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「革新的構造用金属材料創製を目指したヘテロ構造制御に基づく新指導原理の構築」

1.プログラムオフィサー

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 プログラムオフィサー(PO)

 加藤 雅治


 新日鐵住金(株) 顧問 
  専門分野
 構造・機能材料、金属物性・材料




2.技術テーマの概要

 本技術テーマでは、革新的な構造用金属材料の創製のための基盤技術と指導原理の構築のための基礎基盤研究を行い、今後数十年〜百年にわたる我が国の社会基盤の強化と、製造業の国際競争力の維持・強化に資する成果を得ることを目指します。

 本技術テーマでは、金属材料中の様々な不均一性(ヘテロ構造)を積極的に利用することを考えます。そして、強度、延性、じん性、加工性、耐環境性など、構造用金属材料に要請される諸性質の飛躍的な改善、さらには、従来は両立が困難であった複数の機能を同時に向上させるような革新的な材料設計・開発思想を確立することを目指します。今までの金属学、材料工学の知識の延長線上での取り組みを超えた新たな学術的、技術的な指導原理を構築できる独創的な基礎基盤研究を推進します。また、これらの成果が将来的に材料の実用化に貢献できるよう、産業界と研究者との意見交換(「産学共創」)の結果を基礎基盤研究の推進方針に積極的に反映していきます。


3.POによる公募・選考・技術テーマ運営にあたっての方針(平成28年度)

 構造用金属材料に関する開発および製造技術では、我が国が世界的にみて最先端を走っておりますが、新興国の追い上げは極めて急速です。もし我が国の優位性が失われるようなことがあれば、材料産業のみならず、強い材料産業がベースとなっている製造業の衰退が進み、日本経済が危機的な状況を迎えることにもなりかねません。このような事態を避けるためには、革新的な材料の開発と製造技術に、産学の英知を結集して戦略的に取り組む必要があります。

 次世代の構造用金属材料を開発して実用化に導くために、本技術テーマでは「ヘテロ構造制御」をキーワードとします。これは材料に存在する様々なスケールでの不均一性(heterogeneity)を積極的に利用することを意味します。従来の構造用材料開発は、合金化や熱処理によって、いかに均一、均質な組織を作り込むかに重点が置かれてきました。そして、材料中に存在する不均一性は、むしろ性能改善のための阻害因子として扱われてきました。一方、本技術テーマでは、発想を転換して、金属材料中に存在する様々な階層の組織の不均一性(ヘテロ構造)を積極的に利用することを考えます。ここで言う「ヘテロ構造」とは、巨視的には異なる金属の複合化から、微視的には格子欠陥の不均一性まで、また、物理的な不均一性から化学的な不均一性までが含まれます。すなわち、相の分布、格子欠陥の分布、構成元素の分布などです。

 ヘテロ構造の利用と制御によって、新しい機能が生まれることは、近年、明らかになりつつあります。たとえば、鉄とアルミニウムのような異種金属の接合が、新しい溶接・接合技術によって可能になってきております。また、材料の表面近傍と内部で化学組成や構成相を意図的に変化させた傾斜機能化によって、優れた耐環境性と力学特性の両立が図られております。さらに、軟質相と硬質相の2相からなる DP(Dual Phase)鋼や相変態を利用した TRIP(Transformation Induced Plasticity)鋼など、強度と延性の双方に優れた性能を持つ材料も開発されております。また、高密度な格子欠陥からなるヘテロ構造を持つ超微細結晶粒材料は、常識を超えた特異な力学的性質を示すことが明らかになっております。このように、さまざまな階層とスケールでのヘテロ構造を積極的に利用することによって、従来は構造材料として両立が困難であった複数の性能が、レアメタルなどの希少金属の添加を必要とせずに単純な化学組成で実現できることが期待されております。

 しかし、上記のようなヘテロ構造の利用例においても、特性発現のメカニズムは、まだほとんど解明されておりません。たとえば、金属材料の変形や強度の問題で有用な転位論は、今までは十分に大きく均一な結晶中に十分な量の可動転位が存在するという暗黙の仮定の下で使われてきたもので、複相材料や超微細結晶粒材料では、この仮定が成り立たない可能性があります。したがって、不均一なヘテロ構造を扱う場合、原点に立ち戻って既存の理解を見直し、既存の理解の延長線上にはない、金属学・材料工学にブレークスルーをもたらすような新たな指導原理を構築することが必要になるでしょう。

