金属学の常識を覆す弾性歪みを示すバルク単結晶銅系合金を開発東北大学ら

東北大学大学院工学研究科の貝沼亮介教授らの研究グループは2022年10月13日、日本原子力研究開発機構、J-PARCセンター、チェコ科学アカデミー、チェコ工科大学、九州大学との共同研究により、バルク単結晶銅系合金で、これまでの実用金属より数倍も大きい弾性変形（弾性歪み＞4.3％）を発現させたと発表した。実用バルク金属材料の弾性歪みは通常、約1％以下であることから画期的な研究成果となる。

あらゆる場面で利用されている金属材料は、弾性率や強度など用途に応じて適した特性が求められているが、特に人工骨、歯科用材料、機械に用いる高性能ばねは、小さい力で大きく伸び縮みする弾性変形特性が求められることがある。

研究グループは、東北大学が開発した銅を主成分とする「銅－アルミニウム－マンガン合金系」に着目。この合金系は、原子配列が規則化した体心立方構造を持ち、結晶の弾性異方性が極めて大きいという特長を有するため、結晶方位の制御による低ヤング率化と、原子の規則配列による高強度化の両立によって、大きな弾性歪みが得られると推測した。

合金組成を調整し、結晶方位を制御した＜100＞方位を有するバルク単結晶材に対し、室温での一軸引張試験を実施した結果、弾性歪みが4.3％を超えた。この大きな弾性歪みは、鉄鋼を含むほとんどの実用バルク金属材料より4倍以上大きい。チタン系ゴムメタルは2％程度の弾性歪みを示すが、それも大きく超えている。

室温引張試験による応力-歪み曲線

従来のバルク金属材料における弾性歪み限界とヤング率の関係と本合金の位置付け

フックの法則は、これまでの金属材料の常識と考えられていたが、この合金の＜100＞単結晶材には成り立たず、非線形な弾性変形挙動が確認された。ヤング率（接線弾性率）は、引張応力が0から600MPaまで増えると、最初の約24GPaから約7.5GPaへ著しく小さくなり、試料が塑性変形せずに柔らかくなる。

次に、こうした大きな弾性変形の挙動を理解するために、引張試験中のその場中性子回折による構造解析を実施。その結果、この合金の大きな弾性歪みは、結晶中の原子配列が規則化した体心立方構造を保ったまま、結晶の格子が伸縮することに由来していたことがわかった。これにより、繰り返し変形による特性劣化が少ない性質が得られる。

研究で発見された大きな弾性変形を示す銅系合金は、これまでのバルク金属材料と比べ、弾性歪み、ヤング率の点で比類ない特性を持つ。そのため、高性能ばね、コネクタ、シール材や精密機械、医療機器等への応用、大きな弾性変形を生かした「弾性歪みエンジニアリング」によるスマート材料の創出が期待できる。

東北大学は今後、実用化へ向けて疲労特性を評価し、企業と連携して量産化技術の確立を進めていくほか、ばね材、センサー材などさまざまな用途への展開を図る。

金属学の常識を覆す弾性歪みを示すバルク単結晶銅系合金を開発　東北大学ら