文部科学省と国立大学附置研究所・センター 個別定例ランチミーティング

第29回

東北大学 金属材料研究所（2023.01.06)
司会：佐々木孝彦副所長

12:05－12:10( 5分）：金属材料研究所の概要 古原忠所長
12:10－12:25(15分）：若手研究者からのプレゼン「ナノ構造制御による構造用金属材料の高強度化」
宮本吾郎 准教授
12:25－12:45(20分）：質疑応答

東北⼤学 ⾦属材料研究所 (通称 “⾦研”）
東北⼤学における最も古い附置研究所
100年を超える歴史を持つ物質・材料研究の国際的中核拠点

理念と目的
金属を始め、半導体、セラミックス、化合物、有機材料、複合材料などの広範な物質・材料に関する基礎と応用の両面の研究により、真に社会に役立つ新たな材料を創出することで、文明の発展と人類の幸福に貢献する。

初代所⻑︓本多光太郎先⽣

1916

1966

2016

1現在までの金研の沿革

幅広い共同利⽤・共同研究に貢献

1916

東北帝国⼤学理科⼤学に 臨時理化学研究所第２部として発⾜

1919

東北帝国⼤学附属鉄鋼研究所として設置 （初代所⻑ 本多光太郎）

1922⾦属材料研究所 へ改称

官制による附置研究所としてのスタートｄ

３部⾨を設置、軽⾦属・⾮鉄合⾦を含む⾦属の総合研究所

1949

21部⾨構成となる

1952

⽇本初のヘリウム液化機導⼊

1957-62

原⼦炉材料関係4部⾨を加え，25部⾨構成となる

全国の極低温の物性の研究者が利⽤（共同利⽤研究の魁）

1969

原⼦⼒材料関係
附属材料試験炉利⽤施設（現︓量⼦エネルギー材料科学国際研究センター）設置 の共同利⽤

1981

附属超電導材料開発施設（現︓強磁場超伝導材料研究センター）設置 強磁場環境の共同利⽤

1987

全国共同利⽤研究所、 Institute for Materials Research へ改称
新素材開発施設（現︓新素材共同研究開発センター）設置

多様な新素材開発に必要な装置共同利⽤と関連共同研究

1994

スーパーコンピューター導⼊2001

計算材料学センター 設置

2002

材料科学国際フロンティアセンター（現︓国際共同研究センター）設置

2006

附属⼤阪センター（現︓産学官広域連携センター）設置

2009

材料科学共同利⽤・共同研究拠点

2015

先端エネルギー材料理⼯共創研究センター 設置 （前⾝︓低炭素社会基盤材料融合研究センター）2016

⾦研百周年

2018

材料科学国際共同利⽤・共同研究拠点

材料科学分野におけるスパコン共同利⽤への展開
国際共共拠点化の開始

産学官広域連携活動の開始

期末︓S評価， 2021︓認定更新

n 2022年度収入予算（見込額）
共同研究費
4.3%

補助⾦
0.6%

受託研究費
7.3%
科学研究費
11.4%
間接経費
2.8%
機能強化経費4.6%

n 論文成果

5,035
百万円

n 人員

教職員

令和4年5月現在
常勤若手状況

常勤

非常勤

総数

教授

27

12

准教授

33

講師

寄附⾦
1.0%

⼤学運営資⾦（⼈件費）34.0%

⼤学運営資⾦（物件費）
33.5%

2016ー2021年

論文数：3,443 編- 国際共著： 1,417 編（41.2%）- TOP10%：357 編 （10.4%）
平均FWCI
1.04
平均被引用数： 10.5回/論文

