擬似弾性

擬似弾性は、超弾性とも呼ばれ、結晶のオーステナイト相とマルテンサイト相の間の相転移によって引き起こされる、加えられた応力に対する弾性（可逆的）応答です。これは、形状記憶合金で示されます。

概要

擬弾性は、単なる結合伸張や結晶格子の欠陥の導入ではなく、相転移中のドメイン境界の可逆的な動きから生じます（したがって、真の超弾性ではなく擬弾性です）。ドメイン境界が固定された場合でも、加熱によって元に戻る場合があります。したがって、擬弾性材料は、比較的高い適用ひずみを除去した後でも、以前の形状に戻る可能性があります（したがって、形状記憶）。擬弾性の特殊なケースの 1 つは、ベイン対応と呼ばれます。これは、面心結晶格子(FCC) と体心正方結晶構造(BCT)間のオーステナイト/マルテンサイト相転移を伴います。^[1]

超弾性合金は、形状記憶合金のより大きなグループに属します。機械的な負荷がかかると、超弾性合金は応力誘起相の生成により非常に高いひずみ（最大 10%）まで可逆的に変形します。負荷が除去されると、新しい相は不安定になり、材料は元の形状に戻ります。形状記憶合金とは異なり、合金が最初の形状を回復するために温度変化は必要ありません。

超弾性デバイスは、その大きな可逆的な変形を活用しており、アンテナ、眼鏡のフレーム、生体医療用ステントなどが含まれます。

ニッケルチタン（ニチノール）は超弾性を示す合金の一例です。

サイズ効果

最近、 MEMS （微小電気機械システム）用途向けにナノスケールで超弾性を示す材料の発見に関心が集まっています。マルテンサイト相変態を制御する能力はすでに報告されています。^[2]しかし、超弾性の挙動はナノスケールではサイズ効果を持つことが観察されています。

定性的に言えば、超弾性は相変態による可逆的な変形です。したがって、転位運動による不可逆な塑性変形と競合します。ナノスケールでは、転位密度とフランク・リード源の可能性のあるサイトが大幅に減少するため、サイズが小さくなると降伏応力が増加します。したがって、ナノスケールで超弾性挙動を示す材料は、ほとんど有害な変化を伴わずに長期サイクルで動作できることがわかっています。^[3]一方、核生成が始まる可能性のあるサイトが減少するため、マルテンサイト相変態が発生する臨界応力も増加します。核生成は通常、転位の近くまたは表面欠陥で始まります。しかし、ナノスケール材料の場合、転位密度が大幅に減少し、表面は通常原子的に滑らかです。したがって、超弾性を示すナノスケール材料の相変態は通常均一であることが判明しており、その結果、臨界応力がはるかに高くなります。^[4]特に、3つの相を持つジルコニアの場合、相変態と塑性変形の競合は方位に依存することがわかっており、^{[5]転位と核生成の}活性化エネルギーの方位依存性を示しています。したがって、超弾性に適したナノスケール材料の場合、超弾性効果を最大限に高めるために最適化された結晶方位と表面粗さを研究する必要があります。

参照

参考文献

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外部リンク

DoITPoMS 教育学習パッケージ:「超弾性と形状記憶合金」

[Bhadeshia-1] Bhadeshia, HKDH「The Bain Correspondence」（PDF）。材料科学と冶金学。ケンブリッジ大学。

[2] Thorsten Krenke; et al. (2007). 「Ni-Mn-Inの磁気超弾性と逆磁気熱量効果」. Physical Review B. 75 ( 10): 104414. arXiv : 0704.1243 . Bibcode :2007PhRvB..75j4414K. doi :10.1103/PhysRevB.75.104414. S2CID 29563170.

[3] ^ J. San Juan; et al. (2014). 「 Cu-Al-Ni形状記憶合金マイクロピラーにおけるナノスケールでの長期超弾性サイクリング」。応用物理学レター。104 (1). AIP: 011901. Bibcode :2014ApPhL.104a1901S. doi :10.1063/1.4860951.

[4] J. San Juan; et al. (2013). 「ナノスケールでの超弾性と形状記憶：マルテンサイト変態に対するサイズの影響」Journal of Alloys and Compounds . 577. Elsevier: S25–S29. doi :10.1016/j.jallcom.2011.10.110.

[5] Ning Zhang; et al. (2016). 「単結晶イットリア安定化正方晶ジルコニアナノピラーの塑性変形における転位と相転移の競合メカニズム」Acta Materialia . 120 : 337–347. arXiv : 1607.03141 . Bibcode :2016AcMat.120..337Z. doi :10.1016/j.actamat.2016.08.075. S2CID 118512427.