，奥が深いです．アートと言っても よ い で し ょ う ． そ し て ， Inspire に Introduce を ， Introduce に Inspire を添えるなど，両者が同時に行われることは当然見受けられてくるわけですが，これをどんどん組み
合わせていくことで，研究者に資源が注がれていく仕組みを構築することができます．これが第 3 の類型 Produce 型です．私たちはこの Produce 型カタリストを(狭義の)プロデューサーと定義しています．プロデューサーは，より複雑な
価 値 の 流 通 経 路 を 取 り 扱 う た め ， 単 発 で Introduce や Inspire を行うカタリストよりも，一段高い構想力やマネジメ

ント能力が求められます．

. 2 つの次元の Produce
この Produce には少なくとも 2 種類の意味があります．1
つ目は，「座組み」を創出する Produce です．すなわち，様々なカタリストや，価値を持っている人々が，ひとつのチー

例えば，新規企画の担当者や芸術家を含め，イノベーター

ムや組織やシステムやコミュニティを形成して，イノベータ

やアントレプレナーが行き詰った時に，彼らに適切な In-

ーに価値が注がれていく仕組み(エコシステム＝生態系)を創

spire をくれる人材を手配する．しばらくして今度は，運転出することです．

資金が枯渇したら，銀行や投資家を Introduce する．という

例えば，映画やアニメのプロデュースが典型的です．脚本

ように，主人公が様々な困難とぶつかるたびに必要となる価家や広告代理店や俳優やスポンサーなどを揃えて，イノベー

値が，将来適切な段階で手に入るよう，ある程度の段取りをターである映画監督に，アイデアや労働力や資金などが注がつけておいたり，様々なコストの投下の見通しを立てておいれていくように，制作チームや製作委員会といった座組みをたりして，優れたプロデューサーは，豊富な選択肢を用意し組織することは，プロデューサーの重要な役割です．

ています．それが可能になるよう，選択肢を絶えず更新・拡

なお，このエコシステムの全貌は，映画やアニメの制作/

大する努力も日頃から怠りません．これは言うなれば，三次製作のように関係者全員に見える化されている場合もあれ

元に時間軸を加えた「四次元の Produce」とも言えるでしょば，プロデューサーにしか見えていない場合もあると思いまう(図)．

す．とにかく膨大な知見と人脈がありそう，という「底知れこのように，カタリストは，価値の流通経路のマネジメンなさ」を影響力の源にしているプロデューサーもしばしば見ト手法に応じて， Inspire 型， Introduce 型， Produce 型の 3

受けられます．いずれにせよ，プロデューサーの行う類型に整理できます．それぞれ，チエを用い，コネを用い，

Produce の類型として，まず，立体的に人間関係を構築する

両方を複数組み合わせます． Inspire と Introduce は，カタ「三次元の Produce」の存在を指摘できます(図)．

リストが付加価値を生む上での基本動作となりますが，組みそれから，さらに一歩進んだプロデューサーは，時間軸においても，Produce を展開します．



上げてエコシステムを創出(Produce)することができるようになると，資源の流通経路全体をマネジメントする力やイノ

プロムナードベーターへの影響力は飛躍的に高まります．このようなプロ

かなり参考になる事例なのではないでしょうか．

デューサーはイノベーションの行方を左右する存在になります．プロデューサーはいわば「キング・オブ・カタリスト」

.

カタリストの条件
「マルチ・リテラシー」

です．
例えば， Brown らは，ベンチャー・キャピタルが，シリ

さて，ここまで 3 種類のカタリストについて紹介してきコン・バレー地域内のあらゆるネットワーク，あらゆるコミ

ましたが，どうしたら，そのような真の付加価値を生めるカ

ュニティをまたいだ関係性を持っていることの強みを生かしタリストになれるのでしょうか．コミュニケーション能力て，蓄積した知見や経験や人脈を提供しながら，地域クラス

や，ビジネスセンス，イノベーションへの意欲など，通り一

ター内で Produce 型カタリストとしての機能を果たしてい遍の能力はさておいて，ここでは，カタリスト特有の能力要る様子を描いています(6)．

素について触れたいと思います．それは，ずばり，複数の分野について，少しずつ知っていること，すなわち，
「マルチ・

.

島田一雄プロデューサーの事例

リテラシー( multi literacy )」があること，だと私は考えます．Inspire にせよ，Introduce にせよ，イノベーターが挑戦

それから，金属学会の皆様のヒントになりそうなので，日している分野や，イノベーターが必要としている情報や人材本の誇る大プロデューサーである島田一雄氏をご紹介したいの分野など複数( multi )の分野について，専門知識( exper-と思います．島田プロデューサーは，東京都立航空工業高等tise )までは持っていなくても，良し悪しがわかる程度の見専門学校長等を歴任された「衛星設計コンテスト」の創始者

識( literacy)は必要です．リテラシーとは，どの業界ではどの人がどのくらい優れているか(”Who knows What ”）．必です．
島田プロデューサーは，かつては，関係機関が単発的に関係する程度の繋がりしかなかった宇宙工学業界(図)におい要な水準をクリアしているか，調達コストは割安か割高か，がわかるというレベルの見識です．

て，衛星設計コンテストを継続的に開催することで，まずコ

例えば，「中東で一番有名な日本人」と呼ばれる日本・中ンテストの OBOG をコミュニティ化しました．そして，「宇東間の貿易コンサルタント等を営む鷹鳥屋明氏は，中東では宙工学人材を育成する」という問題意識を JAXA はじめ宇どの日本アニメが人気かどうかを知っていると同時に，日本

宙工学系の企業含め，関係機関の間で共有することで，宇宙国内でどのアニメの版権は高いか安いか，についても知って

工学系人材のコミュニティ全体をプロデュースしました．結います．同様に，食品やテクノロジー等の分野においても，果として，このコミュニティのなかで，宇宙工学系のあらゆ中東マーケットのニーズと，日本側の供給サイドの状況につる研究者は，様々な人材や情報に容易にアクセスすることがいてもよく知っています．もちろん，彼よりも日本アニメのできるようになり，結果として企業や組織を横断したコラボ

版権に詳しい人材，食品やテクノロジーに詳しい人材，またレーションが星の数ほど生まれています．衛星コンテストの中東に詳しい人材は他にいるでしょう．しかし，彼は，十分OBOG である，という先輩後輩の絆が，ポジションを超えに優れた「マルチ・リテラシー」を有するので，彼のチエとた協働関係を生み出し，全体をエコシステムとして機能させコネが高い付加価値を発揮できる日本・中東間のマーケットていったのです(図)．

を見極めながら， Inspire や Introduce を縦横無尽に展開す

島田プロデューサーの卓越した手腕の詳細は， 2021 年 7るカタリストとして大活躍しています．

月出版予定(販売予約開始済)の「プロデューサーシップのススメ」(紫洲書院)に記述されています．金属業界においても

図8

島田一雄氏プロデュース前の宇宙工学業界．

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan図9

島田一雄氏プロデュース後の宇宙工学業界．



に届けたい．日本の産学連携や異分野融合研究の未来を牽引する皆様のお志や情熱をひしひしと感じました．
私は，その後まもなく，ニューヨークに赴任して参りました．ようやく業務にも慣れてきたところで，本稿の寄稿依頼を頂戴しました．現在，近刊の「プロデューサーシップのススメ」も監修者として最終チェックを進めています．同書では，「マルチ・リテラシー」を梃子に，自身の「チエ」と「コネ」を上手に操って，イノベーターのイノベーションを
図10

金属学会への提案．

リードする約 20 名のカタリストの活躍事例をご紹介しています．産学連携，デザイン系，行政系等々，本当に様々な分

.

金属学会とカタリスト

野で活躍するカタリスト達のキャラクターもスタイルもそれぞれ大変ユニークです．そしてリアルです．

さて，縷々述べて参りましたが，コンサルと紹介をしてくぜひご一読いただき，研究資源の流通経路をマネジメントれる仲介者が大事．その両方をたくさん組み合わせるすごいする方法やご自身がカタリストとして活躍する場合のスタイ

仲介者がプロデューサー．まあ，なんとなく，わかっていた

ルや手法のイメージを描いて実行に移していただければと思ようなお話かもしれません．

います．そして，金属学会でも，会員同士がお互いにカタリ

では，金属学会員の研究者の方々が，例えば生体・医療・ストとして働きかけ合い，より優れた異分野融合研究をどん

福祉分野の方々と異分野融合研究によってイノベーションを

どんプロデュースしていくコミュニティとして発展していか

興そうとするならば，具体的に何をすればよいでしょうか．

れますよう，願っております．もちろん，ご来訪もお待ちし最後に私から取り組むべき問いを 3 つ提案したいと思いまております．ニューヨークの空の下より．

す(図)．

文

まず，金属と生体・医療・福祉の各分野にマルチ・リテラ

献シーを有するカタリストは，どこにいるでしょうか．研究室内でしょうか．企業内でしょうか．URA でしょうか．これが備わってくると思います．さらに，カタリストの活躍に障( 1 ) T. Abbate, R. Coppolino and F. Schiavone: Linking Entities in
Knowledge Transfer: The Innovation Intermediaries, Journalof the Knowledge Economy, 4(2013), 233243.
( 2 ) M. Tortoriello, B. McEvily and D. Krackhardt: Being a
Catalyst of Innovation: The Role of Knowledge Diversity and
Network Closure, Organization Science, 26(2015), 423438.
( 3 ) S. Ronald and R. Burt: Structural Holes and Good Ideas.
American Journal of Sociology, 110(2004), 349399.
( 4 ) E. Thomas, A. Balestrin and J. Howells: The Role of Intermediaries in Collaborative Innovation Projects, XXXVII Meetingof the ANPADEnANPAD, (2013).
( 5 ) P. Glaniodis, S. Ellis and E. Secchi: Advancing a Typology ofOpen Innovation, International Journal of Innovation Management, 14(2010), 531572.
( 6 ) J. Brown and P. Duguid: Mysteries of the region: knowledge
dynamics in Silicon Valley, C. M. Lee, W. F. Miller, M. G.
Hancock and H. S. Rowen eds., The Silicon Valley Edge: A
Habitat for Innovation and Entrepreneurship, Stanford University Press, (2000), 1639.

壁はないでしょうか．その障壁は誰なら取り除けるでしょう★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

を特定することが大事だと思います．次に，カタリストはどのようなインセンティブで活躍しているでしょうか．欲しているのは金銭でしょうか，学術的成果でしょうか，名声でしょうか．そして，カタリスト達がますます活躍するためには，誰が何をすればよいでしょうか．私は，この 3 つの問いに答えが出せればイノベーションは進むと思います．
カタリストが居なければ創造する必要があります．大学内に部署を設ければ解決する問題ならばよいのですが．そして一応カタリストとしての機能が期待されそうなポジションの方 が い る 場 合 ， 彼 ら が 欲 し い も の は 何 で ， Inspire や Introduce や Produce をするほど，それが手に入る構造になっているでしょうか．そういう構造であれば持続可能性や勢いNPO 法人 ZESDA 代表
1980 年生．官公庁に勤務するかたわら， 2011 年にグ
ローカルビジネスをプロデュースするパラレルキャリ
ア団体 NPO 法人 ZESDA を創設し活動中．そのほか
研究・イノベーション学会プロデュース研究分科会共同主査等の活動に従事．
Twitter: ＠sakuchaan

か．取り除ける権力者にはもちろんカタリストの重要性をよくよく認識していただきたいところです．
2020 年の年末，リモート講演ではありましたが，その後には，参加者の方々から予想以上に多くの質問やメールを頂★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

戴しました．金属学会の若手研究者を育みたい．大学発のイ
ノベーションに貢献したい．この世のあらゆる資源を研究者



桜庭大輔

プロムナード時効硬化型アルミニウム合金におけるGuinier
Preston ゾーンの核生成の原子論的モデリング
君塚

肇 三 好, 
宙1
) 石 井 明 男2
) 尾 方 成 信3
)

た nm サイズの円盤状クラスターである．時間が経過すると

.

はじめに

GP2 ゾ ー ン が 成 長 し 始 め ， 硬 さ は さ ら に 増 加 す る ( 図 1(a))．このとき GP1 ゾーンは見られなくなる．GP2 ゾーン
時効硬化とは，溶体化処理された合金を焼き入れ後，常温は図 1(c )に示すように，2 枚の GP1 ゾーンが面外法線方向

または加熱下で保持することにより時間の経過とともに硬に 4 原子層分離れた位置で配列した構造をもつ．さらに時度・強度が増加する現象であり，アルミニウム合金を始めと間が経過すると，半整合析出物である u′相(図 1(d))が現れ，する種々の実用金属材料に対する主要な強化法の一つであGP2 ゾーンは見られなくなる．このとき硬さはピークを迎る．時効硬化中は合金内部で様々な準安定析出物の核形成とえ，その後減少に転じる．多くの実験観察から， Al Cu 合

消滅が順次に生じ，特定の析出物の成長に伴って硬さは鋭敏

金の時効処理過程において各析出物が現れる順番は，に変化する．アルミニウム合金の時効熱処理の過程では，母相中の溶質原子がもとの格子構造を大きく変化させることな過飽和固溶体 → GP1→GP2(or u″) → u′→ u
MHHHNHHHO
GP ゾーン

く拡散・凝集し，母相と整合した状態において局所的な集合(1)

体(クラスター)を形成する．このナノサイズの析出物は発見であることが知られている(4)(6) ．ここで， u は， Al 母相と者の名前から GuinierPreston(GP)ゾーン(1)(2)と呼ばれてい異なる結晶格子をもつ平衡相である．一方，図 1( a )が示す

る．

ように，Cu 濃度 2.0 wt(0.9 at)の合金を時効処理した際

時効硬化型合金の強化挙動は，溶質原子が構成するナノ析には，最初から GP2 ゾーンが核生成・成長し始め，硬さが出物(GP ゾーン等)の種類や数密度，規則度等に大きく依存増加する．その後， u ′相が成長し始め GP2 ゾーンは見られする．図( a )は，種々の溶質濃度の Al Cu 合金を 130 °Cなくなる．さらに，同様の溶質濃度の Al Cu 合金をわずか(403 K)で時効処理した際の，時効硬化曲線および合金内部に高温の 190 °C ( 463 K )で時効処理した場合， Cu 濃度 4.5で形成する析出物の種類の時間変化(3)を表している．Cu 濃相が最初から析wtでは GP2 ゾーンが，2.0 wtCu では u′

度 4.5 wt( 2.0 at)では，硬化が始まったとき合金内部で出することが確認されている(3)．

は GP1 ゾーンの核生成・成長が観察される．GP1 ゾーンは

このように，合金内部では組成，処理温度，時効時間等に

図 1(b)に示す模式図のように，溶質原子が{100}面に集積し依存して出現する析出物が変わり，時効硬化挙動は非線形的名古屋大学大学院工学研究科教授(〒4648603 名古屋市千種区不老町)
株 2)講師 3)教授
大阪大学大学院基礎工学研究科1)大学院生，現在三菱電機
京都大学構造材料元素戦略研究拠点拠点教授
Atomistic Modeling of Nucleation of GuinierPreston Zones in AgeHardenable Aluminum Alloys; Hajime Kimizuka, Hiroshi
Miyoshi, Akio Ishiiand Shigenobu Ogata,(Department of Materials Design Innovation Engineering, Graduate School ofEngineering, Nagoya University, Nagoya. Department of Mechanical Science and Bioengineering, Graduate School of Engineering
Science, Osaka University, Toyonaka. Center for Elements Strategy Initiative for Structural Materials (ESISM), Kyoto University,
Kyoto)
Keywords: nanoprecipitates, GuinierPreston zones, AlCu alloys, multibody interactions, intercluster interactions, density functional
theory, atomistic kinetic Monte Carlo method, classical nucleation theory
2021年 4 月 5 日受理[doi:10.2320/materia.60.467]

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan




図1

( a ) 時効過程における Al Cu 合金の硬度の変化と析出物の関係( J. M. Silcock ら(3) の報告に基づく)．( b d )各析出物の原子構造の模式図．

に変化する．そのため，従来から時効硬化型合金の設計・開発には試行錯誤的な実験によるプロセス探索が欠かせない．
合金の時効硬化挙動を理解し予測するためには，種々の析出物が合金の力学特性に与える影響を把握することに加えて，
析出物の形成メカニズムを解明し，硬化に寄与する析出物の核が優先的に生成する温度・組成の条件を原理・原則から明らかにする必要がある．特に Al Cu 合金は時効硬化型合金の代表例として古くから精力的に研究が進められ(7)(11)，その硬化挙動や析出物の構造・形態等について豊富な知見が蓄積されているものの，上述のように非線形的な振る舞いを見

図2

Al 結晶中の 2 枚の Cu 単原子層クラスター({100}面)におけるクラスター間相互作用エネルギー(Eclscls)および差電荷密度．d はクラスター間距離(層数)を表す．文献(15)から一部転載(公益社団法人日本金属学会)．

せる析出現象の微視的メカニズムについては未だ明らかにされていない部分が多い．
筆者らは，第一原理電子状態計算を活用して，合金中のナ作用に注目する． Al Cu 合金の時効過程の初期において，

ノ析出物の形成を支配する溶質原子間の相互作用を識別・同溶質である Cu 原子は Al 結晶中を拡散し，Cu 原子同士が接定するとともに，溶質原子の規則化・クラスター化の原子描近する状況が生まれる．この際， Cu 原子間の相互作用によ像を明らかにしてきた(12)(16) ．最近では，原子レベルの速り Cu 原子が束縛し合い，{ 100 }面上に選択的に集積するこ度論と熱力学の詳細情報を採り入れて，置換型合金中のナノとで GP1 ゾーンを形成する描像を考える．

析出物の核生成過程を記述することができるアプローチを構AlCu 系における GP ゾーンの形成に関しては，弾性論に築している(17)(18)．本稿では，代表的な時効硬化型アルミニ

基づく介在物の形状に関する議論(例えば文献( 19 ))から，ウム合金である Al Cu 合金を対象に，時効硬化過程におい原子半径の小さい Cu 原子によって誘起される弾性ひずみエて重要な役割を果たす GP ゾーンの核生成過程を原子論的情

ネルギーが最小となるよう，最も弾性的に柔らかい{100}面

報に基づいてモデル化するとともに，温度・組成に依存して上に板状に析出するといった解釈が従来よりなされている．

変化する GP ゾーンの核生成・成長のクライテリアを予測的

一方，現実には，GP ゾーンは単原子～数原子層で構成されに獲得した結果について紹介する．

る原子スケールの不均一構造を持つことから，内在する化学的結合エネルギーの影響と弾性ひずみエネルギーの影響を明

.




電子状態計算による Al Cu 合金中の溶質原子間相互作用の解析
溶質原子間の多体相互作用GP1 ゾーン形成の駆動力確に分離することは本質的に難しい．特に，GP ゾーンの核のようなナノクラスター領域に注目する場合，溶質 Cu 原子が集積することによって顕著な局所ひずみが誘起され，そのひずみエネルギーを緩和するために各原子が変位し，その結本解析では，GP1 ゾーンの基本構造を{100}面上において果として溶質 Cu 原子周辺の電子構造が変化するというよう成長する Cu 単原子層クラスターとみなし，クラスター化のに，化学的相互作用の効果と局所ひずみの効果は相互に連成発現要因として母相 Al 結晶中の溶質 Cu 原子間に働く相互していると考えるのが自然である．



最近の研究

筆者らは，局所ひずみの効果が加味された形での溶質原子間の多体相互作用を，時効過程の初期において溶質原子の偏析・規則配列化をもたらす主たる駆動力として捉えている．

.

動的モンテカルロ法による Al Cu 合金中の GP1
ゾーンの形成過程の解析

電子状態計算の結果， Al 結晶中で 2 個の Cu 原子が隣接する場合は第 1 近接関係がエネルギー的に好まれること，さ

時効硬化過程で析出する GP ゾーンは準安定構造であり，らにもう 1 個の Cu 原子が隣接した 3 体間では第 1 近接結合

そのサイズや形態は温度に応じて時間とともに変化する．本角が90°となる直角三角形状の配置が最も大きなエネルギー

節では，AlCu 合金における GP ゾーン形成の時間発展を予利得を示すことが明らかとなった(15)．この配置は{100}面上

測的に評価するための理論的アプローチ(17)について述べる．

でのみ構成可能であるため，時効初期における GP1 ゾーン

Al Cu 合金等の置換型合金(固溶体)内部には常に一定のの形成過程においては，このような局所配置が多く含まれる割合で空孔が存在し，その空孔を介して原子の移動・拡散がように溶質原子が{100}面に集積し，規則化することが予想生じる．空孔を介した原子移動の一つ一つは，所要の自由エされる．

ネルギー障壁を乗り越える原子レベルの事象(イベント)とし

クラスター間相互作用GP2 ゾーン形成の駆動力て捉えられる．この原子の移動事象が連続的に生じること
で，系の原子配列と自由エネルギーが変化する．この過程

AlCu 合金の常温時効過程において GP1 ゾーンが形成・で，前節で示したような溶質原子間の引力的な相互作用が駆成長した後にさらに時効を継続すると， GP1 ゾーンの成長動力として働くことで，溶質原子が集積し析出物の形成が進は飽和し，その後 GP2 ゾーンが形成・成長するのに伴い行する．そのため，析出物の原子レベルの形成過程を速度論

GP1 ゾ ー ン の 割 合 は 減 少 に 転 じ る 現 象 が 確 認 さ れ て い的に評価するためには，連続的に発生する原子の移動事象をる(3)(20)(25) ．時効初期において準安定な GP1 ゾーンが前駆記述することが求められる．

的に形成された後，GP1 ゾーンに属する Cu 原子がよりエネ

原子配置の時間発展を記述する手法には，代表的なものに

ルギーの低い配置を求めて脱離・拡散することで Cu の再分

分子動力学法がある．しかし，本手法で捉えることのできる配が生じ，結果として 2 枚の GP1 ゾーン間に 3 枚の Al 原

時間スケールはナノ秒からマイクロ秒のオーダーに限られ，子層が挟まれた構造を持つ GP2 ゾーンに遷移すると考え一連の原子拡散過程により生じる過渡的な構造変化を追跡する．この際， GP1 ゾーン間に働く何らかの相互作用が，ることは高温条件下を除くと一般に困難である．そのため本GP2 ゾーン形成を発現させる鍵になっていると予想する．

研究では，長時間の時間発展を捉えることが可能な動的モン

電子状態計算により得られた， Al 結晶中で 2 枚の Cu 単テカルロ( KMC )法を採用した． KMC 法は，統計力学と確

原子層クラスターが近接することによるエネルギー変化(す率過程論を基礎とした，複数の事象の組み合わせからなる多なわち，クラスター間相互作用)を図(a)に，差電荷密度分

体系の時間発展を解析するための手段である．本手法を用い布を図 2(be)に示す．図 2 の(be)はそれぞれ，クラスター

ることで，一般的な分子動力学法では追跡することが困難

間距離 d が 2 ， 3 ， 4 および 12 層のモデルに対する結果であ

な，原子拡散に伴って生じる合金内部の微視的構造変化を捉る．図 2(e)を参照すると，d＝12の場合は電子の再分配はほえることが可能となる．

とんど見られず，個々のクラスターは化学的に独立した状態

置換型 合金に おい て， 空孔を 介し た原子 移動の 頻度 はにあることが分かる．これは，図 2( a )においてクラスター

GX,V ＝ yX exp (－ Ea / kB T )として表される．ここで， yX は最間相互作用エネルギーがほぼ零に収束していることにも対応

近接関係にある元素 X の原子と空孔 V との交換過程の頻度している．一方，図 2(d)を参照すると，d＝4 の場合では，因子，kB はボルツマン定数，T は絶対温度， Ea は交換過程

クラスター内の Cu 原子間に顕著な電子の局在化が見られの活性化エネルギーを表す．各状態遷移における平均停留時

る．このことは， 2 枚の Cu 単原子層が 3 層の Al 原子層を間は GX,V の総和の逆数によって対応付けられる．なお，原挟んで存在する場合，クラスター内の Cu 原子間における結子拡散過程の活性化エネルギーおよび頻度因子は第一原理計

合の状態が変化し，系のエネルギー変化に影響を与えること算に基づいた反応経路探索解析によってあらかじめ評価してを示唆している．実際に，図 2(a)を参照すると，d＝4 の場

おく．KMC 計算において，[100]，[010]，[001]方向を座合ではクラスター間相互作用エネルギーは負値を示し，この標軸とした一辺 10aAl(aAl は Al の格子定数)の立方体セルを

溶質原子クラスターの規則配置において大きなエネルギー利

解析対象とし，計4000点の面心立方格子サイト上に Al 原子得が得られることを表している(15)．

を配置した後，そのうち80個を Cu 原子に，1 個を空孔にラ

以上より，GP1 ゾーンの基本構造である Cu 単原子層クラン ダ ム に 置 換 し た も の を 初 期 状 態 と し た ( Cu 濃 度 は 2.0

スターはそのクラスター間距離に応じて Cu 原子間の電子状

at ，空孔濃度は 0.025 at に相当)．空孔と最近接原子と態が変化し，特に Al 原子層を間に 3 枚挟んだ配列においての交換を有限温度下( 250～ 450 K )において繰り返し，各遷

クラスター間に引力的な相互作用が発現することが分かっ

移の平均停留時間を積算することで， Cu 原子の配置・分布

た．このような GP1 ゾーン間の相互作用が，GP2 ゾーンのの時間発展を解析した．なお，系のポテンシャルエネルギー

形成に影響を与えていると予想される．

は， 2 体， 3 体，および多体項で構成される希薄 Al Cu 空孔系の原子間ポテンシャルモデルを第一原理計算データに基

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

図4

Al2.0 at Cu 系においてクラスター化した溶質原子の割合の時間変化．文献(17)から転載(Elsevier)．

存性を評価した．初期構造として，n 個の Cu 原子からなる
図3

KMC 法により得られた( a ) 350 ，( b ) 400 ，( c ) 450 K
における Al Cu 空孔系のスナップショット． Cu 原子(黄色球)および空孔(黒色球)のみを表示．文献( 17 )から転載(Elsevier)．

1 個のクラスターの周囲に，系の Cu 濃度が 2.0 at となる

ように余りの Cu 原子と 1 個の空孔( 0.025 at に相当)をランダムに配置した．各クラスターサイズに対して 20 ケースの初期構造を用意し， KMC 計算の全実行結果から Cu クラ
スターが成長したケースと縮小したケースを計数して両者のづいて構築することで評価した(17)．

ケース数が等しくなるクラスターの構成原子数 n (統計量のKMC 計算により模擬した Al Cu 空孔系の有限温度下にため非整数)を求め，これを臨界核サイズとした．本解析のおける時間発展(スナップショット)を図に示す．各温度に結果， GP1 クラスターの臨界核サイズは温度が上昇するにおける熱平衡化過程において， Cu 原子は最近接 Cu 原子とつれて大きくなるものの， 250～ 450 K の温度範囲で 5 ～ 16

結合して徐々にクラスター化し，時間経過とともに{100}面

原子と見積もられた．従って， GP1 ゾーンの核生成は，原に偏析する挙動が確認された．結果として， Al Cu 合金の子数個から数十個程度の非常に小さなスケールで生じる現象

高分解能透過電子顕微鏡(HRTEM)像および高角度円環状検であることが分かる．

出 器 暗 視 野 走 査 型 透 過 電 子 顕 微 鏡 ( HAADF STEM )KMC 計算によって得られた各温度の Cu クラスターの形像(26)(28) において認められるような， GP1 ゾーンの構造的成過程を確認したところ，350 K では，空孔の移動に伴って特徴を有した Cu 単原子層クラスターが形成した． Cu クラ

拡散する Cu 原子が徐々にクラスターの縁に付着して結合す

スターの形成・成長は温度の上昇とともに加速し，400 K でることで，クラスターは時間とともに継続的に肥大した．そは 0.4 秒後にはクラスターの形成が確認された一方， 450 Kの結果，Cu クラスターは1.1秒で臨界核サイズに達し，そのでは 7 秒間の状態遷移中においてクラスターは形成されな後より大きく成長していった．ここで，クラスターの成長にかった． Cu クラスターの核生成までの潜伏時間を特定する

伴って系のエンタルピーは明確に減少するが，系のエンタル

ため，図に示すように，系内でクラスター化した Cu 原子

ピーを 2 体，3 体，および多体の相互作用項に分解したとこの割合を様々な温度において分析した．その結果， Cu クラ

ろ，Cu 原子の初期の凝集は 2 体相互作用によって引き起こ

スターの形成は温度が 250 K から 400 K に上昇するにつれされる一方，その後の Cu クラスターの成長は 3 体(およびて速く進行するようになるものの，温度が 400 K を超える多体)相互作用によって支配されることが分かった(17)． 400と遅くなっていくことが示された．このことは，クラスター

K では，Cu クラスターは0.4秒で臨界核サイズに達し，そのが臨界核サイズを超えて成長するための最適温度が存在する

後も安定的に成長した． 400 K において 350 K の場合よりことを示している．

もクラスター形成が速く進んだのは，温度上昇によって原子臨界核サイズに相当する Cu クラスターでは， Cu 原子が拡散が促進されたためである．一方，450 K では，7 秒後でクラスターに付着する頻度と， Cu 原子がクラスターから脱も臨界核サイズを超えるような大きいクラスターは観察され離する頻度は釣り合う．この特徴を利用して， GP1 ゾーン

なかった．これは，この温度条件下では配置のエントロピーの形状を有したサイズの異なる Cu クラスターをあらかじめの効果が優勢となり，核生成障壁が上昇して臨界核サイズ未系に埋め込み，KMC 計算を様々な温度で実行してサイズの満のクラスターの生存・安定化が妨げられたためである．こ

変化を見ることで， Cu クラスターの臨界核サイズの温度依のように， 400 K 以下の温度域ではクラスターの形成は Cu



最近の研究

原子間の引力的相互作用(エンタルピー効果)によって駆動さ度が釣り合い，次の関係が成り立つ．

れ，クラスターの成長速度は主に原子拡散によって支配され&D H ( n )＝kBT ln x
n＝ n
&n

|

る．対照的に，400 K 以上の温度域では，クラスターの縁に(3)付着した Cu 原子はエントロピー効果のために脱離しやすい

この式は，エンタルピー効果とエントロピー効果が釣り合う傾向にあることから，クラスターが成長するためには極短時

際のクラスターのサイズ，温度，および溶質濃度の関係を表

間に臨界核サイズを超えるような局所的な溶質濃度のゆらぎしている．核生成障壁は形成自由エネルギーの極大値に相当を必要とする．よって，クラスターの成長速度は核生成障壁

することから，DG(n)と書ける．これらに基づいて，温度によって支配される．このようなエンタルピー効果とエントと溶質濃度に依存したクラスターの形成自由エネルギーを記

ロピー効果の競合は，核生成障壁と原子拡散速度の関係によ

述するとともに，対象とする温度・溶質濃度における臨界核って決まるクラスター成長の最適温度(すなわち，ノーズ温

サイズと核生成障壁を評価した．
まず，第一原理計算結果からパラメータ化された多体原子度)を導くものと考える．

間ポテンシャル(17)(18) に基づいて， GP1 および GP2 クラス

.

古典核生成理論モデルに基づく Al Cu 合金中のGP ゾーンの核生成挙動の解析

タ ー の 形 成 エ ン タ ル ピ ー ( そ れ ぞ れ DHGP1 ( n ) お よ び

DHGP2(n))を評価した(図)．n 原子からなる GP2 クラスターは， 2 枚の n / 2 原子からなる GP1 クラスターで構成され

図 1 に示した通り， Al Cu 合金の時効過程では処理温度ているため，その直径は n 原子の GP1 クラスターの直径のと溶質濃度に依存して最初に出現する析出構造が変わり，硬1/ 2 倍として定義される．これは，GP2 クラスターの中心化挙動が変化する．この現象を原理的に理解するためには，領域にある，配位数が 4 で構成される Cu 原子の数が，同じ

各析出物の核生成障壁を明らかにし，それぞれが優先的に析

サイズの GP1 クラスターの数よりも少ないことを意味して出する温度・濃度条件を定量的に明らかにすることが重要でいる．図 5 に示すように， DHGP1 ( n )は， n が小さい範囲である．核生成障壁は，固溶体中の溶質原子を駆動して臨界核は DHGP2(n)よりも明瞭に低い値を示している．これは，高サイズに匹敵するクラスターを形成するために必要な自由エ

い配位数を持つ Cu 原子間に働く多体相互作用がクラスター

ネルギーに対応する．臨界核サイズを超えたクラスターは自を安定化させることを表している． DHGP1 ( n )と DHGP2 ( n )発的に成長する傾向があり，臨界核サイズより小さいクラス

は n の増加とともに単調減少するが，DHGP2(n)は n＝101.0

ターは収縮する傾向がある．

付近で DHGP1(n )を下回る．結果として， n が大きい範囲で本研究では，溶質原子クラスターの成長の温度・濃度依存は GP2 クラスターは GP1 クラスターよりもエネルギー的に性を捉えるため，古典核生成理論に基づくモデルを構築し安定となることが分かる．比較のため，クラスター間相互作

た(17)(18) ． GP ゾーン等の溶質原子クラスターの形成自由エ用エネルギーを含まない GP2 クラスターの形成エンタルピ

ネルギーは DG ( n )＝ DH ( n )－ TDS ( n )のように表される．

ー曲線を図 5 に描いている．クラスター間の相互作用を考

ここで， DH ( n )と DS ( n )は，それぞれ n 原子の溶質クラス

慮しない場合の GP2 クラスターの形成エンタルピーは， 3ターの形成エンタルピーと形成エントロピーである．クラス

本の曲線の中で最も高いことは注目に値する．

ターサイズは，クラスターに含まれる溶質原子の数 n(n1)

これは，クラスター内に働く多体相互作用よりも， 2 枚のとして定義される． Bragg Williams 近似に従って， GP ゾーン等の板状のクラスターの DS ( n )は実質的に以下のように表される(29)(32)．

DS(n)＝kB[(n－1) ln x＋ln Wrot］(2)

ここで，x は溶質濃度，Wrot は，結晶学的に等価な面上に形成される，板状クラスターの回転による独立した配置の数を表している．式( 2 )の第 1 項は，n 原子クラスターの形成による系の配置エンタルピーの減少を，第 2 項はクラスターの配向に由来するエントロピーの増加を表す．
原子レベルの溶質原子クラスターの核生成過程において平
衡状態が仮定されるとき，クラスター成長の反応速度は対応
す る逆 過程 (クラ スタ ーの分 解)と K＋ ( n － 1 ) C ( n － 1 )＝K－(n )C(n )のように釣り合う．ここで，K＋(n )は n 個の溶質原子からなるクラスター(n 原子クラスター)に単一原子が付着する頻度， K－ ( n )は n 原子クラスターから単一原子が密度を表す． K－ ( n )＝ K＋ ( n )を満たすサイズ n は臨界核サ

GP1 および GP2 クラスターの形成エンタルピーのサイ
ズ依存性．比較のため，クラスター間相互作用( U inter )を除いた場合の GP2 クラスターの値(点線)を併せて示している．文献( 18 )から一部転載( Springer Nature )．

イズ nに対応する．このとき，溶質原子の付着と脱離の頻(オンラインカラー)

脱離する頻度である．また， C ( n )は n 原子クラスターの数

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図5




図6

Al 1.7 at  Cu 合 金 に お け る GP1 お よ び GP2 ク ラ ス タ ー の 形 成 自 由 エ ネ ル ギ ー ． 文 献 ( 18 ) か ら 一 部 転 載 ( Springer
Nature)．(オンラインカラー)

Cu 単原子層間に働くクラスター間相互作用の方が，GP2 ゾ

クラスターの直径が約 4 nm であることは興味深い．これーン型のクラスターの安定化に顕著に寄与することを意味す

は，報告されている GP1 ゾーンの直径の平均値とおおよそる．

一致している(3)(20)(25) ．時効過程において GP1 ゾーンの大GP ゾーンの核生成の優先性を調査するため，GP1 およびきさが一時的に飽和する挙動は， n ＝ 101.0 での形成自由エ

GP2 クラスターの形成自由エネルギー(それぞれ DGGP1( n )ネルギーの交差に関係しており，このサイズを超えるとおよび DGGP2 ( n ))を評価した．図( a c )は， Cu 濃度 1.7

GP1 ゾーンは GP2 ゾーンに変態することで再び成長し始め

at(4.0 wt)における，様々な温度条件下での DG(n)の結ることを示唆している．

果を表している． GP1 および GP2 ゾーンの核生成障壁(形図( a )は， GP1 および GP2 クラスターの核生成障壁の成自由エネルギーの極大値)は，温度の上昇とともに増加す

温度と溶質濃度との関係を表したダイアグラムである．

るものの，両者の間の大小関係は温度によって明らかに変化

特定の溶質濃度における核生成障壁の温度依存性は，図 7

する．GP1 ゾーンと GP2 ゾーンの核生成障壁が等しく，頻(bd)のように，このダイアグラムの断面を抽出することに度因子がほぼ同じとみなせる場合，両者は等確率で核生成す ＝172.4および nGP2
ると考えられる．式(3)に基づくと，nGP1

よって得られる．核生成障壁は低温域では温度とともに徐々に増加するものの，高温域では急激に増加することが分か＝ 70.1 のときのみ DGGP1 ( nGP1)＝ DGGP2 ( nGP2)の関係が維持る．ここで，クロスオーバー温度(Tc)を GP1 クラスターとされる．このとき核生成障壁は 1.69 eV という共通の値を持GP2 クラスターの核生成障壁が一致する温度として定義する．すなわち， Tc の下では GP2 クラスターよりも GP1 ク

つ．
また，本条件を満たす温度と Cu 濃度の組み合わせは，式

ラスターの方が， Tc の上では GP1 クラスターよりも GP2( 3)に従って変化する． 1.7 atの場合，図 6(b )で示されて )と DGGP2(nGP2 )は等しくいるように， 439 K で DGGP1(nGP1の増加とともに増加する( 0.9 ， 1.7 ，および 2.0 at においクラスターの方が析出しやすくなる．また， Tc は Cu 濃度

なる．これは， 2 つの GP ゾーンの核生成速度の関係が 439て，それぞれ Tc＝374，439，および 453 K)．さらに，臨界K で逆転すること，すなわち GP1 および GP2 クラスター

核サイズは温度の上昇とともに無限大に発散するため，クラは，それぞれ 439 K より下および上で優先的に核生成する

スター形成の上限温度( T )が定義できる．本モデルでは，(35) は，それぞれ形成エンタルピー曲線の傾きの極限(n→∞)をとることで，時効硬化曲線と熱測定を使用して，Al1.7 at Cu 合金の時

T の値を求めた．例えば Al 1.7 at  Cu 合金の場合，図 7

ことを示している． Hardy(33)(34) とHirano

効過程における GP ゾーンの析出の潜伏時間を調査した．そ( c )のように， GP1 および GP2 クラスターはそれぞれ 472の結果，彼らは，GP1 ゾーンと GP2 ゾーンの潜伏時間がこK および 550 K を超えると不安定になり，縮小・分解するの合金では 438～442 K で等しくなることを報告した．この傾向にある．

温度は，本解析の結果である 439 K とよく一致していることは注目に値する．

得られた T は，GP ゾーンの生存が許される温度の上限であり，概念的に GP ゾーンのソルバス温度(溶解度線)に対図 6(ac)では，2 つの GP ゾーンの形成自由エネルギー曲

応する．図 7 ( b d )のように， Tc は常に GP1 ゾーンの T 線が n ＝101.0で交差していることが分かる．図 6(a)のようよりも低い．これは，GP1 ゾーンと GP2 ゾーンのどちらがに，低温域において n
GP1 が101.0より小さい場合，GP1 クラ

優先的に核生成するかは， GP1 ゾーンのソルバス温度よりスターは障壁の低さのため優先的に核生成するが， 101.0 のも低い温度域で切り替わることを意味する．この見解を検証

サイズを超える成長過程で GP2 ゾーンに変態すると予想さ がれ る ． 一 方 ， 図 6 ( c ) の よ う に ， 高 温 域 に お い て nGP1するため，図のように Tc と T の Cu 濃度依存性を実験結果と比較した．大きなプロットは Al Cu 合金において時

172.4 より大きい場合， GP2 ゾーンは GP1 ゾーンの前形成

効過程中に最初に検出された構造(3)(24)(36)を，小さなプロッなしに直接核生成して成長する可能性がある．なお，両者のトは GP ゾーンのソルバス(37)(40)を表している．図 8 から明形成自由エネルギー曲線が交差する n ＝ 101.0 における GP1

らかなように，予測した Tc 曲線が， GP1 ゾーンと GP2 ゾ



最近の研究

図7

AlCu 合金における GP1 および GP2 クラスターの核生成障壁の温度・溶質濃度依存性．(a)は核生成障壁の温度溶質濃度
ダイアグラムを，(b)，(c)，(d)は溶質濃度がそれぞれ 0.9，1.7，2.0 atのときのその断面を表す．縦の一点鎖線は GP ゾ
ーン形成の上限温度(T )である．文献(18)から転載(Springer Nature)．

先性が，クラスター内およびクラスター間の相互作用の競合に由来した形成エンタルピー曲線の交差に支配されることを示唆している．

.