40歳
以下

35歳以下

3910235

5010100

助教

51

15240

23

助手

40410

小計

116

15131

47

23

技術職員

47

26

73

事務職員

37

56

93

合計

20097297

大学院生・研究生
総数

外国⼈

博⼠課程前期

116

20

博⼠課程後期

60

33

合計

176

53

3

研究体制：

研究部

所長

研究部

材料物性研究部

７研究部門

附属研究施設材料設計研究部

７研究部門

共同研究センター

物質創製研究部

７研究部門

低温物質科学実験室

材料プロセス・評価研究部 ５研究部門

材料分析研究コア
テクニカルセンター
情報企画室，学生教職員支援室，安全衛生管理室，事務部

研究体制：

研究部-研究部門

理学・工学両分野の研究分野が共存

工学研究科

マテリアル系３専攻
量子エネルギー工学専攻
応用物理学専攻
理学研究科
物理学専攻
化学専攻
環境科学研究科
6/30
医工学研究科

研究体制： 研究部-研究部門
エネルギー材料分野
工学研究科■水素機能材料工学●結晶物理学
理学・工学両分野の研究分野が共存■先端結晶工学●量子機能物性学■材料照射工学●量子表面界面科学
エネルギー材料分野■耐環境材料学■電子材料物性学■水素機能材料工学●結晶物理学■原子力材料工学●結晶材料化学●量子機能物性学

社会基盤材料分野■材料照射工学■耐環境材料学■原子力材料工学■金属組織制御学■複合機能材料学■加工プロセス工学■生体材料学 社会基盤材料分野■非平衡物質工学 ■金属組織制御学 ■複合機能材料学■生体材料学■非平衡物質工学■加工プロセス工学

マテリアル系３専攻
量子エネルギー工学専攻
応用物理学専攻
理学研究科
物理学専攻
化学専攻
環境科学研究科
医工学研究科

融合研究部 先端・萌芽研究部門• 独立研究Gr （若手独立研究環境） 若⼿の活躍
研究連携• 開拓研究Gr （テニュア准教授制度）• 創発研究Gr （JST創発的研究支援事業）• 横断研究Gr （部門教授退職後の対応）• 連携研究Gr（クロアポイントメント）• 客員Gr（客員研究者）

6/30■先端結晶工学

共同研究部門 ー 企業連携
• 東京エレクトロン３Dプリンティング

エレクトロニクス材料分野●量子表面界面科学■電子材料物性学●結晶材料化学●磁気物理学●錯体物性化学エレクトロニクス材料分野●低温物理学■磁性材料学●低温電子物性学●磁気物理学●錯体物性化学●低温物理学●低温電子物性学■磁性材料学

共通基盤研究分野
共通基盤研究分野■ランダム構造物質学●金属物性論●量子ビーム金属物理学 ■計算材料学■計算材料学 ■ランダム構造物質学●金属物性論●量子ビーム金属物理学■分析科学■不定比化合物材料学■アクチノイド物質科学■分析科学■不定比化合物材料学■アクチノイド物質科学

プロジェクト ー 省庁関連
異分野融合・次世代育成• 国際・産学連携インヴァースイノベーション
材料創製プロジェクト• 計算物質科学人材育成コンソーシアム（PCoMS）

研究体制：
所長

附属研究施設・共同研究センター
研究部

附属研究施設共同研究センター

量子エネルギー材料科学国際研究センター
新素材共同研究開発センター
強磁場超伝導材料研究センター
産学官広域連携センター

材料科学国際共同利⽤・共同研究拠点

GIMRT: Global Institute for Materials Research Tohoku

拠点機能強化経費

先端エネルギー材料理工共創研究センター
計算材料学センター
中性子物質材料研究センター
国際共同研究センター

大型施設

先端放射光利用材料研究センター 所内措置
国際的協業体制 （Materials
Research Open Alliance, MAROA ）を形成し、我が国の材料科学分野の研究力強化に取り組むとともに、国際的に認知される若手人材を育成。

年間 500 件超の受入れ（国際課題〜20％）

第３期評価︓S⇒ 第４期認定更新

役割 Ø 共同利用・共同研究の強力な推進と研究分野振興への寄与
Ø 国際・産学面での組織連携
Ø 新たな分野への戦略的展開

5

金研における研究施設・共同研究センター
ー共同利⽤・共同研究を強⼒に推進し，研究分野振興に寄与ー

量⼦エネルギー材料科学国際研究センター

JMTR, 常陽 他
国内唯⼀の材料試験炉や海外研究炉等を利⽤◎ 原⼦⼒関連材料およびアクチノイド等の物質研究を展開◎強磁場超伝導材料研究センター

世界の５⼤定常強磁場施設の１つ，無冷媒技術で先導◎ 超伝導材料、磁性材料等、新物質の創製と評価の研究を展開◎

計算材料学センター

スーパーコンピュータを利⽤して計算材料科学研究を主導◎ スパコン⽤アプリケーションソフト開発と材料科学への応⽤展開を推進◎

中性⼦物質材料研究センター

JRR-3, J-PARC

法⼈化後(2010)

