チタン合金加工熱処理材の定量的材質評価
横浜国立大学 大学院工学研究院
研究教員 諸岡聡(平成 21 年度一般研究開発助成 AF-2009012)

キーワード：チタン合金, 残留応力, 集合組織
１．研究の目的と背景察する。

チタン合金は酸化物が非常に安定で侵されにくく、表面が２．実験方法

酸化物の皮膜によって保護されるため、空気中では白金や金2・1 供試材とほぼ同等の強い耐食性を有する。特に、純チタンは加工性

本研究では、Ti-1.0Fe-0.4O(mass%)合金を用い、真空溶解によにも優れ、高比強度材料の代表的存在である。そこで、医療ってφ400mmインゴットを溶製し、1000℃で熱間鍛造・850℃で器具のカテーテルなどの細線(ワイヤー)やステントなどの薄クロス熱間圧延(第1圧延 50％、第2圧延 60％)後、750℃で3.6ks板(プレート)などで多く利用されている

1, 2)。また、現在では血管内での動くマイクロマシン用材料としても期待されて3)いる 。しかし、合金化により高強度化を図ると、加工性が間焼鈍したクロス圧延材(CR)と、その後700℃で熱間溝ロール圧延を施した溝圧延材(GR)を供試材とした。
2・2 組織観察低下する。そのため、温間あるいは熱間加工により成形され、チタン合金の組織観察は走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて実施

熱処理を組み合わせた材質制御を施す。チタン合金は塑性変した。SEM観察用試料は供試材の圧延方向(RD)に垂直な断面(TD)形における結晶異方性が極めて高く、加工率や加工方法によを鏡面研磨した後、クロール液(2HF+8HNO3+9H2O2)で腐食した。って材質と特性が大きく変化する。したがって、結晶粒形得られた組織を図１に示す。CR材は、圧延による典型的な変形組態・サイズ・配向、残留応力などのパラメータを把握するこ織が見られ、結晶粒はパンケーキ状であった。また、パンケーキとが重要であるが、その評価は定量的な不均一性を示すに留内部には亜粒界が存在していることから再結晶が生じているこ

まり、定量的評価による設計値の提供に至っていない。とが推察できる。GR材は、溝圧延により粗大なパンケーキ状結晶

中性子回折は、高い物質透過能を有し、非破壊かつ引張特性・疲労特性などの機械的性質に対応したバルク全体の巨視粒が破壊され、結晶粒微細化している。この組織写真からでは、動的再結晶が生じているかどうか確認できない。

的定量的情報を得ることができる新しい評価法である。そこで、本手法を用いて塑性加工材中の残留応力や集合組織の形成、転位密度などを材質定数として得ることは、塑性加工を施した金属材料の評価とその工業的応用に重要な知見を与えるものである。一般的に、金属材料のミクロ組織解析には、顕微鏡観察と X 線回折の併用などが主流であるが、本研究では中性子回折を用いる。X 線回折では、材料への侵入深さが純チタンで 11μm、鋼で 4μm 程度であるために、表面の測定には適しているが試料内部や試料全体の情報を得ることができない。中性子回折の侵入深さは、純チタンで 50mm、鋼で 85mm と深いため、試料内部や試料全体の応力状態・結晶粒径・転位密度・結晶方位の情報を得ることができる。十分に高い分解能を持つ中性子回折装置は、ミクロ組織と引張・破壊特性に関連したバルク全体における巨視的情報を得ることができる。また、試料内部の応力状態など目視できない情報を得ることができるため、学術的に非常に価値がある。
本研究では、チタン合金の圧延材と溝圧延材に中性子回折を適用して非破壊的にバルク全体の巨視的なミクロ組織の情報を得ることで塑性加工による残留応力と集合組織の形

図１ 熱間圧延加工を施したチタン合金の変形組織(a)CR材、成の影響を検討する。特に、塑性加工における{hkl}結晶粒群(b)GR材の残留応力分配挙動、転位形成挙動と集合組織進展メカニズムについて解析し、残留応力・転位・集合組織の関連性を考ー 63 ー2・3 中性子回折実験

また、一次元検出器を搭載していることから、各(χ,φ)のピ

残留ひずみおよび集合組織測定は、日本原子力研究開発機構

ーク強度のみならず、最大ピーク強度位置に対して±3.5o範囲(茨城県東海村)の研究用原子炉JRR-3にある残留応力解析用中のピークプロファイルを取得できる(図４)。したがって、各(χ,性子回折装置RESA-II(Diffractometer for Residual Stress Analysisφ)で得られたピークプロファイルに対してVoigh関数を用いII)で実施した。本装置は、角度分散型の回折装置であることかてプロファイルフィッティングを行うことで、格子面間隔・積ら、ある回折面hklの格子面間隔dhkl、入射中性子の波長をλとす分強度・半価幅の情報を同時に得ることができる。

