TiNi形状記憶合金のサブル』プ負荷における応力緩和

愛 総 研 ・研 究 報 告
53
第16号2014年
TiNi形 状 記憶合金 のサ ブルー プ負荷 にお ける応 力緩 和
StressrelaxationofTiNishapememoryalloyinsublooploading
武 田
亘 平 †,松
井
良 介 †,戸
伏
壽 昭 †
KoheiTakeda,RyosukeMatsui,HisaakiTobushi
AbstractThetransformation-inducedstressrelaxationandstressrecoveryofTiNishapememoryalloy
(SMA)inthestress-controlledsublooploadingwereinvestigatedbasedonthelocalvariationintemperature
andtransformationbandonthesurfaceoftheSMAtapeinthetensiontest.Theresultsobtainedare
summarizedasbellows.(1)Intheloadingprocess,temperatureincreasesduetotheexothermicmartensitic
transformation(MT)tilltheholdingstrainunderaconstantstressrateandthereaftertemperaturedecreases
duringholdingthestrainconstant,resultinginstressrelaxationduetotheMT.(2)Intheunloadingprocess,
temperaturedecreasesduetotheendothermicreversetransformationtilltheholdingstrainunderaconstant
stressrateandthereaftertemperatureincreasesduringholdingthestrainconstant,resultinginstressrecovery
duetothereversetransformation.(3)Stressvariesmarkedlyintheinitialstagefollowedbygradualchange
duringholdingthestrainconstant.(4)Ifstressrateishightilltheholdingstrainintheloadingandunloading
processes,bothstressrelaxationandstressrecoveryarelarge.(5)Itisimportanttotakeaccountofthese
behaviorsinthedesignofSMAelementssincetheforceofSMAelementscanvaryunderconstantstraineven
iftemperatureiskeptconstantaroundSMAelements.
1.緒
内 部 ル ー プ と も 呼 ば れ る)の 負 荷 を 受 け る 場 合,フ
言
プ で 規 定 さ れ るM変
形 状 記 憶 合 金(shapememoryalloy,SMA)は
形 状記 憶
効 果 や 超 弾 性 の 熱 ・力 学 特 性 を 示 し,イ
ン テ リ ジ ェ ン ト材
料 と して 必 要 な機 能 特 性 に優 れ て い る た め に そ の 応 用 が
素 子 を 設 計 す る た め に は,材
る.SMAの
M)変
応 用 に お い て記 憶
料 の 熱 ・力 学 特 性 が 必 要 で あ
温 度 お よ び 応 力 の 履 歴 に 依 存 し て 変 化 す る(Tanaka,etal.,
1994;Tanaka,etal.,1995;Pieczyska,etal.,2007).例
態 は 温 度 お よび
応 力 の 変 化 お よ び こ れ ら の 履 歴 に 依 存 す る た め に,M変
よ り2方
態
子 はM変
え ば,
態 と逆 変 態 に
向 の 変 形 を す る 。 フ ル ル ー プ の 場 合 に は,M変
で 生 じ得 る ひ ず み の 大 き さ に 対 応 す る 変 形 量(ス
ク)だ
機 能 特 性 は 主 に マ ル テ ン サ イ ト(martensite,
態 に 基 づ い て 現 れ る.SMAのM変
態 と逆 変 態 の 進 展 は そ れ ま で の ひ ず み,
一 定 応 力 下 の 加 熱 と 冷 却 でSMA素
世 界 的 に 注 目 さ れ て い る(Funakubo,1987;Otsukaand
Wayman,1998;Miyazaki,2008).SMAの
い.こ の た め,M変
ルル ー
態 の 開始 と終 了 の 条件 は満 た され な
け,SMA素
ープの場合には
子 は 伸 び 縮 み を す る.し
,SMA素
子 で はM変
態
トロー
か し,サ
ブル
態 ひ ず み の 大 き さに
対 応 す る だ け の ス ト ロ ー ク は 得 ら れ な い 。 同 様 に,ひ
ずみ
に 伴 う 変 形 特 性 は 複 雑 で あ る(Tanaka,etal,,1986;
を 拘 束 し てSMA素
Raniecki,etal.,1992;Tobushi,etal.,2013).熱
・力 学 特 性 に
応 力 の 変 化 も サ ブ ル ー プ で は 履 歴 に 依 存 す る の で,回 復 力
態 お よび 逆 変 態 が 完
の 変 化 は フ ル ル ー プ の 場 合 に 比 べ て 小 さ く な る.し た が っ
関 す る こ れ ま で の 多 く の 研 究 はM変
了 す る フ ル ル ー プ(完
全 ル ー プ と も 呼 ば れ る)の
で 行 わ れ て い る 。 実 用 に お い て は ひ ず み,温
は 種 々 に 変 動 す る.M変
条件 の 下
度 お よび応 力
態 が 完 了 し な い 範 囲 で ひ ず み,温
度 お よ び 応 力 が 変 動 す る サ ブ ル ー プ(部
分ル ー プ あ る い は
子 を 加 熱 ・冷 却 し た 場 合 に 現 れ る 回 復
て,回 復 力 を ア ク チ ュ エ ー タや ロ ボ ッ トな ど の 駆 動 力 と し
て 用 い る 場 合,サ
ブ ル ー プ に お け る 回 復 力 は フル ル ー プ の
場 合 と 同 様 に は 有 効 に 利 用 で き な い.ま
荷 除 荷 お よ び 加 熱 冷 却 の 速 度 に 依 存 す る の で,ひ
び 応 力 の 変 動 は 複 雑 で あ る.
