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Elastic modulus softening phenomena caused by deformation-induced phase transformation in Ti alloys and its application to biomaterials

Research Project

Project/Area Number 19K22059
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
Research InstitutionOsaka City University (2021)
Osaka University (2019-2020)

Principal Investigator

Tane Masakazu  大阪市立大学, 大学院工学研究科, 教授 (80379099)

Project Period (FY) 2019-06-28 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Keywords塑性変形 / 相変態 / チタン合金 / 弾性論
Outline of Research at the Start

骨折用プレート等の生体インプラント(埋入用)材料の応用において、チタン合金等の生体インプラント用材料の低ヤング率化が求められている。最近、低ヤング率化を実現したβ型チタン合金において、その弾性率が塑性変形およびそれに伴うオメガ変態(変形誘起オメガ変態)によって低下する可能性が明らかとなった。そこで、本研究では変形誘起オメガ変態に関連した弾性率軟化のメカニズムを明らかにし、新規な変形誘起オメガ変態理論を構築することで、塑性変形およびそれに伴うオメガ変態を考慮したチタン合金の低弾性率化のための新たな材料設計指針を構築する。

Outline of Final Research Achievements

For Ti alloys whose stability of the bcc structure was lowered to reduce the elastic modulus, the plastic deformation mode depending on the stability of the bcc structure and the change in elastic modulus caused the deformation-induced omega transformation were clarified. Furthermore, a strategy for the evaluation of the change in elastic modulus with the plastic deformation and omega-phase formation, which combines an effective-mean field theory and Voigt-Reuss-Hill approximation, was constructed. This strategy is applicable to the design of biomedical implants.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

生体用インプラント材料として重要な低弾性率化を実現したbcc構造を有するTi合金・単結晶に対して、bcc構造の安定性に依存した変形モードによる塑性変形と変形誘起オメガ変態に伴う弾性率変化との相関関係を明らかにしたことが本研究の学術的意義である。さらに、塑性変形および変形誘起相転移に伴う弾性率変化を考慮して生体インプラント材料の設計が可能であることを示したことが社会的意義として挙げられる。

Report

(3 results)
  • 2021 Final Research Report ( PDF )
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (11 results)

All 2020 2019

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 3 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Effects of solute oxygen on kinetics of diffusionless isothermal ω transformation in β-titanium alloys2020

    • Author(s)
      N.L. Okamoto, S. Kasatani, M. Luckabauer, M. Tane, T. Ichitsubo
    • Journal Title

      Scripta Materialia

      Volume: 188 Pages: 88-91

    • DOI

      10.1016/j.scriptamat.2020.07.005

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Evolution of microstructure and variations in mechanical properties accompanied with diffusionless isothermal ω transformation in β-titanium alloys2020

    • Author(s)
      N.L. Okamoto, S. Kasatani, M. Luckabauer, R. Enzinger, S. Tsutsui, M. Tane, T. Ichitsubo
    • Journal Title

      Physical Review Materials

      Volume: 4 Issue: 12 Pages: 123603-123603

    • DOI

      10.1103/physrevmaterials.4.123603

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Effect of Crystallographic Orientation, Grain Shape, and Elastic Anisotropy on X-ray Stress Factor in Polycrystals with Crystallographic Textures2019

    • Author(s)
      多根 正和
    • Journal Title

      Tetsu-to-Hagane

      Volume: 105 Issue: 11 Pages: 1080-1089

    • DOI

      10.2355/tetsutohagane.TETSU-2019-052

    • NAID

      130007738849

    • ISSN
      0021-1575, 1883-2954
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 微視的弾性理論の構築を基軸とした生体および構造用金属材料の弾性特性および相転移挙動の解明2020

    • Author(s)
      多根 正和
    • Organizer
      日本金属学会2020年春期(第166回)講演
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] Micromechanics-based extraction of single-crystalline elastic constants from polycrystalline samples: Application to Ti and Mg alloys2019

    • Author(s)
      Masakazu Tane
    • Organizer
      European Congress And Exhibition on Advanced Materials and Processes (EUROMAT 2019)
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 凍結された合金組成ゆらぎによって引き起こされるβ型チタン合金における無拡散等温ω変態2019

    • Author(s)
      多根 正和, 岡本 範彦, 井上 耕治, Martin Luckabauer, 永井 康介, 関野 徹, 中野 貴由, 市坪 哲
    • Organizer
      日本金属学会2019年秋期(第165回)講演大会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] 無拡散等温ω変態に起因した室温時効下での弾性率増加に及ぼす酸素およびAl添加の影響2019

    • Author(s)
      西尾 祐輝, 多根 正和, 関野 徹, 市坪 哲
    • Organizer
      日本金属学会2019年秋期(第165回)講演大会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] β型Ti-V合金の低温域における弾性・擬弾性測定とX線非弾性散乱測定2019

    • Author(s)
      笠谷 周平, 岡本 範彦, 多根 正和, Martin Luckabauer, 筒井 智嗣, 市坪 哲
    • Organizer
      日本金属学会2019年秋期(第165回)講演大会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] 無拡散等温ω変態に伴うβ型Ti合金の微細組織および硬度変化2019

    • Author(s)
      岡本 範彦, 笠谷 周平, Martin Luckabauer, 多根 正和, 市坪 哲
    • Organizer
      日本金属学会2019年秋期(第165回)講演大会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] 凍結された合金組成ゆらぎによって駆動される無拡散等温オメガ変態の熱・統計力学と速度論ーDiffusionless isothermal omega transformation in titanium alloys driven by quenched-in compositional fluctuations2019

    • Author(s)
      多根 正和, 岡本 範彦, 井上 耕治, Martin Luckabauer, 永井 康介, 関野 徹, 中野 貴由, 市坪 哲
    • Organizer
      合金状態図第172委員会 第37回委員会・研究会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] Diffusionless isothermal omega transformation in titanium alloys: Thermodynamics and kinetics of displacive phase transition driven by quenched-in compositional fluctuations2019

    • Author(s)
      Masakazu Tane, Norihiko L. Okamoto, Koji Inoue, Martin Luckabauer, Yasuyoshi Nagai, Tohru Sekino, Takayoshi Nakano, and Tetsu Ichitsubo
    • Organizer
      Summit of Materials Science 2019 and GIMRT User Meeting 2019
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited

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Published: 2019-07-04   Modified: 2023-12-25  

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