ひずみ蓄積が転位と結晶粒成長に及ぼす影響の評価
旭川工業高等専門学校 生産システム工学専攻(学) ○惣田 和馬
旭川工業高等専門学校 機械システム工学科
杉本 剛
豊橋技術科学大学 機械工学系
足立 望

4th/Jan/2021 from Crystal Bridge, Asahikawa, JAPAN本日の流れ研究背景～せん断ひずみと結晶粒成長の関係性～
せん断ひずみと熱処理条件
結晶粒観察結果
結論と今後

研究背景～せん断ひずみと結晶粒成長の関係性～
大ひずみを与え，その後熱処理した場合の結晶粒の最大粒径はひずみ量に正の相関を示す
傾きが大きく変化
している

冷間鍛造歯車：大ひずみ発生箇所

杉本剛，稲葉大地，足立望，強加工した鋼の焼入組織における旧オーステナイト粒粗大化と衝撃強度の発現メカニズムの解明，2022年度 機械工学系「高専連携共同研究プロジェクト」，2022

研究背景～せん断ひずみと結晶粒成長の関係性～
大ひずみによるクラスターの発生が，結晶粒の大きさに関連しているのではないか？
ひずみの蓄積

転位セル

クラスター

ひずみの大きさクラスター発生点
降伏点

塑性変形

クラスターの発生メカニズム
ひずみの回数研究背景～せん断ひずみと結晶粒成長の関係性～
また，結晶粒微細化には1パスあたりのひずみ量|±Δ𝜺|が寄与することが分かっている．
1パスあたりのひずみ量|±Δ𝜺|と最大粒径の関係（ΣΔN=10）c-HPT加工Δ𝜺-Δ𝜺

ひずみ量𝜺 = 𝑪𝒐𝒏𝒔𝒕.
1パス：|±ΔN|

Δ𝜺=1.6

1パス当たりのひずみ量=|±Δ𝜺|

Δ𝜺=2.4

総ひずみ量ΣΔ𝜺=|Δ𝜺|+ |-Δ𝜺|+ |Δ𝜺|+ |-Δ𝜺|+・・・
佐藤宏和，足立望，戸髙義一，Cyclic-HPT加工により得られる定常結晶粒径に及ぼす1パスひずみの影響，日本金属学会誌，85(2)，67-74，2021

研究背景～せん断ひずみと結晶粒成長の関係性～
本研究では1パスで与えられるひずみ量| ± ∆𝜺|と，積み重ねによって与えられる総ひずみ量𝜮| ± ∆𝜺|に着目し，転位の蓄積によってその後の熱処理時の結晶粒成長（以下，GG）がどのように変化するかを検証した．
冷間鍛造部品における浸炭熱処理時のGGを抑制し，浸炭強化部品の高品質化につながる
c-HPT加工Δ𝜺-Δ𝜺

小ひずみの繰り返しにおいても，一度の大ひずみと同様に結晶粒成長が発生する可能性があるのではないか？

せん断ひずみと熱処理条件
供試材：JISSCr420
元素C

SiMnPS

Ni

Cr

Mo

成分量 (wt%) 0.18~0.23 0.15~0.35 0.60~0.90 0.030以下 0.030以下 0.25以下 0.90~1.20‐

手順
SCr420丸棒
切削
平面研削

組織観察へ
Φ20mm × t=1.0mm
Ra=0.1μm

機械加工

ひずみ取り焼きなまし せん断ひずみ付与 結晶粒粗大化処理（600℃×1hr FC）（無酸化熱処理）せん断ひずみと熱処理条件
加工方法：HPT加工（圧力P=5GPa，回転速度ω=0.2rpm，室温）
Σ|±Δ𝜺|および|±Δ𝜺|の制御：Cyclic-HPT (c-HPT)加工

