2016 Fiscal Year Annual Research Report
Ferrous Structural Superelastic Alloys-New Stage of Shape Memory Materials-
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15H05766
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
貝沼 亮介 東北大学, 工学研究科, 教授 (20202004)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大沼 郁雄 国立研究開発法人物質・材料研究機構, その他部局等, その他研究員 (20250714)
荒木 慶一 京都大学, 工学研究科, 准教授 (50324653)
大森 俊洋 東北大学, 工学研究科, 准教授 (60451530)
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| Project Period (FY) |
2015-05-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 超弾性 / 形状記憶合金 / マルテンサイト変態 / 鉄合金 / 組織制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．粒界析出の抑制：FNCATi合金の相安定性を評価する目的で既存熱力学データベース(TCNI5)を使用して相平衡を計算したところ、β相の安定性を過剰に高く評価していることが判明した。そこで、β相の安定性を修正した上で再計算し固溶温度を正しく計算することができるようになった。また、計算の結果、如何なるAl/Ti組成比であっても脆性析出相を抑制することは困難であることが判明した。以上より、延性改善のため、今後はβ相の安定性を前提とした組織制御を実施するべきとの指針が得られた。また、マルテンサイト変態の制御を目的とした第３世代CALPHAD法に基づくFe-Mn-Al-Ni系データベース構築を始めることとし、Fe-Al系を対象に、確定していない部分の実験的決定を行った。
２．整合析出組織制御：計算状態図によると、γ’形成元素であるAlやTaを増やすことでγ’相の存在分率が高まり、時効による硬度の上昇が期待できる。600℃の時効時間によるFNCATaB合金の硬度変化を調査したところ、Taの添加により著しい硬度の上昇が得られた。また、硬さの上昇は、時効温度が高いほど急激に生じ、変態温度も高くなる傾向が見られた。以上の研究により、FNCATaB合金の最適組成及び最適熱処理が確定できた。
３．結晶粒組織制御と超弾性評価：異常粒成長現象をFMAN合金に適用し、本現象を利用できることを証明するとともに、当初の目標4mmを大きく超える30mmの単結晶の作製に成功した。また、低温域サイクル熱処理でサブグレインの傾斜角を増大させると著しく成長が早まることから、駆動力がサブグレインエネルギーであることを初めて明らかにした。粒成長させたバンブー組織材においてγ相の粒界析出を利用することで、FMAN合金の延性が向上することもわかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
材料設計の指針となる相安定性の検討を行うため、熱力学データベースの整備を計画、実験データをもとに検討した結果、既存データベースの改良により相安定性を予測が可能となった。これにより新たに第3世代CALPHADを取り入れるための研究を実施する事が出来た。整合析出組織制御においては、FNCATaB系及びFNCATiB系において超弾性を得るのに不可欠な時効条件を明らかにする事が出来た。FNCATaB系とFMAN系との組織的比較検討を行う事ができ、順調に研究が進展した。また、実験及び上述の熱力学計算の結果、脆化の原因となるβ相を化学的自由エネルギーの観点で完全に不安定化することは出来ない事が判明した。しかし、新たにβ相は集合組織の形成に重要な役割を果たしている事が判明し、組織制御に不可欠である事がわかった。そこで、β相を集合組織形成に有効に利用するとともに、脆化の原因となる粒界析出をできるだけ抑制するための組織制御や他の合金元素を検討するべきとの方向性が得られた。さらに、FMAN合金においては、異常粒成長を利用することにより、研究開始当初の目標であった平均粒径4mmを大きく超える30mmの単結晶を作製することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．粒界析出の抑制：平成28年度の研究により、β相は集合組織の形成に重要な役割を果たしている事が判明したので、β相の存在を前提に、脆化の原因となる粒界析出をできるだけ抑制するための組織制御や他の合金元素を検討する
２．整合析出組織制御：FNCATiB合金およびFMAN合金について、種々の時効熱処理条件で熱処理を行い、マルテンサイト変態の熱サイクルおよび超弾性応力サイクルの安定性について調査する。また、透過電子顕微鏡を利用した組織観察によりマトリックスと析出物の界面整合性を評価し、fccがマトリックスの場合とbccがマトリックスの場合の違いについて考察する。以上を通して、両合金系について最適析出組織（析出相の平均サイズや体積分率等）の設計指針の明確化を目指す。
３．結晶粒組織制御：平成28年度の研究により、FNCATiB合金では異常粒成長が殆ど生じないことが判明したので、今後の異常粒成長の研究はFNCA合金系に集中するものとする。また、加工度や熱処理条件を系統的に変えながら両合金の加工&再結晶集合組織形成に関する調査を行う。また、FNCA合金系に関しては、実用的に有用な<100>集合組織を強める方法を探索する。
４．大型部材の特性評価：FMAN合金で超弾性特性を得るために必要な異常粒成長のための熱処理温度が1300℃と高いため、熱処理中の酸化が問題になることが判明した。そこで、耐酸化性の向上が期待できるCrを添加した合金を設計し実際に作製を試みる。また、FNCA合金系について製造性の検証や大型サイズ試料片の作製を試みる。
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