作为抑制大地震后的建筑物和桥梁残余变形的减震结构，近年来利用超弹性合金的研究非常活跃。日本东北大学研究生院工学研究科金属前沿工学专业的大森俊洋副教授和Ji Xia研究生等人组成的研究团队，成功开发出了强度几乎没有温度依赖性的铁基超弹性合金（图1）。
图1：新开发的铁基超弹性合金的外观照片
新开发的铁基超弹性合金从极低温到200℃的温度下强度（应力）基本都不变化，使用时几乎可以不考虑温度变化的影响。除了能在温度剧烈变化的月球和火星等使用外，还有助于开发采用超弹性合金的建筑和土木减震结构系统。
【研究背景】
超弹性是指即使受外力发生严重变形，但在外力去除后，仍然能恢复初始形状的性质（图2）。目前，医疗器件等主要利用镍-钛合金。不过，超弹性合金的变形强度会随着温度的升高而增加，存在力学特性不稳定的缺点。这意味着，产生超弹性的温度范围比较小。镍-钛合金温度每升高1℃，应力增加约6MPa，即使改变材料成分，能实际利用超弹性的温度范围大约也仅限于-20℃～100℃之间。
图2：普通金属材料和超弹性合金的应变与应力的关系模式图。普通金属材料施加0.5％以上的应变时，卸载后仍然存在应变，而超弹性合金即使出现几％至10％左右的变形，也能恢复原来的形状。
【研究成果】
此次新发现的铁基超弹性合金以铁为主要成分，还含有锰、铝、镍和铬。如图3所示，具备即使温度发生变化，强度（应力）也基本不会改变的特征。图4是应力变化在50MPa以下的温度范围。镍-钛实用合金能承受的温度变化范围仅限于室温附近的约8℃范围内，而此次的铁基超弹性合金从极低温开始，能承受的变化范围约达400℃。地球上的温度范围自不必说，还覆盖了月球和火星的温度范围。另外，通过调整成分，还可以获得不同于普通超弹性合金的温度越高强度越低的性质。
图3：新开发的铁基超弹性合金在-263℃至200℃温度范围的超弹性。与实用合金镍-钛的情况进行了比较。
图4：新开发的铁基超弹性合金与实用化的镍-钛超弹性合金的利用温度范围比较。图中显示了应力变化在50MPa以内的温度范围。图上部为地球、月球和火星的温度范围。(摄影：solarsystem.nasa.gov/resources/925/solar-system-and-beyond-poster-set)
【未来展望】
此次开发的铁基超弹性合金由低成本原料构成，有望作为大型构件使用。大地震导致住宅、建筑物和高速公路等遭受较大的振动时，作为抑制震后残留变形的减震结构，近年来利用超弹性合金的研究变得活跃起来。超弹性合金有望减轻地震造成的破坏，快速实现灾后复兴。不过，此前一直不存在能以可接受的成本实现的超弹性合金。不仅是成本，铁基超弹性合金在力学特性不容易受外部气温变化影响这一点上也具备很高的通用性，使用不受地区和季节的温度变化限制。今后计划实现大型构件化并评估超弹性的性能，以应用于建筑和土木领域的减震结构。
另外，此次的材料是全球首款在从极低温到200℃的广泛温度范围均具备超弹性的合金。日本和美国等正计划进行月球、火星和小行星探测，铁基超弹性合金表现出了在温度剧烈变化的地球外环境中也具备弹性的性质，可以考虑作为冲击吸收材料及振动吸收材料使用。
论文信息
论文题目：Iron-based superelastic alloys with near-constant critical stress temperaturedependence
发表期刊：Science, Vol. 369, Issue 6505, pp. 855-858
DOI：10.1126/science.abc1590
URL：science.sciencemag.org/content/369/6505/855
文：JST客观日本编辑部
