VOL. 15 2015年3月号（pdf, 8.60 MB）

一般社団法人日本原子力学会
材料部会報
Nuclear Materials Letters
（2015 年 3 月）
（部会ホームページ http://www.aesj.or.jp/~material/）
目次
Ⅰ. Journal of Nuclear Materials エディターより ..................................................................... 1
核融合科学研究所室賀健夫
Ⅱ. 2014 年秋の大会企画セッション報告 .................................................................................. 6
「最新ナノミクロ分析技術の原子力材料への展開」の報告
原子力安全システム研究所
福谷耕司
物材機構
大久保忠勝
(1) STEM/アトムプローブによるナノ組織解析
(2) 中性子回折による構造物の残留応力測定
茨城県
林
眞琴
(3) 高分解能 EBSD パターンを用いた引張試験片中の歪解析
(4) ナノインデンテーションによる材料強度評価
TSL ソリューションズ
鈴木清一
京都大学
笠田竜太
Ⅲ. 第 6 回材料部会奨励賞受賞者のよろこびのことば ............................................................. 62
核融合科学研究所
日本原子力研究開発機構
宮澤
健
渡辺淑之
Ⅳ. 関連する国際会議のリスト .................................................................................................... 64
Ⅴ. 運営委員会委員名簿 ............................................................................................................. 68
Ⅵ. 寄稿のお願い .......................................................................................................................... 69
Ⅶ. 編集後記 ................................................................................................................................. 69
Ⅰ.
Journal of Nuclear Materials エディターより
核融合科学研究所
室賀健夫
部会報 2011 年 8 月号に寄稿しましたように、2011 年 4 月から Journal of Nuclear Materials
(JNM) のエディターを務めています。４年近くも近況のレポートを怠っており、大変申し訳ござ
いません。その間学術誌の取り巻く環境も大きく変化し、JNM も荒波に揉まれています。これ
につきまして、最近の動きを報告させていただきます。
1.
JNM の概況
JNM には、昨年は約 1300 編の投稿がありました。エディターは、３年ほど前は３人という厳
しい状況でしたが、今では６人になっています。日本からは小川徹先生に加わっていただき、専
門分野を分けて対応できるようになりました。原子力材料に関わりの薄い論文を他の雑誌へ移行
することをお世話するシステム（Article Transfer System, ATS）や、巻号の論文が全部集まら
なくても、査読が終わってから直ちに発刊するシステム(Article-Based Publishing, ABP) が始
まりました。また、Conference Proceedings の発刊をやめ、テーマ指定の特別号だけを認める方
針になりました。これらは下記の Impact Factor 重視による結果と言えます。これについて以下
説明します。
2.
Impact Factor (IF) について
IF をご存じない方はいないでしょう。毎年トムソン・ロイター社から各学術誌の IF が公表さ
れ、出版社はもちろん、広く関係者が一喜一憂しています。最近は、業績評価で、発表論文に IF
を添えてデータとしているところも増えているようです。あまりよく知られていないようですが、
IF の定義は以下の通りです。
Y 年の IF:
( (Y-1) 年に出版された論文の Y 年における引用数 + (Y-2) 年に出版された論文の Y 年におけ
る引用数) ÷ ((Y-1) 年と(Y-2) 年の総出版論文数)
つまり過去２年間に出版された論文の数と、それらのこの 1 年間における引用数だけで決まって
しまう値です。論文が発表されてから引用されるまで幾らかの時間が必要ですから、仮にある年
度にたくさんの論文が発表されれば、その翌年の IF は下がってしまいます。最近の JNM の IF
の推移を図１に示します（出版社が公表した２年前の資料に加筆したものです）
。
1
図１．JNM の Impact Factor の推移（出版社公表の 2011 年までの図に筆者が加筆、国際会議
の論文の出版年を追加）
IF が振動し、その振幅が年々大きくなっているのが分かります。振動の原因はほぼ明らかです。
JNM はこれまで、ICFRM（核融合炉材料国際会議）と PSI（プラズマ・表面相互作用国際会議）
の 2 つの国際会議の Proceedings を発刊してきました。他の会議 Proceedings の発刊は数年前か
ら行われていませんでしたが、この 2 つについては、長い歴史があるとのことで、Sponsored
Special Issue (つまり会議が一定額の費用を支払う)として継続が認められてきました。この 2 つ
の国際会議は隔年交互に開かれていますが、近年では PSI が会議の翌年、ICFRM が会議の２年
後に Proceedings を発刊してきたので、ちょうど同じ年に両方の出版が重なり、図 1 からわかる
ように、先ほどの IF の定義の結果、出版の年の翌年の IF が大きく下がることになりました。こ
れら核融合分野の Proceedings 論文の引用数が特に少ないわけではないのですが、このような IF
の大きな変動は雑誌のステータスとして好ましいものではなく、出版社がこの 2 つの会議の
Proceedings 発刊の継続を渋ることに繋がりました。なお、テーマ指定の特別号の発刊も楽では
なく、最近も水化学・水腐食関係の特別号の提案をいただきましたが、実現しませんでした。理
由の一つに、エディター間の議論で材料挙動以外の論文が加わることへの抵抗が強かった、とい
うことがあります。
3.
ICFRM-16 における取組み
第 16 回核融合炉材料国際会議(ICFRM-16)は、2013 年 10 月に北京で行われましたが、その約
1 年前から出版に関する交渉を進めてきました。以前どおりの内容で契約書を交わした直後、出
版社の担当者から、ICFRM の Proceedings を JNM で発刊するのは今回を最後とする、との通
告がありました。同様に 2014 年 5 月に金沢で予定し、すでに出版に関する交渉を始めていた第
21 回プラズマ・表面相互作用国際会議(PSI-21)に対しても、その会議を持って Proceedings の発
2
刊を最後とする、との通告がありました。ICFRM は特に論文数が多く、出版にも時間がかかっ
ていたので、出版社の問題とするところだったようです。発刊が遅ければそれだけ情報も古くな
り、
引用されにくくなるということです。これらの通告前にエディターにも相談がありましたが、
核融合分野だけが Proceedings の発刊を続けていた状況で、継続を主張するのは難しい状況でし
た。
ICFRM-16 では、このような背景で、出版社との橋渡しの目的で筆者が出版副委員長を務めま
した。論文の質を高めるのはもちろんですが、早く発刊するための方策を考え、１．で触れまし
た ABP システムの採用を提案しました。Proceedings を ABP で発刊するのは JNM では初めて
だったのでいくつか技術的課題がありましたが、出版社も協力的でうまく進められました。その
結果、2014 年の 1 月に最初の論文が発刊し、会議 1 年後の 2014 年 10 月にすべての論文の発刊
が終了しました。ABP の問題点は、論文集の順序立てができないことで、査読が終わった順にば
らばらに掲載されます。そのまま製本すると大変みじめな Proceedings になりますが、最近は
CD 配布で論文は検索で探し出しますので、不便さはあまりないようです。これによって IF の変
動を抑えることができたどうかは１－２年後に明らかになると思います。
4.
オープンアクセスジャーナルの創刊
JNM が Proceedings の発刊をやめて最初の国際会議は ICFRM-17 (2015 年 10 月にドイツア
ーヘンで開催)で、論文集がどうなるか注目されていました。出版社は、Proceedings 用の雑誌を
いくつか持っていて、(たとえば Procedia Materials Science) これらから出版することも一つの
可能性として示されました。しかし、Proceedings 用のこれらの雑誌は IF がついていないものが
ほとんどで、また広い分野の論文が集まる雑誌であり、あまり魅力のないオプションでした。一
方 JNM には別の問題が上がってきました。それは Open Access Journal の要請です。JNM は基
本的に投稿料は取らず、雑誌の販売（電子的な subscription も含め）で経費を賄っています。誰
でもアクセスできる Open Access Journal にするためには、投稿料を徴収する必要があります。
JNM でもそれは可能で、個々の発表論文について、著者が費用を払えば Open Access Article と
することができます。しかし、相当な高額（筆者の聞いた例では 1 編 10 万円以上）とのことで
す。
ここからは伝聞情報で必ずしも正確でないことを了解ください。最近 Open Access Article で
なければ発表論文を業績に加えない、という動きがあるそうです。筆者が聞いたのは Max-Planck
協会ですが、他にもヨーロッパを中心にこのような動きが広がっているとのことです。JNM に
論文を出し、それを実績にするために一つ一つ Open Access Article の費用を払うと負担が膨大
になるという問題で、JNM の在り方に関する本質的な問題を提起しています。もちろんほかの
Open Access でない Journal に共通の問題です。これに対する対処法として、Max-Planck 協会
が補助を出して新しい Open Access Journal を同じ出版社に創設しました。これが、Nuclear
Materials and Energy http://www.journals.elsevier.com/nuclear-materials-and-energy/ です。
新しい雑誌ですので当然 IF はついていませんが、IF よりも Open Access を重視する考えには好
