応力誘起変態制御によるインバー合金の開発と工業材料への展開

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14102030
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 石田 清仁 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 教授 (20151368)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山内 清 NECトーキン株式会社, 技術開発本部, マネージャー(研究職) ; 大沼 郁雄 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (20250714) ; 貝沼 亮介 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (20202004)
• Keywords: インバー特性 / 熱膨脹 / 形状記憶合金 / 2方向形状記憶 / Cu-Zn-Al合金 / 冷間加工 / 応力誘起変態 / マルテンサイト変態

Research Abstract

一般に,熱膨張係数は融点に反比例し,材料に固有のものであるためにその制御は困難であると考えられている.本研究は応力誘起マルテンサイト変態を利用した新しいタイプの低熱膨張材料の開発を目的として行った.
熱弾性型マルテンサイト変態を生ずる合金では,過度の歪を与えると加熱・冷却で可逆的に形状が変化する二方向形状記憶効果が得られる.この効果が加工によってどの様に変化するかを定量的に調査した.まず,典型的な熱弾性型マルテンサイト変態を生ずるCu-Zn-Al合金は変態に伴う温度ヒステリシスを示し,その温度幅は約30℃である.しかし,冷間圧延などの加工を行うことにより温度幅は広がり,1%以上の冷間圧延で約140℃のヒステリシスが得られた.さらに,冷間圧延を行った合金は,圧延方向に対して冷却で膨張するという負の熱膨張係数を示すが,Cu-Zn-Al合金では1.5%の冷間圧延をすると圧延方向に0.49%の二方向形状記憶効果が得られ,さらに加工度を増すにつれて小さくなり,9%以上の圧延ではほぼ0%となった.即ち,9%以上の圧延で熱膨張曲線が加熱・冷却で直線となる.このときの熱膨張係数は,9%圧延のときほぼ0になり,圧延率がさらに増加すると二方向形状記憶効果は見られずに正となった.以上のことから,9%の歪を予め材料に与えておくことにより,140℃の温度幅(-100℃〜40℃)で熱膨張係数がほぼゼロ(0±3×10^<-6>K^<-1>)となる材料を得ることができた.-190℃〜90℃の間で500回の温度サイクルを行っても同様の熱膨張曲線が得られ,加熱・冷却の繰り返しにも安定である事がわかった.さらに,冷間圧延をクロス圧延とすることにより,一方向のみならず圧延面のどの方向に対しても熱膨脹係数がほぼゼロとなることが明らかになった.Cu-Zn-Al合金の導電率は約20%LACSと高く,精密機器などに加えて電子実装部品などへの応用などが期待される.

Research Products

• [Publications] R.Kainulma, J.J.Wang, T.Omori, Y.Sutou, K.Ishida: "Invar-type Effect induced by Cold-rolling Deformation in Shape Memory Alloys"Applied Physics Letters. 80. 4348-4350 (2002)
• [Publications] T.Omori, J.J.Wang, Y.Sutou, R.Kainuma, K.Ishida: "Two-way Shape Memory Effect Induced by Bending Deformation in Ductile Cu-Al-Mn Alloys"Materials Transactions. 43. 1676-1683 (2002)
• [Publications] Y.Sutou, T.Omori, R.Kainuma, N.Ono, K.Ishida: "Enhancement of Superelasticity in Cu-Al-Mn-Ni Shape Memory Alloys"Metall. Materials Transactions. 33A. 2817-2824 (2002)
• [Publications] T.Omori, Y.Sutou, J.J.Wang, R.Kainuma, K.Ishida: "Effect of Microstructure on Two-Way Shape Memory Effect in Cu-Al-Mn Alloys"J. de Phys.. (in press).
• [Publications] Y.Sutou, T.Omori, J.J.Wang, R.Kainuma, K.Ishida: "Effect of Grain Size and Texture on Superelasticity of Cu-Al-Mn-Based Shape Memory Alloys"J. de Phys.. (in press).
• [Publications] 大森俊洋, 肥田直樹, 須藤祐司, 貝沼亮介, 石田清仁: "高延性Cu-Al-Mn基合金の制振特性"銅と銅合金. 42巻(発売予定).