Direct measurement of lattice behavior during femtosecond laser-driven shock front formation in copper

江頭 尚弥*; 松田 朋己*; 奥地 拓生*; 瀬戸 雄介*; 伊藤 佑介*; 菖蒲 敬久; 中新 信彦*; 佐野 智一*; 他4名*

Journal of Applied Physics, 137(10), p.105903_1 - 105903_8, 2025/03

https://doi.org/10.1063/5.0253150

Femtosecond laser-driven shock waves exhibit characteristic features that form distinctive microstructures not formed by plate impacts or nanosecond laser-driven shock waves. A key to understanding this phenomenon is understanding the lattice behavior inside the shock front, which is the boundary between the ambient and shock compression states. However, direct measurements of the lattice spacing inside a femtosecond laser-driven shock front have not yet been performed. Here, we report measurements of lattice spacing using X-ray free electron laser diffraction with a pulse width of 10 fs during the shock rise in single-crystal copper irradiated directly in air with a femtosecond laser pulse on the order of 10 W/cm at a pulse width of 101 fs. The lattice spacing of the femtosecond laser-irradiated single-crystal Cu (002) plane starts to compress 6.3 ps after femtosecond-laser irradiation. It takes 15.7 ps for the plane to reach peak compression, at which point the compressive elastic-strain is 24.3%. Therefore, the shock front was found to form at an elastic compressive strain rate of 1.5510 /s in this shock-driving situation. It is suggested that the initiation of plasticity under such ultrafast deformation at the most elastic compression is based on both dislocation multiplication and dislocation generation mechanisms.

Gradient residual strain determination of surface impacted railway S38C axles by neutron Bragg-edge transmission imaging

Hu, F. F.*; Qin, T. Y.*; Ao, N.*; Su, Y. H.; Zhou, L.*; 徐 平光; Parker, J. D.*; 篠原 武尚; Chen, J.*; Wu, S. C.*

Engineering Fracture Mechanics, 306, p.110267_1 - 110267_18, 2024/08

https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2024.110267

Non-destructive and quantitative mapping of gradient residual strain distribution in surface-hardened railway S38C axles could provide a positive reference for determining service lifetime and maintenance strategy. To tackle this concern, time-of-flight neutron Bragg-edge transmission imaging was employed by real axle samples with and without impacted crater. A novel and simple procedure to formulate the residual strain field was also developed in this work, with the transmission batch code in Appendix A. By mapping the global two- dimensional residual strains, it can be verified that the residual strains into the axle are uniformly distributed in the hoop direction. Subsequently, it was revealed that the axial and hoop residual strains, respectively in the cylinder and the long strip samples prepared from a real S38C hollow axle, indicated a gradient evolution distribution with a depth of 8 mm, covering a range of -5500 1000 for axial strains and -6500 1000 for hoop strains. More importantly, the maximum compressive lattice strain of the cylinder sample was increased by 15.61%, and 22.35% at the impacting speeds of 100, and 125 m/s, respectively; and that of the long strip sample increased by 29.17%, and 43.70%, respectively. It can thus be concluded that lattice strains have redistributed around the impact crater, demonstrating the local alteration of the residual strain field. These new findings suggest the localized variation in residual strains should be taken into account while evaluating the service damage evolution of railway axles, especially those affected by high-speed impacts during operation.

Internal strain distribution of laser lap joints in steel under loading studied by high-energy synchrotron radiation X-rays

菖蒲 敬久; 城 鮎美*; 河野 史明*; 村松 壽晴; 山田 知典; 永沼 正行; 小澤 隆之

Quantum Beam Science (Internet), 5(2), p.17_1 - 17_9, 2021/06

AA2021-0187.pdf:1.36MB

https://doi.org/10.3390/qubs5020017

自動車産業は、照射面の反対側に照射痕を発生させることなく高エネルギー密度を実現するため、レーザービーム溶接を採用している。ひずみゲージや管球X線などの一般的な測定手法では、接合部の溶接部での局所的なひずみを評価できない。本研究では、高エネルギー放射光X線回折を使用して、高温かつ荷重下でのレーザー重ね継手PNC-FMS鋼(厚さ2および5mm)の内部ひずみ分布を計測した。その結果、引張荷重が増加すると、局所的な引張ひずみと圧縮ひずみが界面近くで増加した。これらの分布は、有限要素解析の結果とよく一致した。ただし、当該分布はレーザー加工によって発生する欠陥に依存するため、X線透過イメージングによる内部欠陥観察を補完的に利用することが不可欠であることもわかった。

中性子の利用,2; 大強度陽子加速器(J-PARC)を利用した材料評価

諸岡 聡

保全学, 19(1), p.29 - 34, 2020/04

中性子回折法は中性子の優れた透過能を生かすことで、数十mmメーターオーダーの材料深部の応力・ひずみを非破壊で測定できる唯一の測定技術として知られている。特に、ミクロ応力に起因する弾性ひずみ等の情報を得るうえで、中性子回折法は有効な手段であり、ミクロ組織因子のバルク平均と力学特性との関係を求めて、材料開発や既存材料の信頼性を検討するのに適している。このように、中性子回折法は、従来の残留応力に基づく機械部品等の健全性評価だけでなく、材料の力学特性や機能性向上を目指した材料工学研究などへの応用が期待されている。本稿では、中性子回折法によるひずみ測定原理などの基礎を説明するとともに、代表的な鉄鋼材料について中性子回折法によるその場測定により行われた材料評価研究の一端を紹介し、本手法の将来を展望する。

