異なる温度での陽子線照射後の焼戻し5140合金鋼の組織変化と機械的性質

Microstructure evolution and mechanical properties of tempered 5140 alloy steel after proton irradiation at different temperatures.

• Luanyue Dai
• Guangyi Niu
• Mingzhen Ma

抄録

本論文では、工学分野で一般的に使用されている焼戻し5140合金鋼について、陽子線照射の作用下での組織及び機械的性質に及ぼす影響について紹介する。本研究では、160keVの照射エネルギーを用いて、異なる累積フルエンスの陽子線を照射した場合の5140合金鋼への影響を実験的に調べた。本研究では、照射エネルギー160keVの陽子線を用いて、照射量の異なる陽子線を照射することで、強化5140合金鋼の組織変化に及ぼす影響を透過型電子顕微鏡で調べた。さらに、走査型電子顕微鏡を用いて引張破壊の形態を解析した。また、ナノメカニクス試験機を用いて、5140合金鋼のナノメカニクス特性に及ぼす陽子線照射の累積照射量の影響を調べた。その結果、陽子線照射損傷により形成される表面硬化効果により、焼戻し5140合金鋼の表層付近の組織に転位密度が生じ、陽子線照射累積フルエンスの増加に伴って転位密度が増加することがわかった。得られた結果は、陽子線照射の累積照射量の増加に伴い、焼戻し材５１４０合金鋼の降伏強度及び引張強度がわずかに増加することを示している。しかし、これに対応する伸びは減少する。また、ナノインデンテーションの圧力負荷が安定な場合には、陽子線照射フルエンスの増加に伴ってナノインデンテーションの硬さが増加することがわかった。しかし、圧痕の深さは減少する。得られた結果から、陽子線照射は焼戻し5140合金鋼のマクロ及びナノメカニクス特性に大きな影響を与えないと結論づけた。これは、陽子線照射のエネルギーが低いことと、その結果生じる放射線損傷が焼戻し鋼表面の薄層にしか作用しないことに起因すると考えられる。

This article introduces the effect of tempered 5140 alloy steel commonly used in engineering on its structure and mechanical properties under the action of proton irradiation. In the present study, the irradiation energy of 160 keV is applied to experimentally investigate the proton irradiation with different cumulative fluences on the tempered 5140 alloy steel. The effect of the cumulative fluence of the proton irradiation on the microstructure evolution of tempered 5140 alloy steel is studied through transmission electron microscopy. Moreover, the morphology of the tensile fracture is analyzed by scanning electron microscope. The effect of the cumulative fluence of the proton irradiation on the nanomechanical properties of tempered 5140 alloy steel is investigated with a nanomechanical tester. It is found that the surface hardening effect formed by the proton irradiation damage causes the dislocation density in the structure near the tempered 5140 alloy steel surface layer and such effect increases as the proton irradiation cumulative fluence increases. The results obtained show that the yield and tensile strength of the tempered 5140 alloy steel increase slightly as the cumulative fluence of the proton irradiation increases. However, the corresponding elongation decreases. For a stable pressure load of the nanoindentation, the hardness of the nanoindentation of the tempered 5140 alloy steel increases as the proton irradiation fluence increases. However, the corresponding indentation depth decreases. Based on the obtained results, it is concluded that proton irradiation has no significant effect on the macro- and nanomechanical properties of the tempered 5140 alloy steel. This may be attributed to the low energy of the proton irradiation, and the resulting radiation damage only acts on the thin layer of the tempered 5140 alloy steel surface.