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論文

パルス中性子回折が拓く金属材料の変形・相変態研究

Harjo, S.

金属, 96(5), p.354 - 360, 2026/05

金属材料の変形や組織変化の理解には、応力-ひずみ曲線などのマクロ特性と、結晶構造や相分率、格子ひずみ、転位といったミクロ情報の統合評価が重要である。本稿では中性子回折その場測定の有効性を概説した。TOF法により変形・熱処理中の相分率や格子ひずみ、欠陥を同時に取得でき、力学応答との対応付けが可能となる。さらにFe-18Ni合金と超微細粒SUS304を例に、その有効性を示した。

論文

Cryogenic-to-ambient evolution of hetero-deformation-induced strengthening in dual-phase medium-entropy alloys

Ha, H.*; Kim, J.*; Gu, G. H.*; Harjo, S.; Gong, W.; Hong, S.-J.*; Kim, H. S.*

Materials Characterization, 234, p.116086_1 - 116086_12, 2026/04

 被引用回数:2 パーセンタイル:84.58(Materials Science, Multidisciplinary)

Dual-phase (DP) high- and medium-entropy alloys (H/MEAs), consisting of face-centered cubic (FCC) and body-centered cubic (BCC) phases, have attracted attention because of their excellent strength-ductility balance. However, the temperature dependence of hetero-deformation-induced (HDI) strengthening remains unclear. In this study, an Al$$_{7}$$(CoNiV)$$_{93}$$ DP MEA was investigated using in-situ neutron diffraction and multiscale electron microscopy. Both intrinsic strength and HDI strengthening increased at cryogenic temperature. This enhancement originated from the increased lattice friction stress of the hard BCC phase and suppressed dislocation mobility at low temperature, which promoted dislocation accumulation at heterogeneous interfaces. These findings provide insights into temperature-dependent HDI strengthening in DP H/MEAs and related alloy systems.

論文

TiC nanoparticles tune phase stability and deformation mechanisms in directed energy deposition processed Fe60Co15Ni15Cr10 medium-entropy alloy composites

Ahn, S. Y.*; Kim, E. S.*; Jeong, S. G.*; Harjo, S.; 川崎 卓郎; Gong, W.; Kim, H.-J.*; Hong, S.-J.*; Hong, S. I.*; Kwon, H.*; et al.

Materials Science & Engineering A, 955, p.149839_1 - 149839_18, 2026/03

 被引用回数:2 パーセンタイル:93.63(Nanoscience & Nanotechnology)

Additive manufacturing (AM) of particle-reinforced metal matrix composites (MMCs) enables control of both strength and deformation behavior. In this study, TiC (2 wt%) nanoparticles were added to Fe$$_{60}$$Co$$_{15}$$Ni$$_{15}$$Cr$$_{10}$$ medium-entropy alloy (MEA) using directed energy deposition (DED). Although part of the TiC decomposed during processing, the released C and Ti stabilized the $$gamma$$-austenite phase and suppressed deformation-induced martensitic transformation (DIMT), shifting deformation toward slip-dominated behavior. Microstructural observations revealed dispersed TiC particles and modified grain boundary morphology that promoted distributed plastic flow. In-situ neutron diffraction during tensile testing confirmed enhanced early-stage dislocation activity. These findings demonstrate that nanoparticle-induced phase stability changes strongly influence deformation mechanisms in AM-processed MMCs.

論文

Elastic accommodation and anomalous tetragonality of thin-plate martensite in an Fe-31Ni-10Co-3Ti alloy revealed by ${it in situ}$ neutron diffraction at cryogenic temperatures

山下 享介*; Harjo, S.; Gong, W.; 川崎 卓郎; 森戸 茂一*; 諸岡 聡; 藤井 英俊*; 友田 陽*

Journal of Alloys and Compounds, 1056, p.186668_1 - 186668_11, 2026/02

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.00(Chemistry, Physical)

In this study, ${it in situ}$ neutron diffraction during cryogenic cooling was performed on Fe-31Ni-10Co-3Ti alloy to investigate changes in the austenite lattice constant and martensite tetragonality during thin-plate martensitic transformation. The austenite lattice constant showed only a slight change because of the Invar effect, but decreased below the Ms temperature due to elastic accommodation of transformation strain. Broadening of austenite diffraction peaks and EBSD analysis indicated localized plastic accommodation near intersecting martensite regions. For martensite, the a-axis decreased while the c-axis increased anomalously with decreasing temperature, leading to enhanced tetragonality below 35 K. During heating, the c-axis decreased and tetragonality was reduced. These behaviors are attributed to Bain strain during twin formation and possible interfacial stress with surrounding austenite.