†
愛 知 工 業大 学
工 学部
機械 学科(豊
田市)
た,M変
態は負
ずみお よ
愛 知 工 業 大 学 総 合 技 術 研 究 所 研 究 報 告,第16号,2014年
54
SMAが
サ ブ ル ー プ 負 荷 を受 け る場 合,一 定 応 力 下 で は
ひ ず み の 変 動 す る変 態 誘 起 ク リー プ 変 形 が 現 れ(Takeda,
etal.,2012a),一
定 ひ ず み 下 で は応 力 の 変 動 す る 変 態誘 起
応 力緩 和 が 生 じ る(Pieczyska,etal.,2007).こ
応 力 変化 の 生 じ る原 因 が発 熱(あ
の論 文 で は,
るい は 吸熱)反 応 で あ る
と推 察 され て い るが,試 験 片表 面 の 変 態 帯 お よび 温度 分布
に つ い て は 検討 され て い な い.一 定 ひ ず み 下 に お い て は 変
態 の進 展 量 は少 な く,変 態進 展過 程 の観 察 は容 易 で な い た
め,こ れ らの 研 究 は これ まで 行 われ て い な い.SMAの
実
用 で は,機 械 の運 動 を制 御 す る ク ラ ッチや ブ レー キ,油 圧
で 駆 動 力 を 制御 す るア ク チ ュ エ ー タ,お よび締 結 要 素 を締
付 け る場 合 に お い て は,荷 重 を制 御 す る必 要 が あ る.SMA
を これ らに使 用 す る場 合,応 力 制御 に お け る 変 形 挙 動 を理
解 す る必 要 が あ る.ま た,SMAを
用 い た これ らの場 合,
あ る位 置 ま で 動 作 させ そ の 位 置 を 保 持 す る よ うに 制 御 す
る こ とが 多 い.一 定 ひ ず み 下 に お い て 変 態進 展 条件 を満 た
せ ば応 力緩 和 お よび応 力 回復 が 生 じ,そ の位 置 を保 持 す る
た め の 荷 重 が 変 動 す る。同様 に,あ る位 置 を保 持 す る た め
に 荷 重 を保 持 す る制御 を して も,上 述 した よ うに,一 定応
力 下 で は ひ ず み の 変 動 す る ク リー プ お よび ク リー プ 回復
が 生 じるた めそ の位 置 の 制御 は難 し くな る.し た が って,
SMAを
使 用 した ア クチ ュエ ー タ な どの制 御 を考 え る とそ
の応 カ ー
ひずみ一
温 度 関係 を理 解 す る必 要 が あ り,サ ブル ー
プ に お け る変 形 挙 動 を 理解 す る こ とは,サ ブル ー プ負 荷 を
受 け るSMA素
子 の機 能 特性 を 正 し く評価 し,SMA素
子を
設 計 す るた め に 実 用 上 非 常 に 重 要 で あ る.
本研 究 で は,SMAの
SMAに
中 で最 も多 く実 用 され て い るTiNi
つ い て,単 軸 引 張 試 験 に よ り薄 帯 材 の応 力 制 御 サ
ブ ル ー プ 負 荷 に お け る変 態 誘 起 応 力 緩 和 お よ び 応 力 回復
に つ い て 検討 す る.一 定 応 力 速 度 で 負 荷 し,M変
態領 域 に
お い て ひ ず み を 一 定 に保 持 す る と応 力 の 減 少 す る応 力 緩
和 が 生 じ,除 荷 過 程 の 逆 変 態領 域 に お い て ひ ず み を 一 定 に
保 持 す る と応 力 の 増加 す る応 力 回復 が 生 じ る.実 験 で は,
(c)Constantstressrate
マ イ ク ロス コ ー プ お よ び サ ー モ グ ラ フ ィ に よ り観 察 した
試 験 片 表 面 の 変 態 帯 と温 度 分布 の 変化 に 基 づ き,応 力緩 和
Fig.1Stress-straindiagramsinthesubloopstrain-controlled
と応 力 回復 の 特性 を 明 らか に す る.ま た,種 々 の応 力速 度
andstress-controlledloadingsunderdifferentloading
に 関 す る応 力 緩 和 お よ び 応 力 回 復 の 特 性 につ い て 考 察 す
rates
る.
に そ れ ぞ れ 示 す(Pieczyska,etal.,2007;Takeda,etal.,
zolzb).
2.サ
ブル ー プ負 荷 に お け る変 形 挙 動 と変 態 進 展 条 件
図1(a)に
示 す よ う に,一
定 の低 ひ ず み速 度 の サ ブル ー
プ で 負 荷 除 荷 し た 場 合,点bか
2.1ひ プ芳 篇7、とノ叔 ノ
篇7!こ お 〆
プζ5彫 仔 荏
一 定 の低 ひず み 速 度 と高 ひず み 速 度 で制 御 した 場合 お よ
び応 力 速 度 一 定 で制 御 した場 合 のサ ブル ー プ負 荷 に お け る
超 弾性 の応カ ーひ ず み線 図 を図1(a),(b)お
よび(c)
る と 点eに
い 応 力 でM変
り,回
ら 除 荷 し 点dか
ら再負 荷 す
お い て 最 初 の 上 部 応 力 水 平 段 の 応 力 よ り少 し 低
態 に よ る 応 力 水 平 段 が 現 れ,そ
帰 点 記 憶(retumpointmemory)が
al.,1992;Pieczyska,etal.,2007;Takeda,etal.,2012b).
