LPSO 型マグネシウム－リチウム合金の組織・構造制御と高温塑性変形における Suzuki 効果の検証
秋田大学 大学院理工学研究科教授 齋藤 嘉一（2018 年度 一般研究開発助成 AF-2018011-B2）
キーワード：LPSO 型マグネシウム合金，マグネシウム‐リチウム，拡張転位

１．研究の目的と背景づいた組織・構造制御を利用して，Mg の新機能の創出を追構造用マグネシウム(Mg)材料の普及や用途拡大を進めるう求するものである．具体的には，今最もホットな高強度 Mg 合えで，大きな障害となっているのが Mg 基合金固有の六方晶金として注目される Mg-Y-Zn 系の長周期積層(LPSO)構造型構造に由来する低延性，低靭性，難加工性である．これに対合金の設計指針 4) に照らし，新たに Li を固溶させた 4 元系をして，Mg の結晶塑性を本質的に転換する方法として古くから基に析出組織・構造を制御することで，従来合金を凌ぐ軽量注目されてきたのが，リチウム(Li)を添加して合金化する方法

性に加え，強靭性と加工性を両立した合金創製を目指した．

である．Li を固溶させることで，密度が低下して一層の軽量化

これを実践するにあたり，TEM，HAADF-STEM，SEM-EBSDが進むことに加え，HCP 母相の軸比 c/a が低下して非底面すなどの先端電子顕微鏡技術を駆使し，マクロからナノに及ぶべりが活性化する．さらに，Li 添加量が 6 mass%以上になると組織・構造のマルチスケールの評価を行った．特に，高温下体心立方晶（BCC）の β-Li 固溶体が現れ，すべり系の増加にでの塑性変形挙動に注目し，本合金がもつ優れた耐高温変伴って延性が飛躍的に向上する．1,2)

Mg-Li 系合金はこれま形特性において，底面<a>すべりで生じる拡張転位に対するで，製造コストや耐食性，強度の各方面に課題を抱え，民生・溶質偏析現象，つまり Suzuki 効果の発現を原子識別分解能

産業用途で需要が伸びることはなかったが，近年（株）三徳 3)の HAADF-STEM 法を駆使して検証を試みた．

によって冷間加工が可能で耐食性にも優れた Mg-Li-Al 合金の量産技術が確立され，携帯用 PC 筐体への本格採用に拍車がかかるなど，再びその高いポテンシャルに社会の関心が２．実験方法
2・1

試料の概要向けられるようになってきた．ところが依然，かねてからの弱点母合金の仕込み組成として 4 元系の Mg87.9Li10Y1.4Zn0.7である強度不足が改善されるまでに至っておらず，用途はごく(at.%) を選定し，当該組成比となるよう秤量した純金属原料限定的で，Mg-Li 系合金の普及・汎用化を進めるうえでの課を元に高周波溶解法によってアルゴン雰囲気中で均一溶製題となっている．

した．また，比較材として Li を含まない Mg97.9Y1.4Zn0.7 から成る

次 世 代 型 Mg 合 金 と し て 今 最 も 注 目 さ れ て い る の が

3 元系合金を作製し，これも評価対象材とした．これら 2 種類

Mg97Zn1Y2 合金 4) を筆頭とする系で，従来の Mg 材を圧倒すの母合金 (As-cast 材) に対して，図 1 に示すような加工熱処る優れた強度と延性バランスを示すのが特長である．この合金理を施した．ここで得られた溶体化処理材に対し，圧延方の組織は母相の HCP-Mg 固溶体のほかに，周期的に積層欠向(RD 方向)に最長辺を持つ直方体形状(~3×3×5 mm2) に陥が導入された最密充填面に対して溶質元素の Y や Zn が置切断し，圧縮試験片とした．