ま

と

め

時効硬化型合金におけるナノ析出物の核生成機構を明らかにすることを目的として，溶質原子および空孔間に働く相互作用，ならびに空孔を介した原子拡散過程のエネルギー論を第一原理電子状態計算により非経験的に評価するとともに，多元系を対象とする有効多体ポテンシャルを構築すること
で，一般的な置換型合金中の溶質原子クラスターの形成の時
間発展を記述することができる速度論的解析の枠組みを構築
図8

GP ゾーン形成のクロスオーバー温度( Tc )と上限温度( T )の溶質濃度依存性． Tc (実線)は GP1 および GP2
 (点クラスターの核生成障壁が等しくなる温度を，T GP1線)と T GP2(一点鎖線)はそれぞれ GP1 と GP2 ゾーンが存在し得る上限の温度を表している．時効過程で最初に検出された析出構造に対する実験データは四角(白抜き は GP1 ， 黒 塗 り は GP2 )(3) ， 菱 形 ( GP1 )(24) ， 三 角(GP1)(36)の記号で，GP ゾーンのソルバス温度に対する実験データは加号(37) ，十字(38) ，逆三角(39) ，丸(40) の記号で表されている．文献( 18 )から転載( Springer Nature)．

した．事例として Al Cu 合金を採り上げ，当該合金の時効硬化において重要な役割を果たす GP ゾーンの核生成と成長過程の原子描像を明らかにした．さらに，古典核生成理論モ
デルを活用することで GP ゾーンの形成自由エネルギーのサイズ依存性を記述し，温度と溶質濃度によって変化する GP
ゾーンの臨界核サイズ，核生成障壁を定量評価するとともに，
GP ゾーンの核生成のクロスオーバー温度と上限温度を実験結果と整合する形で予測した．
本アプローチは経験的パラメータを必要とせず，ナノ析出物の形成における個々の相互作用の寄与を識別しながら，種ーンの核生成の境界を明瞭に捉えていることは注目に値す々の置換型合金における溶質原子の偏析・規則化(クラスタる．さらに，得られた GP1 および GP2 ゾーンの T は，実ー化)の支配因子を同定することができる．現在，AlMgSi験値とよく一致している．このことは，単層および二層の系における溶質原子クラスターの析出過程についても適用をGP ゾーン(それぞれ GP1 および GP2 ゾーン)の核生成の優進めており，クラスター成長に伴う構造・組成の変化を捉え

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japanるなど，本手法の有効性を確認している．今後，本研究の成果を発展させることで，添加元素の種類による時効硬化型合金のナノ析出物の構造・組織の変化が系統的に解明され，合金設計に対する有用な指針が得られるようになることを期待する．
本研究の遂行にあたり，協力いただいた中上雄史氏(現在 ENEOS 株式会社)に感謝します．本研究は，科学研究費補助金(JP18H05480，JP23109004，JP17H01238)，文部科学省「元素戦略プロジェクト・研究拠点形成型(ESISM)」
および公益財団法人軽金属奨学会の支援を受けて実施しました．ここに謝意を表します．

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

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★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
君塚 肇
1997年 3 月 早稲田大学大学院理工学研究科修士課程修了
1997年 4 月 株式会社日本総合研究所 研究技術職
2006年 9 月 大阪大学大学院工学研究科博士後期課程修了
2007年10月 大阪大学大学院基礎工学研究科 准教授
2020年 4 月現職
専門分野計算材料科学，計算力学◎電子論・原子論的解析を軸足とした材料物性のモデリングと予測に関する研究に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

君塚

肇

三好

宙

石井明男

尾方成信

最近の研究

共有結合・イオン結合の発達した合金系まで包括した
ヒューム・ロザリー則の電子論
水谷宇一郎 佐藤洋一

してまもない近代物理学の黎明期に生まれたが，それ以降

.



序

論

ヒューム・ロザリー電子濃度則の歴史

我々は 2006 年から 2007 年にかけて「 Hume Rothery 電子
濃度則と複雑金属間化合物の相安定化機構」と題して 6 回
にわたりまてりあ入門講座を執筆した(1)．この頃，実験グループは真あるいは擬ギャップの成因を，回折スペクトルから推定した干渉条件をヒューム・ロザリー電子濃度則(以後，HR 則)に結びつけた議論を展開していたのに対して，理論グループは線形化されたマフィンティン軌道法(Linearized
MuffinTin Orbital Method)を使って軌道混成効果を議論していた．このため，両者の議論は噛み合っていたとは言えな
かった．この執筆から15年の歳月を経た今日，HR 則の電子

80 年以上が経過した今日でも本質をついた理論として輝いている．しかし，Mott and Jones 理論は自由電子模型に基づいており，遷移金属元素や希土類元素を含む系には適用出来なかった．20世紀には，多くの研究者により MottJones 理論を越える挑戦が試みられたが成功には至らなかった．我々もこの難題に挑戦してきており，最近，その研究成果を論文( 8 )にまとめた，本稿では，そのエッセンスを紹介する．
HR 則の適応範囲が単純金属とその合金系に限られるという
 節で述べるように，遷移金属，希「常識」を打ち破り， 1.

土類元素を含む系まで拡張した上でその適用限界を明確にしたことを強調しておく．


HR 則の背後にある物理学論は干渉効果と軌道混成効果を同時に評価することで遷移金

HR 則のエッセンスは結晶を特長づける周期ポテンシャル

属元素や希土類元素を含み共有結合性とイオン結合性が発達と伝導電子の干渉効果にある．干渉効果がフェルミ準位近傍した系まで含めて議論出来る段階に達した．

の電子状態に引き起こすファンホーブ異常(van Hove sin-

HumeRothery は192060年代に活躍したイギリスの冶金gularity )に着目して，我々は FLAPW Fourier 理論を確立

学者で，今日も物性物理学の分野で注目されている HR 則

してきた(1)(8)(13)．2017年には小川により独自の視点でヒュを提案した人物である(2)(6)． 1926年，貴金属に Zn, Ga, Geーム・ロザリー電子濃度則に関して解説が試みられた(14)．

のような多価元素を添加した合金系の組成を at.ではなく，

FLAPW は Fullpotential Linearized Augmented Plane

1 原子あたりの平均の最外殻電子数(以後，average number

Wavemethod の略称で，第一原理電子構造計算プログラof outermost electrons per atom を略して e/a と記す)で表現

ム・パッケージを指す．この計算法の特長は格子の周期性にすると，添加元素の種類によらず，合金単相が得られる組成着目して結晶を WignerSeitz セルに分割した上で，各 Wig-

域は相毎に特定な e / a 値で指定されるという経験則を導いnerSeitz セルの中心に半径 RMT の原子球を与えることであた．その後，この経験則の背後にある物理学に強い関心が集る． FLAPW 波動関数 cj( ki, r)(jバンド指数)は，原子球まった．その最初は，Mott and Jones (1936)による金属電内では動径波動関数と球面調和関数 Ym( ârn)の積の重ね合わ子論の教科書で紹介された(7)．彼らの理論は量子力学が完成

せとして，

名古屋産業科学研究所上席研究員，名古屋大学名誉教授(〒4570008 名古屋市南区外山 2126) 愛知教育大学名誉教授
The HumeRothery Electron Concentration Rule Extended to Alloys and Compounds whose Ionic and/or Covalent Bondings are
Increased; Uichiro Mizutaniand Hirokazu Sato(Nagoya Industrial Science Research Institute, Nagoya. Aichi University of
Education, Kariya)
Keywords: electron theory of metals, HumeRothery electron concentration rule, interference and orbital hybridizationinduced effects, nearly
free electronlike versus tight bindinglike, FLAPW (Fullpotential Linearized Augmented Plane Wave)Fourier theory, metallic, covalent and/or ionic bondings
2021年 3 月26日受理[doi:10.2320/materia.60.475]

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan

cj(ki, r)＝ ∑ ∑C jki＋Gp exp {i(ki＋Gp)・Rn}∑[Anm,ki＋Gpun(E,rn)＋Bnm,ki＋Gp ·un(E,rn)]Ym( ârn)Rn7uc Gp

あたりの遍歴電子数である．具体的には，価電子帯を構成すで与えられる．また，その外側の中間領域では

cj(ki, r)＝∑C jki＋GpGp1
exp{i(ki＋Gp)・r}
V

(1)

m

(2)

で与えられる(8)(11)(12)．強調したい点は，逆格子ベクトルGpで平面波展開された式( 2 )の中で我々はその最大のフーリ
エ係数| C jki＋Gp |2max の電子状態に着目することである．これこそが本研究が採用する「ほぼ自由電子模型」(Nearly Free
Electron model を略して NFE 近似)のよって立つ根拠である．我々は，原子球内の情報から近接原子間の軌道混成効
果，中間領域から干渉効果を抽出して遷移金属元素及び希土類元素さらにその化合物まで HR 則の物理を統一的に議論することを可能にした．すでに指摘したように，真あるいは
擬ギャップの成因には干渉効果と軌道混成効果があるが，我々はその識別に力点をおくことで HR 則の理解を深めた．
鍵となるパラメータは「電子濃度」であり，二通りの使われ方が知られている．一つは価電子帯に含まれる 1 原子あたりの電子数で，VEC(valence electron concentration の略)であり，もう一つは 1 原子あたりの遍歴電子数で，e/a(number of itinerant electrons per atom)である．本研究では，後者の電子濃度 e / a が主役を演じる．我々は 4 種類の
e/a パラメータ(e/a)NFE, (e/a)local, (e/a)av, (e/a)itin を導入した．対象とする系の価電子帯が局在性の強い d あるいはf電子を含む場合に，その分散関係は自由電子模型から大きる全ての波動関数をその最大のフーリエ係数の大きさ順に並べて，最大のフーリエ係数の値が 0.2以上の波動関数の数を求める．ここで，しきい値 0.2は多くの系のデータ解析から我々が最適として選んだ経験値である．


結合形態で変化する電子構造の特長

共有結合度 X ，イオン結合度 Y ，そして金属結合度 Z ( X＋ Y ＋ Z ＝ 100 )を定義することで，各結合度が 100 の場
合を正三角形の頂点とする図の中に任意の化合物の結合形態を示すことが出来る．これは van Arkel Ketelaar の三角図と呼ばれている(15)(16)．本研究では， 2 元系等比化合物に対して Allen の電気陰性度を利用して X, Y, Z の大きさを評価した(8)(11)(12)．金属結合度100の頂点 M の近傍では自由電
子 近 似 が 成 り 立 つ の で ， そ こ で HR 則 が 成 り 立 つ こ と はMott and Jones の証明で明らかである．周期律表で15族のP, As, Sb, Bi，さらには16族の S, Se, Teを含む化合物群ではイオン結合性が増大する．また，遷移金属元素を添加した系
では，共有結合性，イオン結合性ともに増大する．このように添加元素を選択することで，イオン結合性と共有結合性を高め頂点 M から離れた化合物に対して e/a の概念がどこまで通用し， HR 則がどこまで成立するか，その限界を明らかにすることが我々の目的である．

く 外 れ る が ， NFE 近 似 す る こ と で 求 ま る 電 子 濃 度 が( e / a )NFE である．この NFE 近似法は d や f バンドに含まこれまで述べてきた電子濃度 e / a は逆格子空間で定義し電子濃度 e/a と価数れる局在電子を排除して遍歴電子のみを抽出する「重心法」

たフェルミ球に含まれる 1 原子あたりの電子数を意味すると呼ばれ，この電子濃度こそが HR 則で主役を演じる(10) ．

ので，構成元素毎ではなくその結晶に固有な値として求まそ の 詳 細 は 文 献 ( 8 ) 及 び ( 10 ) ( 13 ) に 述 べ ら れ て い る ．

る．二元系の等比化合物 AB の場合， van Arkel Ketelaar(e /a)local は，価電子帯に局在性の高い d電子が閉殻を形成

三角図上で 2 つの構成元素 A, B の共有結合度とイオン結合している貴金属及びその化合物群に対して重心法を適用せず

度はそれぞれ電気陰性度の平均値と差により与えられフェルミ準位においてフェルミ直径の大きさを直接読み取る

る(8)(11)(12) ．従って，構成元素の電気陰性度の差が大きいことで求める．周期律表のほとんどの元素に対して(e/a)NFE

程，イオン結合性は大きい．これよりイオン結合性の高い化を決定することが可能となる(8)(11)(12)† ．

合物では，構成元素間の電荷移動の結果として，電荷密度分あるいは(e /a)local

構造がわかっている化合物の場合には，その電子構造を計算

布は不均一となり，e/a の議論だけでは不正確になる．

することで( e / a )NFE あるいは( e / a )local を得る． 3 つ目は電2 個以上の異なる元素の組み合わせで得られる化合物の場

子濃度(e/a)av であり，化合物の構成元素の(e/a)NFE あるい合，実空間で価数(valence )を定義してその値を e /a と比較

は(e/a)local の組成平均値である．この電子濃度(e/a)av はそす る こ と が 可 能 で あ る ． 構 成 元 素 の 価 数 は WIEN2k の化合物に対して得られた(e / a)NFE あるいは( e/ a)local と±FLAPW プログラムを使って電荷密度分布を作成すること10の範囲で一致する．3 節で述べるように，中間領域で平で評価される(8)．一例として，大きな電荷移動の存在が知ら

面波展開された波動関数の最大のフーリエ係数が 0.2 以上のれ て い る NaTl ( cF16 ) の 場 合 ， Na, Tl の 価 数 は そ れ ぞ れ

値を持つ電子を遍歴電子とみなす．最後の(e/a)itin は 1 原子0.85, 3.15 と 求 ま る ． こ の 平 均 値 は 2.0 で あ る が ， そ れ は( e / a)NFE＝ 2.1＋ 0.1に誤差の範囲で一致する(11)(12) ．このよ
† 遷移金属元素，希土類元素を除くグループ 1， 2， 11 15 の元素に 対 し て ， FLAPW Fourier 法 で 求 ま る ( e / a )NFE あ る い は( e / a )local は Hume Rothery らがこれまで使ってきた 1 原子あたりの最外殻電子数 e/a と一致する(11)．グループ16, 17の元素の内で S, Cl, Br の e/a に関しては(11)を参照．



うに価数と e / a の関係をチェックすることは，イオン結合が発達した化合物において重要である．

最近の研究




 節で述べたように，| C jki＋Gp |2max が 0.2 以グラフ化する． 1. 

ヒューム・ロザリー型相安定化機構

結晶(準結晶を含む)では，回折スペクトルは一連の Bragg
ピークからなりそれは干渉効果で説明される．これは結晶に固有の周期ポテンシャルを生み出す長距離相互作用の結果である．一方，イオン結合性，共有結合性に特長的なのは隣接原子間の軌道混成効果である．現実の化合物結晶では，干渉効果と軌道混成効果が共存する．干渉効果を使って相の安定化機構を論ずる際には e / a が大切な役割を演じるので，それはしばしばヒューム・ロザリー型相安定化機構として引用される．固体である限り，sp/dあるいは sp/sp等の軌道混成効果が働くが，その大小によらず，e/a は大切な役割を演ずる．

.

上であれば，遍歴電子(NFElike)とみなす．NFElike な電子が支配する系の分散は価電子帯の底を通るほぼ直線となる．フェルミ準位においてその電子状態はフェルミ球の直径の 2 乗を与えるので，この値を次式( 3 )に代入することで電子濃度 e/a が求まる(e/a)NFE or (e/a)local＝[p{(2kF)2}3/2]/3N(3)

ここで N は単位胞内の原子数である．立方晶の場合，フェルミ直径 2kF は 2p / a ( a: 格子定数)の単位を使う． HR 則の鍵となる電子濃度 e / a が求められるこのグラフは Hume Rothery プロットと呼ばれる．

最大のフーリエ係数を持つ電子状態[E j, {2|ki＋Gp|}2E j]は固有値の数だけある．最大フーリエ係数|C jki＋Gp|2max が 0.2以WIEN2kFLAPW 第一原理電子構造計算法

WIEN2k プ ロ グ ラ ム パ ケ ー ジ は Blaha ら に よ り 開 発 さ

れ，市販されていて，密度汎関数法の枠組みで相対性効果が考慮されている(8)(10)(13) ．我々は交換相関エネルギーに対して， GGA PBE ( Generalized

Gradient

Approximation

Perdew, Burke and Ernzerhof)法を採用した．FLAPW
Fourier 法 は WIEN2k プ ロ グ ラ ム ・ パ ッ ケ ー ジ を 使 っ て
2009年以降に Mizutani and Sato(8)(10)(13)により開発されてきた．
我々は計算にあたって，SCF(SelfConsistent Field)サイ
クルを全エネルギーが 0.0001 Ry 以下に収束するまで続けた．また，カットオフ変数 RMTKmax は特に指定しない限り，0.7を採用した．ここで RMT は単位胞内の構成元素の最小の原子球半径であり， Kmax は最大の逆格子ベクトルである．

上を遍歴電子(NFElike)と呼ぶのに対して，0.2以下の電子
を局在電子( Tight Binding, TB like )と呼ぶ． Hume Rothery プロットは，遍歴電子(NFElike)と局在電子(TBlike)を色分けし，前者を緑ドット，後者を黄ドットで示す．得られたプロットに部分状態密度を重ねることで， sp / d や sp /sp 等の軌道混成効果がどのように作用しているかを一目で知ることが出来る．遍歴電子系は緑ドット一色になるが，局在系では，緑ドットと黄ドットがほぼ分離してまだら模様を作る．この分布から，構成元素の組み合わせで決まる軌道混
成効果の強弱が判定出来るのである．なお，遍歴電子と局在電子が混在する系やギャップを持つ系でも，重心法によりほぼ直線的な分散関係が得られる．それがフェルミ準位を切る
位置において式( 3 )より電子濃度( e / a )NFE を決めることが出来る(8)(10)(13)．


Quc/N－|C jki＋Gp|2max プロット

化合物の構造の情報はもっぱら Pearson's Handbook(17)から

各 FLAPW 波 動 関 数 は そ れ が 持 つ 最 大 の フ ー リ エ 係 数

集 め ， Fe, Co, Ni を 含 め て 全 て 非 磁 性 状 態 を 対 象 と し| C jki＋Gp |2max でラベル付け出来るので，その大きさ順に並べた(8)(13)．

ることが出来る．価電子帯に含まれる単位胞あたりの電子の数を Quc とすると， Quc / N は 1 原子あたりの価電子数 VEC.
FLAPW
Fourier 理論

拡張ゾーン形式の分散関係

電子濃度 e / a は拡張ゾーン形式の分散関係 E j ＝ f (| ki ＋
Gp|2)から求める．ここで E j は指数 j のバンドにおけるエネ

ルギー固有値，ki は Nk 個のセルに分割された第 1Brillouinzone(BZ)で各セルを指定する波数ベクトル，Gp はその系の逆格子ベクトルである．エネルギー固有値 E j と電子状態{2|ki＋Gp|}2E j の関係を拡張ゾーン形式の分散と呼ぶ．
 節 で 述 べ た よ う に ， 我 々 は 最 大 の Fourier 係 数
1. | C jki＋Gp |2max を持つ FLAPW 波動関数に着目する．これまでに，(1) HumeRothery プロット，(2) Quc/N|C jki＋Gp|2max プ
ロット，(3) FLAPWFourier スペクトルを開発した．この3 つのグラフが FLAPWFourier 理論の柱となる．


HumeRothery プロットに収束する．横軸に各波動関数の最大のフーリエ係数| C jki＋Gp |2max を取り，この値の大きい順に波動関数の総和を縦軸に Quc / N としてプロットする．このグラフから最大のフーリエ係数が0.2以上の遍歴電子の数 Quc/N を読み取ることが出来る．これは 1 原子あたりの遍歴電子数であり，1.

節で述べたように，(e/a)itin を与える．遷移金属及びその化合物では，dバンドが始まるエネルギー付近は NFElike な電子が支配するので，(e/a)NFE と(e/a)itin は一般に一致しない．特に，貴金属元素並びにその化合物では両者の識別が重要となる(8)．
比( e / a )itin / VEC は価電子帯に含まれる NFE like な電子の割合を定量的に評価出来るので，干渉効果と軌道混成効果の相対的な強度を評価する際に重要な役割を演ずる．この比が 1 に近い程，その化合物は NFElike である．このような系では波動関数から計算した電荷密度は中間領域でより高く

このプロットは，エネルギー固有値 E jki＋Gp と最大のフーなり，HR 則が保証される．逆に，この比がゼロに向かって

リエ係数|C jki＋Gp|2max を持つ電子状態{2|ki＋ Gp|}2E j の関係を低下すると，電荷密度は原子球内により集中して電子構造は

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia JapanTBlike となり，軌道混成効果がより支配的となる．4 節以

MgTe2, MgO2，後者には MX2(M＝Fe, Ru, Os, X＝S, Se,

降で述べるように，比( e / a )itin / VEC が 0.5 以下になると，Te)が含まれる．

HR 則が破綻する場合が観測されるようになる†．
図( a ) と ( b ) は そ れ ぞ れ P2Si と FeS2 化 合 物 の Hume Rothery プロットに緑と黄ドット及び関連する部分状態密度

FLAPWFourier スペクトルこのスペクトルは干渉効果を引き起こす格子面群を特定する逆格子ベクトルを引き出すために開発された．波数ベクト
ル ki を第 1BZ の対称点(面心立方格子ならば，G, L, X 点)に選び，最大のフーリエ係数を持つ電子状態を[E j, {2|ki＋
Gp |}2E j ]プロットする．これは特定な格子面群と干渉を起こす電子状態に着目することに他ならず，その電子状態 {2|ki＋ Gp |}2E j は逆格子ベクトルの組| G |2 に一致する．干渉条件
がフェルミ準位で成立すると，そこに真のギャップあるいは
擬ギャップが生成し得ることになる．従って，フェルミ準位の電子が干渉効果を起こす条件は次式( 4 )(2kF)2＝|G|2(4)

あるいはこれと等価な
e/uc＝(e/a)･N＝

p{|G|2}3/2
3(5)ある．式( 4 )及び( 5 )は干渉条件と呼ばれる．また，
FLAPW Fourier スペクトルには全ての電子状態[ E j, { 2 | ki

＋ Gp |}2E j ]を緑と黄のドットで示す．ドットが存在しないエ
ネルギー域はエネルギーギャップが開いている証拠となる．



結ップ系である．赤線は重心法で求めた( e / a )NFE を決める
NFE分散曲線である．P2Si では，緑ドットが全エネルギー範囲で赤色の NFE分散の周りにほぼ均一に分布しており，
極めて遍歴的な電子構造を持つ．P3p/Si3p 軌道混成効果
は弱く，擬ギャップは干渉効果で開くと理解出来る．これに反して，FeS2 では，Fe3d と S3p の DOS が－7.5 eV から＋ 4 eV の範囲で重なり，緑ドットで示す NFE like な電子と黄ドットで示す TB like な電子がきれいに模様分けされる．これは Fe3d/S3p の軌道混成効果が強く働いていることに他ならず，結合/反結合サブバンドに分裂してその谷間
でのギャップ生成を促す．なお， NFE 曲線では，構成原子種の影響が消されており，HR 則が固溶体合金にも適用可能が成り立つ．ここに， e / uc は単位胞あたりの遍歴電子数で.

を加えて示す(8)(13)．P2Si は擬ギャップ系，FeS2 は真のギャなことが強く示唆される．
このように軌道混成効果の強度が大きく異なる P2Si 及び
FeS2 化合物であるが，それぞれの FLAPW Fourier スペク

トルから，いずれの化合物でも|G|2＝11, 16, 17による干渉効果がフェルミ準位をはさんで共通に起きていることが確かめられている(13) ．但し， FeS2 には d バンドに伴う高次の干渉効果がフェルミ準位以下のエネルギー域から現れる(類似な例として図 7 及び10を参照)．

果図は一連の cP12 化合物群に対して得られた(e/a)NFE のcP12 化合物群(As2Si, P2Si, MgTe2, MgO2, MX2: M( e / a)itin /VEC 依存性を示す．比(e / a )itin / VEC が 0.2 近傍の＝Fe, Ru, Os, X＝S, Se,Te)

極めて TB like な化合物群からその比がほぼ 1 に近い極め

空間群 Pa3̃ でピアソン記号 cP12 化合物には真のギャップ
あるいは擬ギャップを持つ系が多い†† ．それらはて NFElike な化合物群まで，その電子構造は構成元素の組

VEC がみ合わせにより幅広く変化する．それにもかかわらず，

14 / 3 と 20 / 3 の化合物群に分かれる．前者には As2Si, P2Si,( e / a )NFE の値は 4.41 ± 0.31 と緑の枠で囲んだ狭い範囲に収

図1(a) P2Si(cP12), (b) FeS2(cP12)化合物の HumeRothery プロット(8)(12)．(オンラインカラー)† d
電子あるいは f
電子が価電子帯を占めるグループ11(Cu, Ag,Au)，グループ12(Zn, Cd, Hg)，希土類元素では(VEC)Cu＝11,(VEC)Zn＝12, (VEC)Gd＝10等と大きな値となる．そのため，遍歴性が高い場合でも比( e/ a)int/ VEC が 0.5 以下の小さな値と 節及び481頁の脚注を参照)．
なる．(4.

†† ピアソン記号(cPN)は，c＝立方晶，P＝単純格子，N＝単位胞に含まれる原子数を表す．

最近の研究

図2

MX2 型( cP12 )化合物群における( e / a )NFE の( e / a )itin /VEC 依存性(8)．(オンラインカラー)

図3

cF8, cF12, cF16化合物群に共通の{220}LBZ(緑)と{222}LBZ(赤)(8)．(オンラインカラー)

表1

ピアソン記号 cFN(N＝4, 8, 12, 16)系の単純単位胞と基
底原子，そのブリルアンゾーンと e/a の関係(8)．

まっている． P2Si と FeS2 の( e / a )itin / VEC の値はそれぞれ0.96 と 0.36 と大きく異なり， van Arkel Ketelaar 三角図では，前者は頂点 M の近く，後者は IC 軸( I: イオン結合度
100 ， C: 共有結合度 100 )のかなり近くに存在するはずである．このように多彩な軌道混成効果を示す一連の cP12化合物群であるが，TBlike な電子構造を持つ化合物まで含

cF4

cF8

cF12

cF16

単純単位胞の体積

a 3 /4a3/4

a 3/ 4

a3/4

基底原子数

1

2

3

4

N1stBZ/atom

2

1

2 /3

2/4(＝1/2)

e /a

めて e/a＝4.41±0.31の HR 則が成り立つことは驚きである．

(e/a)N1stBZ/atom

3 for Al 4 for Si 8/3 for AlLiSi 2 for BiLi3
3 /2

4

4

4

cF8, cF12, cF16化合物群

我々は cF8, cF12, cF16 に属する面心立方晶群を系統的に調べてきた．単位胞内に含まれる原子数 N が 8, 12, 16 によらず，絶縁体ではエネルギーギャップ，金属ではフェルミ準位に擬ギャップを持ち，全てが共通の干渉効果でそのギャップを生成することを示した(8)．
図には{220}及び{222}Large Brillouin Zones(LBZ)を示す(8) ．図中にて緑色で示される斜方 12 面体の{ 220 }LBZ
は bcc 相の第 1BZ と相似形であり，この体積は 1 原子あた
り 4 個の電子を収容する．赤色で示される{222}LBZ は正 8面体で 1 原子当たり 8 個の電子を収容する． Si ( cF8 )は e / a＝ 4.0 であり，{ 220 }LBZ が電子で満たされて絶縁体となる(8)．この LBZ の頂点 P はこの多面体内で最も高いエネル
ギーをとり，それは{222}LBZの正三角形の面の中心 G 点と一致する．絶縁体の場合，{ 220 }LBZ の対称点 X から次のゾーンへ電子が励起することで伝導帯が始まることになる．
cF4, cF8, cF12, cF16構造は全て格子定数 a の面心立方格子の頂点と面心の原子を結んで得られる平行 6 面体をその単純単位胞( primitive cell )として持つが，基底原子( basis
atom )の数が異なる(8)．そのため，関与する BZ は共通であるが，第 1BZ に収容出来る電子数 N1stBZ/atom が異なる．この化合物群の代表的な元素あるいは化合物が持つ e / a との関係を表にまとめる．
図(a)は AlLiSi(cF12)化合物の HumeRothery プロットを示す．Al3p, Li2p, Si3p 部分状態密度は互いに重なり合

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan

い軌道混成効果を起こしているが緑ドットは価電子帯全体に一様に分布し，黄ドットはほとんど現れない．これは軌道混
成効果に伴う結合/反結合分裂が弱く NFE like な電子構造を維持していることを意味する．重心法により( e / a )NFE ＝2.77を得るが，この値は(e /a)Al＝ 3.0, (e/a)Li＝1.0, (e/a)Si＝ 4.0 の組成平均である( e / a )av ＝ 8 / 3 ＝ 2.67 とほぼ等しい．
これらの値は表 1 に示すように， cF12 化合物の第 1 BZ に8/3個の電子が収容出来る事実をよく反映している．図 4(b)は Quc/N－|C jki＋Gp|2max プロットである．VEC＝8/3＝2.67の全ての価電子が| C jki＋Gp |2max ＞ 0.2 を満たし遍歴電子であることを示す．この化合物では VEC＝(e/a)itin が成り立つ．
図は AlLiSi ( cF12 )の FLAPW Fourier スペクトルである．緑ドットの分布からフェルミ準位に0.12 eV のエネルギーギャップが生成しており絶縁体であることがわかる．このエネルギーギャップを支えている干渉効果は| G |2 ＝ 8, 11,
12であり，すなわち，{220}，{311}，{222}格子面群が担っている．{311}面の中心は図 3 の L 点である．また，第1 BZ の X 点 に お け る | G |2 ＝ 4 の 干 渉 効 果 ( 図 5: 緑 棒 ) で－ 7.7 ＜ E ＜－ 5.7 eV にギャップが生成する．この BZ には
1 原子当たり 2/ 3 個，すなわち， 0.66 個の電子が詰まっている．
次に， cF12 化合物 の中 で 2 種類 の遷 移金 属元素 を含 み




図4

AlLiSi(cF12)化合物の(a) HumeRothery プロットと(b)Quc/N－|C|2max プロット(8)．(オンラインカラー)

VEC ( e / a )itin ＝ 6.0 2.87 ＝ 3.13 であり，後者は Co 3d 及びHf5d 状態の局在電子である．

図は CoHfSb ( cF12 )化合物の FLAPW Fourier スペク
トルを示す．ギャップを担う主な干渉効果は| G |2 ＝ 8, 11,
12 であり，すでに述べた Si ( cF8 )及び AlLiSi ( cF12 )と同じである．( e / a )itin ＝ 2.87 と( e /a )NFE＝ 2.68 がほぼ一致する事
実から，CoHfSb(cF12)のエネルギーギャップ生成は図 3 に示した e/a＝8/3を収容する{220}LBZ をほぼ満たすことで実現していると言える．黒線で示す NFEline の上側にも緑と黄ドットで示す電子状態が沢山存在する．| G |2 ＝ 16, 19,
20のような高次の干渉効果は d バンドの存在によりフェルミ準位以下にまで下がることを FeS2(cP12)ですでに指摘した．この高次の干渉効果は，後述の AlFe2V(cF16)においても観察される．これら拡張ゾーン形式を使う際の注意点は 5
節にまとめて議論する．
図には真あるいは擬ギャップを有する cF12 化合物群にお け る ( e / a )NFE の 比 ( e / a )itin / VEC 依 存 性 を 示 す ． Be2C
(cF12, 空間群 Fm3̃m)以外は 1:1:1 の ABC 型等比化合物(空図5

AlLiSi ( cF12 ) 化 合 物 の FLAPW Fourier ス ペ ク トル(8)．(オンラインカラー)

間群 F4̃3m)である．記号()は AlLiSi のように非遷移金属元素のみで構成する系，()は CoHfSb のように 2 種類の遷移金属元素を含む系，()はグループ11 ( Cu, Ag, Au )TB like な電子構造を持つ CoHfSb 化合物を調べる．図あるいはグループ12(Zn, Cd, Hg)の元素を含む系，そして( a ) , ( b )はそれぞれ， Hume Rothery プロット， Quc / N －(|C jkj＋Gp|2max プロットを示す．CoHfSb はエネルギーギャップ＜ 1 にわたり，緑の四角枠で囲んだ e / a ＝ 8 / 3 を中心とする

1.2 eV の絶縁体である．( a )に示す赤線は重心法で求めた

2.48(e/a)NFE2.86の領域には分類した全てのグループの)は希土類元素を含む系である．比 0.25 ＜( e / a )itin / VEC

NFE 分散でフェルミ準位との交点より( e / a )NFE ＝ 2.68 を得化合物が含まれており，極めて NFE like な系から極めてる ． Co と Hf の 2 種 類 の 遷 移 金 属 元 素 を 含 む に も 関 わ ら

TB like な系まで広範囲に分布する．これらの化合物群はず，この値はノミナル値 e / a ＝ 8/ 3＝ 2.67 とよく合う．しか(e/a)NFE＝2.67±0.19を満たしており，誤差±7.1で e/a＝

し，Co3d/Hf5d/Sb5p の電子状態は互いに強く混成する

8/3の HR 則が成り立つ．

結果，NFElike な緑ドットと TBlike な黄ドットはギャッ
プを挟んで分裂し，軌道混成効果がその電子構造に強い影響

図 8 に おい て 遷 移金 属 元 素を 含 む化 合 物 群()に は ，(e/a)NFE が2.48以下で四角枠から下に外れる NiSnZr 等の化を与える．ところが，フェルミ準位近傍では NFElike な電合物が存在する．これらは 0.39＜(e/a)itin/VEC＜ 0.5の範囲

子が多く，これが e/a＝ 8/3を実現する原動力となっているにあり，極めて TB like な電子構造を持つ．これらの化合ものと考えられる．( b )の薄緑領域は NFE like な電子で物群では |G|2＝8, 11, 12の干渉効果に加えて，元素間の軌道( e / a )itin ＝ 2.87 ， 薄 黄 領 域 は TB like な 電 子 で そ の 数 は混成効果が支配的である．黄色の楕円枠で囲った系では軌道




最近の研究

図6

CoHfSb(cF12)化合物の(a) HumeRothery プロットと(b)Quc/N－|C|2max プロット(8)．(オンラインカラー)

図8

ABC 型 cF12 化 合 物 群 に お け る ( e / a )NFE の ( e / a )itin /VEC 依存性(8)．(オンラインカラー)

定化機構が顕在化している典型的な例である．なお， VECの計算には局在性の高い 4f電子を含めるため，図 8 において希土類系化合物群の比(e/a)itin/VEC は遍歴性が高いにも
図7

CoHfSb ( cF12 ) 化 合 物 の FLAPW Fourier ス ペ ク トル(8)．(オンラインカラー)

関わらず， 0.25 付近に集まった．これらの化合物はむしろ
NFElike な電子構造を持つ†．

こ の 節 の 最 後 に cF16 化 合 物 群 を 議 論 す る ． AlFe2V
混成効果による結合/反結合分裂がギャップ生成に大きな役( cF16 )はフェルミ準位に深い擬ギャップを持つ金属であ割を果たしている．なお，この枠内の化合物の多くは構成元

る．図( a ) , ( b )にはそれぞれ Hume Rothery プロットと素に Sn が含まれているのは興味深い(8)．

Quc/N－|C jkj＋Gp|2max プロットを示す．(a)では，NFElike な

図 8 において記号( )は Gd から Lu までの重希土類元素，

緑ドット， TB like な黄ドットそして Al 3p, Fe 3d, V 3d

Ni, Pt のような遷移金属元素，そして 4 価ないし 5 価の元の部分状態密度に注目する．遍歴電子は－ 10 ～－ 2.5 eV に

素 Sn, Pb, Sb, Bi を含む cF12 等比化合物群である．これら

集中するが，局在傾向の強い黄ドットはフェルミ準位を挟んは全て四角の枠内に存在し e /a＝ 8/ 3の HR 則を満たしていで－4～＋2.5 eV に分布する．この系は CoHfSb(cF12)と同る．ここで注目したい点は 3 元素を 1:1:1 で含む系で希土類元素を除く 2 つの元素の e / a の和が 5 あるいは 6 に近いかどうかという合金環境により，(e/a)av＝8/3を満たすように
希土類元素の(e/a)RE が 3 あるいは 2 となることである．この観点からも cF12化合物群は e/a＝8/3で安定化する機構が働いていることがわかる．正に，ヒューム・ロザリー型相安

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan† 例えば， AuLuSn( cF12 )を例にとる． 1 原子あたりの価電子数(VEC)Au＝1, (VEC)Lu＝3, (VEC)Sn＝4 を使えば，(VEC)av＝
8 / 3 となり，比( e / a )NFE / VEC ＝ 2.81 / 2.67 ＝ 1.05 となる．希土類元素，貴金属元素を含む系は遍歴性が高いにもかかわらず，
比(e/a)itin/VEC が0.5以下になる．これは dバンドや fバンド
が価電子帯に含まれるため， VEC が大きな値となるからであ
る．




図9

AlFe2V(cF16)化合物の(a)HumeRothery プロットと(b)Quc/N－|C|2max プロット(8)．(オンラインカラー)

様に，緑と黄ドットがきれいに色分けされて分布する．Fe
3d, V3d, Al3p が同一エネルギー域に存在することからこれらの電子間の軌道混成効果により結合/反結合分裂を起こ
し，－ 10 から－ 6 eV の高い結合エネルギー域は NFE like
な電子，－ 4 eV からフェルミ準位を越えて＋ 2.5 eV までの
反結合エネルギー域は TB like な電子が支配する．このように強い軌道混成効果を呈するにもかかわらず，| G |2 ＝ 8,
11, 12の干渉効果は依然として重要である(図参照)．こうし て 求 ま る ( e / a )NFE ＝ 1.43 は 構 成 元 素 の ( e / a )Al ＝ 3.0,(e/a)Fe＝1.05，(e/a)V＝0.90の平均値(e/a)av＝1.50と4.5
の範囲で一致している．図 9 ( b )は AlFe2V ( cF16 )化合物に対 す る Quc / N － | C jki＋Gp |2max プ ロ ッ ト で あ る ． 遍 歴 条 件 |C jki＋Gp |2max ＞ 0.2 を満たす薄緑の領域には( e / a )itin ＝ 1.61 個の遍歴電子が含まれる．薄黄色の領域は主に Fe3d 及び V3dからなる TBlike な電子であり，その数は VEC(e/a)itin＝6.0 1.61 ＝ 4.39 である．( e / a )NFE , ( e / a )av , ( e / a )itin は全て
1.5 ± 0.1 の精度で一致しており， AlFe2V 化合物の e / a はかなり正確に求めることが出来た．
図 10 は AlFe2V ( cF16 )化合物の FLAPW Fourier スペク

