極低温で利用できる巨大弾性バルク合金の開発　－水素社会を支える金属シール材料－

开发可在极低温度下使用的巨型弹性块状合金 - 支持氢社会的金属密封材料 -

基本信息

批准号：
22K14498
负责人：
許勝
金额：
$ 2.91万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度では、室温巨大弾性歪を示すCu-Al-Mn単結晶合金試料に対して、J-PARCでのその場中性子回折実験結果を解析し、試料内部の結晶学的な変化を調査した。その結果、Cu-Al-Mn合金における大きな可逆歪みの本質は、形状記憶合金の「擬弾性変形」を引き起こすマルテンサイト変態と関係なく、母相の体心立方構造を保ったまま可逆的な格子歪みが生じた真の弾性変形であることがわかった。また、合金単結晶の室温弾性定数を測った上で、様々な主要方位を有する単結晶試験片の引張試験を行った。その結果、<100>方位近傍では巨大弾性歪みと応力―歪み関係の非線形性を見出したが、<110>及び<111>方位では普通の弾性挙動である線形かつ小さな弾性変形が確認された。このことから、本合金における室温巨大弾性歪現象は立方晶の低い正方晶せん断弾性率と関連していることが判明した。さらに、第一原理計算とランダウ理論に基づいた解析も行って、エネルギー論観点からその非線形巨大弾性歪現象は格子非調和性によるものがわかった。以上の結果により、大きな弾性歪みを生じさせるために、<100>方位を有する単結晶が不可欠であることがわかった。<100>単結晶の作製のために、一方向凝固とサイクル熱処理の組み合わせという手法を提案した。また、異常粒成長を利用した大きな単結晶材の作製を効率化させるために、サイクル熱処理条件の最適化試験を行った。その結果、サイクル熱処理の冷却・加熱速度を遅くすることで異常粒成長現象を生じやすいことがわかった。最適化した熱処理条件を利用して6cm程度長さの板状<100>単結晶試験片の作製は比較的容易に出来た。

今年，我们分析了 J-PARC 对室温下表现出巨大弹性应变的 Cu-Al-Mn 单晶合金样品的原位中子衍射实验结果，并研究了样品内部的晶体变化。因此，Cu-Al-Mn合金中大可逆应变的本质与引起形状记忆合金“伪弹性变形”的马氏体相变以及在保持体心立方结构的同时形成可逆晶格无关。发现这是引起应变的真实弹性变形。此外，在测量了合金单晶的室温弹性常数后，我们对不同主取向的单晶试样进行了拉伸试验。结果，在<100>取向附近发现了大的弹性应变和非线性应力-应变关系，但在<110>和<111>取向中确认了线性和小弹性变形，这是正常的弹性行为。这表明该合金的室温巨弹性应变现象与立方晶体的低四方剪切模量有关。此外，我们基于第一性原理计算和朗道理论进行了分析，从能量学角度发现非线性巨弹性应变现象是由晶格非谐性引起的。上述结果表明，<100>取向的单晶对于产生大的弹性应变至关重要。我们提出了单向凝固和循环热处理相结合来制备<100>单晶。此外，为了提高利用异常晶粒生长制造大单晶材料的效率，我们对循环热处理条件进行了优化试验。结果发现，在循环热处理过程中减慢冷却和加热速率容易引起异常晶粒生长现象。利用优化的热处理条件，相对容易地制备出长度约为6 cm的板状<100>单晶样品。