都合のようです。出版社としては、Proceedings の受け皿としての期待もあるようです。JNM の
3
エディター会議は、最近は NuMAT 会議に合わせて 2 年に 1 度開かれています。昨年 10 月に開
かれたエディター会議でこの新しい雑誌の創設が報告されましたが、エディターからは、JNM へ
の影響を心配する意見が相次いで出されました。スコープのあまり変わらないジャーナルが併設
されることで共倒れになることを心配するのは当然と思います。
Nuclear Materials and Energy 誌は Open Access であるとともに、Proceedings を積極的に
出版することを特徴としています。最近 ICFRM-17 の Proceedings はこの雑誌で発刊するとの方
針が ICFM-17 の事務局から発表されました。今後の国際会議の論文集の在り方については、
Proceedings としてまとまった論文集に加わる意義、IF のつかない雑誌に投稿する是非、Open
Access Journal に投稿するメリット、など色々な観点から検討が必要と思います。
5.
IF 向上に向けての動き
2 年前に出版社で JNM の新しいマネージャーが着任しましたが、彼の最初の強いメッセージ
が JNM の論文の rejection の比率が低すぎるということでした。特に、原子力材料として specific
な研究でない一般の材料学研究の論文を受け入れすぎている、との批判を強く出しました。IF の
定義から分かりますように、総論文数が分母ですので、引用数の少ない論文を排除することが IF
を上げるのに効果的です。IF を獲得できる最低年間論文数は 25 編程度と聞いていますので、総
論文数が減ることは気にならないわけです。原子力材料特有のテーマでない論文をスコープ外と
して不採用にすることをスムーズにするため、冒頭の ATS システムが JNM に採用されました。
しかし、JNM のスコープは何か、と言われると、確かに文章化され雑誌の裏表紙に掲載されて
いますが、個々の論文への対応は一律ではありません。ここ 2 年ほど Editor 間で Journal Scope
についての議論が盛んにおこなわれていますが、なかなか終息を見ません。ある Editor は、ジル
コニウム合金は原子力特有の材料なので単なる Metallurgical な論文もすべてスコープに入ると
主張します。それなら、タングステンやバナジウムもそうではないでしょうか。ある Editor は、
どの材料の実験論文についても照射データがない、あるいは照射データベースへの寄与がない、
という理由で厳しく評価しています。ODS 鋼などは多くの国で新しい製法で特性の高度化が図ら
れていますが、この種の論文に対する Editor の姿勢は大きく異なっているのが現状です。最近
JNM に投稿し、これまで採用されていた分野の論文がスコープ外として採用されなくなった、
という経験をお持ちの方もいると思います。Journal の存在が Community を支えるという役目
を失っていないか、自己目的化していないか、が問われていると強く感じています。
6.
終わりに
Journal 間の競争はますます激しくなっています。その重要な指標が IF であり、出版社も
Journal の関係者も IF を上げることに力を入れています。一方評価の観点からは、出版される
Journal の IF よりも総引用数が重要との見方もあります。今では学術研究機関の多くに、評価を
高めるための戦略を練る組織が作られつつあるようで、部会員各位の所属される組織でも論文投
稿のあり方についての議論、指針作りが行われているのではないかと思います。このような、研
究機関も Journal も厳しい競争にある中で、JNM が原子力材料のコミュニティーに有益な、こ
4
の分野の基幹 Journal としての存在を維持できるためにはどうしたら良いか、という重い課題に
直面しています。
今回の寄稿は当面の問題の報告に終始してしまいました。部会員各位のご理解とご協力をお願い
して筆をおきたいと思います。
5
Ⅱ.
2014 年秋の大会企画セッション報告
「最新ナノミクロ分析技術の原子力材料への展開」の報告
・諸言
原子力安全システム研究所福谷耕司
材料の分析技術は目覚ましい発展をとげてきており、実験的観点から材料が有している特性を
把握するための有効な技術となっている。最近の材料分析技術ではミクロレベルの分析に限らず
高精度でのナノレベルの分析も可能となり、材料が有すべき機能的あるいは強度的特性の発現メ
カニズム解明や新材料の開発、また供用中の材料の損傷・劣化挙動解明など、材料分析技術は幅
広く活用されている。
材料分析技術は、原子力分野に限定されたものではなく、多方面において、その技術開発が推
進されている。これは、例えば化学プラントや原子力以外の発電プラントの経年化による材料の
損傷・劣化挙動の把握が必要となっていることや、新規プラントでの蒸気温度上昇などのこれま
で以上の過酷な運転環境から高品質の材料が要求されていることによる。これらの状況をふまえ、
2014 年秋季大会の企画セッションでは、最新のナノミクロ材料分析技術について４件の講演をい
ただき、これらの分析技術の原子力材料への展開について議論し、共通的技術である材料分析技
術のさらなる向上を目指した。より広い周知を目的に、その講演資料（一部抜粋）を掲載する。
講演いただいた先生方の厚意に感謝いたします。
(1) STEM/アトムプローブによるナノ組織解析
物材機構
(2) 中性子回折による構造物の残留応力測定
茨城県
大久保忠勝
林
眞琴
(3) 高分解能 EBSD パターンを用いた引張試験片中の歪解析
(4) ナノインデンテーションによる材料強度評価
6
TSL ソリューションズ
鈴木清一
京都大学
笠田竜太
日本原子力学会「2014年秋の大会」
最新ナノミクロ分析技術の原子力材料への展開
2014/9/10
STEM/アトムプローブによるナノ組織解析
大久保忠勝、佐々木泰祐、宝野和博
物質・材料研究機構磁性材料ユニット
レーザー補助広角３次元アトムプローブ
Delay line detector
Position (xi,yi)
FIM tip
HV
ToF(i)
(xi, yi)
fs laser pulse
3D Data Software
•試料破壊頻度の劇的な改善
•レーザー脱離による絶縁性セラミクス解析
•エネルギー補償器なしで高い質量分解能
7
バルク絶縁体試料の測定に成功（世界初）
ZrO2-MgAl2O4 ナノコンポジット
Mg Al
Y. M. Chen et al., Scripta Mater. 61 (2009) 693.
燃料電池用固体電解質の解析
希土類ドープCeO2 (CeO2-xGd2O3)
A: Grain Boundary
B: Matrix
F. Li et al., Scripta Mater. 63 (2010) 332.
8
GaInN：ピット(V型欠陥）直下でのIn分布
Ni
In
200nm
表面SEM像（↓ V‐欠陥）
0.05
3D原子マップ
ピット周辺のIn組成を３
次元的に把握
In fraction（x）
0.04
0.03
0.02
0.01
0
HAADF‐STEM像
0
10
20
30
40
50
60
distance (nm)
・ピット中心部においても、９つあるQWは明瞭に観察される。
・しかしながら、In濃度は極端に少ないことがわかる。
・また、バリアのIn濃度はゼロになっていない。
S. Tomiya et al., Appl. Phys. Lett. 98 (2011) 181904.
MOSデバイス素子
商用レーザー3DAP（パルス幅12ps、λ=532nm）では、SiNゲート層の解析は不可能
SiN
Poly‐Si中のB濃度
SiO2
ゲート絶縁膜
poly‐Si
68nm
Si
N
O
B
UVレーザー（400fs、λ=343nm）で解析に成功
K. Hono et al., Ultramicroscopy 111 (2011) 576.
9
ODS鋼の3DAP解析結果
レーザー補助広角型３DAP
35nm ×35nm×75nm
ODS鋼のTEM像(明視野）
レーザー補助エネルギー補償型３DAP
エネルギー補償型
広角型
Y
O
Ti
25000
12nm×12nm×45nm
「測定領域」・「質量分解能」に特徴を持つ。
ODS鋼
高温強度と酸化物分散組織には密接な相関
Number
20000
15000
10000
5000
酸化物粒子の分散：緻密 ⇒ 高温強度：高
0
特徴を活かした複合的な分析評価
微細構造とマクロ強度特性との定量的な関係付け
25
26
27
28
29
30
31
Mass/Charge
野際他, まてりあ 14 (2008) 626.
重希土類フリーネオジム焼結磁石の組織解析
試料：微細粒プレスレス焼結磁石（平均粒径: 1.3m）
High-C材
: C量：1500ppm
(Fe66.6Nd26.4Pr4.14Dy0.01B0.97Cu0.10Al0.28Co0.90O0.16N0.058C0.150 (wt.%))
: C量：730ppm
(Fe66.6Nd26.4Pr4.14Dy0.01B0.97Cu0.10Al0.28Co0.90O0.15N0.058C0.073 (wt.%))
Low-C材
前
後
High-C
Low-C
熱処理 : 500 ºC
前
後
Sample
Br(G)
iHc(kOe)
Low-C (Annealed)
Low-C (As-sintered)
High-C (Annealed)
High-C (As-sintered)
14405
14422
14432
14488
18.2
15.9
15.4
14.4
(BH)max
(MGOe)
51.18
51.04
51.37
51.53
組織観察：SEM、TEM、3次元アトムプローブ
T.T. Sasaki et at al. Acta Mater. 84(2015)506
10
Nd-rich相のサイズ分布に及ぼす炭素の影響
Low‐C 材/焼結材
High‐C材/焼結材
IL‐SE
1.4T
Area fraction:
6.6%
Number density:
8.6×1011 m-2
1.6T
Area fraction:
8.1%
Number density:
2.7×1012 m-2
Loｗ‐C材ほど、1) 炭化物相の面積率が低く、2) 微細な‐Ndが均一に分散
熱処理前後の粒界相の変化
High-C
焼結まま材
Low-C
Hc = 1.44T
Hc = 1.82T
Hc = 1.54T
2 m
熱処理材
Hc = 1.59T
粒界相は焼結後に既に形成されており、熱処理による顕著な変化は見られない
11
Titan G2 80‐200 for STEM imaging & Chemical analysis
Cs corrector for illumination
・Large beam current
・Small beam size
・ HR‐STEM imaging(point resolution: 80pm) ・ EDS mapping
・ Nano Beam Diffraction observation
・ EELS analysis
4 EDS detector
0.7sr
(Conv. ~0.2sr)