 対象とする研究は大学などによる基礎基盤研究であり、応用研究・製品化研究ではありませんが、将来的には研究成果を産業界が活用できるよう、研究の遂行中に「産」と「学」とが密接に意見交換を行える「産学共創の場」というプラットフォームを設置します。そして、各研究者には、「産」からの要請を取り入れながら、研究を進めていただくことになります。


 「ヘテロ構造制御」プログラムは平成22年度に開始され、平成27年度分まで合計18件の研究課題が採択されました。そして、平成28年5月現在7件が進行中です。
 今年度も、平成28年度開始の新規研究課題の公募を行うことになりました。下記の観点をご参照の上、奮ってご応募ください。

  •  産学共創の趣旨を十分に理解した上で、参加研究者間で効率良い有機的・相補的な連携が組み込まれた研究計画が望まれます。
  •  既存の研究の延長線上にはない革新性の高い提案を期待します。
  •  若手、中堅クラスの研究者からの積極的な応募を歓迎します。
  •  既存の採択課題では十分にカバーされていない材料及び分野の研究課題で、以下のようなキーワート゛が複数含まれる課題の提案を期待します(ただし、これらに限るという意味ではありません)。
     「チタン合金」、「鉄鋼材料」、「マグネシウム合金」、「複合材料」、「ヘテロ組織と力学特性の関係」、「新しい組織制御(第二相、格子欠陥)」、「高信頼性・高寿命化(耐食性、耐熱性など)」、「実験・理論・計算の融合」、「評価・解析技術」
 

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4.研究課題

(五十音順)

◆平成27年度採択◆


  • 研究代表者:佐藤 英一(宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所 教授)
  • 研究課題名:協調的粒界すべりのすべり群サイズの決定機構(超塑性変形速度向上の指導原理)の解明
  • 研究概要:
    本研究では、伸張粒が整列した2次元的結晶粒構造をもつODS鋼(酸化物分散強化鋼)を用いて2次元的粒界すべりを観察し、協調的粒界すべりのメゾスコピックレベルの直接観察を行うとともに、粒界三重点まわりの局所的緩和現象をサブミクロングリッドを用いて直接観察します。これにより、変形領域に応じた粒界すべりの局所的緩和機構に決着をつけるとともに、協調的粒界すべりのすべり群サイズの決定機構を導出します。

  • 研究代表者:戸高 義一(豊橋技術科学大学 機械工学系 准教授)
  • 研究課題名:「鋼材/潤滑油」界面における機能性ヘテロナノ構造制御に基づく転動疲労高特性化のための指導原理の確立
  • 研究概要:
    これまでは金属組織により潤滑油膜の性状を制御できるとは考えられていませんでした。本研究では、理論計算、最先端解析技術を駆使して、金属組織による潤滑油膜の性状制御の可能性と、また、それを転動疲労の高特性化へ適用できることを明らかにします。これにより、鋼材表層をナノ組織化することで高硬度化することに加えて、ナノ組織化に伴う高密度な格子欠陥の存在に着目した転動疲労環境下での物理吸着膜・化学反応膜の性状制御という機能性を付加し、転動疲労の高特性化のための新指導原理を提示します。

  • 研究代表者:安田 秀幸(京都大学 大学院工学研究科 教授)
  • 研究課題名:鉄鋼材料の凝固過程におけるマッシブ的変態の解明と新しい凝固・鋳造原理の構築
  • 研究概要:
    鋳造時に包晶凝固が進行すると考えられてきたFe−C系などにおいて、BCC相(δ相)からFCC相(γ相)へのマッシブ的な変態を見いだしました。包晶凝固とマッシブ的変態が鋳造欠陥の形成に関わるだけでなく、その能動的な変態の制御は、鋳造組織・プロセスの制御における新しいアプローチになると期待されています。本課題では、X線イメージングや計算材料科学などを利用してマッシブ的変態の機構を解明し、ヘテロ界面に着目した積極的なマッシブ的変態の制御による凝固・鋳造原理の構築を目指します。