論文

Low-temperature deformation mechanism in a work-hardenable body-centered cubic high-entropy alloy with a large uniform elongation

Zhu, L.*; Dong, W.*; Naeem, M.*; Kong, H.*; Hu, C.*; Fan, Z.*; Gong, W.; Harjo, S.; Lan, S.*; Wu, Y.*; et al.

Acta Materialia, 303, p.121734_1 - 121734_10, 2026/01

 被引用回数:3 パーセンタイル:60.79(Materials Science, Multidisciplinary)

Body-centered cubic (BCC) metals typically exhibit high yield strength but limited work hardening and uniform elongation, especially at low temperatures. High-entropy alloys (HEAs) offer opportunities to overcome these limitations, though their deformation mechanisms remain unclear. Using in situ neutron diffraction and microstructural analysis, this study identifies the origin of the exceptionally large uniform elongation at liquid nitrogen temperature in a single-phase BCC (TiZrHf)$$_{86.4}$$Al$$_2$$Nb$$_{11.6}$$ HEA. Initial plastic deformation is governed by a BCC-to-orthorhombic ($$alpha$$") transformation, followed by $$alpha$$" twinning and deformation-induced amorphization at later stages. The cooperation of these mechanisms suppresses work softening from dislocation plasticity, enabling high yield strength with large uniform elongation and providing a viable strategy for designing cryogenic structural materials.

論文

Hybrid data assimilation methods for nuclear-data-induced uncertainties

丸山 修平; 山本 章夫*; 遠藤 知弘*

Journal of Nuclear Science and Technology, 63(1), p.31 - 44, 2026/01

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.00(Nuclear Science & Technology)

This study proposes new hybrid data assimilation (DA) methods to effectively use experimental data represented in two different ways in the DA process for reducing nuclear-data-induced uncertainties. Conventional DA methods often assume a linear model, where data in a DA database are represented by their differential coefficients, i.e., nuclear data sensitivity coefficients. In contrast, more rigorous and versatile DA methods based on sampling techniques have been proposed recently. These sampling-based DA methods describe data for DA using results derived from direct transport calculations performed with perturbed nuclear data samples. The proposed hybrid DA methods simultaneously use both types of data described by sensitivity coefficients and sampling results and thus are called "hybrid." Two hybrid DA methods are proposed herein: the simple hybrid DA and efficient hybrid DA methods. Among these, the simple method is based on a straightforward concept that uses a random sampling technique. In contrast, the efficient method employs a more technical method that effectively combines a new deterministic sampling technique with sensitivity coefficients to reduce statistical uncertainties associated with the simple method. The efficient method is expected to be a candidate to achieve high precision and rigorous DA with a realistic sample size.

