<M&M2008 材料力学カンファレンス・2008 年 9 月 16 日～18 日> Copyright © 2008 社団法人日本機械学会 OS1010 TiNi 形状記憶合金における相変態の EBSD 観察 EBSD Observation of Phase Transformation in Titanium-Nickel Shape Memory Alloy ○中西崇文・名城大学（院）來海博央・名城大学 Takafumi NAKANISHI, Graduate school of Meijo University Hirohisa KIMACHI, Meijo University 白木原香織・鈴鹿高専岩澤克敏・オークマ（株） Kaori SHIRAKIHARA, Suzuka National College of Technology Katsutoshi IWAZAWA, OKUMA Co. Key Words: TiNi shape memory alloy, EBSD, X-ray measurement, Phase transformation, Austenite, Martensite, B2, B19’ TiNi 形状記憶合金は，オーステナイト相からマルテンサイト相へ相変態することで機能が発現する機能性材料で，アクチュエータや薄膜として応用されており，その相変態挙動を力学的特性と結びつけて考えることは非常に重要である．そこで本研究では，TiNi 形状記憶合金を対象として，EBSD 法を用いた結晶構造解析を行った．まず第一に，EBSD 観察のための材料調整条件を確立した．さらに，荷重負荷前のオーステナイト相と負荷後のマルテンサイト相の EBSD 測定を行い，X 線測定と比較した．特に荷重負荷後に発達するマルテンサイト相が結晶粒内で発達する様子が観察された． 1. 緒言 TiNi 形状記憶合金は，形状記憶効果や超弾性という特有の機能だけでなく，耐食性や機械的性質にも優れているため，幅広い分野で用いられている(1),(2)．これら形状記憶合金は，荷重負荷など外部とエネルギの授受を行う事でオーステナイト相[B2]やマルテンサイト相[B19’]へ結晶構造が変化し，機能が発現する．これまで形状記憶合金の評価には,透過型電子顕微鏡による原子レベルでの解析(3), (4),Ｘ線(5)，中性子を用いた数百ミクロンレベルでの解析 (6) はなされているものの,力学的特性と強い関係を持つ結晶レベルでの観察の事例は少ない(7). そこで本研究では，TiNi 形状記憶合金を対象として，後方散乱電子線回折像(EBSD: Electron Backscatter Diffraction Pattern)法を用いた結晶構造観察を行った． 2. 実験方法 2-1 供試材及び試験片本研究では，住友金属工業株式会社製 TiNi 形状記憶合金を使用した．化学組成はカタログ値で Ti-50.23at%Ni である．試験片形状を Fig. 1 に示す．試験片加工後，真空加熱処理炉において直線形状に保持し，真空中にて温度 973K で再結晶させた後，形状記憶処理を 673K，1h，炉冷にて行った． 2-2 試料調整法 EBSD 法を用いた結晶構造解析を行うため，試料表面から 30～50nm 領域の結晶性が重要となる．そこで本研究では，形状記憶処理を施した試験片に#400～#2000 の耐水研磨紙で研磨した後，アルミナ研濁液を用いて順次研磨し，仕上げとして電解研磨を行った．電解液の成分は，硝酸 20％，メタノール 80％の混合液で，218～213K 程度に保持し， t=0.5 Fig. 1. Schematic of the specimen. 電流値 0.08～0.3A の範囲で設定し，電圧を制御して行った． 2-3 引張試験引張試験には，AUTOGRAPH(島津製作所製 AG-E)を用いて行った．試験条件は，試験温度を 293.2K，クロスヘッド速度(CHS)を 0.1mm/min とした．負荷過程で随時除荷し，Ｘ線測定ならびに EBSD 観察を行った． 2-4 結晶方位解析結晶方位測定には，サーマル電界放出形走査電子顕微鏡(日本電子製 JSM7000FS)に取り付けた結晶方位解析装置(Tex SEM Laboratory 製 OIM 4.6)を用いた．条件は，加速電圧 15kV，測定間距離 50nm とし，プローブ径は 5nm 程度である．本解析では，負荷前はオーステナイト相 (Cubic (Austenite))の単相，負荷後はオーステナイト相とマルテンサイト相(Monoclinic (Martensite))の複合相として解析を行った． 