◆平成26年度採択◆


  • 研究代表者:津ア 兼彰(九州大学 大学院工学研究院 教授)
  • 研究課題名:鉄鋼における水素/マルテンサイト変態相互作用の定量的・理論的解明と水素利用材料の創製〜利用可能な新固溶元素獲得を目指して〜
  • 研究概要:
    水素は、鋼材の特性(破壊強度、延性またはじん性)を低下する水素脆化を引き起こすという問題が古くからあります。水素による脆化を克服した上で、水素を活用した新たな鉄鋼材料の創製に挑戦します。これは炭素や窒素などと同様に、「水素」という利用可能な新たな固溶元素の獲得を意味します。第一段階で熱誘起、第二段階で変形誘起のマルテンサイト変態・双晶変形に及ぼす水素の影響を検討し、これらの知見を総合して第三段階で水素利用材料の創製に取り組み新たな指針を提案します。

  • 研究代表者:戸田 裕之(九州大学 大学院工学研究院 主幹教授)
  • 研究課題名:水素分配制御によるアルミニウム合金の力学特性最適化
  • 研究概要:
    アルミニウムは溶解度をはるかに超える水素を含有しますが、その水素がどこに存在し、どのように材料の脆化をもたらすか明らかではありません。本研究では、アルミニウムの3D/4D可視化や第一原理計算などにより、さまざまなトラップサイトへの水素のヘテロ分散挙動を解明します。さらに、結晶粒界、転位、析出物、ポアへの水素のトラップ量を制御することにより、アルミニウムの力学特性を最適化することを目指します。

  • 研究代表者:三浦 博己(豊橋技術科学大学 機械工学系 教授)
  • 研究課題名:オーステナイト鋼への単純強圧延によるヘテロナノ構造の付与と超高強度化の実現
  • 研究概要:
    産業応用を見据えた単純な強圧延プロセスを適用し、鉄鋼材料の力学特性の劇的な向上を図ります。具体的には、安定オーステナイト鋼への単純強圧延によって、ラメラ状組織、変形双晶、せん断帯などが主となるヘテロナノ構造を導入し、常識を越える機械的性質を有する高強度オーステナイト鋼を創製します。また、その力学特性発現のための組織因子や強化機構を実験的・理論的に徹底追求し、構造材料産業界にブレークスルーを生み出す新たな材料開発・設計の指導原理を提示します。


◆平成23年度採択◆


  • 研究代表者:廣澤 渉一(横浜国立大学 大学院工学研究院 教授)
  • 研究課題名:超微細粒強化と時効析出強化を並立させる新規アルミニウム合金展伸材の開発とその合金設計指導原理の確立
  • 研究概要:
    時効硬化型アルミニウム合金展伸材の強度並びに延性を飛躍的に向上させるためには、サブミクロンオーダーの超微細結晶粒内に、ナノスケールの析出物を高密度に分散させることが肝要です。本研究では、計算科学的アプローチを駆使して、超微細粒合金に特有な合金設計、プロセス条件に関する指導原理を確立し、結晶粒界や転位などのヘテロ構造を最適に制御することで、強化機構の並立による次世代構造用材料の開発を産業界と一体となって行います。



◆平成27年度終了◆


  • 研究代表者:飴山 惠(立命館大学 理工学部 教授)
  • 研究課題名:調和組織制御による革新的力学特性を有する金属材料の創製とその特性発現機構の解明
  • 研究概要:
    循環型社会基盤の構築には、両立できないとされてきた強度と延性を同時に満足する材料が必要不可欠です。本研究では、超強加工粉末冶金プロセスによる調和組織制御により、高強度かつ高延性な金属材料の、特性発現機構の解明、実用化に向けた最適プロセスの提案を目標とします。これにより、稀少元素の利用低減や低環境負荷を実現する軽量構造材料開発、さらには生体用構造材料の高強度化による医療・福祉分野への貢献も期待されます。

