JPH06264161A

JPH06264161A - 強度と制振性を高めた金属基複合材料

Info

Publication number: JPH06264161A
Application number: JP27607393A
Authority: JP
Inventors: Yasubumi Furuya; 泰文古屋; Takeshi Masumoto; 健増本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-10-07
Filing date: 1993-10-07
Publication date: 1994-09-20

Abstract

(57)【要約】【構成】熱弾性的変態を起こす少なくとも一種類以上
の形状記憶合金材料素子を母材内に混合もしくは配列さ
せた金属基複合材料および形状記憶合金材料素子の逆変
態前低温側での変形応力（抵抗）が母材のそれよりも低
く、逆に逆変態終了後の高温側での形状記憶回復力と変
形応力（抵抗）が母材のそれよりも高いことを特徴とす
るその金属基複合材料。【効果】金属材料で不可避的な温度上昇に伴う強度低
下を抑えられるのみならず、事故などの際の異常な温度
上昇を自らが検知して、内蔵形状記憶合金素子が収縮し
て、部材全体での熱膨張抑制や内在き裂なども閉鎖でき
る（自己修復）機能が付与できる。また、従来は困難で
あった部材の軽量化と制振性を兼ね備えた金属基複合材
料が可能となる。それゆえに、高温での強度向上や軽量
化が必要な部分、騒音・振動問題などが深刻になってい
る各種機械部品材料、鉄道・車両、船舶、航空機・自動
車エンジン、発電分野、化学反応大型プラントなど広い
範囲での適用性が開かれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強度と防振性を両方兼
ね備えた金属基複合材料の開発に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】各種機械の駆動源としての電
動モーターやエンジン用部品、さらには航空機、高温化
学プラントや原子力発電炉中で使用される金属材料・部
材は、近年、さらに高温苛酷な条件下で使用されるよう
になってきている。一方、エンジン、モーターなど回転
駆動部を有する機械部品は、機械的振動が不可避的に生
じ、周辺への騒音拡散や各部材の疲労破壊の原因とな
り、時として重大な事故を引き起こすことも多く、社会
的、環境問題上でも大きな問題と損失となって来てい
る。

【０００３】そのための対策として、従来は一般的に、
強度を上げるためには、部材に厚さや重量を増して破断
応力を上げたり、弾性率（剛性）の高い新金属材料を用
いることなどの対策が講じられてきた。一方、騒音・振
動（自由および共振型両方を含む）の抑制には、部材全
体での剛性を上げるために、使用する材料の総重量を上
げたり、金属と高分子（ポリマー系）材料の複合・積層
板などが用いられてきたが、部材が高温にさらされる航
空機・自動車エンジン、化学反応大型プラントなどでは
自ずと適用限界があり、またそれらでのエネルギー消費
を抑えるのに有効な軽量化対策とは相反してしまう欠点
があった。また、硬度や弾性率の高い新金属材料自体
は、一般的に内耗（減衰性）が低く、以上の背景からも
高強度と高制振性を兼ね備えた金属基材料は開発しにく
かった。

【０００４】温度上昇に伴い強度が低下する一般の金属
材料の強化方法としては、硬度や剛性（弾性率）の高い
ウイスカーやジルコニアセラミックス粒子を混合させる
複合材料化による対策とその効果が最近研究されてきて
いる。最近、複合材料の強化手段として、例えばマトリ
ックス中とファイバー間の熱膨張係数差を利用したり、
ジルコニアの変態時の体積変化を積極的に利用してマト
リックス内部に残留応力を発生させ、材料強化を試みる
提案もなされているが、これらの材料強化手段でも実際
得られる体積変化は小さく、発生させる残留応力も小さ
く、その方向を制御することは困難である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】一方、このような相変態
に着目した場合、比較的大きな値が得られる金属材料と
して、温度変化によってその形状を大きく変えることが
出来る形状記憶合金（ＳＭＡ）が存在し、特にＴｉＮｉ
合金は（高融点、高強度、延性、減衰、耐摩耗性など）
優れた機械的性質を有する。そこで、本発明は、この様
な優れた各種材料機能性を兼ね備えた形状記憶合金系素
子を母材中に混合させ、使用中の異常な温度上昇を検知
してＳＭＡ素子が収縮してき裂を閉鎖させて自らを強化
させることができる部材、母材側の熱膨張を内在形状記
憶合金繊維収縮効果で打ち消し全体での熱膨張抑制が出
来る部材、材料側でも振動吸収・騒音抑制が可能で耐摩
耗性も高い材料など複数の優れた材料機能性を有する金
属基複合材料を目指すものである。