戦略的中性⼦利⽤による中性⼦科学と物質材料科学の相互発展◎ 中性⼦利⽤者と施設研究グループの連携推進◎＋ 先端放射光利⽤材料研究センター(2020)

新素材共同研究開発センター

21世紀のイノベーションを⽀える新素材の開発◎ 材料設計の基本原理やプロセス技術の確⽴と優れた新材料の創製6◎

法人化後〜第４期中期目標期間までの金研の取組み
Ø 附置研・共共拠点等間の連携（異分野融合）
第１期
⾦属ガラス・無機材料接合
技術開発PJ（2005~09）
東北⼤⾦研・東⼯⼤応セラ研・阪⼤接合研

第２期

学際・国際的⾼度⼈材育成
ライフイノベーションマテリアル
学際創製共同研究PJ（2016~20）

特異構造⾦属・無機融合
⾼機能材料開発PJ（2010~15）
東北⼤⾦研・東⼯⼤応セラ研・阪⼤接合研・名⼤エコ研・東京医⻭⼤⽣材研・早⼤ナノライフ機構

第４期

第３期

東北⼤⾦研・東⼯⼤応セラ研・阪⼤接合研・名⼤エコ研・
東京医科⻭科⼤⽣材研・早⼤ナノライフ機構

Ø 産学官広域連携（国公⽴⼤・⾃治体連携，産業界⽀援・社会貢献）
第１期

⼤阪センター（2006-10）

⼤阪圏の⾦属系ものづくり
企業⽀援により国内産業の強化,⼤学シーズ移転を⽬指す ⼤阪府⼤第２期

関⻄センター（2011-15）

⽀援を関⻄圏に拡充
環境・ｴﾈﾙｷﾞｰなどの課題解決と、ｸﾞﾘｰﾝｲﾉﾍﾞｰｼｮﾝ促進を⽬指す．

Ø 先端エネルギー材料理⼯共創研究センターの拡充・強化
第４期

国際・産学連携 インヴァースイノベーション
材料創出 PJ（DEJI2MA） （2021~）
東北⼤⾦研・東⼯⼤フロ研・ 阪⼤接合研・名⼤未来研
・東京医科⻭科⼤⽣材研・早⼤ナノライフ機構

社会的要求から新機能創成を実現 ⇒⾰新的技術創出を加速、新学術研究体系を構築

第３期
産学官広域連携センター（2016-21）
産学官広域連携を通して、共同利⽤・共同研究の学術成果をｲﾉﾍﾞｰｼｮﾝにつなげ，社会貢献を⽬指す
国内⼤学・⾼専も対象

⼤阪府⼤
兵庫県⽴⼤

＊現在所内措置で活動継続

Ø その他国内外との組織的連携の展開
ü 機関連携による文科省ロードマップ2020への貢献

太陽エネルギーの利用と3つの「蓄」の最大化 に貢献する革新的エネルギー
材料・複合モジュールPJ

Ø マテリアルDXプラットフォーム形成への貢献
第４期

マテリアル先端リサーチインフラ

データ創出・活用型マテリアル研究開発
極限環境対応構造材料研究拠点（RISME）

強磁場コラボラトリー
統合された次世代全日本
強磁場施設の形成
その他： スピントロニクス学術研究基盤
物性科学研究連携 などに貢献

ü ICC-IMRでの国際連携推進 （国際的プレゼンス向上）
Joint Laboratories

学術交流協定マックスプランク鉄鋼研究所（2020）

高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル領域

大連理工大学 (2018)

グルノーブル強磁場センター (2019)

金研の材料研究の今後の発展
生かすべき研究ポテンシャル : 構造材料と機能性材料が両輪，ハードとソフトで強み
多彩な材料 ー 鉄鋼・非鉄合金，セラミクス，半導体, 機能性材料（無機・有機）...
多彩なプロセス ー 熱処理，塑性加工，結晶成長（凝固，薄膜合成），粉末冶金...
優れた評価技術 ー 汎用および先進的な物理的・化学的評価分析
幅広い学問分野 ー 理学 （物理，化学）と 工学 （材料，応物，原子力 ..．）の共創
豊富な研究インフラと充実した共同研究システム ー 所内外共同利用での活用

