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応力評価技術研究グループ

グループリーダー
鈴木裕士

グループメンバー

鈴木 裕士
盛合 敦
井川 直樹
徐 平光
下条 豊
諸岡 聡

研究テーマ及び業務

  1. 中性子線及び放射光を利用した工学材料のひずみ・応力測定技術の開発と応用
  2. 中性子線及び放射光を利用したミクロ組織因子の定量評価技術の開発と応用
  3. 燃料電池の高性能化に向けた中性子回折・散乱技術の応用
  4. 実験等に係る安全管理と技術サポート

研究開発内容

応力評価技術研究グループでは、大強度陽子加速器施設J-PARCや研究炉JRR-3で得られる中性子線、 大型放射光施設SPring-8で得られる放射光X線、さらに、近年開発の進む小型中性子源の可能性にも着目しながら、 回折やイメージング技術、小角散乱や全散乱技術を応用した、物質材料のミクロ組織・力学因子等の定量評価技術の開発および高度化を進めています。 また、これらの先端計測技術を応用することで、社会基盤や産業基盤を支える構造材料や機能性材料を対象とした材料強度研究や機能性研究に取り組むとともに、こ れまでなじみの薄かった建築工学や土木工学研究との異分野連携にも挑戦するなど、これら先端計測技術のさらなる可能性を追求した研究開発を進めています。 このように、応力評価技術研究グループでは、将来の安全・安心社会、持続可能社会の実現に向けた工学的課題の解決のため、 これら研究開発により得られた成果の社会実装を目指すとともに、これら研究を支える施設や装置にかかる技術開発・維持管理・支援・安全管理を行っています。

最近の技術開発

1. 中性子応力測定技術の高度化

研究炉JRR-3の中性子応力測定装置RESA-1

応力評価技術研究グループでは、研究炉JRR-3に中性子応力測定装置RESA-1(詳細情報https://jrr3uo.jaea.go.jp/device/resa1.html)を保有しています。 RESA-1は、Si(311)の非対称湾曲モノクロメータから得られる単一波長(おおよそ0.15nm~0.20nmの範囲で選択可能)の中性子線を試料に照射し、 そこから回折する中性子線の回折角を一次元検出器により測定する角度分散型回折装置です。 回折計には、試料台面積550mm ×550mmのXYステージ、耐荷重約700kgfのZステージが設置されており、水平面内(XY方向)に±250mm、垂直方向(Z方向)に約300mmの範囲で移動させることができます。 また、環境装置として最大荷重10kNの低温引張試験機(5K~300K)や集合組織測定用にオイラークレードルなどを利用できます。 また、測定環境を整備するだけでなく、入射中性子線の高強度化と波長の選択性向上を目指し、新しいモノクロメータの開発を行っているほか、入射中性子線フライトチューブや検出器など、中性子応力測定装置を構成する光学系アライメントのための調整自動化を進めています。 さらに、材料による中性子線の吸収や部分照射によって生じる見かけのピークシフトの補正方法の検討や、中性子応力測定の精度に関わる無ひずみ状態の格子定数の測定方法の検討など、 中性子応力測定の精度向上を目指した研究開発も行っています。

関連論文: Suzuki, et al., Materials Science. Forum, 777, 105-111, 2014. Suzuki, et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 715, 28-38, 2013.


2. 中性子回折法による集合組織測定技術の開発

せん断変形を受けた石灰岩国際標準試料の集合組織

自動車や航空機等の輸送機器の軽量化には、機器を構成する構造材料の強度発現メカニズムやクリープ・疲労破壊メカニズムの解明が必要であり、 そのカギを握る材料の結晶配向性、すなわち集合組織の定量評価が必要不可欠とされています。 中性子回折による集合組織測定法は、中性子線の優れた透過能を活かすことで、金属材料のバルク平均の集合組織を測定することが可能であり、 その測定結果をもってマクロな力学特性との関連性を議論することが可能になります。 また、集合組織測定により得られる回折パターンを解析すれば、ひずみ(応力)や転位密度などのミクロ組織因子を同時に測定することもできます。 応力評価技術研究グループでは、J-PARC・MLFの工学材料回折装置TAKUMIを利用することで、分解能の高い集合組織測定を実現するとともに、 残留応力の同時測定手法を確立しました。国際標準試料である石灰岩やマルテンサイト-オーステナイト複層鋼板の集合組織測定の結果、 本測定技術を用いることで、複雑な集合組織を有する材料でも精度よく集合組織測定が可能であること、また、残留応力を同時に測定できることを実証しました。

関連論文:
Xu, et al., Journal of Applied Crystallography, 51, in press, 2018.