報告書

簡易粘弾性評価モデルを用いた炉内黒鉛構造物の応力挙動の解析的検討

西條 友章; 島崎 洋祐; 石原 正博

JAEA-Technology 2025-010, 126 Pages, 2025/12

JAEA-Technology-2025-010.pdf:12.52MB

HTTR(高温工学試験研究炉)の運転中には、黒鉛構造物に熱応力が発生する。また、黒鉛材料は中性子照射により収縮挙動を示すとともに、クリープ現象が発生するため、原子炉停止時には黒鉛構造物に残留応力が発生する。そこで、HTTR炉心黒鉛構造物の設計においては、有限要素法応力解析コード「VIENUS」を用いた黒鉛構造物の応力解析を行ってきた。HTTRの黒鉛構造物は配置場所によって照射される温度域が400$$^{circ}$$Cから1200$$^{circ}$$Cと大きく異なるため、材料物性値や照射収縮などの照射挙動も黒鉛構造物ごとに異なる。一方、VIENUSコードは熱流動・熱伝導解析結果を解析条件として入力し応力を評価する解析コードであるため、温度条件や材料物性値をパラメータとした検討には向かない。そこで、本報告書ではVIENUSコードよりもパラメータスタディを効率的に実施できる2本のはり要素からなる簡易粘弾性評価モデルを用いて、400$$^{circ}$$Cから1200$$^{circ}$$Cの温度域にある黒鉛構造物の照射挙動が応力挙動に与える影響を解析し、運転時応力は黒鉛構造物の照射収縮の影響により、照射温度800$$^{circ}$$Cを境に2つの異なる挙動を示すことを明らかにした。また、原子炉停止時の残留応力は熱応力に漸近するため、照射収縮が大きくなった場合でも過度に大きくならないことがわかった。さらに、簡易粘弾性評価モデルとVIENUSの応力解析結果を比較した結果、応力挙動の傾向が一致し、簡易粘弾性評価モデルは応力挙動の把握に有用であることが明らかとなった。

報告書

燃料デブリ周辺物質の分析結果に基づく模擬デブリの合成による実機デブリ形成メカニズムの解明と事故進展解析結果の検証によるデブリ特性データベースの高度化(委託研究); 令和5年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業

廃炉環境国際共同研究センター; 福井大学*

JAEA-Review 2025-007, 120 Pages, 2025/09

JAEA-Review-2025-007.pdf:8.13MB

日本原子力研究開発機構(JAEA)廃炉環境国際共同研究センター(CLADS)では、令和5年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業(以下、「本事業」という。)を実施している。本事業は、東京電力ホールディングス株式会社福島第一原子力発電所の廃炉等をはじめとした原子力分野の課題解決に貢献するため、国内外の英知を結集し、様々な分野の知見や経験を従前の機関や分野の壁を越えて緊密に融合・連携させた基礎的・基盤的研究及び人材育成を推進することを目的としている。平成30年度の新規採択課題から実施主体を文部科学省からJAEAに移行することで、JAEAとアカデミアとの連携を強化し、廃炉に資する中長期的な研究開発・人材育成をより安定的かつ継続的に実施する体制を構築した。本研究は、令和3年度に採択された研究課題のうち、「燃料デブリ周辺物質の分析結果に基づく模擬デブリの合成による実機デブリ形成メカニズムの解明と事故進展解析結果の検証によるデブリ特性データベースの高度化」の令和3年度から令和5年度の研究成果について取りまとめたものである。本研究では、酸化物デブリの形成条件の推定研究として、ガス浮遊法や微小な穴を持つタングステンパイプから溶融・噴出させる方法によりウランを含有する模擬燃料粒子を合成し、その生成条件と性状をまとめた。また、JAEAによりサンプリングデータに基づき作成された凝固パス図を再現し、鉄の挙動が熱力学予測と少し異なる結果などを得た。金属デブリの混合・溶融・凝固状態の評価では、溶融させた金属デブリのステンレスへの落下試験や溶融ステンレスの模擬金属デブリへの落下試験を行いその生成物を分析した。その結果ステンレス鋼温度が1000$$^{circ}$$C程度の場合は溶融金属のZr濃度に関わらず薄い反応相を形成してステンレス鋼損傷が抑制されることがわかり、またB$$_{4}$$C及びジルカロイのステンレス鋼融体への溶出速度を定量化した。さらに、ステンレス鋼とZrの混合物の各種圧力容器部材や溶接部材との反応速度データを拡充し、大型試験体系での解析可能な簡素化反応速度式を提案した。また、圧力容器下部の材質を参照した大型試験体の実験と反応速度式より、溶融金属と圧力容器構造材との反応による圧力容器下部破損挙動や溶融物流出挙動を評価した。さらに、圧力容器下部におけるデブリ再溶融過程でのウラン化合物とステンレス鋼等の金属物質の反応試験データを拡充し、金属デブリ層へのウラン移行挙動を評価した。また、試験技術の整備として、二酸化ウランとZrと金属との半溶融模擬デブリの合成と分析、CCIM炉とガス浮遊炉を用いた少量のウランの模擬燃料デブリ合成試験の検討を行った。

