共同研究・競争的資金等の研究課題

• 熱弾性型マルテンサイト変態における潜熱の非定常伝達と蓄熱効果
  科学研究費助成事業
  2019年04月01日 - 2024年03月31日
  加藤 博之
  4種類の形状記憶合金，ニッケルチタン(NiTi)，鉄パラジウム(FePd)，マンガン銅(MnCu)，銅・アルミニウム・マンガン(CuAlMn)のマルテンサイト変態を光学顕微鏡により観察した。DSCで測定した潜熱は大きく異なった（MnCuそれぞれ，高温のオーステナイト相の試料の表面を機械研磨および電解研磨で平滑にして，冷却によってマルテンサイト変態を起こし，その表面起伏による光学的なコントラストを観察した。また、市販のサーマルカメラにより表面の温度分布を計測した。NiTi合金では潜熱の排熱で局所的に10Kまで上昇することを確認した。
  NiTi合金の動脈カテーテルは通電加熱により開口の動作をするが，この動作を形状記憶合金ばねの伸縮で模擬した。NiTiばねを自作して通電加熱による形状記憶動作を観察し，弾塑性力学によるモデル化を試みた。形状記憶合金のばねを考える前に，定式化の一般論を公開する必要があり，ピアノ線のばねについて非線形理論を論文で公開した。
  フェイズフィールド法による相変態の非平衡緩和過程の計算と潜熱の伝熱方程式を連立させて一次元問題の解を得た。この解は単一平面のマルテンサイト/母相界面の伝達を表現する。NiTi形状記憶合金の超弾性について，フェイズフィールドによる界面速度の計算を行い，実測値と比較した結果を論文としてまとめている。
  形状記憶合金の潜熱蓄熱効果の応用例を三次元有限要素伝熱解析で示した。エンタルピー曲線を厳密に定義して入力することでANSYSで解析が可能となった。アルミニウムとNiTi合金ワイヤの複合材料を考案し，ファン空冷との併用を考えてパソコンのCPUのヒートシンクをモデルとし計算機実験で蓄熱効果を初めて示すことが出来た。
  日本学術振興会, 基盤研究(C), 北海道大学, 19K04981
• 形状記憶素材を活用した軽量・低温強度を有する新規複合材料の開発　　　　　　　　　　　　　　　
  シーズ育成
  2008年12月 - 2009年03月
  加藤博之
  JST, 研究代表者, 競争的資金
• 先進LSI銅配線薄膜の端部剥離強度評価法の開発
  科学研究費助成事業
  2001年 - 2002年
  北村 隆行, 中村 友二, 梅野 宜崇, 加藤 博之
  先進大規模集積回路(LSI)の配線には,電気抵抗の低減と原子マイグレーションによる破断防止のために銅が用いられている.銅配線を用いる場合には,基板への銅原子の拡散を防ぐために銅と基板の間にバリヤー層が配置されているが,.銅薄膜とバリヤー層は密着性が良くないため,端部からの剥離発生が問題となる.界面端部にはフリーエッジ効果によって応力が集中しており,これによって生ずる界面端はく離の力学的挙動を明らかにする必要があるが,これまで適切な端部剥離評価法がなかった.本研究では,破壊力学の概念を援用して,界面端部の亀裂発生試験法を考案し,力学的に正確な薄膜界面端部剥離強度評価法を開発した.剛性の高いはりによって薄膜の変形を強く拘束し,不要薄膜部分を切除することによって,薄膜の塑性変形や破壊が界面強度評価に影響を及ぼすことを防止するように工夫した試験片を用意した.この試験片に対して,ビッカース硬さ試験装置を改良した微小荷重負荷試験装置によって界面端部からの剥離試験を行い,境界要素法解析および分子動力学解析によって剥離を支配する力学量,すなわちフリーエッジ効果による応力拡大係数を評価できることを明らかにした.また,この方法によってシリコン基板上に形成したバリヤー膜(TiN)と銅薄膜の界面端からの亀裂発生強度を評価した.さらに,膜作成時に導入された内部応力を測定し,界面端剥離強度の膜厚依存性について検討した.その結果,内部応力と外部機械的負荷の重ね合わせによる端部応力が,亀裂発生の真の駆動力であることを見出した.
