Development of high temperature shape memory alloy based on the shear and shuffling mechanism accompanying to martensitic transformation

• Project/Area Number: 20H02427
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26010:Metallic material properties-related
• Research Institution: Kumamoto University
• Principal Investigator: MATSUDA Mitsuhiro 熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 准教授 (80332865)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 赤嶺 大志 九州大学, 総合理工学研究院, 助教 (40804737)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2021: ¥9,880,000 (Direct Cost: ¥7,600,000、Indirect Cost: ¥2,280,000); Fiscal Year 2020: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: マルテンサイト変態 / 高温形状記憶合金 / 原子変位 / 自己調整構造 / ハフニウム基合金 / ジルコニウム基合金 / 変態温度 / バリアント / 自己調整 / 引張変形 / ハフニウム合金 / ジルコニウム合金 / 原子変位機構 / 形状記憶特性

Outline of Research at the Start

本研究では，形状記憶特性を担う熱弾性型マルテンサイト変態の「原子変位（シェアー・シャッフリング）機構」を精密に解析し制御することで，地球規模の課題解決に向けた新規高温形状記憶合金を開発することが目的である。目標値としては，動作温度 400℃以上，最大仕事量 5～10 J/cm3の達成である。供試材として，チタンやジルコニウムに比べて融点や同素変態点が高く，広範囲にて変態点の制御が期待できることから，ハフニウム（Hf）元素を主体とする。特に熱弾性型マルテンサイト変態の原子変位機構を解明し，それらと形状記憶特性とを関連付ける本研究は，オリジナリティーに溢れ学問的意義も極めて高い。

Outline of Final Research Achievements

We focus on the shear and shuffling mechanism accompanying to martensitic transformation to develop the high temperature shape memory alloy. We have clarified the microstructure and crystallography of martensite variants in Hf- and Zr-based alloys. The crystal structure of martensite and self-accommodation are closely related to the shear and shuffling mechanism. The movement of each martensitic variant and self-accommodation by applied strain was also clarified. These obtained results and discussion are very useful to understand martensitic transformation, leading to improve the high temperature shape memory characteristics.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

二酸化炭素および化石燃料使用量を削減するための取り組みとして，制御・計測機器の軽量化を目的とした高温形状記憶合金の開発が進められている。本研究では，形状記憶特性を担う熱弾性型マルテンサイト変態の原子変位機構に着目し，高温に変態温度を有するHfおよびZr基合金マルテンサイトバリアントの内部組織や自己調整構造について明らかにすることで，高温形状記憶・超弾性合金の特性向上に関する新たな材料設計指針が得られたことから，社会的意義もある研究成果といえる。

