Guiding principle of long-life shape memory alloy by controlling domain structure and strengthening

• Project/Area Number: 21H04613
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
• Research Institution: Institute of Science Tokyo
• Principal Investigator: 稲邑 朋也 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (60361771)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥43,030,000 (Direct Cost: ¥33,100,000、Indirect Cost: ¥9,930,000); Fiscal Year 2024: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2023: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2022: ¥12,610,000 (Direct Cost: ¥9,700,000、Indirect Cost: ¥2,910,000); Fiscal Year 2021: ¥22,750,000 (Direct Cost: ¥17,500,000、Indirect Cost: ¥5,250,000)
• Keywords: マルテンサイト変態 / 形状記憶号金 / 形状記憶効果 / 長寿命化 / 転位密度 / 形状記憶合金 / 回位 / 加工熱処理 / マルテンサイト / 適合条件 / ３重点

Outline of Research at the Start

形状記憶効果は繰り返し駆動による機能劣化が激しくほとんど実用化されていない．本提案ではドメイン組織のねじれに注目し，「ねじれの完全消去条件」とその近傍での残留ねじれ・ドメイン組織・転位累積・特性の関係を明らかにし，ねじれによる転位累積が機能劣化の主因であることを立証し長寿命化原理を確立する．さらに，ねじれは小さければ弾性緩和されることに着目し，残留していても機能劣化が進行しない「許容ねじれ量」が存在し，降伏応力を高めれば許容ねじれ量を拡大できることを検証する．これらにより，材料学的に裏付けされた，合金組成の選択幅が担保された実現性の高い長寿命化設計指導原理を構築する．

Outline of Annual Research Achievements

加工熱処理法とねじれ制御の相乗効果によって形状記憶合金の長寿命化が可能であることは昨年度までに明らかにしている．そこで今年度は，さらに降伏応力の増加と，ねじれ制御それぞれが長寿命化に与える効果を分離して評価することに重点を置いて研究を行った．
添加元素によりねじれ消去すると，固溶強化の度合いが変化することを加味すると，ねじれ消去による転位抑制効果と，固溶強化による転位抑制効果を分離して評価する必要がある．そこで降伏応力がほぼ等しくねじれの大きさだけがことなる３種の合金を準備して，X線回折による転位密度測定を行った．その結果，ねじれの大きさが小さくなることで，繰り返し変態によって生じる転位の密度は小さくなることが明らかになった．したがって本長寿命化手法は損傷蓄積の抑制に極めて有効であることが示された．
組織形成のその場観察をおこない，ねじれ低減にともなう組織形成過程の変化を解析した．その結果，ねじれの大きさが低減すると，複数のドメインが結合した複雑なドメイン構造のコロニーが同時に発生するというマルテンサイト変態組織としては特異な形成過程を経ることも明らかにした．

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初の計画を超えて，組織形成過程におよぼすねじれの効果が明らかになりつつあることから区分（１）とした．

