環境創成計画学講座

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環境調和材料強度学分野

Structural Materials for Eco-Friendly Systems

材料強度の原子論と格子欠陥制御工学              教授

丸山公一

Professor

Koichi Maruyama

准教授

吉見助教

享祐

鈴木真由美

Associate Professor

Assistant Professor

Kyosuke Yoshimi

Mayumi Suzuki

Weight saving and mechanical property development of materials are very important issues for thereduction of environmental burdens and the construction of infrastructure of the sustainable society.
Maruyama group is challenging to create new structural materials with the viewpoint of atomistic
approaches of material strength and deformation and lattice defect engineering in crystals.

安全なプラント運転のための材料診断
地球温暖化防止に向けたCO２排出の抑制は、人類の合金化プロセスについてはほとんど調査されていない．本研究グループでは，新規炭素源としてのフラーレンと鉄なら重要な課題である。我が国のCO2の30％は火力発電プロ

びに鉄鋼材料との反応性について研究を進め，フラーレンセスから排出されている。火力発電の燃料として、石炭、を使った新規合金化プロセスの可能性についていくつかの石油とLNGを使うが、石炭は他の化石燃料より単位発電新たな知見を得た．鉄鋼材料に対して固相グラファイトを量当りのCO2排出が多い。それにもかかわらず、多くの国々反応させるいわゆる固相浸炭では，900℃以上の高温下でで石炭火力の利用が増している。石炭火力を今後も利用反応が進行することがよく知られている．この方法は日本するには、CO２の分別回収と、発電プラントの高効率化が刀を作り込む過程でも利用されており，古くから受け継がれ不可欠である。石炭火力が発電に占める割合は、米国た鋼を高強度化する技術である．ところがフラーレンは，図50％、インド70％、中国80％であり、石炭火力の高効率2に示すように600℃で純鉄表面に鉄炭化物（Fe 3C）を化は、これらの国でもCO２排出抑制にも貢献する。このよ生成することが確認され，300℃も低い温度から反応が開始していることが明らかとなった．また，反応温度に対して硬ＮＥＤＯプロジェクトが始まった。当研究グループも、その1さの変化を調査したところ，図3に示すように800℃で硬さつ「鉄鋼材料の革新的高強度・高機能化基盤研究開発」のピークを示し，過飽和炭素による鋼の高強度化の可能に参加し、「長時間寿命推定法」の研究を担当している。

性が示唆された．このように，フラーレンは鉄と高い反応火力発電プラントでは、高温で運転して高効率化すれ性を有し，鉄鋼材料に対する新しい炭素源として利用可能成能を変化させる微量元素の添加が効果的であることを明であることが示された．

らかとした．

る。しかしこのことは、プラントの破損リスクを増し、材料の破損確率上昇を予知することは、プラントの安全な運転以上の成果は特許申請中であり，また学会等でも発表されている．

Fig.4 TEM Microstructure of Mg-Y-Zn based alloys (650K 4h aged)(a)base alloy, (b)Ni-added alloy, and (c)Ca-added alloy

一方，自動車分野で既に応用が始まっているMg-Al-Ca系
鋳造合金に関しては，鋳造性とクリープ強度の両特性を同時に改善出来る可能性のある，ストロンチウムの微量添加に必須である。図1（b）に示すように、材料の高温強度と使用時間の関係の直線は、一点鎖線の境界より長時間

新規耐熱 Mg 基合金の組織制御と高強度化に関しての調査を行った．その結果，50ppm以下の極微で低下割合が増す。この領域では、高Crフェライト鋼のマグネシウム(Mg)はその軽量性から携帯・輸送機器への量のストロンチウム添加はクリープ強度を増加させるが，過強度を支えるマルテンサイトラス組織が劣化し、組織劣化応用が期待されており，近年Mg-TM-RE（TM:遷移金属，剰にストロンチウムを添加すると，塊状のAl-Sr系化合物がしない場合に比べて破損の可能性が増す。当グループでは、RE:希土類元素）の三元合金が優れた強度を示すことで形成されるため，粒界上での晶出物の連続性が低下し，図1（a）に示すように、無負荷部の硬度測定からこの組織注目されているが，これらの合金の内部には積層欠陥を伴逆に強度は劣化することがわかった．この効果は本系合金劣化を非破壊的に予知することを提案した。これらの研究

う長周期相，あるいは積層欠陥が導入されていることが大へのREの添加と同様の傾向であり，Mg-Al-Ca系合金では，に対して（社）日本金属学会増本量賞が授与された。

きな特徴である．本研究室ではMg-Y-Zn三元合金に種々母金属であるマグネシウムのみならず，溶質元素であるカルの第四元素を微量添加することで，その積層欠陥形成能（サシウムやアルミニウムとの化学的相互作用を特に考慮したイズ，密度）を変化させ，組織やクリープ強度に及ぼす影合金設計が必要であることがわかる．これらの成果は国内

C60に代表されるフラーレンは，電荷移動により金属表響を調査している（図4，5）．これらの成果として，微細な外の学会等で報告されている．なお，本研究は日本学術面に対して強い吸着力を示すことがよく知られている．しか積層欠陥の導入はクリープ強度の増加に大きく寄与するこ振興会科学研究費補助金（若手研究（B））の支援によっしながら，その後の金属表面上での分解，拡散等によるとと，積層欠陥の制御には熱処理よりもむしろ積層欠陥形て遂行されている．

フラーレンと金属の反応による新合金化プロセス

Coexistence Activity Report 2007

Fig.3 Carburization temperature dependence ofhardness of iron substrate surface carburizedfor 10h under an Ar atmosphere.

Fig. 2 SEM micrograph of fullerenes/ironsubstrate interface carburized using fullerenes
at 600℃ for 10h.

うな観点から近年、石炭火力の高効率化に向けた複数のばＣＯ２排出が抑制でき、長期間使えば省資源化につなが52

Fig. 1 (a) Vickers hardness measured
after high temperature exposure, and(b) creep rupture data of 9Cr steel.

Fig. 5 Creep curves of Mg-Y-Zn based
alloys (650K 20MPa, Compressive)

特筆すべき業績
1. 8th outstanding poster award of the Japan Institute of Metals, H. Magara, M. Tsunekane, K. Yoshimi, S. Tsurekawa and K. Maruyama, "Self-assembling

behaviorofsupersaturated

thermalvacancies in rapidly solidified NiAl ribbons" on27/3/2007.
2. 9th outstanding poster award of the Japan Institute of Metals, M. Tsunekane, D. Watanabe, K.
Yoshimi, T. Sugawara, T. Shishido and K. Maruyama, "Self-assembling behavior of supersaturated
thermal vacancies in B2-type intermetallic compounds", on 20/9/2007.

アクティビティレポート

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