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論文

オーステナイト系ステンレス鋼における析出物とボイドの照射挙動

井上 利彦; 関尾 佳弘; 渡邉 英雄*

まてりあ, 58(2), P. 92, 2019/02

イオン照射試験施設(TIARA)にて、イオン照射(照射温度: 600$$^{circ}$$C、照射量: 100)を行った高速炉用オーステナイト系ステンレス鋼について、九州大学所有の収差補正原子分解能分析電子顕微鏡(JEM-ARM20FC)を用いて、微細組織観察とSTEMモードでの元素マッピング(EDS)を行い、照射による析出物等の挙動評価を行った。微細組織観察等の結果、照射領域において、粗大なボイドの形成が観察された。また、非照射領域に確認できるNbを含んだMXが観察されず、照射により分解・消失したものと考えられる。更に、Niが転位やボイド表面に偏析していることが顕著に観察された。これら最新の高性能電子顕微鏡の活用により、照射による析出物の挙動や転位周辺の元素偏析を明瞭に可視化することができた。これらの挙動を詳細に解析することで、高速炉材料の寿命因子となる析出物の消失や偏析、ボイドスエリングの照射損傷機構の解明が期待できる。

論文

鉄鋼材料における水素昇温脱離解析のモデリングの現状と課題

海老原 健一

まてりあ, 57(7), p.338 - 344, 2018/07

鉄鋼材料における水素脆化の機構を理解するためには、材料中の水素の欠陥による捕獲状態やその変化を知る必要があり、その水素捕獲状態を推測するための有効な実験方法の1つとして昇温脱離解析がある。この解析では水素を含む試料の温度と脱離する水素量との関係である昇温脱離曲線が得られるが、その曲線から水素を捕獲する欠陥を同定するために数値シミュレーションが必要となる。本解説では、日本金属学会の依頼に基づき、数値シミュレーションモデルの種類や特徴、適用例を説明し、昇温脱離曲線のシミュレーションに関する最近の進展について記述した。

論文

第一原理計算によるマグネシウム合金のすべり変形挙動評価

山口 正剛

まてりあ, 56(8), p.480 - 483, 2017/08

従来の金属材料の中でマグネシウム合金は最も軽いが、室温以下での成形性が悪いという問題がある。それを合金元素の添加によって改善する試みとして、第一原理計算と実験との協調により、適切な元素を探した。六方晶金属の非底面すべりの一つである柱面すべりを促進する元素を第一原理計算によって探索し、適切な元素を選び出したが、その結果は実験とも一致した。本稿は、既に論文発表されたこの研究の計算部分に関するレビュー記事である。

論文

第一原理計算に基づく転位構造解析と合金設計; マグネシウムの延性向上への取り組み

都留 智仁

まてりあ, 56(1), p.5 - 13, 2017/01

希少元素の代替材料開発は元素戦略の重要な研究であり、原子・電子構造に立脚した構造材料に対する強さとねばさの両立に向けた取り組みが推進されている。本稿では、転位論と第一原理計算を用いて、合金化による機械特性への影響を非経験的に評価するための合金設計手法を提案するとともに、具体的な対象として、マグネシウム合金の延性向上のメカニズムと合金設計指針について応用を行った。本論文は、これまでの一連の成果として、日本金属学会会報「まてりあ」の解説記事として発表する。

論文

鉄鋼の粒界破壊におけるマルチスケール熱力学解析

山口 正剛

まてりあ, 54(3), p.110 - 117, 2015/03

溶質元素の偏析による鉄鋼の粒界破壊メカニズムは、マルチスケールな観点からはよく理解されていない。本研究では、粒界偏析による粒界凝集エネルギー低下の第一原理計算結果と、二種類の破壊力学試験結果を組み合わせることで、マルチスケールな解析を行った。その結果、粒界の凝集エネルギー低下とマクロな破壊靭性値との間に強い非線形的な相関が見出された。材料に依存して粒界凝集エネルギーのある閾値が存在し、粒界よりも表面でエネルギー的に安定になる脆化元素の粒界偏析によって、粒界凝集エネルギーがその閾値以下になり、粒界破壊が急激に生じることがわかった。