2-5 X 線測定 TiNi 形状記憶合金の負荷過程における X 線測定を行った．負荷前は，試験片中央から片側に 3mm 間隔で 5 点採り，270MPa (0.05st)負荷後は，試験片中央から両側に 3mm 間隔で 9 点採り，測定を行った．その際の X 線の測定条件を Table 1 に示す． Table 1. X-ray condition. Instrument Rint 2000 Method 2 θ /θ Target Cu Scanning mode Continuous Scanning Beam Line beam Filter Ni Tube voltage 50 kV Tube current 200 mA Irradiated area 2×3=6 mm2 Scanning speed 2 deg/min Measurement range 20-146 deg Measurement step 0.01 deg 3. 実験結果及び考察 3-1 X 線測定 X 線回折の結果を Fig. 2 に示す．(a)は負荷前， (b)が 270MPa(0.05st)負荷後である．負荷前の TiNi 形状記憶合金は，B2 構造に関係するピークのみが現れており，体心立方構造のオーステナイト相が支配的である事がわかる．(b) では，B2 構造のピークが減少し，B19’構造のピークが現れており，体心立方構造から単斜晶構造へとマルテンサイト相に変態している事が確認できる．本材料の場合，270MPa 以上作用させた場合，マルテンサイト相が支配的組織となることが確認された． 3-2 EBSD 観察負荷前の EBSD 観察結果を Fig. 3 に示す． (a)は，負荷前のオーステナイト相における菊池パターンで， (b)は指数付けを行ったものである．これらの菊池パターンから計算される表面性状を表す Image Quality(IQ)値は 156 前後で，十分な明瞭さが得られた．また，Confidence Index(CI)値は 0.40，Fit 値は 0.75 と指数付けも正確に行われており，観察に適した試料調整ができた．この条件での逆極点図方位マップ(IPF map: Inverse Pole Figure)を(c)に示す．(c)はオーステナイト相で解析を行ったものである．負荷前の TiNi 形状記憶合金は，体心立方構造のオーステナイト相が支配的であり， X 線回折の結果と対応した結果が得られた．また，(d)は逆極点図である．[111]面に高い強度分布を示しており，これは圧延加工によるものと考えられる．次に，460MPa(0.075st)負荷後の解析結果を Fig. 4 に示す．菊池パターンを(a)に，指数付けしたものを(b)に示す．IQ 値 210，CI 値 0.171 である．(c) はオーステナイト相，(d)がマルテンサイト相の IPF マップである．(c)では点でのみ同定されている事から，オーステナイト相はほとんどないことが分かる．一方，(d)の負荷後では，単斜晶構造であるマルテンサイト相が支配的に同定されている．また一結晶内に異なる結晶方位のマルテンサイトが同定されており，マルテンサイトの発達様相を確認できる．以上より，EBSD 法は TiNi 形状記憶合金の結晶構造解析にも有用であることが分かる． (a) Kikuchi pattern (b) Indexing Titanium Nickel 111 001 (c) IPF map (TiNi austenite) (d) Inverse pole figure Fig. 3. EBSD analysis of TiNi shape memory alloy before loading. (a) Kikuchi pattern B2 [110] 101 (b) Indexing Titanium Nickel 111 B2 [211] B2 [222] 001 101 (a) Before loading (c) IPF map (TiNi austenite) Titanium Nickel martensite [10 0] (b) After unloading Fig. 2. X-ray measurement of TiNi shape memory alloy in Austenite and Martensite phase. [0 01] [10 0] (d) IPF map (TiNi martensite) Fig. 4. EBSD analysis of TiNi shape memory alloy after unloading.