の 後 点bを
現 れ る(Raniecki,et
通
TiNi形 状 記 憶 合 金 のサ ブル ー プ負 荷 にお ける応 力 緩 和
図1(b)に
示 す よ うに,一
55
定 の高 ひ ず み速 度 の サ ブル ー
プ で 負 荷 除 荷 し た 場 合,点aか
ら 点bに
MA(z二
翻
お い て応 力誘 起 マ
ル テ ン サ イ ト変 態(stress-inducedmartensitictransformation,
SIMT)に
よ る発 熱 反 応 に よ り温 度 が 上 昇 し,応 力 は 高 く な
る.そ
の 後 点bよ
SIMTが
り除 荷 し 点dよ
開 始 し,そ
り再 負 荷 す る と点eで
の 後 の 再 負 荷 曲 線 は 点bを
通 らな いた
め 回 帰 点 記 憶 は 現 れ な い.
図1(c)に
示 す よ うに,一
荷 除 荷 した 場 合,点Aか
1(b)と
定応 力 速 度 の サ ブル ー プ で負
ら 点Bの
負 荷 過 程 に お い て は,図
同 様 に 温 度 が 上 昇 し応 力 は 高 く な る.点Bか
らの
除 荷 に お い て は,周
囲 空 気 に よ り冷 却 され る た め 上 昇 し た
温 度 は 降 下 す る.こ
の た め,M変
点Bか
ら点Cの
態 の 進 展 条 件 が 満 た され
andthereversetransformationinthesublooploadingson
thestress-temperaturephasediagram
間 で は 除 荷 し て い る に も 関 わ らず ひ ず み の
増 加 す る オ ー バ ー シ ュ ー トが 現 れ る.点Dか
は 逆 変 態 に よ り温 度 が 降 下 し,点Eか
ら点Eの
ら点Fの
問で
再負 荷 過 程
に お い て は 周 囲 空 気 に よ り降 下 した 温 度 は 上 昇 す る.こ
た め,逆
Fig.2Conditionsforprogressofthemartensitictransformation
変 態 の 進 展 条 件 が 満 た さ れ 点Eか
ら 点Fの
の
態 の進 展 条件 は,図 中 の 点Aお
よ び 点Bか
らの 矢 印 で示
され る 方 向 に応 力 お よび 温 度 が 変化 す る こ とで あ る.
間では
負 荷 して い る に も 関 わ ら ず ひ ず み の 減 少 す る ア ン ダ ー シ ュ
ー トが 現 れ る(Pieczyska
,etal.,2007).そ
け る 変 態 域 の 曲 線 は 点Gか
ら 点Hを
の後 の再負 荷 にお
験方法
通 り,除 荷 開 始 点B
を 通 ら な い た め 回 帰 点 記 憶 は 現 れ な い.
上 述 の よ うに,応
3.実
3,1μ
力 制 御 の サ ブ ル ー プ に お い て は,ひ
ず
謂
、
と試 鍬
供 試 材 は 古 河 テ ク ノ マ テ リア ル(株)製
み 制 御 で は 現 れ な い ひ ず み の オ ー バ ー シ ュ ー トお よ び ア ン
を 示 すTi-50.95at%NiSMA薄
ダ ー シ ュ ー トが 除 荷 と再 負 荷 の 初 期 に お い て 現 れ る.こ
0.37mm,幅
の
の 室 温 で超 弾性
帯 材 を 用 い た.材 料 の 厚 さ は
は9.95mm,長
さ は170mmで
あ っ た.示
よ う に ひ ず み 制 御 と応 力 制 御 の サ ブ ル ー プ 負 荷 に お い て 材
査 熱 量 測 定(differentialscanningcalorimetry,DSC)で
料 の 変 形 挙 動 は 異 な る の で,荷
た 材 料 のR相
設 計 す る た め に は,応
重 を 制 御 す るSMA素
子 を
力 制御 のサ ブ ル ー プ にお け る変形 挙
動 を 理 解 す る必 要 が あ る 。
変 態 開 始 と終 了 の 温 度RS,Rf,お
開 始 と 終 了 の 温 度AS,Afは
281Kで
あ っ た.試
熊達 麟
ア≠
サ ブ ル ー プ に お け るM変
態 お よび 逆変 態 の進 展 条 件 を示
の 体 積 分 率 を 示 す.点Aお
示 す.図2に
お い てZはM相
よび 点BはM変
ZAお よ びZBと
す る.図
の 体積 分 率 を
中 の 記 号MS,飾,AS,ApはM変
よ り鏡 面 加 工 を 施 し た.サ
あ っ た.
