TiNi形状記憶合金のサブループ負荷における応力緩和

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 言 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 世 界 的 に 注 目 さ れ て い る(Funakubo,1987;Otsukaand Wayman,1998;Miyazaki,2008).SMAの 応 用 に お い て 記 憶 素 子 を 設 計 す る た め に は,材 料 の 熱 ・力 学 特 性 が 必 要 で あ る.SMAの 機 能 特 性 は 主 に マ ル テ ン サ イ ト(martensite, M)変 態 に 基 づ い て 現 れ る.SMAのM変 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 態 に 伴 う 変 形 特 性 は 複 雑 で あ る(Tanaka,etal,,1986; Raniecki,etal.,1992;Tobushi,etal.,2013).熱 ・力 学 特 性 に 関 す る こ れ ま で の 多 く の 研 究 はM変 態 お よ び 逆 変 態 が 完 了 す る フ ル ル ー プ(完 全 ル ー プ と も 呼 ば れ る)の 条 件 の 下 で 行 わ れ て い る 。 実 用 に お い て は ひ ず み,温 度 お よ び 応 力 は 種 々 に 変 動 す る.M変 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 † 愛 知 工 業大 学 工 学部 機械 学科(豊 田市) 内 部 ル ー プ と も 呼 ば れ る)の 負 荷 を 受 け る 場 合,フ ル ル ー プ で 規 定 さ れ るM変 態 の 開 始 と 終 了 の 条 件 は 満 た さ れ な い.こ の た め,M変 態 と逆 変 態 の 進 展 は そ れ ま で の ひ ず み, 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 え ば, 一 定 応 力 下 の 加 熱 と 冷 却 でSMA素 子 はM変 態 と 逆 変 態 に よ り2方 向 の 変 形 を す る 。 フ ル ル ー プ の 場 合 に は,M変 態 で 生 じ得 る ひ ず み の 大 き さ に 対 応 す る 変 形 量(ス ト ロ ー ク)だ け,SMA素 子 は 伸 び 縮 み を す る.し か し,サ ブ ル ー プ の 場 合 に は_{,SMA素 子 で はM変 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 を 拘 束 し てSMA素 子 を 加 熱 ・冷 却 し た 場 合 に 現 れ る 回 復 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 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 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 た,M変 態 は 負 荷 除 荷 お よ び 加 熱 冷 却 の 速 度 に 依 存 す る の で,ひ ず み お よ び 応 力 の 変 動 は 複 雑 で あ る.

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 の論 文 で は, 応 力 変化 の 生 じ る原 因 が発 熱(あ 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 中 で最 も多 く実 用 され て い るTiNi SMAに 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, 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 と応 力 回復 の 特性 を 明 らか に す る.ま た,種 々 の応 力速 度 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 る. 2.サ ブル ー プ負 荷 に お け る変 形 挙 動 と変 態 進 展 条 件 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) (c)Constantstressrate Fig.1Stress-straindiagramsinthesubloopstrain-controlled andstress-controlledloadingsunderdifferentloading rates に そ れ ぞ れ 示 す(Pieczyska,etal.,2007;Takeda,etal., zolzb). 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 ら 除 荷 し 点dか ら 再 負 荷 す る と 点eに お い て 最 初 の 上 部 応 力 水 平 段 の 応 力 よ り少 し 低 い 応 力 でM変 態 に よ る 応 力 水 平 段 が 現 れ,そ の 後 点bを 通 り,回 帰 点 記 憶(retumpointmemory)が 現 れ る(Raniecki,et al.,1992;Pieczyska,etal.,2007;Takeda,etal.,2012b).

図1(b)に 示 す よ うに,一 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 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 り除 荷 し 点dよ り再 負 荷 す る と点eで SIMTが 開 始 し,そ 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 定 応 力 速 度 の サ ブ ル ー プ で 負 荷 除 荷 した 場 合,点Aか ら 点Bの 負 荷 過 程 に お い て は,図 1(b)と 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 態 の 進 展 条 件 が 満 た され 点Bか ら点Cの 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 ら点Eの 問 で は 逆 変 態 に よ り温 度 が 降 下 し,点Eか ら点Fの 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 の た め,逆 変 態 の 進 展 条 件 が 満 た さ れ 点Eか ら 点Fの 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 の 後 の 再 負 荷 に お} け る 変 態 域 の 曲 線 は 点Gか ら 点Hを 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 力 制 御 の サ ブ ル ー プ に お い て は,ひ ず 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 ダ ー シ ュ ー トが 除 荷 と再 負 荷 の 初 期 に お い て 現 れ る.こ の 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 料 の 変 形 挙 動 は 異 な る の で,荷 重 を 制 御 す るSMA素 子 を 設 計 す る た め に は,応 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 。 22変 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 し た 応 カ ー 温 度 相 図 を 図2に 示 す.図2に お い てZはM相 の 体 積 分 率 を 示 す.点Aお よび 点BはM変 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 の 体 積 分 率 を ZAお よ びZBと す る.図 中 の 記 号MS,飾,AS,ApはM変 態 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, 破 線MAお よ びABは そ れ ぞ れ 分 率 がZAお よ びZBと な る 状 態

