平成 26 年度 修 士 論 文 要 旨 機械プロセス・エネルギー工学領域 6625032 田辺 晃弘 Cu を添加した Al-Mg-Zn 系鋳造合金の強度特性 1 緒言 現在,AC7A を母材とし Zn 添加と熱処理にて強 度特性を改善したホイール向け Al-Mg-Zn 系合金 の開発が行われている(1).ホイールは繰返荷重のか かる部材であるが,開発材の疲労強度は従来材に 比べ劣っており(2),疲労強度向上が課題である.こ こで合金成分である Mg は粒界強度低下因子であ ることから(3),Mg 添加量の削減による疲労強度の 向上を検討した.Mg 添加量の減少に伴い,強度の 低下(4)や,融点の上昇(5)による鋳造性の低下が想定 される.そこで,Mg 添加量を減らした上で新たに Cu を添加し,強度および鋳造性を維持したまま疲 労強度向上を試みた.一般的に Cu の添加は耐食性 を低下させる(6)ことが知られており,腐食環境下に おける限界強度についても調査した. 2 理論 密度汎関数法に基づく局所密度近似と擬ポテン シャル法を用いたプログラムパッケージ CASTEP による第一原理計算を行った.原子核と内殻電子 の影響についてはウルトラソフト擬ポテンシャル 法(7)で表した.平面波のカットオフエネルギは 400 eV とした.交換相関項の評価には密度勾配展開法 を採用し,Perdew らにより提案(8)されている関数 系を使用した.原子配置の最適化には BFGS 構造 最適化法を用いた.k 点は Monkhorst-Pack(9)のス ペシャルポイントで Al の慣用単位胞を基準に 12 ×12×12 点とした.また,すべての計算は三次元 周期境界条件で行った. 3 解析および実験方法 3.3 供試材 AC7A(Al-4.5wt%Mg)と比較して Mg 添加量を 1.0wt%削減し,Zn を 2.5 および 3.0wt%,Cu を 1.0wt%添加した試料を,各純金属インゴットより 鋳造した.それぞれ Cu-Zn2.5 材,Cu-Zn3.0 材と 表記する.比較材として,AC7A+3.0wt%Zn(Zn3.0 材)および従来材 AC4CH を使用した. 3.4 熱処理条件の検討 Zn3.0 材における,適切な溶体化処理温度は 703 K である(11).材料設計用ソフト Thermo-Calc(12)を 用いて Al-Mg-Zn-Cu 系の四元系状態図を作成し, Zn3.0 材と比較したところ,固相線温度において 50 K の上昇が見られた.このことより,Cu 添加 材の溶体化処理温度を 753 K,時間を 6h に設定し た.処理後,時効硬化処理を施し T6 調質材とした. 時効硬化処理温度は 453 K とし,処理時間 t を 2, 5, 8h の 3 条件に設定した.Zn3.0 材においては既報 (13)を参考に時効硬化処理温度 453 K,処理時間 5h とした. 3.5 引張試験 試験片は JIS Z 2201 14A 号に準拠した標点間距 離 50 mm の形状とした.油圧サーボ式疲労試験機 を用い, 引張速度 0.025 mm/s にて試験を行った. 3.6 疲労試験 油圧サーボ式疲労試験機を用い,室温大気下に て応力比 0.1,繰返速度 10 Hz で 107 回の疲労試験 を行った.試験片寸法は引張試験と同様である. 3.7 水素発生観察 試料に引張負荷を与えた状態にて 1wt%NaCl 水 溶液に浸漬させ,試料表面からの水素発生の様子 を観察し,水素気泡の発生量を比較した.荷重条 件は無負荷および 100 MPa とした. 3.1 Cu 安定位置の検討 3.8 水素脆性試験 Al-Mg-Zn-Cu 系合金中での Cu 安定位置評価の ため,108 個の Al 原子からなる完全結晶を模擬し たモデルを基準とし,偏析を模擬した Mg,Zn お よび Cu 原子を Al 原子と置換した結晶をモデル化 した.これらのモデルを構造最適化することで, 各系のエネルギを求め,安定位置を評価した. 平行部中央に V 字の円周切欠きを有する直径 3.6 mm,切欠底直径 3 mm,平行部長さ 15 mm の ダンベル形試験片を用いた.切欠き部に腐食媒体 として 1wt%NaCl 水溶液 12h ごとに 1 ml 滴下し, 試験時間 720h の定荷重引張試験を行った. 3.2 結晶粒界の解析 結晶粒界および破壊によって生じた自由表面を モデル化した.解析モデルは 48 個の Al 原子から なる粒界,Mg,Zn,Cu のうち 1 つもしくは複数 からなる偏析を模擬した粒界である.これらの粒 界の割れやすさを評価するために,粒界凝集エネ ルギ(10)の評価を行った. 4 結果および考察 4.1 Cu 安定位置 Al 完全結晶中に Mg,Zn,Cu 原子を導入し構造 最適化を行った.Cu 原子が Mg,Zn 両原子と最近 接にある場合,系のエネルギが低く安定であった. これは,Mg,Zn,Cu が粒界付近に相を形成し偏 析するという報告(14)に一致する. 