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形状記憶合金の変態温度を予測する手法の確立とそのTi基形状記憶合金への適用

研究課題

研究課題/領域番号 18J15203
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 構造・機能材料
研究機関大阪府立大学

研究代表者

南 大地  大阪府立大学, 人間社会システム科学研究科, 特別研究員(PD)

研究期間 (年度) 2018-04-25 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
1,500千円 (直接経費: 1,500千円)
2019年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2018年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
キーワード第一原理計算 / 形状記憶合金 / マルテンサイト変態温度 / 機械学習
研究実績の概要

本研究は形状記憶合金の変態温度を予測する手法の確立及びそのTi基形状記憶合金への適用と合金設計を目的とした。以下に得られた研究実績を報告する。
まず、第一原理計算により、デバイモデルを用いて母相とマルテンサイト相(M相)の振動エントロピー項を考慮した自由エネルギーを算出し、その自由エネルギー差が0となる温度から変態温度を算出した。その結果、従来の母相‐M相間のエネルギー差から算出する手法よりも高い予測精度が得られた。さらに、変態温度が既知の合金について、第一原理計算で得られた母相‐M相間のエネルギー差および体積弾性率を説明変数、変態温度の実験結果を被説明変数とした人工ニューラルネットワークを構築し、デバイモデルを用いた手法よりさらに高い予測精度が得られた。
構築した変態温度の予測手法を適用しTi基形状記憶合金の合金設計を行った。まずTi-Nb-X合金について、変態温度が室温となる条件下で、ω相を抑制しかつより変態ひずみを大きくする、Ti‐Nb基形状記憶合金の特性改善に有効な元素はAlであった。そこで、Ti-Nb-Al合金について自由エネルギーの変態温度の予測手法を適用し、合金組成の最適化を行った結果、室温で形状記憶特性を発現し、8%の高い変態ひずみを有しかつω相を抑制することができる合金組成を設計できた。
さらに、現在までに開発した形状記憶合金の変態温度を予測する手法を、Ti基形状記憶合金に限らず、より幅広い合金系へ適用することによって網羅的に合金探索を行い、新規形状記憶合金の合金設計を行った。具体的にはTi基形状記憶合金と同様に母相にbcc基調の構造を持つ合金に着目し、1000種類以上の合金候補に対して第一原理計算を行い、母相とマルテンサイト相のエネルギー差と格子変形ひずみの絞り込み条件から、これまで知られていない合金系が新規二元系形状記憶合金であるとの予測結果を得た。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 研究成果

    (10件)

すべて 2019 2018

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (9件)

  • [雑誌論文] Artificial neural network assisted by first-principles calculations for predicting transformation temperatures in shape memory alloys2019

    • 著者名/発表者名
      D. Minami, T. Uesugi, Y. Takigawa, K. Higashi
    • 雑誌名

      International Journal of Modern Physics B

      巻: 33 号: 08 ページ: 1950055-1950055

    • DOI

      10.1142/s0217979219500553

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 機械学習と第一原理計算に基づいた形状記憶合金の変態温度2019

    • 著者名/発表者名
      南大地, 上杉徳照, 瀧川順庸, 東健司
    • 学会等名
      日本機械学会 第32回計算力学講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 第一原理計算によるチタン基合金のα, α”, β, ω相の相安定性における組成依存性の解明2019

    • 著者名/発表者名
      南大地, 上杉徳照, 嶋本純, 瀧川順庸, 東健司
    • 学会等名
      第29回日本MRS年次大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 第一原理計算によるTi-Nb-Al形状記憶合金の合金設計2018

    • 著者名/発表者名
      南大地,上杉徳照,瀧川順庸,東健司
    • 学会等名
      軽金属学会第134回春期大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 第一原理計算と機械学習に基づいた形状記憶合金の変態温度2018

    • 著者名/発表者名
      南大地,上杉徳照,瀧川順庸,東健司
    • 学会等名
      日本金属学会第163回秋期講演大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 第一原理計算によるTi-Cr-Al形状記憶・超弾性合金の最適組成設計2018

    • 著者名/発表者名
      佐藤領,南大地,上杉徳照,岩崎真也,田原正樹,細田秀樹,瀧川順庸,東健司
    • 学会等名
      日本金属学会第163回秋期講演大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Ti-Nb-Al三元系超弾性合金の設計と実験的検証2018

    • 著者名/発表者名
      村田美美,上田伊織,田原正樹,細田秀樹,南大地,上杉徳照,瀧川順庸,東健司
    • 学会等名
      日本金属学会第163回秋期講演大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 生体用Ti-Cr基超弾性合金の新規開発に向けた第一原理合金設計2018

    • 著者名/発表者名
      佐藤領,南大地,上杉徳照,岩崎真也,細田秀樹,瀧川順庸,東健司
    • 学会等名
      日本材料学会第4回材料、屯EK若手学生研究発表会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] チタン合金の変態温度に及ぼす酸素の影響の第一原理計算2018

    • 著者名/発表者名
      上杉徳照,嶋本純,南大地,瀧川順庸,東健司
    • 学会等名
      軽金属学会第135回秋期大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 第一原理計算と機械学習に基づいた形状記憶合金のマルテンサイト変態温度2018

    • 著者名/発表者名
      南大地,上杉徳照,瀧川順庸,東健司
    • 学会等名
      第28回日本MRS年次大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書

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公開日: 2018-05-01   更新日: 2024-03-26  

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