最近の研究成果

中性子や放射光を利用した鉄筋コンクリートの構造力学・材料研究

鉄筋コンクリートは、引張には弱いが圧縮に強いコンクリートに、引張に強い鉄筋を組み合わせた複合材料の一つです。 棒状の鉄筋に圧縮力が加わった場合に発生する座屈やたわみを周囲のコンクリートで拘束するとともに、曲げや引張に弱いコンクリートを鉄筋が支えることで、 鉄筋コンクリート構造の一体性が確保されます。そのため、耐震性能に優れた鉄筋コンクリート造の構造設計には、 鉄筋とコンクリート間に働く付着力とこれらの間の力学的なバランスを考慮することが重要となります。 一方、鉄筋コンクリート造の構造設計には、上述した構造力学的な考え方はもちろんのこと、その構造設計の基礎となる材料パラメータとして、 コンクリートや鉄筋の強度特性といった材料工学的な視点も重要になります。応力評価技術研究グループでは、 これら鉄筋コンクリートの構造力学研究や材料工学研究に対し、中性子線や放射光X線による先端計測技術の応用を進めています。


1.1 中性子回折法による鉄筋コンクリートの付着応力度測定技術

中性子回折法によるコンクリート中の鉄筋のひずみ分布測定

鉄筋とコンクリート間に働く付着力は、コンクリートに埋設された鉄筋のひずみ分布を測定することにより評価することができます。 これまでは、ひずみゲージを用いて測定されてきましたが、ひずみゲージ周りの付着劣化によって、正確な付着特性を評価することが困難とされてきました。 一方、中性子応力測定技術は、中性子線の回折現象を応用した応力・ひずみ測定技術であり、材料深部の応力・ひずみを非破壊・非接触で測定できる特長を有します。 応力評価技術研究グループでは、世界で初めて鉄筋コンクリートの付着応力度評価に中性子回折法を応用し、普通強度コンクリートに埋設された鉄筋について、 十分な精度でひずみ分布測定が可能であることを実証するとともに,コンクリートのひび割れや鉄筋腐食に伴う付着劣化の評価、梁構造における曲げ付着挙動の評価を可能にしました。 最近では、あと施工アンカーの実用化に向けた研究開発にも中性子回折法の応用を進めています。

関連論文:
[5] Suzuki, et al., Proc. the Concrete Structure Scenarios, JSMS, 17, 179-184, 2017. (in Japanese)
[15] Suzuki, et al., Mater. Res. Proc., 2, 25-30, 2016.
[30] Suzuki, et al., JPS Conf. Proc., 8, 031006(6 pages), 2015.
Suzuki, et al., Meas. Sci. and Technol., 25, 025602, 2014.
Kusunoki, et al., 8CUEE CONFERENCE PROCEEDINGS, 701-705, 2011
Suzuki, et al., Powder Diffraction, 24, S68-S71, 2009.


1.2 放射光X線を用いたセメントナノ構造の変形挙動評価技術の開発

放射光X線回折法によるセメント硬化体の変形挙動解析

セメント硬化体は、水酸化カルシウム(CH)やモノサルフェート、カルシウムシリケート化合物(CSH)などの多くの水和生成物やセメント鉱物で構成され、 その中でも全体の50%近くを占めるCSHはセメント硬化体の強度特性に支配的といえます。特に、CSHにおけるユニークなナノ構造は、コンクリートの強度発現、 化学特性、物質浸透抵抗性、収縮特性、寸法安定性などに対して支配的であるため、コンクリートの巨視的な特性を理解するためには、 セメント硬化体の変形挙動について分子レベルの評価が不可欠です。応力評価技術研究グループでは、セメント硬化体の変形挙動評価に放射光X線による原子対相関関数(PDF)解析を応用し、 セメントナノ構造のユニークな変形挙動の定量評価に世界で初めて成功しました。

関連論文:
[2] Bae, et al., Journal of the American Ceramic Society101,408-418,2018.
[24] Suzuki et al., Adv. Mater, Sci. Eng., 8936084(6 pages), 2016.


