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Elucidation of superelastic mechanisms and property enhancement through multiscale microstructure control in Zr based alloys

Research Project

Project/Area Number 23K21044
Project/Area Number (Other) 21H01647 (2021-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 26040:Structural materials and functional materials-related
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

金 へよん  筑波大学, 数理物質系, 教授 (20333841)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2021: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000)
Keywordsマルテンサイト変態 / 形状記憶合金 / 超弾性 / Zr合金 / 生体材料
Outline of Research at the Start

生体・医療分野において、MRIアーチファクトを低減する新たな超弾性合金が望ましい。生体適合性に優れ磁化率が小さいZrに着目し、準安定Zr基合金のマルテンサイト変態について界面構造、格子不変変形、内部欠陥など材料学的特徴を明らかにし、超弾性機構を解明する。低磁化率、生体適合性、高強度、高耐久性を併せ持つ新たなZr基生体・医療用超弾性合金の合金設計指針・組織制御指針を確立する。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、超弾性特性および力学特性の向上を試み、Zr-Mo-Sn、Zr-Ta-Sn、Zr-Fe-Sn、Zr-Nb-Al、Zr-Ti-Nb-Sn、Zr-Ti-Hf-Nb-Sn系合金の組成最適化および組織制御を行った。各合金をアルゴンアーク溶解法で作製し加工熱処理を施した後、微細組織、結晶構造、変態温度、形状記憶特性、超弾性特性を調べた。
Zr-(2~4)Mo-(3~5)Sn合金を用いて、形状記憶・超弾性特性の組成依存性を調査した。3Sn合金の場合は、いずれのMo濃度でも明確な形状記憶・超弾性特性は発現しなかった。Sn濃度を増加させることで形状記憶・超弾性特性が向上し、5Sn 材(Zr-3Mo-5Sn合金)で最も良好な形状記憶・超弾性特性を示した。Sn量の増加に伴い、マルテンサイト変態を阻害する非熱的ω相および体心正方晶のβ'相が抑制され、応力ヒステリシスが減少した。また、Sn量の増加は、変態ひずみが大きな<110>集合組織の形成にも有効であることが分かった。β'相の内部応力による影響を調査した結果、β'相は引張の内部応力が大きい環境で形成されやすいことが示唆された。
Zr-Ta-3Sn合金では、Zr-(9~11)Ta-3Sn合金において、良好な形状記憶効果が確認できたが、超弾性は発現しなかった。Ta添加量の増加に伴い、β'相およびβ-Taが形成され、β相単相の組成を得ることができなかった。Zr-(4~6)Fe-3Sn合金では、形状記憶効果も超弾性も発現しなかった。溶体化処理後の冷却時に共析反応によりα相と金属間化合物Zr3Feが形成したためである。
Zrの同族元素であるTiとHfの影響について調査した。Hfの添加は、磁化率を減少させるため、MRI適合性の改善には有効であるが、超弾性特性は劣化した。その一方Tiは超弾性特性の改善に有効であることが分かった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

計画通り、準安定Zr基合金の相構成、微細組織、マルテンサイト変態挙動、力学特性に及ぼす主要な添加元素の影響について系統的に調査し、超弾性特性に及ぼす添加元素の影響を明らかにしている。種々の合金系において、優れた超弾性を示す組成範囲を明らかにした。Zr基合金の超弾性特性を劣化させる結晶構造因子および組織因子について新たな知見が得られ、超弾性特性改善のための方針が明らかになった。

Strategy for Future Research Activity

これまで調査した種々のZr基合金(Zr-Nb-Sn、Zr-Nb-Al、 Zr-Mo-Sn、Zr-Ta-Sn、Zr-Fe-Sn、 Zr-Ti-Nb-Sn、Zr-Ti-Hf-Nb-Sn)を対象に、相構成、微細組織、力学特性を調査し、超弾性特性を支配する因子を明らかにする。圧延率、焼鈍温度などの加工熱処理条件を変化させ、組織制御を行う。また、優れた超弾性を示す組成を対象に準安定Ti合金の強化に有効性が確認できた酸素、窒素の侵入型元素添加による強化を試みる。これまでの研究結果を基にZr基超弾性合金の合金設計指針と組織制御指針を確立する。

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (17 results)

All 2024 2023 2022 2021

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 5 results) Presentation (12 results) (of which Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Constituent phases, microstructures, and martensitic transformation of β-type Zr-Nb-Sn alloys2023

    • Author(s)
      Wataru Tasaki, Fumiya Okabe, Yosuke Sato, Shuichi Miyazaki, Hee Young Kim
    • Journal Title

      Materials Science and Engineering A

      Volume: 876 Pages: 145121-145121

    • DOI

      10.1016/j.msea.2023.145121

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Achievement of Ultralow Elastic Modulus through Optimization of Phase Stability and Recrystallization Texture in Ti-Nb-Fe-Sn Alloys2023

