【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.09】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24TU0147

利用課題名 / Title

鉄鋼材料における各種界面の構造と組成のナノスケール解析

利用した実施機関 / Support Institute

東北大学 / Tohoku Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マルチマテリアル化技術・次世代高分子マテリアル/Multi-material technologies / Next-generation high-molecular materials（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

集束イオンビーム/ Focused ion beam

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

張 咏杰

所属名 / Affiliation

東北大学金属材料研究所

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

兒玉裕美子

利用形態 / Support Type

（主 / Main）技術代行/Technology Substitution（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

TU-508：集束イオンビーム加工装置
TU-507：集束イオンビーム加工装置

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

実用鋼の組織制御には、相変態の速度論への理解が極めて重要である。フェライト変態の場合、変態駆動力は、母相オーステナイト中の炭素拡散だけでなく、界面摩擦や置換型合金元素(M)の界面偏析と局所分配などにも消費される。このような界面反応によるエネルギー散逸が原因となり、フェライト変態時の界面炭素濃度がパラ平衡組成を下回ることで、成長速度が低下する非平衡成長が発現する。本研究では、脱炭処理時に試料表面から生成するフェライトの成長挙動に着目し、界面近傍のナノスケールにおけるMの偏析・分配およびエネルギー散逸量に及ぼす成長速度の影響を明らかにすることを目的とする。

実験 / Experimental

供試材としてFe-0.77C-2.0Mn(mass%)合金を用い、700℃の湿水素雰囲気下において60 sから172.8 ksまでの種々の時間の脱炭処理を行った後、水中に焼入れた。試料断面を光学顕微鏡で観察し、表面から一次元成長したフェライトの厚さの時間変化から成長速度を評価した。また、フェライト/オーステナイト間の結晶方位関係について、最密面と最密方向の平行関係であるK-S関係からのずれ角を電子線後方散乱回折(EBSD)で測定した。さらに、成長界面近傍の炭素濃度を電界放出型電子線マイクロアナライザ(FE-EPMA)で測定し、パラ平衡組成との差からエネルギー散逸量を算出した。加えて、集束イオンビーム(FIB)加工によって成長界面を含む試料を作製し、三次元アトムプローブ(3DAP)または透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて、成長界面におけるMの偏析・分配を評価した。

結果と考察 / Results and Discussion

脱炭処理を施したFe-C-Mn合金では、表面で生成するフェライトの多くがオーステナイトに対してK-S関係から5度以上のずれ角を持ち、non K-S界面の移動によって成長することが確認された。いずれの脱炭処理時間においても、界面炭素濃度はパラ平衡(PE)組成を下回り、不分配/分配局所平衡(NPLE/PLE)遷移境界組成に近い値を示した。 フェライトの成長界面近傍はバルク組成に一致しており、Mnのマクロな分配は見られなかったが、ナノスケールでのMn偏析および分配による濃化量は、成長速度の低下に伴い徐々に増加していた。一方、試料内部ではオーステナイト粒界からフィルム状のフェライトが生成し、片側ではK-S関係を有し、もう片側では有していないことが観察された。また、フィルム状フェライトの成長にはMnのマクロな分配が伴うことが確認された。 得られた実験結果に基づき、定常状態を仮定したソリュートドラッグ(SDE)モデル計算を行った。その結果、試料表面から生成するフェライトの成長界面では、変態初期の高速度側では主にMnのSDE効果が寄与し、後期の低速度側では局所分配が寄与する。このバランスにより、エネルギー散逸量がNPLE成長時に近い値であり、速度によらずほぼ一定となることが明らかとなった。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件