の エ メ リー紙 に
ー モ グ ラ フ ィに よ る温度 分布 を
観 察 す る 試 験 片 表 面 に は 蝋 燭 の 煤 を 一 様 に 薄 く 付 着 させ
態 お よび逆 変 態
中 の 状 態 に あ り,そ れ ぞ れ の 点 に お け るM相
よび 逆 変態
験 片 は 一 様 形 状 の 薄 帯 材 で あ っ た.標
変 態 帯 を 観 察 す る試 験 片 表 面 に は2000番
し た 応 カ ー 温 度 相 図 を 図2に
求め
そ れ ぞ れ279K,245K,254K,
点 距 離 は 試 験 片 の つ か み 部 間 の 長 さ で100mmで
22変
差走
態
た.こ
の 蝋 燭 の 煤 は 試 験 片 作 製 工 程 に お い て 付 着 させ て お
り,煤 の 発 生 を 促 す た め の 板 を 介 し て 試 験 片 に 蝋 燭 の 煤 を
付 着 させ た.し
た が っ て,蝋
燭 の 炎 が 直接 試 験 片 に触 れ る
の 開 始 線 と終 了 線 お よ び 逆 変 態 の 開 始 線 と終 了 線 を 表 し,
こ と な く,試 験 片 か ら 十 分 離 れ た 位 置 よ り煤 を 付 着 させ た
破 線MAお
た め,蝋
を 表 す.変
よ びABは
そ れ ぞ れ 分 率 がZAお
よ びZBと
な る状 態
態 進 展 条 件 は 次 式 で 表 わ さ れ る(Tanaka,etal.,
1986).
燭 の 煤 を 付 着 させ る 時 の 熱 の 影 響 は 無 い.こ
の よ
うに し て 作 製 し た 試 験 片 を 試 験 機 に 取 付 け 実 験 を 行 っ た.
し た が っ て,試
験 片 の初 期 温 度 は 雰 囲気 温 度 と同 じで あ
る.
d6/dT>_CM:fordT>O
(1>
d6/dT<CM:fordT<0
3.2実 難
引 張試 験 に は,形 状 記 憶 合 金 特 性 試 験 装 置((株)島
d6/dT≦CA:fordT>O
(2)
d6/dT>_CA:fordT<0
式(1)はM変
態 の 進 展 条 件 を示 し,式(2)は
進 展 条件 を 示 す.式(1)お
よび 式(2)で
製 作 所製EZGraph)を
逆変態の
規 定 され る変
津
用 い た.こ れ は,引 張試 験 機 と加
熱 冷 却 装 置 とか ら構 成 され て い る.試 験 片表 面 の 変 態 帯 の
観 察 に は,動 き解 析 マ イ ク ロ ス コー プ((株)キ
ー エ ンス
愛 知 工 業 大 学 総 合 技 術 研 究 所 研 究 報 告,第16号,2014年
56
製VW-6000)を
用 い た.試
験 片 表 面 のM変
吸 熱 に 基 づ き 生 じ る 温 度 変 化 は,赤
態 に よ る発 熱
外線 サー モ グラフィ
(日本 ア ビ オ ニ ク ス(株)製ThermoTracerH2600)に
よ り
観 察 した 。
3.3ラ ξ鋳 顯
サ ブ ル ー プ 負 荷 に お け る応 力 緩 和 お よび 応 力 回 復 特 性
に つ い て 大 気 中 室 温 で 単 軸 引 張 試 験 を 行 っ た.実
験 中,試
験 片 表 面 の 変 態 帯 と 温 度 分 布 を 観 察 し た.負 荷 過 程 に お い
て は,応
力 速 度d6/dt‐
定 で ひ ず みE1ま
で 負 荷 し,そ
ひ ず み ￡1を保 持 し,応 力 緩 和 特 性 を 観 察 し た.引
荷 過 程 に お い て は,応
力 速 度d6/dt定
の後
き続 き 除
Fig.3Stress-straincurveobtainedbythetestunderastressrate
で ひ ず み ε3まで 除
ofd6/dt=5MPa/stillapointHIfollowedbyholding
荷 し,そ の 後 ひ ず み ε3を保 持 し,応 力 回 復 特 性 を 観 察 した.
strainconstantatε1=6%andthereafterunloadedtilla
応 力 速 度d6/dtは1MPa/s,3MPa/s,5MPa/sと
pointH3followedbyholdingstrainconstantatE3=2
時 の 保 持 ひ ず みEIは6%と
は2%と
し た.負
し た.除
荷
荷 時 の 保 持 ひ ず み ε3
した.
4.実 験 結 果 お よび考 察
4.1広 力緩 初 ま広 力回 凌
4.1.1応
ンク講
ナ ブ ン〃一 フ 贅 荷 〆
こお ソノる応 ンクー ひ ず み 鼎
負 荷 過 程 に お い て,応
=6%ま
で負 荷 し
,そ
力 速 度d6/dt-5MPa/sで
ひ ず みE1
の 後 ひ ず み ε1を保 持 し,除
お い て,応 力 速 度d6/dt--5MPa/sで
荷過程 に
ひ ず み ε3-2%ま
で除
荷 し,そ の 後 ひ ず み ε3を保 持 し た 試 験 に よ り得 ら れ た 応 カ
ー ひ ず み 曲 線 を 図3に
,応
力 と ひ ず み の 時 間 的 変 化 を 図4
に そ れ ぞ れ 示 す.
