高酸素含有生体構造用準安定β型チタン合金の特異な高強度・高延性化メカニズムの解明

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H03419
• 研究機関: 名城大学
• 研究代表者: 新家 光雄 名城大学, 理工学部, 特任教授 (50126942)
• 研究分担者: 赤堀 俊和 名城大学, 理工学部, 准教授 (00324492)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 生体用β型チタン合金 / TNTZ / 高酸素 / 力学的特性 / 降伏現象 / 歪速度

研究実績の概要

Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr(TNTZ)の酸素（O）含有量を0.12 (酸素無添加：TNTZ)、0,3(TNTZ-0.3))および0.7 (TNTZ-0.7)mass%と変化させた場合、引張応力―歪曲線で酸素量の増大と共に降伏現象が出現し、最も酸素含有量が高いTNTZ-0.7になると降伏現象が明確に認められ、歪速度を増大させると降伏応力が増大した。この現象は、TNTZでは認められず、TNTZ-0.3以上の酸素含有量で明白になり、降伏後の応力の低下率が酸素含有量が高いほど大きくなった。以上から、TNTZ-0.3およびTNTZ-0.7につき、低歪速度での降伏前、降伏直後および降伏後の試験片表面での変形挙動を観察し、試験片破断後の透過電子顕微鏡（TEM）組織観察を行ったところ、酸素含有量が高いTNTZ-0.7の方が降伏直後での転位の増殖がより著しかった。また、破断後の試験片のTEM観察では、TNTZ-0.3では転位が無秩序で、かつ転位が多く認められる個所とほとんど認められない箇所とがあり、転位の分布が極めて不均一であった、一方、TNTZ-0.7では、転位が秩序化しており、全体に均一に分布していることがわかった。以上のことから、TNTZでは、単なる酸素原子の転位の固着よりもさらに強い酸素に関する転位の固着、すなわち酸素原子クラスターあるいは酸素原子と他の構成原子とのクラスターが形成され、より転位の固着を強固にしたと推定される。これにより、歪速度が大きい方がより降伏強度が増大し、その後の転位の移動が早まるが転位密度が高いことから、伸び（均一伸び）の低下が起こらず、むしろ増大する傾向になったと推定される。通常のTEM観察および高分解能TEM観察等を１月および２月まで行う計画となったため、新型コロナウイルス感染症の問題が勃発し、当初の計画通りに本研究を進めることができなかった。

