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三浦 靖史*; 鈴木 賢治*; 諸岡 聡; 菖蒲 敬久
Quantum Beam Science (Internet), 8(1), p.1_1 - 1_14, 2024/03
Probabilistic fracture mechanics (PFM) is expected as a reasonable structural integrity assessment method for nuclear components such as piping, whose main degradation phenomenon is stress corrosion cracking (SCC). Some input parameters are necessary for PFM analysis, and welding residual stress is one of the most important parameters because welding residual stress affects SCC initiation and propagation. Recently, a double exposure method (DEM) with synchrotron X-ray has been proposed, and the method is an expected candidate for the measurement of welding residual stress with a high spatial resolution. In this paper, the DEM was applied to measure the residual stress of the plate specimen, which was cut from the welded pipe using electrical discharge machining, and detailed stress maps under a plane stress state were obtained. Furthermore, the residual stress distributions of the welded pipe under a triaxial stress state were also evaluated using neutron diffraction. From these results, the method for obtaining a detailed stress map of the welded pipe by the complementary use of high-energy synchrotron radiation X-rays and neutrons was proposed.
樋口 雄紀*; 吉宗 航*; 加藤 悟*; 日比 章五*; 瀬戸山 大吾*; 伊勢川 和久*; 松本 吉弘*; 林田 洋寿*; 野崎 洋*; 原田 雅史*; et al.
Communications Engineering (Internet), 3, p.33_1 - 33_7, 2024/02
The automotive industry aims to ensure the cold-start capability of polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) for developing fuel cell electric vehicles that can be driven in cold climates. Water and ice behavior is a key factor in maintaining this capability. Previously reported methods for visualizing water and/or ice are limited to small-sized PEFCs ( 
50 cm
), while fuel cell electric vehicles are equipped with larger PEFCs. Here, we developed a system using a pulsed spallation neutron beam to visualize water distribution and identify water/ice phases in practical-sized PEFCs at a cold start. The results show direct evidence of a stepwise freezing behavior inside the PEFC. The produced water initially accumulated at the center of the PEFC and then froze, followed by PEFC shutdown as freezing progressed. This study can serve as a reference to guide the development of cold-start protocols, cell design, and materials for next-generation fuel cell electric vehicles.
山崎 泰広*; 篠宮 啓介*; 奥村 忠晴*; 鈴木 賢治*; 菖蒲 敬久; 中村 唯我*
Quantum Beam Science (Internet), 7(2), p.14_1 - 14_12, 2023/05
The suspension plasma spray (SPS) technique has attracted attention because of its various microstructures, which can be achieved by mixing submicron spray particles with a solvent to form a suspension. Thermal barrier coatings (TBCs) with a columnar structure, which might achieve high strain tolerance, can be obtained using the SPS technique. In this study, the internal stress distribution of the SPS-TBC with different columnar structures was evaluated by hybrid measurement using high-energy synchrotron X-ray diffraction analysis and laboratory low-energy X-rays. The effect of microstructure on the internal stress distribution of the SPS-TBC was discussed on the basis of the experimental results. In addition, the in-plane internal stress was decreased by decreasing the column diameter. The thin columnar microstructure of the SPS-TBC has superior strain tolerance. The internal stresses in the column of the SPS-TBC are periodic decrements caused by stress relaxation in porous layers.
鈴木 賢治*; 三浦 靖史*; 城 鮎美*; 豊川 秀訓*; 佐治 超爾*; 菖蒲 敬久; 諸岡 聡
材料, 72(4), p.316 - 323, 2023/04
Residual stresses in small-bore butt-welded pipe of austenitic stainless steel have never been measured. It is difficult to obtain a detailed residual stress map of the root welded part, because the gauge volume in neutron diffraction is large. The stress evaluation of the welded part by synchrotron X-rays was also difficult due to the dendritic structure. In this study, a double exposure method (DEM) with high-energy synchrotron X-rays was applied to measuring the details of the residual stress of the welded part, and we succeeded in obtaining the detailed axial and radius stress maps of the root welded part of the plate cut from the welded pipe, though the stress map was under the plane stress condition. The hoop stress map of the butt-welded pipe was obtained using the strain scanning method with neutrons under the triaxial stress state. The axial and radius stress maps under triaxial stress state were made up using the complementary use of the synchrotron X-ray and neutron. As a result, the detailed stress maps of the root welded part of the butt-welded pipe were obtained. The obtained map sufficiently explained the initiation and propagation of SCC.
