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 » 形状記憶合金の特性

(1)形状記憶合金の原理

 
形状記憶合金の変形は一般の金属の塑性変形とは異なり、結晶構造の変化(変態)を伴う変形です。
変態は温度変化でも起こり、形状記憶現象は変形と温度変化による変態を利用したものです。(下図)
形状記憶効果
 
Ni-Ti合金は、形状回復温度より高温側でオーステナイト相という結晶構造をとります。これを冷却するとマルテンサイト相に変態します。この相は、外部からの力で簡単に変形させることができます。変形すると、結晶構造は変形マルテンサイト相に変わり、これを加熱すると構造がオーステナイト相にもどるためNi-Ti合金の形状も元の形に戻るのです。
 
超弾性効果
Ni-Ti合金は、形状回復温度より高い温度のオーステナイト相領域において、外力を加えると応力誘起マルテンサイト相に変態し、外力を取り除くと、直ちに元のオーステナイト相に戻ります。このためNi-Ti合金は、塑性変形せずに、ゴムのような弾力性が得られるのです

(2)変態点

 
Ms:冷却時のマルテンサイト変態開始温度
Mf:冷却時のマルテンサイト変態終了温度
As:加熱時のマルテンサイト相→オーステナイト相(母相)変態開始温度
Af:加熱時のマルテンサイト相→オーステナイト相(母相)変態終了温度
形状記憶処理は通常400℃~500℃で行い、Ms温度以下で変形後、
再びAf温度以上に加熱すると元の形状に 復帰します。
 
 
 
Ni-Ti合金は、オーステナイト相とマルテンサイト相の間(10~15℃)で大きく材料特性が変化します。形状記憶合金及び超弾性合金は、この温度領域を利用して形状記憶や超弾性効果を得ています。なお、形状回復温度(Af:Ni-Ti合金が記憶した元の形状に戻る温度)は、Ni量のわずかな差で変化します。

(3)形状回復温度

通常材(KIOKALLOY:Ni-Ti2元素系)の回復温度は約20℃から100℃で、
化学成分と加工率及び、形状記憶熱処理温度の相乗効果でコントロールできます。(図2)
 
より低い形状回復温度の要求に対応して、第三元素を添加し、回復温度を-80℃まで下げることに成功しました。(低温用(KIOKALLOY-S):Ni-Ti-Co3元素系(特許出願中))

(4)荷重-ひずみ曲線

 
引張試験により、荷重-ひずみ曲線を求めると、試験温度により、曲線がいちじるしく異なります。即ち、Mf点以下の温度で、あるひずみ量を与え、除苛すると大きなひずみは残りますが、
(このひずみ量はAf点以上に加熱すると0になります-形状記憶効果)Af点以上でひずみを与えた場合は除苛するとひずみは0に近づきます。(図3)
 
 
 
 
 
 
 

(5)特性値

 
機械的性質と形状回復温度
項 目
NI-Ti合金
(KIOKALLOY)
Ni-Ti-Co合金
(KIOKALLOY-S)
Ni-Ti-Cu合金
(KIOKALLOY-T)
形状回復温度(℃)
20~100
-30~30
40~70
機械的性質
マルテン
サイト相
引張り強さMPa
(Kg.f/mm2 )
1175~1370
(120~140)
1370~1570
(140~160)
1175~1765
(120~180)
降伏強さ(耐力)
MPa(Kg.f/mm2)
~196
(~20)
~294
(~30)
68~98
(7~10)
伸び%
~50
~50
~20
横弾性係数Mpa
(Kg.f/mm2)
7845~9800
(800~1000)
9800~13730
(1000~1400)
0~4900
(0~500)
オーステ
ナイト相(母相)
引張り強さMPa
(Kg.f/mm2 )
1075~1175
(110~120)
1275~1370
(130~140)
1175~1765
(120~180)
降伏強さ(耐力)
MPa(Kg.f/mm2 )
390~785
(40~80)
490~980
(50~100)
390~785
(40~80)
伸び%
~20
~20
~20
横弾性係数Mpa
(Kg.f/mm2)
17650~21575
(1800~2200)
25500~28440
(2600~2900)
19615~27460
(2000~2800)
機械的性質は及び形状回復温度は加工条件、熱処理条件、使用温度により変わります。

(6)普通の金属材料と形状記憶合金の応力-歪曲線

 
引張試験により、荷重-ひずみ曲線を求めると、試験温度により、曲線がいちじるしく異なります。
即ち、Mf点以下の温度で、あるひずみ量を与え、除苛すると大きなひずみは残りますが、
(このひずみ量はAf点以上に加熱すると0になります-形状記憶効果)
Af点以上でひずみを与えた場合は除苛するとひずみは0に近づきます。(図3)
 
 
(a)普通の金属材料 塑性変形分は、応力を除去しても永久変形として残ります。
 
(b)形状記憶効果を示す場合 Mf以下のマルテンサイト相の場合で、応力による変形は、マルテンサイト晶間の界面および双晶界面の移動をともなって行われ、応力を除去してもマルテンサイトはそのまま残って変形は残ります。これをAf点以上に加熱すると逆変態により元の母相の結晶方位に戻り、変形が消失します。この変形量は6~8%です。
 
(c)擬(超)弾性効果を示す場合 Af点以上の母相(オーステナイト)の場合で、弾性変形域につづいて応力誘起、マルテンサイト変態によって外形変化を生じ、応力を除去すると逆変態によって変形が消失します。
 
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