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。

研究成果

• [国際共同研究] 上海理工大学/上海大学/上海交通大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 上海理工大学/上海大学/上海交通大学
  • 他の機関数: 2
• [国際共同研究] Egypt-Japan University(エジプト)
  • 国名: エジプト
  • 外国機関名: Egypt-Japan University
• [国際共同研究] Iberian Nanotechnology Laboratory(ポルトガル)
  • 国名: ポルトガル
  • 外国機関名: Iberian Nanotechnology Laboratory
• [国際共同研究] Ataturk University(トルコ)
  • 国名: トルコ
  • 外国機関名: Ataturk University
• [国際共同研究] Monash University(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: Monash University
• [雑誌論文] Application of Atmospheric-Pressure Plasma Treatment to Coat Ti-Alloy Orthodontic Wire with White Oxide Laye (2020)
  • 著者名/発表者名: Naho Mitsuishi, Eri Miura-Fujiwara, Motoko Yamada, Tadachika Chiba, Hisashi Sato, Yoshimi Watanabe, Michiko Ito, Seigo Takashima, Masaaki Nakai, Toshikazu Akahori, Masaki Tanaka, Mitsuo Niinomi, and Tsutomu Takeuchi
  • 雑誌名: J. J. A. P, 巻: 59 ページ: -
  • DOI: doi.org/10.7567/1347-4065/ab43a9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Low Young's modulus and High Strength Obtained in Ti-Nb-Zr-Cr Alloys by Optimizing Zr Conten (2020)
  • 著者名/発表者名: Qiang Li, Cheng Chao, Junjie Li, Ke Zhang, Kai Zhou, Masaaki Nakai, Mitsuo Niinomi, Kenta Yamanaka, Daixiu Wei, Akihiko Chiba, Takayoshi Nakano.
  • 雑誌名: Journal of Materials Engineering and Performance 巻: - ページ: -
  • DOI: doi.org/10.1007/s11665-020-04826-6
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development of Low Young’s Modulus Ti-Nb-based Alloys with Cr Addition (2019)
  • 著者名/発表者名: Qiang Li, Guanghao Ma, Junjie Li, Mitsuo Niinomi, Masaaki Nakai, Yuichro Koizumi, DaiXiu Wei, Tomoyuki Kakeshita, Takayuki Nakano, Akihiko Chiba, Xuyan Liu, Kai Zhou, Deng Pan
  • 雑誌名: J. Mater. Sci. 巻: 54 ページ: 8675-8683
  • DOI: doi.org/10.1007/s11837-019-03599-1
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Invar Properties in Ti-Alloys Achieved Through Alloy Design and Thermomechanical Treatments (2019)
  • 著者名/発表者名: M. A-H, Gepreel, M. Niinomi, M. Nakai, M. Morinaga
  • 雑誌名: JOM 巻: 19 ページ: 3631-3639
  • DOI: doi.org/10.1007/s11837-019-03599-1
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of Nb Content on Microstructures and Mechanical Properties of Ti-xNb-;2Fe Alloys (2019)
  • 著者名/発表者名: Qiang Li, Pu Miao, Meifeng He, Junjie Li, Masaaki Nakai, Mitsuo Niinomi, Xuyan Liu, Takayoshi Nakano, Akihiko Chiba, Deng Pan
  • 雑誌名: Journal of Materials Engineering and Performance 巻: 28 ページ: 5501-5508
  • DOI: doi.org/10.1007/s11665-019-04250-5
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Low Springback and Low Young’s Modulus Obtained in Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr Alloy Modified by Mo Addition (2019)
  • 著者名/発表者名: Qiang Li, Qiang Qi, Junjie Li, Masaaki Nakai, Mitsuo Niinomi, Yuichro Koizumi, Kenta Yamanaka, DaiXiu Wei, Takayuki Nakano, Akihiko Chiba, Xuyan Liu, and Deng Pan
  • 雑誌名: Mater. Trans. 巻: 60 ページ: 1755-1762
  • DOI: doi:10.2320/matertrans.ME201912
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effects of Fe on Microstructures and Mechanical Properties of Ti-15Nb-25Zr-(0, 2, 4, 8)Fe Alloys Prepared by Spark Plasma Sintering (2019)
  • 著者名/発表者名: Q. Li, X. Yuan, J. Li, P. Wang, M. Nakai, M. Niinomi, T. Nakano, A. Chiba, X. Liu, D. Pan
  • 雑誌名: Mater. Trans 巻: 60 ページ: 1763-1768
  • DOI: doi:10.2320/matertrans.ME201913
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effects of {332}<113> Deformation Twinning on Fatigue Behavior of Ti-Mn System Alloys (2019)
  • 著者名/発表者名: Ken Cho, Kohei Yuki, Hiroki Kobata, Niinomi Mitsuo and Hiroyuki Y. Yasuda
  • 雑誌名: Mater. Trans 巻: 60 ページ: 1850-1856
  • DOI: doi:10.2320/matertrans.ME201919
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Plasma Electorolytic Oxidation (PEO) to Enhance In-vitro Corrosion Resitance of Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr Alloys: The Combined Effect of Duty Cycle and the Deposition Frequency (2019)