Research Products

• [Journal Article] Self-Accommodation and Deformation Microstructure of Martensite in Ti₃₀Ni₅₀Zr₂₀ Alloy (2024)
  • Author(s): K. Onaka, K. Hirayama, M. Matsuda
  • Journal Title: MATERIALS TRANSACTIONS Volume: 65 Issue: 3 Pages: 268-273
  • DOI: 10.2320/matertrans.MT-M2023200
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • Year and Date: 2024-03-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of Hf on the lattice invariant shear and self-accommodation of martensite in Ti-Ni-Hf alloys (2023)
  • Author(s): M. Matsuda, N. Maeda, K. Onaka, H. Akamine, M. Nishida
  • Journal Title: Journal of Materials Science Volume: 58 Issue: 26 Pages: 10896-10910
  • DOI: 10.1007/s10853-023-08707-w
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Microstructural characteristics and self-accommodation of the martensite in equiatomic ZrPd and near-equiatomic NiZr alloys (2023)
  • Author(s): K. Onaka, T. Yoshioka, M. Matsuda
  • Journal Title: Journal of Materials Science Volume: 58 Issue: 4 Pages: 1951-1965
  • DOI: 10.1007/s10853-023-08143-w
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of Hf on the microstructure and martensitic transformation behavior in Ti-Pd-Hf alloy (2022)
  • Author(s): M. Matsuda, K. Kiwaki, H. Akamine, M. Nishida
  • Journal Title: Journal of Alloys and Compounds Volume: 917 Pages: 165491-165491
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.165491
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 等原子比組成ZrCu合金マルテンサイト相の格子不変変形と自己調整構造 (2023)
  • Author(s): 尾中晃生, 吉岡徹郎, 井 誠一郎, 松田光弘
  • Organizer: 第13回 SMAシンポジウム2023
• [Presentation] 等原子比組成ZrCu 形状記憶合金の引張変形と熱サイクルによる組織変化 (2023)
  • Author(s): 吉岡徹郎, 尾中晃生, 松田光弘, 平山恭介
  • Organizer: 日本金属学会2023年秋期講演大会
• [Presentation] 透過型電子顕微鏡法によるTi-Pd-Hf合金における析出物の微細構造解析 (2023)
  • Author(s): 楠田かおり、松田光弘、尾中晃生、赤嶺大志、西田 稔
  • Organizer: 日本金属学会2023年春期講演大会
• [Presentation] 等原子比組成ZrPdおよびZrNi合金マルテンサイト相の自己調整構造 (2022)
  • Author(s): 尾中晃生、吉岡徹郎、松田光弘
  • Organizer: 日本金属学会2022年秋期講演大会
• [Presentation] 二元系Ti-Hf合金の相変態と微細構造解析 (2022)
  • Author(s): 大住崇一郎、尾中晃生、松田光弘
  • Organizer: 日本金属学会2022年秋期講演大会
• [Presentation] Ti-Pd-Hf合金に生成するH相の微細構造解析 (2021)
  • Author(s): 木脇広大，松田光弘，赤嶺大志，西田 稔
  • Organizer: 2021年度合同学術講演大会（オンライン開催）
• [Presentation] Ti-Ni-Hf合金B33マルテンサイト相の自己調整構造の形態と結晶学 (2021)
  • Author(s): 前田信行，松田光弘，赤嶺大志，西田 稔
  • Organizer: 2021年度合同学術講演大会（オンライン開催）
• [Presentation] 等原子比組成TiHf合金の相変態と微細構造解析 (2021)
  • Author(s): 大住崇一郎，松田光弘
  • Organizer: 2021年度合同学術講演大会（オンライン開催）
• [Presentation] Ti-Ni-Hf高温型形状記憶合金マルテンサイト相の自己調整構造 (2021)
  • Author(s): 前田信行，松田光弘，赤嶺大志，西田 稔
  • Organizer: 第105回軽金属学会九州支部例会（オンライン開催）
  • Invited
• [Presentation] 等原子比組成TiHf合金の微視組織観察と相変態 (2021)
  • Author(s): 大住崇一郎，松田光弘
  • Organizer: 第105回軽金属学会九州支部例会（オンライン開催）
  • Invited
• [Presentation] Ti-Pd-Hf合金の微細構造とマルテンサイト変態挙動 (2021)
  • Author(s): 木脇広大，松田光弘，赤嶺大志，西田 稔
  • Organizer: 日本金属学会2021年秋期講演大会（オンライン開催）
• [Presentation] Ti-Ni-Hf合金マルテンサイト相の自己調整構造の形態と結晶学 (2021)
  • Author(s): 前田信行，松田光弘，御手洗容子，松下能孝，赤嶺大志，西田 稔
  • Organizer: 日本金属学会2021年秋期講演大会（オンライン開催）
• [Presentation] 二元系Ti-Hf合金の微細構造解析と組織形成機構の検討 (2021)
  • Author(s): 大住崇一郎，松田光弘
  • Organizer: 日本金属学会2021年秋期講演大会（オンライン開催）
• [Presentation] Ti-Pd基形状記憶合金の微細構造とマルテンサイト変態挙動に及ぼすHf置換の影響 (2020)
  • Author(s): 木脇広大，松田光弘，赤嶺大志，西田 稔
  • Organizer: 日本金属学会2020年秋期講演大会（オンライン開催）
• [Presentation] Ti-Ni-Hf合金マルテンサイト相の結晶構造と自己調整組織 (2020)
  • Author(s): 前田信行，松田光弘，赤嶺大志，西田 稔
  • Organizer: 日本金属学会2020年秋期講演大会（オンライン開催）
• [Presentation] Ti-Pd-Hf合金のHf置換に伴う組織変化と微細構造解析 (2020)
  • Author(s): 木脇広大, 松田光弘, 赤嶺大志, 西田 稔
  • Organizer: 第62回 日本顕微鏡学会 九州支部総会・学術講演会（オンライン開催）