Investigation of deformation behavior of beta-type Ti alloys using 4D microstructure analysis and establish of new alloy design method

• Project/Area Number: 16K06771
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Structural/Functional materials
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: Ken Cho 大阪大学, 工学研究科, 助教 (00633661)
• Research Collaborator: Yasuda Hiroyuki Y.
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2018: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2017: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2016: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: β型チタン合金 / 力学特性 / 変形機構 / 双晶変形 / α"マルテンサイト / 合金設計 / チタン合金 / 変形挙動 / マルテンサイト / 中性子回折 / 強度－延性両立 / 準安定β型チタン合金 / 引張特性 / 高強度・高延性化 / 単結晶 / CRSS / 疲労特性 / 延性改善 / 塑性変形挙動 / その場解析

Outline of Final Research Achievements

{332}<113> deformation twinning is one of the unique deformation modes for beta-type Ti alloys. This twining is known as an important deformation mode for improving strength-ductility balance of the alloys. However, the detail behavior about the {332}<113> deformation twinning such as formation mechanism is still unknown.
In this study we found that the {332}<113> twins nucleate within stress-induced martensite. In addition we succeeded to develop new alloy design method for controlling deformation mode of beta-type Ti alloys.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

これまで、{332}<113>変形双晶の前駆現象については、モデル実験や結晶学に基づいた理論計算などが行われてきたものの、直接的な実験手法により詳細を解明した例はない。これに対して、本研究では、その場中性子回折実験を行うことで、応力誘起α"マルテンサイト相がその前駆体となることを初めて実験的に明らかにした。この成果は、学術的に極めて意義が大きい。
また、本研究の成果に基づいて提案した塑性変形機構制御を可能にする新しい合金設計法を利用することで、これまでにはない、極めて優れた強度－延性バランスおよび疲労特性を示す合金の実現が可能となる。

