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减振器用高疲劳寿命铁系合金的开发

2016年5月6日 10:48:36来源:作者:

 2011年东日本大地震,使以前提出的长周期振动的危险成为现实。因此,要求现存建筑物更换减振器,以应对超过预计的振动。此外,现存建筑物的抗震补强结构中使用的减振器形状受到制约,不能充分发挥作用的情况也不少。所以对减振器提出了小型化、高功能化和可应对长周期振动的要求。
目前正在推进简单结构剪切板减振器新材料的实用化和减振器用铁系形状记忆合金的实用化。一般的形状记忆合金的特点是具有形状记忆功能和超弹性特性,但典型实用的铁系形状记忆合金Fe-Mn-Si系合金不具有超弹性。所以过去认为Fe-Mn-Si系合金不适用于减振器材料。但最近的研究结果表明,Fe-Mn-Si系合金具有良好的疲劳耐久性,并开始将其作为减振器材料进行研究。
为使Fe-Mn-Si系合金实用化,日本物质·材料研究机构的一个震灾应对项目“社会公共设施的修复、再生用结构材料开发”于2012年启动了研究工作,并提出了2015年达到使用化的目标。
该项目研发的铁系形状记忆合金的主要成分是Fe、Mn、Si,所以叫做“FMS合金。”FMS合金的疲劳寿命是传统减振器用钢(LY225、LY100)的10倍以上,达到10000次以上疲劳循环次数(图1)。
FMS合金具有高疲劳耐久性的机理如下。FMS合金母相是奥氏体(γ),当发生变形时,由于Mn的作用,形成密排六方马氏体(ε)。对FMS合金施加应力时,FMS合金不发生滑移变形,而发生γ相向ε相的马氏体转变。当对FMS合金施加反方向应力时,形成的ε相又恢复为γ相,因此,FMS合金显示出很高的疲劳寿命(图2)。
金属的疲劳过程中,金属内部位错发生增殖、堆积导致金属材料断裂。FMS合金中的位错存在于γ相的ε相的边界。由于疲劳是有规律的反复变形,所以FMS合金中的位错很难形成缺陷,这对延长疲劳寿命也起了很大作用。
Mn是高蒸汽压合金元素。FMS合金中Mn含量较高,约为28%。在FMS合金开发初期存在难熔炼和难加工的问题。经过研究方、制造方和应用方的协作,用短短两年时间,解决了这些难点。FMS合金已经可用于建筑物。
当前,日本正在制定国土强韧化基本计划,推进抗灾能力强的公共设施整备工作。今后都市集约化和建筑物高层化会进一步发展,将会需求抗震性更好的建筑材料。为了实现更安全舒适的生活,钢铁材料技术开发越来越重要。

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