論文

Enhanced work hardening in ferrite and austenite of duplex stainless steel at 200 K; ${it In situ}$ neutron diffraction study

山下 享介*; 古賀 紀光*; Mao, W.*; Gong, W.; 川崎 卓郎; Harjo, S.; 藤井 英俊*; 梅澤 修*

Materials Science & Engineering A, 941, p.148602_1 - 148602_11, 2025/09

 被引用回数:4 パーセンタイル:70.22(Nanoscience & Nanotechnology)

Ferrite-austenite duplex stainless steels offer excellent strength and ductility, making them suitable for extreme environments. In this study, ${it in situ}$ neutron diffraction during tensile testing at 293 K and 200 K was used to investigate stress partitioning and phase-specific deformation. Phase stress was calculated using a texture-compensated method. At both temperatures, ferrite showed higher phase stress than austenite, acting as the harder phase. At 200 K, both phases exhibited increased strength and work hardening. Austenite showed significant stacking fault formation alongside dislocation migration, while ferrite retained its dislocation-based deformation mode, becoming more effective. Stress contributions from both phases were comparable. No martensitic transformation occurred. Strengthening and enhanced work hardening in both phases led to high strength at 200 K, with ductility similar to that at 293 K.

論文

Prediction of large vapor mass formation under subcooled flow boiling

小野 綾子; 大川 富雄*

Proceedings of 2025 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP 2025) (Internet), 12 Pages, 2025/09

次世代炉の設計および安全評価へ資するために、料集合体における限界熱流束(DNB)の新たな予測手法を確立することを目指す。DNBの初期トリガーは伝熱面上に形成される大気泡であると考えられるため、その形成に必要な熱流束の予測に焦点を当てる。本研究では、流数値流体力学(CFD)と大気泡形成モデルを統合し、気泡の発生、成長、運動、接合をシミュレートする簡易な数値解析手法を開発した。さらに、大気泡が形成される際の伝熱面上の蒸気量について分析し、その発生時の条件を予測する。

論文

Preliminary study of diffusion and SP3 calculations in unstructured mesh geometry for core deformation reactivity evaluation on SFR

加藤 慎也; 堂田 哲広; 横山 賢治; 田中 正暁; 遠藤 知弘*

Proceedings of 2025 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP 2025) (Internet), 11 Pages, 2025/09

ナトリウム冷却高速炉におけるULOF事象及びUTOP事象に伴う原子炉出力の上昇時に、炉心構成要素の熱膨張による炉心変形がこの出力上昇を抑制する負の反応度フィードバック効果をもたらす。原子力機構ではこの炉心変形反応度の解析評価手法(設計手法)の開発を実施している。設計手法を構成する反応時計算モジュールは、計算理論に多くの近似を使用しているため、計算された炉心変形反応度の妥当性確認には、核計算の参照解を導出する詳細な評価手法が必要となる。本研究では、開発の第一段階として、設計手法の妥当性確認用の参照コードとして、非構造メッシュを使用できるSimplified P3(SP3)近似に基づく2次元有限体積法(FVM)コードの開発を実施し、拡散理論に基づくFVMコードの計算理論、コードへのSP3近似導入手順、これまでに開発された計算機能の検証結果を示す。

論文

その場中性子回折を用いたSUS310Sステンレス鋼の水素添加による強さ・伸び向上メカニズムの解明

伊東 達矢; 小川 祐平*; Gong, W.; Mao, W.*; 川崎 卓郎; 岡田 和歩*; 柴田 曉伸*; Harjo, S.

波紋, 35(3), p.129 - 133, 2025/08

Recent studies have shown that the addition of hydrogen to SUS310S stainless steel (Fe-24Cr-19Ni, mass%) simultaneously enhances both strength and ductility, indicating a phenomenon contrary to the conventional understanding of hydrogen embrittlement. In this study, we investigated the underlying mechanism through ${it in situ}$ neutron diffraction experiments during tensile deformation using TAKUMI at the MLF of J-PARC. The results revealed that solid-solution strengthening by hydrogen plays the most significant role in improving the mechanical properties. Solute hydrogen atoms distort the lattice to suppress dislocation motion, thereby increasing the strength. The raised stress in the hydrogen charged sample enables the onset of deformation twinning at a smaller strain compared to the non-hydrogen charged sample. Consequently, the twinning-induced plasticity effect contributes more significantly to work hardening and the improvement of uniform elongation due to the solid-solution strengthening by hydrogen. These findings suggest a new pathway for the effective utilization of hydrogen in austenitic steels.