Research Products

• [Journal Article] Effects of {332}<113> deformation twinning on fatigue behavior of Ti-Mn system alloys (2019)
  • Author(s): Ken Cho, Kohei Yuki, Hiroki Kobata, Mitsuo Niinomi, Hiroyuki Y. Yasuda
  • Journal Title: Materials Transactions Volume: 印刷中
  • NAID: 130007695403
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of Mo Addition on Deformation Behavior of Metastable Beta-Type Ti-Mn Single Crystals (2018)
  • Author(s): Morioka Ryota、Cho Ken、Yasuda Hiroyuki Y.
  • Journal Title: Materials Science Forum Volume: 941 Pages: 1360-1365
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/msf.941.1360
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] {332}<113>変形双晶導入による低コスト準安定β型チタン合金の強度－延性バランス改善 (2018)
  • Author(s): 趙 研, 新家光雄, 安田弘行
  • Journal Title: チタン Volume: 66 Pages: 274-277
  • NAID: 40021716168
• [Journal Article] Deformation-induced ω-phase transformation in a β-type titanium alloy during tensile deformation (2017)
  • Author(s): Huihong Liu, MitsuoNiinomi, Masaaki Nakai, Ken Cho, Hidetoshi Fujii
  • Journal Title: Scripta Materialia Volume: 130 Pages: 27-31
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2016.10.036
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of Mo Addition on the Mechanical Properties and Microstructures of Ti-Mn Alloys Fabricated by Metal Injection Molding for Biomedical Applications (2017)
  • Author(s): Pedro Fernandes Santos, Mitsuo Niinomi, Ken Cho, Huihong Liu, Masaaki Nakai, Takayuki Narushima, Kyosuke Ueda, Yoshinori Itoh
  • Journal Title: MATERIALS TRANSACTIONS Volume: 58 Issue: 2 Pages: 271-279
  • DOI: 10.2320/matertrans.M2016286
  • NAID: 130005297181
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Improvement of microstructure, mechanical and corrosion properties of biomedical Ti-Mn alloys by Mo addition (2016)
  • Author(s): P.F. Santos, M. Niinomi, H. Liu, K. Cho, M. Nakai, A. Trenggono, S. Champagne, H. Hermawan, T. Narushima
  • Journal Title: Materials & Design Volume: 110 Pages: 414-424
  • DOI: 10.1016/j.matdes.2016.07.115
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fabrication of low-cost beta-type Ti-Mn alloys for biomedical applications by metal injection molding process and their mechanical properties (2016)
  • Author(s): P.F. Santos, M. Niinomi, H.H. Liu, K. Cho, M. Nakai, Y. Itoh, T. Narushima, M. Ikeda
  • Journal Title: Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials Volume: 59 Pages: 497-507
  • DOI: 10.1016/j.jmbbm.2016.02.035
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Improvement in mechanical strength of low-cost beta-type Ti-Mn alloys fabricated by metal injection molding through cold rolling (2016)
  • Author(s): K. Cho, M. Niinomi, M. Nakai, H.H. Liu, P.F. Santos, Y. Itoh, M. Ikeda, M. abdel-hady Gepreel, T. Narushima
  • Journal Title: Journal of Alloys and Compounds Volume: 664 Pages: 272-283
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.12.200
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] {332}<113>双晶変形に着目した準安定β 型チタン合金の高強度－高延性化と変形機構解明 (2019)
  • Author(s): 趙 研、新家光雄、安田弘行
  • Organizer: (一社)日本鉄鋼協会 平成30年度チタンフォーラム第１回研究発表会
  • Invited
• [Presentation] Influences of Mo addition on mechanical properties and deformation behavior of β-type Ti alloys (2019)
  • Author(s): Ken Cho, Ryota Morioka, Hiroyuki Y. Yasuda
  • Organizer: The 14th World Conference on Titanium (Ti-2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 単結晶を用いた準安定β型チタン合金における{332}<113>双晶変形挙動の解明 (2019)
  • Author(s): 趙 研、森岡亮太、安田弘行
  • Organizer: 軽金属学会 第136回春期大会
• [Presentation] 準安定β型Ti-Mn合金における {332}<113>変形双晶の形成に及ぼす Mo添加の影響 (2018)
  • Author(s): 森岡亮太、趙 研、安田 弘行
  • Organizer: 日本金属学会 2018年秋期(第163回)講演大会
• [Presentation] β型Ti-Mn合金の変形挙動に Mo添加が及ぼす影響 (2018)
  • Author(s): 趙 研、森岡亮太、安田弘行
  • Organizer: 軽金属学会 第134回春期大会
• [Presentation] 組織制御および変形挙動制御に着目した 構造用チタン系合金の力学特性改善 (2018)
  • Author(s): 趙 研
  • Organizer: 軽金属学会 第135回秋期大会
  • Invited
• [Presentation] Effects of Mo addition on deformation behavior of metastable beta-type Ti-Mn single crystals (2018)
  • Author(s): Ryota MORIOKA, Ken CHO, Hiroyuki Y. YASUDA
  • Organizer: THERMEC 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] {332}<113>双晶に着目した変形機構制御によるβ型Ti合金の疲労強度改善 (2018)
  • Author(s): 行耕平、趙 研、新家光雄、安田弘行
  • Organizer: 軽金属学会 第135回秋期大会
• [Presentation] {332}<113>変形双晶導入による低コストβ型Ti-Mn系合金の疲労特性改善 (2017)
  • Author(s): 趙 研、古畑弘樹、行 耕平、新家光雄、安田弘行
  • Organizer: 軽金属学会 第132回春期大会
• [Presentation] β型Ti-Mn系合金の疲労挙動に及ぼすβ{332}<113>双晶の影響 (2017)
  • Author(s): 行 耕平、趙 研、新家光雄、安田弘行
  • Organizer: 日本金属学会 第161回秋期講演大会
• [Presentation] 単結晶を用いたβ型Ti-Mn合金の変形挙動に及ぼすMo添加の影響の解明 (2017)
  • Author(s): 森岡亮太、趙 研、安田弘行
  • Organizer: 軽金属学会 第133回秋期大会
• [Presentation] β型Ti-Mn系合金の力学特性および変形機構にMo添加が及ぼす影響 (2016)
  • Author(s): 古畑弘樹、趙 研、永瀬丈嗣、新家光雄、安田弘行
  • Organizer: 軽金属学会 第131回秋期大会
  • Place of Presentation: 茨城
  • Year and Date: 2016-11-05
• [Presentation] {332}<113>変形双晶による低コストβ型チタン合金の強度－延性バランス改善 (2016)
  • Author(s): 趙 研、古畑弘樹、Pedro F. Santos、伊藤芳典、新家光雄、安田弘行
  • Organizer: 軽金属学会 第131回秋期大会
  • Place of Presentation: 茨城
  • Year and Date: 2016-11-05
• [Presentation] 低コスト高強度－高延性β型チタン合金の開発 (2016)
  • Author(s): 趙 研、古畑弘樹、安田弘行
  • Organizer: 第４回「チタン若手技術者・研究者交流会」
  • Place of Presentation: 新潟
  • Year and Date: 2016-11-04
• [Presentation] Mo添加がβ型Ti-Mn系合金の変形機構に与える影響 (2016)
  • Author(s): 古畑弘樹、趙 研、永瀬丈嗣、新家光雄、安田弘行
  • Organizer: 日本金属学会 第159回秋期講演大会
  • Place of Presentation: 大阪
  • Year and Date: 2016-09-21
• [Presentation] Microstructures and mechanical properties of β-type Ti-Mn-Mo alloys for biomedical applications (2016)
  • Author(s): Ken Cho, Hiroki Kobata, Pedro F. Santos, Hiroyuki Y. Yasuda, Mitsuo Niinomi
  • Organizer: 9th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2016-08-01
  • Int'l Joint Research