鈴木 賢治*; 倉 己萌*; 三浦 靖史*; 城 鮎美*; 豊川 秀訓*; 佐治 超爾*; 梶原 堅太郎*; 菖蒲 敬久
材料, 71(12), p.1005 - 1012, 2022/12
放射光X線を用いてオーステナイト系ステンレス鋼の溶接部応力測定を実施した。溶接部のX線応力測定の課題は、回折スポットが半径方向および円周方向に広がることである。当該課題を解決するために溶接部からなる角棒の曲げひずみを70keVの放射光単色X線と二重露光法を用いて測定した。2次元検出器からの回折パターンは、テクスチャーマテリアルからのパターンのような鋭い弧を示した。当該結果より回折プロファイルを円周方向の回折強度を積分から取得し、回折角度は二重露光法を使用して決定した。その結果、溶接部の残留応力分布を測定することに成功した。
鈴木 賢治*; 山田 みなみ*; 城 鮎美*; 菖蒲 敬久; 豊川 秀訓*; 佐治 超爾*
材料, 71(4), p.347 - 353, 2022/04
30keVのシンクロトロン放射光X線による二重露光法(DEM)を用いたアルミ合金の残留応力に関してはすでに成功している。しかしながら、高エネルギー放射光X線の領域でDEMは未だ試されていない。本研究では、約70keVのシンクロトロンX線で焼きばめ材の応力を測定した。検出器としては、CdTeピクセル検出器とDDC検出器を用いた。SUS304の焼きばめ試験片の粒径は、43
mのやや粗大な粒であり、回折環は斑点状であった。やや粗大粒であったが、DEMによって焼きばめ試験片の応力を測定することができた。その結果、DEMは粗大粒の応力測定に優れていることがわかる。また、検出器間距離を大きくすることが精度をよくする効果がある。他方、検出位置を増やしても精度改善効果はなかった。
鈴木 賢治*; 城 鮎美*; 豊川 秀訓*; 佐治 超爾*; 菖蒲 敬久
Quantum Beam Science (Internet), 4(3), p.25_1 - 25_14, 2020/09
粗大粒で構成される材料の2次元回折パターンはリング状とはならずスポット状となるため、従来の回折計と0次元検出器を利用したひずみスキャンニング法では応力評価が困難である。この課題を解決するために2次元検出器を利用した2重露光法を提案した。本研究ではこの技術を白色X線に対して適用するための技術開発を行った。粗大粒で構成される材料に白色X線を照射すると得られる回折はラウエスポットとなる。そこで検出するエネルギーを制限できるCdTeピクセル2次元検出器の開発とそれを利用した応力評価を行った。その結果、オーステナイト系ステンレス鋼を供試材とする曲げ試験片に対して、ほぼ理論値通りのひずみ分布を計測することに成功した。今後、当該技術の向上を図り、実機材料に適用していきたいと考えている。
Bae, S.*; Jee, H.*; Suh, H.*; 兼松 学*; 城 鮎美*; 町田 晃彦*; 綿貫 徹*; 菖蒲 敬久; 諸岡 聡; Geng, G.*; et al.
Construction and Building Materials, 237, p.117714_1 - 117714_10, 2020/03
被引用回数：15 パーセンタイル：66.13(Construction & Building Technology)Although the atomistic structure and the deformation characteristics of calcium silicate hydrates (C-S-H) are of primary interest in cement chemistry, they have not been fully investigated. In this study, pair distribution function (PDF) analysis was conducted on a 53-year-old fully hydrated tricalcium silicate (C
S) paste using in situ synchrotron high-energy X-ray scattering to probe the atomic structural deformation of C-S-H under external loading. The results were compared with those from our previous PDF study of a 131-day-old CS paste in order to elucidate the effect of aging on the mechanical characteristics of C-S-H. Three different strains measured by the strain gauge, by the lattice shifts (d-spacing) in the reciprocal space, and by the shift of the interatomic distance (r) in the real space were compared. In the range of r 20 
, where most of the information was derived from C-S-H, the 53-year-old CS paste had a higher overall elastic modulus (18.3 GPa) and better resistance to compressive stress than the 131-day-old CS paste (elastic modulus: 8.3 GPa). Moreover, it was found that the macroscopic strains of the 53-year-old CS paste were presumably induced by mechanical deformation such as microcracks at the macroscale. The results provide experimental evidence for the atomistic and mesoscale mechanical behavior of C-S-H in the early and late ages.
