开发出显示出超过4.3%的巨大弹性应变的金属 —实现大弹性变形，期待应用于高性能弹簧材料等【发表要点】【概要】金属材料在所有场合都有使用，要求其具有弹性模量和强度等适合用途的特性。 特别是人工骨、牙科用材料或机械用的高性能弹簧，有时要求具有用较小的力就能大幅伸缩的弹性变形特性。 东北大学研究生院工学研究科金属前沿工学专业的许胜特任助教、贝沼亮介教授等人的研究小组，通过与日本原子能研究开发机构、J-PARC中心、捷克科学院、捷克理工大学、九州大学的共同研究，在块状单晶铜系合金中实现了比以往的实用金属大数倍的弹性变形(弹性应变> 4.3% )。 通常实用块体金属材料的弹性应变约为1%以下，本研究成果是划时代的。 而且，在本合金中，应力和应变的关系为直线的胡克定律不成立，杨氏模量随着应力的增大而变小的弹性软化现象也得到了确认。 在这种非线性注3中，较大的弹性变形颠复了金属学的常识，有望应用于高性能弹簧材料等。 该研究成果于2022年9月27日(英国时间)在线刊登在英国科学杂志《Nature Communications》上，被选为editors’highlights。
开发的块状单晶铜系合金
图1室温拉伸试验应力-应变曲线 【研究背景】目前，世界上许多金属材料构件都应用于弹性变形区域。 其中，人工骨、牙科用材料或弹簧等机械要素零件等有时会被要求低杨氏模量和高弹性应变。 弹性应变是晶格原子间距的可逆变化引起的，理论上也预测到超过10%的弹性应变，但受强度的限制，实际的金属材料大部分停留在1%以下。 而且，一般来说，杨氏模量越低的材料强度越低，低杨氏模量和高强度的并存成为课题。 另外，近年来，通过主动控制晶格应变来提高材料的导电性、催化剂活性等物理化学特性的“弹性应变工程”备受瞩目。 但是，传统块状金属材料的最大弹性应变极限非常低，无法自由控制晶格应变。 因此，迫切需要开发出表现出较大弹性应变的新型块状金属材料。 【研究成果】研究小组在以上背景下，着眼于东北大学20世纪90年代开发的以铜为主要成分的“铜-铝-锰合金系”。 本合金系具有原子排列有序的体心立方结构，具有结晶弹性各向异性极大的特点。 因此，推测如果能够同时实现基于晶体取向注4的控制的低杨氏模量化和基于原子的规则排列的高强度化，就能得到大的弹性应变。 另外，本合金系通过循环热处理工艺注5，可以简单地制作几厘米到几十厘米的巨大块状单晶材料，可以低廉地批量生产。 在室温下对具有合金组成调整和晶体取向控制的< 100 >取向的块状单晶材料进行单轴拉伸试验时，确认了出现超过4.3%的弹性应变(图1 )。 此次得到的较大弹性应变比包括钢铁在内的大多数实用块状金属材料大4倍以上，远远超过了显示2%左右弹性应变的钛系橡胶金属(图2 )。 另外，在本合金的< 100 >单晶材料中，至今为止被认为是金属材料常识的胡克定律不成立，非线性的弹性变形行为得到了确认。 当拉伸应力从0增加到600MPa时，杨氏模量(切线模量)从最初的约24GPa明显减小到约7.5GPa，试样不会塑性变形而是变软。 为了理解这样大的弹性变形的举动，在J-PARC中心物质生命科学实验设施注6中通过拉伸试验中的原地中子衍射进行了结构分析。 结果表明，本合金中的较大弹性应变来自晶体的晶格伸缩，同时晶体中的原子排列保持有序的体心立方结构。 这与以往的形状记忆合金中出现的参与了结晶相变化的“滞弹性变形”不同，可以说是真正的弹性变形。 由此，可以得到由反复变形引起的特性劣化较少的性质。
图2传统块体金属材料中弹性应变极限与杨氏模量的关系及本合金的定位 【研究的意义，今后的展望】本研究发现的表现出较大弹性变形的铜系合金，与以往的块状金属材料相比，在弹性应变、杨氏模量方面具有无与伦比的特性，有望应用于高性能弹簧、连接器、密封材料、精密机械、医疗器械等。 另外，通过有效利用其较大的弹性变形，还可以期待通过“弹性应变工程”超越以往设计的范围，创造出新产品(例如以应变为媒介的传感器)。 今后，东北大学为了实现实用化，将进行疲劳特性的评估，并与企业合作推进批量生产技术的确立。 此外，还将扩展到弹簧材料、传感器材料等各种用途。 【用语解说】注1 )弹性应变 材料在弹性变形区域中伸长(压缩)时，伸长(缩短)相对于原来长度的比例称为弹性应变。 一般来说，在普通块状金属材料中表现出1%以下的弹性应变。 注2 )杨氏模量 通过单向拉伸或压缩使材料弹性变形时，应力与变形应变之比称为杨氏模量。 一般来说，高分子等柔软材料显示低杨氏模量，而金属和陶瓷等刚性强的材料显示高杨氏模量。 注3 )非线性 指力与变形量的关系不成比例关系的状态。 注4 )晶体取向 晶格的特定方向称为晶体取向。 注5 )循环热处理工艺 这是利用单纯的“加热→冷却→加热”热处理引起的异常晶粒生长现象的量产性高的块状单晶制作方法。 注6 ) J-PARC中心物质生命科学实验设施 位于茨城县东海村的大强度质子加速器设施( J-PARC )内设置的用于物质和生命科学研究的实验设施。 将大强度质子束照射到水银靶上，产生脉冲状非常强的中子束，正在进行中子衍射实验。 【发表论文】大块晶体金属的非胡克式大弹性变形 タイトル：Non-Hookean large elastic deformation in bulk crystalline metals 著者：Sheng Xu, Takumi Odaira, Shunsuke Sato, Xiao Xu, Toshihiro Omori, Stefanus Harjo, Takuro Kawasaki, Hanuš Seiner, Kristýna Zoubková, Yasukazu Murakami, Ryosuke Kainuma 掲載誌：Nature Communications 13, Article number: 5307 (2022) DOI：10.1038/s41467-022-32930-9 URL：https://www./articles/s41467-022-32930-9 【附记】研究由独立行政法人日本学术振兴会科学研究费(课题编号: 15h 05766、18j 11979、18h 05479、21k 18802、22k 14498 )、公益财团法人广濑财团研究补助金、捷克科学财团研究费(课题编号: 20-12624S ) 另外，拉伸试验中的原地中子衍射实验使用J-PARC物质生命科学实验设施的工程材料衍射装置“匠”( BL19 )进行(课题编号: 2019A0179 )。 【主讲人】东北大学研究生院工学研究科: 许胜(特任助教)、大平拓实(研究生研究时)、佐藤骏介(研究生研究时)、许皛(助教)、大森俊洋(副教授)、贝沼亮介(教授) 日本原子能研究开发机构J-PARC中心: Stefanus Harjo (研究主干)、川崎卓郎(研究副主干) 捷克科学院: Hanuš Seiner (研究教授) 捷克理工大学: Kristýna Zoubková(研究生) 九州大学研究生院工学研究院: 村上恭和(教授) 【各机构的作用】 东北大学研究生院工学研究科:提案及研究总结、样品制作、组织观察、机械特性及物性评价、数据分析、论文执笔 日本原子能研究开发机构、 J-PARC中心:拉伸试验中的原地中子衍射实验 捷克科学院、 捷克理工大学:激光超声法测量弹性常数 九州大学:利用透射电子显微镜进行组织观察 |
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