図 10トルである．沢山の干渉効果が存在するが，フェルミ準位付

AlFe2V ( cF16 ) 化 合 物 の FLAPW Fourier ス ペ ク トル(8)．(オンラインカラー)

近には| G |2 ＝ 8, 11, 12 を持つ格子面群との干渉効果が確かに存在する．これら{220}, {311}及び{222}格子面群とのMn, Fe, Ru のような後期遷移金属元素(late transition metal

干渉効果に加えて，| G |2 ＝ 16, 19, 20, 24... の干渉効果がフ

elements)に Al あるいは Sn を加えた等比化合物群である．

ェルミ準位以下の価電子帯に現れる．高次の干渉効果は 5

これらの化合物は 0.27 ( e / a )itin / VEC  0.37 と小さな比を節で改めて議論する．
図は真あるいは擬ギャップを有する cF16化合物群に対持ち，軌道混成効果が発達して TB like な電子構造を持つ系である．そのため，e/a は表 1 から期待される値 2 よりもする(e/a)NFE の比(e/a)itin/VEC 依存性を示す．緑の四角枠

かなり低い値1.38(e/a)NFE1.76を占める．これらの化合は 1.98 ( e / a )NFE  2.19 の範囲に入る化合物である．表 1

物群では軌道混成効果が勝っており HR 則が破綻する．

に示すように，cF16化合物群は e/a＝2.0で{220}LBZ を満たすので，四角枠の化合物群は± 5 の範囲で e / a ＝ 2.0 のHR 則を満たす．図 9 及び10で議論した AlFe2V(cF16)をはじめとして黄色の楕円で囲んだ範囲に入る化合物群は緑の四角枠から大きく外れる．これらの系は Ti, V, Nb, Mo, W のような前期遷移金属元素(early transition metal elements)と







干渉効果によるギャップ生成機構

干渉効果によるギャップ生成機構を議論する．立方晶の場
合，フェルミ面は等価な LBZ のゾーン面に同時に接触する
ので，単位胞に含まれる原子数 n3(これまでピアソン記号にならい N と表記してきた)が大きい程， LBZ 上の全ての等

最近の研究(cP12 )，そして cF8, cF12, cF16 化合物群を選んで，HR 則を議論した．本稿ではこれらの系に近似結晶など巨大単位胞
金 属 間 化 合 物 ( ■ ) の 文 献 ( 14 ) , ( 18 ) を 加 え ， 式 ( 6 ) のe/uc－n3 と式( 5 )の干渉条件 e/uc－|G|2 の関係を図(a)と(b)に両対数グラフを使って比較した．図12(a)及び12(b)の赤線はそれぞれ e / uc ＝ 2.2 × n3 と干渉条件を表す e / uc ＝(p3)|G| である．図12(a)では式( 6 )からのずれが若干認
3/ 2

められるものの見事な直線関係が成り立つ(14)．
図12(b )では，HR 則に従う系が式( 5 )の干渉条件を表す
傾き3/2の赤線上にさらに美しく収束することがわかる(11)(12) ． e / uc ＝ n3× e / a の関係から， e / a が果たしている役割がよく理解出来る．なお，干渉条件から±5以上外れ
図 11

cF16 化合物群における( e / a )NFE の( e / a )itin / VEC 依存性(8)．(オンラインカラー)

る系は軌道混成効果が強く TB like な特性が増大して HR則が破綻する系なので図12から除いた．
最後に，n3＝52のガンマ相化合物群(cI52, cP52)に注目す

価な対称点で同時に干渉効果が期待され，より深い擬ギャッ

る．図 12 ( a )では， e / uc の違いで 3 つのグループ(■ ,プが生成すると考えられる．これは，準結晶がフェルミ準位に深い擬ギャップを形成して安定化するというこれまで提唱,)に分かれる．その中で， Cu5Zn8, Ag5Zn8, Al4Cu9, In4Ag9の 4 つのガンマ相合金() は 全 て | G |2 ＝ 18 を 持 ち ，されてきた考えと整合する． e /uc と単位胞に含まれる原子( e / a )local ＝ 1.61 ，すなわち， e / uc ＝ 83 の一点に集中し，図数 n3 の間に12 ( b )で干渉条件を完璧に満たす傾き 3 / 2の赤線に乗る．と
e/uc＝(p3Z)n3(6)

こ ろ が ， 全 く 同 一 構 造 に も か か わ ら ず ， Ag5Li8 ( cI52 )()(19)と Al8V5(cI52)(■)(11)(12)は，それぞれ，|G|2＝14とが成り立つことが小川により提唱された(14)．ここに Z はギ22となり，18からずれた位置で傾き3/2の赤線に乗る．この

ャップ系に観察される平均の価電子数 VEC である．水谷と事実は同一構造であっても，構成元素の組み合わせに依存し佐藤らがこれまで報告してきたデータ(8)(12)から Z の平均値て 異 な る 生 成 機 構 が 起 き 得 る こ と を 教 え る ． Hume が2.1であるとして小川は e/uc＝2.2×n3 を得た．

Rothery(20)は1962年に出版した本で Ag5Li8(cI52)に言及し，筆者がこれまで干渉効果で説明してきた多くのギャップ系``If lithium were divalent, the above composition would be

化合物群の中から，文献( 8 )ではガンマ相化合物群( cI52,

nearly that required for the 21/13 ratio.'' と述べているのは

cP52 )，スクッテルダイト化合物群( cI32 )， MX2 化合物群

興味深い． Ag5Li8 化合物はフェルミ準位に擬ギャップはな

図12

cP12, cF8, cF12, cF16, cI32, cI52, cP52及び巨大単位胞を持つ近似結晶等の化合物群に対する(a) e/uc－n3 と(b) e/uc－|G|2 プロット．cP12系でギャップ生成を担う|G|2 は11, 16, 17であり，その平均値として|G|2＝14とした(13)．また，cF8,
cF12, cF16系では，ギャップ生成を担う|G|2 は8, 11, 12であり，その平均値|G|2＝10とした(8)．(オンラインカラー)

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japanい(19)．その相安定化機構は遍歴電子の干渉効果でないこと

絶縁体を保証する 100 電子で満たされた LBZ を探すことは明らかである．

は NFE 近似が入り，厳密さに欠けることになるので，注意が必要である．

.

還元ゾーン形式と拡張ゾーン形式

LBZ を使って電子構造を最初に議論したのは Jones(21) である．Cu5Zn8 ガンマ相合金は 1926年にその単位胞に 52個のすでに紹介した Hume Rothery プロット法は拡張ゾーン

原子を含む巨大単位胞結晶(cI52)としてその構造が明らかに形式であるため，多価金属合金のフェルミ球が第 1BZ を越された(3)． Jones は最大強度を示す回折線が 24枚の{411}面

える系でも e/a の決定を容易にしている(8)(11)(12)．波数ベクと 12 枚の{ 330 }面からなる 36 面体 LBZ を構成することを示

トル ki ＋ Gp を使うことで NFE like な分散をゾーンで折り返すことなく表示出来るためである．これまで拡張ゾーン形
式はあまり使われて来なかったので，この節ではその注意点を整理したい．
教科書によく引用されているように，空格子周期ポテンシ

3

し，その体積 45(2ap) を得た．これが bcc 格子の第 1BZ

3

の体積 2

( 2ap ) の整数倍でないことを指摘し，彼はそのLBZ を incomplete と呼んだ．なお，Cu5Zn8 を始めとする 4

ャル場における電子の分散関係を逆格子ベクトル G だけ平

つのガンマ相合金(

行移動して得られる放物線の集合を Bloch の定理で第 1BZ

 節の図 3 に関連しち，HR 則に従う金属である．一方，4.

)は全てフェルミ準位に擬ギャップを持

内に折り畳むことにより，還元ゾーン形式が得られる．ゾーて{ 220 }LBZ が e / a ＝ 4 を収容することを指摘したが， Si

ン境界のエネルギーギャップがゼロである限り両者は等価で(cF8)が e/a＝4.0の絶縁体であることからこの LBZ は com-

ある．ところが，エネルギーギャップが有限な系では，そのplete である．ここで， LBZ の体積の計算は NFE 近似を使

フェルミ面がゾーンの境界に近づき球から歪み始めたり，あっていないので正確である．

るいは， d バンドが混じるとその電子構造は異方的となる．この時，エネルギー固有値 E jki において，式( 2 )で与え

.

ま

と

め

られる真の波動関数は多くの逆格子ベクトルを含むようになる．しかし，拡張ゾーン形式は，このエネルギー固有値 E jki

与えられた相の安定化の議論は競合相との相対的な議論がにおいて最大のフーリエ係数を持つ電子状態{ 2 | ki ＋ Gp |}2E j

必要なため，一般にむずかしい．我々がギャップ系を選んだに対応させる NFE 近似を行う．我々はこのことを念頭にお理由は，最大の運動エネルギーを持つフェルミ準位上の電子いて得られた結果を注意深く解析しなくてはならない．

が削られることが安定化に作用するとの立場をとったからで

図 5 に示した AlLiSi ( cF12 )の場合，価電子帯のほとんどある．本稿では，これまでに報告してきたデータの中から，全ての電子は NFE like な遍歴電子である．にもかかわら

真あるいは擬ギャップを持つ cP12, cF8, cF12, cF16, cI32,

ず，かなりの数の緑ドットが NFEline を越えて分布していcI52, cP52，さらに近似結晶等の巨大単位胞を持つ化合物群

る．このように，拡張ゾーン形式の分散関係を用いると，に焦点を絞り，FLAPWFourier 理論で得られる HR 則の物

NFEline を越える電子状態が避けられなく存在することに理を紹介した．多くの読者が最も知りたいことは「FLAPW

なる．しかし，得られた(e /a)NFE ＝ 2.77は e/ a＝ 8/3＝ 2.67

Fourier 法で決めた遍歴電子濃度 e / a の信頼度は」，「遷移を 収 容 す る { 220 } LBZ を ほ ぼ 満 た し て お り ， FLAPW 

金属系に対する重心法の信頼度は」，「特定な電子濃度 e/a

Fourier 法の正当性が確かめられる．

で特定な相が安定化する現象は普遍的か，あるいは限られた価電子帯に d バンドを含む FeS2 ( cP12 ) , CoHfSb ( cF12 )現象か」「e/a＝一定の許容範囲は」等であろう．

及び AlFe2V(cF16)の場合，図 3 に示す|G|2＝8, 11, 12で指文 献 ( 11 ) の 表 8.6 に は 周 期 律 表 の 54 個 の 元 素 に 対 す る

定される格子系との基本干渉効果の他に|G|2＝16, 19, 20....

FLAPWFourier 法で求めた e/a 値を掲げた．その表にあるに対応する高次の LBZ による干渉効果がフェルミ準位以下

e/a は原子の最外殻電子数と符合しており，FLAPWFouri-の価電子帯内にすでに現れる．局在性の高い d 電子は主にer 法の確かさを確信させている．重心法を使って求めた遷

原子球内に分布する．そのため，中間領域では平面波の重ね移金属元素に対するその値は FLAPW Fourier 法が生み出合わせで作られる波動関数の強度は弱く，従って，最大のフした核心的な成果であり，他の元素との整合性はしっかりとーリエ係数も自ずと小さい．しかし，| G |2 が大きくなる

確かめられている(8)(11)(12) ．希土類元素に関しては文献( 8 )程，指定される LBZ 多面体の面の数が一般に多くなり，そ及び本稿で紹介した．

の面の数だけの定在波が生成する．我々は，これら d バン 節で扱ったガンマ相化合物群(cI52, cP52)は残り二つ
4.

ドに起因する高次の干渉効果はギャップ生成機構の議論の対への回答を与える． Cu5Zn8, Ag5Zn8, Al4Cu9, Ag9In4 はいず

象から外した．

れもフェルミ準位に深い擬ギャップを持つ．その擬ギャップ

逆格子空間で絶縁体を定義する場合，第 1BZ の整数倍がは|G|2＝ 18を持つ{ 330}＋{ 411}格子面群と遍歴電子の干渉

電子で完全に占有されていると論理的には言うことが出来効果に起因すること，そして 4 つの化合物に対して共通にる．しかし，現実の化合物・合金に対して求めた Hume (e/a)local＝1.61が得られることを示した．従って，ここではRothery プロット上で干渉条件( 5 )式を満たす| G |2 から，干渉効果が擬ギャップを生成することで安定化し，HR 則が




最近の研究

完 璧 に 成 り 立 つ と 結 論 し た ． し か し ， Al8V5 と Ag5Li8 は

本研究は科研費(基盤研究(C)17K06780, 20172020)の支Cu5Zn8 と同じ cI52 構造を持つにもかかわらず，それぞれ異援で行われた．この研究過程で，ヒューム・ロザリー電子濃なる e/a を持ち，別の安定化機構が働く．従って，「同じ相度則の物理に深い関心を示され，FLAPWFourier 理論につの化合物群全てに特定な e / a が割り当てられ HR 則が普遍的に成り立つ」は正しくない．ある特定な相が安定化する機いて徹底的に議論をしていただき， e / uc ＝(p3Z)n をご提3

構は干渉効果を含めたいくつかの競合因子が構成元素の組み

唱いただいた小川恵一横浜市立大学名誉教授に心より感謝申合わせにより微妙に絡み合って決まると言うしかない．

し上げます．また，本間智之長岡技術科学大学准教授には

表 1 に示したように， cF8, cF12, cF16 の化合物群は干渉

FLAPWFourier 法について多くの議論をいただきました．

効果の立場からそれぞれ e /a ＝ 4.0, 8 / 3, 2.0で安定化するは

名古屋工業大学西野洋一教授，宮崎秀俊准教授には， SPr-

ずである．cF12と cF16化合物群に対してそれぞれ図 8 と11

ing8 放射光粉末 X 線回折実験で測定された実験データをごに示したように，遷移金属，希土類元素を含む多くの化合物

教示いただき，利用させていただきました．この場を借りては確かにこの電子濃度の周辺に分布する．しかし，比お礼申し上げます．

( e / a )itin / VEC が 0.5 以下になり，( e / a )NFE が急速に低下して HR 則が破綻する場合がある．軌道混成効果による結合/文献

反結合サブバンド分裂の影響が( e / a )NFE の急速な低下をもたらした．
HR 則は干渉効果の産物であり，この枠におさまる系は遷移金属，希土類元素を含むギャップ系の化合物群に広く分布することを確かめることが出来た．従って，HR 則はかなり普遍性が高い安定化のメカニズムと結論する．
Jones(21) は実験で観測される最強の回折線から LBZ を構築し，巨大単位胞化合物ガンマ相合金の電子論を展開した．
真あるいは擬ギャップ系は熱電材料等実用材料の開発に重要である．図は代表的な熱電材料である AlFe2V(cF16)化合物の放射光による粉末回折スペクトルである(22)．FLAPW
Fourier 解析から得られた図10の結果をよく再現している．

最後に，構造探索して得られる回折スペクトルから Jones流のアプローチで LBZ を構築し，干渉効果と軌道混成効果を可視化することで FLAPW Fourier 法による材料設計ソフトが新規な材料開発への道を拓く一助になればと願っている．

( 1 ) 水谷宇一郎まてりあ，45(2006), 605
610, 677
682, 745
750, 803
812, 46(2007), 15
20, 77
82.
( 2 ) W. Hume
Rothery: J.Inst.Metals, 35(1926), 295
361.
( 3 ) A. J. Bradley and J. Thewlis: Proc.Roy.Soc. (A), 112(1926),
692.
678
( 4 ) A. Westgren and G. Phragm áen: Metallwirtschaft, 7(1928),
703.
700
( 5 ) A. J. Bradley: Philos.Mag., 6(1929), 878
888.
( 6 ) W. Hume
Rothery, G.W. Mabbott and K. M. Channel
Evans:
97.
Phil. Trans. Roy. Soc. A, 233(1934), 1
( 7 ) N. F. Mott and H. Jones: ``The Theory of the Properties ofMetals and Alloys'', Clarendon Press, Oxford (1936), 152
174; Dover (1958).
( 8 ) U. Mizutani, H. Sato and T. B. Massalski: Prog. Mat. Sci., 120(2021), 100719 1
36.
( 9 ) R. Asahi, H. Sato, T. Takeuchi and U. Mizutani: Phys.Rev.,
B71(2005), 165103 1
8.
(10) H. Sato, M. Inukai, E. S. Zijlstra and U. Mizutani: Philos.Mag.,
93(2013), 3029
3061.
( 11 ) 水谷宇一郎，佐藤洋一ヒューム・ロザリー電子濃度則の物
理学，内田老鶴圃 (2015), 1
231.
(12) U. Mizutani and H. Sato: ``The physics of the Hume
Rotheryelectron concentration rule'', Crystals, 7(2017), 1
112.
(13) T. Homma, U. Mizutani and H. Sato: Philos.Mag., 100(2020),
455.
426
(14) 小川恵一材料物理学入門，内田老鶴圃 (2017), 149
181.
(15) A. E. van Arkel: Molecules and Crystals in Inorganic Chemistry, Interscience: New York, (1956).
(16) J. A. A. Ketelaar: Chemical Constitution, an Introduction to the
Theory of the Chemical Bonds, 2nd ed. Elsevier: New York,(1958).
(17) P. Villars: Pearson's Handbook, ASM International: Materials
Park, OH, USA, (1997).
(18) U. Mizutani, M. Inukai, H. Sato, E. S. Zijlstra and Q. Lin:
2594.
Philos.Mag., 94(2014), 2571
(19) U. Mizutani, R. Asahi, H. Sato, T. Noritake and T. Takeuchi:
11.
J.Phys.: Condens. Matter, 20(2008), 275228 1(20) W. Hume
Rothery: Atomic Theory for Students of Metallurgy
London: Institute of Metals, Monograph and Report Series,
306.
volume 3, 4th edition (1962), 306(21) H. Jones: The Theory of Brillouin Zones and Electronic States
in Crystals, North
Holland, Amsterdam, (1975), 212
219.
(22) K. Renard, A. Mori, Y. Yamada, S. Tanaka, H. Miyazak and7.
Y. Nishino: J.Appl.Phys., 115(2014), 033707 1

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

図 13

AlFe2V ( cF16 ) 化 合 物 の 波 長 l ＝ 0.45993 Å ( 0.045993
nm )を用いた放射光高分解能粉末 X 線回折スペクト
ル(22).

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan

水谷宇一郎
1969年 3 月 名古屋大学大学院工学研究科博士課程修了
1972年 8 月～1975年10月 Carnegie
Mellon 大学(Pittsburgh, U.S.A.)ポスト
ドクフェロー
1989年 4 月～2005年 3 月 名古屋大学教授
2005年 4 月～2009年 3 月 財団法人豊田理化学研究所フェロー
2009年 4 月～現在 財団法人名古屋産業科学研究所上席研究員
専門分野金属電子論★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★



炭素鋼中における複合析出物の析出挙動
齊

藤

元

貴

して使用される JIS SCM420 肌焼鋼に Al と Nb を添加した

.

は じ

め

に

鋼を対象とした研究結果を紹介する．
歯車や軸受などの部材は，疲労特性や耐磨耗性の改善のた

この度は，第 30 回日本金属学会奨励賞をいただき，改めめに浸炭焼入れ処理が施される．大型の歯車類は，素材であて関係者の皆様に感謝申し上げます．また，このような寄稿

る丸棒を熱間鍛造後，焼ならしによりフェライト・パーライの機会をいただき大変光栄に存じます．これまで私は，ナノト組織とした後，歯切り，浸炭焼入れ処理を経て製造され材料をはじめとする機能性材料の合成や電子顕微鏡による構る．ガス浸炭は炭素の拡散を利用するため時間を要し，例え造解析に取り組んできました．最近は，鉄鋼材料中の微細析

ば 1 mm の浸炭深さを得るために930°
Cでは 12時間もの加熱

出物の析出挙動解明に取り組んでおります．この分野では，が必要となる．このため，浸炭処理時間の短縮化のため，浸歴史的に多くの研究が既になされており，偉大な研究者の方

炭温度の高温化が図られており，例えば 1050 °C の浸炭温度々がおられる中ではございますが，本稿では，炭素鋼中の複ではわずか 3 時間で 1 mm の浸炭深さが得られる．一方，合析出物の析出メカニズムについて，最近得られた知見をご

浸炭温度を高温化すると，結晶粒の粗大化が問題となる．特紹介いたします．

に，周囲の結晶粒と比べて著しく大きな異常粒の発生は部品精度の悪化や疲労特性，衝撃特性などの機械的特性の低下を

.

炭素鋼の組織制御と析出物引き起こす．高温下での結晶粒の粗大化抑制のため， AlNと Nb(C,N)がオーステナイト(g )粒界のピン止め粒子として炭素鋼は自動車や建設機械の部品等に多く用いられてお利用されている(4)．ピン止め効果をより高めるには，これら

り，これらの結晶粒組織制御のため，鋼中に合金元素を微量の析出物がいつ，どこに析出するかを理解し，熱処理条件を添加し(マイクロアロイング)，熱処理によりこれらを微細な最適化する必要がある．そこで，本研究では，熱間鍛造温ピン止め粒子として分散析出させる方法が有効であ

度，鍛造後の冷却速度およびその後の焼ならしが AlN およる(1)(3)．代表的な析出物として，AlN,

Nb(C,N), TiN が挙び Nb ( C,N )の固溶・析出挙動に与える影響を調査した．さげられる．近年は，複数の合金元素を組み合わせて使用する

らに，これに伴う浸炭加熱後の g 粒組織の変化も調査した．

多成分のマイクロアロイングが一般的である．この場合，析
出した窒化物や炭化物は個別に分布するのではなく，例え.

鍛造温度の影響調査ば，先に析出した炭化物を核として窒化物が後に析出する等，析出形態はより複雑である．状態図計算や，抽出残さ法

JIS SCM420 肌 焼 鋼 に Al を 0.035 mass  ， Nb を 0.032

による化学分析では，このように複合化した析出形態の推定

mass添加した素材を真空溶解後に直径 30 mm の丸棒に鍛や分析は困難である．そこで著者らは，透過型電子顕微鏡

伸した．この材料に対し熱間鍛造を模擬して， 1150 °C また(Transmission Electron Microscope, TEM)を用いて，複数は 1250 °C で 1 時間加熱し， 0.6 ～ 0.7 °C / min の冷却速度で炉の合金元素を微量添加した炭素鋼における微細析出物の析出

冷した．これらの試料に対し，1070°
Cで 3 時間の焼ならし，メカニズムの解明を試みてきた．本稿では，高温浸炭用鋼と1050°
Cで5.5時間のガス浸炭の後，油冷した(図)．

名古屋大学大学院工学研究科助教(〒4648603 名古屋市千種区不老町)
Precipitation Behavior of Combined Precipitates in Carbon Steels; Genki Saito(Graduate School of Engineering, Nagoya University,
Nagoya)Keywords: precipitate, case hardening steels, carburization, forging temperature, austenite grain size, cooling rate, pinning, combined
precipitates, transmission electron microscopy
2021年 3 月 2 日受理[doi:10.2320/materia.60.486]



新 進 気 鋭

図1

図2

ヒートパターン(5)．

異なる鍛造模擬加熱温度( 1150 °C または 1250 °C )におけるガス浸炭後の試料内部の g 粒組織(5)

図3

図は，ガス浸炭後の，浸炭表面から離れた試料内部の g
粒組織をピクリン酸で顕出後に光学顕微鏡で観察した結果で( a ) 抽 出 レ プ リ カ 法 に よ る 鋼 中 析 出 物 の HAADF STEM 観察結果(1250°
C鍛造模擬加熱後の試料)，(b)平板状 AlN の TEM 観察結果，( c )( b )から得られた電子
回折図形．

ある．鍛造模擬加熱温度が高いほど g 粒が粗大化し，その平均直径は 1150 °C では 28 mm ， 1250 °C では 36 mm である．焼ならしやガス浸炭の条件が同じであるにも関わらず，鍛造模
擬加熱温度の違いが，ガス浸炭後の g 粒組織に大きく影響する原因として，g 粒界をピン止めする析出物の分布に違いがあることが考えられる．そこで，鋼中に存在する析出物のサ
イズや体積分率を TEM により分析し，析出物のピン止め力の定量評価を試みた．

.

TEM による鋼中析出物の分析
図4

鋼中析出物の分析法として，まずカーボン抽出レプリカ法

析出物の体積分率の分析方法．

を用いた．この方法は，非水溶媒電解液中での定電位電解により母相の鋼を溶解して析出物を試料表面に露出させた後，カーボン蒸着を行い，得られたレプリカ膜を TEM 用のグリおよび電子回折による分析の結果，これらの析出物は平板状ッドに回収する方法である．レプリカ試料は TEM 観察時にの AlN ， AlN 表面に付着し複合化した Nb ( C,N )，単独で存鋼の磁性の影響を受けず，析出物からの電子回折図形の取得

在する Nb ( C,N )，と同定された．別の観察位置では，他のや EDS 分析が可能である．図( a )は， 1250 °C 鍛造模擬加析出物と複合化していない単独の TiN も観察された．図 3

熱，焼ならし，ガス浸炭後の試料中の析出物の HAADF ( b )は平板状 AlN の TEM 観察結果であり，図 3 ( c )に示す

STEM(HighAngle Annular DarkField Scanning TEM，走電子回折図形の解析から，六角形の平板状に析出した AlN

査透過型電子顕微鏡法の円環状検出器による暗視野法)によは六方晶のウルツ鉱型の構造を有し，平板の面は( 0001 )面

る観察結果である．この観察法では，像コントラストは原子に対応した．一方， Nb ( C,N )と TiN は NaCl 型構造であっ

番号の約 2 乗に比例するため，より明るいコントラストをた．

持つ部分は，周囲より平均の原子番号が大きいか，より厚い

抽出レプリカ法は簡便であり，析出物の結晶構造の同定に可能性がある．EDS(Energy dispersive Xray spectroscopy)

有用であるものの，各析出物の体積分率の評価が困難であ

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japanる．そこで本研究では，図に示すように，薄膜試料の厚さる．一方，1250°
Cでは AlN と Nb(C,N)が一度完全に固溶しをできるだけ正確に評価して観察領域の体積を求め，析出物た後，冷却速度が 0.6 ～ 0.7 °C / min と遅いため，冷却過程での体積分率を求めることを試みた．鋼の試料をそのまま薄膜粗大に析出する可能性がある．これら観察された各析出物の化すると磁性の影響が大きく TEM 観察が困難なため，試料ピン止め力の解析を次に試みる．

を 0.5 mm 厚の平板状に研磨し，両側に Mo 板を貼り合わせた後にスライスし，これに Mo 単孔グリッドを貼り付けて機.

析出物のピン止め力の計算

械研磨，ディンプル研磨を行った後，イオンミリング( Gatan, PIPSII )で鋼部分を薄膜化し， TEM 試料を作製した．

析出物による g 粒界のピン止め力の解析には， Zener のこれにより，ある程度磁性の影響を軽減した薄膜試料を作製式(7) や Gladman の式(8) をはじめとする様々なモデルが提唱できた．次に，各観察位置の試料厚みを電子エネルギー損失されている．今回は，複数種類の析出物が g 粒組織に与える

分光スペクトル(Electron energyloss spectroscopy, EELS)

影響を定量的に評価するために，以下の式( 1 )に示されるにより求め，観察領域の体積を算出した．一方，各析出物のZener の式による解析を試みる．

長辺と短辺の長さを計測し，円換算直径を求め，析出物の体

R ＝K

積を計算した．合計の析出物体積を観察領域の体積で割るこ

r
fV

(1)

とで，析出物の体積分率を計算した．析出物の TEM 観察法

ここで，r はピン止め粒子の平均半径，fv は体積分率，R はは当初，HAADFSTEM 法を検討したが，Nb(C,N)が母相

結晶粒の平均半径，K は定数で，Zener モデルでは 4/3 であと近いコントラストを有すること，焼入れ材では回折の影響

る．粒子径の異なる複数の析出物が存在する場合は，析出物が大きく析出物を判別できないこと，焼ならし材では炭化物ごとのピン止め力を計算する必要がある．この場合，ピン止と析出物の区別ができないこと，等の問題があり，各観察位

め力 DPpin は以下の式(2)のように表される(9)．

置 を STEM EDS マ ッ ピ ン グ し た ． 装 置 は Titan3 G2 60 
300 を用い，電流をできるだけ大きくした上で， 1.8 mm ×

DPpin＝－(

3s fAlN fNb(C,N) fTiN＋＋
2 rAlN rNb(C,N) rTiN)

(2)

1.8 mm ( 456 × 456 pixel ，約 4 nm / pixel )の領域を 200 ～ 400

ここで， f は各析出物の体積分率， r は各析出物の平均半径

秒かけて分析した．

である． s は g 粒界の界面エネルギーであり，この系では

図は，析出物の STEM EDS マッピングによる観察結0.5 J/m2 の値が多く用いられている(10)．

果を示す．Al, Ti, Nb をそれぞれ別の色で示し，重ねて 1 枚式( 2)を用いて各析出物のピン止め力を求めるため，図 5の画像として示している． 1150 °C, 1250 °C ともに AlN Nbに示したようなマッピング画像をランダムに 30 ～ 60 視野分(C,N)複合粒子が観察され，鍛造模擬加熱温度が高いほど複析し，析出物の平均径や体積分率を求めた．なお，粒子径が合 析 出 物 が 粗 大 化 し て い る ． 一 方 で ， 50 nm 程 度 の TiN

大きいほど TEM による計測数が減少することや，析出物のや，図中には示していないが， AlN と複合化していない単形状を楕円体と仮定したことなどにより，求めた体積分率に

独の Nb(C,N)も観察された．ThermoCalc による状態図計

はある程度の誤差が含まれることに注意を要する．図(a)

算(6) によると， AlN と Nb ( C,N )の完全固溶温度はそれぞれによると， AlN と Nb (C,N )の複合粒子を一つの粒子とみな

1198 °C と 1218 °C である．鍛造模擬加熱前の素材中にはあるして計測した平均直径は，鍛造模擬加熱温度が高いほど大き程度微細な析出物が既に存在しており， 1150 °C では析出物

い．一方， TiN は 40 ～ 50 nm と微細であり，鍛造模擬加熱は完全には固溶しないため，未固溶の析出物が多数残り，そ温度の影響を大きく受けていない．図 6(b )に示す各析出物

れらが冷却時に析出する AlN の核形成サイトとなり，微細の体積分率を見ると， AlN が最も大きな体積分率を持ってな AlN Nb ( C,N )複合粒子が高密度に析出すると推察されおり，これは平衡状態図の計算結果と符合した． TiN は他の析出物と複合化していないが， Nb ( C,N )の多くは AlN と複合化している．図 6( c )は，計算により得られた各析出物のピン止め力である． AlN Nb (C,N )複合粒子のピン止め力が最も大きく， TiN の体積分率は小さいが微細なため，比較的大きなピン止め力を持つことがわかる．得られたピン止め力から，Zener の式を用いて g 粒径を見積り，実験で得られた g 粒径と比較した結果を図に示す．ピン止め力から計算される結晶粒径と実験で観察される粒径が比較的よく一致することがわかる．別な鋼種においても同様の調査を行い，ピン止め力の計算から見積もった結晶粒径が実験値と比較的よく一致すること，およびピン止め力がさらに小さい場合は

図5



鍛造模擬加熱温度が異なる試料中の析出物の STEM EDS マッピングによる観察結果(5) ． Al, Ti, Nb をそれ
ぞれ別の色で示し，重ねて示している．

異常粒成長が生じることが明らかとなっている(5)．
以上の結果から，熱間鍛造前の素材中にはある程度微細な析出物が既に存在し，鍛造加熱温度が高いほどこれらの析出

新 進 気 鋭

図6

図7(a) 析出物の直径(5)，(b) 析出物の体積分率(5)，(c) 析出物のピン止め力(5)．

観察された結晶粒直径とピン止め力から見積もった結晶粒直径の比較(5)．

物がより多く固溶し，その後の冷却速度が 0.6 ～ 0.7 °C / minと遅いため，冷却過程でこれらの析出物が粗大に再析出するといえる．鍛造温度が高く，析出物が一旦固溶する場合でも，冷却速度をより大きくすることで冷却過程での粗大析出を抑制し，析出物の微細化を図れないか，次に検討した．
図8

.

鍛造後の冷却速度の影響

1250 °
C で 1 時間加熱後，異なる速度で室温まで冷却した後，焼ならし，模擬浸炭後の組織観察結果(11)．

鍛造模擬加熱後の冷却速度が浸炭時の結晶粒組織および析
出物分布に与える影響を調査するため，素材を 1250 °Cで 1かった．冷却速度 4°
C/min では，単独の Nb(C,N)に加えて，時間加熱後，水冷および炉冷した．炉冷は 16 °C / min, 4 °C/

Nb ( C,N )と複合化した AlN が少量析出した．冷却速度をmin, 0.7 °C / min のそれぞれの冷却速度で室温まで行った．

0.7 °C / min まで遅くすると， AlN Nb ( C,N )複合粒子が粗大

次に，1070°
C で 3 時間焼ならし後，20°
C/min で室温まで炉に析出した．各析出物の体積分率を求めた結果， Nb ( C,N )

冷し，高温浸炭を模擬して 1050 °C で 5 時間加熱した後，水は 16°
C / min の冷却速度から析出し， 4 °C /min でほぼ全量が冷した．図は模擬浸炭後に水冷した試料の g 粒組織の観察

析出するのに対し， AlN は 16°
C/min の冷却速度では析出せ結果であり，鍛造後の冷却速度が速いほど g 粒組織は微細化

ず，0.7°
C/min でほぼ析出が完了する．この結果は，AlN のする．この結果は，鍛造後の冷却速度が析出物分布に影響す

冷却過程での析出速度が Nb ( C,N )と比較して遅いという過ることを示唆する．そこで，析出物の TEM 観察を実施した．

去の報告と一致する(4)．

1250 °
C の鍛造模擬加熱後に水冷した試料では，微細な TiN

図はこれらの材料を 1070 °C で 4 時間焼ならした後の析のみが観察され， AlN や Nb ( C,N )は観察されなかった．こ

出物の STEM EDS による観察結果であり，焼ならし後はの結果は，先に述べたこれらの析出物の完全固溶温度の状態

単独 AlN および AlN Nb ( C,N )複合粒子が多く析出するこ

図計算結果と符合する．鍛造温度から 16°
C/min で冷却したとがわかる．鍛造後の冷却速度が速いとき， AlN が鋼中に場合，微細な Nb (C,N )の析出が認められ， AlN は析出しな

過飽和固溶する．この過飽和固溶した AlN は，その後の焼ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan




図 10

図9

AlN Nb ( C,N ) 複 合 粒 子 の 界 面 構 造(11) ． ( a ) , ( d )HAADF STEM 像，( b) , ( e ) 拡大図，( c) , ( f) 原子構
造モデル．

1250 °
C で 1 時間加熱後に異なる速度で室温まで冷却した後，焼ならしを施した後の析出物の STEM EDS マ
ッピング結果(11)．

出物の格子定数を精密化した結果， AlN の( 112̃0 )面の格子
面 間 隔 が 0.1557 nm, Nb ( C,N ) の ( 220 ) 面 の 格 子 面 間 隔 がならし温度へ向けての加熱過程および焼ならし中に微細に析

0.1575 nm であり，これらの整合性が高い．このような安定出し，この結果，ピン止め力が大きくなり，g 粒径が微細化した界面の形成が，両者の複合化を容易にした一因であるとすると推察される．実際，焼ならし後の AlNNb(C,N)複合

推察される．

粒子の平均径は，水冷では 33 nm であり，0.7°
C/min の炉冷

.

の 207 nm と比べて著しく微細に析出しており，その結果，

お

わ

り

に

鍛造後の冷却速度が速いほど g 粒組織は微細化した(11) ．従って，高温の熱間鍛造後は比較的早い冷却を行って析出物を

本稿では， Al と Nb を添加した肌焼鋼において，鍛造温

過飽和固溶させ，焼ならしの過程で微細析出させることが良度および鍛造後の冷却速度が， AlN および NbC の固溶・析策といえる．さらに熱処理プロセスを最適化するには，焼な出挙動に与える影響を調査し，各析出物のピン止め力を求め

らし温度の影響についても調査が必要である．一方で，熱間ることで g 粒組織との対応関係を議論した．鍛造温度が鍛造後の冷却過程や，焼ならしに向けての加熱および保持過1250°
Cのとき，棒鋼の製造過程で析出した既存の AlN や Nb

程のいつ，どこで析出物が析出するかは未解明であり，今後(C,N)が固溶する．鍛造後の冷却速度が 4°
C/min より遅い場調査が必要であると考えられる．

合は，まず Nb ( C,N )が析出し，それを核として続いて AlNが粗大に再析出するが，冷却速度が 16 °C / min の場合は，

.

AlN
Nb(C,N)複合粒子の界面構造

Nb ( C,N )は冷却過程で析出するものの AlN は過飽和固溶して析出せず，その後の焼ならしの過程で AlN が単独に微細
上 述 の よ う に ， Al と Nb を 添 加 し た 肌 焼 鋼 中 で は Nb

析出する．すなわち，鍛造過程で析出物を固溶させた後，早( C,N )が先に析出し，続いて析出する AlN の核形成サイト

く冷却することで過飽和状態とし，焼ならし時の加熱過程でとなる可能性が示された．析出物間での安定な界面および化微細析出できることが示唆された．

学結合の存在により，複合析出が優先的に発生する可能性が一方で，熱間鍛造後の冷却過程における Nb ( C,N )の核形あるため， AlN Nb ( C,N )複合粒子の界面構造を HAADF 成サイトや，焼ならし中の単独 AlN の核形成サイトは未だ

STEM 法により調査した．図は抽出レプリカ法で作製し不明である．これらを解明することで，熱処理プロセスをさたサンプル中の AlN Nb ( C,N )複合粒子の界面の高分解能

らに最適化できる可能性がある．析出物の核形成サイトの解HAADFSTEM 像である．図10(a)と(b)はそれぞれ観察し明のためには， EDS による組成分析だけではなく，局所領

た入射方位の異なる別の粒子である．六方晶ウルツ鉱型構造域の結晶方位解析が必要と考えられる．今後は，母相と析出の AlN の(0001)面に対し，NaCl 型構造の Nb(C,N)の(111)

物の結晶構造やその方位関係に関する解析にも取り組む予定

面が平行であり，これらが高い整合性を有する界面を形成しである．

ている．サンプルから抽出残さを回収して XRD により各析



新 進 気 鋭

最後に，本稿で示した研究結果は主に北海道大学において著者が共同研究に参加した際に得られたものであり，研究の遂行にあたり多大なるご指導・ご助言をいただいた北海道大学 松浦清隆名誉教授，大野宗一教授，三浦誠司教授，坂口紀史准教授，三菱製鋼株式会社 蓑口光樹氏，山岡拓也氏をはじめ関係者の皆様に紙面を借りて深く御礼を申し上げた
い．試料提供や一部の実験設備の使用において三菱製鋼株式
会社の支援を受けたことを記し，感謝の意を表したい．共同
研究では，実用材料を対象として多くの方々と日々議論しながら研究に取り組む経験ができたことに感謝したい．また，
本研究の一部は， JSPS 科研費 20K15055 および日本顕微鏡( 5 ) G. Saito, N. Sakaguchi, M. Ohno, K. Matsuura, M. Takeuchi,
T. Sano, K. Minoguchi and T. Yamaoka: ISIJ International, 60(2020), 25492557.
( 6 ) TCFE9 Database, ThermoCalc Software, (2020).
( 7 ) 西沢泰二鉄と鋼，70(1984), 19841992.
( 8 ) T. Gladman: Proceedings of the Royal Society of London.
Series A. Mathematical and Physical Sciences, 294(1966),
298309.
( 9 ) K. Banerjee, M. Militzer, M. Perez and X. Wang: Metallurgicaland Mater. Trans. A, 41(2010), 31613172.
(10) M. Maalekian, R. Radis, M. Militzer, A. Moreau and W. J.
Poole: Acta Mater. 60(2012), 10151026.
(11) G. Saito, N. Sakaguchi, M. Ohno, K. Matsuura, M. Takeuchi,
T. Sano, K. Minoguchi and T. Yamaoka: ISIJ International, 61(2021), 19641970.