れば、Braggの回折条件式(2dhklsinθ = nλ)により決定される回折角2θを測定する装置である。この2θの変化を測定することで、dhklの変化、すなわち、格子ひずみ(弾性ひずみ)を測定できる。
また、回折線のピークシフトだけでなく、回折線の強度や半価幅を解析することで、集合組織や転位密度などのミクロ組織情報を定量的に評価することも可能である。
圧延方向(RD)を揃え、積み上げた20×20×20mm立方体試料(図２)を3軸オイラー・クレードル上に設置した実験装置の外観を図３に示す。この装置の縦回転をχ回転(0～90o)、横回転をφ回転(0～360o)と称する。測定条件は、測定体積内平均波長
λ≒0.22nm、χ測定範囲0～90o (5oステップ)、φ測定範囲0～360o(5oステップ)、1点あたり15sec、入射スリット10×10mm、検出器側スリット10×10mmとし、それぞれ{10-10}、{0002}、{10-11}からの回折線を測定した。
図４

GR材のピークプロファイル：灰色マーカーRD(χ,φ)=(0,0)、黒マーカーHOOP(χ,φ)=(0,90)=(90,0)
集合組織評価は、得られた積分強度を極密度へ変換し、集合組織解析用ソフトウェアLabotexを用いて、完全極点図・結晶方

図２ バルク集合組織測定用の立方体試料位分布関数ODF(Crystallite Orientation Distribution Function)を作成した。CR材は第2圧延方向をRDとし、GR材は極点図の中心をRDとした。ODFは、Bungeの提案した手法4)の球面調和関数による級数展開法で解析した。解析級数は22次である。
残留ひずみ評価は、GR材を750℃で3.6ks間焼鈍した再結晶材の格子面間隔(d0hkl)と溝圧延ままのGR材の格子面間隔(dhkl)から式(1)を用いて粒ひずみ(εhkl)を算出して、結晶粒群間の塑性変位の不整合によって生じる残留ひずみを評価した。
0ε hkl = ( dhkl − dhkl) / dhkl0(1)

転位密度評価は、積分幅法を用いたKeijserらのアプローチ5, 6)を参考とした。積分幅とはピーク面積をピーク高さで除算して得られる幅をいう。評価対象材料のピークプロファイルは、Gaussian関数とCauchy関数を畳み込んだVoigt関数で式(2)のように表現される。

⎡ x2 ⎤ ⎡⎤1I(x) = I(0)exp ⎢−π 2 ⎥ ⊗ ⎢ 2 2 2 ⎥ββ/π+x⎣⎣ C⎦G⎦(2)

ここで、x=2sinθ/λとβC、βGはそれぞれ、Cauchy成分の積分幅とGaussian成分の積分幅である。評価対象の積分幅と半価幅を実験式(3)に代入してGaussian成分とCauchy成分を求める。

βC / β = a0 + a1ϕ + a2ϕ 2
図３ 実験装置の外観(a)3軸オイラー・クレードル、(b)試料位置と中性子線の行路の関係⎛2⎞

βG / β = b0 + b1/2 ⎜ϕ − ⎟ + b1ϕ + b2ϕ 2⎝π⎠ー 64 ー(3)ここで、ϕ =2w/b、a0=2.0207、a1=-0.4803、a2=-1.7756、b0=0.6420、関係が理解できる。このままでは、回折面と方位の関係を示

b1/2=1.4187、b1=-2.2043およびb2=1.8706である。この実験式の最すことができないので、井上らの報告 8)を基に解析を試みた

大誤差は1%である。局所ひずみεはGaussian成分の寄与のみ、結果を図７に示す。井上らの計算結果に実験結果を投影させ結晶子DはCauchy成分の寄与のみと考え、式(4)を用いて算出でると、ND から RD の方へおよそ 25o 傾いた(01-14)[0-221]、オきる。

イラー角(90o, 24.6o, 30o)に極密度 4.6 で集積していることがわ

ε2D=1/2かる。このように、ODF を用いることで、集合組織を 3 次元1/2⎛2⎞=⎜ ⎟ e⎝π ⎠λ(4)的に解析が可能となる。ただし、これらの手法には、専門知識が必要となり、現在の状況では汎用性に欠ける。

βC cosθ1βG cot θ 、βは2θスケールで測定された値、λは4波長である。式(4)では、θはラジアンとすると両辺の次元が合う。したがって、転位密度(ρ)はX線回折で用いられる式(5)7)を用いて評価した。
(5)
ρ = (16.1× ε 2 ) / b 2
ここで、 e =ここで、bは転位のバーガースベクトル(=0.341nm)である。

