Elucidation of superelastic mechanisms and property enhancement through multiscale microstructure control in Zr based alloys

通过 Zr 基合金的多尺度微观结构控制阐明超弹性机制和性能增强

• 批准号: 21H01647
• 负责人: 金 へよん
• 金额: $ 11.23万
• 依托单位: University of Tsukuba
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01647/
• 关键词: マルテンサイト変態; 形状記憶合金; 超弾性; Zr合金; 生体材料

本年度は、Zr-Nb-SnおよびZr-Nb-Al合金を用い、相構成が応力ヒステリシスに及ぼす影響について調査した。また、応力ヒステリシスの低減と超弾性特性の改善を試み、Zr-Ti-Nb-Sn、Zr-Mo-Sn、Zr-Ta-Sn、Zr-Nb-Al、Zr-Ti-Hf-Nb-Sn合金を新たに設計した。各合金をアルゴンアーク溶解法で作製し、微細組織、結晶構造、マルテンサイト変態温度、超弾性特性を調べた。Zr基合金の超弾性特性は、変態ひずみおよび母相とマルテンサイトの界面構造以外に、ω相および体心正方晶のβ'相の形成が重要な役割をすることが明らかになった。冷却・加熱下でのその場XRD測定により、β相とβ'相の間の変態が可逆的であることがわかった。SEMおよびTEM観察の結果、β'相は負荷により、斜方晶マルテンサイト(α")相へ変態することが分かった。その応力誘起マルテンサイト相の内部に転位組織が観察されることから、β'相はマルテンサイト誘起応力を増大させ、逆変態を阻害することが推察された。その結果、応力ヒステリシスを増大させ、超弾性特性劣化の原因になることが分かった。また、SnおよびAl濃度の増加に伴い、β'相の体積分率が減少し、まばらになることが確認できた。さらに、SnおよびAlは非熱的ω相の抑制にも有効であり、Zr基合金の応力ヒステリシス低減と超弾性特性の改善に有効であることを明らかにした。Zr-Ti-Nb-Sn、Zr-Mo-Sn、Zr-Ta-Sn、Zr-Nb-Al、Zr-Ti-Hf-Nb-Sn合金において応力誘起マルテンサイト変態と形状記憶効果および超弾性の発現が確認できた。Zr-Ti-Nb-Sn合金において、Tiの添加量の大きくなるほどβ'相が減少し、超弾性特性が改善した。Zr-Ti-Hf-Nb-Sn合金は、磁化率がZr-Nb-Sn合金に比べ低く、室温で超弾性を示した。

This year, Zr-Nb-Sn alloy and Zr-Nb-Al alloy were investigated for their application, phase composition, and influence on properties. Zr-Ti-Nb-Sn, Zr-Mo-Sn, Zr-Ta-Sn, Zr-Nb-Al, Zr-Ti-Hf-Nb-Sn alloys were newly designed. Each alloy is prepared by dissolution method, fine structure, crystal structure, temperature of transition and ultra-high temperature. Zr-based alloys exhibit ultrastructural properties such as phase transition, matrix phase transition, interface structure, omega phase transition, and formation of body-centered tetragonal beta phase. The phase transition between β phase and β'phase was determined by XRD under cooling and heating. SEM and TEM observation results, β'phase reverse loading, orthorhombic phase reverse loading The internal structure of each phase of the system is detected by the increase of the induced force and the resistance of the reverse phase. The results, the increase in the strength and the deterioration of the performance characteristics are divided into two parts. The increase of Sn and Al concentration was accompanied by a decrease in the volume fraction of β'phase. In addition, Sn and Al are not hot. Therefore, they can improve the mechanical properties of Zr based alloys. Zr-Ti-Nb-Sn, Zr-Mo-Sn, Zr-Ta-Sn, Zr-Nb-Al, Zr-Ti-Hf-Nb-Sn alloys have been confirmed for their mechanical properties. Zr-Ti-Nb-Sn alloy with high Ti content reduces β'phase and improves superconductivity. Zr-Ti-Hf-Nb-Sn alloys exhibit lower magnetic susceptibility than Zr-Nb-Sn alloys and higher room temperature superconductivity.

项目成果

TiZrHfNbSn 合金の形状記憶・超弾性特性に及ぼすNb・Sn濃度の影響

Nb和Sn浓度对TiZrHfNbSn合金形状记忆和超弹性性能的影响

• 发表时间: 2021
• 作者: 秋山 柚貴;田崎 亘;金 熙榮;宮崎 修一
• 通讯作者: 宮崎 修一

Synthesis Characterization of a Ti-Zr-Based Alloy with Ultralow Young's Modulus and Excellent Biocompatibility

超低杨氏模量和优异生物相容性钛锆基合金的合成表征

• DOI: 10.1002/adem.202100776
• 发表时间: 2022
• 期刊: Advanced Engineering Materials
• 影响因子: 3.6
• 作者: K.M. Kim;Y. Al-Zain;A. Yamamoto;A.H. Daher;A.T. Mansour;J.M. AlAjlouni;A.S. Aloweidi;M.A. Al-Abbadi;H.Y. Kim;S. Miyazaki
• 通讯作者: S. Miyazaki

Effect of N addition on nano-domain structure and mechanical properties of a meta-stable Ti-Zr based alloy

• DOI: 10.1016/j.scriptamat.2021.114068
• 发表时间: 2021-10
• 期刊: Scripta Materialia
• 影响因子: 6
• 作者: Jie Fu;H. Y. Kim;S. Miyazaki

Martensitic transformation and shape memory effect of TiZrHf-based multicomponent alloys

• DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.167496
• 发表时间: 2022-10
• 期刊: Journal of Alloys and Compounds
• 影响因子: 6.2
• 作者: W. Tasaki;Yuzuki Akiyama;T. Koyano;S. Miyazaki;H. Y. Kim

Zr-Nb-Sn合金のβ相とα”相の結晶構造パラメータに及ぼすNbとSnの影響

Nb、Sn对Zr-Nb-Sn合金β、α”相晶体结构参数的影响

• 发表时间: 2021
• 作者: 田崎 亘;岡部 史弥;金 煕榮
• 通讯作者: 金 煕榮