【０００６】特に、温度上昇などの変化が起こっても、
常に安定な強度と制振性機能、さらには部材全体での熱
膨張（歪）を抑制出来る複合材料を目指すために、予
め、部材全体に残留ひずみ（超弾性ひずみ）をあたえて
加温時のＳＭＡの強化機構を利用することや、防振効果
を高める目的で混合するＳＭＡ素子として使用温度より
も変態温度の高い性質を有する微粒子や繊維などを混合
させるのが適切である。

【０００７】さらに、場合によっては高温強度・摩耗
性、強靱化を目指すために、第３の混合素子として、炭
素繊維やシリコンカーバイド粒子などを適度に混合させ
ても良い。

【０００８】

【作用】一般に、合金系の形状記憶現象は熱弾性型マル
テンサイト変態に起因する。これは、転位形成による結
晶すべり(Glip)によるものではなく、熱吸収に付随して
起こる相境界面や双晶界面の移動を伴うせん断的ずれ(s
hear) 運動に起因しており、結晶粒径よりもはるかに小
さな兄弟晶（バリアント）が形成される。それは、外的
な熱や応力ひずみエネルギー吸収によって可逆的に元の
結晶構造状態に戻ることが出来る。これが、形状記憶効
果発現の原因である。

【０００９】今、形状記憶合金の熱弾性的変態における
各変態温度を以下に記号で示す。低温側マルテンサイト
変態終了、開始温度をＭｆ，Ｍｓ、高温側で安定な母相
オーステナイト変態（逆変態）開始、終了温度をＡｓ，
Ａｆとする。図１には、ＴｉＮｉ系合金での各温度環境
下で現れる応力〜ひずみ曲線のタイプを示した。Ｉは完
全なマルテンサイト（Ｍ）相、IIはマルテンサイト
（Ｍ）と安定（Ａ）相、 IIIはＭ＋Ａ＋応力誘起Ｍ相と
なっており、この付近までは加熱により形状記憶効果に
より元の形に回復する。IVは完全にＡｆ以上の母相（Ａ
相）で超弾性が現れる領域である。Ｖはさらに高温下で
変形例で降伏応力が低下して応力負荷とともに塑性すべ
りを起こし超弾性は不完全になり、永久ひずみが残って
しまう領域であるので、通常は IIIないしIV領域以内の
ひずみ範囲で利用する。

【００１０】なお、一般的に、図１に見られる応力〜ひ
ずみ曲線のヒステリシス部分のひずみエネルギーは、材
料内部に吸収され熱として外部に散逸されるので、低温
相ほど形状記憶合金は内部摩擦が大きく高減衰材料とな
る。一般的な金属材料と比較して一連の形状記憶合金が
減衰能および強度の両方が極めて大きな特長を有する材
料であることを図２に示す。このことから熱弾性型相変
態合金である形状記憶合金（ＳＭＡ）系材料が、機械・
構造物用の環境問題として最近重要な課題となってきて
いる振動制御、騒音抑制を行うための一つの構成材料要
素としての可能性を見い出すことも出来るわけである。

【００１１】さらに、形状記憶合金は一般的に金属間化
合物(Intermetallic compound)などで脆くて強い性質が
あり、耐摩耗性は一般に高く、特にＴｉＮｉ系合金でこ
の傾向が強い。以上をまとめて、今まで開発されている
主な形状記憶合金の種類を表１および表２に示す。Ｔｉ
Ｎｉ，ＣｕＺｎ，ＮｉＡｌ系工業材料として多く用いら
れて来たが、最近になって、ＦｅＭｎＳｉやステンレス
（ＳＵＳ３０４）など鉄鋼材料系でも発見されている
（文献：形状記憶合金の応用に関する講演会予稿案（平
成４年７月３日、形状記憶合金技術研究組合で出版）。

【００１２】

【表１】

【００１３】

【表２】

【００１４】さて、形状記憶現象に伴う大きな回復力を
利用して、本発明の複合材料を強化するには、本出願の
請求項２に示されるように、形状記憶合金材料素子の逆
変態低温側Ｍ相での変形抵抗が母材のそれよりも低く、
逆に逆変態終了後の高温側Ａ相での形状記憶回復力と変
形抵抗が母材のそれよりも高くなるような材料選択が不
可欠となる。そのことを図３の模式図で示す。すなわ
ち、複合材料中に混合・配列させた形状記憶合金素子を
収縮させるには、部材の加熱（温度変化を与える）前に
擬弾性領域内での数％程度の引張り予ひずみ（図中Ｃ
点）を与えておく必要がある。もしも、母材の変形抵抗
が低温マルテンサイト変形曲線（下側縁）以下の場合
は、外的負荷に伴い母材から伝達される応力レベルが低
いためにＳＭＡ素子はほとんど変形されないことになる
ので混合ＳＭＡ素子による強化作用は弱まってしまうわ
けである。