３．研究成果図５に CR 材の圧延集合組織を示す。中性子線を用いた集合組織測定は、中性子線の透過能が高いため、XRD のような反射法と透過法を合わせて完全極点図を作成する必要がなく、通常の測定のみで完全極点図を作成できる。しかし、高い透過能であるため、XRD のような試料の内部と外部の集合組織を分離して測定することができず、試料全体の平均的な
図５ 850℃で熱間クロス圧延した CR 材の極点図極点図を作成することになる。
図５を見ると、(0001)極点図からわかるように、[0001]軸がND から RD の方へ約 25o 傾いた位置にあり、RD-split textureが発達している。井上らの報告 8)では、純チタンの圧延材は、(0001)極が TD の方へ分離した集合組織、TD-split texture が発達し、[10-10]//RD の繊維集合組織も弱いながら存在すると述べられている。この報告を基に CR 材の集合組織の形成過程を推測する。まず、第１圧延時は、報告にあるように TD-splittexture が形成されると思うが、本試料は、850℃で熱間圧延を施しているため、同時に動的再結晶も生じ、再結晶集合組織の形成も考える必要がある。次に、圧延方向を 90o 回転させ、第 2 圧延を施す。したがって、極点図上で第 1 圧延時のRD が TD となり、第 1 圧延時の TD が RD となり、見かけ上RD-split texture が形成される。ここでも、再結晶集合組織の形成を考慮する必要がある。圧下率はほぼ同等であることか

図６ 850℃で熱間クロス圧延した CR 材の結晶方位分布関ら、クロス圧延の集合組織は、第 1 圧延で形成される集合組数 ODF織が優先的に配向すると推察される。
図６に CR 材の結晶方位分布関数 ODF を示す。
図５で示したような極点図では優先方位の定性的な決定はできても、その方位がどの程度存在するのかという定量的な解析に向かいない。さらに、方位分散が大きい集合組織の場合、極点図上には多数の方位が重なり合った状態が描写されているために、正確な方位分布状態を見積もることは困難である。そこで、数種の極点図をもとにODF を計算することによって、
図７ φ2=30o 断面における低指数方位の位置 8)と最大局密度方位の存在量を知ることができる。
図６を見ると、αチタン集合組織とオイラー角(φ1, Φ, φ2)のの位置

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図８に GR 材材の圧延集合組組織を示す。
(10-110)極点図と(0001)
極点図からわかかるように、RDRD 周りに(10-100)極、ND から TTD周りにかけて((0001)極が集積している、繊維維集合組織を有すする。溝圧延は、、CR 材の ND、TD 板面に対しして、同時に均均一な圧下率を繰返返し与えるためめ、このような繊維集合組織が形成さられたと考考えられる。ここれらの極点図はは、1/4 対象で考えられるため、、これ以降の方
方位密度、残留ひひずみ、転位密度の解析は、線ププロットで示すす(図９)。これら
らの取り組みは、、すでにステンレス鋼の結果がが報告されており、それらを参考とした 9, 10)。
図９(a)を見ると、(10-10)極はは 0o 付近に集積しており、(0002)極は 75-90o の範範囲に集積してていることがわかかり、極点図のの結果を反映していいる。図９(b)をを見ると、(10-10) 柱面と(10-11)
錐面は圧縮、((0002) 底面は引引張の残留ひずみみが存在する。曲
線の変化から方方位密度と(00002) 底面の残留ひひずみには相関がありそうだが、他の 2 つのの回折面は相関関に乏しい。またた、多結晶体内の個個々の結晶粒単単位の異方性が確確認できる。つつまり、多結晶体ででありながらもも、単結晶体の集合体のような応力(弾性ひずみみ)分配を示す。図９(c)を見るとと、熱間溝圧延にもかかわらず高高い転位密度をを示す。これは、、T.Ungar らの報
告 11)している 720℃熱間圧延延材(圧下率 10%)の平均的な転位

図９
図
GR 材の方方位密度と残留ひずみ、転位密度の関係

密度 1.0x1014m-2 をはるかに超超え、ある特定のの配向された結結晶粒における局所所的な転位密度度であるため、非非常に大きな値値を示していると考考えられる。曲曲線の変化から方方位密度と(0002)
底面上の局所的的転位密度は相相関があると考ええられる。

４．結論
チタン合金の圧チ圧延材と溝圧延材材に中性子回折折を適用して非破破壊的にバルク全体の巨視的なミクロ組織の情報を得る

これまでの結結果は、材料のの強度や破壊メカカニズムを評価価す
る上では、単にに残留応力を測測定するだけでななく、ミクロひひずこととで塑性加工にによる残留応力と集合組織の形形成の影響についいて検討した結果
果を以下に示す
す。

みや集合組織、、転位密度などどのミクロ組織因因子を関連づけけて定量的に評価したものである
る。今後、これららの手法を汎用用的クる集合組織の形成は、第 1 圧延の影響が圧
1) クロス圧延によに使用できるようシステム構構築を目指す。

強くく残り、RD-sp
plit texture が形成される。優先方位は(01--14)[0-221]であある。
2) 集合組織は、集残留留ひずみや局所所的な転位密度と相関を持つ。
さららに、解析を進めめることで材料料設計や破壊メカカニズムの構築のの指針につなげたたい。

謝辞
辞
本研究は、
本
(財)天田金属加工機械技術振興財団
団 平成 21 年度一一般研究開発助成成により行われれたものであり、、ここに謝意を表表す。また、平成
成 21 年度上期 JRR-3 実験課
課題公募(成果公開開型:課題番号「2009A-A30」)、平成 22 年度
度上期 JRR-3
実験験課題公募(成果果公開型:課題番号「2010A-AA33」)で実施
した
た内容の一部でである。

参考文献
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