学会「長舩記念特別研究奨励金」の助成を受けた．謝意を表★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

す．

2014 年文献( 1 ) 牧 正志鉄鋼の組織制御，内田老鶴圃，(2015), 163169.
( 2 ) 藤松威史，橋本和弥，田中高志，西森 博，井口 誠まてりあ，45(2006), 141143.
( 3 ) 今浪祐太，岩本 隆，西村公宏まてりあ， 58 ( 2019 ) , 108 
110.
( 4 ) 久保田学，越智達朗新日鉄技報，378(2003), 7276.

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan齊藤元貴

北海道大学大学院工学研究科博士後期課程修了
2014年2017年 北海道大学大学院工学研究院附属エネルギー・マテリアル融合領域研究センター 非常勤研究員
2017年2020年 北海道大学大学院工学研究院 特任助教
2020年10月現職
専門分野材料科学，電子顕微鏡◎機能性粉体や金属材料の合成および電子顕微鏡による構造解析に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★



金属製錬の熱力学(第 2 回)
月

.



活

橋

Al＋RT lnmBli ＝ mi

量

文

孝

Pi
P°
i

(46)

すなわち，式( 47 )の形で表され，式( 43 )から活量は蒸気圧

活量の定義により式(48)で表される．

成分 i のみからなる純粋な液体の化学ポテンシャルを m °i

mi－m°i＝RT lnとする．添字「°」は，ある標準圧力，通常 1 atm ，ある温

i

(47)

i

度 T での標準状態の物質についての量であることを表す．

a i＝

この液体に別の成分を添加した溶液の成分 i の化学ポテンシ
ャルは m °
i より減少する．この減少の度合の指標を活量 ai と( PP°)

Pi
P°
i

(48)

化学ポテンシャルと活量の間の関係が式( 43 )により表されるので，GibbsDuhem の式(式(28))は活量を用いてして

mi＝ m°
i＋RT ln ai

c

(43)

∑ni d ln ai＝0で表す．R は気体定数である．

(49)

i＝1

溶液の成分 i の化学ポテンシャルは式(43)のように，右辺第一項の成分 i に固有の値である標準状態での純粋な i の化で表される．
先に述べたように，成分 i の化学ポテンシャル mi は一定

学ポテンシャルと，右辺第二項の溶液中成分 i の組成に依存であるので，標準状態での値 m °i の選び方が変われば活量のする項の和として表される．すなわち活量は溶液組成の関数

値 a i も m°i の値に依存して変化する．

である．標準状態の定義によらず成分 i の化学ポテンシャル

活量は，ある状態が標準状態に対して化学ポテンシャルがmi は一定であるので，活量 ai の値は第一項の標準状態の値

どの程度異なっているかを表す指標であるので，どのようなm°i に依存して変化する．

標準状態を用いるかは任意であり，一般的には Raoult 基準

標準状態をどのような状態に取るかは任意であるが，このの活量と Henry 基準の活量の二つの基準が使われている．
溶液中の成分 i のモル分率を xi とする．溶液中の成分がラ

先しばらく，純物質を標準状態として説明する．
ある温度 T で，液体 A は成分 i のみからなり気相と平衡

ンダムに分布しており，成分間の相互作用が同等である溶液

しているとし，その蒸気圧を P °i とする．また溶液 B は成分を理想溶液という．理想溶液ではどの構成成分も同じ挙動を

i を含む溶液であり，この溶液が気相と平衡していて，そのするので，すべての組成範囲で溶液中成分 i の蒸気圧は式

蒸気圧を Pi とする．溶液 A ， B はそれぞれの気相と平衡し(50)で与えられる．これを Raoult の法則という．

ており，気相と液相の化学ポテンシャルは等しいので，標準

Pi＝xi P °i(50)

状態の気体を基準として各溶液相の化学ポテンシャルは式

溶液中の溶質成分 i の濃度が小さい場合，希薄溶液とい(44), (45)で表される．これより式(46)が得られる．これはう．溶質成分は溶媒成分から同等な相互作用を受けるので，

純物質 i の液体 A を基準とした溶液 B の成分 i の化学ポテ

その蒸気圧は成分 i のモル分率に比例する．これを Henry

ンシャルを表している．

の法則といい，式(51)で与えられる．
Pi＝kxi

ここで添字 g，l は気相，液相を表す．

(51)

Ag
g
＋RT ln P °mAlii ＝ mi ＝ mi °(44)

図に，純粋物質からなる液体の活量を 1 とした基準

Bg
g＋RT ln Pi
mBl
i ＝ mi ＝ mi °(45)

で，活量と成分組成の関係を模式的に示す．理想溶液は傾き東京大学名誉教授
Thermodynamics of Metal Smelting(); Fumitaka Tsukihashi(Emeritus Professor, The University of Tokyo, Tokyo)
Keywords: thermodynamics, metal smelting, chemical potential, equilibrium, activity, solution, phase diagram, chemical potential diagram, basicity, capacity of slag
2020年10月16日受理[doi:10.2320/materia.60.492]



講義ノート




Raoult 基準の活量

これまでに述べてきたように，ある温度，圧力での純物質を標準状態すなわち活量 ai ＝ 1 とするのが Raoult 基準の活量である(式(56))．濃厚溶液の場合に Raoult 基準を用いて活量を表すことが多い．モル分率が 1 に近づくと活量係数は 1 になるので，式( 57 )が成り立つ．添字( R )は Raoult 基
準の値を表す．
(R)＋RT ln a(i R)
mi＝ m°
i(56)

lim g(i R)＝1

(57)

xi→1

また，溶質濃度が小さい希薄溶液の領域では Henry の法則(R )より活量係数は溶液の組成によらず一定値 g °となり(式i(58))，活量はモル分率に比例する(式(59))．ここで g°i は無限希薄での活量係数であり，ここでの添字「°」は前述の説で表す．
明とは異なり，一定値の活量係数を g°(R)lim g(i R)＝g°
i

(58)

(R)
a(i R)＝g°
xi
i

(59)

xi → 0Henry 基準の活量

金属製錬における不純物元素を除去する場合のように，金属製錬では目的金属以外の溶質元素の濃度が小さいので，溶図5

活量とモル分率の関係．

質濃度の小さい希薄領域の溶液を扱うことが多く，希薄溶液の濃度範囲で活量がモル分率や質量濃度の値となる Hen-

1 の直線となるが，通常の溶液では全組成範囲にわたって理ry 基準の活量を用いることが便利である．

想溶液であることは少なく，溶液の構成原子，分子間の相互

濃 度 を モ ル 分 率 で 表 す 場 合 に は 式 ( 60 ) が 成 り 立 つ ．

作用により理想溶液から正または負の方向に偏倚した活量線(H, mole fraction) は無限希薄領域での Henry の法則に従う成分m°iとなる．理想溶液からのずれの指標として活量係数 g を用い

i の活量の直線をモル分率 xi ＝ 1 へ外挿したときの成分 i のる．活量係数は式( 52 )で定義され，図 5 からわかるように標準状態の化学ポテンシャルである．xi＝1 で活量は 1 とな

成分組成の関数である．

る．無限希薄溶液のときに活量がモル分率に等しくなり式

ai ＝ g i x i(52)( 61 ) , ( 62 )となる．化学ポテンシャルの値は Raoult 基準と成分間で反発力を示す相互作用のある溶液では，活量線がHenry 基準の活量基準の取り方によらないので，式( 63 )が理想溶液より正に偏倚し活量係数は 1 より大きい(図 5(a))．成分間で親和力を示す相互作用のある溶液では，活量線は負に偏倚し活量係数は 1 より小さくなる(図 5(b ))．また，活量線図上で成分濃度の小さい領域(図の左側)では活量は Henry の法則(傾き k の直線)に従い，成分濃度の大きい領域(図の右側)では Raoult の法則(傾き 1 の直線)に従う．
活量は活量係数と組成(モル分率)を用いて表現できるので(式(52))，GibbsDuhem の式(式(49))は活量係数を用いて
c∑ni d ln gi＝0

(53)

i＝1

で表される．二元系では式( 54 )となり，モル分率で表すと成り立つ．
(H, mole fraction)＋RT ln a(i H, mole fraction)
mi＝m°
i

(60)

lim a(i H, mole fraction)＝xi(61)

lim g(i H, mole fraction)＝1(62)

xi → 0xi→0(H, mole fraction)＋RT ln a(i H, mole fraction)
mi＝m°
i
(R)
＝m °
＋RT ln a(i R)
i

係は式(64)となり，モル分率で表したときの Raoult 基準とHenry 基準の間の変換式となる．
(H, mole fraction)
(R)
(R)
＝ m°
＋RT ln g °
m°
i
i
i

式(55)となる．
n1 d ln g1＋n2 d ln g2＝0(54)

x1 d ln g1＋x2 d ln g2＝0(63)

式( 63 )より，それぞれの標準状態の化学ポテンシャルの関(64)

溶媒中に微量溶質成分 i およびその他の微量溶質成分 j1～(55)

jc がある場合，成分 i のモル分率 xi と質量([ mass  i ])のこの関係を用いて，たとえば，二元系で第一成分の活量係数

関係は式(65)で近似される．ここで Mi は i 成分の原子量，がわかっていると，第二成分の活量係数を求めることができ

分子量である．式( 65 )より，希薄領域ではモル分率 xi と質る．

量([ mass  i ])は比例すると近似できるので，簡便のた

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan多元系の溶液を取り扱うので，それぞれの元素の存在が相互に各元素の活量に影響する相互作用がある．
溶媒 1 中に希薄な溶質 2，3，…c が溶解しているとき，溶質 2 の活量係数は，温度，圧力が一定のとき，溶質濃度の関数である．溶質濃度が 0(溶媒のモル分率 x1＝ 1)の近傍で
Taylor 展開した形で式( 70 )となり，希薄溶液であることから 2 次以上の偏微分係数項を無視すると，近似的に式( 71 )を得る．ここで e ji は式( 72)で定義され，一次の相互作用母係数という．
ln g2＝ln g°
2＋ x 2c(

1 &2 ln g2 2 1 &3 ln g2 3
xi ＋
x i ＋…
2 &x 2i
6 &x 3ic( &x &x x x )＋…

＋∑
図6

i＝2

Raoult 基準の活量と Henry 基準の活量の関係．

＋ ∑&2 ln g

)

2

i j

(70)

2
3
c
ln g2＝ln g °2＋e 2 x2＋e 2 x3＋…＋e 2 xc

(71)

& ln gie ji＝lim
&x j
x →1

(72)

i＝2, j＝3

め，[massi]の数値を活量として扱うことが行われる．

& ln g2& ln g2& ln g2& ln g2
＋ x3
＋ x4
＋…＋xc
&x2
&x3
&x 4
&x c

i

濃度を質量([mass])で表す場合，式(66)が成り立つ．
(H, mass)は無限希薄領域での Henry の法則に従う成分 i の
m°
i

j

1

活量の直線を 1 mass へ外挿したときの成分 i の標準状態

金属製 錬反応 で実 用上 よく用 いる 質量 濃度で 表し たの化学ポテンシャルである． 1 mass で活量は 1 となる．

Henry 基準の活量係数についても，同様に相互作用助係数

無限希薄溶液のときに活量が[massi]の値に等しくなり式

e ji を用いて式(73), (74)のように表される．

(67), (68)となる．この場合の Henry 基準の i 成分の活量係
数 は fi で 示 さ れ る こ と が 多 い ． Raoult 基 準 と 質 量  で のHenry 基準の間の変換式は式(69)となる．

2
3
log f2＝log f °2＋e 2[mass2]＋e 2[mass3]＋…

＋e c2[massc], f °
2＝ 1
e ji＝

これらの関係を図示すると図となる．

lim[massi]→100& log fi&[massi]

(73)
(74)

なお，この場合，活量は[ mass ]の値となるが，定義か三成分系で溶媒 1 に溶質 2 と 3 が希薄に溶解している溶

らわかるように活量には単位はないので，活量の値に単位を液を考える．そのとき相互作用母係数と相互作用助係数にはつけて○massと表記しないように注意する必要がある．

式(75)～(77)の関係が成り立つ．

xi＝[massi]Mi

e 32＝230

100－[massi] [massi] c [mass j ]＋＋∑Msolvent
Mi
Mj
j＝ 1

[massi]Msolvent

100Mi

e 32＝

(65)

M3 3 M1 －M 3
e 2＋
M1
M1

(75)

e 32＝e 23

(76)

M2 2
1 M 3－ M 2
e 3＋
230 M3
M3(77)

ここで M1 は溶媒の原子量，分子量，M2, M3 は溶質 2，3 の原子量，分子量である．

(H, mass)＋RT ln a(i H, mass)
mi＝ m°
i(66)

lim a(i H, mass)＝[massi](67)

massi→0

lim
massi→0f (i H, mass)＝ lim

massi→0a(i H, mass)[massi]

＝1

(68)

(R)

(H, mass)(R)＝ m°＋RT lnm°iig°
Msolvent
i
100Mi

(69)

溶鉄や溶銅中の種々の元素の相互作用母係数，相互作用助係数はデータ集にあるので，各々の元素の活量係数を計算することができる．ここで述べた相互作用母係数，相互作用助係数は溶質濃度が希薄な場合の値であるので，溶質濃度が大きい場合には，二次以上の相互作用母係数，相互作用助係数も用いる必要がある．相互作用母係数，相互作用助係数を，
活量係数を求めるときの一次近似式の係数として適用範囲を

金属製錬反応においては，不純物元素濃度が非常に小さい

吟味せずに用いている報告が散見されるが，相互作用母係数，

ため， 1 mass を基準とした Henry 基準の活量を用いるの相互作用助係数を用いて活量係数を求める際には，相互作用が便利であり，実用的には金属中の微量不純物元素の質量母係数，相互作用助係数の値を適用できる溶質の濃度範囲に( mass )の数値が活量として用いられている．この基準で十分注意する必要がある．

測定された活量，活量係数のデータが多数報告されている．


多成分系の活量係数

製錬反応では鉄などの溶媒中に多種の元素が溶解している

特に，鉄鋼製錬において，炭素飽和溶鉄中の種々の元素の活量係数を求めるときには，炭素濃度が 4～5 massとなる
ので，溶鉄についての相互作用係数を外挿して用いることはできず，炭素飽和鉄に対して求めた相互作用係数を用いる必講義ノート

要があり注意しなければならない．また，脱酸反応の解析に質)であるから

mc＝m °
c ＋RT ln xc

おいても，相互作用の非常に大きい元素による二次以上の相互作用を考慮する必要性があり，適用には注意が必要である．

(91)となり，第 c 成分も理想挙動をする．
溶質成分が希薄であるような希薄溶液では，溶質成分につ

.



溶

液

いて Henry の法則
ai＝g °
i xi

理想溶液

(59)

が成り立つ．理想溶液の場合と同様に， c 成分系 1, 2, … , c

溶質，溶媒がランダムに分布し相互作用が同等で，各成分が全組成範囲で Raoult の法則に従う溶液を理想溶液とい－1 成分(溶質)が希薄溶液挙動をすれば第 c 成分(溶媒)は理
想挙動をする．

う．理想溶液では Raoult の法則(gi＝1)，が成り立つので，部分モル Gibbs エネルギーはG̃i＝G °
i ＋RT ln ai＝G °i ＋RT ln(gi xi)＝G °i ＋RT ln xi

過剰量

(78)

実在溶液の部分モル量と理想溶液の部分モル量の差を過剰となる．混合による第 i 成分の部分モル Gibbs エネルギー変

部分モル量といい，添字 E で表す．たとえば，過剰部分モ

化はル Gibbs エネルギーは式(92)で表される．
G̃ M
i ＝G̃i－G °i ＝RT ln xi＜0

( x i ＜ 1)G̃ Ei ＝G̃i－G̃ideal＝(G °i ＋RT ln ai)－(G °i ＋RT ln xi)(79)＝RT ln giとなる．混合による溶液の Gibbs エネルギー変化は
c

c

i＝ 1

i＝1

GM＝∑ xi G̃ M
i ＝RT ∑ xi ln xi＜0(80)となる．体積については同様に
Ṽi＝

正則溶液




正則溶液は，ランダムに溶媒，溶質は分散している(理想(&&G̃P ) ＝(&&GP°) ＝V °iiT, x i(81)

T , xiṼ M
i ＝0
i ＝Ṽi－V °(82)溶液と同じ)が，構成分子，原子間の相互作用が同等でない溶液であり，混合によるエントロピー変化が理想溶液と同じになる溶液である．混合による i 成分のエントロピー変化はS̃ M
i ＝S̃i－S °i ＝－R ln xi＞0より，混合による溶液の体積変化はc

V M＝∑ xi Ṽ M
i ＝0

(83)

であり，理想溶液では混合による体積変化はない．
エンタルピーについては
 G̃i 
 G°

i
&
&
T
T
＝
＝H °
H̃i＝
i
1
1
&
&
 T P, x  T P, x( )()  
i

M
M
M
G̃ M
i ＝H̃ i －TS̃ i ＝H̃ i ＋RT ln xi

(94)

G̃ M
i ＝G̃i－G °i ＝RT ln ai＝RT ln gi＋RT ln xi(95)より，部分モルエンタルピー変化は
(84)

H̃ M
i ＝RT ln gi

で発熱である．また，
－S̃ M
i ＝

であり，理想溶液では混合による溶液のエンタルピー変化はc(86)となり，混合による発熱，吸熱はない．

( )

(87)

S̃ M
i ＝－R ln xi＞0
i ＝S̃i－S °

(88)

i

( x i ＜ 1)

であり，混合による溶液のエントロピー変化は
c

i＝1

(89)

i＝1

となり正となる．

となる．
S̃ M
i ＝－R ln xi

(98)

&H̃ M
i
＝0
&T P

(99)

( )

となる．よって，正則溶液では H̃ M
i は温度によらず一定値となるので， H̃ M
i ＝ RT ln gi の関係を用いて，ある温度での液近似といわれる．
溶液の化学ポテンシャル mi は活量係数と組成(モル分率)(式(100))で表されるので，熱力学的平衡の見積もりでは溶

圧力 P ，温度 T が一定で， c 成分系の 1, 2, … , c － 1 成分
が理想挙動をすれば c 成分も理想挙動をすることが示される．
1, 2, … , c － 1 成分が理想挙動をするので，化学ポテンシ

液成分の活量係数の値を知ることが必要である．

mi－m°
i ＝RT ln gi＋RT ln xi

二成分系の溶液について考える．第一成分について RT ln(90)

RT ln g1＝A2 x2＋B2 x 22＋C2 x 32＋…

となる．GibbsDuhem 式を用い，xc＝ 1 のとき mc＝ m °c (純物と表されるとする．同様に第二成分について

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan(100)

g1 が第二成分のモル分率 x2 の関数として

ャルは

mi＝m °
i ＋RT ln ai＝m °i ＋RT ln xi (i＝1, 2, …, c－1)(97)

活量係数の値から別の温度での活量係数が推定され，正則溶c

S M＝∑ xi S̃ M
i ＝－R ∑ xi ln xi＞0

i

P

であるので

&G̃i
&G °
i
＝－
－R ln xi＝S °i －R ln xi&T P , x&T P , xi

MiP

エントロピーについては

( )

M
i

(&&G̃T ) ＝(&&H̃T ) ＋R ln x

i＝1

S̃i＝－

(96)

M
となる． gi ＞ 1 のとき H̃ M
i ＞ 0 で吸熱， gi ＜ 1 のとき H̃ i ＜ 0(85)

H M＝∑ xi H̃ M
i ＝0

(93)

また

i

H̃ M
i ＝H̃i－H °i ＝0( x i ＜ 1)

で理想溶液と同じであるので，

i＝1

()
()

(92)

(101)




RT ln g2＝A1 x1＋B1 x 21＋C1 x 31＋…

(102)と 表 さ れ る と す る ( Margules 展 開 ) ． 両 式 で 定 数 項 は ，Raoult の法則から 0 とな る．活量係数につ いての Gibbs 
Duhem の関係(式(55))から(RT ln g1＝ B2＋)

3C2 x 22－C2 x 32＋…
2

(103)

RT ln g2＝B2 x 21＋C2 x 31＋…

(104)となる．ここで 4 次以上の項を無視し，C2＝0 とおくと，
2HM
1 ＝RT ln g1＝B2 x 2

(105)

2
2
HM
2 ＝RT ln g2＝B2 x 1＝B2(1－x2)(106)となる．このような溶液を対称溶液という．混合のエンタル
ピー変化はM
H M ＝ x 1H M
1 ＋x2H 2 ＝B2 x1 x2＝B2 x2(1－x2)

(107)

となる．
二元系溶液において，定圧で原子 1 と 2 が混合され，溶液中でランダムに分散している状態を考える．ここで，N

図7

アボガドロ定数，z配位数，xモル分率，e11, e12, e221－

相安定と相分離．

1，1－2，2－2 のペアの結合エネルギーとする．

混合前のエネルギーは
Nzx1
Nzx2
e11＋
e22
2
2

(108)

zx1
zx2
e11＋Nx1 zx2 e12＋Nx2
e22
2
2

(109)

U°
1＋ U °
2＝

混合後のエネルギーはU＝Nx1であるので，混合による内部エネルギー変化は(

U M＝U－(U °1 ＋U °
2)＝Nz e12－)1
(e11＋e22) x1 x2
2＝ Q x 1 x2

(110)となる．一定圧力での混合によるエネルギー変化は，最近接

図8原子のエネルギーの変化によるもののみとすると，
H M  U M ＝ Q x 1x 2(111)と近似でき，式(107)と比較すると，(

Q＜2RT のときは安定に存在するが，Q＞2RT のときは二)1
B2＝Q＝Nz e12－ (e11＋e22)
2

(112)

相に分離した方が安定な組成領域がある．

(&&Gx ) ＝Q(1－2x )＋RT ln (1－x x )＝0M22と表される．

e12 ＜スピノーダル分解による相分離．

21( e11 ＋ e22 )ならば H M ＜ 0 で発熱反応であり，混合に2

よって原子 1 と 2 が引き合い安定状態になる．e12＞

(116)

2

P, T

これは，二液相分離線の温度と組成の関係を示す式である．
図 7 において(&&Gx ) ＜0
2

1
(e11＋
2

M

2
2

(117)

P, T

e22 )ならば H M ＞ 0 で吸熱反応であり，原子 1 と 2 が反発しの組成範囲では不安定状態で揺らぎによりスピノーダル分解て分かれて存在する方が安定となる．

による相分離がおこる．

二元系対称溶液についてまとめると(&&Gx ) ＝－2Q＋x (1RT－x )＝02

H M ＝ Q x1 x 2(113)

S M＝－R(x1 ln x1＋x2 ln x2)

(114)

M

2
2

T＝

＝Q(1－x2)x2＋RT((1－x2)ln(1－x2)＋x2 ln x2)(115)
GM を x

2

(118)

2

より

GM＝H M－TS M＝Q x1 x2＋RT(x1 ln x1＋x2 ln x2)であり，Q＝0 なら理想溶液となる．

P, T

2Q x2(1－x2)
R

(119)

がスピノーダル分解がおこる境界の温度と組成の関係を示す式である(図)．

2 の関数として式( 115 )を図示すると， Q と T の関係から図のようになる．



講義ノート


．不均一相間多成分系の平衡
金属製錬反応では，スラグ融体などを用いて，目的金属液相から別の融体相へ不純物を除去することが行われる．このように接している異なる相間の平衡が成り立つとき，両相に含まれる各成分元素の化学ポテンシャルが等しいことが平衡の条件である．

mi, A＝mi, B(120)

相の数が三つ以上でも同様にすべての相に含まれる各成分
元素の化学ポテンシャルが等しいことが条件である．

mi, A＝mi, B＝…＝mi, Y＝mi, Z(121)

この式を基本に，前述の成分の活量，モル分率などに書き換えて，熱力学データを用いれば，温度，圧力などのある条
件下でどの程度まで製錬反応を進めることができるか計算することができる．

(つづく)

文

献

( 1 ) 日本金属学会，金属化学入門シリーズ 1 金属物理化学，(1996), 81.
( 2 ) 日本鉄鋼協会，鉄鋼便覧 第 3 版，第 1 巻 基礎，丸善，(1981)，図1.2，図1.3，図2.7，図2.8，図3.26，図3.38.
( 3 ) 日本金属学会，講座・現代の金属学製錬編 2 非鉄金属製錬，(1980), 84.
［本稿で熱力学データを引用した文献］
本稿中で使用した熱力学データは，下記文献より引用した．
( 1 ) Steelmaking Data Sourcebook, The Japan Society for the Promotion of Science, The 19th Committee on Steelmaking(日本
学術振興会製鋼第19委員会), Gordon and Breach Science Publishers (1988).
( 2 ) E. T. Turkdogan: Physicalchemistry of High Temperature
Technology, Academic Press (1980).
［参考書本稿の執筆に当たり参考にさせていただいた］( 1 ) J. G. Kirkwood, I. Oppenheim(関 集三，菅 宏訳)化学熱力学，東京化学同人(1965).
( 2 ) I. プリゴジーヌ，R. デュフェイ(妹尾 学訳)化学熱力学 1，2，みすず書房(1966).
( 3 ) 久保亮五大学演習熱学統計力学，裳華房(1998).
( 4 ) 松下幸雄，盛利貞，不破 祐，館 充，森 一美，瀬川清冶金物理化学，丸善(1970).
( 5 ) 増子 J 化学ポテンシャル状態図の作り方，使い方，電気化学，38(1970), 153，236，307.
( 6 ) 大谷正康鉄冶金熱力学，日刊工業新聞社(1971).
( 7 ) F. D. Richardson, Physical Chemistry of Melts in Metallurgy,
vol. 1,2, Academic Press (1973).
( 8 ) 大谷正康，水渡英昭，早稲田嘉夫冶金物理化学演習，丸善(1975).
( 9 ) C. H. Lupis: Chemical Thermodynamics of Materials, North
Holland (1983).
(10) O. Kubaschewski, C. B. Alcook and P. J. Spencer: Materials
Thermochemisty 6th edition, Pergamon Press (1993).
(11) E. T. Turkdogan: Fundamentals of Steelmaking, The Institute

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japanof Materials (1996).
( 12 ) 佐野信雄エリンガム図と化学ポテンシャル状態図，ふぇら
む，1(1996), 847.
(13) N. Sano, W. Lu, P. V. Riboud and M. Maeda: Advanced Physical Chemistry for Process Metallurgy, Academic Press (1997).
(14) H. Lee: Chemical Thermodynamics for Metals and Materials,
Imperial College Press, (1999).
( 15 ) 伊藤公久マテリアルサイエンスの基礎 熱力学，八千代出版(2000).
( 16 ) イリヤ・プリゴジン，ディリプ・コンデプディ現代熱力学，朝倉書店(2001).
(17) D. askell: Introduction to the Thermodynamics of Materials,
Fifth Edition, Taylor & Francis (2008).
( 18 ) 早稲田嘉夫，大藏隆彦，森 芳秋，岡部 徹，宇田哲也編
矢澤彬の熱力学問題集，内田老鶴圃(2011).
(19) P. Atkins，J. de Paula 著，中野元裕，上田貴洋，奥村光隆，
北河康隆訳，アトキンス物理化学(上)第 10版，東京化学同人(2017).
( 20 ) 伊藤公久，平田秋彦，山本知之基礎材料科学，コロナ社(2020).
［熱力学データ集］( 1 ) J. F. Elliott, M. Gleiser and V. Ramakrishna, Thermochemistry
for Steelmaking, Pergamon Press (1963).
( 2 ) R. Hultgren, P. D. Desai, D. T. Hawkins, M. Gleiser, K. K.
Kelley and D. D. Wagman: Selected Values of the Thermodynamic Properties of the Elements, Am. Soc. Metal.
(1973).
( 3 ) R. Hultgren, P. D. Desai, D. T. Hawkins, M. Gleiser and K. K.
Kelley, Selected Values of the Thermodynamic Properties ofBinary alloys, Am. Soc. Metal. (1973).
( 4 ) G. K. Sigworth and J. F. Elliott: Metal Science, 8(1974), 298.
( 5 ) O. Knacke, O. Kubaschewski and K. Hesselmann: Thermochemical Properties of Inorganic Substances Second Edition, Springer Verlag (1977).
( 6 ) NISTJANAF Thermochemical Tables, Fourth Edition, J.
Phys. Chem. Ref. Data, Monograph No.9, American Instituteof Physics and American Chemical Society, (1998).
( 7 ) Steelmaking Data Sourcebook, The Japan Society for the Promotion of Science, The 19th Committee on Steelmaking(日本
学術振興会製鋼第19委員会), Gordon and Breach Science Publishers (1988).
( 8 ) Y. Kawai and Y. Shiraishi: Handbook of Physicochemical
Properties at High Temperatures, Iron Stel Inst. Japan (1988).
( 9 ) S. Banya and M. Hino: Chemical Properties of Molten Slags,
Iron Stel Inst. Japan (1991).
(10) I. Barin, Thermochemical Data of Pure Substances, VCH Verlagsgesellschaft mbH (1993).
(11) M. Hino and K. Ito: Thermodynamic data for steelmaking,Tohoku University Press (2010).
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1982 年 3 月

月橋文孝

東京大学大学院工学系研究科金属工学
専門課程博士課程修了，工学博士
1982年 4 月 東京大学工学部金属工学科助手
1986年10月 東京大学工学部金属工学科講師
1988年 1 月 東京大学工学部金属工学科助教授
1999 年 4 月～ 2020 年 3 月 東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻教授
2020年 6 月 東京大学名誉教授
専門分野金属製錬学，鉄鋼製錬学◎金属製錬，鉄鋼製錬プロセスの物理化学に関する研究に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

巻記念企画

金属材料実験の手引き
13

1．組 織 観 察
走査型電子顕微鏡を用いた分析手法

131

エネルギー分散形 X 線分光法(EDS)による元素分析

横

江

大

作

ルギー)が必要であるため，電子線の加速電圧は少なくとも エネルギー分散形 X 線分光法(EDS)による元
素分析



 はじめに目的のエネルギー値以上に設定しなければなりません．
このような特性 X 線には，電子が遷移するときの軌道間の違いに依存して数多くの種類が存在します(図)．特性 X
線の名称は，電子が遷移する先の軌道名称を用いて，K 線，

一般に EDS や EDX と呼称されるエネルギー分散型 X 線

L 線などと呼称され，さらに，遷移前の軌道によって，a1，

分光法(Energy dispersive Xray spectroscopy，以下，EDS)

a2，b1 などのように呼称されます．例えば，L 軌道から K

は，試料に電子線を照射したときに生じる特性 X 線のエネ

軌道， M 軌道から K 軌道に遷移したときに発生する特性

ルギー値を半導体検出器を用いて検出することで，試料を構X 線は，それぞれ Ka1 線， Kb1 線と呼ばれます．また，各成する元素の定性および定量解析を行う手法です．点分析やa1 線および a2 線， b1 線および b2 線をまとめて Ka 線， Kb

線分析，マッピングを行うことで，どの領域にどのような元線，または，各 a 線と b 線をまとめて K ， L ， M 線と呼ぶ

素が存在しているかを簡便に知ることが可能です．本稿では，
EDS の原理や測定条件の考え方，解析時の注意点などについて解説します．なお，本稿では SEM を用いた EDS 分析を前提とします†．
 元素分析の仕組み
◯特性 X 線とは(1)(5)

十分なエネルギーを有する電子が原子に入射すると，非弾性散乱する過程において，内殻電子が弾き飛ばされ，その準位に空位が生じた励起状態となります．励起した原子は，その後直ちに，より高いエネルギー位置にある電子がその空位へ落ち込むことで定常状態に戻ります．この現象を遷移と呼
び，電子が空位に落ち込むことで放出されるエネルギーは，
電磁波( X 線)として放射されます(図)．この X 線を特性
X 線と呼びます．遷移間のエネルギー差は元素固有の値となるため，特性 X 線のエネルギーを知ることで元素の種類を知ることができます．特性 X 線を発生させるためには，内殻電子の励起エネルギー(内殻電子を弾き出すためのエネ

図 1 鉄(Fe)原子モデルにおける X 線の発生．
十分なエネルギーを有する電子が原子に入射すると，内殻電子が弾き飛ばされ(図中赤点線)，その空位へより高いエネルギー
位置にある電子が落ち込みます．この時に放出される電磁波が特性 X 線です．また，照射電子が原子内を通過する際(図中灰色線)に原子核の静電場によって曲げられて減速するときに発生するエネルギーは連続 X 線として放射されます．連続 X 線
は測定時にバックグランドとして検出されます．

非営利・一般財団法人ファインセラミックスセンター(JFCC)ナノ構造研究所 電子顕微鏡基盤 G上級技師兼)材料技術研究所材料評価・試作 G1 級技能技師(〒456
8587 名古屋市熱田区六野 241)
Keywords: scanning electron microscope, energy dispersive Xray spectroscopy, characteristic Xray(走査型電子顕微鏡，エネルギー分散形 X 線分光法，特性 X 線)
† 特性 X 線を用いる分析手法としては，特性 X 線の波長を用いる波長分散形 X 線分析(Wavelength dispersive spectrometryWDS)法も知られています．EDS は，この WDS に対して，(1)検出感度が高い，(2)小さいプローブ電流で分析が可能なため試料損傷が少ない，(3)短時間で多元素の同時分析が可能，等の利点があります．逆に，WDS は EDS に比べて，(1)エネルギー分解能が高い(10～20 eV)，(2)検出限界が高い(～0.01程度)，といった利点があります．
2021年 5 月14日受理[doi:10.2320/materia.60.498]



実 学 講 座こともあります．特性 X 線のエネルギーは，Kb 線が最も大p 形単結晶 Si に，ドナーとなる Li＋ イオンを拡散させるこ

きく，Ka 線，Lb 線，La 線，M 線の順に小さくなります．

とで，アクセプタ(p 形不純物， B－ など)が中和された電荷

一方，電子が散乱する過程では，特性 X 線のほかに連続 Xの存在しない i 層(真性層)が形成された Si 検出素子を用い線も発生します．これは，図 1 で示すように入射した電子ています．この i 層に X 線が入射すると，そのエネルギーが原子内を通過する時に原子核の静電場によって曲げられてに比例した一定数の電子・正孔対が発生します．逆バイアス

減速する際に発生するエネルギーが X 線として放射される

電界† を用いて，この電子・正孔対をそれぞれの電極に移動ことに起因しています．連続的に変化するエネルギーを有しさせることで， X 線を検出するための信号電流を作り出しているので元素固有の値にはなりません．この連続 X 線

ます．i 層は，数 mm 程度の十分な厚さに調整されていますは，図に示すようなバックグランドとして検出されます．

ので，数 100 eV ～数 10 keV の幅広いエネルギー範囲の X 線

そのため，定量解析を行う際にはこのバックグランドを除いを検出できます．検出素子で発生した信号電流は，電界効果

た X 線強度を用いる必要があります．
◯型トランジスタ(field effect transistor，FET)で電圧に変換

特性 X 線の測定原理と検出素子の種類(1)(6)(11)

され，比例増幅器で信号が増幅されたのちに，マルチチャン

特性 X 線のエネルギー値と強度の検出には，半導体検出

ネル波高分析器(多重波高分析器pulse height analyzer，器(Solid State DetectorSSD)が用いられています．近年でPHA)に送られます．マルチチャンネル波高分析器は，信号は，より入射強度の高い X 線にも対応できるシリコンドリ

パルスの波高をエネルギーごとに検出(マルチチャンネルウ

フト検出器(Silicon Drift DetectorSDD)も普及しつつありィンドウ)することで入射した X 線のエネルギー値と個数のます(計数率が高いと表現します．計数率は，検出器が一秒

ふるい分けを行います．一方， SDD (前出の SSD と混同し間に処理できる X 線数です)．図に示すように，SSD は，ないようにして下さい)は， X 線検出に関する基本的な原理
は SSD と同様です．ただし，図で示すように，検出素子の形状が異なっています．同心円状に電極が設置され，それぞれに電位勾配を付けています．この特殊な電極構造によって，素子の静電容量を小さくできるために， X 線検出時の高速応答が実現できます． SSD とエネルギー分解能自体は同程度ですが，計数率は 1 桁以上も高く(＞1×105 cps)なります．そのため，より強度の高い X 線を用いた分析が可能

図 2 主な特性 X 線の種類とその名称．
特性 X 線の名称は，電子の遷移先の軌道名称と遷移前の軌道をもとに呼称されます．例えば，L 軌道から K 軌道，M 軌
道から K 軌道に遷移したときに発生した特性 X 線は，それぞれ Ka1 線，Kb1 線と呼ばれます．

図 4 Si(Li)半導体検出器(SSD)の動作原理．
Si 検出素子に特性 X 線が入射すると，そのエネルギーに比例した一定数の電子と正孔の対が発生します．逆バイアス電界†を用い，この電子と正孔の対をそれぞれの電極に移動させることで， X 線を検出するための信号電流が得られます．検出素子で発生した信号電流は，電圧に変換後，増幅されてマルチチ
ャンネル波高分析器に送られ，エネルギーごとの個数(強度)を振り分けされ，図 3 のようなスペクトルとして出力されます．

図 3 EDS 分析時に得られる X 線スペクトルの例(Cu 試料)．
線幅の小さい鋭いピークは Cu に由来する特性 X 線のピークです．バックグラウンドは，主に連続 X 線で構成されています．

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan† 逆バイアスとは，半導体検出器に X 線が入射された際に発生する電子と正孔をそれぞれ n 層， p 層に移動させるためにアノー
ド(陽極)側に負の電圧を印加することです．実際には逆バイア
スを印加することで n 層には正孔が， p 層には電子が注入され，それぞれの領域でキャリアが不足します．不足されたキャリアを補うために新たに発生した電子が n 層に，正孔が p 層に移動します．

図 5 シリコンドリフト検出器(SDD)の動作原理．
同心円状に電極が設置され，それぞれに電位勾配が付けらています．この特殊な電極構造によって，素子の静電容量を小さくできるために， X 線検出時の高速応答が実現できます．より強度の高い X 線(電子線の電流量が高い場合など)を用いた分析が可能となります．

図 6 特性 X 線強度と電子線加速電圧の関係．
特性 X 線を取得するためには，取得したい特性 X 線の励起エ
ネルギー以上の加速電圧が必要となります．また，この加速電圧は特性 X 線とバックグランドとの強度比にも影響します．ここに示した関係から，S/N 比の良い特性 X 線を取得するためには，2～3 程度となる E/Emin が適していることが分かります．

となります．一般的な SSD では Si 半導体にドープした Liの拡散や FET の熱ノイズを抑えるために液体窒素冷却が必要です．対して， SDD では，静電容量が小さいため熱ノイズが小さいことや電極間の電界も小さいため， Li の拡散も低減できることから，ペルチェ素子冷却(－ 15 °C 程度)で十分であり，検出器自体を小型軽量化できます．
 分析時に配慮すべきこと◯

図7

Fe に対する電子線侵入散乱領域のモンテカルロシミュ
レーション．(a)加速電圧 5 kV，(b)加速電圧15 kV．
加速電圧が高いほど，より深く，より広く侵入散乱することが分かります．このようなシミュレーションは，フリーソフ
ト(13)等で実施可能です．

加速電圧の選択とその影響(1)

特性 X 線は，その励起に必要な最小のエネルギー値(臨界励起エネルギー， Emin )が決まっています．例えば， Fe Ka

性 X 線の発生をより詳しく述べると，その領域は特性 X 線

線( 6.398 keV )を取得するためには， 6.398 keV 以上の加速の種類にも依存します(図)．表面から侵入した電子は，エ

電圧(E)が必要となります．また，加速電圧は，特性 X 線強ネルギーを失いながら内部へと侵入していきますので，特性度とバックグランド強度との比( S / N 比)にも影響します．

