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クロム、コバルト、ニッケルの合金(CrCoNi)からなる単純な材料が、永久変形に耐える強度を持ちながら、同時に非常に延性が高い、つまり非常に加工しやすい材料であることが判明した。この2つの性質を合わせて靭性(じんせい)と呼ぶが、CrCoNiは地球上で最も靭性の高い材料なのだ。

CrCoNiは、元素の割合がほぼ同じである高エントロピー合金(HEA)ファミリーに属する材料である。ほとんどの合金は、1つの元素を主成分とし、他の元素を少量ずつ加えてできているが、HEAは各元素を等量ずつ含んでおり、そのため、高い強度重量比、温度とともに上昇する弾性率、超高強度と延性など、素晴らしい特性を持つ。これまでこれらHEAについて、最も過酷な条件下でのテストは困難であった。ローレンス・バークレー国立研究所(バークレーラボ)オークリッジ国立研究所(OPNL)の研究者は、CrCoNiが意外にも低温になるほど強靭になることを発見した。

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走査型電子顕微鏡による画像で、(A) CrMnFeCoNi と (B) CrCoNi 合金の結晶構造と結晶格子の向きを示している。(C)は293K、(D)は20KでのCrCoNiの破断の例。 (Credit: Robert Ritchie/Berkeley Lab)

ORNLとテネシー大学の共同リーダーであるEaso George氏は、「構造材料を設計する場合、強度と同時に延性、破壊に対する抵抗力が必要です。一般的には、これらの特性の間で妥協することになります。しかし、この材料はその両方を兼ね備えており、低温で脆くなる代わりに、より丈夫になります。」と述べている。

チームは、ほぼ10年前に、CrCoNiと、マンガンと鉄を余分に含む別の合金(CrMnFeCoNi)の研究を初めて開始した。研究者らはこれまでの研究で、CrCoNiが約-196℃の低温で高い強度と靭性を示すことを発見している。しかし、より過酷な条件下でテストできるようになるまでには、何年もかかった。CrMnFeCoNiはうまくいったが、CrCoNiは例外的だった。

今回、研究チームは、ヘリウムが液体として存在する-253℃というさらに低い温度で、この物質がどのように持ちこたえるかを調べた。その結果、亀裂の伝播を防ぐという点で、その強靭さは新たな高みに到達した。

「液体ヘリウム温度(20ケルビン、-253℃)付近でのこの材料の靭性は、500メガパスカル平方根メートルという高さです。同じ単位で、シリコン1個の靭性は1、旅客機のアルミ製機体の靭性は約35、最高級鋼材の靭性は100程度です。」と、バークレー研究所の材料科学部門の上級科学者であり、カリフォルニア大学バークレー校のChua工学部教授でもある共同リーダーのRobert Ritchie氏は付け加えている。

この材料は、変形時に「魔法の連鎖」と呼ばれる相互作用を起こし、まず可鍛性が得られ、次に強度が得られるという挙動を示す。最初は粒だけの非常にシンプルな構造だが、変形すると非常に複雑な構造になり、破壊に強くなるのだ。

この材料は現在、さまざまな用途に開発されているが、作成にコストがかかるため、研究者は現在、深宇宙のような極限環境での使用に適していると考えている。

研究の要旨

CrCoNi系中・高エントロピー源合金は、特に極低温において優れた耐損傷性を示す。本研究では,等エントロピーのCrCoNiおよびCrMnFeCoNi合金の20ケルビン(K)での破壊靭性値を調べた。その結果、CrMnFeCoNiとCrCoNiはそれぞれ262と459メガパスカル・メートル½(MPa-m½)という非常に高い亀裂開始時破壊靭性を示し、CrCoNiは2.25ミリの安定亀裂後に540MPa-m½以上の亀裂成長靭性を示すことが明らかになった。20Kでのクラックチップの変形構造は、高温でのそれとは全く異なるものである。積層欠陥、微細なナノツイン、変形したイプシロンマルテンサイトの核生成と制限された成長を伴い、コヒーレントな界面が転位の阻止と伝達を促進し、強度と延性を生み出すことができる。これらの合金は、転位グライド、積層欠陥形成、ナノツイン、相変態といった変形機構の相乗効果により耐破壊性を発現し、ひずみ硬化を延長することで強度と延性を同時に高め、優れた靭性を実現すると考えている。

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