韓国の研究者が、宇宙船や加速器のような極限環境で使用できる超高強度金属合金法を開発した。強度と延性を同時に向上させる新たな方法だ。
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韓国研究財団（ＮＲＦ）は９日、ソン・ソクス高麗大学教授の研究チームが従来の強度－延性の相反関係を克服する新概念の超高強度マレージング中エントロピー合金開発技術を確保したと明らかにした。
マレージング（ｍａｒａｇｉｎｇ）は、急冷した金属を低温で一定時間維持させ、微細粒子を沈殿させて強度を高める方法だ。強度と優れた靭性を備え、自動車、航空、宇宙、国防、工具材料など多様な高付加価値分野で活用される。高／中エントロピー合金とは、一種類の元素がベースとなる従来の合金設計方式から脱却し、複数の種類の元素がすべて主原素として作用し、高い混合エントロピーを持ち、高温で単相固溶体を形成することができる。
一般的な超高強度合金の設計時、高温の金属を急冷して硬い微細組織基地（材料の全体あるいは大部分を構成している相）を形成し、急冷で過飽和した元素を熱処理して粒子の形で生成する２つの強化方法を併用する。この方法は強度向上効果が大きいが、延性が落ちて荷重に耐える抵抗力が低くなるという限界がある。
マレージング合金は、両方の強化機構を使用する代表的な合金で、非常に硬く丈夫だが、基と粒子の境界面が脆弱で外部から大きな力が加わると境界面に応力が集中して破壊につながるため、これを克服する精密設計が求められる。
研究チームは伝統的なマレージング設計方式を脱却し、変形過程でリアルタイムに構造変化を起こす金属間化合物を沈出粒子（過飽和した固溶体から沈出した第２の相）として活用し、超高強度と延性を同時に確保した中エントロピー合金の開発に成功した。第一原理計算と熱力学シミュレーションを通じて硬い金属間化合物析出粒子が相変態できるように設計することで、境界部に集中した応力を解消して亀裂を防止し、高い強化効果を維持した。リアルタイム構造が変化する金属化合物を利用した中エントロピー金属材料は、超高強度鋼板レベルの引張強度（２．１ ＧＰａ）と商用材料の限界延性（２％）の２倍に達する均一延性（４％）を確保した。フォローアップ研究を通じて超高温と超極低温など極限環境での特性と機械的特性以外の腐食特性、電気・磁気特性など機能的な部分を多様に改善した合金を開発する計画だ。
ソン教授は「超高強度構造材料の開発で、石出粒子を活用した強化方法を使用する場合、強度向上が必ずしも大きな延性低下を犠牲にする必要がないという示唆点を提示したことに意義がある」とし、「極限環境で極端な荷重と衝撃に耐えなければならない航空、宇宙、国防など先端分野で特殊な目的に合わせて活用できることが期待される」と明らかにした。
※アイキャッチ画像は実際の研究内容と無関係です（出所：Pixabay）
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