論文

放射光その場観察と高温高圧技術を組み合わせたTi系合金水素化物に関する研究

遠藤 成輝; 齋藤 寛之; 町田 晃彦; 片山 芳則

まてりあ, 53(3), p.94 - 99, 2014/03

放射光その場観察と高圧合成を併用した実験手法を紹介した。本手法を用いることで典型水素吸蔵合金の一つであるTiFe合金の新しい水素化物相(体心立方晶構造)を発見した。

論文

MIMTMを用いた水銀キャビテーションによる金属の壊食損傷構造

義家 敏正*; 二川 正敏; 直江 崇; 小松 正雄*; 佐藤 紘一*; Xu, Q.*; 川合 將義*

まてりあ, 52(8), p.390 - 394, 2013/08

水銀を標的に用いた核破砕中性子源では、大強度の陽子線入射に伴い水銀中に圧力波が発生する。この圧力波が水銀を包含するステンレス鋼製の容器へと伝播する過程で、水銀と容器の界面では負圧によるキャビテーションが発生する。キャビテーション気泡が崩壊する際に発生するマイクロジェットと衝撃圧により、容器内壁には微小ピット群からなるエロージョンが形成される。本報では、水銀中でのピッティング損傷を系統的に評価するために開発した電子力駆動の衝撃圧負荷試験機MIMTMを用いた材料の損傷構造について高速変形の観点から評価した。金属組織の転位構造を観察した結果、非常に早い変形メカニズムであること、マイクロジェット速度が200$$sim$$300m/sであることを明らかにした。

論文

高輝度放射光を用いた水素と材料の相互作用の実験的解明

町田 晃彦; 齋藤 寛之; 松村 大樹; 竹田 幸治

まてりあ, 52(7), p.337 - 341, 2013/07

放射光は物質中の原子間の結合状態を詳細に調べる有力なツールの一つであり、構造だけでなく化学結合状態の解明にもその威力を発揮する。われわれは大型放射光施設SPring-8の優れた光源特性を活かした水素貯蔵材料研究を展開してきた。高輝度放射光を利用することによって、化学反応(水素化反応)に伴う構造や電子状態変化を詳細に測定することが可能となる。高輝度放射光でも金属中の水素を直接観測することは困難であるが、水素と結合している相手の原子に着目すれば水素化に伴う構造変化,電子状態などの変化を精密に測定することが可能となる。本稿ではSPring-8の放射光利用による水素貯蔵材料研究に有効な装置・技術の開発やそれらを利用した研究の幾つかについて紹介する。

論文

先進再処理機器用の超高純度(EHP)ステンレス鋼の開発

井岡 郁夫; 木内 清; 中山 準平*

まてりあ, 49(3), p.122 - 124, 2010/03

再処理施設においては、沸騰状態の濃硝酸を用い、酸化性の強い核分裂生成物(FP)などを含有するために極めて厳しい腐食環境になることが知られている。海外での腐食事例や国内で運転経験を経て、構造材には極低CのSUS304ULC鋼が開発された。先進再処理施設では、現行のものよりも多くのFP等を含有する使用済核燃料を扱うことが予測され、腐食環境はますます厳しいものになる。そのために、現行のSUS304ULC鋼に比べて、数倍以上の耐硝酸腐食性に優れる鋼材が必要となる。実機製造プロセスと材料の成分範囲を同時に考慮して、先進再処理機器用材料を目的とした、強酸化性環境で優れた耐食性を有する超高純度(EHP: Extra High Purity)ステンレス鋼を開発した。本報では、EHP合金の実用化の現状について紹介する。

論文

重照射した高速炉用改良SUS316鋼のスエリング挙動に及ぼす微細析出物の効果

山下 真一郎; 関根 学*; 赤坂 尚昭

まてりあ, 47(12), P. 624, 2008/12

高速炉燃料被覆管用として開発された改良SUS316鋼(以下、PNC316鋼)は、高温強度特性と耐スエリング性の飛躍的向上を目的に、SUS316ステンレス鋼をベースに、(1)P, B, Ti, Nbなどの元素を0.1%未満の範囲内で微量添加している点、(2)約20%の冷間加工を施している点、に特徴がある。本研究成果は、高速炉炉心材料の照射特性評価に資するために、高速実験炉「常陽」で重照射したPNC316鋼製燃料被覆管の内部組織観察結果の一部である。この被覆管の詳細な組織観察から、中性子照射下の核変換反応で生成したHeは、照射環境下においてより安定な組織形態であるバルブへと変化し、微細析出物の界面にトラップされていることが示された。この析出物形成の影響で、Heバブルの微細分散がなされ、結果的にボイドスエリングを抑制されていた。また、電子顕微鏡組織からの結晶構造解析と微細析出物の元素分析結果をもとに、ボイドトラップ効果の大きいこれらの微細析出物は、六方晶構造のFe$$_{2}$$P型析出物であり、面心立方格子構造の母相に対して(021)$$_{rm P}$$//(111)$$_{gamma}$$の関係にあることが明らかとなった。

