2017 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, 構造材料研究拠点, グループリーダー (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 |
本研究は、Fe-Ni-Co-Al(FNCA)基およびFe-Mn-Al(FMA)基合金が抱える材料学的諸問題を解決し、大型かつ低廉な構造用超弾性部材への適用を目指す。これらの目的を達成するために、本年度は以下の研究を実施した。
①粒界析出の抑制：熱力学計算を行った。その結果、FNCATiB合金において脆化の原因となる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できないことが判明した。ただし、低温のマルテンサイト変態を扱える第3世代CALPHADを導入することができるようになった。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した。③結晶粒組織制御：FNCATiB合金における集合組織制御に関して系統的な調査を行い、適切な加工熱処理により＜100＞集合組織が得られることが判明した。ただし、FNCATiB合金に粒界破壊を引き起こすβ相は集合組織の形成に重要な役割を果たしており、その存在は組織制御に不可欠であることがわかった。また、FMAN合金について、加工度や熱処理条件を系統的に変えながら加工&再結晶集合組織形成に関する調査を行った。その結果、加工熱処理により＜110＞集合組織が得られることが分かった。④大型部材の特性評価：今までの研究により、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、FMAN合金にCrを添加した５元合金の設計を行い、その耐酸化性を評価した。また、企業との共同研究を開始し、FNCA合金の溶解・加工を行ってもらい、その製造性の検証が行えた。また、京都大学においてFNCA合金の機械試験を行った。
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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
①新たに第3世代CALPHADを取り入れた研究を開始することができた。得られた低温域における熱力学データは今後の材料設計手法の発展に重要な知見になると考えられる。
②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ことができた。FNCATiB合金において、当初の予想を超える500サイクル以上の耐繰り返し疲特性が得られた。FMANとの組織的比較検討を行うことができ、順調に研究が進展した。
③さらに、FMAN合金においては、異常粒成長により目標の4mmを大きく超える30mmの単結晶を作製することができた。
④FMAN合金は企業との共同研究が開始され、製造性の検証が行えたことは順調な成果と言える。同時に、超弾性応力の温度依存性がほとんど消失する現象が見つかるなど、研究の進展が見られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今まで得られた結果から、FNCATB合金では粒界析出の問題解決は容易ではなく、異常粒成長の利用も難しいことが判明した。そこで最終年度であるH30年度は、以下の研究に取り組む。
（１）粒界析出の抑制： 状態図計算の結果NiAl相の相安定性を低下させることで析出を抑制することは困難であることが判明したので、さらなる集合組織の強化により粒界析出を抑制し、靭性と超弾性特性を両立させる方向性で今後の研究を進める。ただし、マルテンサイト変態制御のために第３世代CALPHAD法のデータベース構築を新たに研究内容に入れる。（２）整合析出制御： FMAN合金においては、室温時効が生じ超弾性特性が変化してしまうことが、米国の研究グループにより発表された。そこで、当初の研究計画に加え、本問題の解決に取り組むものとする。具体的には、析出物の界面エネルギーの低下や拡散の遅延を目的とした元素添加等の手法を検討する。（３）結晶粒径および集合組織制御：母相がfcc構造であるFNCAXB合金では、殆ど異常粒成長が得られなかった。更に異なる熱処理条件でFNCAXB合金における異常粒成長の調査を行うが、繰り返し熱処理法が難しい場合には歪焼鈍法やインヒビター法など他の手法も試みるものとする。（４）建築・機械部材への適用可能性評価：素材メーカーとの共同研究によりFMAN合金棒材を作製したが、安定した超弾性を得ることは出来ず、粒界破壊が生じた。そこで、今後は、素材メーカーに大型の不活性ガス雰囲気炉を導入してもらい、酸化防止の体制を整えながらCr添加材を中心とした大型部材の作製に取り組む予定である。
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