を 表 す.変 態 進 展 条 件 は 次 式 で 表 わ さ れ る(Tanaka,etal., 1986). d6/dT>_CM:fordT>O d6/dT<CM:fordT<0 d6/dT≦CA:fordT>O d6/dT>_CA:fordT<0 (1> (2) 式(1)はM変 態 の 進 展 条 件 を示 し,式(2)は 逆 変 態 の 進 展 条件 を 示 す.式(1)お よび 式(2)で 規 定 され る変 MA(z二 翻 Fig.2Conditionsforprogressofthemartensitictransformation andthereversetransformationinthesublooploadingson thestress-temperaturephasediagram 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. 3.実 験 方 法 3,1μ 謂 、と試 鍬 供 試 材 は 古 河 テ ク ノ マ テ リア ル(株)製 の 室 温 で 超 弾 性 を 示 すTi-50.95at%NiSMA薄 帯 材 を 用 い た.材 料 の 厚 さ は 0.37mm,幅 は9.95mm,長 さ は170mmで あ っ た.示 差 走 査 熱 量 測 定(differentialscanningcalorimetry,DSC)で 求 め た 材 料 のR相 変 態 開 始 と終 了 の 温 度RS,Rf,お よ び 逆 変 態 開 始 と 終 了 の 温 度AS,Afは そ れ ぞ れ279K,245K,254K, 281Kで あ っ た.試 験 片 は 一 様 形 状 の 薄 帯 材 で あ っ た.標 点 距 離 は 試 験 片 の つ か み 部 間 の 長 さ で100mmで あ っ た. 変 態 帯 を 観 察 す る試 験 片 表 面 に は2000番 の エ メ リ ー 紙 に よ り鏡 面 加 工 を 施 し た.サ 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 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 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 た め,蝋 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. 3.2実 難 引 張試 験 に は,形 状 記 憶 合 金 特 性 試 験 装 置((株)島 津 製 作 所製EZGraph)を 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

製VW-6000)を 用 い た.試 験 片 表 面 のM変 態 に よ る発 熱 吸 熱 に 基 づ き 生 じ る 温 度 変 化 は,赤 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 の 後 ひ ず み ￡1を保 持 し,応 力 緩 和 特 性 を 観 察 し た.引 き 続 き 除 荷 過 程 に お い て は,応 力 速 度d6/dt定 で ひ ず み ε3まで 除 荷 し,そ の 後 ひ ず み ε3を保 持 し,応 力 回 復 特 性 を 観 察 した. 応 力 速 度d6/dtは1MPa/s,3MPa/s,5MPa/sと し た.負 荷 時 の 保 持 ひ ず みEIは6%と し た.除 荷 時 の 保 持 ひ ず み ε3 は2%と 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 力 速 度d6/dt-5MPa/sで ひ ず みE1 =6%ま で 負 荷 し_{,そ の 後 ひ ず み ε1を保 持 し,除 荷 過 程 に} お い て,応 力 速 度d6/dt--5MPa/sで 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 荷 過 程 に お い て,応 力 速 度 d6/dt-5MPa/sで ひ ず み ε1-6%ま で 負 荷 し,ひ 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 ず み ε3を保 持 す る と応 力 が σ3か ら σ4に増 加 し,応 力 回 復46=σ4一 σ3が生 じ る. 図3お よ び4か ら わ か る よ うに,負 荷 過 程 に お い て,M 変 態 開 始 点SMの 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 力 の オ ー バ ー シ ュ ー トが 生 じ る. こ の た め,点SMま で の ひ ず み 速 度dε 汝1'ニ1.37×104♂ に 対 し て,点SM以 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 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 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 直 後 に 応 力 変 動 が 現 れ る 。 ひ ず み 保 持 開 始 点H1後,応 力 は 初 期 に 急 激 に 減 少 し,そ の 後 は 緩 や か に 減 少 す る.応 力 Fig.3Stress-straincurveobtainedbythetestunderastressrate ofd6/dt=5MPa/stillapointHIfollowedbyholding strainconstantatε1=6%andthereafterunloadedtilla pointH3followedbyholdingstrainconstantatE3=2 緩 和 後 の 応 力 σ2は397MPaで あ っ た.除 荷 過 程 に お い て も 同 様 に,応 力 の 増 加 す る ア ン ダ ー シ ュ ー トが 生 じ る た め,逆 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 の 後 は 緩 や か に 増 加 す る.応 力 回 復 後 の 応 力 σ4は263MPaで あ っ た. 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 荷 時 の ひ ず み4%に お け る写真 で あ る.こ の ひ ず み4%に 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 とは で き るが,M相 の領 域 とオ ー ス テ ナ イ ト(austenite,A)