Ø 材料科学分野の研究力強化

•
•
•
•

分野で認知される優れた成果発信と国際的リーダーシップの発揮
今後を見据えた新分野開拓と柔軟な研究体制の構築
共同利用・共同研究の強みを生かした
幅広い研究展開
国際広報を含むタイムリーな情報発信Ø 大型プロジェクトへの継続的コミット•

科研費, JST・NEDO ..,その他拠点事業

Ø 産学連携研究の一層の推進• シーズ・ニーズに基づく共同研究• 企業支援・技術者育成• 大学と連携した組織的取組の推進• 成果の社会実装・企業化への努力文部科学省と東北大学金属材料研究所
個別定例ランチミーティング（２０２３．１．６）
若手研究者からのプレゼンテーション

ナノ構造制御による構造用金属材料の高強度化

東北大学 金属材料研究所
金属組織制御学研究部門(古原研)准教授 宮本吾郎
1

自己紹介
研究テーマ：
微細組織制御による構造用金属材料の力学特性向上
元素機能を活用した微細組織制御による、省元素・省プロセス・高機能を究めた鉄鋼材料設計
1979年2月27日（43歳）（兵庫県出身）表彰
奨励賞・功績賞
• 日本金属学会• 日本鉄鋼協会• 本多記念会• 日本熱処理技術協会
論文賞• 日本鉄鋼協会（2008, 2014, 2017, 2020）• 英国材料学会（2005, 2016, 2022）• 日本銅学会 (2020, 2022)• Acta student award (2020)• 日本熱処理技術協会 (2020)• 表面技術協会 (2010)

学歴
1999

大阪明星学園高校

2006

京都大学 工学研究科 材料工学専攻【学・修・博】
日本学術振興会 特別研究員（DC2、PD)

職歴
2006 - 2012 東北大学 金属材料研究所 助手
2012 - 現在 東北大学 金属材料研究所 准教授
JST創発的研究支援事業 研究員（2020～）
物質・材料研究機構 招聘研究員（2020 ～）デルフト工科大（オランダ）訪問研究員（2013-2014）2社会を支える構造用金属材料
用途

輸送機器、建築構造物、機械部品等
エッフェル塔（1889年）

324m

125m

衝突安全性と高燃費の両立⇒構造材料の高強度化（鉄鋼材料が約70%を占める）

主材料：錬鉄(100~200 N/mm2)

東京スカイツリー（2012年）

634m

70m
高張力鋼
(400~630 N/mm2以上)

廣田ら 溶接学会誌，82(2013), 237.

高効率・安心安全な社会構築のために、より高強度な構造用金属材料が必要ナノ構造制御によって達成
3溶質ナノクラスターによる鉄鋼材料の強化
溶質元素間に引力相互作用が働くことで、元素が局在化
侵入型元素（i : N, C）
置換型元素（s : Cr, V etc）

G. Miyamoto et al, Mater. Sci. Tech. 27(2011), 742

1000
Nitrided at 550oC for 16h

原子対1nm

クラスター
10nm

第二相

800

Vickers hardness

0.1nm

表面から窒素を添加すると、溶質ナノクラスター形成により表面近傍で硬化

Fe-1at%V

V-N cluster
2nm

600

Fe-1at%Cr
400CrN(B1)
2002nmbefore
100nm

00100

200

300

400

500

Distance from surface (μm)
4JST 産学共創プログラム（2016-2019）

クラスタリング機構解明と元素複合添加によるシナジー効果
元素複合添加による顕著な硬化～クラスター誘起析出の発現～

Vickers hardness

AlN(B1)

Al

800

V（東北大 榎木先生、大阪公立大 上杉先生）
クラスタリング挙動の元素依存性再現（第一原理計算+モンテカルロシミュレーション）

550oC, 16h
1000

クラスタリング挙動の理論的解明

V-N cluster

Cr‐N

Ti‐N

600

榎木ら, 鉄と鋼,
105(2019), 334

Fe-1.9Al-0.1V
400

Fe-0.1V

2000

複合添加材におけるクラスタリングの理論計算（V添加の有効性実証）
Cluster内 引力相互作用Fe-2Al
bef.
0200 400 600 800 1000

Distance from the surface (μm)
Miyamoto et al., Scr. Mater., 203(2021), 114121.