査読付学術論文

-- 2017 --
[1] 小型中性子源の現場利用を目指した残留オーステナイト相分率測定手法の開発,池田義雅,高村正人,箱山智之,大竹淑恵,熊谷正芳,鈴木裕士,鉄と鋼,104,138-144,2018.
[2] Pair distribution function analysis of nanostructural deformation of calcium silicate hydrate under compressive stress,S. Bae,H. Jee,M. Kanematsu,A. Shiro,A. Machida,T. Watanuki,T. Shobu,H. Suzuki, Journal of the American Ceramic Society,101,408-418,2018.
[3] Inter atomic force constants of β-PbF2 from diffuse neutron scattering measurement, Xianglian,W. Bao,T. Guo, P. Li, T. Sakuma,N. Igawa,International Journal of Innovation in Science and Mathematics,5,165-167,2017.
[4] Prediction method of improved residual stress distribution by shot peening using large scale analysis method,K. Ikushima,M. Shibahara,S. Nishikawa,T. Furukawa,K. Akita,H. Suzuki,S. Morooka,E-Journal of Advanced Maintenance (Internet),9,NT87(5 pages),2017.
[5] 中性子回折法による鉄筋コンクリートの付着応力度分布の非破壊測定,鈴木裕士,楠浩一,兼松学,向井智久,コンクリート構造物の補修、補強、アップグレード論文報告集,17,179-184,2017.
[6] Changes of dislocation density and dislocation arrangement during tensile deformation in lath martensitic steels,S. Harjo,T. Kawasaki,S. Morooka,Advanced Experimental Mechanics,2,112-117,2017.
[7] 種々な方法によるMn-Si-C鋼の残留オーステナイト体積率測定の比較,友田陽,関戸信彰,徐平光, 川崎卓郎,S. Harjo,田中雅彦,篠原武尚,Y. Su,谷山明,鉄と鋼,103,570-578,2017.
[8] Quantitative evaluation of texture and dislocations during annealing after hot deformation in austenitic steel using neutron diffraction,Y. Tomota,S. Sato,M. Uchida,P.G. Xu,S. Harjo,W. Gong,T. Kawasaki,Mater. Sci. Forum,905,25-30,2017.
[9] In-situ residual stress analysis during thermal cycle of a dissimilar weld joint using neutron diffraction and IEFEM,K. Akita,M. Shibahara,K. Ikushima,S. Nishikawa,T. Furukawa,H. Suzuki,S. Harjo,T. Kawasak,L. Vladimir,Yosetsu Gakkai Rombunshu (Internet),35,p.112s-116s,2017.
[10] Study on shot peened residual stress distribution under cyclic loading by numerical analysis,K. Ikushima,Y. Kitani,M. Shibahara,S. Nishikawa,T. Furukawa,K. Akita,H. Suzuki,S. Morooka,Yosetsu Gakkai Rombunshu (Internet),35,p.75s-79s,2017.
[11] 放射光X線回折法を用いた積層型高強度鋼板におけるマルテンサイト層の局所変形挙動評価, 小島 真由美,城鮎美,鈴木裕士,井上純哉,菖蒲敬久,徐平光,秋田貢一,南部将一,小関敏彦,材料,66,420-426,2017.
[12] Evaluation of austenite volume fraction in TRIP steel sheets using neutron diffraction,P. G. Xu,Y. Tomota,Y. Arakaki,S. Harjo,H. Sueyoshi,Mater. Charact.,127,104-110,2017.
[13] Numerical analysis of residual stress distribution on peening process,K. Ikushima,M. Shibahara,K. Akita,H. Suzuki,S. Morooka,S. Nishikawa,T. Furukawa,Welding World,61,517-527,2017.
[14] Energy-resolved small-angle neutron scattering from steel,Y. Oba,S. Morooka,K. Oishi,J. Suzuki,S. Takata,N. Sato,R. Inoue,T. Tsuchiyama,E.P. Gilbert,M. Sugiyama, Journal of Applied Crystallography,50,334-339,2017.
-- 2016 --
[15] Structural engineering studies on reinforced concrete structure using neutron diffraction, H. Suzuki, K. Kusunoki, M. Kanematsu, T. Mukai, S. Harjo, Materials Research Proceedings, 2, p.25-30, 2017.
[16] Effect of storage environment on hydrogen generation by the reaction of Al with water, Y.-Q. Wang, W.-Z. Gai, X.-Y. Zhang, H.-Y. Pan, Z.-X. Cheng, P.-G. Xu, Z.-Y. Deng, RSC Advances (Internet), 7, p.2103-2109, 2017.
[17] 中性子透過率スペクトル測定を利用した新しい中性子散乱実験, 大場洋次郎, 諸岡 聡, 佐藤博隆, 佐藤信浩, 井上倫太郎, 杉山正明, 波紋, 26, p.170-173, 2016.
[18] Prospect for application of compact accelerator-based neutron source to neutron engineering diffraction, Y. Ikeda, A. Taketani, M. Takamura, H. Sunaga, M. Kumagai, Y. Oba, Y. Otake, H. Suzuki, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 833, p.61-67, 2016. 
[19] Rapid measurement scheme for texture in cubic metallic materials using time-of-flight neutron diffraction at iMATERIA, Y. Onuki, A. Hoshikawa, S. Sato, P.G. Xu, T. Ishigaki, Y. Saito, H. Todoroki and M. Hayashi, Journal of Applied Crystallography, 49, p.1579-1584, 2016.
