ISSN0913-

The Japan Research and Development Center for Metals

財団法人

金属系材料研究開発センター

2010.5

No.283

TODAY

随 想：大 学 における研 究 費と教 育 効 果東京大学 生産技術研究所
サステイナブル材料国際研究センターセンター長・教授

森田 一樹“ アークプラズマを用いたクロム鉱石の溶融還元 ”という卒業論文をきっかけに研究を一義とした生活を始め約 30 年、懺悔とノスタルジーに満ちた気分で顧みることも多くなった。その間、周囲からさまざまな教育を受け自分なりの価値観も固まりつつある。一方、世の中の速い動きに追従できず、周りの学生に「昔は ･･･」などとぼやく機会も増えた。この度、本誌巻頭言執筆の命を受け、僭越ながら、日頃問題に感じているところを思いつくまましたためさせていただくこととした。
我々にとって最重要ファクターである研究費については、諸先輩方や関係機関のご尽力のおかげで、非常に恵まれた時代となった。しかし、高度な装置による最先端研究や研究員の雇用、学生の旅費など
フレキシブルに使える反面、分野による配分の差が拡大し、研究費獲得こそが研究者の使命という風潮が気にかかる。その背景には、国立大学の法人化等に伴う大学運営の資本主義化、自由度向上のための外部資金獲得の必要性が挙げられる。研究費獲得は、当然、個々の研究業績に裏打ちされるものではあるが、評価においては割り算の分母にされてもよい “ インプット ” が、“ アウトプット ” より重視されている気がしてならない。
大学人としての “ アウトプット ” には、発表論文数や被引用件数で示されるような研究成果だけではなく、教育者としての貢献、すなわち学生を教え育て社会に送り出すという重要な使命が含まれており、後者の目的には高額な研究費を必ずしも必要としない。時として、学生にとって恵まれすぎた研究1

環境が金銭感覚を麻痺させ、自身の実力を勘違いさせる危険もはらんでいる。例えば、原理原則を知らずとも解析結果を瞬時に教えてくれる機器は、研究の効率化をもたらしても教育効果は小さい。社会が修士や博士の学位取得者に求めるものは何か。博士教育の理想は T 字型とよく言われるが、結果として身についた知識よりもむしろ重要なのは、問題点を見出し、テーマを設定、遂行する能力と方法論を有することである。しかし、我が国では、学位取得者に対する要求にコンセンサスがなく、社会の受け入れ体制も未だ熟していないように感じられる。このような社会意識を改革することも、大学における人材育成が抱える課題の一つである。
一方、何事も疑わず “ 待ち姿勢 ” が目立つ最近の学生自身の意識改革もまた必要である。小職の研究室では、留学生も含め博士課程の最初の半年は放任し、小職の目指す範囲内で、研究の方向性を決めるよう促している。ほとんどの場合、右往左往しながら苦しみぬき、最後には独自のテーマを創り上げている。道中、飢えや挫折、方針変更のリスクもつきまとうが、潤沢な研究費で与えられた課題を指示通りこなす研究より、自立した研究者の育成に適しているのは自明である。
先日、ハラスメントに関する講習会に出席した。
残念ながら日本社会がドライになり、学生と教員双方からの心の距離が広がったのは事実かも知れな
い。しかし、このような講習会を大学という場でしなければならない現状を憂えるとともに、ベースにある保身的な考え方に正直いらだちを感じている。
中でもご専門家の “ 学生の将来に影響を及ぼすような言動は慎むべき ” というご講話には呆れてしまった。人の将来に影響を及ぼさない教育って何だろうか。
もはや修行ではなく、ややもするとビジネスと割り切って研究と向き合う学生が増える中、満ち足りた研究費が仇とならぬよう、ツボを押さえた人材育成に努めたい。先ずは己に警鐘を鳴らしながら、リスクを恐れずに、持続可能社会形成のための教育と研究に研鑽を積んでいく所存である。