Nd-rich粒界相のNdの濃度－炭素の効果(STEM-EDS)
High‐C / 熱処理材
Hc = 1.54T
Nd
(0001)
Low‐C / 熱処理材
Hc = 1.82T
(0001)
12
粒界Nd-rich相の組成とCの分布 (3DAP)
High‐C / Annealed Sample
Low‐C / Annealed Sample
Nd
Fe
Cu
（粒界相）
Nd+Pr: 46.8 at.%
85×30×30 (nm)
Nd Fe Cu
60×42×42 (nm)
（粒界相） Nd+Pr: 56.3at.%
（主相（wt.%））
Nd24.3Fe71.9Pr2.6B1.2C0.02 (wt.%)
Cは粒界に濃化してしない
CはNd‐rich相に濃化
炭素量の低下によってNd溜めとなる‐Ndが微細かつ均一に分散
粒界相のNd濃度が高くなり、保磁力が向上する
SEM-FIB/TEM/3DAPによるマルスチスケール組織解析
FIB‐SEM
FIB‐SEM
BSE SEM
レーザー補助広角3Dアトムプローブ
TEM
高分解能分析STEM
3DAP
Elemental Mapping
HRTEM
Quantitative Analysis
ZrO2
MgAl2O4
FIB‐SEM 3D Tomography
HAADF STEM
Dif. Analysis
3D Atom Mapping
FIB‐SEM組織解析
結晶相の3D形態、
分布、体積分率
広領域元素マッピング
TEM組織解析
結晶相の同定
結晶粒の方位関係
元素マッピング
13
3Dアトムプローブ組織解析
原子レベル元素マッピング
Neutron Science Project, Ibaraki Pref.
中性子回折による
構造物の残留応力測定
茨城県企画部
林眞琴
構造物の破損形式
延性破壊
疲労破壊
脆性破壊
環境破壊
腐食疲労
応力腐食割れ
水素損傷
液体金属脆化
エロージョン/コロージョン
中性子照射脆化
高サイクル疲労
低サイクル疲労
低温疲労
高温疲労
熱疲労
転動疲労
フレッティング疲労
残留応力はこれらの全ての
破壊挙動に影響を及ぼす
1
14
残留応力の発生要因
熱処理
焼入れ，焼戻し，焼鈍し
塑性変形
圧延，鍛造，押出し，引抜き
機械加工
切削，研削，グラインダ加工，エメリー研磨
ショットピーニング, ｳｫｰﾀｰｼﾞｪｯﾄﾋﾟｰﾆﾝｸﾞ
表面処理
Crメッキ，Niメッキ，浸炭，窒化
溶接
AW, SMAW, TIG, MIG, ロー付け
2
残留応力測定法の比較
測定方法
手法
ひずみ
ゲージ法
超音波法
Ｘ線
回折法
放射光
回折法
破壊
手法
中性子
回折法
測定精度
測定位置測定体積
20MPa
表面
5x5x5mm3
50MPa
10MPa
内部
極表面
5x5x5mm3
非破壊
手法
30MPa 表面近傍
(1.5mm)
30MPa
内部
(25mm)
備
考
主応力差
表面から２０μm
平面応力を仮定
1x1x5mm3
1x1x3mm3
３軸方向ひずみ
の測定
3
15
Ｘ線，放射光と中性子線の侵入深さ
侵入深さ (mm)
材料
Ａｌ
Ｔｉ
Ｆｅ
Ｎｉ
Ｃｕ
熱中性子
1230
50
85
40
53
放射光(70keV) 15.4
3.8
1.4
1.0
1.3
Cu-Ｋα線
0.074 0.011 0.004 0.023 0.022
Ｘ線，放射光，中性子の
相補的利用の推進
4
中性子回折の特徴
利点
・残留応力を非破壊で測定
・構造物内部の残留応力を測定可能
・複合材料や多相材料の相間応力を測定可能
・集合組織が短時間で容易に測定可能
弱点
・測定体積が比較的大きい
・測定時間が長い
・無ひずみ状態の格子定数の測定が必要
16
5
中性子回折による残留応力測定の原理
ひずみ無し
ひずみ有り
回折強度：Ｉ
Braggの法則
λ= ２ｄ sinθ
λ：波長
ｄ：格子面間隔
θ：回折角度
格子ひずみ:εa,h,r
ε=Δd/d0 = -cotθ・Δθ
2Δθ
回折角度 : θ
回折プロフィル
残留応力：σa,h,r
ν
E
σ a＝─── （εa + ──── （εa+εh+εr））
（1-2ν）
（1+ν）
a:軸方向 r:半径方向 h:周方向
6
中性子回折による３軸方向ひずみの測定
半径方向ひずみ
入射ビーム
回折ビーム
軸方向ひずみ
周方向ひずみ
溶接金属
母材
7
17
中性子回折装置周辺の光学系
8
中性子回折における測定領域
回折角度２θ=90deg，
スリットは円形が理想的
9
18
弾性定数の回折面依存性の評価
引張り試験装置
モノクロメータ
試験片
入射スリット
受光スリット
検出器
L3 Diffractometer
Chalk River Lab.
NRC, Canada
10
ディフラクトメータ
炭素鋼における弾性定数の回折面依存性
格子ひずみ ε (×10-4)
15
10
200
hhl=110,220,211
222
E(200)=182GPa
5
E(hhl)=243GPa
E(222)=268GPa
0
-5
0
50
100
150
200
250
負荷応力 σ (MPa)
縦弾性率の回折面依存性は強く，(222)面の弾性率は
(200)面の弾性率よりも約50%大きい
19
11
弾性定数のKronerモデルによる解析
縦弾性率の実測値 (GPa)
300
×
◇
□
○
250
A2024
Zr-2.5Nb
SUS304
STS410
200
150
100
50
0
0
100
200
300
Kronerモデルにより計算した縦弾性率 (GPa)
Kronerモデルによる弾性率を引張試験で得られたマクロな弾
性率で補正することにより中性子回折の弾性率が把握可能
12
炭素鋼突合せ溶接継ぎ手の残留応力
原子炉
モノクロメータ
測定試料
(4B管突合せ溶接)
入射
スリット
受光
スリット
ｺﾞﾆｵﾒｰﾀ
(X-Z-3軸)
ディフラクトメータ
20
L3 Diffractometer
Chalk River Lab.
NRC, Canada
13
炭素鋼突合せ溶接部周辺の残留応力分布
周方向
30
軸方向
30
溶接金属中央からの距離（ｍｍ）
-50
半径方向
30
0
25
25
25
0
20
-50
20
0
20
0
15
15
内面溶接熱影響部の
軸方向残留応力は
50MPa以上の引張り
応力
15
50
50
10
10
10
0
-150
100
-100
150
5
50
5
0
5
-50
200
0
0
2
4
6
0
0
2
周方向応力は溶接部
で引張り応力
50
0
100
4
6
0
0
2
4
6
外面からの距離（ｍｍ）
14
各種測定法による残留応力測定結果の比較
残留応力（ＭＰａ）
100
0
-100
-200
中性子回折
Ｘ線回折
ひずみゲージ
-300
-400
-20
0
20
40
60
80
溶接金属中央からの距離（ｍｍ）
中性子，Ｘ線，ひずみゲージ法の測定値はよく一致
21
15
ソケット溶接継ぎ手の残留応力
1.5
のど厚
(厚い)
5.7
4.7
100
4.7
36.5
236.5
配管
19.4
27.2
27.7
ソケット
39.0
のど厚
(薄い)
配管
5.7
ソケット溶接継ぎ手の外観写真
100
ソケット溶接継ぎ手の寸法形状
16
ソケット溶接継ぎ手の残留応力測定
原子炉
モノクロメータ
ソケット
溶接継手
入射スリット
測定試料はアルミ製の
治具に取付け
治具はX-Z-３軸ゴニオ
メータに載せてＰＣ制御
により自動測定
回折スリット
L3 Diffractometer
Chalk River Lab.
NRC, Canada
ゴニオメータ
(X-Z-w３軸)
ディフラクトメータ
17
22
ソケット溶接継ぎ手における残留応力分布
0.5 mm
溶接金属
①
②
③
⑦ ⑥④
⑧
⑤
200
残留応力 (MPa)
3.9 mm
5.65 mm
配管
ソケット
100
外径 : 27.2 mm
残留応力測定位置
0
方向
方向
軸
軸
半径
半径
周
周
-100
-200
溶接まま SR熱処理
ＳＲ処理
溶接まま
・溶接ルート部に高い
引張り残留応力
・SRにより残留応力は
３０MPa以下に減少
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧
測定位置
溶接部の残留応力分布
18
中性子回折と有限要素法および固有ひずみ法
による残留応力の比較
軸方向残留応力 r (MPa)
300
中性子回折
FEM解析
固有ひずみ法
疲労試験
による
残留応力
推定値
200
④：溶接ルート部
100
④
②
0
③
⑥
⑤
①
-100
0
⑦
2
4
6
8
10
測定位置 d (mm)
23
⑧
12
14
19
JRR-3に設置した残留応力測定装置(RESA)
位置
敏感型
検出器
中性子導管
モノクロメータ
測定試料
入射
スリット
回折
スリット
ゴニオメータ
ディフラクトメータ
20
曲げ塑性変形させた炭素鋼板における残留応力
120
接線方向残留応力 (MPa)
80
80
40
00
曲げ塑性変形させた炭素鋼板
-40
40
-80
80
-120
120
-160
160
0
2
4
6
8
35
30
25
20
20
15
15
1010
板厚方向 (mm)
接線方向残留応力の板幅方向分布
24
板厚方向における接線
方向残留応力は
引張-圧縮-引張-圧縮
の典型的な分布
21
ショットピーニングしたWasploy合金における
残留応力の深さ方向における分布
400
Wasploy
sy=1200MPa
残留応力 (MPa)
200
0
-200
-400
-600
面内応力
法線応力
-800
-1000
-1200
0
1
2
3
4
表面からの深さ (mm)
応力勾配のきつい表面層の応力分布も測定可能
22
き裂進展に伴う残留応力の再分布
軸方向残留応力 (MPa)
400
中性子回折
FEM解析
200
0
-200
き裂
-400
0
2
4
6
8
外面からの距離 (mm)
突合せ溶接配管熱影響部のき裂進展に伴う
軸方向残留応力の再分布挙動
25
23
厚肉大径管における残留応力
鈴木裕士(JAEA)
目的
・き裂導入による残留応力変化の実測
・補修溶接による残留応力変化の実測
試料サイズ：500mmx760mmx28mm
材質：SUS304ステンレス鋼
回折面：311(2q=95deg)
軸方向残留応力 (MPa)
400
溶接状態
模擬き裂導入後
補修溶接後
300
200
RESA1における測定状況
外面
45
44
41
38
35
32
29
26
23
20
17
14
12
10
8
6
100
0
‐ 100
‐ 200
46
42
39
36
33
30
28
25
22
19
16
4
2
内面
0
5
10
15
20
25
13
11
9
7
5
3
43
40
37
34
31
27
24
21
18
15
47
46
Repair weld
模擬き裂
10
1
13
11
9
7
5
3
43
40
37
34
31
27
24
21
18
15
47
10
12.5
模擬き裂
外表面からの距離 (mm)
45
44
42
41
39
38
36
35
33
32
30
29
28
26
25
23
22
20
19
17
14
16
12
10
8
6
4
2
1
模擬補修溶接
中性子回折法は大型構造物の応力測定も可能
24
アルミ合金製エンジンブロックの残留応力測定
目的：粗大結晶で，集合組織が強いアルミ
合金の残留応力測定技術の確立
シリンダ隔壁