Strategy for Future Research Activity

組織形成過程を詳しく解析し，ねじれが組織形成に及ぼす影響を明らかにすることで，本長寿命化法の有効性を示すとともに，マルテンサイト組織形成の学理深化を目指す．

Research Products

• [Journal Article] Comparison of Dislocation Accumulation Behavior upon Thermal Cycling in Ti–30Ni–20Cu and Ti–39Ni–11Pd Shape Memory Alloys (2024)
  • Author(s): A. Heima, Y. Shinohara, T. Inamura
  • Journal Title: MATERIALS TRANSACTIONS Volume: 65 Issue: 3 Pages: 352-355
  • DOI: 10.2320/matertrans.MT-M2023202
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • Year and Date: 2024-03-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Peculiar martensitic microstructure and dislocation accumulation behavior in Ti-Ni-Cu shape memory alloys almost satisfying the triplet condition (2024)
  • Author(s): A. Heima, Y. Shinohara, H. Akamine, M. Nishida, T. Inamura
  • Journal Title: Acta Materialia Volume: 269 Pages: 119823-119823
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2024.119823
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Where and when are dislocations induced by thermal cycling in Ti-Ni shape memory alloys? (2023)
  • Author(s): Akamine H., Heima A., Soejima Y., Inamura T., Nishida M.
  • Journal Title: Acta Materiallia Volume: 244 Pages: 118588-118588
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2022.118588
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Design Principle of Long-Life Shape Memory Alloy Based on the Geometry of Martensite Microstructure (2022)
  • Author(s): 稲邑朋也
  • Journal Title: Journal of the Society of Materials Science, Japan Volume: 71 Issue: 9 Pages: 729-734
  • DOI: 10.2472/jsms.71.729
  • ISSN: 0514-5163, 1880-7488
  • Year and Date: 2022-09-15
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Triplet condition: A new condition of supercompatibility between martensitic phases (2022)
  • Author(s): Porta Francesco Della、Heima Akira、Shinohara Yuri、Akamine Hiroshi、Nishida Minoru、Inamura Tomonari
  • Journal Title: Journal of the Mechanics and Physics of Solids Volume: 169 Pages: 105050-105050
  • DOI: 10.1016/j.jmps.2022.105050
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] A next best approach to obtain supercompatible martensite microstructure and how it works (2024)
  • Author(s): T. Inamura
  • Organizer: IAS Focused Program on Continuum Theory and Mathematical Modeling of Phase-transition Materials - A symposium in Honor of Professor Richard D. James on His 70th Birthday
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] マルテンサイト組織の適合条件を調整したTiNi基形状記憶合金におけるMsの熱サイクル数依存性 (2023)
  • Author(s): 高田龍平, 平間慧, 篠原百合, 稲邑朋也
  • Organizer: 日本金属学会2023年秋期講演大会
• [Presentation] TiNi合金の自己調整組織における不適合性のNi濃度依存性 (2023)
  • Author(s): 彦坂元, 副島洋平, 赤嶺大志, 西田稔, 稲邑朋也
  • Organizer: 日本金属学会2023年秋期講演大会
• [Presentation] TiNiCuHf形状記憶合金におけるマルテンサイト変態過程のその場観察 (2023)
  • Author(s): 井上 ひかり, 平間 慧, 篠原 百合, 稲邑 朋也
  • Organizer: 日本金属学会2023年秋期講演大会
• [Presentation] TiNi合金のB19'マルテンサイトの晶癖面における塑性緩和の運動学的解析 (2022)
  • Author(s): 彦坂元，平間慧，篠原百合，赤嶺大志，西田稔，稲邑朋也
  • Organizer: 日本金属学会2022年秋期講演大会
• [Presentation] Triplet条件を満たすTiNiCu合金の形状記憶特性に及ぼす加工熱処理の影響 (2022)
  • Author(s): 半田俊喜，平間慧，篠原百合，稲邑朋也
  • Organizer: 日本金属学会2022年秋期講演大会
• [Presentation] Ti-30Ni-20Cu形状記憶合金におけるマルテンサイトバリアント間の方位関係 (2022)
  • Author(s): 平間慧，篠原百合，稲邑朋也
  • Organizer: 日本金属学会2022年秋期講演大会
• [Presentation] A condition of supercompatibility between martensite variants (2022)
  • Author(s): Tomonari Inamura
  • Organizer: Microstructures in Elasticity and Phase-Transforming Solids
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Compatibility condition at triple junction of martensite and unusual microstructure in TiNiCu alloy (2022)
  • Author(s): Tomonari Inamura, Francesco Della Porta, Akira Heima, Yuri Shinohara, Minoru Nishida
  • Organizer: International conference on martensitic transformation (ICOMAT 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Characterization of dislocation substructures and detection of residual strain induced by thermoelastic martensitic transformation in Ti-Ni based alloys (2022)
  • Author(s): Akira Heima, Takumi Higashizono, Ryosuke Nishikawa, Hiroshi Akamine, Tomonari Inamura, Minoru Nishida
  • Organizer: International conference on martensitic transformation (ICOMAT 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Abnormal martensite microstructure in TiNi-based alloys not satisfying cofactor condition (2021)
  • Author(s): Tomonari Inamura, Francesco Della Porta, Akira Heima, Yuri Sinohara, Minoru Nishida
  • Organizer: SIAM conference on Mathematical Aspects of Materials Science
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ti-Ni-Cu形状記憶合金における特異なマルテンサイト組織 (2021)
  • Author(s): 平間慧，F. Della Porta, 篠原百合，西田稔，稲邑朋也
  • Organizer: 日本金属学会2021年秋期大会