N-s cluster (2s+6N)

NFes:Ti, V, Cr, Al

Cr > V > Ti > 単独添加
Adsorption of 1 Al atom( )・・・・・・
001α

010α
100α

Site 1Site 25

文部科学省 データ創出・活用型マテリアル研究開発プロジェクト「極限環境対応構造材料研究拠点」プロジェクト(2022-2030)～ 実用材料/環境、破壊、データ科学～
次世代自動車（EV，PHEV...）における構造材料課題の一つ

自動車ギアボックス

マテリアル
創製

データ活用促進

高耐疲労・耐摩耗材を実現する表面硬さ分布
設計技術

モーター高速回転と稼働率アップに伴うギアボックス用の歯車材料の高強度・高耐久性

共同研究
企業

歯車の寿命：表面摩耗と疲労が支配
歯車の破壊損傷

歯接触部の応力集中

ピッチング破壊歯車強さ設計資料、日本機械学会（1999）

歯元割れ

理論計算

計測評価

 ビックデータ取得の難しい構造材料におけるデータ科学手法の確立⇒メカニズムや微細構造に立脚することで、スモールデータでも高精度の設計を可能に⇒蓄積された文献のグラフから抽出した数値データで、DB拡充

歯車の研究、
成瀬政男編、養賢堂(1960)

Boiadjiev et al.,Gear Technology, 2015, 58

6構造用金属材料（鉄鋼）を取り巻く情勢
2050年カーボンニュートラル宣言
部門別CO2排出量

自動車用素材製造時のCO2排出量（日経オートモーティブ、2021）

鉄鋼

鉄鋼の単位量当たりのCO2排出量は少なく、今後も構造材の主役

アルミニウム合金
マグネシウム合金
炭素繊維強化樹脂（CFRP）（東洋経済webサイトより）

カーボンニュートラルに向けて
高炉法：鉄鉱石をコークスにより還元→CO2発生
電炉法：鉄スクラップを再利用
蓄積により不純物濃度が増加
Cu, Sn etc…（粒界に濃化して粒界を脆化）

不純物を含んでも破壊しない材料へ
7JST 創発的研究支援事業課題(2021～)
界面組成の高度制御法確立による構造用金属材料の力学特性向上
多結晶粒粒A

添加元素粒B※粒界偏析：元素が粒界に濃縮する現象

高強度化すると粒界で破壊
粒界
C

粒界破壊が高強度化のボトルネック

溶質濃度

粒界
粒界偏析N

相互作用

P,Sn

脆化元素の偏析抑制B
強化元素の偏析促進位置

熱力学に基づく粒界偏析設計により、力学特性を向上させる指導原理を確立
8

粒界性格を考慮した
マルチスケール粒界偏析定量化法
粒界性格測定（EBSD)

α-Fe粒界における炭素偏析の実測

マクロ分布（SIMS)
1052°
16°

50μm50μm

B

B偏析量（atom/nm2）

B濃度(at%)偏析量定量化(三次元アトムプローブ)
偏析量の粒界性格依存性
ボロン炭素(Miyamoto, Scripta Mater., 2018)

ボロン偏析の粒界性格依存性解明に成功

粒界方位差（°）

Interfacial excess,Γ/ atom・nm-2

ボロン偏析

8

炭素偏析挙動の系統的な測定に成功

64200

液相近似により予測される粒界組成
0.01
C content, x/at%

0.02 液相の熱力学データは既知であり、種々の多成分系における粒界組成が設計可能

今後の展望と目標
 構造用金属材料におけるマルチスケール（サブnm～mm）構造制御（量子ビーム（中性子、放射光等）や計算科学、データ科学の活用と連携）
 カーボンニュートラル時代の鉄鋼材料とは？
 国際連携2022年度に当Grに滞在した海外研究者
ICC-IMR(Young fellowship)
IMR

JSPS

ICC-IMR(Visiting professor)
金研PD
→助教採用

ICC-IMR(Young fellowship)

元素機能を活用した微細組織制御による省元素・省プロセス・高機能を究めた鉄鋼材料設計法の確立
10