乾晴行 工学研究科教授、岡本範彦 同助教、E. P. George 米国オークリッジ国立研究所教授らの研究グループは、CrMnFeCoNi系等原子量高エントロピー合金の多結晶材から1～10μm程度の単結晶を微細加工し、圧縮変形試験を実施することでバルク強度を評価することに世界に先駆けて成功しました。その結果、合金を構成するニッケルの10倍以上もの高い強度を示すことを明らかにしました。
本研究成果は、2016年10月24日にオンライン科学誌「Scientific Reports」に掲載されました。
研究者からのコメント
本研究で用いたマイクロピラー試験法は、従来、純金属の強度のサイズ依存性を純粋に学術的な観点から研究するために開発されたものですが、高エントロピー合金以外にも単結晶作製が困難な金属材料やセラミックス材料にも適用できるものであり、広範な構造材料の強度の基礎的理解および材料開発に役立つと期待されます。また、高エントロピー合金の固溶強化（異種元素を加え強化すること）の解釈を推し進めることにより、希薄二元系合金にしか適用できなかった従来の固溶強化理論を、元素種や溶質濃度に依らないユニバーサルな固溶強化理論に発展させられることが期待されます。
本研究成果により、高エントロピー合金の結晶中には非常に大きな結晶格子歪（ひずみ）が内在することが示唆されましたが、これを実証するために、SPring－8の放射光エックス線回折などの実験手法を用いて結晶格子歪量を実測します。
概要
多種類の元素を等原子量もしくはほぼ等原子量含む合金は近年「高エントロピー合金」と名付けられ、優れた高温強度、極めて遅い拡散速度などの特異な物理特性を示すため、学術的にも工業的にも注目されています。中でも、等原子量高エントロピー合金（CrMnFeCoNi合金）は、温度低下とともに強度が増加するだけでなく、延性および破壊靭性が劇的に向上するという、従来金属材料では考えられないような力学特性を示します。
高エントロピー合金は異種元素が高濃度に固溶しているため、固溶強化によって強度が高くなっていると考えられます。しかし、現在用いられている固溶強化理論は溶質が数％程度で2種の金属からなる合金を前提としているため、等原子量合金では合金の強化量を予測・評価することは困難です。またバルク単結晶が得られないため、高エントロピー合金の強度を実際に確かめることはできませんでした。
そこで本研究グループは、CrMnFeCoNi系等原子量高エントロピー合金の多結晶材から任意の結晶方位を有する結晶粒を選び、そこから1～10μm程度のサイズの微小な角状単結晶試料を集束イオンビーム装置で微細加工し、ナノインデンテーション装置を用いて室温で圧縮変形試験を行いました。
その結果、試料サイズが小さくなるとともに強度がべき乗則に従って増加することが分かりました。さまざまな金属について、試料サイズが約20～30μmのときの強度がバルク強度に相当することが一般的に知られていることから、このべき乗則の近似曲線を20～30μmまで外挿することにより、CrMnFeCoNi系高エントロピー合金のバルク強度が38±5MPaであると見積もりました。これは構成する純金属（ニッケル）の10倍以上もの高い強度です。
圧縮軸方位に関わらず試料サイズが小さくなるとともに、強度がべき乗則に従って増加している（図左）。既存の固溶強化理論を高エントロピー合金に直接適用することは不可能だが、CrMnFeCoNi五元系合金を仮想的な2元系合金に単純化することにより既存理論を適用（＝準用）して強度を見積もると、本研究で得られたバルク強度の実測値に及ばないことがわかった（図右）。
詳しい研究内容について
書誌情報
【DOI】
http://dx.doi.org/10.1038/srep35863
【KURENAIアクセスURL】
http://hdl.handle.net/2433/217104
Norihiko L. Okamoto, Shu Fujimoto, Yuki Kambara, Marino Kawamura, Zhenghao M. T. Chen, Hirotaka Matsunoshita, Katsushi Tanaka, Haruyuki Inui, Easo P. George. (2016). Size effect, critical resolved shear stress, stacking fault energy, and solid solution strengthening in the CrMnFeCoNi high-entropy alloy. Scientific Reports, 6: 35863.