換固溶してできた長周期積層構造相（LPSO 相）を加えた二相共存から成る．5) この発見を機に，当該合金の基礎・応用研究が一気に活発化し，LPSO 相自体の塑性変形機構をはじめ，優れた力学特性に及ぼす LPSO 相の役割や具体的影響について盛んに調査が進められているが，未だ不明な点が多い．
最近申請者等が得た成果 6) によれば，Mg97Zn1Y2 に対してLi を複合添加した合金に現れる LPSO 相において，溶質偏析部の局所構造に系統的な変化が現れる証拠が得られ，Li 添加を利用して LPSO 相の構造制御が可能になることが示唆された．また，Mg-Y-Zn 系の過飽和固溶体を 300℃以上の高温下で変形すると，溶質偏析を伴った拡張転位の形成，つまりSuzuki 効果が活性化し，変形応力の増強に寄与することも明らかになった．7)
本研究は，Mg 製構造部材の積年の課題である低延性，低靭性，難加工性の抜本的解決に向け，新しい合金構成に基

図1

Mg-Li-Y-Zn 系合⾦の加⼯熱処理プロセス

図 2

Mg-Y-Zn 系(a)ならびに Mg-Li-Y-Zn 系(b)合⾦の溶体化処理材の組織を捉えた SEM 像

図4

Mg-Li-Y-Zn 合⾦の 200℃圧縮材の-Mg ⺟相に⽣じた転位組織を捉えた TEM/STEM 像：(a) TEM/SAD 像；(b) BF-STEM 像; (c) HAADF-STEM 像
参考データとして， 純 Mg の結果(a)も掲載した．いずれの
図 3

Mg-Y-Zn 系(a)ならびに Mg-Li-Y-Zn 系(b)合⾦の試料にも共通する特徴として，試験温度の高まりとともに変形溶体化処理材に対する圧縮試験の結果から得られた応力が低下するのは必然であるが，Y と Zn を複合添加した場

応⼒−ひずみ曲線

合では，高い水準の変形応力を維持しながら加工硬化が続く様子が確認できる．また，Li 無添加と Li 添加合金の結果を比

上述の溶体化処理材に対して，恒温槽を備えた万能試験機

較すると，10 at.%程度の Li を添加しても Li 無添加合金とほぼ（Instron5985）を用いて，大気中にて試験温度を室温から最高同レベルの強度を維持していることから，Y と Zn の複合添加400℃までの範囲で一定に保ち，圧縮試験を行った．このとき，によって Li 固溶によって生ずる強度低下を補って余りあるほ直方体形状の試験片の最長辺方向(RD 方向)に沿ってひずみど，大きな固溶強化を生み出していると判断できる．また，Li速度 0.001/s の下で荷重を加えながら，最大で 8 %程度のひず添加合金の変形初期段階の曲線の傾きが小さいことは，Li 添みが試験片に導入されるまで圧縮試験を行った．変形試料の加による延性能の向上を示唆するものと考えられる．

組織・構造学的評価には走査型電子顕微鏡(SEM; JEOL

高温圧縮試験片に対して，TEM/STEM を利用して変形組

JSM-7800F)，走査型透過電子顕微鏡(TEM/HAADF-STEM;織の評価を実施した結果，200℃以下の試験温度下で導入さJEOL JEM-2100F) を利用した．

れた転位組織は，溶質偏析を伴わない通常のショックレー型の拡張転位であることが分かった．図 4 は，Li 添加合金の３．実験結果
3・1

試料の概要

200℃圧縮材の-Mg 母相に生じた典型的な転位組織を異な――る結像モードで，[2110]方位から撮影した写真で，(a)が TEM

図 2 は，Mg97.9Y1.4Zn0.7（(a) Li 無添加）と Mg87.9Li10Y1.4Zn0.7

像，(b)が BF-STEM 像，(c)が HAADF-STEM 像である．この（(b) Li 添加系）の 2 種類の Mg 合金に対し 520℃で 1 時間のTEM 像や BF-STEM 像において，c 軸方向に対して垂直に伸溶体化処理を施した試料の SEM 写真である．Li 添加の有無

