氏名　Tran Hung　Tra
学位の種類　博士（工学）
学位記番号　博甲第556号
学位授与の日付　平成22年8月31日
学位論文題目　Failure behaviors of the solid-state friction-welded joints under cyclic loadings at elevated temperatures　（高温繰返し負荷を受ける固相摩擦接合体の破損挙動）
論文審査委員
　主査　教授　岡崎　正和
　副査　教授　福澤　康
　副査　教授　鎌土　重晴
　副査　准教授　宮下　幸雄
　副査　准教授　南口　誠

• 論文目次
• 論文要旨
• 論文審査の結果の要旨

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Table of Contents
Abstract　p.i
Abbreviations　p.vi
CHAPTER 1　INTRODUCTION　p.1
　1.1　Friction technique, the attractive solid-state welding and processing of metallic materials　p.1
　1.2　The importance of solid-state friction-welded joints and their cyclic failure at elevated temperature　p.4
　1.3　Objective of this dissertation　p.8
　1.4　Dissertation outline　p.8
　Chapter references　p.10
CHAPTER 2　FATIGUE CRACK PROPAGATION BEHAVIOR OF THE SOLID-STATE FRICTION STIR WELDING ALUMINUM ALLOY 6063-T5　p.23
　2.1　Introduction　p.24
　2.2　Experimental procedures　p.25
　2.2.1　Fabrication of friction stir welding AA6063-T5　p.25
　2.2.2　Fatigue crack growth test　p.28
　2.3　Experimental results and discussion　p.29
　2.3.1　Weld parameter selection　p.29
　2.3.1.1　Fabricability and microstructure of FSW AA6063-T5　p.29
　2.3.1.2　Influence of weld parameters on thermal cycle during welding　p.30
　2.3.1.3　Influence of weld parameters on the hardness distribution in the FSW　p.36
　2.3.1.4　Influence of weld parameters on tensile properties of the FSW and optimization　p.37
　2.3.1.5　Post weld heat treatment solutions　p.44
　2.3.2　Residual stress measurement　p.44
　2.3.2.1　Procedures　p.44
　2.3.2.2　Results　p.46
　2.3.3　Fatigue crack propagation behavior　p.47
　2.3.3.1　Fatigue crack propagation at room temperature　p.48
　2.3.3.1.1　As-welded FSW　p.48
　2.3.3.1.2　Post weld heat treament FSWs　p.48
　2.3.3.2　Fatigue crack propagation at high temperature （200oC）　p.53
　2.3.3.3　The role of microstructure, residual stress and hardness in the FCP rates of the FSW　p.54
　2.4　Chapter summary　p.61
Chapter references　p.62
CHAPTER 3　LOW CYCLE AND THERMAL MECHANICAL FATIGUE BEHAVIOR OF SOLID-STATE FRICTION-WELDED SUPERALLOY JOINT BETWEEN INCONEL 718 AND MAR-M247　p.67
　3.1　Introduction　p.68
　3.2　Experimental procedures　p.69
　3.2.1　Dissimilar friction welding of IN718 and M247　p.69
　3.2.2　Low cycle fatigue （LCP） and thermo-mechanical fatigue （TMF） tests　p.72
　3.3　Experimental results　p.74
　3.3.1　Microstructure, hardness distribution, and tensile properties　p.74
　3.3.2　Lives of DFW under cyclic loadings　p.76
　3.3.3　Fracture behavior and fracture position in the DFW joint　p.80
　3.4　Discussion　p.84
　3.4.1　Effect of Young modulus mismatch between base metals　p.84
　3.4.2　Elastic follow-up in the DFW joint　p.84
　3.4.3　Finite element analysis （FEA）　p.89
　3.4.3.1　Material description and FEA model　p.89
　3.4.3.2　FEA results and discussion　p.91
　3.4.4　Effect of inhomogeneous microstructure　p.98
　3.4.5　Comparision of the LCF life between friction welding and other fusion welding methods　p.99
　3.5　Chapter summary　p.102
　Chapter references　p.103
CHAPTER 4　CONCLUSIONS AND FUTURE WORKS　p.106
Acknowledgments　p.110

Failure behaviors of the solid-state friction-welded joints under cyclic loadings at elevated temperatures have been studied in this work. For the purpose, at first, the solid-state friction-welded joint of aluminum alloy 6063-T5 was fabricated by friction stir welding （FSW）. The effects of weld parameters; such as rotation speed of the pin used for FSW and the weld speed, on the mechanical properties were investigated. A ratio of rotation speed and weld speed （ω/v） was found as an important weld parameter for the welding. The optimized weld condition was determined at ω/v of around 3.0 revolving/mm. After the weld condition was optimized, the residual stress distribution in and around the optimized FSW joint was measured by X-ray diffraction method. The fatigue crack propagation （FCP） behavior of this joint was also investigated relevant to the inhomogeneous microstructure features concerning to the stirred zone, thermal-mechanical affected zone and heat affected zone. The FCP tests were performed at room temperature and high temperature （200°C） for both the as-welded FSW specimen and the post-weld-heat-treated FSW specimens. The results from fatigue crack propagation （FCP） tests showed that the FCP rate was very sensitive to the crack propagation regime in the weld. It was found that these differences were not reasonably interpreted only by the crack closure behavior, and the inhomogeneous microstructure might play essential role there. The effect of residual stress was remarkable at shoulder limit areas but the microstructure was more important. The non-uniform hardness formed by welding has a minor effect on the FCP rates. It was also demonstrated that the FCP rates were sensitive to the test temperature and post weld heat treatment as well. In order to broaden the study to the higher temperature applications, next, the failure behaviors of the dissimilar joint between Ni-base superalloys MAR-M247 and INCONEL 718 （denoted by DFW） fabricated by a solid-state friction welding was studied under fatigue- and creep-dominant cyclic loadings, as well thermo-mechanical fatigue loading. The behavior was compared with those of the monolithic base metals. The experimental results demonstrated that both the lives and the failure modes of the DFW were significantly influenced by the test conditions and loading modes. They were significantly different from those of the base metals. Especially under creep dominant conditions, the lives of the DFW were significant lower than those of the base metals accompanying with specific failure modes. A new elastic follow-up mechanism was proposed to interpret the above specific failure behaviors. It was also shown by the results of finite element numerical simulation using a visco-elastic model that the non-uniform deformation and the stress states between the two base metals were intrinsic factors that controlled the specific failure behavior. However, it was demonstrated that the solid-state welded joints generally exhibited more excellent properties than those fabricated by processes associating with fusion process of base metals. From these findings, solid state joining processes are expected to be expanded to metalworking, crack repairing and surface modification.