X 線が発生する範囲は，その臨界励起エネルギーに電子がS/ N 比は， E /Emin の値に対して図のような関係となるこ達するまでの領域(一次励起 X 線発生領域)となります．例とが知られています．図 6 から， Fe Ka 線を効率的に取得

えば， K 線( L 線)の発生領域は， L 線( M 線)の発生領域よするための加速電圧は，10～15 kV の範囲が適していることりも小さくなります．ところで，前述したように， Fe Kaがわかります．実際の分析では，構成元素は必ずしも 1 種

線の場合には，臨界励起エネルギーが約 7 kV であり，効率類ではないため，予想される複数の特性 X 線に対して，で的に取得するためには10～15 kV の加速電圧が適しているこ

きるだけ図 6 の条件を満たせるような，もしくは，注目すとを述べました．空間分解能を向上させたい時には，この加る特性 X 線が最も効率よく検出できるような加速電圧範囲

速電圧を低く設定すればいいので，FeKa 線ではなく，Feを選択することが重要です．
◯

分析時の空間分解能

La 線(0.705 keV)を用いることも考えられます．ただし，この時にも，図 6 で述べたように， Fe La 線を効率的に取得

分析時の空間分解能は，観察時の分解能よりも低くなりまするために加速電圧を 1 ～ 3 kV の範囲で選定しましょう．

す．これは， X 線の発生領域が電子線の侵入散乱領域より

ここまで述べたように分析時の空間分解能には種々の要因がも広くなることに起因しています．このような電子が侵入散関与しますが，空間分解能を検討する際の特性 X 線発生領

乱する時の様子は，モンテカルロ法というシミュレーション

域は一般に次式で近似的に求めることが可能です(6)．

計算によって容易に推定することが可能です(フリーソフト

Rsx＝等で可能(13))．一例を図に示します．加速電圧が高い場合

1 AV 1.7
40 rZには侵入散乱領域は拡大し，分析時の空間分解能が低下する

RsxX 線有効発生深さおよび径(mm)ことが分かります．このような電子の侵入散乱領域からの特r平均密度Z平均原子番号

A平均原子量V加速電圧(kV)

実 学 講 座

図9

X 線検出に及ぼす試料表面の凹凸形状と半導体検出器の位置関係の影響．試料凹凸と検出器の位置関係が，(a)不適切および(b)適切．
(a)では，凸部が邪魔となり半導体検出器に特性 X 線が届かな
い領域が存在しています．分析時には，分析面の凹凸具合と半導体検出器との位置関係を十分に検討して，可能であれば図(b)で示すような，どの領域からも特性 X 線が取得可能な位置関係で分析を行うことが必要です．

図 8 試料内部での X 線発生領域．
SEM の場合，入射した電子線は試料表面から内部へと侵入散乱します．その深さや範囲は加速電圧に依存します．この侵入領域やその周囲から X 線が発生しますので，分析時の空間分解能に配慮することが必要となります．電子線はエネルギーを失いながら内部へと侵入していきます．従って，特性 X 線の発生領域は，臨界励起エネルギーに達するまでの領域(一次励
起 X 線発生領域)と考えられ，K 線(L 線)の発生領域は，L 線(M 線)の発生領域よりも小さくなります．

試料の構成元素にもよりますが，空間分解能は数 10 ～数
100 nm 程度が限界と考えましょう．また，軽元素( B， C ，
N ， O 等)を対象に加速電圧 10 kV 程度以上で分析を行う場

合は，試料を薄膜(～500 nm 程度)にすることで，試料内での電子線の広がりが抑えられて空間分解能を向上できます．
◯

Dead Time(不感時間)

X 線の波高分析には，エネルギー値や個数を演算するための僅かな時間が必要です．多量の X 線が検出器に入射す
ると，この演算が追い付かなくなり，入射した X 線の数え

図10

Al の上に Cu を置いた状態(凸凹に対応)での EDS マッ
ピング結果．(a ) EDS 分析領域の SEM 像，( b)試料の凹凸と検出器位置が不適切なときおよび(c)試料凹凸と検出器位置が適切なときの EDS マッピング像．
(b)では，試料凹凸と検出器位置が不適切な配置であるため，検出不可の領域が EDS マッピング像中に黒く現れています．
適切な位置関係である(c)ではそのような領域は存在していません．

落としが生じます． Dead Time はこの数え落としの割合を示しています．検出器に入射した X 線全てを計測できている時には Dead Time が 0 と表示されます． Dead Time が

特性 X 線が検出できない領域が現れてしまいます．そのた

高すぎると，定量解析に誤差が生じ，後述するサムピークがめ，予め分析面の凹凸具合と，半導体検出器との位置関係を発生しやすくなります．電子線の加速電圧やプローブ電流，十分に検討して，可能であれば図 9(b )で示すような，どの分析ソフトにて時定数† を調整し，Dead Time は20程度を領域からも特性 X 線の取得が可能な位置関係で分析を行う

超えない範囲となるようにしましょう．

ことが必要です．一例を図に示します．試料には，図 10
◯

試料形状と半導体検出器の相対位置の影響( a )に示すように， Al 上に Cu 板を置いたものを用いまし

分析時には，試料と半導体検出器との位置関係にも配慮すた．まず，図 9( a)のような不適切な位置関係の場合，図 10

る必要があります．分析を行う面が平坦であれば特に問題は( b )のように，発生した特性 X 線の一部が Cu 板の凸部によありませんが，分析面が凹凸である場合には，半導体検出器

り遮断されてしまい検出不可能となる領域が暗い影として存の位置によっては図( a )に示すように凸部が邪魔となり，在しています．それに対し，図 9( b)のような適切な位置関係であれば，図10(c)のように，凹凸の影響を大きく低減で† 時定数は一つの X 線光子が検出素子に入射したときのエネルギ
ー計測時間を示します．一般に時定数が大きいとエネルギー分解能が向上しますが計数率が低くなります．逆に，時定数が小
さいと計数率は高くなりますがエネルギー分解能は落ちます．

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きます．対物レンズ直下に挿入する円環状の半導体検出器の場合には，ここで述べたような影響を軽減できます．





◯

Working distance (WD)との関係

WD は，ピントが合っている時の対物レンズ下面から試料表面までの距離となります．組織観察時の分解能向上のた
めに小さい WD を設定すると，試料面と対物レンズ下端の距離が短くなるため，特性 X 線の検出効率(試料より発生した全 X 線量に対する検出された X 線量の割合)が低下してしまいます．分析時に用いる推奨 WD 値が指定されている
場合がありますので，一度，この値を確認しておきましょう．この設定は，定量解析時の精度にも関係してきます．
◯

疑似 X 線ピーク(1)(8)

試料を構成する元素由来の特性 X 線や連続 X 線以外に，分析の障害となる以下のような疑似 X 線ピークが検出されることがあります．
エスケープピーク入射 X 線が検出素子の Si を励起してしまい，自身はそのエネルギーを失った位置にピークを形成してしまう疑似ピークです．例えば， FeKa(6.398 keV )が，Si Ka ( 1.739 keV )を励起してしまうと，その励起エネルギ

ーが失われたエネルギー値である4.66 keV に FeKa が疑似

図11 Al2O3 試料における疑似 X 線ピーク(サムピーク)の例．
マルチチャンネル波高分析器での X 線ふるい分けのタイミン
グ内に，偶然，二種類の X 線が入射してしまうと，それぞれの X 線から発生する電荷量(電子正孔対)を正しく分離できな
くなります．その結果，それぞれが加算されたエネルギー位置に疑似ピークが現れます．これをサムピークと呼びます．図中
黒で示した Al Ka ， O Ka 以外に，白で示した O Ka ( 0.525keV)＋OKa のサムピークが1.05 keV 程度に，OKa＋AlKa(1.486 keV )のサムピークが 2.00 keV 程度に， AlKa＋ AlKaのサムピークが2.97 keV 程度に発生しています．

ピークとして現れます．ただし，多くの EDS 分析ソフトには，このようなエスケープピークを除去する機能が付属されているため，近年ではそれほど気にする必要はありません．
サムピークマルチチャンネル波高分析器での演算時間内に，偶然，二種類の X 線が入射してしまうと，それぞれが加算されたエネルギー位置に疑似ピークが現れます．これをサムピークと呼びます．例えば， Al2O3 を例にすると， O 
Ka(0.525 keV)＋OKa のサムピークが1.05 keV程度の位置に， O Ka ＋ Al Ka ( 1.486 keV )のサムピークが 2.00 keV 程度の位置に， Al Ka ＋ Al Ka のサムピークが 2.97 keV 程度の位置にそれぞれ発生してしまいます(図)．サムピーク
は，分析時のプローブ電流が過大で，検出器に多量の X 線が入射するときに生じます．プローブ電流を減少させて，X

図12 Al 試料台に固定した Cu 試料の X 線スペクトル．
Cu 由来の特性 X 線以外に，図中矢印で示す位置に試料台由来の Al の特性 X 線が確認されています．試料での分析位置や試
料形状を適切に調整すると，システムピークを減少させることができます．

線量を低減させることで抑制できます． EDS 分析ソフト上に表示される Dead time を 20 程度までに抑えることでサムピークの抑制を低減できます．
システムピーク反射電子や X 線が試料台表面や試料室壁成分も検出されますので，目的とする特性 X 線との分離が面などを励起してしまうことで生じる不要な X 線をシステ

可能か否かについて十分検討してから導電膜を選択して蒸着

ムピークと呼びます． Al 試料台に固定した Cu の分析例をする必要があります．また，試料ドリフトについては，

図に示します． Cu の他に，試料台由来の Al の X 線ピー

EDS 分析ソフトに付属しているドリフト補正機能を利用すクも確認できます．試料測定位置，表面形状，検出器との位ることもできます．一例として，図にドリフト補正未使用

置関係で改善できる場合もあります．いずれにせよ，データ

時と使用時の Cu 粉末の EDS 元素マッピング結果を示しまの解析時には十分な配慮が必要です．

す．図 13( a )の SEM 像に対し，ドリフト補正未使用時の元◯

試料の帯電(チャージアップ)(1)(8)

入射電子によって，試料表面が帯電する現象がしばしば生素マップ(図13(b))では，測定中のチャージアップによる試料ドリフトの影響で Cu 粉末のマッピング像がぼけているこ

じます．チャージアップが発生すると，画像が局所的に非とが分かります．ドリフト補正を使用している図13(c)では，

常に明るい，もしくは暗いコントラストとなる，電子線のCu 粉末の輪郭と元素マップが対応しています．

走査方向に非常に明るい，もしくは，暗い線状のコントラス

◯トが現れる，画像に歪みが生じる，凹凸感の欠落した画

コンタミネーション(コンタミ)は，試料周辺の炭化水素系

像となる，試料がドリフトする，などの現象が発生しまのガス分子が電子線照射によって重合，架橋して，C を主成す．帯電の防止策としては，加速電圧やプローブ電流等を低分とする膜が試料表面に固着する現象です．分析後に，分析下させるか，試料表面に C，Au，Pt，Os 等の導電膜を蒸着箇所を確認すると，他の領域とは異なるコントラストで観察します．ただし，導電膜を形成した場合には，分析時にそのされることがあります．これは，分析中に生じたコンタミに

試料汚染(コンタミネーション)の影響

実 学 講 座FeKb と CoKa を用いるのではなく，FeKa と CoKb を用いることが適しています．比較のための標準試料を用意して，そのピーク強度比(ピーク形状)を把握しておき，測定試料からのデータと比較する方法も考えられます．
 定量解析(1)(8)SEM を用いた EDS 分析の定量解析では，未知試料中の元素 A の濃度 CA は，その X 線強度 IAU と標準試料の X 線
強度 IAS の比 IAU / IAS から単純に求める( Ratio 法)ことはできません．その理由は，試料の平均原子番号(Z)に依存して，特性 X 線の発生状況が変化してしまう Z 効果，試料
内で発生した特性 X 線が試料外に脱出するまでに自己吸収(Absorption)を受ける A 効果，ある特性 X 線が他の X 線
図 13

Cu 粉末の EDS マッピング像に及ぼすドリフト補正機能の効果．( a ) EDS 分析領域の SEM 像，( b)ドリフト
補正未使用時，(c)ドリフト補正使用時．
測定中に生じた試料のチャージアップによるドリフトの影響で，( b )ではぼけた像となっています．( c )では，ドリフト補正を使用しているため， SEM 像で確認できる Cu 粉末の輪郭と EDS マッピング像の輪郭が対応できています．

によって励起(蛍光励起， Fluorescent Excitation )される F
効果，を考慮しなければならないためです．未知試料中の元素 A の濃度 CA は，それぞれの効果に対する補正( ZAF 補正)を考慮し，次式を用いて求めます．
CA＝IAU/IAS・Z・A・F

分析ソフトには，この計算プログラムが内蔵されていますので，測定者は， IAU/IAS の測定精度の向上に努めるだけで構いません．また， ZAF 補正を基本として，さらに， X 線発起因しています．コンタミを構成する C の特性 X 線が検出

生深さ分布関数( q )(吸収補正と原子番号補正で重要となるされたり，コンタミで表面がカバーされたりすることにもな

X 線発生関数)，密度(r)，平均原子番号(Z)を，実験値に対りますので，試料由来の X 線信号量も低下します．コンタ

してさらに最適化させた Phi Rho Z 法(ファイローゼット

ミを低減させる方法として，試料室内の残留ガス分子を減法)が利用できる分析ソフトもあります．軽元素を含む定量

らす(真空度を良くする)，導電性ペーストや導電性テープ解析において特に効果があるとされています．その他，標準の使用量をできるだけ少なくする，試料台に試料固定後，試料による特性 X 線強度データベースを利用することも可

60 °
C 程度で数時間加熱して試料および固定剤の脱ガスを行能です．

う，コールドトラップを用いて試料近傍を冷却する，樹

定量解析をより高い精度で行うには，図 6 の関係を考

脂埋め試料等の場合には，樹脂部分に電子線を照射しない，

慮，試料(または目的領域)以外で発生した X 線への配などが挙げられます．また，コンタミが堆積すると，表面状

慮， X 線発生領域が目的の分析領域(広さ，深さ)以内で態が経過時間ごとに変化するため，前述したドリフト補正機

ある，できるだけ X 線発生領域を小さくする，試料表能がうまく動作しなくなることも起きます．これは，ドリフ面をできるだけ平坦にする，疑似 X 線などが含まれていト補正のための基準画像と，コンタミが堆積していくリアル

ない，などの要件を満たす必要があります．また，軽元素はタイム画像とに大きな違いが生じるためです．

X 線吸収係数が大きいため， X 線発生領域が深くなってし




 定性解析

まう高い加速電圧は適していません．軽元素と他元素を含む
試料では，特性 X 線の発生領域に大きな違いが生じて定量

付属の分析ソフトで対応できます．ただし，ピークを検出

精度を低下させる原因となるために注意が必要です．なお，するための条件設定がありますので，必ず確認しておくこと

試料を構成する元素やその元素の分散状態，測定時の電子線を勧めます．条件設定に依存して定性解析結果は大きく変化

加速電圧等条件によっても異なりますが，定量分析精度はします．少なくとも，何も考えずに定性解析結果を鵜みに数程度，検出限界は 0.1～ 1 massとされています．分析

することは禁物です．また，EDS のエネルギー分解能(Mn

ソフトにもよりますが，定量計算を実行すると，定量値に対Ka 線で定義)は 125 ～ 140 eV 程度であるため近接するピー

する誤差も算出されます．これは特性 X 線ピークをガウス

クの分離性は高くありません．原子番号が隣り合う元素の分布と仮定して解析を行う際に，得られた X 線スペクトルKa 線と Kb 線のピークが重なる場合(TiKb と VKa， Fe

からバックグラウンドの除去やピーク分離を行います．このKb と Co Ka ， V Kb と Cr Ka ， Co Kb と Ni Ka ， Cr Kb時に発生するフィッティング時の誤差です．通常数程度にと Mn Ka 等)や，軽元素の K 線と重元素の L 線または M

抑えられていると良好な解析が行えていると言えるでしょう．

線とが重なる場合( Na Ka と Zn La ， Si Ka と Sr La ， S 
Ka と MoLa および PbMa，TiKa と BaLa 等)など多数




 分析手順生じます．互いに近接しない特性 X 線を選択する必要があはじめにります．例えば， Fe と Co 両方を含む試料の分析時には，

試料測定面形状は可能な限り平坦であることが望まれま

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japanす．次に，できるだけ測定面に対して垂直に電子線が照射さ料との接触の確認，試料に凹凸がある場合には，半導体検れるような条件を考慮しましょう．これは，分析時のアライ

出器との位置関係を確認し，特性 X 線検出不可領域が生じ

メント設計がこの条件を前提としていることが多いためでるか否かの確認，これらを把握して，試料を最適な位置に移す．次に，分析箇所など周辺も含めて一度組織を観察してお動させます．

きましょう．チャージアップ，ドリフト， SEM 像に時間経◯

過による変化がないことを確認します．準備ができたら，ど試料を最適位置へ移動させたら，いよいよ EDS 分析を行点分析，広領域分析および定性解析のような分析を行うかを検討します．分析元素が未知の場合います．まず，分析を行う領域全体からの X 線を取得し，には，加速電圧を15～20 kV に設定し，低倍率(～数百倍)に分析領域に存在する元素の確認を行います．図に示すようて試料の広い領域から特性 X 線を取得し，元素の特定を行に，金属シートを構成する元素である Cu，Ni および樹脂のうと良いでしょう．次に分析方法を決めます．電子線の位置

主な構成元素である C ， O の特性 X 線ピークが確認されまを固定して(一点の分析箇所)分析を行う点分析，線状で分析した．次にそれぞれの金属シート領域において点分析を行いする線分析，面状で分析する面分析と呼称します．面状でのます．図にそれぞれの領域から取得された X 線スペクト

分析では，一点，一点電子線を移動，停止させて分析を行ルを示します．それぞれの金属シートが Cu，CuNi，Ni でい，元素の分布状況を調べるのがマッピングですが，停止さ構成されていることがわかります．このように適宜点分析やせることなく連続的に移動させて指定した領域全体に含まれ広領域分析を行い，定性解析結果を参考に，対象とする分析

る元素を分析することもできます．この場合には，像を観察

元素の情報を収集します．

するスキャンモードで X 線を収集していきます．分析方法

◯の検討が終了したら加速電圧の検討を行い，プローブ電流と1315の定量解析に記述した内容に注意しながら，点も定量解析

時定数を調整し， Dead Time を 20 程度(最大でも 40 程

しくは広領域から X 線を取得し，分析ソフトに搭載されて度)に設定し，分析を開始します．以下，図に示すシート
状の Cu，Ni，CuNi 合金を樹脂で張り合わせた試料を例として説明していきます．
◯

分析領域の確認

分析領域の確認を行います． SEM 観察に適した条件(電子線加速電圧やプローブ電流値，さらには WD 等の試料位
置)と分析に適した条件は必ずしも一致しないため，分析を行う領域の鮮明な像を事前に取得しておくことをお勧めします．分析後ではコンタミが顕著となることもあります．
◯

分析最適位置への試料移動

試料を分析に最適な位置に移動させます．最も特性 X
線の 検出効率が良い WD (もし くは試料分析面)の設定，
 WD を小さくしなければならい時には，半導体検出器を分析のための規定位置まで挿入したときの試料ステージや試

図14

Cu，Ni，CuNi 合金シート張り合わせ試料の断面 SEM
像．
モデルサンプルとして， Cu ， Ni ， CuNi 合金のシートを樹脂で張り合わせたものを作製しました．各シートの暗いコントラ
スト領域には，接着に用いた樹脂が存在しています．



図15

Cu， Ni， CuNi 合金シート張り合わせ試料の広領域から取得した X 線スペクトル．
金属シートを構成する元素である Cu，Ni および樹脂の主な構
成元素である C，O の特性 X 線ピークが確認されます．

図 16( a ) Cu ， Ni ， Cu Ni 合金シート張り合わせ試料の断面 ～◯ ，(b)，(c)，(d)は(a)に示SEM 像と点分析領域◯
 ，◯
 ，◯
 の箇所から取得した X 線スペクトル．
した◯
各領域より取得した X 線スペクトルにより，それぞれの金属シートが Cu，CuNi，Ni により構成されていることがわかります．

実 学 講 座いる定量解析機能を使用して ZAF 補正を用いた手法で解析差を小さくするために，十分な計測時間を確保する必要があを行います．今回は，加速電圧の違いによる定量解析結果へりますが，より正確な組成の違いを反映することが可能となの影響も検討してみます．電子線加速電圧を 5 kV と 15 kV

ります．マッピング像が得られたら，予め取得しておいた鮮の条件で実施した定量解析結果を表に示します．今回分析

明な SEM 像と対応させて，元素分布に関する情報を確認しに 使 用 し た Cu Ni 合 金 の カ タ ロ グ 値 「 Ni:42 ～ 48  ，ましょう．十分な強度の蓄積はより正確な情報のための基本

Cu:balance，その他微量元素有り」と比較すると，加速電圧的な指針です．ところで，前述した線分析と同様に，分析ソ

15 kV での定量結果は精度が高く，誤差の値も 1 桁に抑えら

フトの基本的な処理方法を確認しておきましょう．

れた分析です．これに対して，加速電圧 5 kV では，定量結◯微小領域分析(点分析)

果に大きなずれが現れています．この原因として，加速電圧数 mm 以下の組織から定性解析を行う微小領域分析の注意

5 kV では，X 線の強度が低い CuLa 線，NiLa 線しか検出点を説明します．図は，金属シート張り合わせ試料の樹脂できないため，連続 X 線によるバックグランドの影響や，領域の点分析結果です．樹脂層の厚みは厚いところで 1.5

Cu と Ni の La 線の分離が不十分であったことが要因と考え

mm 程度の厚みになります．加速電圧 5 kV では樹脂由来のられます．バックグランドの除去については，連続 X 線のC および O の特性 X 線ピークが確認されていますが，加速影響が強くなるエネルギー範囲の特性 X 線を使用しないこ

電圧 15 kV では， C と O に加えて， Ni La ， Cu La の特性とや，十分な計測時間を確保することが重要な条件となりま
す．

◯

線分析

図に線分析の一例を示します．Cu， Ni の分布が認められ，かつ，各金属シート間に樹脂成分である C が確認されています．このように直線状での特性 X 線強度変化を確認することで，今回のような層構造を有する試料や，例えば，複合材料における元素分布などを確認することができます．
ここで注意点として，線分析ではバックグランド除去やピー
ク分離が行われずに分析結果が表示される分析ソフトが多い
ため， S / N 比が十分でない場合や，ピークの重なりがある
ときには正しい元素分布が得られない可能性があることに注意しましょう．精度を向上させるためには計測時間を増加させることが最も手っ取り早い方法です．

◯

面分析

面分析(マッピング)は，試料の組織と元素の分布とを対応づけられる有効な分析手法です．図はその一例です．指定
した元素ごとに特性 X 線が高い領域は明るく，弱い領域は

図 17

Cu， Ni ， CuNi 合金シート張り合わせ試料の(a ) SEM
像および線分析領域(矢印で示した領域)および(b)線分
析結果．
Cu 金属シート領域では Cu の特性 X 線強度が強く，合金シー
ト領域では Cu および Ni の特性 X 線強度が中間程度の強度，
Ni 金属シート領域では Ni の特性 X 線強度が強く確認できます．また，各金属シートの間の領域にて樹脂成分である C の特性 X 線が確認されています．

暗く表示されます．これをマッピング像と呼びます．図 18に示したマッピング像は特性 X 線の強度で表示していますが，各測定点に対して定量解析を実施し組成として表示することもできます．定量解析表示の場合には，定量解析時の誤

表1

分析時の加速電圧を変えた時に得られる CuNi 合金シー
トの EDS 定量解析結果．

加速電圧
5 kV

加速電圧
15 kV

対象元素

特性 X 線

mass

Error

Cu

La

72.42623.072Ni

La

27.574

8.969

対象元素

特性 X 線

mass

Error

Cu

Ka

56.814

6.425

Ni

Ka

43.1864.719

加速電圧 15 kV では， Cu Ni 合金はカタログ値( Ni : 42 ～ 48 ，
Cu : balance，その他微量元素有り)に近いですが，加速電圧 5 kV
では大きく異なっています． 5 kV では，連続 X 線によるバック
グランドの影響を大きく受ける領域に現れる特性 X しか解析に使用できなかったことや， Ni La と Cu La のピーク分離が不十分であったことが大きな要因と考えられます．

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan図 18

Cu ， Ni ， Cu Ni 合金シート張り合わせ試料の( a )断面
SEM 像，(b) C，(c) Ni，(d) Cu のマッピング像．
強度表示の場合には，特性 X 線強度の高い領域が明るく，強度の弱い領域は暗く表示されます．樹脂領域では C が検出されています．







 おわりに本稿では， EDS 分析を行うために知っておくべき内容および分析時の注意点について説明しました． SEM が扱える方であれば EDS 分析を用いて何かしらのデータを取得することは可能です．しかしながら，正しく分析を行わなければ，誤った情報をもとにその後の実験を続けてしまうことになります．どのようなデータを用いて何を明らかにしたいかを十分検討し，その目的に適した試料の調製や観察，分析を行わなければなりません．目的を明確にせず“テキトー”な条件で，“テキトー”に分析を行ってしまうと，後悔するこ
図19

Cu，Ni，CuNi 合金張り合わせ試料の(a)断面 SEM 像と点分析位置および(b) 5 kV，(c) 15 kV での X 線スペ
クトル．
樹脂層は， 1.5 mm 程度の厚さです．この領域から点分析にてX 線を取得すると， 5 kV では樹脂の主な構成元素である C お
よび O の特性 X 線ピークのみが確認できるのに対して， 15kV では， C と O に加えて， Ni および Cu の特性 X 線ピークが確認されています．

図20

C(Graphite)に対する電子線侵入散乱領域のモンテカル
ロシミュレーション．
図19に示した測定試料の形状とを重ね合わせて示しています．
5 kV では 0.5 mm 程度の領域内に散乱していますが， 15 kV では金属シートの領域まで大きく広がっていることが分かります．そのため，図 19 に示したように，金属シート由来の特性
X 線も同時に検出されています．

X 線が確認されています．この結果について検討してみま

しょう．樹脂の主成分である C を対象とした時の加速電圧と試料内侵入深さとの関係を図に示します．加速電圧 5kV では， 0.5 mm 程度の侵入深さ広がりですが， 15 kV では，深さが 2 mm 程度，広がりは 3 mm 程度に拡大することが分かります． 5 kV では，電子線の広がりが樹脂領域内に留まっていますが，15 kV では試料内に侵入散乱した電子が樹脂領域に留まらず，金属シート領域まで達していることが分かります．金属シートまで達した侵入散乱電子が，金属シとになることもありますので，十分に気を付けて実施して下さい．

文

初めて SEM の操作や SEM を用いた分析を行う際の簡単な入門書は
( 1 ) SEM と友達になろう，日立ハイテクノロジーズ編集 SEM 解説集，(2008)．
( 2 ) 初めて使う人のために SEM の世界への招待，日本電子編集
SEM 解説集．
( 3 ) SEMQ&A SEM “ここが知りたい”，日本電子編集 SEM 解説集．
(取得方法は各メーカーに問い合わせて下さい) 電子顕微鏡や分析についての教科書は◯( 4 ) 中井泉編蛍光 X 線分析の実際第 2 版，日本分析化学会 X 線
分析研究懇談会監修，朝倉書店，(2016)．
( 5 ) 合志陽一，佐藤公隆編日本分光学会測定法シリーズ 18 エ
ネルギー分散型 X 線分析半導体検出器の使い方，学会出版センター，(1989)．
( 6 ) 日本電子顕微鏡学会東海支部編先端材料評価のための電子顕微鏡技法，朝倉書店，(1991)．
( 7 ) 進藤大輔，及川哲夫著材料評価のための分析電子顕微鏡法，共立出版，(1999)．
( 8 ) 堀内繁雄，弘津禎彦，朝倉健太郎編，電子顕微鏡 Q&A 先端
材料解析のための手引き，アグネ承風社，(1996)．
( 9 ) L. Reimer: Scanning Electron Microscopy Physics of Image
Formation and Microanalysis, 2nd Edition, SpringerVerlag,(1998).
(10) J. Goldstein, et al.: Scanning Electron Microscopy and Xray
Microanalysis 4th Edition, Springer, (2017).
 SEM 関連書籍を紹介している Web page(2021年度情報)
◯( 11 ) http: // scantech.jp / books / index.html ，日本顕微鏡学会 走査電子顕微鏡分科会 HP_SEM 関連書籍．
 電子顕微鏡に関する用語の検索をしたい場合は
◯(12) https://www.jeol.co.jp/words/，日本電子 HP_用語集．
 モンテカルロ・シミュレーションを行いたい場合は
◯( 13 ) http: // www.vector.co.jp / soft / win95 / edu / se059369.html ，走査電顕モンテ・カルロ．
 各元素の特性 X 線エネルギーの値を知りたい場合は
◯(14) http://xdb.lbl.gov/，Xray Data Booklet.
◯ートを構成する原子を励起してしまい，特性 X 線を発生さ★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

 で記述した通り，分析領域の空間分解
せます． 13 13◯

能が加速電圧に強く依存することが理解できるかと思います．微小組織の分析を行う際は，加速電圧と分析対象の構成元素を考慮した電子線侵入散乱領域との関係を十分に考慮し，点分析を行う必要があります．
横江大作



献

2000年 3 月 愛知県立名南工業高校 機械科 卒業
2000年 4 月 財団法人ファインセラミックスセンター
試験研究所
2011年 2 月より現職
専門分野イオンビームを用いた表面処理法，電子顕微鏡◎セラミックスを中心とした材料開発と構造評価に従事．イオンビーム試料調製法や電子顕微鏡による構造解析技術や分析技術を中心に活動．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

実 学 講 座

ファラデーの研究態度と金属研究
金

児

紘

征

験の遂行を自己研鑽のプロセスとする研究態度であった．

.

ま え

が

き

22 歳の時に王立研究所でカリウムなど 6 個の元素発見者である Davy の助手に採用された．初めて論文を書いたのが25
どの学問分野も先人の業績の積み重ねの上に成り立ってい歳の時で， 30 歳前後までが初期研鑽過程である．それからる．ところが，我々は往々にして結果のみを学び，どのよう10 年 間 が よ り 高 度 な 研 鑽 過 程 で あ る ． 40 歳 の 時 ，にして得られてきたかを知ることは少ない．過去の知見は常Philosophical Transactions 誌に，その後 20 年余りで 30 編続に陳腐になるのが宿命であるが，得られた経緯を知ることはくシリーズ論文，Experimental Researches in Electricity を研究の仕方を学ぶ観点から常に大切であると考える．ファラ

書き始めて研鑽期間を終えた．もっとも彼は研鑽は一生涯続デー(Michael Faraday, 17911867)はイギリスの実験科学者

くという認識であった．

で電磁気学と電気化学の分野で大発見をした(1)．彼が金属研

一方，生活信条としてはキリスト教に対する信仰心が篤究をしていたことは顕著な他の業績に隠れてあまり知られてく，失敗を取り繕わない正直さ，特許申請しない金銭的無欲

いないが，紛れもなくその分野の先駆者であった．

さ，爵位を断る謙虚さなど，自らに厳しい身の処し方を研究彼が行った金属研究としては磁気材料研究もあるが，本稿態度に反映させた．

では誰もが試みなかった多くの添加元素による合金鋼開発を後の論文集(3)の中の講演録 ``Observations on Mental Edu-

したことと酸化薄膜の生成が成因であると仮説を打ち立てた

cation'' で彼の教育観，研究観を知ることができる．人は自鉄の不働態研究を取り上げる．彼がどのような態度で研究に

己研鑽すべきであると言い，次のように述べた．他人の意見臨み，いかに研究を進めて成果を得たか，その足跡をたどに盲目的に従わない．さりとて，好ましい意見ばかり探してる．今も彼の研究者魂から多くのことを学び取ることができ

反対意見を無視するのはよくない．正しいかどうかは自ら点るのではないだろうか．

検する．自らを疑うべきである．
教育は諭すものではないと考えていた．指導者は指導され

.

研 究

態

度(2)

る者より賢いわけではない．教育の最重要事項は判断力を磨くことであり，それを自己研鑽によって達成すべきである．

ファラデーの学問的業績のみならず，その研究態度には深判断を間違うのは判断力不足による．我々の感覚は素晴らし

い感銘を覚える．自己研鑽の努力と信仰心に基づく真摯な研

いが，感覚だけで判断すると間違う．情報不足の段階で判断

究態度であったからこその学問的業績とも思える．彼のそのするのがよくない．慌てて判断する必要はない．判断に絶対資質が反映された研究全体に臨む態度および具体的に研究すはないので，どのような判断も保留状態にあると考えるべきる時の流儀について述べる．

である．彼は科学研究をすることが思考を研ぎ澄まし，その彼は鍛冶屋に生まれ初等教育しか受けなかったことを自覚し， 20 代は科学研究の傍ら，基礎学力をつけるため勉強サークルに入って自己研鑽した．自ら学び，自ら点検し，自ら科学的思考法自体が社会に役立つと考えていた．
彼の研究態度に基づく具体的な研究流儀には際立った以下の特徴がある．

改善することを科学実験で実践した．言い換えれば，科学実秋田大学名誉教授(〒0108502 秋田市手形学園町 1 番 1 号)
Faraday's Research Attitudes and Metallurgical Researches; Hiroyuki Kaneko(Emeritus Professor of Akita University, Akita)
Keywords: Faraday's diary, Wootz steel, meteoric iron,alloy steel, noble metal, James Stodart, Robert Hadfield, passivity, passive film, galvanic
corrosion, Christian Schoenbein
2021年 3 月 1 日受理[doi:10.2320/materia.60.507]

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan







克明な研究ノートの作成(4)

彼は記録して残すことにこだわった． 1831 年， 40 歳の時，それまでの試行錯誤の後に，実験ノートの記述法を一新
し，まとまった文章の段落に通し番号を付け始めた．本稿の最近，なるべく少量の試料，溶液を使用して化学実験を行う
マイクロスケールケミストリーが教育現場で推奨されているが，ファラデーはその先駆けである．



単独研究

不働態研究の付録で実例を示す．最終番号は 68 歳の時の実験作業を手伝う助手 1 名を雇ったが，実質的には単独

16041 番に達する．彼自身は Experimental Notes と称した研究であった．したがって発表論文の一切に精通していた．

が，実験結果のみならず，研究計画，必読論文，実験方法，

彼が単独研究をしたのは，他人のペースと合わなかったため考察などを含むから研究ノートであり，以下研究ノートと称と発表内容に強い責任感を持っていたためと推測する．同じする．後々までも自らの研究の歩みの証として取り扱ってい現象を観察しても人それぞれ別に感じると言っている．共著

る．大発見の舞台裏がよくわかる貴重な資料である．実験ノ論文としては，Phillips と行った塩化炭素の発見，ストダーート，研究ノートはいかにつけるべきか，実験科学者はいかトと行った次の合金鋼の開発があるだけである．彼は若い頃に研究すべきか，論文作成の準備はいかにすべきかなどの手は Davy に論文添削してもらっていたが共著論文はない．

本である．現在，全 7 巻の ``Faraday's Diary''(5)として刊行

.