びる線状コントラストは底面<a>すべりの分解によって生じた拡にかかわらず，互いによく似た二相組織が形成されていた．暗張転位である．これらを HAADF-STEM で観察すると，わずかいコントラストの部分が HCP 構造の-Mg 固溶体母相であり，に弱い回折起因のコントラストの発生は識別されるが，Z コント

明るい部分が溶質原子 Y と Zn に富む LPSO 相である．なお，ラストは明瞭には認めらず，溶質偏析は伴っていないと判断さ

Li 添加合金に固溶する Li に関わる定性・定量的情報についれた．これに対して，図 5 は 300℃圧縮材から得られた撮影結てはその評価が技術的に困難であり，今回実施した一連の実果である．200℃圧縮材の例と比べて拡張転位の密度は増加

験においては調査対象外とした．

し，ほとんど全ての拡張転位に沿って Z コントラストがはっきりと図 3 は当該 2 種の溶体化処理材から得られた応力－ひずみ曲線で，横軸は公称応力で縦軸は公称ひずみを表す．

識別できるようになった．その後の詳細な調査によれば，試験温度を 250℃以上に高めると，溶質偏析を伴った

図 5 Mg-Li-Y-Zn 合⾦の 300℃圧縮材の-Mg ⺟相に⽣じた転位組織を捉えた TEM/STEM 像

図 6 Mg-Li-Y-Zn 合⾦の 300℃圧縮材の溶質偏析部に対する EDS 分析

拡張転位，つまり Suzuki 効果が活性化することが明らかとなっさらに拡大して見ると，実際にはそこに湾曲した転位が存在すた．さらに，特筆すべき特徴として，HCP-Mg 相の底面に沿っるわけではなくて，非常に短い拡張転位が底面から外れた方た方向に加え，そこから逸れて湾曲した転位組織の発達が目向に数珠状に連なって存在する様子が明らかとなった．このよ立った．

うに短い拡張転位が縦列した配置を取ることで，これに隣接す

図 6 は，上述の Suzuki 偏析部に対して，EDS によるマッピる左右の結晶領域の c 軸にずれが生じ，c 軸方向に生じたひング分析結果である．当該部において Zn と Y の濃化を示すコずみを緩和するのに有効に機能し，ひいては延性の向上にントラストの発生を確認することができ，拡張転位部に対してつながったと解釈された．

確かに Zn と Y が同時に偏析している事実を裏付ける証拠とな

Li 無添加ならびに Li 添加合金の高温変形で生じた転位のった．さらに当該偏析部に対して，EDS 分析の検出対象となる性格を評価するため，積層欠陥を含む局所領域に対して高元素として Mg と Y と Zn の 3 元素を指定して定量解析を行っ分解能 TEM 観察を行った．図 8 は Li 無添加合金の 300℃圧たところ，当該母合金の仕込み組成において Y/Zn の原子分縮材に生じた典型的な積層欠陥を捉えた高分解能 TEM 像で率比が 2 であったのに対し，Suzuki 偏析で生じた偏析物の原ある．黄色い垂直記号で挟まれた場所に拡張幅 20 nm 前後

子分率比は大幅に変化して 0.5 以下になることがわかったの積層欠陥が存在するとみられ，左右それぞれの端部に対し（Mg-1.35at.%Y-2.94at.%Zn）．以上の結果によれば，Li を添て完全結晶を想定した閉回路を適用して原子位置の変位ベ加した Mg-Y-Zn 系合金においても Li 無添加合金と同様の高クトル，つまりバーガースベクトルb を評価した結果，それぞれ温塑性挙動，つまり，Suzuki 効果が活性化し，高温強度に影の領域に正と負の向きのショックレー型の部分転位が存在す響を及ぼす可能性があることが明らかとなった．

→ることがわかった．この例が示すように，Li 無添加合金に生成

次に Li 添加の有無による変形組織の違いを見極めるため，した拡張転位の多くが，底面<a>すべりの分解によって生じた両合金の転位下部組織に対して詳細な STEM 観察を実施しショックレー型の部分転位と判断された．同様な特徴をもつ拡た結果を図 7 に示す．図(a), (b)が Li 無添加合金の 300℃圧張転位が，Li 添加合金の圧縮材においても多数観察された．