  • 著者名/発表者名: Fatma Sonqur, Burak Dikici, Mitsuo Niinomi and Ersin Arslan
  • 雑誌名: Surface and Coating Technology 巻: 374 ページ: 345-354
  • DOI: doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.06.025
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] チタン系硬組織機能材料の研究開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 新家光雄
  • 学会等名: 日本金属学会東北支部
  • 招待講演
• [学会発表] Effects of Young’s modulus difference of titanium alloys and bone on bone formation (2019)
  • 著者名/発表者名: ノルアインアブドラ―，仲井正昭，植木光浦，川村勇樹，山本衛，新家光雄
  • 学会等名: 日本金属学会2019年秋期講演（第165回）大会
• [学会発表] Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr矯正ワイヤーの疲労特性に及ぼす伸線加工の影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 本知樹，三浦永理，新家光雄，新家光雄，山崎 徹
  • 学会等名: 日本金属学会2019年秋期講演（第165回）大会
• [学会発表] チタン合金を主体とした生体用金属材料の研究開発の展開 (2019)
  • 著者名/発表者名: 新家光雄
  • 学会等名: 日本バイオマテリアル学会東北ブロック講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 力学的生体適合性に着目した骨代替インプラント構成材料 (2019)
  • 著者名/発表者名: 新家光雄
  • 学会等名: 日本金属学会・日本鉄鋼協会北陸信越支部連合講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 生体用金属材料の研究開発の変遷 (2019)
  • 著者名/発表者名: 新家光雄
  • 学会等名: 第2回日本金属学会第7分野講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Whitening Process for TNTZ Orthodontic Wire by Combination of Shot-peening and Atmospheric-pressure Plasma Treatment (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Mitsuishi, E. Miura-Fujiwara, M. Yamada, T. Chiba, H. Sato, Y. Watanabe, M. Ito, S. Takashima, M. Nakai, T. Akahori, M. Tanaka, M. Niinomi, and T. Takechi
  • 学会等名: The 14th World Conf. on Titanium
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of Titanium Plate Fixation on Bone Healing (2019)
  • 著者名/発表者名: N. B. Abdullah, M. Nakai, Y. Kawamura, E. Kawamur, and M. Niinomi
  • 学会等名: The 14th World Conf. on Titanium
  • 国際学会
• [学会発表] Fatigue Properties of Beta-type Ti-Cr Alloy with Changeable Young’s Modulus (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Nakai and M. Niinomi
  • 学会等名: M. Nakai and M. Niinomi
  • 国際学会
• [学会発表] Research and Development of Metallic Biomaterials for Inhibiting Stress-Sheilding Between Implant and Bone (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Niinomi
  • 学会等名: PRICM 10
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Osteoanabolic Implant Materials for Orthopedic Treatment (2019)
  • 著者名/発表者名: X. Chen, R. Li, P. Smith, M. Niinomi
  • 学会等名: PRICM 10
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Dissimilar Friction Welding of Ti-6Al-4V Alloys and SUS316L Stainless Steel for Biomedical application (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Liu, T. Nagira, H. Fujii, M. Niinomi, P. Chen and T. Hanawa
  • 学会等名: The 4th International Symposium on Creation of Life Innovation Materials for Interdiscipinary and International Researcher Development (iLIM-4)
• [学会発表] Development of Metallic Biomaterials with Focusing on Titanium Alloys for Biomedical Applications (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Niinomi
  • 学会等名: IWMG 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] Encyclopedia of Biomedical Engineering 1st Edition (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Niinomi
  • 総ページ数: 2954
  • 出版者: Elsevier
  • ISBN: 978-981-10-1560-1 277
• [図書] Metals for Biomedical Devices 2nd edition (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Niinomi
  • 総ページ数: 996
  • 出版者: Elsevier
  • ISBN: 9780081026663
• [図書] Novel Structured Metallic Materials, Novel Structured Metallic and Inorganic Materials (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Niinomi and M. Nakai.
  • 総ページ数: 620
  • 出版者: Springer
  • ISBN: 9789811376108
• [図書] Titanium for Consumer Goods (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Niinomi
  • 総ページ数: 384
  • 出版者: Titanium for Consumer Goods
  • ISBN: 9780128158203