鈴木 賢治*; 菖蒲 敬久; 城 鮎美*
材料, 68(4), p.312 - 317, 2019/04
溶接等の熱加工後の材料においては粗大粒を有する場合が多い。これらの加工後の残留応力を把握することは構造物の健全性の観点から非常に重要視されている。本研究では、粗大粒を持つ材料のX線応力測定法として、2次元検出器と高エネルギー放射光を組み合わせた二重露光法を提案し、その実用性を確認した。アルミニウム合金の塑性曲げ試験片及び圧痕試験片の残留応力を計測した結果、有限要素解析による残留応力分布とよく一致していることから、本測定手法の有効性が明らかとなった。
鈴木 賢治*; 菖蒲 敬久
E-Journal of Advanced Maintenance (Internet), 10(4), p.9 - 17, 2019/02
弾性異方性をもつ材料中では、塑性変形が発生した際に結晶間に応力差が生じており、これが材料破壊に深くかかわっていることが知られている。本研究では、高エネルギー放射光回折法を用いて、塑性変形させた材料中の荷重方向の残留応力を結晶方位ごとに調べた。その結果、残留応力はX線的弾性定数(回折面ごとに求められるヤング率)が高い指数では引張残留応力、低い指数では圧縮残留応力が発生していることがわかった。この結果は、材料強度を向上させる際、集合組織のように結晶方位を制御する技術に役立つと考えている。
Bae, S.*; Jee, H.*; 兼松 学*; 城 鮎美*; 町田 晃彦*; 綿貫 徹*; 菖蒲 敬久; 鈴木 裕士
Journal of the American Ceramic Society, 101(1), p.408 - 418, 2018/01
被引用回数：17 パーセンタイル：63.97(Materials Science, Ceramics)ケイ酸カルシウム水和物(CSH)に関する原子レベルの構造や変形機構には不明な点が多い。本研究では、X線散乱法に基づく原子対相関関数(PDF)により、ケイ酸三カルシウム(CS)ペースト中に存在するCSH相のナノ構造変形挙動を評価した。単軸圧縮負荷を受けるCSペーストの変形を、ひずみゲージ,ブラッグピークシフト, PDFから求められるマクロからミクロな変形より評価した。PDF解析により、0-20の範囲ではCSH相の影響が支配的であること、その一方で、20を超える範囲では、他の結晶相の影響が支配的であることが明らかとなった。CSHの変形に支配的である20以下の範囲では、塑性変形を示すステージI(0-10MPa)と、弾性変形を示すステージIIの2つの変形過程に分けられることが分かった。その一方で、20以上の範囲では、水酸化カルシウムに似た変形を示した。10MPa以下では、層間水やゲル水の移動に伴い、CSHの高密度化を生じたと考えられるが、除荷後には、その移動した水がCSH中に戻ることにより、変形が回復している可能性がある。
小島 真由美*; 城 鮎美*; 鈴木 裕士; 井上 純哉*; 菖蒲 敬久; 徐 平光; 秋田 貢一; 南部 将一*; 小関 敏彦*
材料, 66(6), p.420 - 426, 2017/06
The strain distribution in a multilayered steel composite, which consists of martensite and austenite layers, was evaluated by energy dispersive X-ray diffraction to investigate the homogeneity of deformation in the martensite layer under uniaxial loading. A dog-bone shape specimen with a martensite layer with 0.2 mm in a thickness, sandwiching by austenite layers with 0.4 mm in thickness, was utilized in this study. A change in strains as a function of tensile loading was measured at the center of the martensite layer as well as near the interface between the martensite and austenite layers. Furthermore, the residual strain distributions were measured in the martensite layer of the unloaded specimens after different applied strains. As a result, slight inhomogeneous deformation was found at the beginning of the plastic deformation in the martensite layer although no local deformation was recognized even near the interface between austenite and martensite layers. After further deformation, mismatch of plastic deformation between austenite and martensite layers was reduced, and the martensite layer deformed homogeneously. Therefore, an unstable interface phenomenon might not be caused by the intrinsic factors with a mesoscopic scale discussed in this experiment.