【００１５】図４には、本発明の金属基複合材料での効
果的な熱処理・加工プロセスを模式図で示す。本発明の
複合材料は、形状記憶強化のための加熱・熱処理後に低
温（Ｍｆ以下）に置かれれば、再びＭ相としての制振性
も現れてくるはずだが、さらに環境温度に影響されない
制振性を付与するためには、図示ｈのごとく第２の変態
温度の高いＳＭＡ素子を混合させる必要がある。また、
本材料の破壊靱性、強度向上のためには、第３の混合素
子として炭素繊維やシリコンカーバイド微粒子などの添
加が効果的である。

【００１６】

【実施例】本発明の実施例について、図５、図６、図
７、図８、図９、図１０および図１１を参照して説明す
る。図５は、試作した形状記憶ＴｉＮｉ長繊維強化／Ａ
ｌ基複合材料での高温側逆変態温度（Ａｆ）以上での引
っ貼り応力〜ひずみ曲線をしめす。最高値を示した予ひ
ずみ付与ＴｉＮｉ／Ａｌ曲線は、繊維強化と形状記憶強
化の両方が関与していると思われ、本発明の有効性が確
認できた。

【００１７】図６には、宇宙航空機用材料や圧力容器へ
の用途が考えられる形状記憶ＴｉＮｉＣｏ合金繊維強化
／Ｔｉ母材相複合材で確認された熱膨張（歪）制御の例
を示す。ＴｉＮｉＣｏ合金で見られる温度変化に伴う線
形的な形状記憶伸縮現象（文献：相振盪；比例制御用Ｔ
ｉＮｉ形状記憶合金の開発、′８９ＳＡＳハイテクシン
ポジュウム概要集，講演番号ＡＴ−３）により中温度域
までの熱膨張（歪）が大幅に抑制出来た。なお、さらに
高温雰囲気用複合材としては、当然、高温側変態点を有
する形状記憶合金、例えば、ＴｉＰｄＮｉ（変態温度３
００℃付近、以下（）内は変態温度を示す。），Ｔｉ
Ｐｄ（６００℃），ＮｉＡｌＭｎＦｅ（７００℃）系合
金繊維・粒子で強化した低合金ＣｒＭｏ鋼、ステンレス
ＳＵＳ３０４鋼、Ｔｉ系合金を母材とする複合材が有効
である。

【００１８】また、図６の発展した材料設計として、温
度変化で大きな変形と回復応力が得られる形状記憶合金
素子を、複合材料内部に片方の表面から傾斜的に分布・
配列させることにより、例えば部材の両端面で著しく温
度差が生じ、その際の大きな内部応力発生により部材の
破壊が危険視されるような場合でも、上記の設計形態を
有する形状記憶複合材では、高温側片方の表面部分から
内部さらには片方の低温側面に沿っての熱応力の差を低
減出来る。これは、現在研究中の異種類の材料を傾斜的
に積層させ熱応力分布を低減させるための熱的傾斜材料
設計を形状記憶繊維強化複合材料設計により一歩すすめ
たものと言える。

【００１９】図７には、高温型ＮｉＡｌＭｎ形状記憶合
金繊維強化／ＳＵＳ３０４傾斜複合材料での、高温での
試料板厚方向での熱ひずみ分布を示す。形状記憶合金の
温度分布に対応する熱収縮効果により熱応力（ひずみ）
分布の均質化が確認出来た。母材中に複合強化した形状
記憶合金繊維の高温側での収縮・回復応力発生により、
図８の模式図で示される様に、疲労やクリープ現象によ
り導入された各種欠陥（き裂、空孔など）は圧縮・閉鎖
されて、破壊の原因となるき裂発生・伝播は抑制され
て、部材の長寿命化が可能となる。実際、室温での形状
記憶合金ＮｉＡｌＭｎＦｅ繊維強化／低合金ＣｒＭｏＶ
鋼母相複合材において、形状記憶繊維変態収縮効果に伴
うき裂先端部での応力集中度の急激な低下が起こり、形
状記憶合金繊維１％の伸び歪後の加熱収縮により、大き
な圧縮回復応力が導入されて、き裂の駆動力に直接的に
関係する応力拡大係数値（Ｋ値）は、半減（Ｋ＝１８Ｍ
Ｐａ・ｍ^1/2→９ＭＰａ・ｍ^1/2）することを確認し
た。この形状記憶複合材料（ＮｉＡｌＭｎＦｅ繊維強化
／ＣｒＭｏＶ鋼）で確認されたクリープ破断への延命効
果を図９に示す。複合強化形状記憶合金繊維の変態点
（６００℃）以上の温度域での１０倍以上の長寿命化が
可能になった。