報告書

化学計測技術とインフォマティックスを融合したデブリ性状把握手法の開発とタイアップ型人材育成(委託研究); 令和5年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業

廃炉環境国際共同研究センター; 福島大学*

JAEA-Review 2025-002, 108 Pages, 2025/07

JAEA-Review-2025-002.pdf:5.25MB

日本原子力研究開発機構(JAEA)廃炉環境国際共同研究センター(CLADS)では、令和5年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業(以下、「本事業」という。)を実施している。本事業は、東京電力ホールディングス株式会社福島第一原子力発電所の廃炉等をはじめとした原子力分野の課題解決に貢献するため、国内外の英知を結集し、様々な分野の知見や経験を、従前の機関や分野の壁を越えて緊密に融合・連携させた基礎的・基盤的研究及び人材育成を推進することを目的としている。平成30年度の新規採択課題から実施主体を文部科学省からJAEAに移行することで、JAEAとアカデミアとの連携を強化し、廃炉に資する中長期的な研究開発・人材育成をより安定的かつ継続的に実施する体制を構築した。本研究は、令和元年度に採択された研究課題のうち、「化学計測技術とインフォマティックスを融合したデブリ性状把握手法の開発とタイアップ型人材育成」の令和元年度から令和5年度分の研究成果について取りまとめたものである。本研究は、新しい化学分析法の構築によるインフォマティックスとの融合技術の実現を目指し、少ない情報量で全体像を推定するシステムの開発を実施することを目的とする。JAEA研究者とのタイアップ方式による研究を実施することで、博士前期課程$$sim$$ポスドクまでの研究者の地域実践型の深化する横断的な人材育成を行うとともに、国際感覚豊かな人材の育成を目指し、実施した。

論文

L$"u$ders band-assisted high uniform ductility in ultrastrong ferrous medium-entropy alloy via hierarchical microstructure

Kwon, H.*; Lee, J. H.*; Zargaran, A.*; Harjo, S.; Gong, W.; Wang, J.*; Gu, G. H.*; Lee, B.-J.*; Bae, J. W.*; Kim, H. S.*

International Journal of Plasticity, 190, p.104378_1 - 104378_18, 2025/07

 被引用回数:15 パーセンタイル:94.66(Engineering, Mechanical)

In this work, we harness a hierarchical microstructure to simultaneously tailor strengthening and deformation mechanisms in a Co$$_{21}$$Cr$$_{12.5}$$Fe$$_{55}$$Ni$$_{4}$$Mo$$_{7.5}$$ (at%) ferrous medium-entropy alloy (MEA). A simple thermomechanical process (cold rolling and 90 s annealing) produces ultrafine recrystallized grains, non-recrystallized grains with substructures, and intragranular nanoprecipitates. This structure, with high dislocation density and fine grains, yields a high strength of $$sim$$1.60 GPa but can risk premature fracture. To overcome this, L$"u$ders deformation, enabled by ultrafine grain boundaries and stress-induced martensitic transformation at pre-existing nucleation sites, is employed. Stable L$"u$ders band propagation delays strain hardening and enables large uniform ductility. As a result, a tensile strength of $$sim$$1.84 GPa and uniform elongation of $$sim$$20% are achieved, matching the best tensile properties among reported multi-principal element alloys.