4.2 粒界凝集エネルギ 250 0.2 proof stress 0.2 [ MPa ] いずれのモデルについても,Cu 原子が粒界に存 在する場合,粒界凝集エネルギは高い結果となっ た.このことより,Cu を添加することで粒界強度 が向上し,粒界は割れにくくなると言える. 4.3 引張試験結果 200 150 t[h] 2 100 Fig.1 3 Weight fraction of Zn [ wt% ] 4 100 Cu-Zn3.0 Zn3.0 AC4CH 0 4 5 6 7 10 10 10 10 Number of cycles to failure N [ cycles ] 図 2 に,最大応力で表した S-N 線図を示す.図 中(→)は試験中に破断を起こさなかったことを 示す.107 回の疲労限は,AC4CH では 92 MPa, Zn3.0 材では 70 MPa であった.一方,Cu-Zn3.0 材の疲労限は 92 MPa であった.このことより, Mg 添加量を削減し,Cu を添加したことで疲労限 は向上した.これは,前節で述べた粒界強度の向 上の効果であると考えられる. 0 100 [ MPa ] Cu−Zn3.0 Zn3.0 0.1 0.05 0 0 300 200 100 4.6 水素脆性試験結果 0 0 10 Fig.4 50 100 150 200 250 300 350 Time [ min ] Hydrogen generation test results. Nominal Stress [ MPa ] Fig.3 S-N diagram. 0.15 2 2 Normalized area of bubbles [ m /m ] Fig.2 4.5 水素発生観察結果 図 4 に定荷重引張試験で得られた Cu-Zn3.0 材, Zn3.0 材および AC4CH の負荷応力と破断までの 時間との関係を示す.図中(→)は試験中に破断 を起こさなかったことを示す.Cu-Zn3.0 材,Zn3.0 材は,ともに腐食環境下で強度が低下したが, Cu-Zn3.0 材は 236 MPa の条件で 720 h 経過後も 破断しなかった.このことより,Cu-Zn3.0 材の限 界応力は 236 MPa であり,耐食性は低下するが水 素脆化特性は AC4CH と同程度である.限界応力 が 0.2%耐力の目標値 200 MPa を超えていること から,Cu-Zn3.0 材は腐食環境においても従来材と 同等の設計基準での使用が可能である. 8 200 4.4 疲労試験結果 図 3 に画像処理によって求めた,Cu-Zn3.0 材お よび Zn3.0 材の水素発生に伴う気泡投影面積の時 間変化を示す.Cu-Zn3.0 材は Zn3.0 材に比べ気泡 発生量が多い.この主たる原因は,Cu 添加による 耐食性の低下と考えられる.しかし,荷重負荷時 には両材ともに気泡面積は減少しており,この減 少量は材料内部に吸蔵されたと推察される.両材 の減少量に有意な差は見られないことから,材料 中に吸蔵される量は Cu 添加の有無には影響され ないと推察される. 2 5 𝜎0.2 with respect to Zn addition. Maximum stress max [ MPa ] 図 1 に Cu 添加材における 0.2%耐力と Zn 添加 濃度の関係を示す.AC4CH の引張試験結果であ る 0.2%耐力 200 MPa を目標値とし,図中に基準 線として示す.Zn 添加濃度の低い Cu-Zn2.5 材で はいずれの条件においても目標値を満たさなかっ た.ここで,図は省略するが,引張強さ,破断ひ ずみに関してはいずれの試料においても AC4CH の引張試験結果により決定した目標値 250 MPa, 8%を満たした.これらのことから,Cu-Zn3.0 材に おいて, t = 5h にて時効硬化処理を施すことで AC4CH の代替材とすることが可能である.以降の 試験では,この Cu-Zn3.0 T6-5h のみを試験対象と し,試験を行った. Cu Addtive Cu−Zn3.0 Zn3.0 AC4CH 10 1 2 10 Time [ h ] 10 3 Hydrogen embrittlement test results. 5 結言 Al-Mg-Zn 系鋳造合金より,Mg 添加量を削減し 新たに Cu を添加したことで,粒界強度は向上した. その結果,疲労限が向上し,AC4CH と同等の値を 示した.また,腐食環境における限界強度は AC4CH の 0.2%耐力を超えており,腐食環境下に おいても従来材と同等の基準で使用が可能である. (参考文献省略)
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