エントロピーに基づく合金設計変革とワイドレンジ形状記憶合金の開発

• Project/Area Number: 21K18179
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 大森 俊洋 東北大学, 工学研究科, 教授 (60451530)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2024: ¥9,880,000 (Direct Cost: ¥7,600,000、Indirect Cost: ¥2,280,000); Fiscal Year 2023: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000); Fiscal Year 2022: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: マルテンサイト変態 / エントロピー / 熱力学解析 / 形状記憶効果 / 熱力学 / 状態図 / 相変態 / 超弾性 / 相安定性 / 形状記憶

Outline of Research at the Start

これまで，超弾性合金における応力の温度依存性は不可避的で制御困難と認識されてきた中，本研究では，温度依存性の制御を可能にするためにエントロピー差を考慮した合金設計に挑戦する。Fe系，Cu系，Co系形状記憶合金におけるエントロピーの実験的決定と熱力学解析に基づき，エントロピーを積極的に考慮した合金設計手法を提案する。また，合金設計に基づき，応力の温度依存性のない超弾性，極低温から駆動できる形状記憶効果を発現する形状記憶合金を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、温度依存性の制御を可能にするためにエントロピー差を考慮した合金設計に取り組んだ。Fe系，Cu系，Co系形状記憶合金におけるエントロピーの実験的決定と熱力学解析に基づき、エントロピーを積極的に考慮した合金設計手法を提案する。また、合金設計に基づき、応力の温度依存性のない超弾性、極低温から駆動できる形状記憶効果を発現する形状記憶合金を開発する。本研究では以下について実施した。
複数のX元素に対し、Fe-Mn-X系のBCC/FCC変態に関する熱力学解析を行った。BCC/FCCの相対的な安定性と両相の磁気エネルギーの関係をCALPHAD法による熱力学解析で計算し、相変態を予測できることができた。格子のエントロピーに加え、磁気の影響により変態特性が大きく変わることが分かった。今後の合金設計の指針として利用可能である。
さらに、Cu-Al-Mn合金において低Ms温度を有する合金組成を特定し、応力一定下における形状記憶効果の測定を行った。一定応力は100から650MPaまでの条件で実施した。Mn濃度を高めることで応力下の形状記憶効果を低温・高応力にシフトさせることができた。実用形状記憶合金であるTi-Niと同等の出力が得られ、さらに、従来は不可能であった低温域での大出力が可能であることが分かった。この結果を熱力学解析し、Cu-Al-Mnで低温形状記憶効果が得られたことは、母相とマルテンサイト相のエントロピー差が約50Kまでほぼ一定であることに起因していることを明らかにした。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

低温で形状記憶効果が得られることができ、十分な成果を得られることができた。また、熱力学解析によりこの原因を明らかにすることができた。

Strategy for Future Research Activity

本年度は低温形状記憶効果を実現することができたため、次年度は、ワイドヒステリスの形状記憶効果について取組む予定である。

Research Products

• [Journal Article] 温度依存性の小さい鉄系超弾性合金と組織制御による単結晶化 (2022)
  • Author(s): 大森俊洋、夏季、貝沼亮介
  • Journal Title: ふぇらむ Volume: 27 Pages: 118-125
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Cu-Al-Mn 合金の応力下におけるマルテンサイト変態と形状記憶効果に及ぼすベイナイトの影響 (2023)
  • Author(s): 長谷川凌太, 大森俊洋, 貝沼亮介
  • Organizer: 日本金属学会2023年秋期(第173回)講演大会
• [Presentation] 状態図研究に基づく新規形状記憶合金の開発 (2023)
  • Author(s): 大森俊洋, 貝沼亮介
  • Organizer: 形状記憶合金協会ASMA設立30周年記念講演会
  • Invited
• [Presentation] Wide-Temperature-Range Superelasticity in Fe-Mn-Al-Ni Alloy (2022)
  • Author(s): Toshihiro Omori, Ji Xia, Xiao Xu, Ryosuke Kainuma
  • Organizer: ICOMAT 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Abnormal Behavior in Elastocaloric Effect at Low Temperatures in Co-Cr-Al-Si Alloys (2022)
  • Author(s): Takumi Odaira, Sheng Xu, Xiao Xu, Toshihiro Omori, Ryosuke Kainuma
  • Organizer: ICOMAT 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of Al and Cr contents on superelasticity in Fe-Mn-Al-Ni shape memory alloys (2022)
  • Author(s): Xia Ji, Toru Hoshi, Xiao Xu, Toshihiro Omori, Ryosuke Kainuma
  • Organizer: Material Science and Engineering 2022 Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Wide-Temperature-Range Superelasticity in Fe-Mn-Al-Ni Alloy (2022)
  • Author(s): Toshihiro Omori, Ji Xia, Xiao Xu, Ryosuke Kainuma
  • Organizer: ICOMAT2022
• [Presentation] 温度依存の小さい鉄系超弾性合金の開発 (2021)
  • Author(s): 大森俊洋
  • Organizer: 形状記憶合金協会 第３回ASMAWebセミナー2021
  • Invited
• [Presentation] Cu-Al-Mn 合金における低温形状記憶効果 (2021)
  • Author(s): 佐藤駿介, 大森俊洋, 貝沼亮介
  • Organizer: 日本金属学会2021年秋期（第169回）講演大会