せん断ひずみ付与メカニズム

Cyclic-HPT加工メカニズムせん断ひずみと熱処理条件
せん断ひずみ付与加工条件

熱処理（結晶粒粗大化処理）

ΔN turn

圧下圧：5GPa
回転速度：0.2rpm
温度：室温
総ひずみ量は外周部の値-ΔN turn

|
-RR
Δ
𝜀|
ΣΔN =|ΔN|+ |-ΔN|+ |ΔN|+ |-ΔN|+・・・+

930℃：結晶粒の大きさが変化する
境界線の温度

930℃×1.5hr

ΣΔ𝜺=|Δ𝜺|+ |-Δ𝜺|+ |Δ𝜺|+ |-Δ𝜺|+・・・

回転 R

パスの総量 Σ ΔN

1/32

32

1/881/22111/32

41/1621/81

総ひずみ量 Σ｜±Δε｜

10413

処理温度

※ R=1, 1/8. 1/32のとき，それぞれ |±Δ𝜺|=104, 13, 2

無酸化雰囲気

WQ

処理時間

せん断ひずみと熱処理条件
結晶粒径の計測位置

切断法による平均粒径の計測

中心（距離 d=0mm)：結晶粒

距離 d=5mm
距離 d=10mm(総ひずみ量Σ｜±Δε｜の値）
中心線 77μm
1レクチル 50μm

平均粒径の計算式
試験体断面77 (μm)÷結晶粒の個数 (個)
最大粒径：中心線上の結晶粒のなかで最大のもの

結晶粒観察結果
ΔN turn

総ひずみ量 Σ｜±Δε｜=104

R=1周

回転 R=1周，パスの総量 ΣΔN=1回
距離 d=0mm
20𝝁𝒎

平均粒径：4.5μm
最大粒径：22.7μm

距離 d=5mm20𝝁𝒎

平均粒径：3.85μm
最大粒径：21.2μm

距離 d=10mm

20𝝁𝒎

平均粒径：4.28μm
最大粒径：30.3μm

結晶粒観察結果
総ひずみ量 Σ｜±Δε｜=104

ΔN turn
R=1/2周回転 R=1/2周，パスの総量 ΣΔN =2回
距離 d=0mm20𝝁𝒎

平均粒径：11.0μm
最大粒径：31.7μm

距離 d=5mm20𝝁𝒎

平均粒径：7.00μm
最大粒径：24.4μm

距離 d=10mm
20𝝁𝒎

平均粒径：5.13μm
最大粒径：28.4μm

結晶粒観察結果
ΔN turn
R=1/8周総ひずみ量 Σ｜±Δε｜=104

回転 R=1/8周，パスの総量 ΣΔN=8回
距離 d=0mm
20𝝁𝒎

平均粒径：5.92μm
最大粒径：28.4μm

距離 d=5mm

距離 d=10mm

20𝝁𝒎

20𝝁𝒎

平均粒径：4.28μm
最大粒径：21.1μm

平均粒径：2.26μm
最大粒径：17.2μm

結晶粒観察結果
総ひずみ量 Σ｜±Δε｜=104

ΔN turn
R=1/32周

回転 R=1/32周，パスの総量 ΣΔN=32回
距離 d=0mm20𝝁𝒎

平均粒径：3.85μm
最大粒径：15.2μm

距離 d=5mm20𝝁𝒎

平均粒径：5.13μm
最大粒径：15.8μm

距離 d=10mm20𝝁𝒎

平均粒径：12.8μm
最大粒径：34.3μm

結晶粒観察結果
総ひずみ量 Σ｜±Δε｜=13

ΔN turn
R=1/8周回転 R=1/8周，パスの総量 ΣΔN=8回
距離 d=0mm20𝝁𝒎

平均粒径：5.92μm
最大粒径：14.2μm

距離 d=5mm20𝝁𝒎

平均粒径：5.13μm
最大粒径：11.9μm

距離 d=10mm20𝝁𝒎

平均粒径：3.67μm
最大粒径：9.9μm

結晶粒観察結果
総ひずみ量 Σ｜±Δε｜=13

ΔN turn
R=1/16周

回転 R=1/16周，パスの総量 ΣΔN=2回
距離 d=0mm20𝝁𝒎

平均粒径：11.0μm
最大粒径：18.2μm

距離 d=5mm20𝝁𝒎

平均粒径：9.63μm
最大粒径：23.8μm

距離 d=10mm20𝝁𝒎

平均粒径：4.05μm
最大粒径：14.9μm

結晶粒観察結果
総ひずみ量 Σ｜±Δε｜=13

ΔN turn
R=1/32周

回転 R=1/32周，パスの総量 ΣΔN=4回
距離 d=0mm
20𝝁𝒎

平均粒径：11.0μm
最大粒径：20.5μm

距離 d=5mm20𝝁𝒎

平均粒径：8.56μm
最大粒径：28.4μm

距離 d=10mm
20𝝁𝒎

平均粒径：7.70μm
最大粒径：23.1μm

結晶粒観察結果
総ひずみ量𝜮 ±∆𝜺 =104

距離 d と最大粒径のグラフ

最大，平均粒径ともに距離 d について正，負の相関を示すデータがそれぞれ存在した

距離 d と平均粒径のグラフ

結晶粒径の増減の境界条件となる
距離 d ，パスの総量 ΣΔNが存在する

結晶粒観察結果
総ひずみ量𝜮 ±∆𝜺 =13

距離 d と最大粒径のグラフ

最大粒径については距離 d =5mm付近で一度上昇する動きがみられるが，その後平均粒径と同様に減少していった

距離 d と平均粒径のグラフ

距離 d について，結晶粒径に対する正負の境界条件が存在する

結晶粒観察結果
1パスひずみ ±∆𝜺 とパスの総量 ΣΔNについて

パスの総量 ΣΔNと最大粒径のグラフ

パスの総量 ΣΔNと平均粒径のグラフ

最大粒径についてはパスの総量 ΣΔNと正の相関を示し，平均粒径については負の相関を示す1パスひずみ ±∆𝜺 が存在した

1パスひずみ ±∆𝜺 の条件を限定した
うえでパスの総量 ΣΔNとの相関を調べる必要がある

結論と今後
先行研究では，最大せん断ひずみが発生する距離 d=10mmにおいて結晶粒の最大粒径がひずみの大きさに正の相関を示すことが分かっている

本研究では小ひずみの繰り返しに着目し，2種類の総ひずみ量𝜮| ± ∆𝜺|について
3か所から結晶粒の観察を行った結果，結晶粒径について1.回転 R，パスの総量 ΣΔN
2.距離 dについて正負の境界条件が存在し，1パスひずみ ±∆𝜺 とパスの総量 ΣΔNについて
ΣΔNと正の相関を示す1パスひずみ ±∆𝜺 が存在することが分かった

結論と今後

今後は・境界条件の導出
・1パスひずみ ±∆𝜺 とパスの総量 ΣΔNとの相関関係
・SEM EBSDによる結晶方位観察
・TEMによる転位観察について行うご清聴ありがとうございました