佐藤 成男*; 小貫 祐介*; 菖蒲 敬久; 城 鮎美*; 田代 均*; 轟 秀和*; 鈴木 茂*
金属, 86(8), p.654 - 660, 2016/08
鉄鋼材料に代表される金属のミクロ組織に対し、放射光、中性子線の量子ビームを用いた新たなアプローチが可能になる。放射光の高輝度特性を活かしたマイクロ領域測定は高温その場測定により、構造内部の転位の分布、転位の回復現象の追跡が可能となる。また、中性子線はバルク平均情報の特徴を活かすことで、複相鋼の強化機構メカニズムが詳細に考察できる。これら解析事例を原理とともに紹介している。
-phase in 
-based titanium aluminide intermetallicsLiss, K.-D.*; 舟越 賢一*; Dippenaar, R. J.*; 肥後 祐司*; 城 鮎美*; Reid, M.*; 鈴木 裕士; 菖蒲 敬久; 秋田 貢一
Metals, 6(7), p.165_1 - 165_22, 2016/07
被引用回数：20 パーセンタイル：67.84(Materials Science, Multidisciplinary)Ti-Al合金は、航空機エンジン材料として、軽量・耐熱タービンへの応用が期待されているが、塑性加工性の悪さを克服する必要がある。高圧鍛造プレスにおいては、10GPaの範囲で材料加工を可能にするが、それゆえに、極限環境における候補材料の状態図を評価する必要がある。本研究では、(
+)二相合金の一つであるTi-45Al-7.5Nb-0.25Cに対し、9.6GPaまでの圧力範囲、また1686Kまでの温度範囲で放射光X線回折によるその場実験を行った。室温では、圧力に対する体積変化は、両相に観察される明らかに高い体積弾性係数から、体積ひずみというよりはむしろ、
相変態の影響と考えられる。結晶学的には、特に格子ひずみと原子配列について詳しく検討した。原子体積の増加にもかかわらず、この相変態を生じるのは興味深い。これは、の高い規則化エネルギーによるものである。高圧下において加熱すると、共析とソルバス遷移温度が上昇し、第三相の立方晶相が1350K以上で安定する。過去の研究において、相は塑性変形において高い延性があり、従来の鍛造過程において重要なものであることが明らかにされている。本研究では、作動環境下において有害とされる相の存在は確認されなかったが、従来の鍛造過程における理想的な加工条件幅を明らかにした。これらの結果より、新しい加工処理方法を提案することができた。
佐藤 成男*; 菖蒲 敬久; 佐藤 こずえ*; 小川 博美*; 我妻 一昭*; 熊谷 正芳*; 今福 宗行*; 田代 仁*; 鈴木 茂*
ISIJ International, 55(7), p.1432 - 1438, 2015/07
被引用回数：13 パーセンタイル：53.65(Metallurgy & Metallurgical Engineering)冷間延伸されたパーライト鋼ワイヤにおける転位の分布および異方性を特徴付けるために、X線回折線プロファイル解析をシンクロトロン放射マイクロビームを用いて行った。一般に、塑性せん断ひずみはワイヤの中心よりも表面近くでより激しかったが、中心から表面まで転位密度分布はほぼ一定であった。一方、転位の再配列は、転位の細胞構造を進化させ、表面に近づくほど進んだ。異方性転位密度によって、軸方向および横断方向の硬さの差異が説明できることも明らかになった。高温での回折データに基づく線プロファイル解析を行った。セメンタイトの回収率は一定の速度で進行したが、フェライト相の回収率は温度依存性を示し、フェライト相の回収率はセメンタイト相の回収率とはあまり関係していなかった。
岩田 圭司*; 今福 宗行*; 鈴木 環輝*; 菖蒲 敬久; 折原 秀人*; 酒井 祐介*; 秋田 貢一; 大谷 眞一*; 石山 和志*
Journal of Applied Physics, 117(17), p.17A910_1 - 17A910_4, 2015/03
被引用回数：6 パーセンタイル：26.86(Physics, Applied)レーザーを照射した鉄3%シリコン鋼に還流磁区を生じさせる内部応力分布を、高エネルギー放射光X線解析および変分原理に基づく磁区理論によって検討した。測定された試験片内の三軸応力は圧縮で、圧延方向の応力がほかの方向の応力よりも支配的であった。還流磁区に関する磁気エネルギーの変分原理に基づく計算により、測定された三軸応力が、還流磁区が無い場合の主磁区よりも、磁区をより安定させていることが分かった。実験および計算結果から、レーザー誘起内部応力が還流磁区を発生させていることを示した。
鈴木 賢治*; 菖蒲 敬久; 城 鮎美; Zhang, S.*
Advanced Materials Research, 996, p.76 - 81, 2014/08
