単結晶 CuAlMn 超弾性合金の開発と耐震分野への応用
喜 瀬 純 男1)

荒 木 慶 一1) 片岡奈々美1)

東 田 豊 彦3 石 川 浩 司2)
)
.

開発の背景

横 山 重 和2)

大 森 俊 洋1
 貝 沼 亮 介2)
)
変化が低減され，設計上も有利である．しかし，他の銅系形状記憶合金と同様に粒界破壊のリスクがあり，多結晶では単1995 年の兵庫県南部地震， 2011 年の東北地方太平洋沖地結晶に比べて超弾性特性が劣る(3)．

震， 2016 年の熊本地震など，全国各地で震度 7 の極めて強

著者らは Cu Al Mn 合金を特定の温度域で冷却・加熱のい揺れの地震が発生している．特に熊本地震では，震度 7サイクル熱処理を施すだけで，大型単結晶に成長させる組織の揺れが立て続けに 2 回も発生した．これらの地震では，制御技術と，塑性変形から破壊までの結晶方位依存性につい損傷や地震後の傾きが酷く復旧に多大な時間を要する例や，て研究し，将来実現が期待できるコストで耐震構造設計が可修復が困難で取り壊される例が多くみられた．そのため，震能な単結晶超弾性材料を開発した．

度 7 の地震が複数回起きても損傷や残留変形が残らず，地震直後に利用を再開できる建造物へのニーズが高まっている．

.

大きな変形を与えても，除荷すると直ぐに元の形に戻る超サイクル熱処理による異常粒成長を利用した巨大単結晶弾性合金を，地震時に変形が集中する部位で鋼材の代わりに使おうとする試みが，米国を中心に研究されている(1)．

通常の金属材料は結晶方位の異なる多結晶であるが，結晶超弾性合金の中でほぼ唯一実用化されている Ni Ti 合金

粒界はエネルギーが高く，高温では粒界面積を減少させよう

は，建築部材として実用化するには以下に示す複数の課題がと結晶粒成長が起きる．結晶粒径の分布が一定範囲内で進行 原料コストコストの高いチタンを多く含む．◯
製ある．◯

するのが正常粒成長である．一方，特定の条件において，い造技術通常の金属材料と比べると加工性は乏しく，特性をくつかの結晶粒が周囲の結晶粒よりも早く粗大化する異常粒出すために用いられる加工熱処理法では，建造物の耐震性向

成 長 が 生 じ る こ と が あ る ． Cu Al Mn 合 金 は ， 高 温 で b上に用いる直径 10 mm 以上の棒材の製造に対し現実的では(BCC 構造)単相，低温で b＋a(FCC 構造)二相となり，この 建造物設計上の信頼性見掛け上の降伏応力を示すない．◯

単相と二相の温度域を冷却・加熱することで，少数の結晶粒変態臨界応力の温度依存性は5.87 MPa/°C(2)であり，季節毎が高速で成長する異常粒成長が生じることが明らかになっの気温変化に伴い剛性が大きく変わる．

た(4)．

著者らが開発に取組んでいる Cu Al Mn 合金は，銅が主図( a )は 900 °C ( b )→ 500 °C ( b ＋ a )→ 900 °C ( b )のサイクル原料であることから原料コストがチタン合金よりも安価なだ

熱処理を施した Cu17Al11.4Mn(at)合金の光学顕微鏡写けでなく，加工性も良好であるため大量生産が可能になれば真である．正常粒成長をしている 1 mm 程度の b 相結晶粒

総合的にコスト低減が期待でき，太径部材の製造も可能であの 中 に ， 約 5 mm の 巨 大 な 結 晶 粒 ( 異 常 粒 ) が 観 察 で き ，る．また，変態臨界応力の温度依存性は 2.87 MPa /°C(2) とEBSD(電子線後方散乱回折)法により組織解析を行ったとこ

NiTi 合金の約半分であり，季節毎の気温の変化に伴う応力ろ，図 1(b)の GROD(結晶粒内平均方位に対する方位差)マップから判るように，異常粒周囲の正常成長粒内および異常株式会社古河テクノマテリアル1)課長 2)事業部長
名古屋大学大学院環境学研究科1)教授
積水ハウス株式会社1)社員 2)部長 3)部長
東北大学大学院工学研究科1)准教授 2)教授
Development of Single Crystal CuAlMn Superelastic Alloyand Its Application to Seismic Resistance Engineering;
Sumio Kise, Yoshikazu Araki, Nanami Kataoka,Shigekazu Yokoyama, Toyihiko Higashida, Kouji
Ishikawa, Toshihiro Omoriand Ryosuke Kainuma(Furukawa Techno material Co., LTD.. Nagoya University. Sekisui House LTD.. Tohoku University)
2020年10月27日受理[doi:10.2320/materia.60.54]