図3か
ら わ か る よ う に,負
d6/dt-5MPa/sで
荷 過 程 に お い て,応
ひ ず み ε1-6%ま
で 負 荷 し,ひ
力速 度
ず み ε1を
保 持 す る と応 力 が σ1か ら σ2に低 下 し,応 力 緩 和46一
σ2一
σ1が 生 じ る.除 荷 過 程 に お い て,応 力 速 度d6/dt--5MPa/s
で ひ ず み ε3ニ2%ま
で 除 荷 し,ひ
が σ3か ら σ4に増 加 し,応
図3お
よ び4か
変 態 開 始 点SMの
ら わ か る よ うに,負
し て,点SM以
σ3が生 じ る.
荷 過 程 に お い て,M
直 後 に 応 力 が 変 動 す る.点SMでSIMTに
よ る 変 態 帯 が 発 生 し,応
こ の た め,点SMま
も 同 様 に,応
ず み ε3を保 持 す る と応 力
力 回 復46=σ4一
力 の オ ー バ ー シ ュ ー トが 生 じ る.
で の ひ ず み 速 度dε 汝1'ニ1.37×104♂
め,逆
あ っ た.除
荷過 程 に お い て
力 の 増 加 す る ア ン ダ ー シ ュ ー トが 生 じ る た
変 態 の 開 始 す る 点SAま
で の ひ ず み 速 度dε/'dtニ
ー2.34×104s-1に 対 し て,点SA以
降 で ひず み速 度 は急 激 に 高
く な り,dε/'dt--1.51×10-3s-1と
な る 。 ひ ず み 保 持 開 始 点H3
後,応
力 は 初 期 に 急 激 に 増 加 し,そ
る.応
力 回 復 後 の 応 力 σ4は263MPaで
の 後 は緩 や か に増 加 す
あ っ た.
に対
降 で ひ ず み 速 度 は 急 激 に 高 く な り,dε/'dt-
1.94×10-3s'1と な る.こ れ は,一 定 応 力 速 度 で 制 御 して お り,
応 力 の 低 下 す る オ ー バ ー シ ュ ー トが 生 じ る た め,引
緩 和 後 の 応 力 σ2は397MPaで
張試 験
機 の ク ロ ス ヘ ッ ドは さ ら に 高 い 速 度 で 移 動 す る こ と に よ
4.1.2難
静 の 孝≦
動
図3に 示 した応 カ ー ひず み 曲線 の試 験 に お け る試 験 片表
面 をマ イ ク ロ ス コー プ で 撮 影 した 写 真 を 各 ひ ず み に 関 し
て 図5に
示 す.図
中右 端 の 写真 はM相
を 着 色 す る前 の負
り現 れ る.こ の 急 激 な ひ ず み の 変 動 に 追 随 す る た め に 点SM
荷 時 の ひ ず み4%に
直 後 に 応 力 変 動 が 現 れ る 。 ひ ず み 保 持 開 始 点H1後,応
力
お け る写真 か らわ か る よ うに,変 態 帯 の 界 面 を観 察 す る こ
は 初 期 に 急 激 に 減 少 し,そ
力
とは で き るが,M相
の 後 は 緩 や か に 減 少 す る.応
お け る写真 で あ る.こ の ひ ず み4%に
の領 域 とオ ー ス テ ナ イ ト(austenite,A)
TiNi形 状 記 憶 合 金 のサ ブル ー プ負 荷 にお ける応 力 緩 和
燗
57
司23"5H1砺543馬HQa
ngunde「d`"'=5MP訂
Withp.tL副'
呂Hnldinl;Unl°sidiagunderH°ldiag
strainatdo?dt=-SMYaisstrninxt舳
6%a与
も
Fig.6Thermogramsoftemperaturedistributiononspecimen
・
surfaceatvariousstrainsEduringloadingunderastress
Fig.5PhotographsofspecimensurfaceatvariousstrainsE
rateof5MPa/stillapoint」
仏(ε1ニ6%)fbllowedby
holdingstrainconstanttillapointHz
underastressrateofsMPa/sfollowedbyholding
strainconstantatapointH1(ε1=6%)duringloading
andatapointH3(s3=2%)duringunloading
相 の領 域 が 明 瞭 に は わ か りに くい.こ の た め,M相
を は っ き りと示 す た め に 図5に
お い て はM相
色 して い る。負 荷 過 程 にお い てひ ず み2%か
は,応 力 速 度d6/dt-5MPa/S定
の領 域
を紺色で着
ら3%の
問で
下 で ひず み速 度dε/dtが 高
くな り,試 験 片 全 体 に変 態 帯 が発 生す る.ひ ず み3%以
降
で は,発 生 した変 態 帯 の界 面 が進 展 し,ひ ず み が 増 加 す る.
ひ ず みE1-6%ま
で の 負 荷 後,点HIか
を保 持 す る とM変
らHZの 問 で ひ ず み
態 が少 し進 展 し,M相
の領 域 が増 加 す
る.除 荷 過 程 にお い て は,応 力 緩 和 後(HZ)に
おける変態
帯 の 界 面 を 起 点 に 逆 変 態 が進 展 し,ひ ず み が減 少 す る.ひ
ず み ε3-2%ま
で の 除荷 後,ひ ず み を保 持 す る と点H3か
H4の 問 で 逆 変 態 が 少 し進 展 し,A相
ら
の領 域 が増 加 す る 。
この よ うに,一 定 ひ ず み 下 で の 変 態 の進 展 に伴 い応 力緩
和 お よび応 力 回復 の 現 れ る こ とが確 認 で き る.