  • 研究代表者:下川 智嗣(金沢大学 理工研究域 教授)
  • 研究課題名:材料科学と固体力学の融合によるヘテロナノ構造金属における高強度・高靭性両立の指導原理確立
  • 研究概要:
    ナノスケールのヘテロな内部組織を有する構造用金属材料は、一見相矛盾する力学特性の同時発現の可能性を有しています。本研究では、結晶格子欠陥論に基盤を置く材料科学分野とマルチスケール固体力学分野を融合し、ヘテロナノ構造中の格子欠陥群の発展に起因する内部応力の再分配に基づく新しい理論体系を構築することを目指し、強度と延性、強度と靱性の両立を実現する新しい指導原理を構造材料産業界に提案します。

  • 研究代表者:鳥塚 史郎(兵庫県立大学 大学院工学研究科 教授)
  • 研究課題名:10000GPa%J高強度・高延性・高靱性鋼を実現できる5%Mn組成を利用した超微細ヘテロ変態組織の生成とその機構解明
  • 研究概要:
    本研究は、産業界の要望であるハイテン鋼の世界的競争力確保を目指し、産学共創の場を活用しつつ、5%Mn低炭素鋼の持つ驚くべきポテンシャルの研究を通して、革新的構造材料の創製の指導原理を導くものです。低炭素・5%Mn組成をベースとした超微細マルテンサイト組織および超微細フェライト/オーステナイト組織の2種ヘテロ組織の秘める、10000GPa%J高強度・高延性・高靱性実現可能性の発現機構を解明します。

  • 研究代表者:藤井 英俊(大阪大学 接合科学研究所 教授)
  • 研究課題名:摩擦攪拌現象を用いたインプロセス組織制御によるマクロヘテロ構造体化技術の確立
  • 研究概要:
    現在の接合プロセスでは、接合部の機械的特性の低下が常識となっています。本研究では、摩擦攪拌現象を利用した接合中の高度な組織制御により、母材より接合部の、強度、延性、靱性などの機械的特性を向上させる技術を確立します。本手法は、接合界面に限定されるものではなく、特性を向上させたい構造体の任意の場所に適用することができます。産学共創の場を活用しながら、「温度」、「組成」、「加工」のそれぞれを制御可能なマクロヘテロ構造体化技術の構築に取り組みます。

  • 研究代表者:武藤 泉(東北大学 大学院工学研究科 教授)
  • 研究課題名:鋼/介在物ヘテロ界面のマイクロ電気化学特性解明と界面ナノ構造制御による高耐食化原理の導出
  • 研究概要:
    ヘテロ組織の利用により、材料の機械的特性は飛躍的に向上します。しかし、化学的に不均一な材料は腐食しやすいため、ヘテロ組織を積極的に活用した材料は、耐食性が低くなることが懸念されます。そこで、ヘテロ組織の高耐食化の基盤構築のため、マイクロメートルオーダーの微小領域の電気化学特性を計測できる技術を駆使し、腐食起点の代表例である鋼と介在物(鋼/介在物)のヘテロ界面の腐食機構を解明します。さらに、産学の対話のもと、ヘテロ界面組成・構造制御による高耐食化原理の導出に取り組みます。


◆平成25年度終了◆


  • 研究代表者:里 達雄(東京工業大学 精密工学研究所 教授)
  • 研究課題名:鉄を活用した新規ナノヘテロ構造アルミニウム合金の創製と3D構造解析
  • 研究概要:
    近年、軽量構造用材料への社会的ニーズが高まっており、中でも軽量性を特徴とするアルミニウム合金が注目され、希少金属に頼らない高性能材料の創製が求められています。本研究では、アルミニウムにとって有害不純物とされる鉄に着目し、鉄を逆に有効活用する革新的材料創製を行います。すなわち、新規の加工−半溶融成形プロセスを創案し、微粉砕した鉄系化合物相を活用して従来にないナノヘテロ構造を創出し、革新的成形加工プロセスの構築を目指します。