JRCM REPORTNEDO「鉄鋼材料の革新的高強度・高機能化基盤研究開発」における内部起点疲労破壊サブグループの活動（２）横浜国立大学

梅澤修（内部起点疲労破壊サブグループリーダー）

１．はじめに
本研究開発項目では、「材料力学と材料因子の両方を考慮した世界初の転動疲労の寿命予測式を構築し、目標寿命に対する介在物サイズの臨界値を得る」との目標設定を行い、平成 21 年度までに、内部起点疲労損傷状況と初期き裂観察状況と合致する非金属介在物周囲の応力シミュレーション技術を構築・検証し、初期き裂形態に影響を及ぼす酸化物系介在物の各種要因を抽出に成功した段階にある。また、素過程である局所損傷・き裂発生、き裂伝播・停留を実験的に検出・解析する共通基盤技術開発と追跡調査を行い、これらの現象を予測するシミュレーション技術の構築、剥離メカニズムの明確化を経て、新しい寿命予測式や介在物制御指針を考案するために密接な産学官連携のもと研究を推進している。本報告では、中間段階における進捗について紹介する。
２．成果報告２．１ 酸化物系介在物を対象とした剥離損傷プロセスの調査
酸化物系介在物を対象としたき裂の発生段階の詳細を調査するため、最初の経時変化観察時期を繰り返し数 104 回として転動試験を実施した。図１に代表的な超音波エコー像の経時変化観察結果を示す。
これは、104 回時点でエコーサイズの増大、すなわち初期き裂が認められた例である。き裂の発生した転動繰り返し数はほぼ同等であるにも関わらず、剥離寿命は試験片によって差異が認められた。次に剥離プロセスについて考察する。図２に

JRCM NEWS No.283

⿥㖸㖸ᵄ↹௝䉣䉮䊷䉰䉰䉟䉵䋨P㫄䋩

転動疲労にともなう㪯 ೸㔌エコーサイズの変化೸㔌 㪯㪋㪇㪇を示す。ここで、ま଀㪈
ず初期き裂発生につ଀㪉䈐ⵚㅴዷ
いて、ほぼ同サイズ
㪊㪇㪇଀㪊の推定介在物径（試଀଀㪋験前）にも関わら଀㪌㪉㪇㪇䈐ⵚ⊒↢ず、き裂発生有無に差が生じており、ま㪈㪇㪇た推定介在物径（試験前）が異なっているにも関わらず、転㪇⹜㛎೨
動疲労過程の極めて㪈 㪜㪂㪇㪋
㪈㪅㪜㪂㪇㪋㪈 㪜㪂㪇㪍㪈㪅㪜㪂㪇㪍㪈 㪜㪂㪇㪏㪈㪅㪜㪂㪇㪏㪈 㪜㪂㪇㪌㪈㪅㪜㪂㪇㪌㪈 㪜㪂㪇㪎㪈㪅㪜㪂㪇㪎
初期で、ほぼ同等なᔕജ➅䉍㄰䈚ᢙ
図２ 転動繰り返し数増加にともなう超音波エコー像
転動繰り返し数できサイズの変化裂発生が認められる
２．２ 転動試験における疲労損傷ことから、き裂発生寿命は介在物径と残留応力場によってのみ支配されるわけではSCM420H 鋼に人工欠陥を導入しないと考えられる。次に剥離寿命にて転動疲労を与えた試験片の人工ついて、き裂発生が認められたの欠陥周りの様子を図３に示す。3.0
は、ほぼ同繰り返し数であるにも関× 104 回転動疲労材における人工わらず剥離寿命に差異が認められ、欠陥周りには 100 μm 長さ以下の推定介在物径（試験前）のみに支配初期き裂が認められる。この初期きされているとは言えない。これら
裂は 3.25 × 106 回材における主きのことから、剥離プロセスは現象裂と同様な深さに位置し、ひずみ勾として、き裂発生期間とその停留・配領域に存在する。また、き裂が形伝播期間とから成り、き裂発生が転成した領域では転動疲労にともな動疲労過程の極めて初期であるこう塑性変形が顕著であり、自由表面とから、剥離寿命は後者が支配的でには凹凸形成が形成している。すなあると言える。また、剥離プロセスわち、塑性ひずみ振幅が大であり、は介在物径のみが支配する現象で低サイクル疲労損傷形態に類似しはないと考えられることから、介ている。以上は、繰り返し初期段在物とマトリックスとの界面状態、階でのき裂形成とひずみ勾配によその存在位置や応力状態など、様々る Mode I 応力場の作用が局所変形な要因を考慮しなければならないに関わるとの考えを支持するものと考えられる。以上から、今回得らである。103 回までに飽和変形組織れた世界初のデータは、酸化物系介が形成され、局所変形による自由表在物に起因した転動疲労メカニズ面への凹凸形成からき裂形成が生ムを解明する上で非常に有用なもじると推定される。のと考えられる。
図４(a) に示すように、106 回材
では表面から 400 μm の範囲で圧縮残留応力が付与されている。特੺࿷‛ᖱႎ⹜㛎೨
104࿁
105࿁
106࿁
107࿁に、き裂発生深さに対応する表面か଀䋱
ら の 距 離 80μm 〜 250 μm の 範ផቯᷓ䈘೸㔌
囲では、高い圧縮残留応力と残留応
䌾80Pm
2x106࿁
ផቯᓘផቯ
力の勾配が生じており、ピーク位
ǴOPO16Pm
置は表面から 180 μm 深さである。
଀䋲
また、10 ４ 回材に比べ、表面からផቯᷓ䈘೸㔌
300 μm 深さの範囲における残留䌾80Pm
5x105࿁
応力の平均値が高い。10 ４回材におផቯᓘPO49Pm
いても 106 回材と同様に、圧縮残留応力が付与されており、ピーク位
図１ 転動早期段階からの超音波エコー像の経時変化
置は表面から 300 μm 深さである。

