極限温度に耐える新しい金属合金(New Metal Alloys Defy Expectations to Withstand Extreme Heat and Cold)

2026-11-10 ローレンス・バークレー国立研究所(LBNL)

米国ローレンス・バークレー国立研究所を中心とする国際研究チームは、極低温から超高温まで優れた破壊靱性を維持する2種類の新しい金属合金を開発した。研究対象は、体心立方構造(BCC)を持つニオブ・チタン系合金であり、ニオブ45%、タンタル25%、チタン15%、ハフニウム15%からなる中高エントロピー合金(Nb45Ta25Ti15Hf15)と、ニオブ・チタン二元合金(Nb70Ti30)である。従来のBCC系耐火金属合金は融点が高く高温用途に適する一方、低温では脆化して破壊しやすいという問題があった。今回、研究チームは20K(約マイナス253℃)から1300℃までの広い温度範囲で、これらの合金が高い破壊抵抗を示すことを実証した。破壊靱性は20Kで約100 MPa√m、室温では250 MPa√mを超えた。結晶内の双晶形成や局所的な相変態など、複数の変形機構が協調することで、亀裂の進展を抑制する仕組みが明らかになった。航空宇宙、ジェットエンジン、ロケット、エネルギーシステムなど、極端な温度環境で使用される構造材料への応用が期待される。

極限温度に耐える新しい金属合金(New Metal Alloys Defy Expectations to Withstand Extreme Heat and Cold)
An electron microscopy image showing new defects forming between neighbouring crystals of the niobium-titanium-based alloy after stress testing. Scale bar: 40 μm. (Credit: Cook et al. 2026)

<関連情報>

20 Kにおいて、競合するメカニズムが体心立方構造の二元合金および中エントロピー合金を強化する Competing mechanisms toughen bcc binary and medium-entropy alloys at 20 K

David H. Cook, Xiaoyu Chen, Michael O’Leary, Satish Rao, Wenqing Wang, Calvin H. Belcher, Madelyn Payne, Pedro Borges, Tung Lik Lee, Arun Devaraj, Mark Asta, Enrique J. Lavernia, Diran Apelian, Andrew M. Minor, Dong Liu, Punit Kumar & Robert O. Ritchie
Nature  Published:14 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-026-11065-7

Abstract

Plastic deformation in body-centred cubic (bcc) metals and alloys is conventionally mediated by screw dislocations. Their temperature-sensitive motion is attributed to a steep rise in strength with decreasing temperature that constricts plastic zones at crack tips, leading to a ductile-to-brittle transition1. Here we evaluated the mechanical properties of group IV–V bcc refractory alloys with similar electronic structures at 20 K and found that these materials instead exhibit a plateau in tensile yield strength and fracture toughness as a function of temperature, with no apparent ductile-to-brittle transition. This behaviour arises from the global activation of twinning and an ω-phase transformation, which nucleate dislocations at interfaces before global dislocation motion. The initial mechanism is temperature insensitive and controls yielding, thereby preventing a crack-tip plastic zone from constricting with decreasing temperature.

0703金属材料
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