粒成長した結晶粒界近傍に約 1 ～ 2 °(図中カラーコードの黄緑～黄色)の方位差を有する50 mm 程度の亜結晶粒が観察される．この亜結晶粒は，a 相析出により導入されることがわかっている．亜結晶粒界は方位差に応じた高いエネルギーを有しており，これが異常粒成長の駆動力になっている．試料の異なる場所でこのような異常粒成長が生じるため，異常粒同士の衝突により，やがて一旦正常粒成長モードとなる．しかし，再度サイクル熱処理を施すことで異常粒成長の駆動力が蓄積されるため，再び異常粒成長が生じる．そのため，サ新技術・新製品

イクル熱処理を繰り返すことで，何度でも異常粒成長を利用で，大きな単結晶部材を製造することが可能である．

することができ，巨大な結晶を作製することが可能となる．
直径15 mm，長さ700 mm の長さの引抜加工した棒材に対.

結晶方位依存性が寄与する耐震設計技術

し電気炉大気雰囲気中で本異常粒成長を試みたところ，巨大結晶粒の形成が確認された．図( a )に示す 900°
C と 500°
C間

超弾性部材を耐震部材に使用する利点は，地震により建造の高温サイクル熱処理を繰り返すことで，図 2(b )のように物に大きな揺れが生じても，超弾性合金が変形することで他700 mm の棒材中に，最大250 mm もの大きな結晶粒が得らの部材の損傷を抑制し，建造物全体の残留変形を抑制する点れた．にある．また，想定を超える地震に超弾性合金が破断するのまた500°
Cの a＋b 二相から740°Cの b 単相との冷却・加熱の低温サイクルを繰り返すと，サイクル 1 回(図 2(d ))およをさけるため超弾性部材の設計では，超弾性だけではなく塑性変形から破断までの特性の把握が必要になる．

びサイクル 4 回(図 2(e))の GROD マップからも解るように，サイクル熱処理により作製した直径13 mm，長さ 300 mm

b 相中の亜結晶粒との方位差がより大きくなり，異常粒成長の Cu 17Al 11.4Mn ( at )単結晶棒材を EBSD で結晶方位のための駆動力と粒界移動速度を大きくする効果が期待できを測定し，JIS 14号試験片に加工してから，130°C，30分のる．図 2(c)に，高温サイクルで図 2(b)の様な大きな結晶粒時効処理を施した．試験片にひずみを 1ずつ10まで増加を作った上で，さらに低温サイクルでその粒界の駆動力を蓄する引張サイクルし，その後破断まで単純引張りする試験を積し，最後の高温保持により強力に異常粒成長させる熱処理行い，結晶方位別の超弾性と塑性変形から破壊までの挙動を方法のヒートパターンを示す．この熱処理により図 2 ( f )に調べた．

示す様な長さ700 mm の巨大な単結晶棒材が得られた(4)．

図は引張方向の代表的な方位に対する，ひずみ 10 ま

このサイクル熱処理技術を駆使すれば，特殊な単結晶製造での応力ひずみ線図で示す超弾性挙動で，逆極点図の内の黒設備を使用しなくても，ヒートパターンを組める熱処理炉点(方位)近くの数値は変態臨界応力である．どの試験片の方位においても良好な超弾性が見られ，変態ひずみ量(et)は形状ひずみの計算値(5)と比較的良く一致し，［001]付近で大きい ． ま た ， Clausius Clapeyron の 関 係 か ら 予 想 さ れ る 通り，変態ひずみ量が小さいほど変態臨界応力(st)が高くなる傾向を示す(6)．
次に，プラトー領域後の塑性変形挙動について説明する．
図( a )および図 4( b )に，それぞれ図 3 の結晶方位[ 101]および[001]付近の試験片について，破断までの応力ひずみ線図と破断した試験片の写真を示す．

図1

900°
C→500°C→900°
Cのサイクル熱処理を施した Cu17Al
11.4Mn 合金の異常粒成長(AGG)の様子(4)．

結晶方位[101]付近はプラトー領域終了後に急激に加工硬化し，破断ひずみ10.6と延性は乏しく，引張強さ930 MPaでせん断破壊している．
一方，結晶方位[001]付近は，プラトー領域終了後の加工硬化も限定的で引張強さは 250 MPa と低く，破断ひずみが約 80 と延性が高い．破断した試験片を見ると，試験片平行部全体に渡って，すべり線(図 4( c ))が確認され，応力ひ図2

