大型放射光施設 SPring-8

公開日

2016年06月15日

2016年6月14日
公立大学法人　大阪府立大学
新日鐵住金ステンレス株式会社
国立研究開発法人　日本原子力研究開発機構

【研究成果のポイント】
1.ステンレス鋼SUS304の「室温において」今まで無いとされてきた六方晶ε相が中間相として出現することを世界で初めて明らかにしました。
2.放射光回折の引張りその場観察によって、ナノスケールの組織からなる極微量のε相の存在が明らかになりました。
3.本研究成果は、ステンレス鋼の水素脆化の問題を解決する研究開発への応用につながることが期待されます。

【研究の背景】
　SUSはγ鉄にクロムや微量のNiなどの合金元素を混ぜたステンレス鋼の呼称で、その代表的なものが18%Cr、8%Niを含むJISで規格化されたSUS304です。SUS304は錆び難く機械的性質も大変優れているため、厨房・家電や自動車・鉄道車両、原子炉のシュラウドなど幅広い用途で実用されています。SUS304に外部から力を加えると結晶構造が変わり、強くなって伸びも大きくなることが知られています。このような壊れ難く、加工しやすい特性を向上させるためには、その結晶構造の変化のプロセスを解明することが大変重要となります。
　SUS304の結晶構造は、γ相と呼ばれる面心立方構造（face-centered cubic : fcc構造）の相の中に発生する欠陥や転位^[3]を起点に体心立方構造（body-centered cubic : bcc構造）のα’相に変化することが知られています（図１参照）。これまでの研究において、γ相からα’相への変化において中間相としてε相が出現することが電子顕微鏡観察により報告されていますが、ε相は室温以下の低温でしか観測されておらず、「室温においては」ε相は出現しないと考えられてきました。

【研究内容と成果】
　本研究では、室温においてε相が生成していることを放射光回折法により調べました。実験は大型放射光施設SPring-8のビームラインBL02B1において行いました。試料片の表面だけでなく、内部まで含めた試料全体にわたる情報を得るために試料を透過する配置で測定を行い、どのような相が存在しているかを調べました。
　始めに、予め引張り応力を加えたSUS304試験片を測定しました。室温で測定したX線回折データには結晶構造が変化した後のα’相の回折ピークとともにε相の回折ピークが観測されました。ε相の量はγ相やα’相に比べると極めて少ないですが、SPring-8の高輝度光源を用いることにより明瞭に観測することができました。この結果はこれまでの報告とは異なり、室温においてもε相が生成していることが判りました。そして、γ相は中間相ε相を経てα’相へ変化していることが示唆されました。そこで、次に、図２に示すようにBL02B1の多軸回折計に試料負荷装置を取り付けて、SUS304試験片を引張りながらその場測定をstep-by-stepで行い、図３のX線回折データを得ました。予歪みを与えていないバージン試料に徐々に負荷をかけていったところ、試験片の伸びの量の増加に伴ってε相が生成し、増加していく様子が観察されました。さらに、このε相の増加に遅れてα’相が増加していく様子が観察されました。
　そこで、次に、α’相がどのようにして生成するのかローレンツ透過型電子顕微鏡^[2]を用いてミクロなスケールで組織観察を行いました。α’相は強磁性体ですのでローレンツ透過型電子顕微鏡を用いることによって非磁性体であるγ相（およびε相）の領域と区別することができます。予歪みを与えた伸び20%の試料を観察したところ、図４に示すようにγ相のABCABCと積層した原子層の中にできた欠陥に沿ってα’相が存在していることがわかりました。このことはα’相が、積層欠陥や転位の部分を起点に成長していることを示唆しています。図５は高分解能電子顕微鏡像です。α’相付近を拡大した像から、双晶（ツイン）^[4]境界付近にABAB積層のε相が存在することがわかりました。
　以上の測定から、室温での加工誘起変態において新たに見出されたひとつのプロセスとして、γ相の双晶境界付近にε相が生成し、それがα’相へと変態することがわかりました（図６）。放射光回折法による試料全体の定量的観測とローレンツ透過型電子顕微鏡によるミクロな組織観察を組み合わせることにより、これまで見出されていなかった室温における加工誘起変態の中間相としてのε相の存在とその相変態のプロセスが明らかになりました。

【今後の展開】
　SUS304は優れた機械的性質を持つ材料ですが、水素を添加した場合には引張り延性が下がり脆くなることが知られており、実用面において大きな課題となっています。これまで、引張り延性のような性質には、加工誘起変態における中間相の生成が関係していると考えられてきましたが、それを実験的に確認することができませんでした。最近の私たちの研究から、水素による脆化は室温において高密度のε相が形成されることによって起こることがわかってきました。本研究では相変態の過程で生成するε相の様子がミクロなスケールで明らかとなりましたので、今後、水素によるステンレス鋼の脆化の機構解明と水素環境中で使用する材料提案や材料開発につながると期待されます。

【参考図】

【用語解説】
[１] 加工誘起マルテンサイト変態
SUS304は、無負荷状態においてfcc 構造のオーステナイト相(γ相)の非磁性体です。しかし、引張試験などの冷間加工を施すと、γ相の一部がbcc構造のマルテンサイト相（α’相）へ変態し、強磁性となります。このような変態は加工誘起マルテンサイト変態(Strain Induced Martensitic Transformation)と呼ばれています。

[２] ローレンツ透過型電子顕微鏡
透過型電子顕微鏡を用いて強磁性体試料の磁区構造を観察する手法です。強磁性体に入射した電子は磁化の方向に依存するローレンツ力を受けて進行方向を変えます(偏向します)。隣り合う磁区では異なる偏向を受けるため、隣り合う磁区にコントラストが生じます。フレネル法(defocus法)では隣り合う磁区から異なる偏向を受けた電子線の重なりにより、磁区境界は明線または暗線として観察されます。一方、フーコ法(in-focus法)では隣り合う磁区を通過した透過ビームが後焦面で互いに少しずれた位置に偏向されるため、その一方を選んで結像します。選ばれた透過ビームに対応する磁区の像は明るく、他方の透過ビームに対応する磁区の像は暗く見えます。通常の透過電子顕微鏡では、試料は対物レンズの強い磁場中(約2テスラ)に置かれるので、試料全体が単一磁区になってしまいます。磁区観察には試料位置にほとんど磁場がかからない専用の対物レンズを用いる必要があります。

[３] 欠陥・転位
金属材料は、加工を施すとひずみが生じ、原子配列の乱れた格子欠陥＝ここで言う「欠陥」が生じます。原子配列のずれが線状になっている欠陥を「転位」と言います。さらに、欠陥の形状が面状のもの「面欠陥」と言います。fcc構造のSUS304に見られる積層欠陥は代表的な面欠陥であり、本研究で見出されたfcc構造の（111）面の積層状態ABCABC・・・からABABAB・・・へ変化したε相の構造も面欠陥の一種です。

[４] 双晶（ツイン）
双晶とは元の結晶と鏡面対称の関係にある結晶のことで、結晶構造は元の結晶と同じで方位のみが異なる関係にあります。fcc構造の場合、双晶は（111）面を積層面として、積層面と垂直な方向が互いに｛110｝方向の関係になっている結晶を言います。