燗 司23"5H1砺543馬HQa Withp.tL副' ngunde「d`"'=5MP訂 呂Hnldinl;Unl°sidiagunderH°ldiag strainatdo?dt=-SMYaisstrninxt舳 ・ 6%a与 も Fig.5PhotographsofspecimensurfaceatvariousstrainsE 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 の領 域 を は っ き りと示 す た め に 図5に お い て はM相 を 紺 色 で 着 色 して い る。負 荷 過 程 にお い てひ ず み2%か ら3%の 問 で は,応 力 速 度d6/dt-5MPa/S定 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 らHZの 問 で ひ ず み を保 持 す る とM変 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 ら H4の 問 で 逆 変 態 が 少 し進 展 し,A相 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. 4.1.3変 茜 に 洋 ラ温 笠変 危 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 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 て は 各応 力 に つ い て,図6に 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 を 図7に 示 す.同 様 に,除 荷 過 程 に お け る試 験 片表 面 の 温 度 分 布 を示 す サ ー モ グ ラ ムお よ び応 力 □と温 度 変 化4Tの 時 間 的 変化 を 図8お 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 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 46-20MPa毎 の 温度 分布 を示 す.図6お よび 図7か らわ か る よ うに,一 定 の応 力 速 度d6/dtニ5MPa/sで 点H1(ひ ず み ￡1=6%)ま で負 荷 す る と図4で 示 した様 に,M変 態 開 始 点SMか 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 Fig.6Thermogramsoftemperaturedistributiononspecimen surfaceatvariousstrainsEduringloadingunderastress rateof5MPa/stillapoint」 仏(ε1ニ6%)fbllowedby holdingstrainconstanttillapointHz 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 で 示 した 変 態進 展 条件 を満 た す た めM変 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 よ うに,一 定 の 応 力 速 度d6/dtニ ー5MPa/sで 点H3(ひ ず み ε3-2%)ま 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 程 と同様 に,逆 変 態 の 吸熱 反応 に よ り温 度 は 降 下 す る.そ の 後 ひ ず み を保 持 す る と,周 囲 空 気 に よ り温 度 は 上 昇 し, 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 す る.こ の 結 果,ひ ず み を保 持 してい る点H3か ら点H4の 問 に お い て,応 力 回復 が 生 じ る. 図7お よび 図9か 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 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

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 応 力緩 和 お よび応 力 回復 の 挙 動 が確 認 で き る. Fig.8Thermogramsoftemperaturedistributiononspecimen surfaceatvariousstrainsEduringunloadingundera stressrateof-5MPa/stillapointH3(s3=2%) followedbyholdingstrainconstanttillapointH4 Fig.9Variationinstress6andaveragetemperaturechange4T onspecimensurfacewithtimeduringunloadingunderastress rateof-5MPa/stillapointH3(e3=2%)followedbyholding strainconstantfromthepointH3toapointH4 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 ンク〕緩 弄ア お よ び倣 ニカQの 遊翼 癸 件 図10に(1)低 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 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 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 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 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 示 す よ うに 変 態 開 始 点A(SM)お よび 点D(sA)に お い て ひず み速 度 が 高 く な る た め,AB問 お よびDE問 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 の 問 に は∠ず 一∠σ/Eの 関 係 式 が 成 立 す る.こ こで,Eは 弾 性 係 数 を 表 す.し た が って,応 力 の変 化46ニ ーEdeと な る. 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 力 が 変 動 す る. Fig.10Stress-straindiagramsunder(1)thestrain-controlled condition(brokenline)and(2)thestress-controlled condition(solidline)inthesublooploading Fig.11Stress-temperaturepathsforstressrelaxationandstress recoveryinthestress-controlledsublooploading(BC, EF:constantstrain)onstress-temperaturephase diagram