8.2mm
回折ビーム
r
z
#1 #2 #3 #4 #5
入射ビーム
r，方向ひずみの測定領域
1500cc級エンジンブロック
モノクロメーター
入射スリット
検出器
ーム
子ビ
中性
残留応力 σ (MPa)
150
周方向応力
近似式
100
50
0
-50
-100
m
0m
50
表面の残留応力：-131～-142MPa
-150
-4
エンジンブロック
-2
0
2
シリンダ壁中央からの距離, mm
4
入射側縦方向ラジアルコリメータ
の開発と試料揺動法により実現
ゴニオメーター
残留ひずみの測定状況
26
25
研究炉JRR-3に設置された中性子応力測定装置
角度分散型回折装置
RESA-1
RESA-2
30台の実験装置 26
JRR-3 ガイドホール
パルス中性子源による測定
回折強度
y I (counts)
140
120
100
80
60
入射ビーム
40
20
0
0.6
0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
格子定数 d (Å)
2.0
検出器
Q⊥
スリット
Q∥
検出器
測定試料
・多数の回折面を
同時に測定
・２方向のひずみ
を同時に測定
ライアル
コリメータ
ビームストッパ
ゲージ
体積
ラジアル
コリメータ
飛行時間法(ＴＯＦ:Time of Flight)の光学系
27
27
J-PARC/MLF BL19 「匠」の外観
ラジアルコリメータ
＋90deg検出器
入射スリット
－90deg検出器
試料テーブル
引張試験機
大型試料台(耐荷重：800kg)を整備
28
まとめ
中性子回折では侵入深さが大きいため，構造物内部の
残留応力測定が可能である
ただし，無ひずみ状態での格子面間隔d0を正確に
評価することが必要である
厚肉部材を測定する場合には，パスを短くするために
開口部を設けるなどの工夫が必要である
1～2mm程度の表面層の残留応力の測定も可能である
測定対象によりJ-PARC/MLF BL19「匠」とJRR-3の
RESA-1,-2を使い分けるべきである
29
28
高分解能EBSDパターンを用いた
引張り試験片中の歪解析
鈴木清一
株式会社 TSL ソリューションズ
EBSD 法とは
SEM中の試料
蛍光スクリーンに映った
EBSDパターン
EBSD(Electron BackScatter diffraction Pattern)法は、SEM中で大きく傾斜し
た試料上で電子線を止め、そこから得られる菊池パターンを解析することにより、
その点の結晶方位を求める手法である。この測定を連続的に行うことで、方位マッ
ピングや極点図等のデータに加工し解析することで材料の組織構造を知ることが
可能となる。
29
EBSDパターンの発生
電子線は円錐状に回折面を作るので、スクリーンに投影されるバンドは双曲線となる。
EBSDは実格子を反映したパターンである。
EBSP 法におけるデータ処理
パターンの取込
Hough変換
EBSP法では、得られたEBSDパ
ターンからバンドを検出し、予め与
えられた結晶系データと比較する
ことにより指数/方位を決める。
バンドの指数付け/ 結晶方位の計算
30
バンドの検出
OIM map による組織観察・解析
IF鋼 50% 圧延材の観察例
IPF map (RD)
KAM map
Taylor Factor map
方位を表現する試料の方向を
指定する。
Max Angle 5゜
RD 方向を圧延方
向として計算
EBSDパターンによる弾性歪みの測定
EBSDパターンを結晶方位マップとは全く異なる分野で利用する方法である。
1990年代前半に、
Angus Wilkinson博士 (Oxford 大学)
David Dingley 博士 (Bristol大学)
らにより提唱された手法である。
EBSDパターンは、結晶格子を直接投影したパター
ンであり、結晶格子が歪めば、そのパターンも比例
的に歪むことを利用し、弾性歪を解析する。現状は
参照パターンと相互相関関数を使用し、比較するこ
とで微小な変化を検出している。最大の特徴は歪を
テンソルとして測定できることである。
実際には変化量は非常に小さく、 ~10‐4 から 10‐3 の弾性歪でスクリーン
上のパターンは~ 5 から 50 mの変化することになる。
31
格子の変化による EBSD パターンの変化
0.001 (0.1% )の格子歪みを考える。 (112 晶帯軸に垂直な方向を仮定).
これは大半の金属材料の降伏応力に相当している。
0.1% 変化すると
<111>
<111>晶帯軸と<001> 晶帯軸の変化
=0.027 度あるいは 4.7*10-4 ラジアン
<112>
バンド幅の変化 =0.1%
<111>
このバンド幅から0.1%の変化を検出する
ことは期待できない。
ROI の設定による移動量の検出
32