  • 研究代表者:毛利 哲夫(北海道大学 大学院工学研究院 教授)
  • 研究課題名:ハミルトニアンからの材料強度設計
  • 研究概要:
    材料強度の問題は非線形性や非平衡性が強く、また、局所的な現象が全体の振る舞いを決定するという難しい問題です。本研究では、ミクロスケールにおける電子状態の計算や統計力学の手法に有限要素法を組み合わせたマルチスケール計算により、合金の強度の問題に取り組みます。強度の素因子を明らかにするだけでなく、素因子を自在に合成することで組織−強度の新しい関連を探索し、産業界との連携の下、構造材料の強度設計の新指針を開発します。

  • 研究代表者:柳本 潤(東京大学 生産技術研究所 教授)
  • 研究課題名:幅拘束大圧下制御圧延による易成形高強度バイモーダル薄鋼板の製造基盤研究
  • 研究概要:
    輸送用機器や産業機器に広く利用されている構造用薄板には、高強度であり塑性加工性にも優れていることが必要です。本研究では、ミクロ結晶粒とサブミクロン結晶粒の混合組織であるバイモーダル結晶組織を、新たなコンセプトに基づく革新的温熱間制御圧延によって創製し、合金元素・レアメタル添加量を最小化した高強度・易成形性の薄鋼板を実現するための基盤研究を行います。また、マグネシウム合金についても研究に取り組みます。


◆平成24年度終了◆


  • 研究代表者:木村 勇次((独)物質・材料研究機構 元素戦略材料センター 主幹研究員)
  • 研究課題名:フェールセーフ機能を付与した強くて壊れにくい超微細繊維状結晶粒鋼の力学特性解明
  • 研究概要:
    ナノ・ミクロスケールでヘテロ構造制御された超微細結晶粒材料は常識を超えた優れた力学特性を示しますが、特性発現のメカニズムはいまだ解明されていません。本研究では、研究代表者らが近年見い出した強くて壊れにくい超微細繊維状結晶粒鋼のヘテロ構造と力学特性の関係を最先端の実験解析法と計算シミュレーションで系統的に解明し、ヘテロ構造の最適化を図ります。さらに産業界との密接な意見交換により、超微細結晶粒材の実用化につながる基盤技術の構築を目指します。

  • 研究代表者:瀬沼 武秀(岡山大学 自然科学研究科 教授)
  • 研究課題名:超微細マルテンサイト相を母相としたヘテロ組織の創成とその特性の解明(相反する複数特性を満足する超高強度鉄鋼部材製造の基礎基盤研究)
  • 研究概要:
    ホットスタンピング技術は、自動車の衝突安全性の向上と車体の軽量化を実現する超高強度部材の製造方法として注目されています。本研究では、強度−靭性バランスならびに強度−耐遅れ破壊性バランスに優れた2000MPa級超強度部材の製造技術を開発するための基盤として、マルテンサイトの超微細化の極限を追求するとともに、ヘテロ組織の最適制御を軸とした組織制御技術を確立します。これにより、この分野の国際競争力の強化に貢献することを目指します。

  • 研究代表者:土山 聡宏(九州大学 大学院工学研究院 准教授)
  • 研究課題名:高強度鋼板の塑性変形に伴う軟質分散粒子のヘテロ→ホモ構造変化の有用性評価
  • 研究概要:
    自動車の安全性の確保と軽量化による燃費の向上には、高い強度と加工性を兼ね備えた薄鋼板が必要です。本研究では、鉄鋼会社と連携し、鋼の局部延性を損なわずに加工硬化性を高める軟質分散粒子の特徴を利用した新しい高強度鋼板の開発に取り組みます。同時に、その性質を生み出す軟質粒子特有の現象、すなわち「ヘテロ→ホモ構造変化」の挙動を最新の解析手法を用いて解明し、軟質粒子を利用した薄鋼板の組織設計指針の確立を目指します。

(※所属・役職は終了当時)

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5.アドバイザー

(敬称略 氏名五十音順)

氏名 所属機関 役職
相浦 直 一般社団法人 軽金属溶接協会 専務理事
稲積 透 JFEテクノリサーチ(株) フェロー
潮田 浩作 新日鐵住金(株) 顧問
落合 庄治郎 京都大学 名誉教授
小野寺 秀博 国立研究開発法人 物質・材料研究機構 企画部評価室 室長
粉川 博之 東北大学 大学院工学研究科 教授
辻 伸泰 京都大学 大学院工学研究科 教授

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