2

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図５

転動疲労材（SCM420H）における人工欠陥周りの初期き裂および人工欠陥内壁：(a)3.0x104 回，(b)3.25x106 回

転動疲労材（SCM420H）における (a) 硬さおよび (b) 残留応力測定結果

また、図４(b) に硬さ測定結果を示す。106 回材では表面から 40 μm〜 180 μm の範囲で高硬さを示しており、塑性変形の導入（加工硬化）に関係していると推定される。一方、10 ４回材では硬さに大きな変化はなく、繰り返し飽和変形組織の形成段階では、高圧縮残留応力の領域全体に大きな塑性変形は導入されておらず、き裂形成は局所的な変形集中によるものと考えられる。
以上の傾向は、SUJ2 鋼による同様の解析結果からも同様である。
２．３ 材料内部に存在する介在物
やき裂の３次元形態・分布の解明
X 線 CT や Micro-CT での撮影が困難な鉄鋼材料内部に存在する大きさ数十ミクロン程度の介在物の観察と、精細な三次元形状モデルの作成を行う。高分解能観察を行うために、従来使用していた倍率 1/3倍の接眼レンズ部を倍率 1 倍のものと交換し、倍率 20 倍の対物レンズとともに使用した。新たな条件により観察された断面画像を図５(a)に、三次元再構築像を図５(b) に示す。観察分解能は 0.07 μm となり、介在物の詳細形状および微細き裂を観察出来ていることがわかる。さが存在していることがわかった。
２．４ 応力シミュレーションによるき裂発生挙動の検証
介在物とマトリクス界面の密着状況の影響を検討するため、界面が完全に剥離した状態をモデル化して計算し、引張歪、せん断歪をもとにそれぞれき裂発生位置と方向を予想する。なお、界面剥離モデルにおいては、計算の収束性が著しく低下したため、六角形の角部に丸みをもたせて収束性を改善した。解析結果を図６に示す。界面が剥離したモデルにおいて、せん断歪をもとに予測したき裂発生位置は左右部からとなり、実際に近づいたものの、方向は上下方向であり、やはり観察結果とは大きく異なった。一方、界面剥離したモデルにおいて引張歪をもとに予想したき裂発生位置と方向は、左右位置から斜め方向となり、観察結果とよく一致するようになった。これらの検討結果から、き裂発生におよぼす影響因子として、介在物とマトリクス界面の密着状況を考慮する必要があり、また、らに、介在物部とき裂部を明確に判別するために、き裂部の選択的な蛍光染色を行った。図５(c),(d) に、周囲にき裂の存在する介在物を、落射光および蛍光によって観察した結果を示す。蛍光画像は、はじめに蛍光塗料を塗布し、それを乾布で除去することにより得た。蛍光画像の露光時間は 5.2 秒とした。落射光像では、介在物およびき裂部が共に黒色画像となり判別が困難であるが、蛍Ტ䈵䈝䉂▸࿐ᦨᄢᣇะ䇮੍ᗐ䈐ⵚᣇะᲣ
光観察像で㐿ญဳ䈵䈝䉂▸࿐䋨ᒁᒛᚑಽ䋩䈞䉖ᢿ䈵䈝䉂▸࿐
は、 き 裂 部 ੺࿷‛ 90Pm
䊗䊷䊦ォ䈏䉍ᣇะ䊗䊦ォ䈏䉍ᣇะに 蛍 光 色 素 ᷓ䈘 270Pm
が入り込み選択的によ90㱘
90㱘m
り明るく顕在化される
た め に、 介在物とき裂部の判別が容易となっⷺㇱ䈮ਣ䉂ていることが わ か る。
ま た、 得 られた蛍光画䋨䊟䊮䉫₸㪋㪇㪇㪞㪧㪸䋺䉝䊦䊚䊅⋧ᒰ䈱⎬⾰੺࿷‛䋩
像 か ら、 介
図６ 実介在物実を模した六角形介在物モデルによる在物内部に応力シミュレーション解析結果
も孔やき裂⇇⇇㕙೸㔌䉕⠨⠨ᘦ䈞䈝