試 験 片 の 温 度 は 上 昇 す る.そ の後 点 劫 か ら点HZの
間でひ
ず み を保 持 す る と,周 囲 空 気 に よ り温 度 は 降 下 し,2.2節
4.1.3変 茜 に 洋 ラ温 笠変 危
で 示 した 変 態進 展 条件 を満 た す た めM変
図3で 示 した応 カ ー ひ ず み 曲線 と同 じ条件 の試 験 の サ ー
モ グ ラ フ ィに よ り得 られ た試 験 片 表 面 の 温 度 分布 を,負 荷
態 は進 展 す る.
そ の結 果,ひ ず み を保 持 して い る 問 に,応 力 緩 和 が 生 じる.
除 荷過 程 に お け る関係 を 示 す 図8お よび 図9か らわ か る
過 程 に お い て は 各 ひ ず み に つ い て,ひ ず み保 持 過 程 に お い
よ うに,一 定 の 応 力 速 度d6/dtニ ー5MPa/sで 点H3(ひ
て は 各応 力 に つ い て,図6に
ε3-2%)ま
示 す.ま
た,応 力 σお よび試
験 片 表 面 の 平 均 温 度 と雰 囲 気 温 度 との差dTの
時間的変化
ずみ
で 除荷 す る と図4で 示 した様 に,逆 変 態 開 始
点SAか ら点H3に お い て,ひ ず み 速 度 は 高 くな り,負 荷 過
を 図7に 示 す.同 様 に,除 荷 過 程 に お け る試 験 片表 面 の 温
程 と同様 に,逆 変 態 の 吸熱 反応 に よ り温 度 は 降 下 す る.そ
度 分 布 を示 す サ ー モ グ ラ ムお よ び応 力 □と温 度 変 化4Tの
の 後 ひ ず み を保 持 す る と,周 囲 空 気 に よ り温 度 は 上 昇 し,
時 間 的 変化 を 図8お
2.2節 で示 した変 態 の進 展 条 件 を満 たす た め 逆 変態 が進 展
よび 図9に そ れ ぞ れ 示 す.図6お
よび
図8の サ ー モ グ ラム に お い て は,ひ ず み保 持 過 程 に お け る
す る.こ の 結 果,ひ ず み を保 持 してい る点H3か
試 験 片 表 面 の 温度 分布 の 変化 を 明 瞭 に 示 す た め,応 力 間 隔
問 に お い て,応 力 回復 が 生 じ る.
46-20MPa毎
の 温度 分布 を示 す.図6お
よび 図7か
か る よ うに,一 定 の応 力 速 度d6/dtニ5MPa/sで
ず み ￡1=6%)ま
開 始 点SMか
らわ
点H1(ひ
で負 荷 す る と図4で 示 した様 に,M変
図7お
よび 図9か
ら点H4の
らわ か る よ うに,ひ ず み保 持 過 程 の初
期 にお い て 温 度 は 著 し く変 化 し,そ の後 変 化 は 少 な くな
態
ら点HIに お い て,ひ ず み 速 度 は 高 くな り,M
変 態 の発 熱 反 応 に よ る熱 が 周 囲 に 逃 げ る時 間 が な い た め
る.こ の 温 度 変化 に 対応 して,応 力 は ひ ず み保 持 過 程 の初
期 に 著 し く変 化 し,そ の 後 一 定値 に飽 和 す る。
以 上 の 通 り,一 定 ひず み保 持 過 程 に お い て 変 態 が進 展 す
58
愛 知 工 業 大 学 総 合 技 術 研 究 所 研 究 報 告,第16号,2014年
るた め に 温度 が 変化 す る.こ の 温度 変化 に基 づ い て 生 じる
4.1.4ノ広ンク籏賜 ク
ナ ブンL・
一一
・
ジ7賓病デ〆
こrお〆
プζ5魏 貨識
応 力緩 和 お よび応 力 回復 の 挙 動 が確 認 で き る.
お よ び倣 ニ
カQの
ンク〕
緩 弄ア
図10に(1)低
遊翼 癸 件
ひ ず み 速 度 の 応 カ ーひ ず み 線 図 を破 線 で,
(2)一 定応 力 速 度 で 負 荷 した後 あ るひ ず み にお い て ひず
み を保 持 し,そ の後 一 定応 力 速 度 で 除荷 しあ るひず み に お
い て ひ ず み を保 持 した場 合 に 生 じ る応 力 緩 和 お よび 応 力
回復 の応 カ ー ひ ず み線 図 を 実線 で そ れ ぞ れ示 す.図llに
は 応 力 制 御 の サ ブ ル ー プ 負 荷 に お い て応 力 緩 和 お よび 応
力 回 復 が 生 じる 場 合 の応 カ ー温 度 経 路 を 応 カ ー 温 度 相 図
上 に示 す.図10と
図11に お け る記 号A,B,C,D,E,F
は そ れ ぞ れ 対応 して い る.