論文

高速炉用11Crフェライト/マルテンサイト鋼の強度変化と組織変化挙動

矢野 康英; 山下 真一郎; 吉武 庸光; 赤坂 尚昭; 高橋 平七郎

まてりあ, 47(12), P. 625, 2008/12

実用化段階の高速炉用炉心材料として開発された11Crフェライト/マルテンサイト鋼について、高速実験炉「常陽」を用いて照射温度773$$sim$$1013K,照射量11$$sim$$117dpaで照射した後、引張試験及び微細組織観察を実施した。117dpaまでの重照射環境においても、照射温度873Kまでは、旧オーステナイト粒界に炭化物の優先的析出は観察されるが、ラス組織は維持されていた。高温照射の938Kではラス組織の回復,再結晶が促進されていた。照射後の引張強度は、照射温度873Kまでは強度低下が小さく、903K以上では顕著な強度低下が生じていた。これらの結果を考慮すると、本鋼の強度は本照射範囲では照射量に依存せず、873Kまではラス組織の回復が抑制され強度低下が小さいこと、及び938K以上ではラス組織の回復,再結晶が促進される結果、強度低下が生じることが明らかになった。873Kまでのラス組織の回復の抑制は、粒内の過飽和な炭素が優先的に炭化物として旧オーステナイト粒界に析出し、粒内の炭素が最適化され、コットレル雰囲気を形成し、その結果、転位がトラップされ転位の上昇運動が抑制されることによると推察される。

論文

580MeV陽子を照射したオーステナイト鋼のスエリング量評価

菊地 賢司; 濱口 大; 斎藤 滋

まてりあ, 47(12), P. 635, 2008/12

陽子ビームを照射したオーステナイトステンレス鋼の透過電子顕微鏡観察について述べた。条件は2ケースで照射量,照射温度,He生成量がそれぞれ10dpa, 623K, 800appmと20dpa, 693K, 1800appmである。結果は、バブルが母相に均一に生成し、そのサイズはおおむね2.5nm、転位密度より計算されるスエリング量はいずれも1%以下である。

論文

レーザー補助三次元アトムプローブによる酸化物分散強化型鋼の微細組織解析

野際 公宏; 西村 昭彦; 大場 弘則; 横山 淳; 大久保 忠勝*; 宝野 和博*

まてりあ, 47(12), P. 626, 2008/12

次世代原子炉及び核融合炉構造材として開発研究が進められている酸化物分散強化型(ODS)鋼の優れた高温強度特性はナノスケールの酸化物粒子の分散状態に大きく依存する。そのため、その組織解析には3次元アトムプローブ(3DAP)の応用が有効であると期待されていたが、従来の3DAPでは電圧パルスによる試料破壊が頻発し、その解析が困難であった。われわれのグループでは、新たに超短パルスレーザーにより電界蒸発をアシストする3DAPを整備した。レーザー補助により分析途中の試料破壊を著しく低減することに成功し、効率の良い分析評価が可能となった。また、リフレクトロンによるエネルギー補償により優れたSN比が得られるため、バックグラウンドが低減し、識別に高い質量分解能を必要とするクラスターイオンの検出にも成功した。

論文

ナノメカニクス接合解析技術とガス冷却高速炉用SiC/W接合部材の開発

柴山 環樹*; 岸本 弘立*; 香山 晃*; 矢野 康英

まてりあ, 47(12), P. 628, 2008/12

ガス冷却高速炉は、700$$^{circ}$$C以上のガス取り出し温度を想定していることから、SiC/SiC複合材料が炉心構成材料として期待されており異種材料との接合技術開発が切望されていた。また、原子炉特有の照射中の破壊メカニズムの理解とその結果から導き出される構造制御が次世代の機能性材料開発の鍵である。そこで、われわれは超高圧電子顕微鏡を用い照射下でピエゾ(圧電)素子により任意の場所をナノスケールでせん断変形させクラックの進展をその場観察可能な革新的解析技術であるナノメカニクス接合解析技術を開発した。本研究成果は、文部科学省の原子力システム研究開発事業による委託業務として、北海道大学が実施した平成17$$sim$$19年度「ガス冷却高速炉用先進材料のナノメカニクス接合解析技術の開発」の成果を取りまとめたものである。