縮材から得られた STEM 像で，(c), (d)が Li 添加合金の結果一方，図 9 は Li 添加合金の 300℃圧縮材に生じた典型的なである．これら 2 組の写真を注意深く見比べると，それぞれの拡張転位を捉えた高分解能 TEM 像である．黄色い矢印が示転位下部組織が有する特徴として，次の 2 点において違いがす場所に積層欠陥が存在し，それぞれの端部を取り囲む領認められた．第一点目は，拡張転位の直進性である．つまり，域に対して完全結晶を想定した閉回路を適用してバーガース

Li 無添加合金にみられる転位の大半が-Mｇ母相の底面内ベクトルを評価した結果，互いに逆向きの a+c 成分の原子変で生成した拡張転位とみられ，しかも拡張幅が 100 nm を超え位を伴った部分転位が存在することが明らかになった．このよる長いものが珍しくない．これに対して，Li 添加合金に形成さうにして，この領域には錘面<a+c>転位の分解によって生じたれた転位組織は比較的短いものが多いことに加え，底面から部分転位が形成されていることが分かった．この観察結果が外れて湾曲するものの存在が目立つことがわかった．これらを例示するように，Li 添加合金の変形においては錘面すべりが図 8

Mg-Y-Zn 系合⾦の 300℃圧縮材に⽣じた転位を捉えた⾼分解能 TEM 像

図7

Mg-Y-Zn 系と Mg-Li-Y-Zn 系合⾦の 300℃圧縮材に⽣じた転位組織を捉えた STEM 像

図9

Mg-Li-Y-Zn 系合⾦の 300℃圧縮材に⽣じた転位を捉えた⾼分解能 TEM 像活性化することを示す結果と考えられた．こうして，Mg-Y-Zn

謝系合金に対する Li 添加の影響として，活性なすべり系の変化，つまり錘面すべりの活性化を促す可能性が示唆された．このことも延性の向上に有効に機能したと考えられた．

４．結 論
本研究では，Mg-Y-Zn 系合金の変形特性に対する Li 添加の影助成の下で行われたものであり，ここに謝意を表す．

参考文献
1)

NASA Contractor Report, (Battelle Memorial Institute,の 2 種類の過飽和固溶体合金に注目し，中高温域での圧縮変形
1. 一般に，Mg に Li を添加して固溶体化すると大きな強度低下が起こるが，さらに Y と Zn を適量複合添加すると強い固溶強化が発現し，強度と延性を同時に向上させるための組織制御が可能になる．
2. Mg87.9Li10Y1.4Zn0.7 合 金 の 過 飽 和 固 溶 体 相 に 対 し て ，250℃～300℃の試験温度で，かつひずみ速度 0.001 /s の条件下で高温変形を施すと Suzuki 効果が活性化し，その結果生じた拡張転位の多くが Y と Zn によって固着され，これが高水準の変形応力の発現をもたらす．
3. Mg97.9Y1.4Zn0.7 合金に対して Li を 10 at.%程度固溶させると系全体の積層欠陥エネルギーが上昇する．このとき，高温（～300℃）で圧縮変形を行うと，数 10 nm の拡張幅を有し Y と Zn の同時偏析を伴った拡張転位が多数発生し，さらにこれらが縦列配置する傾向が強まり，効果的なひずみエネルギーの開放と延性向上をもたらすよう，機能したとみられる．

T. G. Byrer, E. L. White and P. D. Frost: The developmentof magnesium-lithium alloys for structural applications,

響を調査するため，Mg97.9Y1.4Zn0.7 合金と Mg87.9Li10Y1.4Zn0.7 合金
挙動を評価した結果，以下の知見を得た．

辞本研究は公益財団法人天田財団 2018 年度一般研究開発

Columbus, OH, 1963).
2)

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