「疲労」が材料を強くする

何回負荷を繰り返し与えても材料が破断しない応力の上限値(疲労限度)は引張強度に比例して上昇します。しかし、引張強度が約1.4GPa(ギガパスカル)を超えると疲労限度がそれ以上向上しない、もしくは低下する“頭打ち”状態となります。たとえば、代表的な高強度鋼であるマルテンサイト鋼は、最も高強度な“焼き入れまま”状態では疲労限度が低いため、一般的に“焼き戻し熱処理”により強度を低下させた状態で用いられています。疲労限度が頭打ちになる詳しい仕組みはわかっておらず、この頭打ちを打破するための材料設計指針が求められてきました。

当研究グループは、引張強度1.6GPaの“焼き入れまま”マルテンサイト鋼に対して、あらかじめ試料に疲労変形を加える「予疲労トレーニング」を適用することで、引張強度をほとんど低下させず疲労限度を2倍化し、“頭打ち”を打破することに成功しました。この現象を詳細に分析した結果、高強度鋼の疲労き裂発生の支配要因は、結晶粒界での弾性ミスフィット(荷重方向に生じるひずみの大きさの不整合)であることを明らかにし、従来材料を壊れやすくするとされてきた疲労変形が実は疲労き裂発生を抑制することを世界で初めて示しました。

予疲労トレーニングは、焼き戻し熱処理とは異なり引張強度をほとんど低下させることなく疲労限度を向上させられるため、一般的な鋼材への応用が期待できます。さらに今回、高強度鋼の疲労限度向上において、これまで注目されてきたき裂の「停留」ではなく、き裂を「発生」させないことが重要であることを示しました。今後、この「き裂を発生させない組織学」を発展させ、鉄鋼材料を含めた様々な材料の破壊現象に展開することで、超高強度材料の社会実装への貢献が期待されます。

• 本研究は、NIMS構造材料研究センター鉄鋼材料グループの岡田 和歩 主任研究員、津﨑 兼彰 元フェロー、仲川 枝里 氏、柴田 曉伸 上席グループリーダーからなる研究チームによって、JST 戦略的創造研究推進事業ACT-X「トランススケールな理解で切り拓く革新的マテリアル」領域(課題番号:JPMJAX23D5)の一環として行われました。
• 本研究成果は、2025年6月30日にAdvanced Science誌のオンライン版に掲載されました。