図４

軸受鋼中の介在物およびき裂の高分解能観察：(a) 断面観察像，(b) 三次元再構築像，(c) 落射光像，(d) 蛍光観察像⇇㕙೸㔌䉕⠨⠨ᘦ

図３3

JRCM NEWS No.283

ともなって、分極がS-N 型（負荷荷重を変えた）の寿起こり、き裂の進展命試験を実施し、得られたデータ
0.1mT(a)(b)にともない、磁場のを⊿ K Ⅱ ʼ で整理した結果を図８にN領域も移動・拡大し示す。この図から、全体的に⊿ K Ⅱ ʼていることがわかる。
が大きくなるほど寿命は短くなる
き裂停留時の磁場特傾向を示すが、ばらつき下限を見る
SCrack性と合わせ、磁場のと⊿ K Ⅱ ʼ が概ね 30MPa √ m 以下
Ͳ0 1 mTͲ0.1mT
移動を定量化するこの場合、105 後半から 106 サイクルとで、き裂の進展をであり、⊿ K Ⅱ ʼ が 30MPa √ m を(c)(d)評価することができ超えると寿命は大きく低下するこる。とがわかる。つまり、欠陥の大きさ２．６ 材料力学と材がある一定レベルまでは、安定した料因子を考慮した寿速度でき裂は進展するが、ある大命予測式の構築に対きさを超えると急速にき裂は進展する実験的アプローするものと推定する。なお、⊿ K Ⅱ ʼ
図７ き裂進展挙動にともなう磁場の変化
チが 10 〜 20 MPa √ m の 範 囲 で は( Δ K =18 MPam ) ( 磁場レンジは -0.100mT ～ +0.100mT)：(a) N = 0，き裂長さ a = 2.00 mm，(b) N = 1.0 × 10 ，a = 2.37 mm，転動疲労により非2 オーダー以上ものばらつきが認め(c) N = 2.0 × 10 ，a = 3.83 mm，(d) N = 3.0 × 10 ，a = 7.77 mm.
金属介在物からのはられる。この理由は、前述のようにく 離 を 起 こ す 場 合、
非金属介在物の形状や組成、非金属き裂発生に対しては、引張応力（歪）極初期のき裂生成の後、全寿命の大介在物自体の割れやマトリックス成分の影響が大きいことが示唆さ
半を伝ぱが占めていることは明らとの界面はく離の有無、さらには、れた。
かである。よって寿命予測は初期のき裂生成部のマトリックスの結晶２．５ 三次元磁場顕微鏡によるき欠陥の大きさ、すなわち非金属介在方位によってき裂の生成や進展の裂進展挙動の動的・連続観察
物径と付与される応力により影響し易さが異なるためと推定され、無き裂進展にともなう磁場の変されるとした破壊力学的な考えに限寿命のものはき裂自体が生成し化を可視化した結果を図７に示基づくべきである。
ない可能性が大きいと考えられる。
す。 実 験 は 応 力 拡 大 係 数 幅 Δᕆㅦવ䈴ၞਅ㒢⇇એਅ቟ቯᚑ㐳ၞ