EBSDパターン上に4つ以上
のROIを設定し、それぞれ
のROIで変位量を検出する。

参照パターンに対するこの
ROIの移動量を相互相関
関数をもちいて検出する。
歪によるパターン全体の変化
zqx –yqz = (yz[ ‐ ] +xz + z2 – xy  y )
zqy –xqz = (xy[ ‐ ] +yz + z2 – x2  xz) xyz はr ベクトルの成分
– 結晶方位に対応させると処理しやすい。
この2つの方程式には8つの未知数が
あるので4つの晶帯軸の変位を測定
する必要がある。
q1
測定する晶帯軸のうち3つの晶帯軸が
同一結晶面を共有することのないよう
に選択する必要がある。
q2
q3
これにより       [ –] [ – ] を得ることができる。
q5
q6
q4
さらに試料表面の応力(σ33)は0となるという境界
条件を設定し [ –] と [ – ]を分離する。
ビームシフトによる移動量検出の実験
‐143 microns
….
0 microns
Specimen
試料上を一定の間隔でビー
ムを移動しながらEBSDパター
ンを収集する。このパターン
は傾向スクリーン上を正確に
同じ量だけ移動する。
+143 microns
33
ビームシフトによる移動量検出の実験
ビームの移動に対して非常
に対応関係の良いパターン
の移動量を検出している。
Pattern Shift (pixels)
3
2
1
0
-150
-100
-50
0
50
100
150
Beam Displacement (µm)
-1
-2
ばらつきは１つのパター
ン上の各ROI での移動量
検出のばらつきである。
-3
対称部分と非対称部分の分離
 u1

 x1
 u
A  2
 x1
 u3
 x
 1
u1
x2
u2
x2
u3
x2
u1 

x3    
13 
11
12

u2  




  21 22 23 
x3  

u3    31  32  33 
x3 
得られたテンソルAは対称部分と非対称部分に分離できる。非対称部分は回
転成分を表し、対称部分は歪を現す。この分離は、 Aの転置行列ATを使用し、
次の式で表される。
A = ½ (A + AT) + ½ (A ‐ AT) = e + w
対称部分
非対称部分
34
歪テンソル
x2
 A = ½ (A + AT) + ½ (A ‐ AT) = e + w
対称部分
歪
非対称部分
回転
x1
 歪みテンソル : e

u1

x1

1  u

u 
e  2  1 
 2  x1 x2 
 

 1  u3  u1 
 2 x x
3
  1
e22
1  u1 u2 



2  x2 x1 
u2
x2
1  u3 u2 



2  x2 x3 
1  u1 u3  



2  x3 x1  
1  u2 u3  



2  x3 x2  

u3


x3

x2
x3
e23= e32
x1
 e11 e12 e13 


e   e12 e22 e23 

e e
 13 23 e33 
x3
剛体回転

A = ½ (A + AT) + ½ (A ‐ AT) = e + w
対称部分
歪

非対称部分
回転
回転テンソル: w


0

  u u 
1
w   2  1 
 2  x1 x2 
 

 1  u3  u1 
 2 x x
3
  1
w12
 0

w    w12
0
 w  w
23
 13
x2
1  u1 u2  1  u1 u3  

 



