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Research Results 研究成果

マルチスケール・マルチディメンジョン・マルチモーダルイメージング

― 新しい統合材料解析技術の開発と先進自動車用鋼板への適用 ―
工学研究院
戸田　裕之　教授
2024.10.16
研究成果MaterialsTechnology

ポイント

  • 特性や信頼性に優れた金属等の先端材料は、我が国のものづくりを支え、産業的な競争力の源泉です。その開発のため、従来の分析・計測法から飛躍した新しい材料解析法が望まれます。
  • 最近、SPring-8※1では、マルチスケール（ナノ～マクロ）、マルチディメンジョン（3D/4D※2）という特徴を持つ先進イメージング技術が開発されました。この研究では、これにさらに結晶組織を解析するX線回折法を融合し、マルチモーダル材料解析技術として完成させました。
  • 従来、構造材料の分析には多数の機器を必要とし、手間がかかるわりに断片的で不確かな情報しか得られず、非効率でした。開発法では、1本の試験体を評価するだけでナノ・ミクロ構造とマクロ特性とを直接結ぶ確度の高い情報が得られます。次世代自動車鋼板に開発法を試用し、鉄鋼の精緻で効率的な制御指針が得られ、開発法の優位性・実用性が実証されました。

概要

　従来の材料評価・解析は、表面で得られる二次元(2D)情報に基づくため、破壊等の挙動を正確に把握するのは困難でした。SPring-8では、数年前にナノからマクロまでカバーするマルチスケール、3D画像を連続取得するマルチディメンジョンという特徴をもつ高エネルギー先進X線CT法※3が実現され、「何が、どこで、なぜ、どのように」を把握する試みがなされています。
　九州大学大学院工学研究院の戸田裕之主幹教授と藤原比呂助教は、京都大学工学研究科の平山恭介助教（現：香川大学創造工学部准教授）、SPring-8の竹内晃久、上椙真之両主幹研究員らと共同で、特殊な方式のX線回折※4技術を開発してこれを先進X線CT法に融合しました。これは、3つの計測・イメージング法を並列させて切替えながら、ただ1個の試験体を集中的に評価・分析・解析する、世界でも初めての本格的なマルチスケール・マルチディメンジョン・マルチモーダル（以下、3M）材料評価技術です。
　研究グループは、次世代自動車用鋼板であるTRIP鋼※5にこの技術を試用しました。TRIP鋼に外力を加えた時の材料組織変化や損傷挙動をこれまでの材料解析より飛躍的に高い精度と確度で評価しました。そして、現象を規定する材料組織学的な因子を特定すると共に、ナノ・ミクロ材料組織を積極的に制御してTRIP鋼の特性を制御できる材料設計指針を解明することができました。
　本研究成果は国際学術誌Acta Materialiaに2024年10月6日（日）に掲載されました。

研究者からひとこと

鉄鋼材料内部の結晶粒の分析・計測例　負荷による結晶粒の変化や破壊を3D/4D可視化した例。

1997年に世界最大・最強の放射光施設として誕生したSPring-8も、第4世代へと進化します。その飛躍的な性能向上を利用し、モノの中身を精緻に見てイノベーションを創出する「質の革命」が謳われています。これにより、2050年まで我が国社会の持続的な発展を支えることが期待されています。この研究は、金属材料などに対してその「モノの中身を精緻に見る」手法を開発し我が国が得意とする先進鉄鋼材料に応用したものです。

用語解説

※1　SPring-8
理化学研究所が所有し、JASRIが利用者支援などを行う世界最高性能の放射光を生み出す大型放射光施設。放射光とは、電子を光速にほぼ等しい速度まで加速し、磁石によって進行方向を曲げた時に発生する超強力な電磁波のことです。SPring-8では、世界最大のX線イメージング装置が構築されており、ナノテク、バイオなどの最先端の研究に応用されています。

※2　4D
四次元。3D（三次元）に時間軸を足したものです。4D観察は、一眼レフカメラの連写の様に3D画像を連続的に取得することです。現実の物体は全て3Dであり、4D観察ではその変化を克明に記録することができるため、様々な現象の理解や解明に非常に有効な手段となります。

※3　X線CT
CTは、Computed Tomography（コンピューター断断層撮影法）の略語。病院では骨や臓器を3Dで観察するのに用いられます。一方、SPring-8では、金属材料の組織の超高分解能3D観察が可能で、病院のCT装置に比べて、千～１万倍も高い解像度での3D連続観察(4D観察)ができます。

※4　X線回折
X線回折は、結晶（原子が規則正しく配列した物質）にX線を照射した時に現れるX線の回折（X線の進行方向の変化）を計測し、結晶の構造や状態を調べる技術です。ここでは、1ミクロン程度まで細く絞ったX線ビームを試験体の全ての位置に全ての方向から照射することで、材料の局所的な情報を得る特殊な計測法を開発しました。

※5　TRIP鋼
TRIP鋼は、フェライト相と室温で準安定な残留オーステナイト相からなる複合組織を持ちます。TRIP鋼に外力が加わると、残留オーステナイトが硬く強いマルテンサイト相へと変化（相変態）します。どの程度の外力でTRIP鋼が変態するのか精密に制御できれば、自動車などの高性能化や衝突安全性向上に大きな効果が期待されます。

論文情報

掲載誌：Acta Materialia
タイトル：Multimodal assessment of mechanically induced transformation and damage in TRIP steels using X-ray nanotomography and pencil-beam diffraction tomography（和訳：X線ナノトモグラフィーとペンシルビームX線回折トモグラフィーを用いたTRIP鋼の応力誘起相変態と損傷のマルチモーダル解析）
著者名：Hiroyuki Toda（責任著者）, Chiharu Koga, Kyosuke Hirayama, Akihisa Takeuchi, Masayuki Uesugi, Kyohei Ishikawa, Takafumi Yokoyama and Hiro Fujihara
DOI：10.1016/j.actamat.2024.120412

お問い合わせ先

工学研究院　戸田裕之　主幹教授

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