被引用回数：0 パーセンタイル：0(Engineering, Mechanical)A diffraction spot trace method (DSTM) is very useful to measure internal stresses of materials with coarse grains. In this study, validity of the DSTM was examined using high energy synchrotron X-ray of 70 keV. The specimen was a welded plate of austenitic stainless steel (SUS316L). The thickness of the specimen was 9 mm. The improved spiral slit system was used, and PILATUS was used as an area detector. It was difficult to detect the high energy X-rays due to the reduction of counting efficiency of the PILATUS. However, the residual stress map of the welding specimen was obtained by long exposure time. The residual stresses of the welding specimen were simulated by a finite element method (FEM). The outline of the residual stress measured by the DSTM coincided with that by the FEM.
鈴木 賢治*; 菖蒲 敬久; 城 鮎美; Zhang, S.*
材料, 63(7), p.527 - 532, 2014/07
回折斑点追跡法とスパイラルスリットを組みあわせ、粗大粒を有する材料内部応力評価測定法を開発した。曲げたマグネシウム合金に対して本測定法を適用し、内部応力計測が可能であることを確認した。また溶接したマグネシウム合金に対して内部応力評価を実施し、粗大粒を有する溶接部に対しても有限要素解析とほぼ同様の結果を得ることに成功した。
鈴木 賢治*; 菖蒲 敬久; 城 鮎美; Zhang, S.*
Materials Science Forum, 777, p.155 - 160, 2014/02
被引用回数：3 パーセンタイル：82.11(Materials Science, Multidisciplinary)The spiral slit-system was improved in order to make a gauge length regularity. The bending stress was measured by the improved spiral slit-system, and the measured stresses corresponded to the applied stress regardless of the diffraction angle. As a result, the validity of the improved spiral slit system was proved. On the other hand, the diffraction spot trace method (DSTM), which combined the spiral slit-system and a PILATUS detector, was proposed to measure stress in a coarse grain. In this study, the distribution of the residual stress in a melt-run welding specimen was measured using the DSTM. The welding residual stresses measured accorded with that by the FEM simulation.
土田 紀之*; 川畑 拓司*; 石丸 栄一郎*; 高橋 明彦*; 鈴木 裕士; 菖蒲 敬久
ISIJ International, 53(7), p.1260 - 1267, 2013/07
被引用回数：24 パーセンタイル：73.49(Metallurgy & Metallurgical Engineering)二相ステンレス鋼の引張変形挙動を明らかにするため、中性子と放射光白色X線を利用したその場測定を行った。放射光白色X線の結果から、引張変形中でS32101の硬い相がフェライトからオーステナイトに変化した。これはより大きな力により後半の相へ変化したためであるといえる。中性子実験からは、S32101中のより高い応力下での相の応力分配が見つかった。ゆえに、S32101中の加工硬化率は相と相の応力分配により説明することができる。