2  x2 x1  2  x3 x1  

1  u2 u3  

0


2  x3 x2  

1  u3 u2 


0



2  x2 x3 

w13 

w23 
0 
35
w31
w23 x1
w12
x3
歪分布測定の検証
Si(001) ウェハー上に打ったバーコピッチ痕周辺の歪分布を測定。
IQ + IPF(ND)
SEM 像と測定領域(70゜傾斜状態)
2
15ｋV
Scan Area ： 7.5 x 12 m
Step Size : 0.3m
座標系
3
1
紙面に垂直手前方向が３。
垂直歪成分の分布
E11 成分
E22 成分
36
E33 成分
せん断歪成分の分布
E12 成分
E23 成分
E31 成分
回転成分の分布
W12 成分
W23 成分
37
W31 成分
Micro-indents 周りの歪分布 (拡大測定)
IQ + IPF(ND)
SEM 像と測定領域(70゜傾斜状態)
Crystal Direction
15ｋV
Scan Area ： 4.0 x 10.0 m
Step Size : 0.1m
垂直歪成分の分布
E11 成分
E22 成分
38
E33 成分
せん断歪成分の分布
E12 成分
E23 成分
E31 成分
回転成分の分布
W12 成分
W23 成分
39
W31 成分
垂直歪成分の分布の詳細
E11 Normal Strain をスケールを変えて表示
Max: 0.02
Max: 0.01
Max: 0.005
Max: 0.002
亀裂先端の格子歪の状況が良く分かる。
EBSD 用In‐Situ 試料引張試験装置
を用いた歪測定例
本試験に用いた引張試験機
測定条件
加速電圧:
測定倍率:
試料傾斜角: 測定領域: Step Size :
15kV
x600
60゜
140 x120 m
1.0 m
最大荷重1000N
40
引張試験用試料
試料:
SUS304 強圧延材
1200℃ 24h annealing
試料厚さ: 0.5mm
平行部: 2mm
• 平行部1.2mm と 2mm の部分の断面積0.6 : 1.0 しかなく、この2か所
の伸びが重なった荷重‐変位曲線となる可能性がある。
変位‐荷重曲線
•
•
チャック部に試料をなじませるため、弾性領域で荷重の負荷。除荷を行っている。
試験機の変形分が変位に含まれる。
41
参照点(Reference) の設定
参照点のパターンは、負荷0N
の時のものに置き換えて計算。
黒点で示したところが参照点
Effective camera length 40.5m
Schmid factor map
42
IPF map (ND)
OIM による組織変化を示すmap
0N
58 N
96 N
136 N
KAM map
Max. Misorietation: 3゜
GROD map
Max. Misorietation: 4゜
Elastic Strain (垂直成分の変化)
0N
15N
18N
58N
E11
E22
E33
43
96N
136N
Elastic Strain (せん断成分の変化)
0N
15N
18N
58N
96N
136N
E12
E23
E31
Rotation Angle
0N
15N
18N
58N
E11
E22
E33
44
96N
136N
KAM map の比較
0N
58 N
96 N
136 N
KAM map
Max. Misorietation: 3゜
3゜
HR KAM map
0゜
0゜
0.8゜
KAM map の比較
OIM KAM map
0゜
HR KAM map
0゜
0.8゜
45
0.8゜
SEM像とKAM map の比較
SEM像で見られるすべり線と方位変化による
(塑性)歪とはほとんど関係が無いようである。
OIM KAM map
転位密度の推測
Total GND
Total Edge
Total Screw
46
HR KAM map
KAM map とGND map の比較
HR KAM map
0゜
Total GND map
0.8゜
まとめと今後の課題
• EBSDパターンを弾性歪測定は可能である
 現状の1kx1k 程度のカメラを使用した場合には、EBSDパターンの質に
もよるが0.03%程度の弾性歪の検出が可能である。
 測定はあくまでも参照点に対する相対的な値である。
 参照点と数度以上の方位差がある場合は測定が困難。
今後の課題
• 弾性歪量の絶対値測定
キャリブレーション点/ビーム位置検出の精度向上
シミュレーションパターンの高精度化
• 弾性歪と塑性歪の分離
各測定点の剛体回転成分を計算し、それを基に再計算
47
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Kamacite (bcc-FeNi䠅
Taenite (fcc-FeNi)
etc.
Ni-rich┦䠄25-40䠂䠅⛬ᗘ
᩿㠃SEMീ
21
30
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Structures 46 (2009) 1095–1104>ᙧ≧ຠᯝ䛿኱䛝䛟䛶10%⛬ᗘ
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Schindler (c. 1888) From Wikipedia
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Nix & Gao (1998)
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H H0
1 h* h
Citation=1509㻌䠄Sep, 2014)
Ref.: W.D. Nix and H. Gao, J. Mech. Phys. Solids, 46 (1998) 411.
Ref.: W.D. Nix and H. Gao, J. Mech. Phys. Solids, 46 (1998) 411.
Nix-Gao䝰䝕䝹
Indentation size effect (ISE)䜢䛂ᗄఱᏛⓗ䛻ᚲせ䛺㌿఩䛃䛾䝁䞁䝉䝥䝖䜢ᑟධ䛧䛶ㄝ᫂
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54
Fe-Cr஧ඖ⣔ྜ㔠䛻䛚䛡䜛Hv-H0 ┦㛵
For Fe-Cr alloys,
Hv0.1 [GPa] = 0.8 x H0 [GPa]
Hv [kgf/mm2] = 0.8 x H0 /0.0108
Pile
up effect is a possible reason of
᏶඲䛻୍⮴䛧䛺䛔䛾䛿䚸䝟䜲䝹䜰䝑䝥䛸
the
difference between Hv and H0.
㛵ಀ䛧䛶䛔䜛䚹
Hv- [GPa] = 0.0108 x Hv [kgf/mm2]
(unit change) x (surface
area→projected area)
非公開
R. Kasada, K. Sato, Y. Sakamoto, K. Yabuuchi, A. Kimura, to be submitted.
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55
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a) Indentation system factors
b) Surface preparation factors
a-1) System compliance
b-1) Surface roughness
a-2) Tip rounding
a-3) Tapping (CSM)
a-4) Tip configuration
a-5) Determination of touch-down
b-2) Residual hardened layer
d-1) Pile-up effect (PUE)
Indentor-tip
c) Microstructural complexity
factors
c-1) Boundaries
c-2) Inhomogeneity
d-2) Indentation size effect (ISE)
e-1) Damage gradient effect (DGE)
e-2) Softer substrate effect (SSE)
e-3) Implanted-ion effect (IIE)
e) Ion-irradiation-specific factors
d) Indented material factors
Nix-Gao䝰䝕䝹䛸」ྜ◳䛥䝰䝕䝹䛻ᇶ䛵䛟
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H0irr
H0unirr
Unirradiated Substrate Effect
Indentation Size Effect
Fe-1.4Mn
Fe-1.4Mn
H0 (unirr.) =1.62 㼼0.21GPa
H0 (irr.) = 5.43 㼼 0.12GPa
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R. Kasada, at al., FED, 2011.
56
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H 0 ( h)
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H ( h) h d (1 / h)
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R. Kasada,
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1 MeV H+ ions
K. Yabuuchi, Y. Kuribayashi, S. Nogami, R. Kasada, A. Hasegawa, “Evaluation of irradiation
hardening of proton irradiated stainless steels by nanoindentation” Journal of Nuclear
Materials 446 (2014) 142–147
57
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T. Miyazawa, T. Nagasaka, R. Kasada, et al., J. Nucl. Mater. 455 (2014) 440–444.
Oliver-Pharr’s unloading method
P
Pmax
indenter
a
h
loading
Load, P
initial surface
hf
hs
I
hc
S=
unloaded
hf hs
loaded
B h hf Pmax
H
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P
m
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S
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unloading
0.179 E 1 h *
hc
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dh
hmax
Displacement, h
c
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14