有限ひずみ関連式とせん断ひずみの概要把握法の図解例

島田 耕史

地質技術, (9), p.25 - 40, 2019/09

近年、地球科学的研究開発は多様な専門的背景を持つメンバーの共同作業によって進められている。変動帯に位置する我が国では、分析用試料がどのような変形を受けてきたかの理解が重要である。そのため研究開発の可能な限り早期から、構造地質的観点による変形構造の解釈を示すことが期待される。本解説は、自学や参考のために構造地質学の非専門家の技術者が手に取りやすい邦文教科書を解説する参考資料として、地質体の有限ひずみに関連する式の幾何学的図解と、せん断ひずみの概要把握法の図解例を示した。

水素ひずみ誘起空孔を含む焼戻しマルテンサイト鋼の水素昇温脱離曲線のシミュレーションの試み

海老原 健一; 齋藤 圭*; 高井 健一*

「水素脆化の基本要因と特性評価」研究会報告書, p.57 - 61, 2018/09

本発表は、3年間の日本鉄鋼協会における「水素脆化の基本要因と特性評価」研究会で実施した研究に関する最終報告である。水素脆化は応力腐食割れの原因のひとつと考えられているが、その機構はいまだ明確になっていない。近年、水素を添加したマルテンサイト鋼にひずみを付与することで空孔が生成されることが報告され、この現象は水素ひずみ誘起空孔生成と呼ばれ、水素脆化の機構の1つと関係すると考えられている。この空孔生成は昇温脱離分析における脱離ピークの出現によって確認されているが、空孔が昇温時に拡散・消滅するためそのピークの生成過程はあまり明らかでない。本研究では、空孔の拡散、消滅および空孔クラスターの成長、解離を考慮したモデルによる数値シミュレーションによって、空孔の脱離ピークの生成過程を調査検討した。結果として、空孔に関する脱離ピークには単空孔の寄与が大きいことが分かった。

放射光X線回折によるCFRP/Ti積層板のTi層におけるひずみ測定

秋田 貢一; 中谷 隼人*; 荻原 慎二*; 菖蒲 敬久; 城 鮎美*; 井川 直樹; 下条 豊

SPring-8/SACLA利用研究成果集(インターネット), 6(1), p.105 - 108, 2018/01

http://doi.org/10.18957/rr.6.1.105

炭素繊維強化プラスチックとチタン箔を交互に積層したCFRP/Ti積層板に機械的曲げ負荷を与え、それに伴う各Ti層のひずみ挙動を放射光X線回折により測定した。実験結果から、CFRP/Ti積層板内の各Ti層の弾性ひずみ挙動が、放射光X線回折によって非破壊的に測定できることが示された。

Room-temperature creep tests under constant load on a TRIP-aided multi-microstructure steel

土田 紀之*; Nagahisa, N.*; Harjo, S.

Materials Science & Engineering A, 700, p.631 - 636, 2017/07

https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.06.049

This study investigated room-temperature creep tests using a low-carbon TRIP steel to clarify the TRIP effect on tensile deformation behavior under constant load. Nominal strain and strain rate increased with an increase in applied stress and those were almost stagnated at holding times of about s. The volume fractions of deformation-induced martensite () at a given true strain obtained from constant load creep tests were larger than those from tensile tests. From the in situ neutron diffraction experiments during the constant load creep tests, the phase strain of the austenite () phase in the creep tests was found to be larger than that in the tensile tests at the same applied stress. This means that the phase strain or true stress of the phase in the TRIP steel was associated with the difference in the volume fraction of between the creep and the tensile tests.

放射光X線回折法を用いた積層型高強度鋼板におけるマルテンサイト層の局所変形挙動評価

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

https://doi.org/10.2472/jsms.66.420

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.

Gigacycle fatigue behaviour of austenitic stainless steels used for mercury target vessels

直江 崇; Xiong, Z.; 二川 正敏

Journal of Nuclear Materials, 468, p.331 - 338, 2016/01

BB2014-2666.pdf:0.65MB

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2015.07.040

パルス核破砕中性子源の水銀ターゲット容器は陽子及び中性子による照射損傷に加えて、陽子線励起圧力波により繰返し衝撃荷重を受ける。J-PARCの水銀ターゲット容器では、ひずみ速度約50sで2億回を超える衝撃荷重を受ける。本研究では、高ひずみ速度下における超高サイクル領域の疲労強度について調べるために、容器構造材であるSUS316L(SA材)及び照射効果を模擬したSUS316Lの冷間圧延材(CW材)に対して、10回までの疲労試験を超音波疲労試験法により実施した。その結果、SA, CW材共に高ひずみ速度では通常の疲労疲労試験と比較して疲労強度が高くなることが分かった。また、10回以上の超高サイクル領域では、通常の疲労限度以下の荷重で疲労破壊が生じることを明らかにした。