図10に
Fig.8Thermogramsoftemperaturedistributiononspecimen
お い て,低 ひ ず み 速 度 の 場 合,M変
態 お よび 逆
変 態 は 一 定 の応 力 下 で進 展 す る(a→b,c→d).こ
の場
surfaceatvariousstrainsEduringunloadingundera
合 に は ひ ず み 速度 が低 く,変 態 に よ る熱 が周 囲 に逃 げ る時
stressrateof-5MPa/stillapointH3(s3=2%)
間 が 十 分 に あ るた め試 験 片 の 温度 変化 が少 な く,一 定応 力
followedbyholdingstrainconstanttillapointH4
下 で 両 変 態 は進 展 す る.一 方,実 験 結 果 よ りわ か る よ うに,
応 力 制御 で負 荷 除荷 した 場合,図llに
始 点A(SM)お
よび 点D(sA)に
な る た め,AB問
お よびDE問
示 す よ うに 変 態 開
お い て ひず み速 度 が 高 く
に お い て試 験 片 の 温度 が 変
化 し,そ の 後 ひ ず み を保 持 す る と,結 果 と して 変態 誘 起応
力 緩 和(点BC間)お
よび 応 力 回 復(点EF間)が
生 じる.
応 力 緩 和 お よび応 力 回復 に お い て は,ひ ず み を保 持 した場
合 に応 力 の 変 動 が 生 じ る.ひ ず み の変 化 ∠εを 弾性 ひず み の
変化 ∠ず と変 態 ひ ず み の変 化 ∠ど か らな る と考 え る と,ひ ず
み保 持 の 場合dEニ ∠ず+∠ どニ0と な る.温 度 変化 に基 づ い
て 変 態 ひ ず み の変 化 ∠ど が 生 じ る と,弾 性 ひ ず み の変 化 は
∠ず 一 一∠ど とな る.弾 性 ひ ず み の変 化 ∠ず と応 力 の 変化 ∠σ
Fig.9Variationinstress6andaveragetemperaturechange4T
の 問 に は∠ず 一∠σ/Eの 関 係 式 が 成 立 す る.こ こで,Eは
onspecimensurfacewithtimeduringunloadingunderastress
弾
性 係 数 を 表 す.し た が って,応 力 の変 化46ニ ーEdeと な る.
rateof-5MPa/stillapointH3(e3=2%)followedbyholding
この よ うに,一 定 ひず み 下 で 変態 が進 展 す る こ とに よ り応
strainconstantfromthepointH3toapointH4
力 が 変 動 す る.
Fig.11Stress-temperaturepathsforstressrelaxationandstress
Fig.10Stress-straindiagramsunder(1)thestrain-controlled
recoveryinthestress-controlledsublooploading(BC,
condition(brokenline)and(2)thestress-controlled
EF:constantstrain)onstress-temperaturephase
condition(solidline)inthesublooploading
diagram
TiNi形 状 記 憶 合 金 のサ ブル ー プ負 荷 にお ける応 力 緩 和
図10の
点Bに
お い て応 力 を保 持 す る と変 態誘 起 ク リー
プ 変 形 が 生 じ る(点Bか
ら点B').こ
態 が 進 展 す る こ と に よ り 生 じ る.ク
は,応
の ク リー プ はM変
リー プ 変 形 に つ い て
力 を 保 持 す る こ と で 温 度 低 下 に 基 づ きM変
展 す る た め に,ひ
態 が進
ず み が 増 加 す る(Takeda,etal.,2012a;
Takeda,etal.,2012b)
59
い 応 力 緩 和 お よ び応 力 回 復 が 現 れ る.し た が っ て,SMA
の応 用 に お い て は,SMA素
子 の雰 囲気 媒 体 の温 度 変 化 に
伴 う回復 力 の 変化 を利 用 す る こ とが 多 い け れ ど も,雰 囲 気
媒 体 の温 度 が 変 化 しな くて も ひ ず み 速 度 が 高 くな る応 力
制 御 の サ ブ ル ー プ負 荷 で はSMAの
温度 変化 に伴 い 回復 力
は 変化 す る こ とに 注 意 してSMA素
子 を設 計 す る必 要 が あ
る.
4.2ノ凝Z緩 刃7おσ
ぐぴ城 オ7∠
≡17痩
』
〆
こ与 箔≧るノ左7ク
搬
図10お
よび11に
〒6嘱響
お け る可 制御 パ ラ メ ー タ は応 力 速 度,
保 持 ひ ず み,雰 囲気 温度 お よび ひず み保 持 時 間 で あ る.本
論 文 で は負 荷 時 の保 持 ひ ず み ￡1=6%,除
み ε3-2%お
5.結
言
荷 時 の保 持 ひ ず
よび 雰 囲 気 温度 は 一 定 と し,ひ ず み保 持 時 間
TiNiSMA薄
帯材 に つ い て 単軸 引 張試 験 に よ り超 弾性 変
は応 力 が 一 定 に 飽 和 す る時 間 と し,異 な る応 力 速 度d6/dt
形 の応力 制御 サブルー プ負荷 にお ける変態誘 起応力緩 和
に お け る応 力緩 和 お よび応 力 回復 特性 に つ い て 検討 した.