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 の ク リー プ はM変 態 が 進 展 す る こ と に よ り 生 じ る.ク リ ー プ 変 形 に つ い て は,応 力 を 保 持 す る こ と で 温 度 低 下 に 基 づ きM変 態 が 進 展 す る た め に,ひ ず み が 増 加 す る(Takeda,etal.,2012a; Takeda,etal.,2012b) 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 〒6嘱響 図10お よび11に 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 荷 時 の保 持 ひ ず み ε3-2%お よび 雰 囲 気 温度 は 一 定 と し,ひ ず み保 持 時 間 は応 力 が 一 定 に 飽 和 す る時 間 と し,異 な る応 力 速 度d6/dt 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. 得 られ た 実 験 結果 を 図12に 示 す.図12か らわ か る よ うに, 負 荷 過 程 に お い て,応 力 速 度d6/dtが 高 い ほ ど,上 部応 力 水 平 段 に お け るM変 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 温度 に 比 例 して 増加 す るた め で あ る.一 方,点H2に お け 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 と して,点 劫 か らHZへ の応 力緩 和 量 は応 力速 度 が 高 い ほ ど大 き くな る.除 荷 過 程 に お い て は,応 力 速 度d6/dtが 高 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 く,点H3に お け る応 力 は低 くな る.一 方,点H4に お け 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 と して,点H3か らH4へ の応 力 回復 量 は応 力速 度 が 高 い ほ ど 大 き くな る。保 持 ひ ず み,雰 囲気 温 度,ひ ず み保 持 時 間 お 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 つ い て は,今 後 の研 究課 題 で あ 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 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 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. 5.結 言 TiNiSMA薄 帯材 に つ い て 単軸 引 張試 験 に よ り超 弾性 変 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 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 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 き検 討 した.ま た,種 々 の応 力速 度 に 関 す る 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 結 果 は,次 の 通 りで あ る。 1 2 M 4 5 負 荷 過 程 にお い て,応 力 速 度 一 定 で負 荷 す る とM変 態 開 始 点 以 降 にお い て は,ひ ず み 速 度 が 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 材 料 の 温 度 は上 昇 し,そ の 後 ひ ず み を保 持 す る と,周 囲 空 気 に よ り冷 却 され るた め材 料 の 温 度 は 降 下 してM 変 態 が 進 展 す る こ と に よ り,応 力 緩 和 が 生 じ る. 除 荷 過 程 にお い て,応 力 速 度 一 定 で 除 荷 す る と,負 荷 過 程 と 同様 に,逆 変 態 開 始 点 以 降 にお い て,逆 変 態 の 吸 熱 反 応 に よ り材 料 の 温 度 は 降 下 し,そ の後 ひず み を 保 持 す る と,周 囲 空気 に よ り加 熱 され る た め材 料 の 温 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. 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. 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 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.

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 の 学 生 諸 君 に感 謝 す る.ま た,日 本 学術 振 興 会 の 科 学研 究 費補 助 金 ・基盤 研 究(C)の 補 助 を受 け た こ とを記 し謝 意 を 表 す. References Funakubo,H.,ed.,ShapeMemoryAlloys(1987),pp.1-60, GordonandBreachSciencePub. Miyazaki,S.,ed.,SMST-2007(2008),pp.1-520,ASM International. Otsuka,K.andWayman,C.M.,eds.,ShapeMemoryMaterials (1998),pp.1-49,CambridgeUniversityPress. Pieczyska,E.A.,Tobushi,H.,Nowacki,W.K.,Gadaj,S.P.and Sakuragi,T.,SubloopDeformationBehaviorofNiTiShape MemoryAlloySubjectedtoStress-ControlledLoadings, MaterialsTransactions,Vol.48,No.10(2007),pp.2679-2686. Raniecki,B.,Lexcellent,C.andTanaka,K.,Thermodynamic ModelofPseudoelasticBehaviourofShapeMemoryAlloys, ArchivesofMechanics,Vol.44,No.3(1992),pp.261-284. Takeda,K.,Tobushi,H.andPieczyska,E.A., Transformation-lnducedCreepandCreepRecoveryofShape MemoryAlloy,Materials,Vol.5(2012a),pp.909-921.Takeda, K.,Tobushi,H.,Miyamoto,K.andE.A.Pieczyska, SuperelasticDeformationofTiNiShapeMemoryAlloy SubjectedtoVariousSubloopLoadings,Materials Transactions,Vol.53,No.1(2012b),pp.217-223. Tanaka,K.,Kobayashi,S.andSato,Y.,Thermomechanicsof TransformationPseudoelasticityandShapeMemoryEffectin Alloys,InternationalJournalofPlasticity,Vol.2(1986),pp. 59-72. Tanaka,K.,Nishimura,F.andTobushi,H.,Phenomenological AnalysisonSubloopsinShapeMemoryAlloysDueto IncompleteTransformation,JournalofIntelligentMaterial SystemsandStructures,Vol.5(1994),pp.487-493. Tanaka,K.,Nishimura,F.,Hayashi,T.,Tobushi,H.and Lexcellent,C.,PhenomenologicalAnalysisonSubloopand CyclicBehaviorinShapeMemoryAlloysunderMechanical and/orThermalLoads,MechanicsofMaterials,Vol.19(1995), pp.281-292. Tobushi,H.,Matsui,R.,Takeda,K.andPieczyska,E.A., MechanicalPropertiesofShapeMemoryMaterials(2013),pp. 1-267,NovaSciencePub.