されている．


誠実で正直な対応合金鋼の開発鉄は他の金属をまとめて非鉄と称するように，最重要金属

宗教的良心に基づき，データを一切ごまかさなかった．実である．「鉄は国家なり」という言葉もある．ちょうど産業

験の失敗に際しては誠実で正直な対応をした．筆者は彼の電革命期で鉄を幅広く研究開発することが求められていた．鉄

気分解の研究について研究ノートと発表論文のデータを比較に炭素が含有されると特性が著しく変化することは認識され検証した(6)．彼の研究ノートと論文のデータには全く食い違ていた．さらに他の物質を添加して有用な特性を得ようとす

いはなく，取捨選択もほとんどしていない．論文で使わなかるのは当然の帰結であった．ただし，ファラデーが添加物のったデータは彼自身が不確かと判断したデータに限ってい影響を計画的に調べようとするまでは本格的な合金研究は行る．失敗対応の例としてはアンチモンの電解に関する発表結

われていなかった．彼がどのようなやり方で合金鋼開発にチ

果について Berzelius から批判された時，自ら実験法を改良

ャレンジしたかは，金属研究者の研究の仕方の源流とも思えし再実験して先に発表した実験結果は誤りであったと訂正文るので紹介したい．なお，ファラデーの合金鋼に関しては鈴を出した．間違いを言い訳せずに率直に認めた．

木(8)，田中(9)による解説もある．



多種類の実験試料を使用




以前の研究

彼が行った研究を鳥瞰すると，誰もがその幅の広さに圧倒イギリスでは， 1740 年に Huntsman によってるつぼに鋼される．電気分解の研究に限っても，手に入るありとあらゆ

材を密封して加熱溶解するるつぼ製鋼法が開発された．そしる化学物質を電気分解した．水溶液だけでなく，溶融塩，固て，早くから鉄の製錬が行なわれていたシェフィールドが鉄体なども電気分解した．電極も金属だけでなく，黒鉛，二酸の街としてより発展した． Davy は 1812 年に出した著書(10)化鉛などの非金属も材料として用いた．本稿で紹介する合金で当時に知られていた金属の性質を詳しく記している．それ鋼の開発においても白金の外にパラジウム，ロジウム，オスによれば，鉄の性質は炭素含有量によって顕著に変化するこミウム，イリジウムなどの特殊な白金族元素と鉄との合金化と，熱処理の効果なども定性的にわかっていた．有用合金とを試みている．限定された物質の結果だけから判断すると，してはスズ鋼について述べている．ファラデーは多くの金属

物質の多様な挙動を発見できず，その物質の特殊な性質を一の添加を行ったが，それらは発見されてからまだ日が浅かっ

般的性質と見間違う可能性があると危惧したに違いない．


多彩な実験手法

彼は固定的な実験手法を用いることを嫌い，常に実験法をた．ニッケルは 1751年，チタンは 1795年，クロムは 1797年に発見された．白金族のパラジウムは 1802 年，ロジウムは1803年にいずれも Wollaston によって，イリジウム , オスミ

ウムは1803年に Tennant によって発見された．

改善した．電気分解の法則を発見した際に用いた電解槽も次

ファラデーは，刃物製造に適したインド産のウーツ々と 7 種類のものを考案した(7) ．ガラス器具の作製に熟練(Wootz)鋼と錆びない鉄として知られた隕鉄に着目した．ウ

していてその技術習得が化学者には大事であると強調した．

ーツ鋼からダマスカス刀が作製された．その木目模様はダマ

同じ条件，同じ手法による再実験を行わなかった．同じ手法

スク模様と呼ばれた．先行研究としては，1795年，Pearson

ではその手法特有の癖を排除できないと考えていた．

がウーツ鋼の金属学的特徴を他の鋼と比較して調べた(11) ．

また，できるだけ小規模実験で知見を得ようとするのが彼

18 世紀末，王立協会関係者に世界各地から隕石・隕鉄が持の流儀である．本稿で紹介する不働態実験においても，平底

ち込まれ，関心が広がった．宇宙からの隕鉄は昔から興味がの容器ではなく試験管で実験を行い，この方法を推奨した．

もたれ，エジプト，メソポタミアなどではそれから短剣，刃

材料科学のパイオニアたち

なし得なかった研究である．ストダートは医療器具の製造・販売を行い，王立研究所に出入りしていた．そして，彼自身，鋼の熱処理に精通し，研磨とか表面被覆に関する論文を発表していた．彼はウーツ鋼の模擬も試みたがまだ成功していなかった(15) ．一方，ファラデーは鍛冶屋の生まれであるから，金属の取り扱いには慣れていた．鍛冶場と鍛冶に関することが好きであると言っている． 1819 年にお互い意気投合してストダートがファラデーに試料提供したのが共同研究のきっかけである．刃物綱として知られるウーツ鋼，錆ない鉄である隕鉄の特性を調べ，それを参考に新規な添加金属で刃物鋼と耐食鋼を開発し，金属製造業者と連携して実際に製品を製造する研究プロジェクトを実施した．役割分担し，ファラデーが主として研究と論文作成を行い，ストダートは材料の調達と作製した鋼の刃物加工をした． 1823 年 9 月にストダートが死亡すると，ファラデーは翌年 6 月末でこの研究も終了した．彼はそれ以降には合金鋼に関する研究はしな
図1

研究用るつぼ製鋼炉(文献14より)．

かった．発表した論文は次の 3 報である．
()

M. Faraday, ``An Analysis of Wootz or Indian Steel'',(1819)(16)物などが作製された(12) ．隕鉄はニッケル鋼であると認識さ()

れてニッケル含有量も分析された(13)．



研究経過




実験環境

ファラデーを取り巻く実験環境は今とは比べようもないが，彼が所属した王立研究所は当時としては最適な実験環境であった．彼は化学実験書 ``Chemical Manipulation''(14) のJ. Stodart , M. Faraday, ``Experiments on the Alloys
of Steel, made with a View to its Improvement''(1820)(17)()

J. Stodart, M. Faraday, ``On the Alloys of Steel'',(1822)(18)



研究成果




論文()の成果

中で炉の取り扱いについて詳しい説明をしている．高温の火

3 頁の簡単な報告であり，研究目的はウーツ鋼には鉄と炭を取り扱う研究者は philosopher by fire と呼ばれていたそう

素以外にどのような物質が含まれているかを明らかにするこである．危険で高度な仕事に従事している専門家として敬意とであった．切れ味の良いことで知られたダマスカス刀の原を払われていたのであろう．王立研究所には図に示すふい料であるインドのウーツ鋼，それとは出所の異なるインド鋼

ごで空気を強制対流させる研究用るつぼ製鋼炉があった．外と地元のイギリス鋼がストダートから提供された．ファラデ側と内側と二重の容器で作られており，外側の大きい容器はーは詳しく分析法を述べている．試料を硝酸塩酸混合液で加高さ 18 インチ( 46 cm )，外径 13 インチ( 33 cm )の寸法であ

熱溶解した．化学分析した結果，ウーツ鋼にはアルミナ，シる．容器は黒鉛と粘土を混ぜて作製する．内側の容器の底にリカが含まれていた．インド鋼にはシリカが入っておらず，

上部から火格子を入れて，その上に試料るつぼを置く．るつ

イギリス鋼にはどちらも入っていなかった．
論文()の成果

ぼの回りに燃料を詰める．特定の産地の粘土るつぼ以外に黒鉛るつぼ，白金るつぼも使用された．高温ではるつぼを二重このような()の成果を踏まえ，ウーツ鋼を模した合金をしてその間に粘土を詰めたりした．燃料はコークスである

製造すること，さらに優れた特性を有する合金開発を目指し

が，コークスと木炭の混合も有効とした．

た．その研究目的は 2 つあり，1 つは刃物に使える鋼の開発，

彼の論文には温度測定法の記述はないが，水銀温度計で測

2 つ目は酸化しにくい鋼を開発することとし，さらに反射鏡れる以上の高温では粘土の焼結による収縮を尺度とするにも使える金属の組み合わせを調べることも付け加えた．そWedgwood 温度計が使用されており，さらに白金棒の熱膨の成果を論文()に発表した．

張を尺度とする Daniell 温度計も考案されていた．1821年，始めて鉄の合金化実験をしようとすれば，なるべく身近に

Seebeck が熱起電力を発見したが，まだ温度測定に実用化さ知られた金属との合金化を図るのではないだろうか．ところ

れていなかった．

が，ファラデーは労力を惜しまず，何事も徹底するのが流儀




研究経過

で特殊な白金族を含むできるだけ多種類の材料を用いた．

ファラデーの研究の一大特徴は前述したように単独研究で鉄，鋼に添加実験して調べた金属は，銅族の銅，銀，金，遷あることである．ただし，この研究はストダート( James移金属のニッケル，クロム，白金族のイリジウム，オスミウ

Stodart, 1760 1823 )との共同研究であり，共同でなければ

ム，パラジウム，白金，ロジウムおよびチタン，スズの 12

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan種類である．白金族ではルテニウムだけがないが，まだ発見されていなかった．貴金属が多いのはそれ自体酸化しにくい金属で耐食鋼開発に役立つと期待したに違いない．貴重で普通には入手が難しい白金族を使用できたのは，Wollaston から提供してもらったからである．彼はパラジウム，ロジウムを発見した著名な学者で，その他にも研究の各段階で助言を受けたと感謝している．
ウーツ鋼を合成することを試みたが，多くの実験は無駄になった．その実験過程で鉄と木炭を長く高温保持すると 1/8
インチ(0.32 cm)以上の幅の板状高結晶性のものが得られ，分析すると94.36Fe＋5.64C(筆者注Fe3.6C に相当，百分率は mass，以下同様)の炭化鉄であった．アルミナを添加した試料ではダマスク模様が現れた．以前にストダートの発表論文で酸化の程度の差によるのではないかと化学者で雑誌編集者の Nicholson はコメントしたが(15) ，この模様は結晶模様であると判断した．

図2

つぎに腐食しないことが知られていた隕鉄に着目した．シベリアからの隕鉄を有名な化学者で親しかった Children に合金の比重(文献17より)．
原注混合計算比重11.2723†混合計算比重
16.0766

分析してもらった．3 回の分析結果の平均値は鉄に 8.96ニッケル含有であった．そこで，それを模擬すべく， 3  Ni,
10 Ni 含有鋼を合成しているが，記録に現れた最初のニッ

フ ィ ー ル ド が 分 析 し た も の で は ， 図 2 で 重 量 比 Fe50 ，ケル鋼の成功である．鋼がニッケルを含むと酸化防止に有効Pt50 ， 比 重 9.862 と 記 さ れ た も の は Fe51.00 ， Pt48.60 ，であったが，逆にニッケルに鋼を含むとニッケルのときより

C0.18，比重9.83でよく一致していて，判断の妥当性を認めも腐食することを確認した．

ている．

銀と鉄が固溶しないことは今ではよく知られているが，当

論文()の成果

時は何の知見もなかった．彼によれば，銀と鋼を反応させる

この論文では()論文で得られた学術的結果を踏まえて実と奇妙なことが起こった．高温保持では合金になっているが用化を目指した．そして得られた合金の腐食特性を調べた．

冷却すると表面に針状の銀が析出し，美しかった．鉄と銀の新しくパラジウム，イリジウム，オスミウム，クロムの添加割合を 500 : 1 にすると表面に銀が見られず合金化したと判実験をした．るつぼの取り扱いには苦労している．ファラデ

断した．銀と合金化した刃物はロジウムと合金化したものよーが用いた実験炉なら純鉄を 12 ～ 15 分で溶解できたし，ロ

りわずかに特性は劣るが，価格を考慮すれば，こちらがよジウム，白金の溶融にも役立った．ただし，チタンを高温還い．ロジウムと鋼の合金は固く，刃物に適している．ウーツ

元しようとしたが，高温に耐えずにるつぼが損傷してしま

鋼より 30 °F ，イギリス鋼より 40 °F 高い温度で焼きなます

い，還元できなかった．失敗の報告であるが，チタンの炭素必要があると言っている．ファラデーは熱処理の重要性を認直接還元が至難であることを知らしめた意義がある．

識しており，厳密な温度管理を行った．彼は著書(14)で熱浴

合金の化学分析，また腐食試験の見地から多くの酸を使っを詳しく説明している．取り扱いに注意すれば水銀浴を広範て反応を調べている．白金鋼を硝塩酸に溶かした溶液を加熱

囲の温度域で使用できると推奨した．

すると爆発すること，水銀の上にその液を垂らすと 400 °F

白金の添加は有効であり，どんな割合でも合金化する．重(204°C)で爆発することなどを記している．普通には試みそ

量比で白金 50 ，鋼 50 の合金は美しく，磨くと曇りない鏡にうもない実験である．腐食試験では次のような事例をあげてなる．金，銅，スズの添加については簡単にしか述べていな

いる．純鉄の代わりに鋼を用いると合金が酸化しにくくなる

い．銀鋼は刃物にもダイスにも有効だろう．実験室ではせいのは奇妙である．鋼と白金鋼を硫酸に浸すと，白金鋼の方がぜい 2000グレイン(130 g)までのもので行った．小さい規模

激しくガス発生をしていて，白金鋼ではボルタ結合になってでうまくいっても，大規模にしてうまくいくとは限らない

鉄の腐食が加速すると示唆した．合金化すると腐食しにくいが，やってみる価値があると締めくくっている．

と言っているが，彼は異種金属の接触によるガルバニック腐実際に作製した証拠として合金の比重を図に示している．

食を認識していた．

2 個の試料で混合比による計算比重と測定値を比較していボーキサイトの発見者でもあるフランスの Berthier がクる．示されている元素のないし比率は混合した成分の重量

ロムを添加すると耐食性が増すことを発見したことを引用(質量)の割合であり分析値ではない．彼は実験前の混合総重

し，クロム添加が有効であることは確認したが，深くは追及

量と実験後の総重量が一致すれば分析せずとも問題ないとししなかった．Berthier 自身はファラデーの合金研究に刺激をた．開発途中における臨機応変の判断である．後述するハド受けたと言っている(19) ．ファラデーは懇意になっていたジ

材料科学のパイオニアたちュネーブの De la Rive に自分の研究を手紙で伝え，彼がそれを 仏訳して知られていた(20) ． 3 元系では鋼 ，イリジウ




以前の研究

ム，オスミウムの場合だけ行っている．さらに研究する価値

ファラデーはそれ以前の関連研究について簡単にまとめてがあるが，骨の折れる仕事で時間と忍耐が必要である．新化

い る(24) ． 1833 年 に 発 表 さ れ た 天 文 学 者 の Herschel の 論

合物の応用範囲を広げるには金属の純度を上げること，完全文(25) について，発表された時に読んだがすっかり忘れていに溶融させること，熱管理が必要であると述べて，この論文たと断ってその重要性を再認識している．1790年に Keir がを締めくくっている．

濃硝酸，発煙硝酸中では鉄は不働態化し，銀の溶液中でも銀その後，ファラデーは関連した研究で論文を発表したことを析出しなかったと報じた(26)． 1832年に Westlar が，またはなかったが，ずっと関心を持っていた．有名な「ロウソク1833年に Herschel はその現象を電気力によると説明したが，の 科 学 」 の 原 本 第 2 版(21) に は 70 歳 の 時 に 行 っ た 講 演 録

Herschel の研究はすでに 1825 年の個人雑誌に載っているか``Lecture on Platinum'' が付いているが，付いている訳本はら Herschel の方が先であると述べている．ファラデーは研ない．白金の製錬について説明してから白金，鉄，アンチモ

究の先行性にこだわりがあった．彼は投稿日の記載がルール

ンをボルタ電池による通電加熱，酸水素炎などの燃焼加熱で化されていない時代に日付を記して投稿した．シェーンバイ

溶解のしやすさを実演した．大変な準備が要るが，彼の科学

ンの研究については，``reobserved'' と位置付けている．

講演は常に実演付きであった．


ハドフィールドによる検証(22)ハドフィールド(Robert A. Hadfield, 18581940)は，シェフィールド出身の金属学者で，マンガン鋼，ケイ素鋼の開発




研究経過

シェーンバインはバーゼル大学教授であり，オゾンの発見者として知られる．イギリス滞在の経験があり，英語は堪能だった．ファラデーとは終生，親密な関係を持った(27)．

で著名である．彼は，ほぼ 1 世紀前のファラデーの論文内

シェーンバインからファラデーへの 1836 年 5 月 17 日付の容を詳しく検討した．幸い，ファラデーの残した試料箱にあ手紙で，自分は新発見をしたので，その投稿を助けてほしい

った79個(1 個を予備試験に使用)の実験試料，また現在も一と依頼があった．そして，私の発見した現象に興味があるな

部は展示されているがロンドンの科学博物館に提供された若ら，あなたの研究目的にしてください，と言っている．当時

干の試料，作製されたナイフ試料などを化学分析し，硬度，は誰かへの手紙の形式で論文掲載されることがよくあり，こ金属顕微鏡観察，腐食試験などを行った．ファラデーの純鉄の手紙も公開承知の手紙であった．ファラデーはその手紙にを分析すると，当時としては低炭素の 0.07  C 純鉄があっ

自分の研究結果を添えて Philosophical Magazine 誌の編集た．ファラデーは硬さ測定をしなかったが，当時の鋼を用い者に送り，一緒に掲載された(28) ．それによれば， 1, 2 週間

るブリネル硬さ測定より高硬度測定で優れているダイアモン

前に自分のところに来た手紙は価値があり，2, 3 の語句の訂ド圧子で測定してブリネル硬さに換算すると，ガラスに傷を正はしたが，よりよく記述されているので彼の言った部分に付けられる600以上の硬さの試料が14個あった．

ついては付け加えることはなく，ただ，自分が行ったその他

全体的にファラデーが調べた結果は妥当であることを確認の結果について書き添えると述べた．

し，彼の仕事を高く評価した．ファラデーの功績は，どんなシェーンバインは，「普通の鉄線を比重 1.35の硝酸に浸す合金が作製可能か全くわからない時代に，合金鋼の開発プロと，激しく反応することはよく知られているが，鉄線の一方ジェクトを組んで果敢に挑戦して後に続く研究者に指針を示の端を赤熱させてから冷ましてその硝酸に浸すと鉄線のそのしたことである．ハドフィールドがファラデーを「鋼と合金部分だけでなく他の部分も反応しない」と言っている．それのパイオニア」と称したゆえんである．

以前から濃硝酸下では鉄が不働態化することは知られていたが，加熱処理をすれば不働態化させることができるとは彼が. 不 働 態 研 究

言い出すまでは誰も気付かなかった．彼はさらにいったん不働態化した鉄に触れた鉄はつぎつぎ不働態化することを示し

鉄は一般には酸中で腐食するが，濃硝酸中では不働態化すた．彼が新発見であると言った意義はそこにある．鉄を陽極る． 1836 年，ドイツのシェーンバイン( C. H. Sch äonbein ，として通電すると不働態化した．彼が調べた他の金属，銀，

英字表記は Schoenbein, 1799 1868 )の手紙で，鉄に加熱処

銅，スズ，鉛，カドミウム，ビスマス，亜鉛，水銀では酸素置を施せば本来不働態化しない濃度の硝酸中でも不働態化状が発生してもそのようなことは起こらなかったため，「鉄の態を保持できることを報じたことがきっかけでファラデーは異常な振る舞いは酸素に対する親和性の程度で取り扱うので研究を開始した．彼がシェーンバインにどのように接したはなく，何か他のものを見つけなければならない」と結論づか，またどのような追実験をしたかは，研究者のあり方，まけた．

た研究の仕方について示唆に富むので紹介したい．なお，不ファラデーは 5 月26日に実験を始め，5 月31日で一旦実験

働態研究の歴史については Uhlig の講演録(23) を参考にされを終え，また 6 月 13 日から始めて一連の実験を 6 月 17 日にたい．

終えた．実質 2 週間の実験であった．6 月16日の日付の脱稿で，今のような論文形式ではなく，ファラデーも時系列的に

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan論述していくスタイルであったので手早くできたが，それにしても電光石火の執筆である．
このような素早い対応ができたのはその準備が予めできていたことにもよる．彼は18331834年に電気分解の法則を発見した後，ボルタ電池の発現の原因を調べるために各種の金属を組み合わせて電池を構成し，接触した時の電極の反応を調べていた．鉄を電極とした時の特性についても調べていたから，シェーンバインの手紙を受け取った時，すぐに手紙の内容を理解し，躊躇なく実験を開始できたと思われる．
関連論文は次の手紙形式の 3 報である．
()On a peculiar voltaic condition of iron, by Professor
Schoenbein, of Bale; in a letter to Mr. Faraday: withfurther experiments on the same subject, by Mr.
Faraday, communicated in a letter to Mr. Philips(1836)(28)()

Prof. Schoenbein, Remarks on Faraday's hypothesis

図3

シェーンバインの実験の検証図(文献 5 第 3 巻 7 より)．
(I1加熱酸化した鉄I2通常の鉄P1，P2白金)with regard to the cause of the neutrality of iron in
nitric acid (1837)(29)()Note from Professor Faraday to Mr. Richard Tailor on

質中の酸素とあたかも酸化したのと同じような関係にある」

the preceding Paper (1837)(30)と述べた．そして，酸化膜の厚さがどんな厚さかは問題では()の前半はシェーンバインの手紙形式の論文で後半がファラデーのそれに関する検証と彼自身の知見をまとめた論文

なく，「特異的な条件による」と言い，酸素の金属との特異的な結合を暗示した．

である．()と()は一対のコメントであり，()はファラ研究ノートによれば，研究を休んだ土曜日，日曜日を挟ん

デーの仮説に関するシェーンバインのコメントであり，()だ 3 日目の 5 月 30 日〈 3053 〉で，酸化薄膜生成の着想を得てはファラデーによる返事である．

いる．また付録〈 3028 〉に記したように，平底の容器ではな




研究成果

く試験管で実験を行い，この方法を推奨した．できるだけ少量の溶液を使って実験をするのが彼の流儀であった．

ファラデーは，自らの実験計画を立てて，鉄の不動態現象

この論文の発表後，シェーンバインとファラデーは何度もを調べた．ファラデーの 1836 年 5 月 26 日付の研究ノートに

手紙で意見を交換した．その結果を対のコメントとして発表

よれば，シェーンバイン教授の自分への硝酸また他の金属にした．シェーンバインはコメント()で，ファラデー説に敬対する鉄の関係についての手紙に関連して，今朝，いくつか意を表したが，酸化している気配が見えないと言って，末尾の実験をしたという書き出しで始まっている．5 月26日の研で，「鉄の不働態化状態に関するファラデーの見解はその状

究ノートの内容を付録に記す(31)．

態を満足に説明していない」と言って納得しなかった．これ

このような研究ノートを作成しているが，それをまとめてに対して，ファラデーはコメント()をした．()で彼が述論文()のシェーンバインの手紙に付け加えた．その内容をべた言葉，「金属の表面粒子が電解質中の酸素とあたかも酸

簡単に述べる．シェーンバインの実験を確かめながら，シェ化したのと同じような関係にある」という意味は実際の酸化ーンバインと異なるのは付録〈 3032 〉に記したように，種々

ではなくアマルガム化した亜鉛と酸素の関係のようなものだの金属と鉄を組み合わせた時，導線間の磁針の振れの傾きかと例えた．(筆者注当時アマルガム亜鉛は酸中で腐食しな

ら電流の流れの方向を検知して電位の高低を調べたことであいことは知られていたが，酸素の寄与ではない．）まだ，現象る．このようにして，付録〈 3041 〉にも記しているように，が明確になっていない現状を踏まえ，ファラデーの見解はガルバノメータ(磁針による検流計)を用いて鉄と銀を組み合「その状態を満足に説明していないと言ったシェーンバイン

わせた時には電流の向きが変わること，すなわち，正極と負の意見に私は完全に同意する」であった．なお，酸化厚さを極が入れ替わる電位振動現象を観察している．当時はまだ電着色変化の程度で判別する Nobili の論文(32)を引用し，シェ位差を測定できず，Poggendorff が電位差計を発明したのはーンバインにも注意を喚起している．

1841 年である．シェーンバインの実験の詳しい検証は 5 月

同じ実験をして鉄の不働態現象を調べたにも関わらず，2

30 日に加熱酸化した鉄，通常の鉄，白金を組み合わせて行人の見解には大きな差があり興味深い．シェーンバインはこい，研究ノート〈3063〉で図解している(図)．

の現象は酸素の寄与では説明がつかないと言い，ファラデー

ファラデーは鉄の不働態化は目には見えないが薄い酸化鉄

はまさに酸素の働きによるとした．また，シェーンバインは膜の形成によるという仮説を立てた．正確には，「私の強い酸素の効果なら見えるはずだがそうは見えないと言い，ファ印象は金属表面が酸化される，または金属の表面粒子が電解

ラデーは見えなくてもあるのだと主張した．ファラデーは主

材料科学のパイオニアたち

張はしたが，慌てて判断する必要はないと考えていたためを明らかにし，その後の合金鋼の開発の指針となった．

に，まだ満足な説明ではないという批判に同意したのである．

不働態研究シェーンバインから特異的な現象を見つけた

このような経過をたどって鉄の不働態に関する研究は終わので，それをイギリスの論文誌に投稿する推薦をしてほしい

った．この後も鉄の不働態に関する意見交換は続き，シェーと依頼されたことがきっかけである．その内容に興味を持

ンバインは論文を発表した．しかし，ファラデーは時たま鉄

ち，自分でもその現象を新たな手法で確かめた．硝酸中で鉄の不働態に関する実験をしたことはあったが，まとまった論と組み合わせる種々の金属との間の電位の高低を調べ，銀と文としては発表しなかった．

鉄では電位の逆転振動現象が起こることなどを発見した．



そしてシェーンバインと意見は対立したが，目には見えな

不動態関連研究のその後

いが，鉄が酸化物薄膜で被覆されて不働態になったのだと仮ファラデーはこの実験の 2 年後，関連研究を発展させ説を示した．この知見は，後の不働態研究に多大の貢献をした．各種の溶液中の異種金属間でどのような化学反応で電池た．1 か月余りの短期間の実験であり，研究ノートをたどるが発現できるか，逆には接触すればガルバニック腐食でどちと日々凝縮した研究をしていたことがわかる．彼が行った研らの金属が腐食するかを調べた(33)(34)．

究のスピード感は常人には真似のしようもないが，研究とは各種の金属を組み合わせた電池を作製し，ガルバノメータ

こういう風にするものだということを実感させられる．

で検知した電流の流れる方向から電位の高低を調べた．そして金属の電位列を各種の溶液で調べて表を作成した．特定の本稿を終えるにあたり，学生時代以来金属学を指導いただ

条件で調べた研究者は他にもいたが(35)，彼は現在ガルバニ

いた東京工業大学名誉教授，斎藤安俊氏，合金鋼の開発に関系列，腐食電位列と呼ばれる表作成の先駆者である．調べたして助言をいただいたかつての同僚，秋田大学名誉教授，泰金属は，銀，銅，アンチモン，ビスマス，ニッケル，鉄，ス

松斉氏，筆者のファラデー談議に快く付き合って助言をいた

ズ，鉛，カドミウム，亜鉛の 10 金属，調べた水溶液は，希だいた畏友，大日方克人氏に感謝いたします．

硝酸，希硫酸，濃硝酸，塩酸，水酸化カリウム水，無色と黄色の硫酸水素カリウム水の 7 種類である．この他に，電極文

献として，金，白金，ロジウム，パラジウムなども用いた．過酸化鉛，過酸化マンガン，黒鉛などの非金属も電極として調べた．その結果，電位の順序はその金属に固有のものではな
く，溶液によっても変化することを明確にした．極端な例としては，硫酸水素カリウム水では他の溶液とは異なり，鉄と銀の電位は逆転した．
また，腐食の原因となる温度差電池，溶液濃度差による濃淡電池の特性について詳しく考察した．このように，ファラデーは金属腐食研究の分野でも先駆的研究を行った．

. ま

と

め

ここで紹介したファラデーの金属研究の 2 テーマはアプ
ローチの仕方にそれぞれ特徴があった．今でも彼のアプロー
チの仕方から学ぶことは多いと思われる．
合金鋼の開発ファラデーにとっては珍しい共同研究であり，ストダート，シェフィールドの金属関係者などの協力を得た産学共同プロジェクトである．開発目標を医療用にも使える刃物綱の開発，錆ない鉄を目指す耐食鋼の開発に定めた．開発のためのアプローチとして考え抜かれた手法を取っている．まず，有名なダマスカス刀に使われる鋼の化学成分を調べて，それを模擬したこと，次に錆ないことが知られていた隕鉄の化学分析結果を模擬したニッケル鋼を製造したこと，そして，図 2 に記したように，誰も試みたことのない
一連の白金族元素を添加して新たな可能性を調べたことである．チタンを普通に高温にしただけでは炭素還元できないことも示した．鋼にいろいろの添加金属の成分比を変えて組織的研究をすれば画期的に特性を変えられる可能性のあること

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan

この中の1900年以前のすべての著書，雑誌はインターネットの無料サイト，royalsocietypublishing.org.archive.org, biodiversitylibrary.org, gallica.bnf.fr を選んで閲覧できる．
( 1 ) J. M. Thomas: Michael Faraday, IOP Publishing Ltd. (1991)
千原秀昭，黒田玲子訳ファラデー天才科学者の軌跡，東京
化学同人(1994).
( 2 ) 金児紘征Review of Polarography, 63(2017), 109118.
( 3 ) M. Faraday, D. Wood, Edward J Goetz: Experimental Researches in Chemistry and Physics, Richard Tayler and William
Francis (1859). 463491.
( 4 ) 金児紘征現代化学，526(2015), 4246.
( 5 ) M. Faraday: Faraday's Diary of Experimental Investigation,edited by Thomas Martin, 2 nd edition, www. Faraday's Diary.
com (2008).
( 6 ) 金児紘征Electrochemistry, 83(2015), 119132.
( 7 ) M. Faraday: Philos. Trans., 124(1834), 77
122.(図は巻末に載っている)( 8 ) 鈴木隆志ステンレス鋼発明史，アグネ技術センター(2000),1018.
( 9 ) 田中和明まてりあ，55(2016), 160165.
(10) H. Davy: Elements of Chemical Philosophy, Bradford andInskeep (1812), 389394.
(11) G. Pearson: Philos. Trans., 85(1795), 322
346.
(12) T. A. Richard: The Journal of the Royal Anthropological
Institute of Great Britain and Ireland, 71(1941), 5566.
(13) E. Howard: Philos. Trans., 92(1802), 168212.
(14) M. Faraday: Chemical Manipulation, John Murray, London(1827), 84
148.: 第 2 版(1830)，第 3 版(1842)．
(15) J. Stodart: J. Natural Philosophy, Chemistry and the Arts, 7(1804), 120
122.
(16) M. Faraday: Quarterly Journal of Science, 7(1819), 288290.
(17) J. Stodart, M. Faraday: Quarterly Journal of Science, 9(1820),
319330.
(18) J. Stodart, M. Faraday: Philos. Trans., 112(1822), 253276.
(19) M. Berthier: Annales de Chimie et de Physique, 17(1821), 55
64.
(20) F. James: The Correspondence of Michael Faraday vol. 1, In-stitution of Electrical Engineers (1990) Letter 114.: M.
Faraday, Bibliothque Univ. Geneve, 14(1820), 209215.
(21) M. Faraday: A Course of Six Lectures on the Chemical Historyof a Candle, to which is added A Lecture on Platinum ed. W.
Crookes, Charles Griffin (1865) 173204 ; (要約)Platinum
Metals Rev., (1961), 2629.
(22) R. A. Hadfield: Faraday and his metallurgical researches,
Chapman & Hall Ltd, London, (1931).; R. A. Hadfield: Philos.
Trans., 230(1931), 681693.
(23) H. H. Uhlig: Corros. Sci., 19(1979), 777
791.
(24) M. Faraday: Philos. Mag., series 3, 9(1836), 122123.
(25) J. Herschel: Annales de Chimie et de Physique, 54(1832), 8793.
(26) J. Keir: Philos. Trans., 80(1790), 359384.
(27) R. E. Oesper: J. Chem. Educ., 6(1929), 432440; 6(1929),
677685.
(28) C. H. Schoenbein and M. Faraday: Philos. Mag., series 3, 9(1836), 5365.
(29) C. H. Schoenbein: Philos. Mag., series 3, 10(1837), 172174.
(30) M. Faraday: Philos. Mag., series 3, 10(1837), 175176.
(31) 文献(5)の第 3 巻(2008), 35.
(32) M. Nobili: Scientific Memoirs, Part (1837), 94111.
(33) M. Faraday: Philos. Trans., 130(1840), 6191.
(34) M. Faraday: Philos. Trans., 130(1840), 93127.
(35) De la Rive: Annales de Chimie et de Physique, 37(1828), 225
286.
(付録)1836年 5 月26日の研究ノート(31)．
〈 〉 は彼の研究ノートの段落番号である．実験日の記録であるから舌足らずな箇所もあるが，そのまま直訳した．
〈 3026 〉バーゼルのシェーンバイン教授の自分への硝酸また他の金属に対する鉄の関係についての手紙に関連して，今朝いくつかの実験をした．次はそれらの事実の部分のまとめである．
〈3027〉比重1.3または1.35の硝酸を使い，もし清浄な 1 片の鉄線が挿入されると，おそらく強い反応があるが，その鉄をまた 1 片の白金と触れて酸に浸すと，その反応は急に止まり，鉄は光沢のあるままで反応しない．白金の防食能力は非常に明確である．
〈 3028 〉依然として鉄線をそのような硝酸に入れると，初めは反応するが，しばしば反応が止み，それからあたかも白金と触れたかのように，光沢となり，変化しないままとなる．これは皿のような底の浅い容器ではなく，管のような深く狭いものの中でされるべきである．
〈 3029 〉別の 1 片の鉄線だけを浸すと一般には反応するが，しかし，もし初めに白金または硝酸中で不活性になった鉄線とつないでから挿入されると，それは反応しない．この状態を生じた第 2 片は第 3 片，そして第 3 片は第 4 片と次々防食するために役立つだろう．
〈 3030 〉もし 1 片の普通の鉄線が酸に浸されて反応していて，それから不活性になった鉄線と接して置かれると，後者は前者を防食せず，反対に，その状態を失くして普通の活性な鉄になる．
〈 3031 〉そのような場合にどのような電流が生じたのか，そのような鉄が他の金属とどのような関係を持ったのかを知りたくなった
また，どのような他の金属が鉄に対する白金がしたことと同様の効果を持つのか．
〈 3032 〉最初にガルバノメータ，それから亜鉛片，白金片と一緒にして，もちろん電流の方向を示している磁針の位置を記録した．これらの記録の後で，鉄の亜鉛，また白金双方に対する効果を比較するーこれらが方向と力の基準となる．

〈 3033 〉ガルバノメータの線によって普通の鉄と白金をつなぎ，それから両方を硝酸に浸すと，初めの時は白金に対する亜鉛のようである．
〈 3034 〉鉄の反応がその酸の中で進むと，その金属は白金に対する亜鉛のように進んでいき，その電流は非常に強い．
〈 3035 〉白金が鉄の上での作用を止めた時，それから電流は止められ，というより途絶え，鉄は白金に対してあたかも白金が白金に対するようである．
〈 3036 〉もし鉄が酸から取り出され，その上で付着して酸の作用が始まるまで空気中に置かれ，それから硝酸中に再び浸されると，それは亜鉛のように反応するが，その上の反応が止まると電流もまた止まる．
〈 3037 〉硝酸中で不活性な鉄がそれと作用する別の新しい鉄と酸中で触れると，後者は前者を活性状態にする．しかし(ガルバノメー
タまたは他を通して)接触した瞬間，第 1 のものは第 2 ものに対して(強い)白金のようである．両方が作用していると電流はない．
〈3038 〉ガルバノメータでつなげた先の 2 つの鉄が酸中で活性であり，いずれか一方が直接硝酸中で白金片に触れると，両方の作用は止まるが，依然として電流はない．白金の停止，防食作用は非常に驚くべきことである．
〈 3039 〉もし硝酸によって鉄が試験管中で白金の使用なしに不活発な状態になるとすれば，それはあたかも白金が使われたのと同様の関係を持つ．もし新しい鉄と一緒であれば，最初の瞬間に後者に作用があり，電流があり，用意した鉄は一時的に白金のようである，
しかし，その上で反応がすぐに付随して起こる．もしあたらしい鉄と一緒で，後者に何の反応もないなら，電流もない．硝酸中でそれ自体不活姓になる鉄はそれから白金に対する白金のようになり，電流はない．
〈 3040 〉金は鉄に対して白金が持つのと同じような能力を持ち，同じような性質と関係を持つ．もし鉄と白金あるいは金が最初に硝酸に入れられ，それからつながれると，最初の瞬間に非常に強力な電流が流れる．
〈 3041 〉銀でさえ鉄と一緒にすると，金，白金と同じことをする
が，それから変化する不確かな作用が進むなぜなら，ある期間，
銀は鉄に対する白金のようであり，別の期間は鉄は銀に対する白金のようであり，電流はしばしば急に逆転する．
〈 3042 〉鉄が硝酸中で不活性となり，それから硝酸中で銀とつながれる―それは銀に対する白金のように作用し，そして銀は変色し，電流は流れ続ける．
〈 3043 〉硝酸中で銀が鉄の反応を止める時，電流は新たな状態で続く，すなわち，鉄は白金のように作用し続ける．
〈 3044 〉銅は同様に作用する．なぜなら，それは鉄の反応に影響し，定常状態にある最終の電流は鉄があたかも白金であるかのようである．
〈 3045 〉時々，とくに鉄が銀，その他とつながっているとき，非常に奇妙な急な反応が鉄の上で起こった．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

金児紘征

1968年 3 月 東北大学工学研究科修士課程修了
1972年 3 月 東北大学理学研究科博士課程修了
1972年 4 月 秋田大学鉱山学部助手
1988年 4 月 秋田大学工学資源学部教授
2008年 3 月 秋田大学退職
2008年 4 月 秋田大学名誉教授
専門分野材料電気化学◎ガルバニック腐食に伴う電気化学的特性分布の計
測，液相界面電析による金属薄膜製造，ジルコニ
ア酸素ポンプ・センサーの開発，ファラデーの研
究態度と研究史．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★



材料科学のパイオニアたち大阪市立科学館(大阪市)
文責神戸大学

池尾直子(2020年11月訪問)

図1

今回は大阪市北区中之島にある，大阪市立科学館を紹介す大阪市立科学館の外観．

る(図)．本館は，1937年に設立された「日本最初の科学館」である大阪市立電気科学館を継承して 1989 年に開館した．
「宇宙とエネルギー」をメインテーマとする科学館である．
本館の展示は，宇宙から科学史まで取り扱う「宇宙とその発見」，金属やプラスチック，薬品などに関する「身近に化学」，発電・送電の仕組みなどの「電気とエネルギー」と多岐に渡る．
材料分野関連では，元素周期表の展示があり，各元素がどのように使用されているか実際の例を紹介している．また，「鉱物からできるもの」という展示では，鉱物そのものの紹介に加えて，金属アルミニウムなどの，鉱物から抽出・製造される身の回りにある材料を説明している．「金属とその利用」では，銅など 6 種類の金属がその利用例とともに展示されており，各金属の特徴を考えさせる展示となっている．
さらに，1 台のバイクを構成する各部品にどのような素材が使用されているのかを学ぶ展示がある．そのほかにも，自然が作り出す美しい結晶として宝石などを紹介するとともに，水晶や岩塩などの結晶の形についても説明している．

g科学館で見つけた金属材料 “江戸時代の銅製錬”
日 本 は ， 17 世 紀 末 に は 世 界 一 の 産 銅 高 を 記 録 す る な
ど(1)，世界有数の銅産出国であった．その銅製錬・精錬を担

図2

住友長堀銅吹所についての展示．

ったのが，大坂にあった「銅吹屋」である．大阪市立科学館
では，銅吹屋のなかで，日本の総生産の三分の一の銅製錬を担った「住友長堀銅吹所」について紹介している．パネル展

物理の公的な教育機関であった「大阪舎密局」の紹介も行わ

示では，銅鉱山での作業，および，「住友長堀銅吹所」で当れている．同じフロアには， 20 世紀に使用された実験機器

時行われていた間吹/合吹，「南蛮人」から聞いた原理をもととして， Kikuchi pattern を発見した菊池正士博士が使用しに開発された，純度99.9以上という高純度の精錬を可能とたコッククロフトウォールトン加速器をはじめとして，真空した南蛮吹(2)などの工程を展示している．それと対比させる

管電子顕微鏡や X 線回折装置など，過去に研究機関で使用

形で現代の転炉や電解反応を利用した製錬工程も展示していされていたものが展示されている(図)．

る．さらに，本コーナーでは，近年の発掘調査で出土した，

今回は，展示場を中心に紹介したが，大阪市立科学館には

江戸時代のるつぼや棹銅，中間生成物なども展示されておもう一つ魅力的な展示物として，多彩な投影プログラムが準り，純度99.9以上という高純度の銅を作り出した当時の技備された，プラネタリウムがある．前身の大阪市立電気科学術に思いをはせることができる(図)．

館は，日本で最初にプラネタリウムを導入した施設であり，銅製錬の展示がある「大阪の科学史」コーナーでは，他

1937 年の開設当時使用されていたカールツァイス型投影に，江戸時代の大阪での天文学の発展が紹介されており，当機も展示されている．新型コロナウイルス感染症拡大防止の時の観測機器や，教科書を見ることができる．また，化学やため，利用が一部制限されているが，実験を行いながら，

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan

内で行われる，サイエンスショーのライブ配信が定期的に行われている．新型コロナウイルス感染症拡大防止策の徹底が必要となる現在，これらの動画も「科学館の展示」としてご覧頂きたい．

文献( 1 ) 今井典子鼓銅図録 世界レベルの江戸の技術書．
https: // www.sumitomo.gr.jp / act / public-relations / magazine /kodou【2021/05/06】( 2 ) 住友グループ広報委員会南蛮吹き．
https://www.sumitomo.gr.jp/history/chronology/05/【2021/
05/06】(2021年 5 月 6 日受理)[doi:10.2320/materia.60.515]

大阪市立科学館へのアクセス＊Osaka Metro四つ橋線・肥後橋駅 3 号出口から西へ約500 m
御堂筋線・淀屋橋駅 7 号出口から西へ約1000 m＊JRJR 大阪環状線福島駅から南へ約1000 m，JR 東西線新福島駅

2 号出口から南へ約900 m
図3＊阪神福島駅 3 号出口から南へ約800 m

真空管電子顕微鏡．

＊京阪中之島線・渡辺橋駅 2 号出口から南西へ約400 m＊京阪本線・淀屋橋駅 7 号出口から西へ約1000 m「ふしぎ」な現象を科学的に解説する「サイエンスショー」も行われている．そのほか，体験型展示も多数あるので，ぜ(〒530
0005 大阪市北区中之島 421

ひ足を運んで頂き，大阪市立科学館を楽しんで頂きたい．な

https://www.scimuseum.jp/)

お，大阪市立科学館が有する YouTube アカウントでは，館

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

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◇

科学館めぐり第 4 回「高校生・高専学生ポスター発表」優秀賞～

教科書のイオン化傾向から考えられる
起電力の逆転現象
兵庫県立宝塚北高等学校 3 年(2021年 3 月卒業)

山本史佳(大阪大学薬学部学生)
図1

電圧計の＋端子に Zn 板，－端子に Al 板を接続し，水溶液の pH を変化させたときの起電力．

表1

一方の電極を Cu や Mg で固定し，もう一方の電極を Alと Zn を用いた電池の起電力．電解質水溶液は塩酸(pH＝0.33)のものを使用．

No.