    • Author(s)
      Muhammad Farzik Ijaz, Wataru Tasaki, Hee Young Kim, Shuichi Miyazaki
    • Journal Title

      Advanced Engineering Materials

      Volume: 25 Issue: 19 Pages: 2300468-2300468

    • DOI

      10.1002/adem.202300468

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Martensitic transformation and shape memory effect of TiZrHf-based multicomponent alloys2023

    • Author(s)
      Wataru Tasaki, Yuzuki Akiyama, Tamotsu Koyano, Shuichi Miyazaki, Hee Young Kim
    • Journal Title

      Journal of Alloys and Compounds

      Volume: 931 Pages: 167496-167496

    • DOI

      10.1016/j.jallcom.2022.167496

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Synthesis and Characterization of a Ti-Zr-Based Alloy with Ultralow Young's Modulus and Excellent Biocompatibility2022

    • Author(s)
      K.M. Kim, Y. Al-Zain, A. Yamamoto, A.H. Daher, A.T. Mansour, J.M. AlAjlouni, A.S. Aloweidi, M.A. Al-Abbadi, H.Y. Kim, S. Miyazaki
    • Journal Title

      Advanced Engineering Materials

      Volume: 24 Issue: 2

    • DOI

      10.1002/adem.202100776

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Effect of N addition on nano-domain structure and mechanical properties of a meta-stable Ti-Zr based alloy2021

    • Author(s)
      J. Fu, H.Y. Kim, S. Miyazaki
    • Journal Title

      Scripta Materialia

      Volume: 203 Pages: 114068-114068

    • DOI

      10.1016/j.scriptamat.2021.114068

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Zr 基合金のマルテンサイト変態と形状記憶・超弾性特性2024

    • Author(s)
      田崎 亘、金 熙榮
    • Organizer
      日本金属学会2024年春期講演大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] ZrSn(Mo, Ta) 合金の微細組織と機械的特性2023

    • Author(s)
      正木 煕、田崎 亘、金 熙榮、宮崎 修一
    • Organizer
      日本金属学会2023年秋期講演大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] (Hf, Zr, Ti)-Nb-Sn合金の相安定性・変形挙動2023

    • Author(s)
      平田 竜都、中野 憲汰、秋山 柚貴、田崎 亘、金 熙榮、宮崎 修一
    • Organizer
      日本金属学会2023年秋期講演大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Ti-(8-10)V-2Fe-3Al合金の変形挙動に及ぼすV濃度の影響2023

    • Author(s)
      原口 智匡、阿依 ダニシ、田崎 亘、金 熙榮
    • Organizer
      日本金属学会2023年秋期講演大会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] TiZrNbSn合金の超弾性特性に及ぼすHf添加の影響2022

    • Author(s)
      中野 憲汰、田崎 亘、金 熙榮、宮崎 修一
    • Organizer
      日本金属学会2022年秋期講演大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Ti-Ni-Pt 合金の形状記憶特性に及ぼすCu 添加と熱処理条件の影響2022

    • Author(s)
      川上 直海、田崎 亘、金 熙榮、宮崎 修一
    • Organizer
      日本金属学会2022年秋期講演大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Ti-Zr-Nb-Sn-Mo-N 合金の再結晶集合組織と機械的特性2022

    • Author(s)
      牧岡 佑樹、田崎 亘、金 熙榮、宮崎 修一
    • Organizer
      日本金属学会2022年秋期講演大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Zr 基超弾性合金の微細組織の透過型電子顕微鏡観察2022

    • Author(s)
      岡部 史弥、田崎 亘、金 熙榮、
    • Organizer
      日本金属学会2022年秋期講演大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Zr基形状記憶合金・超弾性合金の相変態挙動に及ぼすNbとSnの影響2022

    • Author(s)
      田崎 亘、岡部 史弥、金 煕榮
    • Organizer
      日本金属学会春期(第170回)大会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Ti-Nb-Zr-Sn 合金の再結晶集合組織および超弾性特性に及ぼす熱処理時間の影響2021

    • Author(s)
      和田 佳樹, 金 熙榮, 田崎 亘, 宮崎 修一
    • Organizer
      日本金属学会秋期(第169回)講演大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] TiZrHfNbSn 合金の形状記憶・超弾性特性に及ぼすNb・Sn濃度の影響2021

    • Author(s)
      秋山 柚貴, 田崎 亘, 金 熙榮, 宮崎 修一
    • Organizer
      日本金属学会秋期(第169回)講演大会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Zr-Nb-Sn合金のβ相とα”相の結晶構造パラメータに及ぼすNbとSnの影響2021

    • Author(s)
      田崎 亘、岡部 史弥、金 煕榮
    • Organizer
      日本金属学会秋期(第169回)講演大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report

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Published: 2021-04-28   Modified: 2024-12-25  

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