11
128
C8hc
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59
From Nanoindentation to Ultra-Small
Testing Technology (USTT)
ex) Micro-Cantilever Bending Test
F82H
10000
9000
8000
Bending stress (MPa)
7000
6000
5000
4000
3000
σyҸ2GPa
2000
1000
0
0
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
Bending strain
Micro-pillar, Micro-scratch, In-situ testing in TEM/SEM and so on...
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Thank you for your attention!
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T. Miyazawa, T. Nagasaka, R. Kasada, Y. Hishinuma, T. Muroga, H. Watanabe, T. Yamamoto, S. Nogami, M. Hatakeyama,
“Evaluation of irradiation hardening of ion-irradiated V–4Cr–4Ti and V–4Cr–4Ti–0.15Y alloys by nanoindentation
techniques”, J. Nucl. Mater. 455 (2014) 440–444.
R. Kasada, S. Konishi, K. Yabuuchi, S. Nogami, M. Ando, D. Hamaguchi, H. Tanigawa, “Depth-dependent
nanoindentation hardness of reduced-activation ferritic steels after MeV Fe-ion irradiation“, Fusion Engineering and
Design 89 (2014) 1637–1641.
D. Mori, R. Kasada, S. Konishi, Y. Morizono, K. Hokamoto, “Underwater explosive welding of tungsten to reducedactivation ferritic steel F82H“, Fusion Engineering and Design 89 (2014) 1086-1090.
K. Yabuuchi, Y. Kuribayashi, S. Nogami, R. Kasada, A. Hasegawa, “Evaluation of irradiation hardening of proton
irradiated stainless steels by nanoindentation” Journal of Nuclear Materials 446 (2014) 142–147.
Y. Takayama, R. Kasada, Y. Sakamoto, K. Yabuuchi, A. Kimura, M. Ando, D. Hamaguchi, H. Tanigawa, “Nanoindentation
hardness and its extrapolation to bulk-equivalent hardness of F82H steels after single- and dual-ion beam irradiation”,
Journal of Nuclear Materials 442 (2013) S23-S27.
Y. Himei, K. Yabuuchi, R. Kasada, (...), S. Nogami, A. Kimura, “Ion-irradiation hardening of brazed joints of tungsten and
oxide dispersion strengthened (ODS) ferritic steel”, Materials Transactions 54 (2013) 446-450.
S. Noh, B. Kim, R. Kasada, A. Kimura, “Diffusion bonding between ODS ferritic steel and F82H steel for fusion
applications”, Journal of Nuclear Materials 426 (2012) 208-213.
N. Oono, R. Kasada, T. Higuchi, (...),H. Matsui, A. Kimura, “Radiation hardening and microstructure evolution of ionirradiated Zr-hydride”, Journal of Nuclear Materials 419 (2011) 366-370.
K. Yabuuchi, H. Yano, R. Kasada, H. Kishimoto, A. Kimura, “Dose dependence of irradiation hardening of binary ferritic
alloys irradiated with Fe3+ ions”, Journal of Nuclear Materials 417 (201) 988-991.
R. Kasada, Y. Takayama, K. Yabuuchi, A. Kimura, “A new approach to evaluate irradiation hardening of ion-irradiated
ferritic alloys by nano-indentation techniques ”, Fusion Engineering and Design 86 (2011) 2658-2661.
非公開
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61
Ⅲ.
第 6 回材料部会奨励賞受賞者のよろこびのことば
材料部会奨励賞選考会議による審査の結果、第 6 回材料部会奨励賞に、京都大学エネルギー理工
学研究所の諸煥日氏と、核融合科学研究所の宮澤健氏、日本原子力研究開発機構の渡辺淑之
氏が選考されました。表彰式は、2014 年度秋の大会材料部会第 29 回総会（2014 年 9 月 10 日
12：00～13：00、京都大学吉田キャンパス）において執り行われました。
受賞題目：耐照射性バナジウム合金の機械特性と照射特性に関する研究
核融合科学研究所
宮澤
健
この度はこのような名誉ある賞を頂き、誠にありがとうござい
ました。材料研究に携わり始めて５年程度の若輩者ではございま
すが、今後の更なる発展性を評価頂けたものと存じています。受
賞者の名に恥じぬよう、更に材料研究に精進していく所存でござ
います。
本研究は、
核融合炉用ブランケット構造材料の開発を対象とし、
その候補材の一つである低放射化バナジウム合金(以後、
V-4Cr-4Ti)の開発と照射硬化評価手法の高度化です。V-4Cr-4Ti
は窒素(N)、酸素(O)の混入によって硬化・脆化を招くことから、高純度化と不純物の状態制御に
よって脆化を抑制することが重要です。そこで、O との化学的親和力が Ti よりも強いイットリウ
ム(Y)を添加し、母相の O をさらに低減した V-4Cr-4Ti-0.15Y が開発されました。そこで私は、レ
ビテーション溶解とアーク溶解を駆使して様々な N と O を含む V-4Cr-4Ti-0.15Y 合金を作製し、
照射・非照射の機械特性を評価することにより、構造材料としての適用性及び Y 添加の効果を明
らかにしました。照射試験においては、中性子照射・重イオン照射実験を併用して幅広い照射条
件での効果を求めました。また、重イオン照射で中性子照射相当の照射硬化を求めるための新し
い評価手法の開発にも取り組んできました。V-4Cr-4Ti は高温強度に優れていることから、先進
材料として位置付けられています。V-4Cr-4Ti の母相である V の一部をタンタル(Ta)で置換する
ことで、飛躍的に高温強度が向上することが明らかになりつつあります。V-4Cr-4Ti がより魅力
的な構造材料になるよう研究に励んでいます。
震災から４年経った現在においても福島事故による課題は多く残っています。放射性廃棄物の
処理はその一つです。低放射化材料の開発は、放射性廃棄物の低減と再利用を可能にさせること
で循環型のエネルギーシステムの構築であると存じています。本材料の開発によって、微力なが
らも原子力技術に貢献できればと願っております。
最後になりましたが、本受賞は総合研究大学院大学５年一貫制博士課程においての研究成果で
す。指導教員でありました核融合科学研究所長坂琢也准教授、菱沼良光准教授、室賀健夫
教授をはじめ、多くの先生方のご指導の賜物であります。この場を借りて、改めて感謝申し上げ
ます。
62
受賞題目：SiC の照射下ミクロ構造変化のマルチスケールモデリング
日本原子力研究開発機構渡辺淑之
このたびは、第 6 回材料部会奨励賞を受賞できたことを大変光栄に
思います。これも本研究に様々なかたちでご協力いただいた皆様のお
かげであり、心より深く感謝申し上げます。今後もご指導ご鞭撻のほ
どよろしくお願いいたします。
本研究は、SiC 材料の照射効果を対象とし、代表的な照射欠陥であ
る自己格子間原子集合体、空孔集合体の形成挙動を機構論に基づいて
モデル化するための手法開発を目的としたものです。欠陥集合体形成
のモデル化にあたっては、核生成現象の正確な記述が不可欠となりま
すが、従来の材料照射モデリング研究では、集合体の臨界核サイズを
人為的に定義するなど、解析結果に重大な影響を及ぼしかねない曖昧なモデルが繰り返し採用さ
れてきました。本研究では、このような物理的曖昧さを排除すべく、集合体の臨界核を欠陥エネ
ルギー論に基づいて定義する手法を考案し、集合体形成モデルの高度化を試みました。具体的に
は、まず、詳細な分子動力学計算結果と連続体モデルに基づいて記述した理論式を相補的に活用
することで、これまで限定的な情報しか存在しなかった SiC の欠陥エネルギー論を、集合体のサ
イズと化学組成比の関数として系統的に明らかにしています。続いて、取得したエネルギー情報
を基に、集合体形成のカイネティクス評価を行いました。ここでは、核生成現象の表現に必要と
なる統計的ゆらぎの効果を導入するべく、モンテカルロ法を用いて独自のカイネティックモデル
を構築しています。反応速度論解析とも連携した幅広い照射条件での解析結果から、SiC におけ
る欠陥集合体形成挙動は、臨界核サイズの議論に加え、集合体の化学量論組成にも大きく依存す
ることを見出し、その形成メカニズムを明らかにしました。
本研究は、未解明の物理現象の要因をよりミクロなレベルに求め、各種解析手法を有機的に組
み合わせることで現象の機構論的理解を得ようとする、いわゆるマルチスケールモデリングの実
証例です。こうしたモデル化研究の高度化は、従来の評価モデルから物理的曖昧さを排除し、予
測性を向上させます。核エネルギーシステムの安全設計や保全の高度化がこれまで以上に求めら
れている昨今では、システム内で使用される機器材料の寿命を幅広い条件下で精度良く予測して