  日本学術振興会, 基盤研究(B), 京都大学, 13555026
• 金属間化合物の中間温度および高温疲労挙動　　　　　　　　　　　　　　　
  奨励（A)
  1998年04月 - 1999年03月
  加藤 博之
  JSPS, 研究代表者, 競争的資金
• 粉末焼結メゾ粒子ニチノール超弾性・彫塑生形状記憶合金の開発　　　　　　　　　　　　　　　
  科学研究費 試験B
  1995年04月 - 1998年03月
  加藤博之
  JSPS, 研究代表者, 競争的資金
• 集合組織制御した微細粒二相ステンレス鋼板の超塑性
  科学研究費助成事業
  1998年 - 1998年
  橋本 敏, 宮本 博之, 加藤 博之, 御牧 拓郎
  二相ステンレス鋼は微細粒超塑性を示す代表的な金属材料であり、一般的に微細粒超塑性においては粒界すべりおよび相界面すべりが支配的な機構であることが知られている。著者らはγ(FCC)/α(BCC)ステンレス鋼異相双結晶等を用いたクリープ試験からγ/α相界面は本質的に単相粒界に比べてすべり易いことを明らかにした[1,2]。一方、単相の粒界すべりは方位関係の影響を受けることが純Zn、Al等について報告されていることから相界面すべりについてもγ相/α相の方位関係の影響を受けることが予想される。そこで本研究では異相間の方位関係分布の定性的指標となる各相の集合組織が二相ステンレス鋼板の超塑性変形挙動に及ぼす影響を明らかにすることを目的とする。本年度は第一段階として他に報告されているα(FCC)/β(BCC)Brass等の双結晶クリープの実験データも加えてFCC/BCC相界面すべり機構の理論的検討を行い[3]、さらに相界面と単相粒界における本質的なすべり易さの違いを含めた二相(FCC/BCC)鋼の変形機構を提案し[4]、これまで報告されてきた実験データにより検証をおこなった。
  双結晶を用いたクリープ試験から、変形抵抗が異なるFCC相およびBCC相から構成される相界面と単相粒界におけるすべり抵抗の顕著な差異が明らかとなった。この知見より超塑性変形における相界面の役割として、相界面すべりにより超塑性ひずみの大部分を請け負う変形モデルを提案した。これは第二相が変形中に粒成長を抑制し微細組織を安定化するという従来の役割とは異なる視点から変形機構を示唆するものである。
  日本学術振興会, 特定領域研究(A), 京都大学, 10122209
• 三重結晶の変形，破壊挙動に基づいた粒界設計に関する研究　　　　　　　　　　　　　　　
  科学研究費 一般(A)
  1994年04月 - 1996年03月
  三浦精
  JSPS, 競争的資金
• 粒界上に液相粒子を含むバイおよびトライ・クリスタルの高温変形挙動
  科学研究費助成事業
  1996年 - 1996年
  尾中 晋, 加藤 博之, 橋本 敏
  多結晶中の液相粒子が大きな量の粒界すべりを起こすための付随調整機構として重要であるという指摘がなされているが,液相粒子が結晶の塑性変形に及ぼす影響や粒界上の液相粒子が粒界でのすべりや破壊におよぼす影響には不明の点が数多く存在する.そこで本研究では液相粒子を含む銅単結晶,銅双結晶(バイクリスタル)そして銅多結晶についての実験的,理論的検討を行ない,結晶粒内や結晶粒界上の液相粒子が結晶の塑性変形や結晶粒界のすべりにおよぼす影響について多方向からの考察をした.また,粒界上に液相粒子を含む三重結晶(トライクリスタル)の高温変形挙動を調査する準備として,銅基固溶体合金三重結晶の高温変形挙動におよぼす粒界三重点の影響についても考察を加えた.得られた結果をまとめると以下のようになる.