[20] Magnetic scattering in the simultaneous measurement of small-angle neutron scattering and Bragg edge transmission from steel, Y. Oba, S. Morooka, K. Ohishi, N. Sato, R. Inoue, N. Adachi, J. Suzuki, T. Tsuchiyama, E.P. Gilbert and M. Sugiyama, Journal of Applied Crystallography, 49, 1659-1664, 2016.
[21] Texture evaluation in ductile fracture process by neutron diffraction measurement, H. Sunaga, M. Takamura, Y. Ikeda, Y. Otake, T. Hama, M. Kumagai, H. Suzuki, S. Suzuki, Journal of Physics; Conference Series, 734(Part.B), 032027(4 pages) 2016.
[22] Non-destructive texture measurement of steel sheets with compact neutron source "RANS", M. Takamura, Y. Ikeda, H. Sunaga, A. Taketani, Y. Otake, H. Suzuki, M. Kumagai, T. Hama, Y. Oba, Journal of Physics; Conference Series, 734(Part.B), 032047(4 pages) 2016. 
[23] Hydrostatic Compression Behavior and High-Pressure Stabilized β-Phase in γ-Based Titanium Aluminide Intermetallics, K.D. Liss, K. Funakoshi, R.J. Dippenaar , Y. Higo, A. Shiro, M. Reid, H. Suzuki, T. Shobu, K. Akita, Metals, 6, 165(22 pages), 2016.
[24] Nanostructural deformation analysis of calcium silicate hydrate in Portland cement paste by atomic pair distribution function, H. Suzuki, S. Bae, M. Kanematsu, Adv. Mater, Sci. Eng., 8936084(6 pages), 2016.
[25] Investigation of elastic deformation mechanism in as-cast and annealed eutectic and hypoeutectic Zr-Cu-Al metallic glasses by multiscale strain analysis, H. Suzuki, R. Yamada, S. Tsubaki, M. Imafuku, S. Sato, T. Watanuki, A. Machida, J. Saida, Metals, 6, 12(11 pages), 2016.
-- 2015 --
[26] Crystal structures and magnetic properties of nickel chain compounds PbM2Ni6Te3O18(M=Mn, Cd), Y. Doi, R. Suzuki, Y. Hinatsu, K. Kodama, N. Igawa, Inorganic Chemistry, 54, p.10725-10731, 2015.
[27] Tensile deformation behavior of hydrogen charged ultrahigh strength steel studied by in situ neutron diffraction, P.G. Xu, J. Yin, S.Y. Zhang, Acta Metall. Sinica, 51, p.1297-1305, 2015 (in Chinese).
[28] Neutron diffraction study of 1D quantum spin system Li2ZrCuO4 with incommensurate magnetic structure, Y. Yasui, N. Igawa, K. Kakurai, JPS Conf. Proc., 8, 034012(6 pages), 2015. 
[29] Local Lattice Distortion Caused by Short-range Charge Ordering in Transition Metal Oxides, K. Kodama, N. Igawa, S. Shamoto, K. Ikeda, H. Ohshita, N. Kaneko, T. Otomo, K. Suzuya, A. Hoshikawa, and T. Ishigaki, JPS Conf. Proc., 8, 034002(6 pages), 2015. 
[30] Application of neutron stress measurement to reinforced concrete structure, H. Suzuki, K. Akita, M. Kanematsu, A. Tasai, Y. Hatanaka, N. Tsuchiya, S. Bae, S. Shiroishi, S. Sakurai, T. Kawasaki, S. Harjo, JPS Conf. Proc., 8, 031006(6 pages), 2015.
[31] Progress in bulk texture measurement using neutron diffraction, P.G. Xu, S. Harjo, T. Ito, Y. Morii, W. Gong, H. Suzuki, K. Akita, T. Suzuki, Y. Tomota, L. Lutterotti, JPS Conf. Proc., 8, 031022(6 pages), 2015.
[32] Crystal structure and electron density distribution analyses of NdxCe1-xO2-δ for electrolyte by Rietveld/ maximum entropy method, T. Taguchi, N. Igawa, A. Birumachi, H. Asaoka, S. Miwa and M. Osaka, e-J. Surface Sci. Nanotech., 13, p.339-342, 2015. http://dx.doi.org/10.1380/ejssnt.2015.339
[33] Nuclear and electron density distributions of LiMn2O4 analyzed by combination of Rietveld/ maximum entropy method, N. Igawa, K. Kodama, A. Birumachi and T. Taguchi, e-J. Surface Sci. and Nanotechnol., 13, p.247-252, 2015.
[34] マルチプローブを用いた安定化ジルコニアのアニールによる結晶、局所構造への影響の研究, 伊藤孝憲, 森 昌史, 犬飼 学, 仁谷浩明, 山本 孝, 宮永崇史, 井川直樹, 北村尚斗, 石田直哉, 井手本 康, Photon Factory News, 33, p.18-24, 2015.
[35] Inter-atomic force constants of BaF2 by diffuse neutron scattering measurement, T. Sakuma, Makhsun, R. Sakai, Xianglian, H. Takahashi, K. Basar, N. Igawa and S. A. Danilkin, AIP Conf. Proc., 1656, 020002(4 pages), 2015.
[36] Effect of annealing on crystal and local structures of doped zirconia using experimental and computational methods, T. Itoh, M. Mori, M. Inukai, H. Nitani, T. Yamamoto, T. Miyanaga, N. Igawa, N. Kitamura, N. Ishida and Y. Idemoto, J. Phys. Chem. C, 119, p.8447-8458, 2015.