お よび応 力 回復 の 特性 を,マ イ ク ロス コー プ お よび サ ー モ
得 られ た 実 験 結果 を 図12に 示 す.図12か
らわ か る よ うに,
グ ラ フ ィに よ り観 察 した試 験 片 表 面 の変 態 帯 と温 度 分 布
負 荷 過 程 に お い て,応 力 速 度d6/dtが 高 い ほ ど,上 部応 力
の 変化 に 基 づ き検 討 した.ま た,種 々 の応 力速 度 に 関 す る
水 平 段 に お け るM変
応 力緩 和 お よび応 力 回復 の 特性 を調 べ た.得 られ た 主 要 な
態 の温 度 上 昇 が大 き く,点 劫 に お け
る応 力 は 高 い 。 これ は,図2で
示 した よ うに,変 態応 力 は
結 果 は,次 の 通 りで あ る。
1
温度 に 比 例 して 増加 す るた め で あ る.一 方,点H2に
おけ
負 荷 過 程 にお い て,応 力 速 度 一 定 で負 荷 す る とM変
態
る応 力 は応 力 速 度 に依 存せ ず ほ ぼ 同 じ値 に な る.こ の結 果
開 始 点 以 降 にお い て は,ひ ず み 速 度 が 高 くな り,M変
と して,点 劫 か らHZへ の応 力緩 和 量 は応 力速 度 が 高 い ほ
態 の 発 熱 反 応 に よ る熱 が 周 囲 に逃 げ る時 間 が な い た め
ど大 き くな る.除 荷 過 程 に お い て は,応 力 速 度d6/dtが 高
材 料 の 温 度 は上 昇 し,そ の 後 ひ ず み を保 持 す る と,周
い ほ ど,下 部応 力水 平段 に お け る 逆 変 態 の 温度 降 下 が 大 き
囲 空 気 に よ り冷 却 され るた め材 料 の 温 度 は 降 下 してM
く,点H3に
変 態 が 進 展 す る こ と に よ り,応 力 緩 和 が 生 じ る.
お け る応 力 は低 くな る.一 方,点H4に
おける
2
応 力 は応 力 速 度 に依 存せ ず ほ ぼ 同 じ値 に な る.こ の結 果 と
除 荷 過 程 にお い て,応 力 速 度 一 定 で 除 荷 す る と,負 荷
して,点H3か
らH4へ の応 力 回復 量 は応 力速 度 が 高 い ほ ど
過 程 と 同様 に,逆 変 態 開 始 点 以 降 にお い て,逆 変 態 の
大 き くな る。保 持 ひ ず み,雰 囲気 温 度,ひ ず み保 持 時 間 お
吸 熱 反 応 に よ り材 料 の 温 度 は 降 下 し,そ の後 ひず み を
よび 応 力 が 異 な る場 合 の 応 力 緩 和 お よ び 応 力 回 復 特 性 に
保 持 す る と,周 囲 空気 に よ り加 熱 され る た め材 料 の 温
つ い て は,今 後 の研 究課 題 で あ る.
度 は上 昇 して逆 変 態 が進 展 す る こ とに よ り,応 力 回復
が 生 じ る.
以 上 の 実 験 結 果 か ら明 らか に な っ た よ うに,負 荷 除荷 過
M
程 の 温 度 変化 に伴 い,一 定 ひ ず み保 持 下 で 変 態 の進 展 に伴
試 験 片 表 面 の 平 均 温 度 は,ひ ず み 保 持 の 過 程 にお い て,
初 期 に著 し く変 化 し,そ の 後 徐 々 に初 期 の平 均 温度 に
戻 る.こ の温 度 変 化 に 対 応 し,応 力 緩 和 お よ び応 力 回
復 はひ ず み 保 持 過 程 の 初 期 に 大 き く現 われ,そ
の 後応
力 は 徐 々 に一 定 値 に飽 和 す る.
4
応 力 速 度 が高 い ほ ど負 荷 過 程 にお け る応 力 緩 和 お よび
除 荷 過 程 にお け る応 力 回 復 は 大 き くな る
5
応 力 制 御 のサ ブル ー プ負 荷 に お い て はひ ず み 速 度 が 高
くな り,SMAの
雰 囲気 媒 体 の 温度 が 一 定 で あ っ て も負
荷 除 荷 過 程 にお け る変 態 に伴 いSMAで
は 温度 変化 が
生 じ,一 定 ひ ず み保 持 下 で 応 力 緩 和 お よび 応 力 回復 が
現 れ るの で,SMA素
子 の設 計 に お い て は これ らの 点 を
考 慮 す る こ とが 重 要 で あ る.
愛 知 工 業 大 学 総 合 技 術 研 究 所 研 究 報 告,第16号,2014年
60
Takeda,K.,Tobushi,H.andPieczyska,E.A.,
謝辞
本 研 究 を 行 うに 当 た り実 験 に 協 力 され た 愛 知 工 業 大 学
Transformation-lnducedCreepandCreepRecoveryofShape
の 学 生 諸 君 に感 謝 す る.ま た,日 本 学術 振 興 会 の 科 学研 究
MemoryAlloy,Materials,Vol.5(2012a),pp.909-921.Takeda,
費補 助 金 ・基盤 研 究(C)の
K.,Tobushi,H.,Miyamoto,K.andE.A.Pieczyska,
補 助 を受 け た こ とを記 し謝 意
を 表 す.
SuperelasticDeformationofTiNiShapeMemoryAlloy
SubjectedtoVariousSubloopLoadings,Materials
Transactions,Vol.53,No.1(2012b),pp.217-223.
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Tobushi,H.,Matsui,R.,Takeda,K.andPieczyska,E.A.,
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1-267,NovaSciencePub.