電圧計の＋側

電圧計の－側

pH

起電力(V)

ます．本校は普通科・演劇科・グローバルサイエンス科(理

1

Cu

Al

0.33

0.24

数科に相当)の 3 科からなり，私たちグローバルサイエンス

2

Cu

Zn

0.33

0.63

科の生徒は全員がグループでそれぞれの興味のあることに関

3

Al

Mg

0.33

0.99

して課題研究を行います．今回発表した私たちの研究は 1

4

Zn

Mg

0.33

0.66

杣谷篤紀(大阪大学工学部学生)
宝塚市は大阪と神戸の中間にあるベットタウンで，手塚治
虫記念館や宝塚歌劇団，その養成校である宝塚音楽学校などが有名です．この街の高台に私たちの通う宝塚北高校があり年生の夏に行った探究基礎実習の中の一つの課題「3 種の金属を見分ける」から始まりました．この課題は，Al, Zn, Cuのいずれからなる 3 枚の異なる金属板をそれぞれ同定する

る電圧を測定する実験を行いました(図)．また， Al と Znというものです．私たちが使っている教科書にはイオン化傾のどちらが起電力の逆転に影響を与えているか確かめるため

向が紹介されており，「Al は Zn よりもイオンになりやすい」に，標準電極(1)を用いて測定しようとしましたが，標準電極と記載されています．つまり，この 2 つの金属で電池を作を準備できなかったので，常温で一方の電極を Cu や Mg でると正極になるのは Zn ，負極になるのは Al となるはずで固定し，もう一方の電極を Al と Zn を用いた電池の電圧をす．私たちも含めて多くの班は 2 つの金属のイオン化傾向

測定する実験を行ったり(表)，電解質水溶液を塩酸と水酸を利用して電池を作りました．電解液は， 2.0 mol ･ L－1 Cu

化ナトリウム以外の水溶液を用いた電池の電圧を測定する実( NO3 )2 水溶液および 2.0 mol ･ L－1 KNO3 水溶液を用いまし験を行ったりしました．塩酸に水酸化ナトリウム水溶液を加た．そして，電流の向きから金属を同定しようと試みましえる実験では，pH 10～11で起電力が逆転することがわかりた．実験では，Al から Zn の向きに電流が流れました．このました． Cu や Mg を電極に固定した実験では，金属の組みことから，Al が正極，Zn が負極になり起電力の逆転現象が合わせによらず起電力の逆転が起こることがわかりました．

生じたと判断しました．また， Zn 電極は黒く変色しまし

塩酸と水酸化ナトリウム以外の水溶液を使った実験では，酸た．そこで実習後，希望者を中心として夏休みなどを活用し性条件下では常に起電力の逆転が起こることがわかりましてさらに深く研究することになりました．

た．これらの結果から私たちは起電力の逆転は pH 11 以下

まずはこの現象(以下，起電力の逆転と呼称する)が起こる

で起こることを明らかにしました．

条件を調べました．水溶液の濃度や電解質水溶液につける表

また，私たちは pH によって変わる金属の性質について文

面積などを変化させることで起電力が逆転する要因を調べて献調査をしたところ，金属水酸化物の溶解度に関する文献(2)

いく中で，水溶液の種類が起電力の逆転に深く関係しているが見つかり， Al と Zn 溶解度の大きさが pH＝8 付近で Al＜ということが分かりました．また，0.1 mol･L－1 塩酸，あるZn から Al ＞ Zn に変わることがわかりました．このことか

いは 1.0 mol･L－1 塩化カリウム水溶液を利用して電池を作製

ら，起電力の逆転の原因の 1 つが溶解度であると考え， 10したところ，起電力の逆転が確認されました．しかし， 1.0

mL の 0.10 mol･L－1 ZnSO4 水溶液に 10 mL の 0.50 mol･L－1

mol ･ L－1 水酸化ナトリウム水溶液に変えて実験を行ったと

H2SO4 水溶液を加えた混合液を，メスフラスコを用いて亜ころ起電力の逆転が起きないことが分かりました．

鉛イオン濃度[ Zn2＋ ]が 1.0 × 10－2 mol ･ L－1 となるように蒸そこで， pH が起電力の逆転に関係していると考えて，留水で希釈し， pH ＝ 1.27 の酸性水溶液を調製しました．そ

0.10 mol ･ L－1 塩酸にビュレットやマイクロピペットを用いの水溶液を 0.50 mol･L－1 H2SO4 水溶液を加えながら10倍ずて 0.10 mol ･ L－1 水酸化ナトリウム水溶液を加え， pH メー

つ希釈し[Zn2＋]を 1.0×10－2～1.0×10－6 mol･L－1 とし，pHターで測定しながら pH を調整して Al と Zn との間で生じ＝ 1.10 ～ 1.40 となるように調製しました．その溶液を用い

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan

と確信できました．
この 2 年半，探究実習や課題研究を通してたくさんのことを学ぶ事ができました．これらの実験をする際，使用する金属板は毎回紙やすりで擦ったり，電解質水溶液につける面積も揃えたりするなど，教科書には載っていない気を付ける
部分がたくさんあることに気付くことができました．また，他の高校ではできなかったであろう本格的な課題研究活動だ
けでなく，ポスターや発表の指導，文献の読み方，現在活躍されている研究者のお話を聞く機会などたくさんの学ぶ機会がありました．さらに，課題研究活動においては，5 人それぞれが自分の意見や疑問を出し，意見が衝突することも少なくありませんでしたが，それら全てと丁寧に向き合い，議論
図2

電圧計の＋端子に Zn 板，－端子に Al 板を接続し，水溶液の亜鉛濃度[Zn2＋]を変化させたときの起電力．

を重ねることで研究を深める事ができました．そして，今回の発表では割愛しましたが，自作の光学顕微鏡や近隣の大学での電子顕微鏡で反応前後の金属板の表面を観察するなどいて，電圧計の＋端子に Zn 板，－端子に Al 板を接続し，各ろいろな可能性を検討するために多くの高校・大学の先生方

濃度における電池の起電力を測定しました．その結果，いずに協力していただきました．今回，ポスター優秀賞を頂けた

れの Zn2＋ 濃度においても電圧の値は負でしたが Zn2＋ 濃度のは，沢山の方々の御協力のおかげだと思います．この研究の増加に伴い電圧はゼロに近づき，仮説を裏付ける結果を得者へのしっかりとした土台を作る事ができた素晴らしい環境

ることができました(図)．しかし新型コロナウイルス感染に感謝するとともに，受賞者として恥じないような社会に貢症拡大の影響で学校が休校となり Al の濃度を変えたときの献できる研究者になることを目指して，それぞれ進学先でも実験は十分に行えませんでした．さらに実験を行い，仮説の精一杯頑張っていきます．

検証をする必要があると考えています．今回，私たちは手持文

ちのデータだけで最後の論文を提出するため，起電力が逆転

献する原因が他にもあるのではないかと考え，助言を求めて，金属学会に参加させていただきました．春の学会は中止とな( 1 ) 北村房男電気化学，70(2002), 295298.
( 2 ) 水浄化フォーラム―科学と技術―「pH と金属イオンの溶解度」
http: // water solutions.jp / tech _ basic 2 / neutralizing / ph _metalionsolubility/(2020.7.3閲覧)

り，初めての学会参加がリモートという中で上手く私たちの研究を伝え，議論を行うことができるか不安でしたが，たくさんの方に助言を頂くことができました．私たちにはなかっ(2021年 3 月29日受理)[doi:10.2320/materia.60.517](連絡先〒6650847 宝塚市すみれガ丘 4
11(宝塚北高校 担当木村))た視点からの助言が多く，自分たちの未熟さを痛感すると同時に，まだまだこの研究テーマについて深めることができる

◇



◇

◇

スポットライト

本
会

告

会

記

事

2021年秋期(第169回)講演大会ご案内と参加申込について…………………………………………………………………519
第10回女性会員のつどいご案内 ………………………………521
オンライン学生キャリアサポートセミナー開催の案内 ……522
第19回 World Materials Day Award 募集中止の案内 ……522
2022年春期講演大会企画/公募シンポジウムテーマ提案募集…………………………………………………………………522
2022年度若手研究グループ申請募集 …………………………522「研究会」新規・継続更新申請募集 …………………………523
電子ジャーナル機関購読のご案内 ……………………………523
永年会員制度について …………………………………………524
終身会員制度について …………………………………………524
欧文誌編集委員会からのお知らせ ……………………………524
第45回技術開発賞「新技術・新製品」記事募集 ……………525
第72回金属組織写真賞作品募集 ………………………………526

事務局 渉 外 ・ 国 際 関 係secgnl＠jim.or.jp
会員サービス全般account＠jim.or.jp
会費・各種支払member＠jim.or.jp
刊 行 物 申 込 みordering＠jim.or.jp
セミナーシンポジウム参加申込みmeeting＠jim.or.jp
講 演 大 会annualm＠jim.or.jp
総 務 ・ 各 種 賞gaffair＠jim.or.jp
学術情報サービス全般secgnl＠jim.or.jp
調 査 ・ 研 究stevent＠jim.or.jp
まてりあ・広告materia＠jim.or.jp
会 誌 ・ 欧 文 誌editjt＠jim.or.jp

掲示板 ……………………………527 新入会員 …………………………531
会誌・欧文誌 8 号目次 …………529 行事カレンダー …………………532
次号予告 …………………………530
投稿規程・出版案内・入会申込はホームページをご利用下さい．

会

告(ホームページもご参照下さい)年秋期(第回)講演大会ご案内ならびに参加申込みについて
秋期講演大会は，月日(火)から日(金)までオンラインにて開催いたします．
尚，参加申込みは，すべてインターネット申込となります．詳細は，下記申込要領をご覧下さい．
〈日

程〉

日

時

行

事

月日(火)ポスターセッション，高校生・高専学生ポスターセッション，
懇親会(ポスター賞発表)月日(水)900～1700

学術講演

月日(木)900～1700

学術講演

月日(金)900～1700

学術講演，女性会員のつどい年秋期講演大会

開催予定の各種シンポジウム

公募シンポジウムテーマ
S1 機能コアの材料科学
S2 ミルフィーユ構造の材料科学
S3 ハイエントロピー合金の材料科学()S4 材料変形素過程のマルチスケール解析()S5 超高温材料の科学技術
S6 ナノ・マイクロスペーステイラリング
S7 水素エネルギー材料
S8 コロナ禍の記録とポストコロナの材料戦略
S9 ワイドギャップ結晶の材料学と高温プロセッシング
S10 マテリアルズ・インテグレーション()―社会実装に向けた取り組み―

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan

企画シンポジウムテーマ
K1 材料化学におけるイノベーションの役割と工業製品への展開
Innovations in materials chemistry and their effects on industry II
この企画シンポジウムは，毎年春の講演大会で開催している「水溶液腐食」「高温酸化」「陽極酸化」「めっき・化成処理」「触媒」の各学術分野を包括した公募シンポジウムと対をなし，工業製品としての金属材料の開発・生産の最前線における「材料化学」の役割と研究・開発事例や課題を，主に企業研究者に講演していただくことを趣旨として，2020年度よりシリーズ化している．今年度も，前年度と同様の企画シンポジウムを開催する．材料化学
は，溶液や気体などと金属表面との化学反応を扱う学問分野であるが，応用範囲は，めっき，化成処理，腐食，高温酸化，触媒など広範囲にわたっている．そこで，各産業分野で直面している課題や将来展望を議論することで，基盤となる学理を発展させるヒントや，産学官の連携強化のきっかけとしたい．

次世代パワエレ実用化に向けた酸化物軟磁性材料の現状と課題～さらなる性能向上に向けたマテリアルデザイン～
Current states and issues of soft magnetic oxide materials for next
generated power electronics devices ～Material design for further performance
improvement～
SiC, GaN といった次世代パワー半導体を利用したパワーエレクトロニクスデバイスの実用化に向けて，それらのデバイスに組み込むための既存および新規軟磁性材料に関して，現状と課題を整理しながらそれらの材料開発を進めていくことが強く望まれている．本シンポジウムでは，パワエレデバイ
スの一端を担っていくことが期待される酸化物軟磁性材料として，その代表な材料であるソフトフェライト(バルクから薄膜まで)に焦点を当てる．ソフ
トフェライト材料の特長および最新動向を整理しながら，さらなる性能向上に向けたマテリアルデザインの視点での課題を整理するとともに，また，若手研究者へ新たに本材料の研究に参加しやすい動機付けを提供したい．加えて，デバイス応用の視点から，本材料を含めた軟磁性材料について話題を提
供する．
K2

K3

若手科学者へ贈る研究のヒント～未踏領域へ到達するために～
Gifts from pioneers to young scientists IV: ～To hitch your wagon to star～
第 3 回までは第 1，第 2 分野と共同で開催を行ってきた，人材育成を趣旨とする啓蒙的な内容の企画シンポジウムの第 4 弾であり，今回はさらに第3，第 8 分野とも共同で開催する．独創的な研究成果に到達するためには，どのような姿勢で研究に臨むべきか，また，転機をどのように向かえ成功へ導くのか，著名なベテランにご講演頂き，そのヒントを得ることを目的とする．会員，特に若手研究者への刺激になれば幸いである．講演では，講演者
ご自身の研究に触れつつ，研究者としての心構えや外部資金の獲得に関する話題など，シンポジウム全体として独創的な研究成果に到達するための必要条件を浮き彫りにする．講演後は双方向性の仕掛けとしてパネルディスカッションを設ける．
自動車の大変革を担う材料技術の最新動向
The latest trend of the materials R&D for the revolution of the Automotive
近年の自動車を取り巻く環境は，従来からの課題である環境負荷低減，軽量化，燃費などに加え，電動化，安全性，自動運転などに代表される革新技術への対応も求められ，より複雑化，高度化している．日本金属学会では，多くの材料を利用し日々進化している自動車技術に焦点を当て，その技術の革新を基盤から支える材料技術における最新の動向について，日本鉄鋼協会，自動車技術会と合同でシンポジウムを2018年度から企画してきた．本シンポジウムでは日本金属学会からの講演者に加え，自動車技術会および日本鉄鋼協会から自動車および鉄鋼メーカーの製造関係者ならびに材料研究者も迎えて最新の研究動向を講演していただき，自動車用材料技術の方向性を共有するとともに，講演大会参加者の研究における一助となることを目的とす
る．
K4

参加申込要領インターネットによる大会参加申込期間および URL
(事前申込)2021年 5 月25日～8 月27日
(後期(当日)申込)2021年 9 月 2 日～9 月17日

https://www.jim.or.jp/convention/2021autumn/
https://www.jim.or.jp/convention/2021autumn_after/

参加申込締切後，参加方法や講演概要ダウンロードについては，下記をご参照下さい．なお，領収書は，決済完了後に申込画面から各自印刷して下さい(WEB 画面講演大会 MyPage よりダウンロード)．

◆大会参加費(講演概要ダウンロード権含む)※年会費とは異なります．
参加費・懇親会の消費税扱については，ホームページ(一覧表 PDF)をご参照下さい．
会

員

資

格

正員・維持員会社社員，シンポジウム共催・協賛の学協会会員・鉄鋼協会会員(本会非会員)

事前参加申込(締切日8 月27日)

後期(当日)申込(9 月 2 日～会期最終日)
クレジット決済のみ

10,000円

13,000円

個人会員で2021年 3 月 1 日時点で65歳以上の方

無

学生員

6,000円

7,000円非会員 一般

24,000円

27,000円

非会員 学生(大学院生含む)

14,000円

16,000円料

無料

お支払後の取消は，準備の都合上ご返金いたしかねますのでご了承下さい．
 65歳以上の個人会員 会員情報に生年月日のご登録がない場合は，課金されますのでご注意下さい．会員情報に生年月日をご登録させて頂きますので，大会参加登録の前に annualm＠jim.or.jp まで会員番号・お名前・ご連絡先・生年月日をお知らせ下さい．
 学生員 卒業予定変更等により会員種別に相違がある場合，事前に会員種別の変更手続きを行ってから，大会参加をお申込下さい．
非会員の(有料)参加申込者には，1 年間の会員資格を付与します．ただし特典は重複して付与いたしません．



本 会 記 事◆支払方法事前申込のお支払いはクレジットカードおよびコンビニ振込決済をご利用頂けますが，後期(当日)申込はクレジット決済のみとさせて頂きます．また，入金後のご返金は致しかねます．事前予約申込は 8 月27日(金)の入金日をもって事前参加申込完了となります．

◆参加方法および講演概要の WEB 公開
講演概要の公開日は，大会 2 週間前の2021年 8 月31日(火)です．
講演大会公開サイトにログイン後，講演概要の閲覧ができます．特許関係のお手続きは，公開日までにお済ませ下さい．
(事前参加申込みの方)参加申込みをされ，参加費を納入された方へは，概要公開日にオンライン参加に必要な参加者個別認
証 ID とパスワードを配信いたします．
(後期(当日)申込の方)参加申込受理通知に記載の「登録番号」および「パスワード」が講演概要閲覧に必要な個別認証 IDとパスワードになります．

◆講演概要集購入について
講演概要集 DVD は作成いたしません．全講演概要は，本大会 Web サイトで公開をします．これまで概要集 DVD のみ購入をされていた方も，通常の参加登録をして頂き，概要の閲覧をお願いします．

◆オンライン懇親会開催案内(金属学会単独開催)
開催日時

月日(火) ～開催方法

オンライン会議ツール Remo(予定)

参加費

無料

参加登録期間
登録方法

事前登録(5 月25日(火)～8 月27日(金))および当日申込

大会参加申込みの際，「懇親会に参加する」で申込下さい．
申込者へは，9 月上旬に会場 URL と参加方法の案内を配信します．

＊この懇親会で，ポスター賞の発表(表彰)を行います．
参加申込・問合先〒9808544 仙台市青葉区一番町 11432
 0222233685(公社)日本金属学会

FAX 0222236312%

Email: annualm＠jim.or.jp

日本金属学会・日本鉄鋼協会

日本金属学会と日本鉄鋼協会は， 2007 年に男女共同参画

第
回女性会員のつどいのご案内

内容

女性会員の交流・人脈作り．キャリアデザイン意

合同委員会を設置し，学会期間中の託児室合同設置，若い会

見交換．仕事場や上司・部下への困ったこと等本員向けのキャリアパスを考えるランチョンミーティング，合音トーク．学会への要望．などなど

同ホームページや育児・男女共同参画等の情報交換をするた

参加資格

金属学会・鉄鋼協会女性会員，学生さん

めのメーリングリストの開設を行うなど，金属・材料分野に参加申込

申込みは不要です．当日直接，オンラインで入場おける女性会員の活動を支援し，女性会員の増強を目指してして下さい．多くの方のご参加をお待ちしており

います．

ます．

秋期講演大会期間中に開催していた，「女性会員の集い」
を今年はオンラインで行います．女性会員同士，気軽に意見

問 合 先

梅津理恵(東北大学)
Email: rieume＠imr.tohoku.ac.jp

交換をして楽しいひとときを過ごしませんか．
主催

日本金属学会・日本鉄鋼協会男女共同参画合同委員会

日時 年月日(金)～

開 催 法

オンライン

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan




詳

オンライン学生キャリアサポートセミナー開催の案内

細まてりあ60巻 7 号446頁またはホームページ→講演大会→お知らせ

問合せ・照会先(公社)日本金属学会

講演大会委員会宛Email: stevent＠jim.or.jp
2021 年秋期講演大会の最終日( 9 月 17 日)にオンライン学

 0222233685

生キャリアサポートセミナーを開催します．本セミナーは就職活動開始前に企業を知ってもらう機会を設け，今後の進路
年春期講演大会 公募シンポジウム
テーマ提案募集

選択や就職活動に役立ててもらうことを目的に開催するものです．各企業 30 分ずつ，会社の概要，研究開発動向，今後の採用情報，インターンシップの情報等を説明していただきます．学生会員であれば，講演大会参加者でなくても参加で提案期限年月日(火)

期日厳守

きますので，奮って参加下さい．
併せて，講演大会期間中に自由に視聴することができる企業の紹介動画も公開します．

会員の研究活動の一層の活性化を図ることを目的として，
春秋講演大会において会員からの提案テーマによるシンポジ
ウム講演を実施いたしており，活況を呈しております．明年

開催日時

2021年 9 月17日(金)13 : 0019 : 00の春期講演大会の公募シンポジウムテーマを募集いたしま

開催場所

zoom(2021年秋期講演大会の Web ページに掲載

す．次の要領をご参照のうえ，活発な討論が期待できる有益される url より参加下さい)

なテーマを積極的にご提案下さい．(提案様式はホームペー

参加資格

日本金属学会学生員

ジよりダウンロードして下さい）

参加企業

株 ，住友化学
株 ，住友重機
文部科学省，合同製鉄
株 ，住友金属鉱山
株 ， DOWA ホールディ
械工業

詳

細

株 ，東邦チタニウム
株 ，
株 UACJ 他
ングス

動画配信

問 合 先

株 ，文部科学省，住友化学
株，
日亜化学工業

まてりあ60巻 7 号446頁またはホームページ→講演大会→お知らせ

問合せ・照会先(公社)日本金属学会

講演大会委員会宛

株，東邦チタニウム
株，
DOWA ホールディングスEmail: stevent＠jim.or.jp

株 UACJ 他
 0222233685(公社)日本金属学会
 0222233685

Email: secgnl＠jim.or.jp

公益社団法人日本金属学会「年度若手研究グループ」申請募集
第回 World Materials Day Award 募集中止の案内
申請締切年月日(水)新型コロナウイルス感染の状況を考慮し， 2021 年秋期講

若手および調査・研究事業を活性化することを狙いとし演大会( 2021 年 9 月 14 日～ 9 月 17 日)は，オンラインで開催て，若手主体の研究グループを 2018 年度より設置しておりいたします．

ます．若手研究グループの登録申請を希望される方は下記を現地開催中止に伴い，World Materials Day Award 応募作
品の展示及び審査ができないため，作品の募集を中止いたし参照の上，若手研究グループ申請用紙でお申込下さい．(申請用紙はホームページよりダウンロードして下さい)

ます．何卒ご理解下さいますようお願い申し上げます．
【実施要領】


年春期講演大会 企画シンポジウム
テーマ提案募集

概

要研究会又は新規研究テーマの開拓に向けた課題の抽出や目標の明確化のための調査の実施や構成員による討論会や会議の開催等を行なう．
目的・目標・活動計画を明確にし，機関誌等で提案期限年月日(火)の活動報告を義務化した上で，活動費を支給す
る．

最新の研究や技術を発信し，多くの研究者・技術者が集い

 対 象 者申請者および構成員は 40 才以下の研究者であ交流する魅力ある講演大会を目指して， 2017 年秋期講演大ること．申請代表者は正会員であること．

会より企画シンポジウムを実施しています．従来の公募シン

申請時には，構成員は 5 名以上であり，非会ポジウムとは違い，企業の方に積極的に講演頂くため，講演員を構成員とすることができるが，過半数は正概要原稿の提出は問いません．講演発表は，一般(応募)講演

会員であること．

枠は設けず，依頼講演および基調講演に限定いたします．
次の要領をご参照のうえ，活発な討論が期待できる有益なテーマおよび他学会との連携企画等積極的にご提案下さい．
(提案様式はホームページよりダウンロードして下さい)構成員に最低 1 名は産業界のメンバーが入っていることが望ましい．
活動開始時には，非会員の構成員は会員になる
こと．

本 会 記 事活 動 費

年間50万円を上限とする．(税金分を含む)

 活動期間

2022 年 3 月 1 日～ 2024 年 2 月 28 日の 2 年間とし，原則として延長は認めない．



研究会の審査調査研究委員会で 1 次審査をし，理事会で最終審査を行う．

 活動報告研究成果報告として，講演大会において講演

審査基準
学術貢献出来る研究会が望ましい．

(若手研究グループの企画セッション等が望ま

類似の研究会に属しない．

しい)を行う．

構成員は適切か．

1 年経過後および活動終了後に報告書を調査研そのテーマの研究会が必要か．

究委員会に提出する(必要な場合は説明頂く)．

研究会活動期間中に講演大会公募シンポジウムや金活動終了後，6 ヶ月以内にまてりあに研究会の活動に関する記事を投稿する．

属学会シンポジウムを計画しているか．


現在活動中の研究会の留意事項＊まてりあ記事掲載種別は「最近の研究(6～8 2022 年 2 月に終了する研究会で，過去に継続(延長)頁)」とし，研究会の活動および学術的な研究の申請をしている研究会は，現在の活動期間で終了と成果を含む内容とする．報告数が複数件の場合なります．
 2022 年 2 月に終了する研究会で，これまで継続(延は，特集企画としてまとめて掲載をする．
 採択件数2022年度の採択数は 5 件以内とする．
長)の申請をしていない研究会は，1 期 3 年の継続(延 応募方法名称，申請代表者，構成員，申請理由，活動の長)の申請が出来ます．ただし，研究会の審査により2 件以内の採択となります．

概要，活動計画，予算，成果の報告予定，関連分野を記載した申請書を提出する．
詳


細




問合・申請先まてりあ60巻 7 号447頁またはホームページ

 申請・問合先

下記宛 E mail で送信して下さい． 2,
3 日過ぎても受理返信通知のない場合はご連絡下さい．

申請書を下記 E mail アドレスに送信して下さい．2, 3 日過ぎても受理返信通知のな(公社)日本金属学会

い場合はご連絡下さい．

Email: stevent＠jim.or.jp(公社)日本金属学会

 0222233685

若手研究グループ係Email: stevent＠jim.or.jp

研究会係

 0222233685

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公益社団法人日本金属学会「研究会」新規・継続更新申請募集

機関( IP アドレス)認証による電子ジャーナルのご購読が可能となっております．是非ご利用下さい．

申請締切年月日(水)対 象 誌
研究会の登録を希望される方は研究会実施要領および下記
規則をご参照の上，お申込下さい．
新規申請の研究会は新規申請用紙，継続延長申請の研究会

日本金属学会誌，Materials Transactions

年間購読料金

別途お知らせいたします．お問合せ下さい．

対象期間

大学類，独立行政法人，企業等

問合せ先〒1050022 東京都港区海岸 1918
国際浜松町ビルは継続更新申請用紙でお申込下さい．(申請用紙はホームページよりダウンロードして下さい)

丸善雄松堂株式会社
学術情報ソリューション事業部
外国雑誌・e リソースセンター【実施要領】
研究会の目的FAX 0363676184%

研究会は先端領域又は学術領域における研究 0363676114

会を効率的に推進するために活動することをEmail: eproj＠maruzen.co.jp

目的とする．



年間運営費




活動期間

100,000円

新規申請の場合 1 期 5 年間以内，継続更新の場合は，延長期間 1 期 3 年以内．
最長活動期間は 2 期 8 年以内



新規申請書の内容◇◇◇

 研究会名称，◯ 活動目的，◯活◯ 代表世話人，◯
 世話人
動期間，◯
 構成員名簿(複数可)，◯



継続更新申請書の内容

 研究会名称，◯
 継続理由，◯

 延長期間，◯ 代表世話人，◯
 世話人，◯
 構成員，◯
◯ 今後の活動計画書
これまでの成果報告，◯



年間採択数

新規 2 件以内，継続(延長)申請は 2 件
以内

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan永年会員制度について
特集企画の投稿募集

本会では長年にわたり本会の発展に尽された会員の労に報いるため，永年会員制度を設けております．自己申告制となっておりますので，該当すると思われる方は，はがき，
FAX 又は E mail にて会員番号，生年月日およびおおよその入会年を記入の上，本会事務局宛お問合わせ下さいますよ
うお願いいたします．
申し出られた方について調査確認し，該当者については理事会に諮り，承認の上ご案内申し上げます．
永年会員制度会員歴が継続して 40 年以上でかつ満 71 才以上の会員に対し「永年会員」の称号を贈る．
永年会員は正員会費を免除する．

受付締切

毎年 9 月30日

永年会員資格付与
問合先

毎年 1 月 1 日(公社)日本金属学会

 0222233685〒9808544 仙台市青葉区一番町 11432
Email: member＠jim.or.jp

終身会員制度について入会歴が 40 年に満たないために永年会員となっていただ
けない方に，満 60 歳以上満 65 歳以下の会員が 70 歳までの会費を前納いいただくと終身会員の称号を贈り，以降の会費を免除いたします．前納会費の額は 70 歳までの会費の総額に比べて割安となっておりますので，ぜひご利用下さい．
年齢(2022年 1 月 1 日時点)

前納会費 (70歳までの通常会費)

60歳80,000円(110,000円)

61歳

70,000円(100,000円)

62歳

65,000円(90,000円)

63歳

55,000円(80,000円)

64歳

50,000円(70,000円)

65歳

40,000円(60,000円)■Frontier Research on Bonding and Interconnect
Materials for Electric Components and Related
Microprocessing ―Part III―(電子実装材料およびそれらの微細加工技術に関するフロンティア研究―Part―)Society 5.0の実現を支える各種電子機器や電子部品に使用される配線・実装・マイクロ接合材料には，銅，アルミニウ
ム，ニッケル，金，錫などの金属材料から導電性接着剤にいたるまで様々な材料が利用されている．電子部品の接合用材料として主として使用されてきたはんだ材料は，鉛フリーはんだの普及が進み，一般的な電子機器への適用が進められた．また，配線および電極材料には，微細めっき技術が適用されてきた．これらの材料については，車載用デバイスやパワー半導体用などのより高温環境への対応が求められている．そのため，高温鉛フリーはんだ，銀ナノペースト，液相拡散( TLP )接合材，導電性接着剤などの候補材料の研究開発が進められている．また，実装材料の多様化に伴い，生成する異相界面における機械的・熱的・電気的特性の調査，それらの特性の損失評価，界面における物理化学的現象および信頼性評価に関する研究も重要になっており，異相界面科学の研究も進められている．さらに， 2.5D / 3D 実装，プリン
ティッドエレクトロニクスおよび微小電気機械システム( MEMS )に使用される材料やそれらの微細加工も電子部品の実装には欠かせない技術となっている．これらの背景を踏
まえ，本特集では，電子実装材料およびその接合・微細加工に関する最先端の研究およびオーバービュー論文を広く募集する．内容としては，以下のものを想定している．
電子実装材料の材料組織および諸特性接合および積層界面の構造および界面の特性と信頼性
界面における物理化学的現象
 2.5D / 3D ， プ リ ン テ ィ ッ ド エ レ ク ト ロ ニ ク ス お よ び
MEMS 用材料およびその微細加工技術
電子実装材料に関する理論・計算・シミュレーションなどの研究
上記テーマに関する特集を，Materials Transactions 63巻
6 号(2022年 6 月発行)に予定しております．多数ご投稿下さいますようお願いいたします．

ご希望される方は，月日までに，氏名，会員番号，生年月日を添えて下記連絡先にご連絡下さい．前納会費の請求書をお送りします．
問合先(公社)日本金属学会
 0222233685

会員サービス係Email: member＠jim.or.jp

掲載予定号第63巻第 6 号(2022年)
原稿締切日2021年12月20日
投稿に際しては，日本金属学会欧文誌投稿の手引・執筆要領(本会Webページ)に従うこと．
通常の投稿論文と同様の審査過程を経て，編集委員会で採否を決定する．
著者は，投稿・掲載費用をご負担願います．
問合せ先



〒9808544 仙台市青葉区一番町11432(公社)日本金属学会 欧文誌編集委員会
 0222233685 %FAX 0222236312
Email: editjt＠jim.or.jp
https://jim.or.jp/

本 会 記 事

第回公益社団法人日本金属学会技術開発賞「新技術・新製品」記事募集
応募締切2021年11月 1 日(月)［本賞の趣旨］
本会は創意あふれる開発研究を推奨する目的で，金属工業に関する独創性に富む新技術・新製品の技術開発に優れた実績を収めた技
術者に対し，本賞を授賞するものである．
(注 1)本賞は，当該年度の日本金属学会会報「まてりあ」“新技術・新製品”の欄に掲載された記事が，選考対象となる．

技術開発賞募集要綱
.
.



賞の名称 第回公益社団法人日本金属学会技術開発賞対象となる業績と区分など
次の部門およびそれらにまたがるものとする．
 材料基礎技術部門 ◯ 素材製造・評価技術部門◯
 素材応用技術部門 ◯ 新素材開発部門 ◯
 その他
◯

 評価は次の諸点について行われる．
 独創性のある技術か◯ 技術，システムあるいは製品に関する有用な発明，考◯案，改良(有用性)であるか
 技術上の問題解決に役立ち，あるいは新製品の開拓をさ◯らに促す可能性(将来性)があるか
 新技術・新製品の開発に優れた実績があるか◯
 生産実績や適用実績はあるか◯ いわゆる「金属」のみでなく，その周辺の材料，例えば
燃料，耐火物，半導体，複合材料等に関するものでもよい．
 応募の時点で，他の公募制の褒賞(発明協会賞，大河内賞
など)を受けていない斬新な主題であることが望ましい．
. 応募者の条件
 1 件につき10名以内のグループまたは個人

直接開発に関与した技術者であって，単なる職制上の管理者や代表者を含まないことが望ましい．
. 選考
 受賞者の選考は選考委員会で行う．選考委員は本会理事
会が毎年選任し，会長が委嘱する．
 理事会が授賞該当無しと認めた場合は，その年度は授賞

しない．
 選考に当たって，特許係争等が問題となった記事は授賞対象から除外する事がある．
. 授賞
 2022年 6 月末日までに受賞者を内定する．
 2022年秋期講演大会において授賞する．
 受賞者には賞状と副賞(楯)を贈呈する．受賞者が非会員
の場合には，1 年間の会員資格を与える．
. 技術開発賞受賞記念講演
技術開発賞受賞をより意義深いものとするため，受賞記念講演をお願いする．
第 45 回の受賞記念講演は 2022 年秋期講演大会( 9 月予定)の折りに行う．
. 受賞決定までの流れ
応募(11月 1 日締切)→まてりあ掲載(61巻(2022年)1 号から)→選考・受賞決定(2022年 6 月)→授賞(2022年 9 月)

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan

まてりあ「新技術・新製品」記事への応募の方法
.





応募・原稿締切
2021年11月 1 日(月)申し込み受理順を参考に会報「まてりあ」に第 1 号から第 3 号まで(予定)掲載する．
. 応募記事は編集委員会の査読を経て，日本金属学会会報「まてりあ」に掲載する．
掲載記事が技術開発賞の選考対象となる．
掲載が決まった場合には，刷り上がり 1 ページ当たり
28,000円の投稿料を納入すること．
ただし，掲載号 1 冊，掲載記事の PDF ファイル，別刷
100部を無料とする．
. 応募記事の記述に当たっては，次の各項に留意されたい．
 社名，商品名その他，商業用呼称を用いることは差し支
えないが，その内容が一般に理解できるよう説明を付す
こと．
 know how に属する事項を記述する必要はないが，新
技術・新製品の特色などが理解できるようなデータを含めること．
 現在までの実績，経済性，特許関係など「技術開発賞」

選考に参考となる項目をなるべく含めること．
 特許関係等についての記述は十分に注意すること．
. 原稿作成について
 原稿は本文，図(写真)および表を含めて刷り上がり 3
頁以内(約6,700字)とする．
 原稿は図・表の説明を含めて全て日本語とする．物理量
の単位はなるべく SI 単位系による．
 原稿はレイアウトの体裁にあわせて作成する．
 応募は，下記 Web サイトから申込む．

URL https://gijutsu.jim.or.jp/entry
ホームページから直接入力→原稿を Zip 形式ファイルでアップロード→受理 mail の発行→受付完了．
原稿ファイルの提出本文，図表，レイアウトを別個に作成し，Zip 形式でまとめる．
 レイアウト用紙(Web サイトにてダウンロード可能)◯
 図(写真)・表◯
図と写真は区別せず図 1，図 2…のように，表は，表1，表 2…のようにそれぞれ通し番号とする．
写真にはスケールを入れる．
それぞれキャプションを付すること．
(記述は横軸・縦軸・説明も含め全て日本語とする）
カラー原稿にはカラー印刷の有無を必ず明記する．
カラー印刷は刷上り 1 頁あたり 35,000 円を著者が負担する．
. 掲載された記事の著作権を本会に委譲すること．
. まてりあ一般記事の要領に従うこと．(まてりあ掲載「新技術・新製品」記事を参考にすること)
. 提出資料
 レイアウトされた原稿 ◯ 本文テキスト ◯ 図表原稿◯ ～◯ のデータファイル(Zip 形式でアップロードする）
◎◯

.

.

申込・送信先(公社)日本金属学会各賞係
 0222233685 Email: award＠jim.or.jp｢新技術・新製品」記事の問合先Email: materia＠jim.or.jp第回金属組織写真賞作品募集

Web フォームによる申込です～

とっておきの作品(一枚)を後世に～

応募期間年月日(月)～月日(月).

募集部門
下記 4 部門で行う．
各部門とも試料，方法，結果などにオリジナリティーのある高い学術的価値が認められるもの，試料処理，写真処理他において技術的価値が高く，また，オリジナルな技術が含まれるもの，教材や写真集の編集などの際に利用できるような典型的な組織写真であるものを選考対象とする．
それぞれ，優秀賞および奨励賞作品を選考授賞し，各部門の優秀賞から特に優れた作品について最優秀賞を贈る．ただし，該当する作品がないときは授賞しないことがある．

 技術的価値(試料，試料作製，写真処理において新規◯性，独自性について記入)
◯組織写真の価値(組織写真作品としての新規性や優れた点など，特記事項を記入)
 材料名◯
 試料作製法◯
 観察手法◯
作品の出典(作品はオリジナルまたは本会帰属の写真で◯使用許可のあるものに限る．）
応募者・共同研究者
◯

連絡先
◯

「写真賞部門」
.

光学顕微鏡部門

.

走査電子顕微鏡部門(分析，EBSD 等を含む)

.

透過電子顕微鏡部門(STEM，分析等を含む)

.

顕微鏡関連部門(FIM, APFIM, AFM, X 線 CT 等)

注光学顕微鏡と透過電子顕微鏡写真，走査電子顕微鏡と透過電子顕微鏡写真等の組写真を応募する場合，応募者が最も適切と判断する部門を選択する．

.

