2021 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidation of superelastic mechanisms and property enhancement through multiscale microstructure control in Zr based alloys
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21H01647
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
金 へよん 筑波大学, 数理物質系, 教授 (20333841)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、生体適合性に優れ磁化率が小さいZrに着目し、準安定β型Zr基合金のマルテンサイト変態について材料学的特徴を明らかにし、ヒステリシスの起源と超弾性劣化機構の解明を目的とする。本年度は、特にZr-NbおよびZr-NbおよびZr-Nb-Sn合金を対象にし、母相とマルテンサイト相の結晶構造パラメータに及ぼすNbとSnの影響について系統的に調査した。また、内部組織の特徴と相変態挙動について調査を行い、超弾性特性に及ぼす影響について検討を行った。XRD測定の結果から、斜方晶マルテンサイト(α")相の格子定数はNb量とSn量の増加に伴いa軸は伸長、b軸とc軸は収縮する傾向にあり、母相（bcc β）相の格子定数はNb量の増加に伴い収縮する傾向にあった。超弾性を示す合金組成においてZr-Nb-Sn系合金の最大格子変形歪みは7.5%であり、大きな形状回復を示すポテンシャルを有することが分かった。しかし、負荷-除荷サイクル試験により、超弾性特性を調査した結果、超弾性回復ひずみが最大で2%と小さい値を示した。超弾性を示す組成で比較すると、Snの添加量が大きくNbの添加量が少ないほど、応力ヒステリシスが小さくなり、超弾性特性が改善した。TEM観察結果からマルテンサイト相の中に格子不変変形として、{111}第1種類（Type I）双晶が形成されることが分かった。求められた格子定数と格子不変変形を用い、現象論の計算を行った。その結果、超弾性Zr-Nb基合金の格子不変の割合がTi-Nb基超弾性合金に比べ、大きいことが分かった。さらにZr-Nb基合金において、α"マルテンサイト相の他にすじ状（針状）の組織が確認できた。この組織はTi基超弾性合金では観察されないZr-Nb基合金特有の組織であり、可逆的なマルテンサイト変態を阻害し、超弾性特性の劣化の原因の一つであることが分かった。
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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
計画通り、準安定Zr基合金のマルテンサイト変態の材料学的特徴および超弾性特性について多方面から調査した。その結果、準安定Ti基合金のマルテンサイト変態との共通点と異なる点を明らかにし、Zr基合金の超弾性特性改善の方針を確立することが出来た。
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| Strategy for Future Research Activity |
応力ヒステリシスの低減と超弾性特性の改善を試み、Zr-Ti-Nb-Sn、Zr-Mo-Sn、Zr-Ta-Sn、Zr-Ti-Hf-Nb-Snなど新たに合金系を設計する。各添加元素がマルテンサイト変態温度、結晶構造、微細組織および超弾性特性に及ぼす影響を調査し、合金設計指針を確立する。圧延率、焼鈍温度・時間、時効などの加工熱処理による組織制御を行う。特に、集合組織の形成過程を調査し、特性を最大限引き出す組織制御方法を確立する。
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