　本論文は、Failure behaviors of the solid-state friction-welded joints under cyclic loadings at elevated temperatures（高温繰返し負荷を受ける固相摩擦接合体の破損挙動）と題し、4章より構成されている。
　第1章では、材料の種類によって使用可能な温度範囲や許容応力が異なるため,それぞれの材料の特性を活かした複合構造体とすることにより、これまで以上に性能の高い構造体の製作が可能となることを指摘した上で、これまで用いられてきた方法だけではこれら複合構造体の製作には限度があること、そのためには新しい接合手法の開発と構造体信頼性保証技術が基幹となり、固相接合法の適用がその工業的ニーズに答え得る技術として有望視できることを指摘したのちに、本研究の目的と範囲を述べている。
　第2章では、新しい固相接合方法として注目されている摩擦撹拌接合法（Friction Stir Welding, （FSW））に注目し、まずこの手法によってアルミニウム合金6063の同種金属間接合体を自ら製作している。ここで、製作の際の変数は、接合工具の押込み深さ、移動速度、回転速度とし、製作された接合体の特性は、接合界面近傍における欠陥の有無、接合界面の形状、接合部における酸化生成物の巻き込み状況、組織の不均質性、硬さ分布、残留応力の分布状態、接合体の引張強度などを介して評価している。その結果、FSWによる接合の際の入熱エネルギーは接合パラメータN/v（N:接合工具の回転速度，v:工具送り速度）によって物理的に代表させ得ることを述べたのち、機械的特性に優れた接合体を得るにはこのパラメータ値を限られた範囲に設定すべきであることを実験的に示している。その上で最適条件を設定し、その条件の下で製作したアルミニウム合金6063接合体から疲労試験片を採取し、接合体の室温及び300℃における疲労き裂の進展抵抗は接合体の部位によって大きく異なること、室温に比べ300℃におけるき裂進展速度が高いこと、これらの特性には接合後熱処理の影響があることなどを実験的に明らかにしている。そして、その破損抵抗の部位依存性には、接合体中の残留応力分布、不均一な微細組織、不均一な力学的特性などが関与しているが、なかでも、部位に依存した不均一微細組織の影響が最も大きいことを、き裂開閉口挙動の調査を介して明らかにしている。
　第3章では、2章よりもより更に高温域で使用可能な複合構造部材の製作に対する固相接合法の適用性を検討するため、ガスタービン用構造材料であるNi基超合金MarM247（鋳造材）からなる異種金属間接合体（以下、異種接合体）の高温強度を調べている。すなわち、摩擦圧接法によって製作したIN718とMar-M247からなる異種接合体から試験片を切出し、種々の負荷条件の下での高温強度特性を調べるとともに、負荷の違いによる寿命特性と破損挙動の相違を詳細に調べている。その結果、異種接合体の破損寿命や破損個所は繰返す負荷の様式に大きく依存して変化すること、それらは母材の特性と大きく異なるのみならずモノリシックな単体材料の知見からは予測しがたい複合体特有の挙動を示すことなどを実験的に示している。特に、クリープと疲労が重畳する負荷の下での挙動が複雑で、その挙動の把握には異種接合体を構成する材料間のクリープ変形抵抗の相違に起因して生ずる弾性追従効果が重要であることを指摘した上で、より詳細な破損箇所や寿命の推定のためには接合部近傍の不均一な微細組織と力学的特性の相違から生ずる偏差応力や静水圧応力の分布の把握が重要であることを有限要素法を用いた粘弾塑性解析を介して指摘している。
　第4章では、以上の研究結果を統括的にまとめるとともに、将来の展望について述べている。
　以上のごとく、本論文は、個々の材料が有する適材適所能力を活かした高温用複合構造体開発に関連し、固相接合法によって作製した耐熱超合金製接合体ならびにアルミニウム合金接合体の高温強度に関連した材料強度学的知見を提供したものである。一連の地検は、次世代のマイクロガスタービン開発など、新規高温構造部材や構造体の開発に対して、その設計方針や寿命測定・管理に関連して重要な指針を与えるものである。
　よって、本論文は工学上および工業上貢献するところが大きく、博士（工学）の学位論文として十分な価値を有するものと認める。