  1.B_2O_3粒子が銅母相単結晶の高温変形挙動に及ぼす影響
  (1)液相B_2O_3粒子は,固相SiO_2粒子と同じく母相の高温強化に有効である.
  (2)固相SiO_2粒子は,液相B_2O_3粒子と同じく高温域では材料に加工硬化をもたらす原因とはならない.
  2.粒界上のB_2O_3粒子が銅多結晶と双結晶の高温変形挙動に及ぼす影響
  (1)粒界上の液相B_2O_3粒子は,銅多結晶の脆性的な粒界破壊の原因になる.
  (2)粒界上の液相B_2O_3粒子は,粒界上の固相GeO_2粒子に比較して銅多結晶の粒界破壊をより促進する.
  3.粒界三重線が三重結合の粒界破壊におよぼす影響.
  三重線は中間的な温度域では粒界破壊を抑制するものの,高温域では粒界き裂の優先発生箇所になる.
  日本学術振興会, 重点領域研究, 京都大学, 08242215
• TiNi形状記憶合金の高温変形　　　　　　　　　　　　　　　
  科学研究費 奨励(A)
  1993年04月 - 1994年03月
  加藤博之
  JSPS, 研究代表者, 競争的資金
• CuAlMn形状記憶合金単結晶の超弾性と形状記憶効果　　　　　　　　　　　　　　　
  科学研究費 奨励(A)
  1992年04月 - 1993年03月
  加藤博之
  JSPS, 研究代表者, 競争的資金
• オーステナイト・フェライト二相ステンレス鋼双結晶の界面構造と機械的性質
  科学研究費助成事業
  1993年 - 1993年
  橋本 敏, 加藤 博之, 尾中 晋, 三浦 精
  Fe-15Cr-15Ni(オーステナイト(γ)ステンレス鋼)およびFe-30Cr(フェライト(α)ステンレス鋼)単結晶から二相(γ/α)ステンレス鋼双結晶と各相の双結晶を拡散接合により作製して、その機械的性質を高温および室温で調査した結果、次のことが明らかとなった。
  1.1373K、アルゴン雰囲気中で、界面に平行にSimple shear実験(初期せん断応力、τ=1.0MPa)を行なった結果、γ/α相界面のすべり速度vは約5×10^<-6>ms^<-1>であり、α、γ相の粒界すべり速度に比べて約10^2〜10^3速いことが判明した。相界面のすべり速度の応力感受性指数nはn=2となり、vα/γ=const.τ^2が実験的に求められ、これは二相ステンレス鋼の超塑性領域のn値と一致する。すべり変形後の界面の様相から相界面すべりは界面自体のすべりではなく極く近傍のsofterなα相側での粘性的な物質の流動によることが明らかとなり、harderなγ相に運動を阻止されたα相内の転位の上昇とすべり運動の繰返しによるものと結論した。以上の結果をもとにsoftとhardの相からなる二相合金多結晶の超塑性変形モデルとその構成式を提案し、従来報告されている観測結果をよく説明することを報告した。
  2.種々の方位関係と界面方位を有する二相双結晶を界面と平行に室温で塑性変形し、界面での変形挙動をすべり線観察より論じた。弾性および塑性の歪の不適合性の大小、不適合性による応力の発生から界面での付加的すべりの挙動を説明できた。
  日本学術振興会, 一般研究(C), 京都大学, 05650618
• Plastic deformation of intermetallic compounds　　　　　　　　　　　　　　　
  競争的資金
• Stress-strain behavior during plastic deformation of metals stress-strain behavior　　　　　　　　　　　　　　　
  競争的資金
• Stress-strain behavior of shape memory allos　　　　　　　　　　　　　　　
  競争的資金