論文

Temperature-dependent deformation behavior of dual-phase medium-entropy alloy; In-situ neutron diffraction study

Gu, G. H.*; Jeong, S. G.*; Heo, Y.-U.*; Harjo, S.; Gong, W.; Cho, J.*; Kim, H. S.*; 他4名*

Journal of Materials Science & Technology, 223, p.308 - 324, 2025/07

 被引用回数:9 パーセンタイル:88.88(Materials Science, Multidisciplinary)

Face-centered cubic (FCC) equi-atomic multi-principal element alloys (MPEAs) exhibit excellent mechanical properties from cryogenic to room temperatures. At room temperature, deformation is dominated by dislocation slip, while at cryogenic temperatures (CTs), reduced stacking fault energy enhances strain hardening with twinning. This study uses in-situ neutron diffraction to analyze the temperature-dependent deformation behavior of Al$$_{7}$$(CoNiV)$$_{93}$$, a dual-phase (FCC/BCC) medium-entropy alloy (MEA). At liquid nitrogen temperature (LNT), deformation twinning in the FCC matrix leads to additional strain hardening through the dynamic Hall-Petch effect, giving the appearance of improved strengthening at LNT. In contrast, BCC precipitates show dislocation slip at both 77 K and 298 K, with temperature-dependent lattice friction stress playing a significant role in strengthening. The study enhances understanding of deformation behaviors and provides insights for future alloy design.

論文

Unique deformation behavior of ultrafine-grained 304 stainless steel at 20 K

Mao, W.*; Gong, W.; 川崎 卓郎; Gao, S.*; 伊東 達矢; 山下 享介*; Harjo, S.; Zhao, L.*; Wang, Q.*

Scripta Materialia, 264, p.116726_1 - 116726_6, 2025/07

 被引用回数:3 パーセンタイル:46.97(Nanoscience & Nanotechnology)

An ultrafine-grained 304 austenitic stainless steel exhibited pronounced serrated Luders deformation at 20 K, with stress and temperature oscillations reaching 200 MPa and 20 K. ${it In-situ}$ neutron diffraction and digital image correlation revealed discontinuous Luders band propagation and burst martensite formation. During deformation, austenite phase stress remained lower than at upper yielding, indicating elastic behavior. Notably, martensite phase stress stayed lower than austenite until fracture, likely due to stress relaxation from burst martensitic transformation at 20 K. The low martensite stress delayed brittle fracture until austenite plastically yielded during uniform deformation.

報告書

Input data preparation for PWR large-break LOCA analysis with RELAP5/MOD3.3 code

竹田 武司

JAEA-Data/Code 2025-005, 106 Pages, 2025/06

JAEA-Data-Code-2025-005.pdf:2.93MB

JAEAでは、加圧水型軽水炉(PWR)解析のためのRELAP5/MOD3.3コードの入力データを、主に大型非定常実験装置(LSTF)の参照4ループPWRである敦賀発電所2号機の設計情報を基に作成してきた。PWR解析に関する代表的なOECD/NEAの活動として、BEMUSEプログラムの枠組みにおける低温側配管大破断冷却材喪失事故(LBLOCA)の計算が挙げられる。また、わが国の新規制基準に係るPWRの炉心損傷防止対策の有効性評価事象には、低温側配管LBLOCA時の非常用炉心冷却系(ECCS)の再循環機能喪失事象が含まれる。本検討において、PWRの安全設計上想定すべき設計基準事故の一つであるLBLOCAを解析するための入力データを整備した。本報告書では、PWRLBLOCA解析の入力データの主な特徴を示す。PWRの原子炉容器、加圧器(PZR)、高温側配管、蒸気発生器(SG)、SG二次系、クロスオーバーレグ、低温側配管、ECCSなどをモデル化し、参照4ループPWRを2ループで模擬した。その際、PZRは3ループ分を模擬するループAに接続し、破断口は1ループ分を模擬するループBに設置した。PWRのコンポーネントのノード分割は、LSTFのコンポーネントのノード分割を参照した。また、PWRLBLOCA解析の主な入力データに対して、解釈を加えるとともに、設定根拠などの付加情報を提供した。さらに、整備した入力データを用いて、ECCS再循環機能喪失事象を対象とした過渡解析を実施した。RELAP5/MOD3.3コードによる既往研究の計算と比較することにより、過渡解析は概ね妥当であることを確認した。加えて、RELAP5/MOD3.3コードを用いて感度解析を実施し、破断口の流出係数や代替再循環注水流量が燃料棒被覆管表面温度に及ぼす影響を明らかにした。本報告書では、設定した条件の範囲内での感度解析結果について示し、ECCS再循環機能喪失事象に対する既往研究の計算内容の一部を補完する。

論文

Fundamental mechanisms of discontinuous deformation in metals for cryogenic-environment applications

Kim, Y. S.*; Kang, T.*; Hong, S.-K.*; Brechtl, J.*; Lebyodkin, M.*; Cheng, Y.-H.*; Huang, E.-W.*; Liaw, P. K.*; Harjo, S.; Gong, W.; et al.