K =18MPam1/2 で行った。図中の中央部にはき裂があるが、混乱を避1.0E+09けるため、各繰返し数でのき裂長さを白いバーで表し、磁場分布の枠1.0E+08䃂䋺੺࿷‛
外に示した。き裂は (a) の繰返し数䂾䋺䊄䊥䊦ⓣ5N=0 から (d) 繰返し数 N=5.0 × 10
1.0E+07回まで、(a) き裂長さ a=2.00 mm か
1 0E+06
1.0E+06
ら (d)a=7.77 mm まで安定して進展し た。(a) と (b) を 比 較 す る と、 き1.0E+05⃻⁁ᓧ䉌䉏䈩䈇䉎ਅ㒢✢ј
裂が 0.37mm しか進展していない
1.0E+0400が、磁場の分布は大きく変化して010203040506070いることがわかる。このことから、
磁場はき裂進展初期であっても、進㼺 K 㸈 '䋨MPa㺕m䋩
展による影響を受けて変化するこ
図８ ⊿ K Ⅱ ʼ とスラスト寿命との関係（Pmax ＝ 5.3 GPa）とがわかる。その後、き裂進展にȴK䌉䌉=18MPam
8 a 1/2

1/2

55

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5お知らせ【人事異動】○平成 22 年３月 31 日付け
城田 良康[ 旧 ] 鉄鋼材料研究部 主席研究員[ 新 ] 退職
松浦 尚
[ 旧 ] 非鉄材料研究部 主席研究員[ 新 ] 住友電気工業株式会社○平成 22 年 4 月 1 日付け
櫻田 隆[ 旧 ] 住友電気工業株式会社[ 新 ] 非鉄材料研究部 主席研究員［新人紹介］
櫻田 隆（さくらだ たかし）
①静岡県出身② 1961 年４月生
③横浜国立大学大学院
工 学 部・ 物 質 工 学 科修士課程終了
1988 年、住友電気工業入社。半導体技術研究所。入社以来、主として化合物半導体の結晶開発に従事。GaAs や各種半導体材料に簡易素子を作製して、素The Japan Research and Development Center for Metals

JRCM NEWS ／第 283 号

発 行
発行人
発行所

子特性を材料開発にフィードバックする評価等を主に担当。
④「窒化物系化合物半導体基板・エピタキシャル成長技術」や「マグネシウム新成型技術」のプロジェクトを担当します。省エネルギーや地球環境にやさしい新材料の各種分野への展開に向けて、広い視野を持って各プロジェクトの成功に貢献できればと思っています。
⑤多趣味ですが、テニスやスキーなど、どちらかというとアウトドア派。テニスは草トーナメント大会などにも参加しています。

2010 年 5 月 1 日
小紫正樹
財団法人 金属系材料研究開発センター〒 105-0003 東京都港区西新橋一丁目 5 番 11 号 第 11 東洋海事ビル 6 階

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