論文

液体金属・半導体の圧力誘起構造変化と化学結合性

服部 高典; 辻 和彦*

まてりあ, 47(10), p.507 - 512, 2008/10

四配位共有結合性物質の液体の圧力誘起構造変化を、放射光を用いたX線回折実験によって調べた。その結果、それらの液体は化学結合の共有結合性/イオン性によってさまざまな構造変化を示すことがわかった。すなわち、イオン性の小さな物質(液体GaSb, InSb, InAS等)は、数十万気圧に渡るきわめて広い圧力領域に渡って構造変化するのに対し、イオン性の大きな物質(液体CdTe, AgI等)は、数万気圧という比較的狭い圧力範囲で構造変化が終了する。本稿では、これらの結果をイオン性が与える局所構造の安定性という点から議論する。

論文

高燃焼度化に向けた燃料被覆管材料の開発

鵜飼 重治*; 井上 賢紀; 木村 晃彦*

まてりあ, 47(9), p.450 - 454, 2008/09

日本金属学会会報まてりあの特集記事「次世代原子力エネルギーシステム用構造材料の開発」において、高速炉用燃料被覆管の開発動向を解説する。具体的には、高速増殖炉サイクル実用化研究開発の一環として進めているナトリウム冷却炉用燃料被覆管開発,原子力システム研究開発事業(文部科学省-JST)の基盤研究開発分野採択課題である鉛ビスマス冷却炉用と超臨界圧水冷却炉用の燃料被覆管開発が対象である。いずれも、酸化物分散強化型フェライト鋼に焦点を絞り、化学成分,製造方法,強度特性等を解説する。

論文

ナトリウム冷却型高速炉用材料開発

青砥 紀身

まてりあ, 47(9), p.459 - 463, 2008/09

原子力機構が鋭意開発を進めている先進的ナトリウム冷却ループ型高速炉(JSFR)には、プラント機能を最大限に発揮させるため、新たな構造材料が開発,適用を予定されている。炉容器には高速炉構造用SUS316が、冷却系配管や主要機器には高クロムフェライト鋼が適用される。ここでは、両鋼種の開発経緯,現況,今後に向けた課題を紹介する。

論文

V添加高強度耐熱鋼におけるラス境界析出物のEDS分析と3次元形態観察

光原 昌寿*; 池田 賢一*; 波多 聰*; 中島 英治*; 若井 隆純

まてりあ, 47(6), P. 301, 2008/06

EDS分析と3次元電子線トモグラフィーを用いてV添加耐熱鋼の析出強化に寄与する新たな析出物を発見し、その形態を明らかにした。フィルム状の析出物はラス境界を被覆するように薄く生成し、クリープ変形中に起こるラス境界付近の転位運動を抑制し、クリープ強度向上に寄与すると推察される。

論文

V添加10Crフェライト鋼におけるラス境界析出物の3D電子線トモグラフィー観察

光原 昌寿*; 池田 賢一*; 波多 聰*; 中島 英治*; 若井 隆純

まてりあ, 46(12), P. 800, 2007/12

Vを添加した10Crフェライト系耐熱鋼において、ラス組織安定化に有効なラス境界上析出物に注目し、その元素分析と3次元形態観察を行った。その結果、塊状とフィルム状の2種類の異なる組成の析出物がラス境界に生成しているが、後者の方が被覆率が高いことがわかった。このような高被覆性析出物は、クリープ変形中のラス組織の回復抑制に有効であり、V添加によるクリープ強度向上の主要因と推察される。

論文

第4世代超高温原子炉の材料技術開発

橘 幸男

まてりあ, 46(3), p.146 - 150, 2007/03

第4世代原子力システムとして世界各国で開発が進められている超高温原子炉(超高温ガス炉)による水素製造の実現に向けた材料技術開発に関して、日本原子力研究開発機構における開発を中心に、高温工学試験研究炉(HTTR)における達成と現状,第4世代国際フォーラムにおける取り組み,熱化学法ISプロセスによる水素製造と材料技術開発について紹介した。

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