Acta Materialia, 292, p.120970_1 - 120970_16, 2025/06

 被引用回数:15 パーセンタイル:96.30(Materials Science, Multidisciplinary)

Metallic materials can exhibit low-temperature serrated deformation (LTSD) at cryogenic temperatures, potentially causing sudden failures. Understanding LTSD is thus crucial for ensuring material reliability in such environments. LTSD has been explained by two main mechanisms: (i) dislocation-based mechanical instability and (ii) thermomechanical instability, but each has limitations when considered alone. To address this, we propose a new LTSD mechanism, a thermally induced dislocation dynamics model, based on cryogenic experimental evidence. This model accounts for dislocation avalanches and localized heating, leading to hierarchical dislocation networks and transitions in deformation modes. A modified deformation-mechanism map for SS316L is also presented. Our findings highlight the rate-dependent nature of LTSD and negative strain-rate sensitivity, including the first observation of links between small stress fluctuations and large serrations.

論文

Grain refinement of dual phase steel maximizes deformation ability of martensite, leading to simultaneous enhancement of strength and ductility

Park, M.-H.*; 柴田 曉伸*; Harjo, S.; 辻 伸泰*

Acta Materialia, 292, p.121061_1 - 121061_13, 2025/06

 被引用回数:52 パーセンタイル:99.57(Materials Science, Multidisciplinary)

Dual-phase (DP) steel, composed of soft ferrite and hard martensite, offers excellent strength-ductility balance and low cost. This study found that refining the DP microstructure enhanced both yield strength and strain hardening, improving strength and ductility. Digital image correlation (DIC) revealed strain localization in ferrite, but refinement reduced strain differences between ferrite and martensite, suppressing crack initiation. More ferrite/martensite interfaces promoted plasticity in martensite via enhanced deformation constraint. ${it In-situ}$ neutron diffraction showed martensite bore higher phase stress, which increased with refinement. By combining $$mu$$-DIC and neutron data, individual stress-strain curves for ferrite and martensite were constructed for the first time, explaining the strength-ductility synergy through interphase constraint. These findings offer guidance for designing heterostructured materials to overcome the strength-ductility trade-off.

論文

Martensitic transformation and shape memory effect in Mn-rich Cu-Mn-Al alloys

伊東 達矢; Xu, S.*; Xu, X.*; 大森 俊洋*; 貝沼 亮介*

Shape Memory and Superelasticity, 11(2), p.167 - 175, 2025/06

The microstructure, crystal structures, cold workability, and martensitic transformation temperatures of several Cu$$_{100-{it x}-{it y}}$$Mn$$_{it x}$$Al$$_{it y}$$ (40 $$leq$$ ${it x}$ $$leq$$ 55; 10 $$leq$$ ${it y}$ $$leq$$ 13; at%) alloys were analyzed. For the first time, martensitic transformation was revealed Mn-rich Cu-Mn-Al alloys. The surface relief of the martensite phase reversibly appeared and disappeared during cooling and heating, along with small thermal hysteresis, implying a thermoelastic transformation. The crystal structures of the parent and martensite phases are B2 and 2M(BCT), respectively, with c$/a being approximately 1.35. Cold workability improves with decreasing Al content, exhibiting a trend similar to that observed for previously reported Cu-rich Cu-Al-Mn shape memory alloys. The martensitic transformation temperatures decrease with increasing Al content and increase with increasing Mn content. These results are consistent with the stability trends of the parent body-centered cubic phase in the phase diagram at high temperature. The shape memory effect with a recovery strain of 1.3% was observed in a 5.0% pre-stretched Cu$_{39}$$Mn$$_{50}$$Al$$_{11}$$ (at%) sample. This alloy demonstrates moderate cold workability and cost-effectiveness, exhibiting potential as an alternative for conventional shape memory alloys in various applications.

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