作爲抑制大地面震動後的建築物和橋樑殘餘變形的減震結構，近年來利用超彈性合金的研究非常活躍。日本東北大學研究生院工學研究科金屬前緣工學專業的大森俊洋副教授和Ji Xia研究生等人組成的研究團隊，成功開發出了強度幾乎沒有溫度依賴性的鐵基超彈性合金（圖1）。
圖1：新開發的鐵基超彈性合金的外觀照片
新開發的鐵基超彈性合金從極低溫到200℃的溫度下強度（應力）基本都不變化，使用時幾乎可以不考慮溫度變化的影響。除了能在溫度劇烈變化的月球和火星等使用外，還有助於開發採用超彈性合金的建築和土木減震結構系統。
【研究背景】
超彈性是指即使受外力發生嚴重變形，但在外力去除後，仍然能恢復初始形狀的性質（圖2）。目前，醫療器件等主要利用鎳-鈦合金。不過，超彈性合金的變形強度會隨着溫度的升高而增加，存在力學特性不穩定的缺點。這意味着，產生超彈性的溫度範圍比較小。鎳-鈦合金溫度每升高1℃，應力增加約6MPa，即使改變材料成分，能實際利用超彈性的溫度範圍大約也僅限於-20℃～100℃之間。
圖2：普通金屬材料和超彈性合金的應變與應力的關係模式圖。普通金屬材料施加0.5％以上的應變時，卸載後仍然存在應變，而超彈性合金即使出現幾％至10％左右的變形，也能恢復原來的形狀。
【研究成果】
此次新發現的鐵基超彈性合金以鐵爲主要成分，還含有錳、鋁、鎳和鉻。如圖3所示，具備即使溫度發生變化，強度（應力）也基本不會改變的特徵。圖4是應力變化在50MPa以下的溫度範圍。鎳-鈦實用合金能承受的溫度變化範圍僅限於室溫附近的約8℃範圍内，而此次的鐵基超彈性合金從極低溫開始，能承受的變化範圍約達400℃。地球上的溫度範圍自不必說，還覆蓋了月球和火星的溫度範圍。另外，透過調整成分，還可以獲得不同於普通超彈性合金的溫度越高強度越低的性質。
圖3：新開發的鐵基超彈性合金在-263℃至200℃溫度範圍的超彈性。與實用合金鎳-鈦的情況進行了比較。
圖4：新開發的鐵基超彈性合金與實用化的鎳-鈦超彈性合金的利用溫度範圍比較。圖中顯示了應力變化在50MPa以内的溫度範圍。圖上部爲地球、月球和火星的溫度範圍。(攝影：solarsystem.nasa.gov/resources/925/solar-system-and-beyond-poster-set)
【未來展望】
此次開發的鐵基超彈性合金由低成本原料構成，有望作爲大型構件使用。大地面震動導致住宅、建築物和高速公路等遭受較大的振動時，作爲抑制震後殘留變形的減震結構，近年來利用超彈性合金的研究變得活躍起來。超彈性合金有望減輕地面震動造成的破壞，快速實施災後復興。不過，此前一直不存在能以可接受的成本實施的超彈性合金。不僅是成本，鐵基超彈性合金在力學特性不容易受外部大氣溫度變化影響這一點上也具備很高的通用的性，使用不受地區和季節的溫度變化侷限。今後計劃實施大型構件化並評估超彈性的性能，以應用於建築和土木領域的減震結構。
另外，此次的材料是全球首款在從極低溫到200℃的廣泛溫度範圍均具備超彈性的合金。日本和美國等正計劃進行月球、火星和小行星探測，鐵基超彈性合金表現出了在溫度劇烈變化的地球外環境中也具備彈性的性質，可以考慮作爲衝擊吸收材及振動吸收材使用。
論文資訊
論文題目：Iron-based superelastic alloys with near-constant critical stress temperaturedependence
發表期刊：Science, Vol. 369, Issue 6505, pp. 855-858
DOI：10.1126/science.abc1590
URL：science.sciencemag.org/content/369/6505/855
文：JST客觀日本編輯部