プレスリリース

2018/02/05軽量化を可能にする鋼材開発に向けた新たな分析手法の確立-ものづくり現場における小型中性子源の貢献
2017/06/21世界初!ショットピーニングを実用レベルで解析可能なシステムを開発-溶接継手の強度信頼性向上のために
2016/10/27中性子回折による金属材料の集合組織高速測定システムを開発-J-PARC内の茨城県材料構造解析装置iMATERIAで世界最速レベルの技術を確立

競争的研究資金獲得状況

[1] 井川直樹(研究代表者), 「中性子回折による電池材料中のイオン拡散と局所乱れの相関の解明」, 日本学術振興会 科学研究費補助金(基盤研究(C)16K06784), H28~H30.
[2] 鈴木裕士(研究代表者), 「中性子イメージングによる鉄筋コンクリート内部の変形解析と付着モデルの検証」, 日本学術振興会 科学研究費補助金(基盤研究(C)17K05125), H29~H31.
[3] 徐 平光(研究代表者), 「結晶配向制御を用いた耐水素脆化超高強度鋼の開発とそのメカニズムの解明」, 日本学術振興会 科学研究費補助金(基盤研究(C)17K06852), H29~H31.
[4] 諸岡 聡(研究代表者), 「物質拡散による応力形成プロセスのその場観測技術の開発とそのメカニズムの解明」, 日本学術振興会 科学研究費補助金(基盤研究(C) 18K04785), H30~H32.
[5] 井川直樹(分担者), 「イオン照射におけるSiCへテロナノチューブの構造変化その場観察と同時電気特性評価」, 日本学術振興会 科学研究費補助金(基盤研究(C)16K06738), H28~H30.
[6] 諸岡 聡(分担者), 「延性向上を目指した析出制御メタラジー:コア-シェル構造粒子分散強化鋼の創製と評価」, 日本学術振興会 科学研究費補助金(基盤研究(A)17H01333), H29~H31, (研究代表者:土山聡宏, 九州大学).
[7] 鈴木裕士, 徐 平光(分担者), 「中性子ハイブリット回折が拓く現場利用バルク金属残留応力計測技術の開拓」, 日本学術振興会 科学研究費補助金(基盤研究(B)17H03161), H29~H31, (研究代表者:大竹淑恵, 理化学研究所).
[8] 鈴木裕士(分担者), 「鉄筋コンクリート造構造体の高温環境下における挙動の包括的観測技術の開発」,日本学術振興会 科学研究費補助金(基盤研究(B)17H03345), H29~H31, (研究代表者:兼松 学, 東京理科大学).
[9] 諸岡 聡(分担者), 「複相構造用合金における単結晶塑性パラメータの同定手法構築」, 日本学術振興会 科学研究費補助金(基盤研究(B)18H01339), H30~H32, (研究代表者:眞山 剛, 熊本大学).
[10] 諸岡 聡(分担者), 「ミクロな内部応力の不均一分布形成機構の理解とその制御技術の確立」, (国)科学技術振興機構 研究成果展開事業(産学共創基礎基盤研究プログラム), H28~H30, (研究代表者:中田伸生, 東京工業大学).

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