サイクル熱処理により作製された直径 15 mm ，長さ 700mm の CuAlMn 合金単結晶棒材(4)．

ま て り あ 第60巻 第 1 号(2021)
Materia Japan

図3CuAlMn 超弾性合金超弾性特性の結晶方位依存性(6)．

図4CuAlMn 超弾性合金の結晶方位別の破断までの特性と試験片(6)．

図5単結晶 CuAlMn 超弾性合金を使用した耐力壁．
(大臣認定は塗装した仕様で取得)

ずみ線図の上に描いたイラストのように，大きな結晶の回転合金を配置した耐力壁を開発した．耐力壁とは地震等の水平を起こしながら塑性変形して破断に至っていると考えられる．

方向の力に抵抗する壁(要素)のことで，耐震壁とも呼ばれる．

これらの結果から判るように，塑性変形から破壊挙動にお超弾性合金を利用しない場合，強い揺れにより鋼材が塑性いても，大きな結晶方位依存性が確認できる(6)．

化すると筋交いが緩んでしまい，その後，耐力壁の抵抗力は結晶方位[101]付近(図 4(a))のような，超弾性変態ひずみ低下する．一方，超弾性合金を利用すれば，強い揺れで大変(プラトー領域)が小さく，超弾性域を超えた変形時に急激な形が生じても変形は回復するので筋交いが緩むことはなく，加工硬化が起こる材料は，極めて大きな揺れを伴う巨大地震大地震が繰り返し発生しても耐力壁は抵抗力を発揮し続ける．

による変形が付与されると，超弾性変態ひずみを超えて，応建築材料として前例の無い銅合金，同じく前例の無い超弾力が急上昇し，超弾性合金部材と接続している部材に急激な性合金のため，性能の安定性及びその保証等への審査に対引張応力が付与され，結果的に建造物が損傷するリスクがあし，製造方法及び品質管理の妥当性を示し， 2019 年 10 月にる．

国土交通大臣認定を取得した．

一方，結晶方位[001]付近(図 4(b))のような超弾性変態ひずみが大きく，塑性変形領域に入っても加工硬化が小さく，これにて，木造用耐力壁として，銅系の本超弾性合金を建築物の主要構造部へ使用することが可能となった．

破断までの変形量が大きい材料であれば，巨大地震において単結晶の構造部材という金属の常識を打ち破る製品が，近も超弾性により建造物に大きなダメージを与えずに，本震かい将来に市場での普及を期待できる状況に到達することがでら短期間で来る可能性の有る大きな余震にも対応することがきた．

出来る．仮に超弾性域を超えるような想定外の変形が起こっても，超弾性合金部材のみが形状回復後に僅かな残留塑性ひ.

特許ずみを残し接続部材の損傷を抑えることで，建造物の倒壊を抑制することが出来る．

本技術の材料について特許第 5567093 号，特許第 5912094

これらのことからも解るように， Cu Al Mn 合金につい号，特許第6109329号を取得し，関連する技術についても複て結晶方位別の塑性変形から破壊までの挙動が判ったこと数の特許を取得している．さらに，新たに開発した技術につで，より理想的な耐震製品の設計が可能になる．

いても継続して特許出願している．

.

開発の意義と将来展望

建築基準法で使用が認められている金属材料は鋼材，鋳鋼及びアルミ合金のみである．このため， Cu Al Mn 合金を国内で建築物に建築材料として実用的に使用することは極めて難しい．使用を図るには，使用方法を明確にした要素としての，或いは，その特性を評価した建築物 1 棟としての構造安全性を評価する国土交通大臣認定を取得する方法がある．
著者らは，図(a)に示す木造住宅用の鋼製の筋交い(たすき掛けの斜材)の一部に図 5 ( b )の単結晶 Cu Al Mn 超弾性文献( 1 ) WS Chang and Y. Araki: Proceeding of ICECivil Eng., 169(2016), 87
95.
( 2 ) J. Xia, Y. Noguchi, X. Xu, T. Odaira, Y. Kimura, T. Omori andR. Kainuma: Science, 369(2020), 855858.
( 3 ) 喜瀬純男，荒木慶一，鹿島大雄，大森俊洋，貝沼亮介銅と銅合金，58(2019), 258262.
( 4 ) T. Kusama, T. Omori, T. Saito, S. Kise, T. Tanaka, Y. Araki
and R. Kainuma: Nature Com., 8(2017), 354.
( 5 ) Y. Sutou, T. Omori, R. Kainuma, N. Ono and K. Ishida: Metall.
Mater. Trans. A, 33A(2002), 28172824.
( 6 ) S. Kise, Y. Araki, T. Omori and R. Kainuma: Journal of Materials in Civil Engineering, in press.

新技術・新製品