【００２０】図１０には、本ＴｉＮｉ／Ａｌ基複合材料
では制振能の向上が見られた。内在ＴｉＮｉのＭｓ〜Ａ
ｓ変態点前後での制振能（ダンピング）の変化が明確に
現れて、ＳＭＡ複合化による部材の制振性向上も確認で
きた。さらに、図１１には、母材中に混合させるＴｉＮ
ｉ系合金の製造方法として液体急冷凝固法（メルト・ス
パン法）を採用して、得られたＴｉＮｉ薄帯での内耗
（減衰性＝ｔａｎδ）の向上度を調べた結果を示す。急
冷凝固法により、合金薄帯でのｔａｎδは大幅に向上し
て、複合材料化のためのＳＭＡ素子として最適であるこ
とがわかった。

【００２１】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。本
発明の強度と制振性を高めた金属基複合材料では、金属
材料で不可避的な温度上昇に伴う強度低下を抑えられる
のみならず、事故などの際の異常な温度上昇を自らが検
知して、内蔵形状記憶合金素子が収縮して、部材全体で
の熱膨張抑制や内在き裂なども閉鎖できる（自己修復）
機能が付与できる。また、従来は困難であった部材の軽
量化と制振性を兼ね備えた金属基複合材料が可能とな
る。それゆえに、高温での強度向上や軽量化が必要な部
分、騒音・振動問題などが深刻になっている各種機械部
品材料、鉄道・車両・船舶、航空機・自動車エンジン、
発電分野、化学反応大型プラントなど広い範囲での適用
性が開かれる。特に、母材がＡｌ合金でＴｉＮｉ繊維を
複合させれば、自動車用エンジン材料として有望であ
り、母材がステンレス鋼や低合金ＣｒＭｏ系鋼さらには
Ｔｉ，Ｎｉ系合金である場合は、航空宇宙、原子力発電
分野プラント、高温圧力容器などに有望な新材料とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｉ〜Ｖの各々は、形状記憶合金での一般的な各
温度における引張り応力〜ひずみ曲線図である。

【図２】形状記憶合金系材料の高強度と高制振性とを示
した図である。

【図３】形状記憶合金での形状記憶回復力の発生、また
は低温マルテンサイト相（Ｍ）と高温母相（Ａ）での変
形抵抗および母材の変形抵抗の相対的関係図である。

【図４】形状記憶複合材料の材料設計と加工プロセス図
である。

【図５】ＴｉＮｉ長繊維強化／Ａｌ基複合材料の引張り
応力〜ひずみ特性図である。

【図６】形状記憶ＴｉＮｉＣｏ長繊維強化／Ｔｉ基複合
材料（繊維含有率＝＆％）での熱膨張抑制を示した図で
ある。

【図７】高温型ＮｉＡｌＭｎ形状記憶合金繊維傾斜分布
強化／ＳＵＳ３０４基複合材での試料板厚方向の熱歪
（応力）分布の平滑化を示した図である。

【図８】形状記憶合金強化繊維の加熱に伴う収縮回復応
力導入により、き裂先端部の圧縮閉鎖効果を示した図で
ある。

【図９】高温型ＮｉＡｌＭｎ形状記憶合金繊維強化／低
合金ＣｒＭｏＶ鋼（繊維含有率＝１０％）で確認された
高温クリープ寿命延命効果を示した図である。

【図１０】ＴｉＮｉ／Ａｌ複合材料での制振能（＝ｔａ
ｎδ）の向上を示した図である。

【図１１】急冷凝固ＴｉＮｉ合金での内耗（ｔａｎδ）
の上昇を示した図である。

【符号の説明】

１形状記憶合金素子２金属母材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱弾性的変態を起こす少なくとも一種以
上の形状記憶合金材料素子を母材内に混合もしくは配列
させた金属基複合材料
【請求項２】形状記憶合金材料素子の逆変態前低温側
での変形応力（抵抗）が母材のそれよりも低く、逆に逆
変態終了後の高温側での形状記憶回復力と変形応力（抵
抗）が母材のそれよりも高いことを特徴とする請求項１
記載の金属基複合材料
【請求項３】形状記憶合金の作製にあたり、その合金
系溶湯を１０²〜１０⁵℃／ｓｅｃの範囲で急冷凝固さ
せて得られる金属結晶質を有する範囲の形状記憶合金系
材料素子を母材内に混合・配列させた請求項１または２
記載の金属基複合材料。
【請求項４】変態終了点以下の温度で塑性的伸びを付
与されてなる少なくとも一種類以上の第一の形状記憶合
金と、第一の形状記憶合金の逆変態終了点以上の逆変態
開始点を有する少なくとも一種類以上の第二の形状記憶
合金とを混合させた請求項１、２または３記載の金属基
複合材料
【請求項５】第三の複合強化材料素子として炭素繊維
を混合させた請求項１記載の金属基複合材料
【請求項６】第三の複合強化材料素子としてシリコン
カーバイド（ＳｉＣ）短繊維もしくはその微粒子を混合
させた請求項１記載の金属基複合材料