おく必要があり、機構論に立脚して得られた知見を十分に取り込んだ評価モデルの開発がますま
す重要になってくると考えます。本受賞を励みとし、今後も微力ながら、材料照射モデリング研
究の発展、さらには核エネルギーシステムの安全性向上の実現に向けた技術開発に貢献できるよ
う研究に精進してまいります。
63
Ⅳ.
関連する国際会議のリスト
(1) TMS 2016 145th Annual Meeting & Exhibition
会期：February 14 – 18, 2016
場所：Nashville, Tennessee, USA
ホームページ：http://www.tms.org/meetings/annual-16/AM16home.aspx
申込締切：未定
TMS の定期大会で，広範な材料，現象の研究成果が報告される会議です。
(2) 40th International Conference and Expo on Advanced Ceramics and Composites (ICACC ’16)
会期：January 24-29, 2016
場所：Daytona Beach, FL, USA
ホームページ： http://ceramics.org/meetings/acers-meetings
申込締切：July, 2016
セラミックス及びセラミックス複合材料に関する最新成果が報告される国際会議です。最近では、事
故耐性燃料の被覆管材料に関するセッションが設けられております。
(3) 2015 MRS Fall Meeting & Exhibit
会期：November 29 – December 4, 2015
場所：Boston , Massachusetts, USA
申込締切：June 18, 2015
ホームページ：http://www.mrs.org/fall2015/
米国材料学会主催の定期大会という位置付けで、年に 2 回北米で開催（春：西海岸、秋：ボストン）
される会合で、米国外からの研究者も多く参加する会議です。
(4) The Ninth International Conference on High-Performance Ceramics
会期：November 4 – 7, 2015
場所：Guilin, China
ホームページ：http://www.ccs-cicc.com/CICC-9/EN/index.html
申込締切：June 1, 2015
中国セラミックス協会主催のセラミックス材料の国際会議で、今回は次世代原子力エネルギー用セラ
ミックスに関するワークショップが開催されます。
64
(5) 17th International Conference on Fusion Reactor Materials (ICFRM-17)
会期：October 12-16, 2015
場所：Eurogress Aachen, Germany
ホームページ：http://www.fz-juelich.de/conferences/ICFRM2015/EN/Home/home_node.html
申込締切：受付終了
核融合炉材料をテーマに、材料製造技術や照射効果等に関する最新成果が報告される国際会議です。
(6) "Materials Issues in Nuclear Waste Management in the 21st Century" at MS&T15
会期：October 4-8, 2015
場所：Greater Columbus Convention Center, Columbus, OH, USA
ホームページ：http://matscitech.org/program/technical-program/energy-issues/
申込締切：March 31, 2015
ACerS、AIST、ASM、TMS が主催する材料科学技術会合において、核廃棄物管理に係る材料課題が
議論されます。
(7) 12th International Symposium on Fusion Nuclear Technology
会期：September 14-18, 2015
場所：Jeju Island, South Korea
ホームページ：http://www.isfnt-12.org/
申込締切：受付終了
核融合技術に焦点を絞った国際会議ではあるが、炉工学に関する材料課題も多く議論される会議です。
(8) TopFuel 2015
会期：September 13-17, 2015
場所：Zurich, Switzerland
ホームページ：https://euronuclear.org/events/topfuel/topfuel2015/index.htm
申込締切：受付終了
軽水炉燃料に関する国際会議であるが、被覆管に関する材料課題も多く議論される会議です。最近で
は事故耐性燃料被覆管の開発に関する材料課題の報告もあります。
65
(9) 11th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies
会期：August 30-September 4, 2015
場所：Jeju Island, South Korea
ホームページ：http://www.pacrim11.org/
申込締切：受付終了
1993 年より開始された環太平洋地区のエンジニアリングセラミックスに関する情報交換を目的とし
た国際会議です。
(10) 17th International Conference on Environmental Degradation of Materials in Nuclear Power
Systems - Water Reactors ENVDEG 2015
会期：August 9-13, 2015
場所：Ottawa, Ontario, Canada
ホームページ： http://www.envdeg2015.org/envdeg2015_html/envdeg2015_home.html
申込締切：受付終了
軽水炉材料に関する国際会議で、材料劣化及び損傷、照射効果、水化学等に関する最新成果が報告さ
れます。
(11) 2015 ASME Pressure Vessels & Piping Conference (PVP)
会期：July 19-24, 2015
場所：Boston Park Plaza, USA
ホームページ：http://www.asmeconferences.org/PVP2015/
申込締切：受付終了
米国機会学会（ASME）が主催する圧力容器と配管に関する実質的な国際学会です。
(12) 11th CMCEE - 11th International Symposium on Ceramic Materials and Components for
Energy and Environmental Applications
会期：June 14-19, 2015
場所：Vancouver, Canada
ホームページ：
http://ceramics.org/meetings/11th-international-symposium-on-ceramic-materials-and-component
s-for-energy-and-environmental-applications
申込締切：受付終了
米国セラミックス協会主催の国際会議で、主にエネルギー材料としてのセラミックスの研究開発に関
する最新成果が報告されます。
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(13) 2015 ANS Annual Meeting
会期：June 7-11, 2015
場所：San Antonio, USA
ホームページ：http://www.ans.org/meetings/c_1
申込締切：受付終了
米国原子力学会（ANS）が主催する次世代炉向けの燃料材料、構造材料に関する国際学会です。
(14) ICONE 2015 - The 23rd International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-23)
会期：May 17-21, 2015
場所：Chiba, Japan
ホームページ：http://www.icone23.org/
申込締切：受付終了
日本機械学会（JSME）、米国機械学会（ASME）、中国核学会（CNS）が共催する原子力工学に関す
る国際会議です。
(15) 2015 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP '15)
会期：May 3-6, 2015
場所：Acropolis Congress Center, Nice, France
ホームページ： https://www.sfen.fr/ICAPP
申込締切：受付終了
原子力発電プラントの進歩に関する国際会議で、軽水炉や高速増殖炉等の原子炉と関連する燃料サイ
クル、燃料材料等の研究開発に関する最新成果が報告されます。
(16) 2015 MRS Spring Meeting & Exhibit
会期：April 6-10, 2015
場所：San Francisco, California
ホームページ：http://www.mrs.org/spring-2015-technical-sessions/
申込締切：受付終了
米国材料学会主催の定期大会という位置付けで、年に 2 回北米で開催（春：西海岸、秋：ボストン）
される会合で、米国外からの研究者も多く参加する会議です。
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Ⅴ.
運営委員会委員名簿
部会長
長谷川晃（東北大学）
副部会長
福谷耕司（原子力安全システム研究所）
財務小委員長
金田潤也（日立 GE ニュークリア・エナジー）
編集小委員長
鹿野文寿（東芝）
編集小委員会委員
宮本光貴（島根大学）
広報小委員長
佐藤智徳（日本原子力研究開発機構）
広報小委員会委員
大野直子（北海道大学）
国内学術小委員長
永江勇二（日本原子力研究開発機構）
国内学術小委員会委員
岸本弘立（室蘭工業大学）
国際学術小委員長
野沢貴史（日本原子力研究開発機構）
国際学術小委員会委員
野本明義（電力中央研究所）
庶務幹事
檜木達也（京都大学）
庶務幹事
山県一郎（日本原子力研究開発機構）
庶務幹事
藪内聖皓（京都大学）
庶務幹事
高橋克仁（日立製作所）
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Ⅵ.
寄稿のお願い
材料部会では、部会員の皆さまのご寄稿を歓迎いたします。原子力関連材料についての最近の
研究や研究機関・施設・研究会の紹介、会議の案内や報告、国際交流など、気楽に話題提供をお
願いいたします。以下の電子メールアドレスあるいはお近くの運営委員までご連絡ください。
○材料部会運営委員会宛メールアドレス
[email protected]
Ⅶ.
編集後記
材料部会報を発行にあたり、さまざまな先生方のご支援に感謝いたします。J.N.M については
室賀先生の、熱い思いが伝わる原稿をいただきました。ミクロ分析特集では、福谷副部会長の尽
力でお集まりいただいた先生方の、最先端の分析技術についてお伝えできたのではないかと思っ
ております。若手の方々からも意気込みを感じる投稿をいただけました。今後も材料部会の高い
アクティビティを報告していきたいと思います。
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