申込要領
応募は，下記 URL の申込フォームにより説明文を入力し，写真作品データを提出する．
URL https://picture.jim.or.jp/entry【申込フォーム】
 応募部門4 部門の該当する部門を選択する．
◯
 題目◯
 作品の説明◯ 学術的価値(新規性，波及効果について世界の情勢に照◯らして記入)

【写真作品】
 写真データの解像度は， A2 版サイズを前提に 400 dpi◯
以上とする．
 写真データは PDF または画像ファイル( jpg など)で提◯出すること．(それ以外はプレビュー表示出来ない)
 写真と図の組み合わせでも提出は可(写真，図への挿入◯
文字は小さすぎないこと)．
 作品には，応募者名，共同研究者名を記載しない．
◯
 応募作品数には制限を設けない．
◯
 他学協会等の同様の賞を受賞してない作品であること．
◯
送信・問合先〒9808544 仙台市青葉区一番町 11432(公社)日本金属学会 金属組織写真賞係
 0222233685 %FAX 0222236312
Email: award＠jim.or.jp
URLhttps://picture.jim.or.jp/entry

本 会 記 事◇理化学研究所 主任研究員公募◇
公募人員〈公募類記事〉
無料掲載募集人員，締切日，問合先のみ掲載．
有料掲載1/4頁(700～800文字)程度．
「まてりあ」とホームページに掲載15,000円＋税ホームページのみ掲載
10,000円＋税〈その他の記事〉 原則として有料掲載．
原稿締切・掲載号毎月 1 日締切で翌月号 1 回掲載
原稿提出方法電子メール(受け取りメールの確認をして下さい)原稿送信先%FAX 0222236312 Email : materia＠jim.or.jp

公募

主任研究員名(以下の分野の研究室主宰者，
各名)

新しい科学の創出をめざす有機化学
新しい科学の創出を目指し，物質創生の観点から理研発の革新的な基礎反応や合成技術，機能分子などを開発する新規研究室を主宰していただきます．有機物と無機物の境界も含む幅広い分子群を対象にした，既存の方法や概念と異なる発想による研究を期待します．
持続可能社会のための広義の無機化学
持続可能社会の実現に向けて，物質創生の観点から理研発◇龍谷大学先端理工学部(教授・准教授・講師)公募◇
公募人員

教授，准教授あるいは講師 名所

応用化学課程属の革新的な物質群や機能を開発する新規研究室を主宰していただきます．有機物と無機物の境界も含む幅広い物質やシステムを対象にした，既存の方法や概念と異なる発想による研究を期待します．

専門分野

無機・セラミックス系分野

担当講義

特別研究(学部生・大学院生の研究指導)，アドバ
採用された方には，開拓研究本部の主任研究員として，長ンスト物理学，半導体材料，エネルギー変換工

期的ビジョンに基づき自らの研究を自由に推進するととも学などの予定
応募資格

1)

博士の学位を有し(着任時までに取得見込みの方を含む)，教育と研究に熱意のある方

2)

所

属

理化学研究所開拓研究本部(埼玉県和光市)

応募資格

着任時期

2022年 4 月 1 日(予定)任

任期なし，定年は教授の場合68歳

応募書類ていただきます．

大学院生の研究および論文作成の指導ができる方

期に，研究分野や組織の壁を超え，新たな科学の創成を目指し

すぐれた研究業績を有し，上記研究分野を国際的に牽引する実力のある方．国籍不問．

任1)

履歴書(様式 1，写真貼付)

2)

教育業績・職務実績書(様式 2)，研究業績書

無期雇用職員( 60 歳定年)． 65 歳までの再雇用制

期度あり．審査を経ることで， 65 歳まで研究室を主宰し続けることが可能です．

(様式 3 ，著書や論文などカテゴリに分けて3)

2021年 9 月22日(水)正午

応募締切

記載して下さい)そのほか，詳細及び応募方法は，以下の URL で

主要論文別刷り( 5 編以内，コピー可，各 3

ご確認下さい．

部)
4)

現在までの研究概要(様式 5 ，図表を入れて

有機分野
https: // www.riken.jp / careers / researchers / 20210623 _

2000字程度)
5)

無機分野

度)
6)

2/index.htm

教育と研究に関する抱負(様式 6， 1000字程

https: // www.riken.jp / careers / researchers / 20210623 _本人に関する所見を求めうる人(二人)の氏

1/index.html

名・所属および連絡先
書類送付先〒5202194 滋賀県大津市瀬田大江町横谷 15
龍谷大学先端理工学部応用化学課程
課程主任

藤原

学

集会

＊封筒の表には「助教応募書類」と朱書し，簡易書留にて郵送して下さい．

◇レアメタル研究会◇

応募期限 年月日(火)必着
問合せ先

応用化学課程 課程主任

教授

藤原

学

 0775437472
Email: fujiwara＠rins.ryukoku.ac.jp

待遇などの詳細は直接メールにてお問合せ下さい．
書式(様式)については，
https: // www.ryukoku.ac.jp / employment / index.
html よりダウンロードして下さい．

■主催

レアメタル研究会■主 宰 者

東京大学生産技術研究所

教授

岡部

徹

■協

力

(一財)生産技術研究奨励会(特別研究会 RC40)■共催

東京大学マテリアル工学セミナー
レアメタルの環境調和型リサイクル技術の開発
研究会
東京大学生産技術研究所 持続型エネルギー・
材料統合研究センター
東京大学生産技術研究所 非鉄金属資源循環工
学寄付研究部門(JX 金属寄付ユニット)

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan




■協

賛

(公社)日本金属学会

■開催会場

他

東京大学生産技術研究所
ンションホール

午後 200～
An 棟 2 階コンベ

司会〒1538505 目黒区駒場 461(最寄り駅駒場東大前，東北沢，代々木上原)

生産技術研究所

付研究部門

特任教授

非鉄金属資源循環工学寄岡部徹

講演(各35分＋5 分質疑応答)(敬称略)■参加登録・お問い合わせ
岡部研

東京大学

ニッケルやコバルトを中心とする資源の調達や国の戦略等

レアメタル研究会事務担当

宮嵜智子

について

(okabelab＠iis.utokyo.ac.jp)

経済産業省

資源エネルギー庁

資源・燃料部

鉱物資源課長

2021年度

レアメタル研究会等の今後の予定■第97回

2021年 9 月10日(金)■第98回

2021年11月 5 日(金) (2021年度

ニッケルやコバルトの資源状況や探査の潮流について(6.11現在)

第 3 回)

資源探査部探査第一課

課長

吉川竜太

ニッケルやコバルトの製造と市場について(関連シンポジウム寄付ユニット特別シンポジウム

住友金属鉱山株式会社

2021年11月26日(金))金属事業本部

ニッケル営業原料部長(会場 SHIBUYA QWS (渋谷キューズ)を予定会場変丹羽祐輔

電池ビジネスの課題と戦い方（仮）更の可能性あり)プライム プラネット エナジーソリューションズ株式会社

2022年 1 月 7 日(金) (2021年度

第 4 回)

代表取締役社長★貴金属シンポジウム(第 9 回)＋新年会★(合同開催)■第100回JOGMEC

独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構★チタン関係シンポジウム★(合同開催)

■第99回

小林和昭

2022年 3 月11日(金)(2021年度

最終回)

モデレーター

東京大学

東京大学

生産技術研究所

生産技術研究所

特任教授

シニア協力員黒川晴正
中村崇

午後 600～■第回 年月日(金) ～An 棟 2 階好田博昭〈パネルディスカッション〉

研究交流会・意見交換会(←Web での開催を企画予定)

コンベンションホール

★リアル講演会＋講演のネット配信( Zoom

Webinar研究会ホームページ

&YouTube)のハイブリッド研究会

https://www.okabe.iis.u-tokyo.ac.jp/japanese/index_ j.html

テーマニッケルやコバルトの現状，将来

◇

◇

統計力学

◇

講義ノート
掛下知行

福田

隆

寺井智之 共著

統計力学は系の平衡状態における巨視的な状態を電子，分子，光

動子を 3 つのアンサンブルを使って解く例が示されている．第13～子といった粒子の振る舞い(微視的状態)を記述する物理法則から導15回では基礎的な演習問題が解答付きで掲載されている．ここではき出す学問である．現象論的な熱力学の法則を力学の原理から導く

2 原子分子の振動運動の分配関数を用いて振動エネルギーと熱容量ことを一つの目的としている．

を求めること，系の回転に関する分配関数を用いてヘルムホルツ自本書は材料系の学部 3 年生が習得する統計力学の内容を15回に分由エネルギー，比熱，エントロピーなどを量子論から導くことがでけて講義ノート形式でわかりやすく説明している．統計力学は大学

きる．このような平衡状態における巨視的状態を，体積，粒子数，で習う他の物理系科目とは少し異なり，問題を解けるようになるだ

温度，エネルギーといった熱力学変数により記述することは，物けでなく，概念を文章と式を使って自分で説明できるようになる必

質・材料の研究に取り組む読者にとって有益であると思う．また本要がある．著者がまえがきで述べているように，物理量の時間平均

著は全体を通して式展開が省略されることなく詳細に記載されていがアンサンブル(集合)平均に置き換えられる概念や，3 つのアンサ

るため，読者が手を動かして計算を確かめながら読み進められるよ

ンブルの違いにより統計的な計算方法が異なる点など，習得するのうに配慮されている．授業や輪講で熱力学と統計力学との対応(熱に最初は誰でも苦労するのではないかと思う．私も十数年前に統計力学量の物理的意味)を伝える際に特に本書をお薦めしたい．

力学の授業を受けた際は，後半で分配関数を使って具体的に物理量(熊本大学大学院先導機構/熊本大学先進マグネシウムを導出できるようになってから，学習が楽しくなった記憶がある．

国際研究センター

本書ではミクロカノニカル，カノニカル，グランドカノニカルという 3 つのアンサンブルでの統計的な計算方法の違いについて理解(2021年

A4 版

内田老確圃

170頁

圓谷貴夫)

2800円＋税)が進むように，第 1 回で概略を説明し，その後，理想気体と調和振

本 会 記 事NO ＋ CO Reaction on Polycrystalline Palladium
Foils with Specific Surface Crystallographic
Orientation: A New Approach to Develop Foil
Catalysts Based on Texture Control

日 本 金 属 学 会 誌 掲 載 論 文Vol. 85, No. 8（2021）―特集「貴金属のリサイクル関連技術の最前線II」―

Kenta Hayashi, Satoshi Kameoka and An-Pang Tsai
Mechanics of Materials

特集「貴金属のリサイクル関連技術の最前線II」によ谷ノ内勇樹 岡部 徹
せて（Preface）
株 における貴金属・レアメタルのリサイクル
JX 金属
佐々木康勝 大塚教正
（レビュー）
株 アステック入江における都市鉱山からの資源回収高橋宏幸 井上英二 井上信宏
（レビュー）
小森裕司

古西政和

野田瑞季

水江太一

株 における貴金属材料とリサイクル（レビュ松田産業
鈴木岳彦 仲野幸健 萱沼義弘 新藤裕一朗
ー）

白金族金属リサイクル技術の開発動向易溶化プロセスと物理濃縮プロセス（レビュー）
谷ノ内勇樹

岡部

徹

貴金属の溶解及び溶存錯体の同定に関する研究動向
鈴木智也 粕谷 亮 成田弘一
（レビュー）
貴金属のアノード電析を用いた新規リサイクル手法
大内隆成 岡部 徹（レビュー）

Materials Transactions 掲載論文
Vol. 62, No. 8（2021）―Regular Article―
Materials Physics

Segregation of Carbon in a-Fe Symmetrical Tilt
Grain Boundaries Studied by First-Principles
Based Interatomic Potential
Thi Dung Pham, Tien Quang Nguyen, Tomoyuki Terai,
Yoji Shibutani, Masaaki Sugiyama and Kazunori Sato
Microstructure of Materials

Interfacial
MicrostructureandMechanical
Properties of Fluxless Arc Brazing of AluminumAlloy to Steel with the Aid of Milling
Wei Cong, Huibin Xu, Yongqiang Deng, Pengyu Gao,Song Tang, Pan Tan and Xiaxia Chen

Effect of Vanadium Contents on Microstructure
6Al
xV Compoand Mechanical Properties of Ti
nents Produced by Wire ＋ Arc Additive Manufacturing
Feipeng An, Binbin Zhang, Yangyang Yan and Lin Wang

Ex-Situ Electron Microscopy Study of Solid Electrolyte Interphase Formed by Charge-Discharge
Reaction of Silicon Negative Electrode in LithiumIon Secondary Battery

Evaluation of Non-Basal Slip Activity in Rolled
Haruka Miyano, Keisuke Takemoto,
Li Alloys
Mg
Masayuki Tsushida, Hiromoto Kitahara and Shinji Ando

Interfacial Properties of Bonded Dissimilar
Materials Fabricated via Spark Plasma Sintering
Tomoyuki Fujii, Keiichiro Tohgo, Kenta Goto andYoshinobu Shimamura

Dislocation Cell Structures Formed inside Dislocation Channels of Rapid-Cooled and TensileDeformed Aluminum Single Crystals
Shinnosuke Tsuchida, Kazushige Tokuno,
Masatoshi Mitsuhara, Ryoma Fukuoka, Ryo Tsuboi,
Junji Miyamoto and Masahiro Hagino

Numerical Simulation and Fatigue Properties ofLaser Spot Weld-Bonding DP590 Dual-Phase Steel
Junqian Zhao and Kai Zeng
Joints
Prediction of Work-Hardening Behavior under
Various Loading Paths in 5083-O Aluminum Alloy
Sheet Using Crystal Plasticity Models
Takayuki Hama, Ryota Namakawa, Yasuhiro Maeda andYasushi Maeda

Effect of Hydrogen on the Notch Tensile Strengthof JIS SNCM439 SteelHironobu Arashima and Satoru Masada
Materials Chemistry

Reduction of Volatile Impurities in Zinc Chloride
Melt with Metallic Iron and Its Effect on Vacuum
Separation Behavior
Gen Kamimura and Hiroyuki Matsuura

Microstructure and Joint Strength of Magnetic
Pulse Welded Aluminum/Aluminum-Coated Steel
Joint
Mitsuhiro Watanabe, Yusei Kawamura and Shinji Kumai

Improving the Pitting Corrosion Resistance ofAA1050 Aluminum by Removing Intermetallic
Particles during Conversion Treatments
Hiroshi Kakinuma, Izumi Muto, Yoshiyuki Oya,
Takahiro Momii, Yu Sugawara and Nobuyoshi Hara
Materials Processing

Development of Strip Lateral Movement Simulator
for Temper Rolling
Shinichiro Aoe, Takuya Kitamura, Tomoyoshi Ogasahara
and Masaru Miyake

Yutaka Shimauchi, Sachi Ikemoto, Shigekazu Ohmori and
Takaomi Itoi

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan

Amorphization at the Welded Boundary between
5052 Aluminum Alloy and Zirconium by Friction
Stir Diffusion Bonding

Producing CrFeCoNiSi-Based High Entropy Alloyby Spark Plasma Sintering
Hiroaki Nakajo and Akio Nishimoto

Tokujiro Yamamoto, Takashi Kodama,
Yoshimasa Takayama and Hideo Watanabe

Effects of Thermal Aging on the Mechanical
Properties of FeCrAl-ODS Alloy Claddings

Experimental and Numerical Analyses of Wavy Interface Formation and Local Melting Phenomena
at the Magnetic Pulse Welded Al/Fe Joint InterJiedi Li, Shinji Muraishi and Shinji Kumai
face

Yasuhide Yano, Takashi Tanno, Satoshi Ohtsuka,
Takeji Kaito and Shigeharu Ukai

Change in Electrical Resistivity inProcessed by Accumulative Roll Bonding

Influence of Free Nitrogen on Tendency of Chill
Formation in Spheroidal Graphite Iron Castings

NickelYoji Miyajima, Taro Ueda, Hiroki Adachi and
Toshiyuki Fujii

Haruki Itofuji, Yutaka Miyamoto and Masayuki Itamura

Environment

Recycling of Steelmaking Slag in Seawater as an
Iron Supplier: Effects of Slag Composition, Carbonation and Usage of Gluconic Acid

Engineering Materials and Their Applications

Swelling-Pressure and Hydraulic Conductivity ofCompacted Clays Focusing on the Clay-Mineral
Masanori Kohno
Type

Xiao Yang, Yuta Sakurai, Yuta Hisaka andFumitaka Tsukihashi

Effect of Si Concentration of a Brazing Precursor
on the Bonding Strength of Aluminum Foam
Bonded via Foaming Bonding―Technical Article―
Evaluation of Hydrogenated Amorphous Silicon
Oxide Photo-Absorber from Quantum Efficiency
in Thin-Film Solar Cell by Fourier Transform Photocurrent Spectroscopy

Ryosuke Suzuki, Yoshihiko Hangai, Yusuke Asakawa,Ikuo Shohji, Hidetoshi Fujii and Masaaki Matsubara

Magnetic Properties and Magnetic Domain ObserFeB Sintered Magnets Treated byvation of Nd
Al CoGrain Boundary Diffusion Process with Dy
Masaru Uenohara, Hiroaki Nishio,
Sorption

Nur Syazwana Abd Rahman, Kento Matsui,
Shigeru Yamada and Takashi Itoh

―Current Trends in Research―
Recent Development of Joining and Conductive
Materials for Electronic Components

Kentaro Toyoki, Yu Shiratsuchi, Ryoichi Nakatani and
Ken-ichi Machida

Tatsuya Kobayashi and Tetsuya Ando

Reduction of Spatter Generation Using Atmospheric Gas in Laser Powder Bed Fusion of Ti
Hiroki Amano, Yusuke Yamaguchi,
6Al
4V

Erratum
Announcement

Takuya Ishimoto and Takayoshi Nakano◇

まてりあ［金属素描］No. 18

◇

◇

第
巻号

予告

ニオブ

特集「IoT 時代における熱電材料の深化と先鋭化」＜一般＞［講義ノート］金属製錬の熱力学(第 3 回)………………………………東大名誉教授 月橋文孝



［新 進 気 鋭］極細ピアノ線の高強度化に有効なメゾスケール構
造とミクロ組織 …………………物材機構 権藤詩織
―他―

―編集の都合により変更になる場合もございます―

本 会 記 事(2021年 5 月21日～2021年 6 月21日)

正

員

今西功一
遠藤孝志
学

生

株式会社神戸製鋼所
新日本電工株式会社

小林
真
館山慶太

核融合科学研究所

楠
和樹
久世大起
國枝真衣
久保瑛史
江目皓祐
木暮明勇輝
小島和也
小林直登
西條陽斗
崎
啓人
澤田
渉
菅原大空
椙岡桐吾
鈴村隆介
高井智史
高尾
陸
高岡大晴
高橋興世
武田慎弥
舘
佳純
谷川慎太郎
川皓太
出口
岬
寺田圭汰
豊岡優理
中川魁人
中澤公佑
中島美里
永田美豊
中西
翔

大阪大学

韓

久慧

東北大学

長山航平
南部洸太
西尾翔太
馬
天沢
原
智也
平岡貴行
平野拓馬
福田賢人
古田侑希
別所幹太
星崎航太朗
星原暁天
増永隆佑
松尾優太朗
松尾祐哉
松原立樹
松本愛香
松本
流
緑川壱丸
村上
諒
門田優哉
八島航平
山崎和太郎
山崎康平
山崎涼太
山本真央
渡邉大樹
渡會和己

弘前大学

株式会社神戸製鋼所

員

MOREAU Louis 国立研究開発法人物質・材料研究機構
赤谷
一 東北大学綾
健 太 九州大学
荒 木 祐 一 熊本大学
安 藤 一 斗 東京工業大学
安 藤 滉 基 同志社大学
安 野 利 希 大阪府立大学
伊 井 駿 登 龍谷大学
猪 飼 一 輝 関西大学
五十嵐 直 富山県立大学
石 原 歩 樹 大阪市立大学
入 江 俊 介 関西大学
岩井
廉 関西大学
岩 田 拓 也 芝浦工業大学
岩 村 和 哉 鹿児島大学
浦 方 政 典 秋田大学
遠藤良 北見工業大学
大 澤 雅 弥 北海道大学
大住崇一郎 熊本大学
大 西 隆 文 芝浦工業大学
岡 田 和 也 関西大学
岡 野 直 輝 名古屋大学
押 切 智 哉 北海道大学
尾 中 朱 莉 鹿児島大学
垣 花 久 遠 大阪市立大学
笠 原 大 樹 関西大学
楫 本 竜 生 関西大学
加 藤 謙 吾 大阪大学敖康 薇 東京工業大学
久 郷 純 奈 筑波大学

富山県立大学
名古屋大学
群馬大学
東京大学
群馬大学
筑波大学
大阪大学
弘前大学
名古屋大学
北海道大学
長岡技術科学大学
群馬大学
弘前大学
北海道大学
熊本大学
鹿児島大学
関西大学
北見工業大学
北見工業大学
近畿大学
九州大学
九州大学
京都大学
筑波大学
金沢大学
芝浦工業大学
熊本大学

九州大学
関西大学
九州大学
九州大学
関西大学
芝浦工業大学
早稲田大学
関西大学
関西大学
東北大学
富山県立大学
熊本大学
東北大学
群馬大学
九州大学
高知工科大学
香川大学
早稲田大学
東北大学
大阪大学
九州工業大学
北海道大学
群馬大学
名古屋大学
芝浦工業大学
熊本大学
群馬大学

熊本大学
芝浦工業大学外国一般会員Bahador Abdollah 大阪大学
BOLYACHKIN Anton 国立研究開発法人物質・材料研究機構

Bulgarevich Dmitry 国立研究開発法人物質・材料研究機構
Chandiran Elango 東北大学

Chong Yan 京都大学
GUO BAOQI 京都大学

YOON Sungmin 名古屋大学
黄欧 瑾 大阪大学

宋趙

外国学生会員
A･K･ Srinithi 国立研究開発法人物質・材料研究機構
BORNOWSKY Lucille 東北大学◇

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan

◇

子碩
嘉

九州大学
広島大学

◇




行
開催日

事

カ

名称・開催地・掲載号


年月
第 71 回表面科学基礎講座「表面・界面分析の基
2 ～31
礎と応用」(Web 開催)

3～5

第27回結晶工学スクール(2021年)(Web 開催)

6

表面分析実践講座 2021 ～実践 最新走査電子
顕微鏡実習 実際の作業を通して身につける最新技術～(東京)192021茨城講演会(茨城大)19～20他

第43回安全工学セミナー(化学品を扱うプロセスの災害防止)(Web 開催)

23～25

第18回日本熱電学会学術講演会(Web 開催)

25～27

日本実験力学会2021年度年次講演会(弘前大)26, 9.2,
9.16
30～31

サマースクール 2021 「非線形有限要素法による
弾塑性解析の理論と実践」(Web 開催)
第 37 回初心者のための疲労設計講習会( Web 開
催)

30～31

第51回初心者のための有限要素法講習会(演習付き)(神戸)


年月
第24回 XAFS 討論会 (Web 開催)
1～3

1～3
2～4

日本セラミックス協会第 34 回秋季シンポジウム(Web 開催)
第23回日本感性工学会大会(Web 開催)

レ

ン

主催

ダ

ー 太字本会主催(ホームページ掲載)
問合先

日本表面真空学会 TEL 033812
0266
office＠sssj.org
https://www.jvss.jp/jpn/activities/04/
detail.php?eid＝00009
応用物理学会TEL 0338287723 fukui＠jsap.or.jp
https://annex.jsap.or.jp/kessho
日本表面真空学会 TEL 033812
0266
kaiin＠jvss.jp
https://www.jvss.jp
日本機械学会関東 TEL 029438
5046
支部
ibakouen＠ml.ibaraki.ac.jp
安全工学会
TEL 0362062840
jsse2004＠nifty.com
https://www.jsse.or.jp/
日本熱電学会TEL 0642565530
jimu＠thermoelectrics.jp
http://www.thermoelectrics.jp/conference.
html
日本実験力学会
TEL 0172393553 annual21＠jsem.jp
http://www.jsem.jp/

定員
100名

TEL 0338688957 office＠jsces.org
http://www.jsces.org/
TEL 0757615321 jimu＠office.jsms.jp
http://www.jsms.jp/

8.10

日本計算工学会
日本材料学会
日本材料学会TEL 0757615321 jimu＠office.jsms.jp
http://www.jsms.jp/

日本セラミックス TEL 033662
5232 fall34＠ceramic.or.jp
協会
https://fall34.ceramic.or.jp/
日本感性工学会
TEL 0336668000 jske＠jske.org
https://www.jske.org/taikai/jske23
応用物理学会プラ TEL 053
4781064
ズマエレクトロニ matsui.makoto＠shizuoka.ac.jp
クス分科会
http://annex.jsap.or.jp/plasma/PE_files/PE_SS_2021/

第 15 回 プ ラ ズ マ エ レ ク ト ロ ニ ク ス ・ イ ン キ ュベーションホール(Web 開催)

8～9

KISTEC 教育講座「“つける”と“はがす”の新技術―分子接合と表面制御コース」（川崎）

神奈川県立産業技 TEL 044
8192033 manabi＠kistec.jp
術総合研究所
https://www.kistec.jp/learn/researcher/molecular-bonding/

8 ～10

2021年度工学教育研究講演会(信州大)10

第97回レアメタル研究会(リアル講演会＋Web 開催)(本号528頁)

13～17

第 9 回対称性・群論トレーニングコース(つくば)

日 本 工 学 教 育 協 TEL 035442
1021
会・川上
kawakami＠jsee.or.jp
http://www.jsee.or.jp/
レアメタル研究会 TEL 035452
6314
tmiya＠iis.utokyo.ac.jp
https://www.okabe.iis.utokyo.ac.jp/
japanese/index_ j.html
日本結晶学会TEL 0298645196
tyoshimi＠post.kek.jp
http://pfwww.kek.jp/trainingcourse/

14～16

2021 年 度 資 源 ・ 素 材 関 係 学 協 会 合 同 秋 季 大 会(Web 開催)
日本金属学会秋期講演大会(オンライン開催)(本号519頁)

資源・素材学会

17～18

SPring8 シンポジウム2021(Web 開催)

21～23

第34回計算力学講演会(Web 開催)

日本機械学会28

腐食防食部門委員会第338回例会(Web 開催)

日本材料学会29～30

第 7 回若手研究者および技術者のための高温強度講習会(Web 開催)

日本材料学会7～8



第55回 X 線材料強度に関するシンポジウム(Web
開催)

7.21

定員
60名

7.7

定員
60名

定員
20名

TEL 0334020541
info＠mmij.or.jp

TEL 0222233685 FAX 0222236312
annualm＠jim.or.jp
SPring8 ユーザー TEL 0791582785
協 同 体 ( SPRUC ) sp8sympo2021＠spring8.or.jp
他
http://www.spring8.or.jp/ja/science/meetings/2021/sp8sympo2021/年月
2021年度粉末冶金講座(ハイブリッド開催)
1,
12.2～3
第 7 回統合的先端研究成果発表会(ハイブリッド
5
開催)

参加
7.12

日本 XAFS 研究会 jxafs24＠gmail.com
https://conference/jxafs.org/

6～7


～


締切

日本金属学会https://www.jsme.or.jp
TEL 0757615321 jimu＠office.jsms.jp
https://www.jsms.jp
TEL 0757615321 jimu＠office.jsms.jp
http://www.jsms.jp/

事前参加申込
8.27

定員
80名

粉体粉末冶金協会 TEL 075
7213650
https://www.jspm.or.jp/
軽金属奨学会TEL 0662713179
lmfoundation＠nifty.com
http://www.lmfoundation.or.jp/
日本材料学会TEL 0534781035
sakaida.yoshihisa＠shizuoka.ac.jp
http://www.jsms.jp/

講演
7.23

本 会 記 事

開催日

名称・開催地・掲載号

12～13

第 8 回フラクトグラフィ講習会(京都・ Web 開催)

日本材料学会

主催

問合先

締切

TEL 0757615321 jimu＠office.jsms.jp
http://www.jsms.jp/
TEL 0757615325 jimu＠office.jsms.jp
http://www.jsms.jp
TEL 0757615321 jimu＠office.jsms.jp
http://www.jsms.jp/

9.30

12～15

第 7 回材料 WEEK(京都)日本材料学会

13～14

第38回初心者のための疲労設計講習会(京都)

日本材料学会

13～14

第49回日本ガスタービン学会定期講演会(福岡)18～20

第62回高圧討論会(姫路)25～27

第 42 回日本熱物性シンポジウム(北大 or Web 開
催)

25～27

第 42 回 超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム(浜松)27～29

第50回結晶成長国内会議(JCCG50)(Web 開催)

日本ガスタービン TEL 033365
0095 gtsjoffice＠gtsj.org
学会
http://www.gtsj.org/
日本高圧力学会
TEL 07056587626
touronkai62＠highpressure.jp
http://www.highpressure.jp/new/62forum/
日本熱物性学会
TEL 0862518046
jstp＠okayamau.ac.jp
http://jstpsymp.org/symp2021/index.html
超音波エレクトロ TEL 042
4435166
ニクス協会
h.nomura＠uec.ac.jp
日本結晶成長学会 TEL 070
50473339 jccg50＠jacg.jp
https://www.jacg.jp/jp/event/2021/jccg
50/

29～30

第72回塑性加工連合講演会(Web 開催)

定員60名

web 参加
10.8
事前参加
9.10

日本塑性加工学会 TEL 033435
8301
http://www.jstp.or.jp/年月
3～6
The 16th International Symposium on Advanced 日本実験力学会・ TEL 0253689310
Science and Technology in Experimental 小林(新潟大)
office-jsem＠clg.niigata-u.ac.jp
Mechanics(Vietnam)
http://isem16.imech.ac.vn/
4～6
ICMaSS2021持続性社会のための材料とシステム ICMaSS2021 未 TEL 0525813241
に関する国際会議2021(Web 開催)
来材料・システム icmass2021＠intergroup.co.jp
研究所
http://www.icmass.imass.nagoyau.ac.jp/
第98回レアメタル研究会(東京)(本号528頁)
レアメタル研究会 TEL 035452
56314
tmiya＠iis.utokyo.ac.jp
https://www.okabe.iis.utokyo.ac.jp/
japanese/index_ j.html
第57回 X 線分析討論会(福岡大)
日 本 分 析 化 学 会 TEL 092
5～6
8716631(内線6218)
X 線 分 析 研 究 懇 xbun57＠fukuokau.ac.jp
談会
https://xbun.jsac.jp/conference/no57.html
82021 年度溶接工学企画講座 ～産業分野のもの 溶接学会
TEL 0358254073
づくりのトレンド～「自動車関連材料の溶接・接
jwsinfo＠tg.rim.or.jp
合技術自」～(Web 開催)
http://www.jweld.jp/

9

2021年度 溶接工学専門講座 溶接疲労強度評価の基礎と応用(Web 開催)

溶接学会

TEL 0358254073
jwsinfo＠tg.rim.or.jp
http://www.jweld.jp/

10

日本希土類学会第39回講演会(横浜)日本希土類学会

12～14

創 立 70 周 年 記 念 軽 金 属 学 会 第 141 回 秋 期 大 会(Web 開催)

軽金属学会

TEL 0668797352
kidorui＠chem.eng.osakau.ac.jp
http://www.kidorui.org/lecture.html
https://www.jilm.or.jp/

15～18

The 7th International Conference on the 粉体工学会
Characterization and Control of Interfaces forHigh Quality Advanced Materials (ICCCI2022)(富士吉田)

17

第79回固体イオニクス研究会(Web 開催)

22～24

第 20 回破壊力学シンポジウム(和歌山県西牟婁
郡)

日本固体イオニク TEL 092
8026967
ス学会
proton＠ifrc.kyushuu.ac.jp
日本材料学会TEL 0757615325 jimu＠office.jsms.jp
http://www.jsms.jp/

25～26

電気加工学会全国大会(2021)(Web 開催)

電気加工学会28～12.2

The 9th International Symposium on Surface 日本表面真空学会 isss9＠jvssjp
Science (ISSS9)(高松)https://www.jvss.jp/isss9/
シンポジウム「先進自動車製造技術における接合 溶接学会軽構造接 TEL 075
3158472
合加工研究委員会 jaaa＠secretari.jp
技術2021」(Web 開催)
https://jaaa.secretari.jp/reg2021/guide/index.html

30～12.1年月
第48回炭素材料学会年会(那覇)
1～3

1～3

EcoDesign2021(奈良)

8 ～10

第47回固体イオニクス討論会(徳島)

9 ～102021年度 溶接入門講座～新入社員・構造部材設計技術者のための～(Web 開催)

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan

事前
11.11

http://ceramics.ynu.ac.jp/iccci2022/index.
html
iccci2022＠ynu.ac.jp

zaikawa.kouichi＠fitc.pref.fukuoka.jp
TEL 0936910260
http://www.jseme.or.jp/

TEL 0353896359
tansodesk＠bunken.co.jp
http://www.tanso.org/contents/event/conf2021/index.html
エコデザイン学会 ecodesign2021_secretariat＠ecodenet.com
連合
http://ecodenet.com/ed2021/
炭素材料学会

日本固体イオニク TEL 088
6567577
ス学会
nakamura.o.koichi＠tokushima-u.ac.jp
https://www.ssi-j.org/symp/ssij47/index.
html
溶接学会
TEL 0358254073
jwsinfo＠tg.rim.or.jp
http://www.jweld.jp/




開催日

名称・開催地・掲載号

主催

9, 10, 16

2021年度計算力学技術者(CAE 技術者)1・2 級の認定試験

日本機械学会

9 ～10

第 20 回キャビテーションに関するシンポジウム(Web 開催)

日本学術会議 第三 部 ( 予 定 ) 第 20
回キャビテーションに関するシンポジウム実行委員会

13～17

Materials Research Meeting 2021(MRM2021)(横浜)

日本 MRS
年月
第 99 回レアメタル研究会(東大生産技研 or Web
7
開催)(本号528頁)

8～9

第60回セラミックス基礎科学討論会(熊大)


年月
第100回レアメタル研究会(東大生産技研 or Web
11開催)(本号528頁)


～


日本金属学会春期講演大会(東京大学駒場キャン
パス)

問合先

締切

TEL 0343357616
caenintei＠jsme.or.jp
http://www.jsme.or.jp/cee/
TEL 0222175229(直通)cav20sendai＠grp.tohoku.ac.jp
http://www.ifs.tohoku.ac.jp/cfs/cav20/
index.html
TEL 0362649071
info_mrm＠jmru.org
https://mrm2021.jmru.org/

レアメタル研究会 TEL 035452
6314
tmiya＠iis.utokyo.ac.jp
https://www.okabe.iis.utokyo.ac.jp/
japanese/index_ j.html
日本セラミックス kiso60＠chem.kumamotou.ac.jp
協会基礎科学部会 http://www.ceramic.or.jp/bkiso
レアメタル研究会 TEL 035452
6314
tmiya＠iis.utokyo.ac.jp
https://www.okabe.iis.utokyo.ac.jp/
japanese/index_ j.html
日本金属学会TEL 0222233685 FAX 0222236312
annualm＠jim.or.jp


年月
第 18 回アルミニウム合金国際会議( ICAA18 )(富
4～8
山)

軽金属学会

http://www.icaa18.org/


～


日本金属学会TEL 0222233685 FAX 0222236312
annualm＠jim.or.jp

日本金属学会秋期講演大会(福岡工業大学)

事務局からのお知らせ
永年会員制度・終身会員新制度についてお知らせしております(本号524頁）．
｢技術開発賞」「金属組織写真賞作品」の募集がはじまります．今年も多くのご応募をお待ちしております．

2021, 2022年度会報編集委員会
委員
長
副 委 員 長
委
員

竹田
修
田中秀明
池尾直子
大野直子
小嶋隆幸
齊藤信雄
鈴木真由美
塚田祐貴
徳永透子
袴田昌高
松垣あいら
盛田元彰
横井達矢

石川史太郎
岡田周祐
小畠淳平
篠原百合
田辺栄司
寺本武司
長岡
亨
本間智之
宮崎秀俊
山本剛久
李
誠鎬

ま て り あ 第巻 第  号（） 発行日
発行所



井田駿太郎
川西咲子
小柳禎彦
佐々木秀顕
島克利
圓谷貴夫
豊木研太郎
春本高志
眞山
剛
山崎由勝

2021年 8 月 1 日

公益社団法人日本金属学会〒9808544 仙台市青葉区一番町一丁目1432
TEL 0222233685 FAX 0222236312

発
印
発

行
刷
売

(五十音順，敬称略）

植木洸輔
木口賢紀
小山元道
佐藤豊人
高山直樹
寺西
亮
永井
崇
藤井
進
三井好古
山中謙太

宇部卓司
北村一浩
齊藤雄太
芹澤
愛
堤
祐介
轟
直人
長谷川 誠
松本洋明
諸岡
聡
吉年規治

大塚
誠
國枝知徳
近藤亮太
鈴木賢紀
趙
研
土井康太郎
永瀬丈嗣
松浦昌志
宮部さやか
山本知一

定価,円(本体,円＋税)送料円
人
所
所

山村英明
小宮山印刷工業株式会社
丸善雄松堂株式会社〒1600002 東京都新宿区四谷坂町 1010

本 会 記 事

日本金属学会誌投稿の手引き
日本金属学会誌への投稿は，次の要件を満たさなければならない．
(1) 和文であり，未掲載および他のジャーナルに投稿中でないことかつオリジナリティがあること(日本金属学会誌審査及び査読規程に定める範囲において，重複を認める場合がある)．
(2) 金属とその関連材料の学術および科学技術の発展に寄与するものであること．
(3) 投稿規程に合致するものであること．
(4) 軍事研究であると判断される内容を含んでいないこと．
(5) 別に定める執筆要領に準拠して作成された原稿であること．
(6) 論文の著作権を本会に帰属することに同意すること．
(7) 研究不正行為および研究不適切行為をしないことならびに研究不正行為をした場合は本会の定めるところにより処分
を，研究不適切行為をした場合は本会の定めるところにより措置を受けることに同意すること．
(8) 投稿原稿を作成する基となった生データ，実験・観察・研究ノート，実験試料・試薬等の研究成果の事後の検証を可能とするものを論文掲載後 5 年間保存することに同意すること．
.


















日本金属学会誌に投稿可能な論文
学術論文(頁以内)
金属及びその関連材料の理論，実験並びに技術などに関する学術上の成果を報告し，考察した原著論文で，科学・技術的に質の高い，新規な興味ある内容(結果，理論，手法等)が十分含まれている論文．
Materials Transactions の Regular Article または Express Rapid Publication に Web 掲載後 2 年以内であれ
ば，著者および内容が基本的に同一の場合に限り，和訳した論文を投稿できる．その事を脚注に明記する．ただし査読の結果，返却もあり得る．なお，著者が迅速掲載を希望し，追加費用を負担する場合は，査読期間短縮を含め迅速掲載のための処理を行う．
レビュー(頁以内)
各専門分野の研究開発の背景や最近の状況および今後の展望等について，重要な文献を引用して，各専門分野の専門家のみならず他分野の専門家や学生等も対象に，その概要を公正にかつわかりやすく解説する論文．
Materials Transactions に Web 掲 載 後 2 年 以 内 で あ れ
ば投稿ができる．その事を脚注に明記する．また，Materials Transactions 掲載論文と異なる部分がある場
合は，その事を脚注に明記する．
オーバービュー(頁以内)
単なる一般的な review ではなく，執筆者独自の考えに立って review し，取り上げた問題点の中において自説の位置付けを明確にした論文．ただし，事前に「タイトル」「氏名」「要旨」を編集委員会に提出し，了承を得た後，投稿する方式とする． Materials Transactions に
Web 掲載後 2 年以内であれば投稿ができる．その事を脚注に明記する．また， Materials Transactions 掲載論文と異なる部分がある場合は，その事を脚注に明記する．
技術論文(頁以内)
金属及びその関連材料の実験技術，製造技術，設備技
術，利用技術など，技術上の成果，基準，標準化，デー
タベースなど，及び関連する事柄の調査，試験結果を報告した原著論文．
Materials Transactions に Web 掲載後 2 年以内であれ
ば，著者および内容が基本的に同一の場合に限り，和訳した論文を投稿できる．その事を脚注に明記する．ただし査読の結果，返却もあり得る．
最近の研究動向(頁以内)
特集企画や受賞論文等を対象にした最近の研究動向について，関連論文を引用し，Graphical Abstract 等を利用しながら，その概要をわかりやすく紹介する論文．
速報論文(頁以内)
速報を要する短い論文．すなわち，新規性のある研究
成果，技術開発に関する新知見，新アイディア，提案







.

等．最短 2 週間で審査を完了する．
オピニオン(頁以内)
日本金属学会誌に掲載された論文に対する意見，討論
またはそれに対する著者からの回答とする．科学・技術的な発展に貢献できる内容であること．
その他理事会で決議した分類
投稿の方法
日本金属学会誌への投稿は https: // data.jim.or.jp / cgi bin/jim/jentrytest1.cgi にて原稿を提出する．
英文掲載済み論文の和訳論文の場合には，英文掲載済み
論文 PDF も送付する．

.

原稿執筆要領に従って原稿を作成し，指定のファイル形式に変換したものを提出する．
3.1 記載内容
 題目・著者名・研究機関，◯
 英文概要・ Keywords，◯

◯
謝辞，◯
文献，◯
 Appendix，◯
表・図説明一覧，
本文，◯
 その後に各別紙の表・図を添付する．
◯
3.2 単位
SI 単位を使用する．
3.3 引用文献・脚注
通し番号で 1,2) ，あるいは 36) のように表し，本文の末尾に一括記載する．著者名，誌名はすべて英語表記する(特に決まっていないものはローマ字表記する)．

.

審査
投稿された論文は会誌編集委員会の独自の審査を経て会誌に掲載される．編集委員会から原稿の修正を求められ，あるいは返却されることがある．

.

校正
初校は著者の責任で行う．著者校正は原則として 1 回とし，誤植の修正に限る．

. 投稿者負担金
6.1 投稿・掲載費用は，無料とする．(別刷の寄贈はありま
せん．）
6.2 カラー図掲載を希望する場合は実費を負担する．
(1 図表当り1,100円(税込))※オンラインジャーナルのみ(冊子・別刷はすべてモノク
ロ表示)．
6.3 学術論文の迅速掲載費用11,000円(税込)
6.4 別刷購入希望の場合は，別途費用を負担する．
公益社団法人日本金属学会

会誌編集委員会

後2

2021年 8 月 1 日発行「まてりあ」