常識を覆す、疲労の蓄積を抑える材料設計―ナノ構造化により軽く壊れにくい金属を実現―

研究者情報

概要

　京都大学大学院エネルギー科学研究科 澄川貴志 教授、杉坂浩太 同博士後期課程学生、東京大学生産技術研究所 梅野宜崇 教授、山梨大学大学院総合研究部 島弘幸 教授、名古屋大学未来材料・システム研究所 荒井重勇 特任准教授らを中心とした研究チームは、数百ナノメートルサイズの金属単結晶に対する引張圧縮疲労試験を実現し、転位の枯渇により高い疲労耐性が発現する機構を明らかにしました。さらに、この知見を基に、金属単結晶にナノメートルサイズの孔を周期的に設けたナノ構造化金属メタマテリアルを作製し、均質材に比べて相対密度を約半分に抑えながら、約2倍の疲労耐性を示すことを実証しました。

　金属が繰り返し負荷を受けると、結晶内部では原子配列が局所的に乱れた領域（転位）が集まり、自己組織化した疲労転位構造が形成されます。この構造が、疲労破壊のきっかけとなるき裂の発生につながります。また、材料中に孔を空けると、その周囲に力（応力）が集中して疲労破壊が起こりやすくなるため、従来の材料設計では孔をできるだけ避けることが一般的でした。

　本研究では、金属単結晶中にナノメートル間隔で周期的に孔を配置すると、転位は孔の表面から生じる力学的作用によって材料の外へ放出され、内部の転位が枯渇することを明らかにしました。その結果、疲労破壊の発生につながる転位の自己組織化が抑えられ、軽量化と高い疲労耐性を両立できることを示しました。これまで強度上の弱点と考えられてきた孔を逆に積極的に利用するという、金属疲労における材料設計の常識を覆す成果であり、軽量で壊れにくい材料を実現するための新たな設計概念として幅広い応用が期待されます。

　本研究成果は、2026年8月23日（中央ヨーロッパ夏時間）に国際学術誌『Advanced Materials』にオンライン掲載されました。

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